rectificador controlado de silicio (SCR), denominado habitualmente tiristor, es un dispositivo de conducción en directa controlada y bloqueo bidireccional. Se produce de forma natural el bloqueo en inversa por anulación de su corriente.
En el mercado se encuentran SCRs de hasta 6,5 kV/1,5 kA y hasta 6,0 kV/5,0 kA en pastilla única.
El tríodo de alterna (TRIAC) es un dispositivo que permite control al encendido tanto en conducción directa como en conducción inversa. Su apagado se produce de forma natural.
En el mercado se encuentran TRIACs de hasta 1,2 kV/300 A.
El tiristor bloqueable por puerta (GTO) permite el control tanto al encendido como al apagado. Se encuentra disponible en dos categorías, el GTO asimétrico, que permite únicamente una conducción y un bloqueo en directa, y el GTO simétrico que permite un bloqueo bidireccional. Presenta menor caída en conducción que el SCR.
En el mercado se encuentran GTOs de hasta 6,5 kV/6,2 kA en pastilla única.
Figura 1.11. Un SCR de 6,5 kV y 1,5 kA encapsulado en “disco de hockey” de 5,6 cm de diámetro y un disipador para su montaje (Cortesía de ABB).
Tabla 1.5. Símbolos de los principales dispositivos utilizables en Electrónica de Potencia.
Figura 1.12. Rangos habituales de operación y aplicaciones típicas a mediados de la década de los 2000 (Cortesía de Powerex).
A modo de resumen del estado actual de los interruptores más utilizados en el ámbito de la Electrónica de Potencia, la tabla 1.5 muestra los símbolos normalizados de dichos interruptores, mientras que la figura 1.12 muestra sus rangos operativos y su uso en aplicaciones cotidianas.
1.4.3. Tendencias en los dispositivos de potencia
Es difícil predecir el camino de la evolución tecnológica en una determinada disciplina, por lo que en este apartado nos referiremos a las tendencias previsibles, de acuerdo con los avances más recientes relativos a los semiconductores que se utilizan en Electrónica de Potencia.
En este sentido, la tendencia a seguir obliga al desarrollo de dispositivos que mejoren la densidad de potencia de los convertidores estáticos y, al mismo tiempo, disminuyan los costes de producción y de comercialización. Ello se consigue, a grandes rasgos, aumentando la SOA del dispositivo, es decir, realizando semiconductores más rápidos y con menores pérdidas en conducción y en bloqueo. Por ello, es habitual elaborar dispositivos con nuevos semiconductores, como el SiC, y utilizar encapsulados diseñados específicamente para una mejor evacuación del calor generado e integrando, en el mismo encapsulado o en la misma pastilla, módulos de semiconductor y circuitería accesoria, como la circuitería de control y excitación del interruptor, redes de protección, sensado de parámetros, etc. Es una tendencia denominada smart power.
a) Disminución de pérdidas
El desarrollo de nuevos dispositivos tiene una incidencia directa en la reducción de pérdidas, uno de los principales aspectos contemplados en el diseño actual con clara proyección de futuro.
A título de ejemplo ilustrativo, la figura 1.13 muestra la disminución de pérdidas con las distintas generaciones de semiconductores de Si de media potencia de Powerex: una reducción al 33% entre los años 1985 y 2000.
En esta figura se observa la caída exponencial en la disminución de pérdidas, un hecho que obliga al planteamiento de la utilización de nuevos materiales.
Figura 1.13. Disminución de pérdidas en las generaciones previas al momento actual (año 2010) de IGBTs de Powerex y Mitsubishi (Cortesía de Powerex).
b) Smart power de primera generación
Esta tendencia permite mejoras en determinados aspectos, como un control más eficiente y con menores pérdidas del interruptor, y con repercusiones directas en la disminución del precio del producto. Un dispositivo pertenece al grupo de smart power de primera generación si incluye, además del o de los interruptores, los circuitos de excitación (drivers) necesarios para controlar el encendido y/o el apagado del interruptor. Para potencias muy pequeñas (5 W) se utiliza tecnología de circuito integrado, pero para potencias elevadas se utiliza una tecnología híbrida, de acuerdo con lo indicado en la figura 1.14.
Figura 1.14. Pastilla de GCT de 6kV/5kA y su smart power. (Cortesía de Powerex).
c) Nuevos encapsulados para nuevos materiales
Habitualmente, el desarrollo de un nuevo dispositivo comporta el diseño de un encapsulado que lo contenga. De esta forma, las propiedades intrínsecas del dispositivo resultan, además, mejoradas con un encapsulado que permita unas elevadas capacidades de integración de componentes y de disipación de calor, lo que se traduce, además, en que los dispositivos puedan trabajar a temperaturas mayores. La figura 1.15 muestra el ejemplo de un módulo de rama onduladora de 1,2 kV/100 A, que incluye 2 MOSFETs de 80 A y 2 diodos de 50 A, ambos interruptores realizados en SiC.
Figura 1.15. Módulo cerrado y abierto de una rama onduladora de 1,2kV/100A de SiC (Cortesía de Powerex).
d) Smart power de segunda generación
El desarrollo de encapsulados de alta eficiencia permite incluir diversos componentes además de los semiconductores y la circuitería de excitación. Por ejemplo, la figura 1.16 muestra un módulo PS21A7A de tecnología PIM (Power Intelligent Module) de Powerex, consistente en un puente completo de IGBTs de Si de 600V/75 A para el control de motores de CC. Además de los interruptores y de los circuitos de excitación, dicho módulo incluye protecciones programables de sobrecorrientes, sensores de temperatura, detección de fallos por caída de tensión y adaptadores de nivel para un control del módulo con componentes de la Electrónica Digital. Este dispositivo se comercializa como de bajo coste.
Figura 1.16. Módulo PIM. Esquema y aspecto (Cortesía de Powerex).
e) Aumento de la densidad de potencia
En definitiva, la conjunción de diversos aspectos como los comentados en las líneas precedentes permite aumentar la densidad de potencia de los convertidores estáticos desarrollados, de forma que, sin mucho margen de error, diremos que la idea clave del desarrollo de componentes adecuados para la Electrónica de Potencia es el aumento de la densidad de la potencia.
A título de ejemplo, y como cierre
