Introducción a la electrónica de potencia: uso de interruptores semiconductores para transformar voltaje, corriente y frecuencia.

La electrónica de potencia se encarga de todo esto: convertir la corriente alterna de un enchufe en corriente continua para una batería, transformar esa corriente continua de la batería de nuevo en corriente alterna trifásica para un motor, y adaptar el voltaje de un panel solar a la red eléctrica. En lugar de reducir el voltaje convirtiéndolo en calor mediante una resistencia, conmuta interruptores semiconductores como MOSFET e IGBT a alta velocidad, almacenando temporalmente energía en inductores y condensadores para sintetizar la forma de onda necesaria.

Ejemplo de motor BLDC

Ejemplo de bucle de control

Imágenes: Outrunner (1sfoerster, CC BY-SA 3.0) / PID diagrama de bloques del controlador (Arturo Urquizo, CC BY-SA 3.0), Wikimedia Commons. Ejemplos representativos de motores y controladores.

0. Resumen de 30 segundos

• Un semiconductor de potencia no es un "componente que amplifica la potencia", sino un interruptor electrónico que decide, a alta velocidad, si la corriente fluye o se bloquea.

• Si D es la fracción del período de conmutación que ocupa T_s, un convertidor Buck ideal proporciona V_o=D V_{in}. En un dispositivo real, las pérdidas por conducción, las pérdidas por conmutación y las pérdidas en los componentes magnéticos son importantes.

• Un inversor divide la corriente continua en segmentos finos mediante modulación por ancho de pulsos (PWM), sintetizando una onda sinusoidal como promedio. En un motor, el voltaje, la frecuencia y la fase varían para controlar el par y la velocidad.

• El SiC y el GaN son materiales que permiten una alta tolerancia al voltaje, una conmutación de alta velocidad y un funcionamiento a altas temperaturas, pero el control de puerta, la inductancia parásita, la interferencia electromagnética (EMI) y el costo dificultan el diseño. Un convertidor de potencia no es un producto terminado solo por su eficiencia; la resistencia térmica, el aislamiento, la protección contra cortocircuitos, el software de control, los estándares de la red eléctrica y la facilidad de mantenimiento también deben considerarse.

1. Generación de un "Valor Promedio" mediante Conmutación

Coloque un interruptor S en serie con una fuente de CC V_{in} y actívelo durante DT_s de cada período T_s. Si la carga tiene un inductor suficientemente grande, el voltaje promedio que percibe la carga es:

Aunque el interruptor en sí solo emite 0 V o V_{in}, la corriente del inductor suaviza las transiciones y el voltaje del condensador mantiene el valor promedio. Esta es la idea fundamental de la electrónica de potencia.

Diagrama: Bobina Dusk. La forma de onda rectangular del interruptor se suaviza mediante L y C, proporcionando un voltaje promedio a la carga. Aumentar la frecuencia de conmutación permite reducir el tamaño de los componentes pasivos, pero incrementa las pérdidas y la EMI.

2. Elección entre topologías representativas

Buck, Boost, Buck-Boost

El convertidor Buck (reductor) se utiliza para generar, por ejemplo, una línea de 12 V a partir de una batería; el convertidor Boost (elevador) eleva el bajo voltaje de una celda solar o de combustible a un enlace de CC alto; el convertidor Buck-Boost convierte el voltaje de entrada a un valor superior o inferior al de entrada. En el caso ideal En el modo de conducción continua, las relaciones son:

A medida que el ciclo de trabajo D se aproxima a 1, la tensión de refuerzo ideal tiende al infinito, pero en un dispositivo real, la tensión nominal del interruptor, la recuperación inversa del diodo, la saturación del inductor y la inestabilidad del control imponen límites mucho antes. A alta tensión y alta potencia, en lugar de una simple conversión de una sola etapa, se eligen topologías como el entrelazado, el LLC aislado o el DAB (Puente Activo Dual).

Rectificadores y corrección del factor de potencia

Al rectificar la CA con un puente de diodos, una fuente de alimentación con entrada de condensador consume un gran pulso de corriente cerca del pico de la forma de onda de tensión. Un factor de potencia bajo aumenta la corriente que debe transportar el equipo de distribución, por lo que se utiliza un circuito PFC (corrección del factor de potencia) de tipo refuerzo para aproximar la corriente de entrada a una onda sinusoidal. Las fuentes de alimentación de los centros de datos, los cargadores rápidos para vehículos eléctricos y los inversores industriales deben cumplir con las regulaciones de eficiencia y armónicos simultáneamente. tiempo.

Inversores y motores trifásicos

Un inversor trifásico de dos niveles acciona 6 interruptores (superior e inferior) en un patrón complementario, sintetizando una tensión trifásica a partir de la tensión del enlace de CC. Si los interruptores superior e inferior se activaran simultáneamente, se produciría un cortocircuito en el bus de CC, por lo que se introduce un tiempo muerto de entre unos cientos de nanosegundos y unos pocos microsegundos. Los esquemas de modulación representativos incluyen la modulación por ancho de pulsos sinusoidal (PWM sinusoidal), que compara una onda sinusoidal de referencia con una portadora triangular para construir la tensión media, y la modulación por ancho de pulsos vectorial espacial (SVPWM), que inyecta un componente de secuencia cero en las tres fases para aumentar la utilización de la tensión de CC.

En un motor síncrono de imanes permanentes, la corriente del eje x, perpendicular al flujo del rotor, produce par. Una ecuación de par simplificada es:

donde p es el número de pares de polos, \psi_f el flujo del imán permanente y i_q la corriente del eje x. El bucle de corriente se controla a unos pocos kHz, y el ángulo del rotor se obtiene mediante un sensor de posición o mediante estimación sin sensores. En un vehículo eléctrico, el mismo inversor conmuta entre alto par a baja velocidad, debilitamiento de campo a alta velocidad y frenado regenerativo.

3. Elección entre Si, SiC y GaN

Los MOSFET/IGBT de silicio son tecnologías maduras y ofrecen una gran rentabilidad y fiabilidad. Los MOSFET de SiC son adecuados para altas tensiones, bajas pérdidas y funcionamiento a altas temperaturas, y se utilizan cada vez más en inversores de accionamiento principal de vehículos eléctricos, unidades PCS para energía solar y almacenamiento, y fuentes de alimentación auxiliares para ferrocarriles. Los HEMT de GaN destacan por su alta velocidad de conmutación y baja carga de puerta, y son ideales para aplicaciones donde la alta frecuencia y el tamaño reducido son ventajosos: adaptadores de CA de cientos de voltios, fuentes de alimentación para servidores y transferencia de energía inalámbrica.

Las pérdidas de conmutación se dividen generalmente en: Dos tipos.

R_{on} es la resistencia de encendido, t_{on/off} el tiempo de transición y f_s la frecuencia de conmutación. Aumentar la frecuencia reduce los componentes magnéticos, pero incrementa las pérdidas de conmutación, las pérdidas de control de puerta y la EMI. Dado que la inductancia parásita del cableado de los dispositivos SiC/GaN se convierte en sobretensión con mayor facilidad cuanto más rápido conmutan, el diseño debe considerar el encapsulado, la disposición, la resistencia de puerta y los amortiguadores en conjunto.

4. Diseño térmico, aislamiento y protección. Determinación del producto

Con la temperatura de la unión T_j, la temperatura de la carcasa T_c y la resistencia térmica R_{th,jc}, la aproximación en estado estacionario es:

Incluyendo la placa fría, la pasta térmica, el disipador de calor y el caudal del refrigerante, El T_j debe mantenerse por debajo de su valor nominal en el peor de los casos. En un inversor de vehículos eléctricos, la temperatura de entrada del refrigerante, las sobrecargas a corto plazo, el calor de la regeneración e incluso el agua salada y las vibraciones afectan su vida útil.

En una batería de alto voltaje, se combinan las distancias de fuga y de aislamiento, la monitorización del aislamiento, la precarga, los fusibles, los contactores y una resistencia de descarga. La protección contra cortocircuitos no se limita a "cuanto más rápido, mejor"; requiere una coordinación temporal que evite la interrupción del funcionamiento por una falsa alarma, al tiempo que corta la alimentación de forma fiable antes de que se destruya el semiconductor. Los sistemas de control de vigilancia, la detección de corriente dual y las normas de seguridad funcional (ISO 26262, IEC 61508, etc.) también están integrados en el diseño del circuito.

5. Dónde se utiliza

6. Una perspectiva para la investigación actual

La investigación no se centra únicamente en "hacer que los interruptores sean más rápidos". Se están produciendo avances simultáneos en la fiabilidad de las compuertas de SiC y la resistencia a cortocircuitos, la resistencia dinámica de encendido del GaN, las rutas térmicas en módulos de potencia 3D, las pérdidas de alta frecuencia en materiales magnéticos, la compensación predictiva en el control digital y Reducción de EMI para dispositivos de banda ancha. La investigación a nivel de sistema también es importante: entrelazado multifásico que modulariza los convertidores para que el funcionamiento continúe incluso después de una falla, V2G que conecta vehículos a la red, distribución de CC y transferencia de energía inalámbrica.

Al leer un gráfico de eficiencia en un artículo, verifique no solo el punto de operación nominal, sino también la fracción de carga, el voltaje de entrada, las condiciones de refrigeración, la frecuencia de conmutación y el ancho de banda de medición. La misma cifra del 99 % representa 100 veces más calor perdido en un inversor de 1 MW que en una fuente de alimentación de 1 kW. Al elegir un producto, es mejor priorizar la eficiencia promedio ponderada sobre el perfil de carga real, la vida útil, la facilidad de mantenimiento y los resultados de las pruebas de EMI, en lugar de solo la eficiencia máxima.

7. Resumen

La electrónica de potencia descompone la energía eléctrica en "encendido/apagado de semiconductores", "almacenamiento de energía en componentes magnéticos", "suavizado mediante condensadores" y "retroalimentación en el software de control", y los reensambla en el voltaje, la corriente y la frecuencia necesarios. Memorizar la ecuación Buck o PWM es fundamental. Solo el punto de entrada: el rendimiento final viene determinado por la combinación de pérdidas, calor, aislamiento, EMI, protección, estándares y temporización del bucle de control.

Referencias

• IEC — Normas de electrónica de potencia y seguridad eléctrica
• IEEE Power Electronics Society
• Wolfspeed — Recursos de tecnología SiC
• Infineon — Semiconductores de banda prohibida ancha
• NREL — Investigación en electrónica de potencia