Читать книгу Electrónica de potencia - Robert Piqué López - Страница 20

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 de este apartado, la figura 1.17 muestra la comparativa entre la implementación de un ondulador trifásico de 460 V/22 kW, realizado con IGBTs de Si de 5^a generación (Powerex/Mitsubishi, año 2002) y la realización (predicción para 2010) en un futuro inmediato del mismo convertidor pero utilizando MOSFETs de SiC. En ambos diseños se utilizan dispositivos de 1,2kV/100 A, pero la utilización de SiC permite disminuir el volumen a 1/3, mejorar las pérdidas en un factor de 0,4, y alcanzar una temperatura máxima en la unión de los semiconductores de SiC de 250 °C, en lugar de los 125 °C permitidos, a lo sumo, en los semiconductores de Si, lo que comporta, además, prescindir de ventiladores (disipación de calor por convección forzada) y utilizar una convección natural.

Figura 1.17. Aumento de la densidad de potencia (Cortesía de Powerex).