de un sistema de ejes tensión-corriente, denominándose funcionamiento en primer cuadrante o convertidor de un cuadrante.
Si la tensión de salida es bipolar, y la corriente de salida es unidireccional, o bien la tensión de salida es unipolar y la corriente bidireccional, se denominan convertidores de dos cuadrantes, reversible en tensión o reversible en corriente respectivamente.
Finalmente, si la tensión de salida es bipolar y la corriente de salida es bidireccional se dice que el convertidor presenta un funcionamiento en cuatro cuadrantes.
Figura 1.5. Convertidores estáticos. Clasificación según los cuadrantes de funcionamiento. a) El convertidor y su puerta de salida, b) funcionamiento en un cuadrante, c) en dos cuadrantes, reversible en tensión, d) en dos cuadrantes, reversible en corriente, y e) en cuatro cuadrantes.
El funcionamiento en cuadrantes de los convertidores estáticos está íntimamente relacionado, como se verá en capítulos posteriores, con la naturaleza y características de la fuente, la carga y el tipo de interruptores que lo constituyen.
1.3. El interruptor como elemento constitutivo básico del convertidor estático
De los apartados anteriores se pueden extraer las siguientes conclusiones:
Un convertidor estático (o procesador estático de energía) es un sistema que permite controlar la transferencia de energía o la potencia entre un generador (fuente) y un receptor (carga). Es necesario precisar que esta transferencia puede ser reversible. Por ello, en caso de reversibilidad, se hablará de fuente de entrada y fuente de salida, en lugar de generador y receptor. En efecto, en funcionamiento reversible, la fuente de salida trabaja como generador, mientras que la fuente de entrada lo hace como receptor.
El objetivo fijado de máximo rendimiento en un convertidor estático descarta la utilización de elementos disipativos como, por ejemplo, los resistores óhmicos. Sin embargo, no descarta la utilización de condensadores e inductores, ya que estos son elementos reactivos (no disipa-tivos). Naturalmente, esta última afirmación sólo es cierta para componentes ideales. Todo condensador y todo inductor tendrá pérdidas, por lo que un convertidor se deberá realizar con componentes en los que las pérdidas sean mínimas.
También, por haber fijado el objetivo de máximo rendimiento, queda descartada la utilización de semiconductores trabajando en régimen lineal, dado que estos presentan, asimismo, un comportamiento disipativo. Es conocido que este modo de funcionamiento da lugar a unas elevadas pérdidas en el semiconductor que en un convertidor estático seria inadmisible.
Por ello, se desprende que el componente idóneo para ser utilizado en un convertidor estático es el interruptor ideal, un componente capaz de presentar dos estados de funcionamiento:
Estado de conducción (ON) en el que i ≠ 0 y u = 0, correspondiéndose al de un interruptor ideal cerrado (cortocircuito).
Estado de bloqueo (OFF) en el que i = 0 y u ≠ 0, correspondiéndose al de un interruptor ideal abierto (circuito abierto).
Figura 1.6. Interruptor ideal y su característica tensión-corriente.
En la característica tensión-corriente del interruptor ideal (figura 1.6) se representan dos rectas. La recta vertical (u = 0) de la característica se corresponde al estado de conducción, mientras que la horizontal (i = 0) se corresponde al estado de bloqueo. No obstante, dado que el interruptor únicamente puede permanecer cerrado (estado de conducción) o abierto (estado de bloqueo), ambos estados son excluyentes. Cuando dicho interruptor trabaja en régimen de conmutación, su punto de trabajo va pivotando, cíclicamente, entre las rectas u = 0 e i = 0, siendo este el funcionamiento necesario para poder realizar el procesado de potencia.
Huelga decir que en la práctica no se dispone de interruptores ideales, siendo la tendencia tecnológica el conseguir componentes con funcionamiento de interruptor de características lo más cercanas posible a las de interruptor ideal.
Tecnológicamente, los interruptores utilizados en la conversión estática de energía no se implementan mecánicamente, sino que se fabrican en base a un material semiconductor, ya que de este modo se dispone de una serie de ventajas sobre los interruptores mecánicos, a saber:
Mayor flexibilidad y mejores posibilidades de control.
Mejor estabilidad y mayor velocidad de respuesta.
Menor mantenimiento, mejor fiabilidad y mayor vida útil.
Inexistencia del fenómeno de arco eléctrico.
Se trata pues de componentes sin partes móviles, es decir que son componentes estáticos. De ahí el nombre de convertidor o procesador estático de energía eléctrica.
Figura 1.7. Interruptores comerciales para Electrónica de Potencia. En la línea inferior se muestran pastillas semiconductoras, en la línea central los interruptores encapsulados, y en la línea superior módulos de interruptores con sus disipadores de calor. (Cortesía de ABB, Asea Brown-Boveri).
Así pues, un convertidor estático es un sistema formado por interruptores (estáticos) que trabajan en régimen de conmutación y, eventualmente, por inductores y condensadores, que permite, mediante el adecuado control de los interruptores, regular la transferencia de energía entre una fuente de entrada y una fuente de salida. Su función es actuar como procesador de potencia.
En la figura 1.7 se puede apreciar una muestra de diversos interruptores comerciales para aplicaciones de media y alta potencia.
1.4. Estado actual y tendencias en los interruptores comerciales
1.4.1. Breve reseña histórica
Se podría decir que la historia de la Electrónica de Potencia comienza con el desarrollo, durante el primer cuarto del siglo XX, de ciertos dispositivos capaces de realizar ciertas funciones electrónicas (como la rectificación) a partir de magnitudes (tensiones y corrientes), elevadas. Tales dispositivos, como el rectificador de arco de mercurio, o el thyratron, eran dispositivos de vacío o de gas que se podían aplicar a determinadas aplicaciones, como el alumbrado público en CC.
El descubrimiento del transistor (acrónimo de transfer resistor) en 1947, propició el desarrollo de diversos dispositivos de estado sólido, basados en semiconductores como el germanio (Ge) y el silicio (Si), con capacidad de control de los portadores de carga mediante la utilización de un electrodo dispuesto a tal efecto. En 1956, ingenieros de General Electric desarrollaron el tiristor (thyristor), un dispositivo propuesto en 1950 por William Shotckley cuya teoría funcional estudió John Moll en los Bell Laboratories. Se considera que este es el inicio de la Electrónica de Potencia como una disciplina distinta a la Electrónica de Señal.
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