Convertidores electrónicos de potencia

Un convertidor electrónico es en realidad un dispositivo que se comporta como un interruptor y que esta construido con semiconductores, ya sean diodos, transistores de potencia, tiristores, GTO, IGBT, BJT, transistor MOSFET, tiristor MCT. Algunos de ellos seguramente os sonarán, pero para quien no conozca toda esta tecnología vamos a explicar muy brevemente el fundamento de estos semiconductores:

- Diodo rectificador:

Es un componente electrónico construido a base de una unión de semiconductores N-P. Dispone de 2 terminales, el ánodo (A) que corresponde al semiconductor P y, el cátodo (K) que corresponde con el semiconductor N. Hay muchas clases de diodos, pero los que nos interesan a nosotros son los de alta potencia, es decir, los diodos rectificadores, que son capaces de soportar corrientes superiores a 1 A. Existen diodos rectificadores capaces de soportar 5000 A y tensiones de pico inversas de 5 KV.

- Tiristor:

También conocidos como SCR o semiconductor controlled rectifiers. Los tiristores son componentes electrónicos compuestos por 3 uniones de semiconductores P-N-P-N. Dispone de 3 terminales, un ánodo (A), un cátodo (K) y una puerta (G).

- GTO:

GTO es la abreviatura de gate-turn-off. Es un tiristor especial al que se le puede encender o apagar según sea positiva o negativa la tensión que se le aplica al terminal puerta (G). El problema es que para poder apagar el tiristor GTO hay que alimentar la puerta (G) con una tensión negativa muy alta. Así durante el procedimiento de apagado las pérdidas de conmutación son muy elevadas y, por ello, solamente se utilizan en circuitos con frecuencias de conmutación inferiores a 1 KHz.

- BJT:

Conocido por transistor de unión bipolar (bipolar junction transistor). Este tipo de transistor es un componente electrónico creado con 2 uniones PN en un único semiconductor. Existen 2 tipos de transistores bipolares, los NPN y los PNP. Los 3 terminales se denominan emisor, base y colector, siendo el terminal llamado base el terminal de control del transistor, activándose por corriente.

- Transistor MOSFET:

Es un tipo de transistor utilizado en frecuencias elevadas por su rapidez de respuesta o conmutación. Llamado transistor de efecto de campo metal-óxido-semiconductor (Metal-oxide-semiconductor Field-effect-transistor). Dispone de 3 terminales denominados drenador (D), fuente (S) y puerta (G). El transistor MOSFET esta controlado por el terminal puerta (G) con una tensión de 5 V. Tiene la particularidad de que no resiste la tensión inversa, por lo que son construidos con un diodo en su interior. Las pérdidas en el proceso de conmutación son muy bajas, pero cuando esta conduciendo tiene pérdidas muy elevadas.

- Transistor IGBT:

Más conocido como transistor bipolar de puerta aislada (insulate gate bipolar transistor). Es un transistor híbrido entre el BJT y el MOSFET. El control se realiza a través del terminal puerta (G) con una tensión del orden de 5 V, igual que en el transistor MOSFET. La caída de tensión cuando esta encendido es mínima, similar al transistor BJT. Algunos transistores IGBT que se comercializan tienen capacidades superiores a los transistores BJT.

- Tiristor MCT:

Esta clase de tiristor, de tecnología MOS (MOS-controlled thyristor), es un híbrido entre el transistor MOSFET y un tiristor. Es un tiristor que se controla a través de una puerta tipo MOSFET. Es un componente electrónico de reciente invención, en el año 1988. Su velocidad de conmutación es muy elevada, por lo que se espera que sea el componente del futuro para los aparatos de conmutación de los motores eléctricos. Continua desarrollándose para elevar sus capacidades, ya que en la actualidad están en torno de los 600 V y 75 A.

Tipos de convertidores

Existen varios tipos de convertidores para diferentes tipos de señales. Podemos hacer la siguiente clasificación:

1. Convertidores de C.A. a C.C.:

Transforma una señal de c.a. de entrada en una señal c.c. de salida. También son llamados rectificadores. La corriente continua se puede variar por medio de un tiristor. Este tipo de convertidor se suele utilizar para variar la velocidad de los motores c.c.

2. Convertidores de C.C. a C.C.:

Se transforma una señal de c.c. de entrada en otra señal c.c. de salida de mayor o menor amplitud, según la necesidad. También son conocidos con los nombres de choppers o recortadores. Son muy utilizados para regular la velocidad de los motores eléctricos c.c. de tranvías, trenes, etc.

3. Convertidores de C.C. a C.A.:

Transforma una señal de c.c. de entrada en una señal c.a. de salida. También llamados inversores u onduladores. Modificando la frecuencia de la onda c.a. se controla la velocidad de los motores c.a. En la actualidad se utilizan para regular la velocidad de trenes con motores de c.a. asíncronos que circulan por vías con corriente continua.

4. Convertidores de C.A. a C.A.:

Existen 3 clases de convertidores c.a. a c.a.:

- Convertidores C.A./C.C./C.A.: Como su nombre indica, hay una transformación intermedia de c.a. en c.c. para luego disponer de una salida de señal de c.a.. En la primera etapa de transformación de c.a. a c.c. se utilizan tiristores o rectificadores. En la segunda etapa, la transformación de c.c. a c.a. se utilizan inversores. Se utilizan para controlar la velocidad de motores eléctricos de c.a. síncronos y asíncronos. Son utilizados para arrancar y regular la velocidad en trenes de alta velocidad como el AVE.

- Convertidores C.A. a C.A. por control de fase: Se utilizan los semiciclos de la señal c.a. de entrada, variándole la amplitud de frecuencia. Se usan triacs o 2 tiristores en paralelo-inverso. Se utilizan para regular la velocidad de motores eléctricos monofásicos de c.a. con colector de delgas de pequeña potencia como en las batidoras, taladros, etc.

- Convertidores directos C.A. a C.A.: También llamado cicloconvertidores. Transforman una señal c.a. con tensión y frecuencia constantes en un señal de c.a. de salida con tensión y frecuencia variable. Se utilizan para regular la velocidad de motores eléctricos de c.a. trifásicos de gran potencia.