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a) Límites operativos

Un interruptor, a grandes rasgos, es un dispositivo que permite una circulación de corriente, i, cuando está en conducción (cerrado), y es capaz de soportar una tensión, u, cuando está en bloqueo (abierto). Por ello no es de extrañar que los fabricantes de estos dispositivos indiquen, como parámetros eléctricos básicos, los valores máximos de esas magnitudes, I_max y U_max, que pueden soportar bajo un régimen determinado de funcionamiento (por ejemplo en corriente continua).

Por otro lado, en función de su encapsulado o del disipador empleado, dicho dispositivo presenta una máxima capacidad de disipar el calor que, como consecuencia del proceso de conmutación, genera. Dicho calor se acostumbra a medir en función de la potencia máxima que, en valor medio, puede disipar, según:

La ecuación (1.1) es una zona delimitada por la denominada hipérbola de máxima disipación (HMD), ui = P_max, e indica, por lo tanto, el límite de la potencia disipable en un determinado régimen de funcionamiento. La HMD, juntamente con los parámetros I_max y U_max, delimita una zona, en la característica u-i del dispositivo denominada, zona de funcionamiento seguro (SOA, Safe-Operating Area). Dicha zona, determinada para diversos regímenes de funcionamiento, marca un límite que el punto de trabajo de dicho dispositivo (tensión y corriente que soporta, apartado 2.3.3) no puede sobrepasar. Este hecho es especialmente remarcable cuando el dispositivo funciona en régimen de conmutación, ya que en estas condiciones operativas la trayectoria de conmutación (lugar geométrico descrito por el punto de trabajo) no tiene por qué pertenecer a su característica estática (apartado 2.2.3). El aspecto básico de la SOA ² es el indicado en la figura 1.9. Nótese la utilización de escalado logarítmico.

Figura 1.9. Zona de funcionamiento seguro (SOA) y trayectorias de conmutación.

Las prestaciones de una determinada familia de interruptores se suele especificar a partir de dos parámetros:

 La capacidad o potencia de conmutación, dada por el producto, en VA, de la máxima tensión por la máxima corriente que soportan esos dispositivos.

 La máxima frecuencia a la que dicha familia de interruptores puede funcionar en condiciones repetitivas.

Por ello, las tendencias en el desarrollo de interruptores estáticos persiguen, como fines primordiales, los siguientes:

 Aumentar los parámetros máximos de conducción y de bloqueo o, dicho de otra forma, aumentar el área encerrada por su SOA.

 Disminuir las pérdidas en conmutación. Dichas pérdidas, como se justificará en el capítulo 3 (apartado 3.4.2), dependen del área que la curva de potencia, p(t) = u(t)i(t), encierra a lo largo de un período de conmutación, por lo que dichas pérdidas disminuyen con la fabricación de dispositivos más rápidos, es decir, con menores tiempos de conmutación.

 Disminuir las pérdidas en conducción y en bloqueo, lo que se consigue con la fabricación de dispositivos de característica estática tan próxima como sea posible a la ideal (figura 1.6).

 Aumentar la densidad de potencia (medida en W/cm3), como consecuencia directa de la disminución de las pérdidas, lo que conlleva la utilización de elementos reactivos de menor tamaño.

Figura 1.10. Interruptores de potencia (Cortesía de ABB).

b) Los principales interruptores a semiconductor

De acuerdo con lo comentado anteriormente, en la actualidad existen tres grandes grupos de dispositivos a semiconductor, esencialmente Si, que pueden utilizarse como interruptores:

Diodos

Dispositivos de conducción y bloqueo unidireccionales y de conmutación natural, que presentan pocas pérdidas en conmutación (apartado 3.3.2.a). Se pueden dividir en diodos rectificadores, para baja frecuencia, y diodos rápidos, para frecuencias elevadas. En este último caso las mejores prestaciones se obtienen con los diodos Schottky.

Se pueden encontrar dispositivos en encapsulado único de hasta 5 kV/5 kA en rectificadores, y hasta 3,5 kV/1,2 kA en dispositivos rápidos.

Transistores

Dispositivos de conducción y bloqueo de conmutación controlada (apartado 3.3.2.a), que maximizan las pérdidas en conmutación. Disponen de un electrodo de control para gobernar su cierre o su apertura. Son los dispositivos del tipo interruptor más rápidos que existen, pero requieren mantener constantemente aplicada la señal de control a su electrodo para mantenerlo en conducción.

 Inicialmente se desarrolló el transistor bipolar de unión (BJT), un dispositivo de conducción en directa y bloqueo en directa (apartado 3.1.1) que, para aplicaciones de potencia, requiere una energía elevada para mantener su conducción, y como inconvenientes remarcables, además, presentan una caída de tensión en conducción elevada y el denominado efecto de segunda ruptura, que disminuye el área de su SOA.

En el mercado se encuentran BJTs de hasta 650 V/50 A y hasta 450 V/250 A en pastilla única, o de hasta 1,2 kV/450 A en montaje Darlington.

 El desarrollo del transistor de metal y óxido semiconductor de efecto de campo (MOSFET) mejora el control en relación al transistor bipolar, pero presenta el inconveniente de capacitancias asociadas a su estructura. Además, por constitución interna presenta la aparición de un diodo inducido (efecto de «latch-up») que hace que este dispositivo sea de bloqueo directo y de conducción bidireccional. El principal inconveniente es que en estado de conducción presenta un comportamiento resistivo óhmico que hace disminuir el área efectiva de su SOA. Por el contrario, son los dispositivos que permiten la mayor frecuencia de conmutación y relativa facilidad de asociación en paralelo.

En el mercado se encuentran MOSFETs de hasta 500 V/50 A y hasta 1,2 kV/5 A en pastilla única.

 Como un intento para aprovechar las características de robustez de los BJT y de control de los MOSFET, se desarrolló el transistor bipolar de puerta aislada (IGBT), siendo estos los dispositivos actuales en los que se realizan mayores esfuerzos de desarrollo, en detrimento de los BJT. Existen diversas estructuras de IGBT que permiten distintos comportamientos, como la conducción bidireccional y el bloqueo unidireccional, o la capacidad para soportar bloqueo en inversa.

En el mercado se encuentran IGBTs de hasta 1,5 kV/1,5 kA en pastilla única.

Tiristores

Designación genérica de un grupo de interruptores muy robustos, adecuados para trabajo a baja frecuencia (típicamente por debajo de 500 Hz). Son dispositivos que habitualmente permiten un control al encendido y un apagado natural y que presentan el denominado cebado, un fenómeno regenerativo que permite que una vez alcanzado el estado de conducción, se pueda eliminar la aportación energética al electrodo de control, permaneciendo en conducción hasta que se produce su apagado espontáneo (apartados 3.3.2 c y d).

 El 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.