Electronica De Potencia

La electrónica de potencia es la aplicación de la electrónica de estado sólido para el control y la conversión de la energía eléctrica. También se refiere a un sujeto de la investigación en ingeniería electrónica y eléctrica que se refiere a diseño, de control, cálculo y la integración de los no lineal, variable en el tiempo la energía de procesamiento sistemas electrónicos con dinámica rápida.

Los primeros dispositivos electrónicos de alta potencia eran válvulas de arco de mercurio. En los sistemas modernos de la conversión se realiza con dispositivos de conmutación semiconductores tales como diodos, tiristores y transistores, ya que por primera vez por RD Middlebrook y otros a partir de la década de 1950. En contraste con los sistemas electrónicos relacionados con la transmisión y el procesamiento de señales y datos, en la electrónica de potencia se procesan cantidades sustanciales de energía eléctrica. Un convertidor de AC/DC es el dispositivo de electrónica de potencia más típico se encuentra en muchos dispositivos electrónicos de consumo, por ejemplo, televisores, computadoras personales, cargadores de baterías, etc La gama de potencia es típicamente de decenas de vatios hasta varios cientos de vatios. En la industria de una aplicación común es la unidad de velocidad variable que se utiliza para controlar un motor de inducción. El rango de potencia de los VSD parten de unos pocos cientos de vatios y concluirá a decenas de megavatios.

Los sistemas de conversión de energía se pueden clasificar de acuerdo con el tipo de la entrada y la potencia de salida

•CA a CC

•DC a AC

•DC a DC

•CA a CA

Historia

Electrónica de potencia comenzó con el desarrollo del arco de mercurio rectificador. Inventado por Peter Cooper Hewitt en 1902, el rectificador de arco de mercurio se utiliza para convertir la corriente alterna en corriente continua. Desde la década de 1920, la investigación continuó aplicando tiratrones y válvulas de arco de mercurio de los controlados por rejilla de la transmisión de energía. No fue hasta Uno Lamm desarrolló una válvula con electrodos de clasificación que las válvulas de mercurio eran utilizables para la transmisión de corriente continua de alto voltaje. En 1933 se inventaron los rectificadores de selenio.

En 1947, el transistor de contacto bipolar fue inventado por Walter H. Brattain y John Bardeen, bajo la dirección de William Shockley en el Laboratorio Bell Telephone. En 1948 la invención del transistor de unión bipolar por Shockley mejora la estabilidad y el rendimiento de los transistores, y reduce el coste de fabricación. Por la década de 1950, los diodos semiconductores de potencia se dispuso y comenzó a reemplazar los tubos de vacío. Luego, en 1956, el rectificador controlado de silicio fue presentado por General Electric, lo que aumenta considerablemente el rango de aplicaciones de electrónica de potencia.

En la década de 1960 la velocidad de conmutación de BJTs permitió convertidores DC/DC de alta frecuencia. En 1976 MOSFET de potencia esté disponible comercialmente. En 1982 se introdujo el transistor bipolar de puerta aislada.

Dispositivos

Ver también: dispositivo semiconductor de potencia

Las capacidades y la economía del sistema de electrónica de potencia se determinan por los dispositivos activos que están disponibles. Sus características y limitaciones son un elemento clave en el diseño de sistemas electrónicos de potencia. Anteriormente, la válvula de vapor de mercurio, el alto vacío y lleno de gas diodo de tubo rectificadores y dispositivos activados como el thyratron y ignitrón se utiliza ampliamente en la electrónica de potencia. Como las calificaciones de los dispositivos de estado sólido mejora en la tensión y la capacidad de soporte de corriente, dispositivos de vacío han sido sustituidos casi por completo por los dispositivos de estado sólido.

Dispositivos electrónicos de potencia pueden utilizarse como conmutadores, o como amplificadores. Un conmutador ideal es abierta o cerrada y así se disipa ninguna energía, sino que resiste una tensión aplicada y pasa ninguna corriente, o pasa cualquier cantidad de corriente sin caída de tensión. Dispositivos semiconductores utilizados como interruptores puede aproximar esta propiedad ideal para la mayoría de aplicaciones de electrónica de potencia se basan en dispositivos de encendido y apagado, lo que hace que los sistemas muy eficientes como muy poca energía se desperdicia en los dispositivos de conmutación. Por el contrario, en el caso del amplificador, la corriente a través del dispositivo varía continuamente de acuerdo a una entrada controlada. El voltaje y la corriente en los terminales del dispositivo siguen una línea de carga, y la disipación de potencia en el interior del dispositivo es grande en comparación con la potencia entregada a la carga.

Varios atributos determinan cómo se utilizan los dispositivos. Los dispositivos tales como diodos realizar cuando se aplica una tensión directa y no tienen ningún control externo del inicio de la conducción. Los dispositivos de potencia, tales como rectificadores y tiristores controlados de silicio permiten el control del inicio de la conducción, sino que se basan en la inversión periódica del flujo de corriente para apagarlos. Los dispositivos tales como puertas tiristores de apagado, transistores de unión bipolar y transistores MOSFET ofrecen conmutación de control completo y se puede activar o desactivar sin tener en cuenta el flujo de corriente a través de ellos. Dispositivos de transistores también permiten la amplificación proporcional, pero esto rara vez se utiliza para los sistemas de clasificación más que unos pocos cientos de vatios. Las características de entrada de control de un dispositivo también afectan en gran medida de diseño, a veces, la entrada de control está en una tensión muy alta con respecto a tierra y debe ser accionado por una fuente aislado.

Como la eficiencia es un bien escaso en un convertidor electrónico de potencia, las pérdidas que un dispositivo electrónico de potencia genera debe ser lo más bajo posible.

Dispositivos varían en velocidad de conmutación. Algunos diodos y tiristores son adecuados para la velocidad relativamente lenta y son útiles para la conmutación de frecuencia de potencia y control; ciertos tiristores son útiles en unos pocos kilohercios. Los dispositivos tales como transistores MOSFET y BJT pueden cambiar en decenas de kilohercios hasta unos pocos megahercios en aplicaciones de potencia, pero con la disminución de los niveles de potencia. Potencia muy alta a muy alta frecuencia sigue siendo la zona donde predominan los dispositivos de tubo de vacío. El uso de dispositivos de conmutación más rápidos minimiza la energía perdida en las transiciones de ON a OFF y viceversa, pero puede crear problemas con las interferencias electromagnéticas radiadas. Circuitos de excitación de puerta deben estar diseñados para suministrar suficiente corriente para lograr la conmutación de la velocidad completa es posible con un dispositivo de accionamiento. Un dispositivo que no recibe suficiente unidad para cambiar rápidamente, puede ser destruido por el exceso de calor.

Los dispositivos prácticos tienen caída de tensión no nula y disipan la energía cuando está encendido, y tomar algo de tiempo para pasar a través de una región activa hasta que alcanzan el "on" o el estado "off". Estas pérdidas son una parte importante de la energía total perdida en un convertidor.

La capacidad de potencia y disipación de dispositivos también es un factor crítico en el diseño. Dispositivos electrónicos de potencia pueden tener para disipar decenas o cientos de vatios de calor residual, incluso de conmutación tan eficientemente como sea posible entre la conducción y de no conducción estados. En el modo de conmutación, la potencia controlada es mucho más grande que la potencia disipada en el interruptor. La caída de tensión en los conductores se traduce en estado calor que debe ser disipado. Semiconductores de alta potencia requieren disipadores de calor especializadas o sistemas activos de refrigeración para mantener la temperatura de la unión se eleve demasiado, semiconductores exóticos como el carburo de silicio tienen una ventaja sobre silicio directamente en este sentido, y de germanio, una vez que el apoyo principal de la electrónica de estado sólido ahora es poco utilizado debido a sus propiedades desfavorables a alta temperatura.

Existen dispositivos semiconductores con puntuaciones hasta unos pocos kilovoltios en un solo dispositivo. Cuando debe ser controlado muy alta tensión, múltiples dispositivos deben utilizarse

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