secundarios.
E
l sistema de libremercado que ha en- gendrado el cono- cido concepto de la globa- lización impone un solo objetivo como fin de todo proceso industrial, el eco- nómico. Todos los esfuer- zos realizados por la in- dustria van enfocados a aumentar los ingresos a partir del proceso pro- ductivo. El hecho de in- corporar nuevas funciones o de mejorar las prestacio- nes de un producto única- mente busca la superación comercial de un equipo si- milar al de la competencia, y no el simple hecho de fa-bricar un producto “mejor”. Un ejem- plo claro de esta afirmación lo cons- tituye el propio acuerdo de Kyoto, donde el camino hacia la reducción de emisiones de gases no se ha pre- sentado como una necesidad ecoló- gica, sino como una penalización eco- nómica. No se reducirán las emisiones porque sea necesario para el futuro del globo, sino porqué será más caro emitirlas que no hacerlo.
En el camino hacia ese objetivo se presentan diversas posibilidades en
lo que al diseño y fabricación se re- fiere. Por un lado, se tiende a la re- ducción de los costes de producción para así aumentar el margen de be- neficio, mientras que por el otro se pretende incrementar las prestacio- nes de los equipos para hacerlos más competitivos en el mercado. Son dos objetivos aparentemente contradic- torios y de difícil alcance, pero los dos se encuentran con insistencia sobre la mesa del ingeniero encargado del diseño del equipo, que tiene que ser
mejor y más barato. En el mundo de la elec- trónica de potencia, estos aspectos también predo- minan en el desarrollo y producción de converti- dores estáticos y centran la capacidad tecnológica de las empresas.
Un posible camino para conseguir la reducción de costes consiste en elevar la complejidad del siste- ma de control para redu- cir los componentes pasi- vos. En un SAI, por ejemplo, se pueden con- seguir los límites de THD en tensión mediante un gran filtro pasivo com- puesto de inductancias y condensa- dores, o bien implementando un com- plejo algoritmo de control en el DSP. La primera opción presenta costes de desarrollo muy bajos, mientras que en el proceso productivo el precio se dispara, justo al contrario de lo que sucede en el segundo caso, donde una vez desarrollado el sistema de control, grabarlo en las unidades pro- ducidas es prácticamente gratis.
En contra de esta filosofía, pero no en contra del objetivo final, se
43
Julio 2006 / n.º 376
ELECTRÓNICA DE POTENCIA
Automática e Instrumentaciónplantea una vía alternativa que pre- tende utilizar elementos pasivos con mejores prestaciones y menor coste. Así, este artículo pretende ser una continuación del artículo publicado el año pasado en el número 361 de esta misma revista (“La electrónica de potencia, una tecnología estraté- gica”), en el cual se hacia hincapié en la importancia de los elementos ac- tivos en la electrónica de potencia. En este caso, sin embargo, se quiere ha- cer énfasis en los elementos pasivos como son las inductancias, los trans- formadores y los condensadores, sin olvidarnos de los radiadores. Por úl- timo, se quiere hacer una mención a los elementos de censado de co- rriente y tensión del convertidor, que a pesar de no formar parte de los elementos pasivos propiamente di- chos, sí que tienen un impacto cru- cial en el convertidor, aun siendo considerados muchas veces como elementos secundarios.
Elementos magnéticos más eficientes y pequeños
Los objetivos que la industria se ha planteado en el desarrollo de los ele- mentos magnéticos, tanto transfor- madores como inductancias, son el aumento de la eficiencia y la reduc- ción del tamaño.
Entendemos la eficiencia en un sentido amplio con dos vertientes di- ferenciadas, la eficiencia del elemento en sí, como puede ser reducir las pérdidas en el núcleo de los trans- formadores, lo que constituye un va- lor añadido al producto y una nueva característica; y, por otro lado, la efi- ciencia en el montaje del elemento, la que sólo busca la reducción de costes en la fabricación de un mismo elemento.
En los últimos años han ido apa-
reciendo nuevos materiales inducti- vos que aportan mejores caracterís- ticas magnéticas, como pueden ser las altas saturaciones (más de 500mT). Pero también han apareci- do nuevas formas de trabajar mate- riales ya existentes que permiten ob- tener unos resultados sorprendentes. En esta línea se encuentran los nú-
cleos llamados amorfos. Mediante
un proceso de enfriamiento brusco del hierro, seguido por un laminado en frío a altas presiones, se consi- guen unos hierros vidriosos con unos granos muy pequeños y totalmente desordenados.
Esto permite reducir enormemen- te el ciclo de histéresis magnético, con lo que las pérdidas en cada con- mutación también se reducen.
Todos estos nuevos materiales po- sibilitan aumentar las características de los elementos magnéticos, lle- gando a límites que hace años ni se planteaban.
En la carrera para fabricar los ele- mentos bobinados de forma más fá- cil y más barata nacieron los ele-
mentos inductivos que hoy se cono- cen como planares. Éstos se carac- terizan por sustituir los componen- tes conductores de las inductancias y transformadores, que típicamente han sido cables de cobre, por pistas de cobre impresas sobre un circuito. Esta nueva forma de construir los transformadores ha aportado grandes ventajas. Por un lado, en el proceso de fabricación, pues ya no es nece- sario bobinar, lo que reduce los cos- tes de fabricación en gran medida y permite conseguir además unas to- lerancias de fabricación mucho me- nores. Por otro lado, también han re- portado mejoras en cuanto a las características de los elementos. Las principales ventajas de estos trans- formadores son unas excelentes ca- racterísticas térmicas debido a la dis- posición de los conductores en una superficie, una muy baja inductancia de dispersión, un muy buen com- portamiento mecánico frente a vi- braciones y su reducido tamaño. To- das estas ventajas han hecho que en el campo de las bajas potencias (0W- 100W), prácticamente todos los transformadores sean planares, pero también en rangos de potencias su- periores se empiezan a implementar transformadores planares de algu- nos kilovatios.
Esta tecnología no sólo se ha limi- tado a los transformadores, sino que también se está implementando en el campo de las inductancias, donde también aporta importantes ventajas en cuanto a la disminución del ta- maño.
44
Automática e Instrumentación
ELECTRÓNICA DE POTENCIA
Julio 2006 / n.º 376■ A la izquierda, núcleo amorfo, a la derecha núcleo monocristalino.
■ Ciclo de histéresis de un núcleo crista- lino (grande) y de un núcleo vidrioso amor- fo (pequeño).
■ Transformador planar (Fuente: Ferrox- cube).
Aumento de disipación de los radiadores
La reducción de tamaño de los ele- mentos que constituyen los equipos de electrónica de potencia ha sido una meta siempre perseguida por los fabricantes, llegando a límites poco menos que increíbles en elementos como son resistencias o condensa- dores de señal. El problema que se presenta en los elementos de poten- cia al intentar reducirlos de tamaño se reduce a un problema térmico. Es necesario evacuar todo el calor que se genera por pérdidas dentro de los equipos. Por poner un ejemplo, se po- dría reducir una resistencia de 5kW al tamaño de una de 0.25W si estu- viera lo suficientemente refrigerada. Este problema se hace extensible a todos los elementos pasivos del con- vertidor, sobre todo a condensadores, bobinas y transformadores. Así pues, se ha llegado a la implementación de equipos donde la miniaturización del sistema de control ha superado de manera desproporcionada a la re- ducción de espacio de la parte de potencia, siendo ésta última el ele- mento limitador en la reducción del tamaño de los equipos.
Con este problema definido, y te- niendo en cuenta el tamaño de los ra- diadores, desproporcionado muchas veces, los fabricantes de radiadores han hecho un esfuerzo en el desa- rrollo de equipos que permitan disi- par una mayor potencia térmica en un tamaño más reducido. El mayor exponente en este sentido se en- cuentra en los nuevos radiadores de alto rendimiento. El problema de los radiadores clásicos es la limitación del proceso de extrusión de aluminio,
que no permite realizar aletas con una mínima separación entre ellas. Así, pues, la manera de aumentar la superficie de contacto con el aire es aumentar el volumen del radiador. Con los radiadores de alto rendi- miento se ha cambiado la filosofía de construcción de estos elementos, pa- sando a ser modulares. El secreto reside en extrusionar cada aleta por separado de manera que se pueden conseguir dimensiones muy ajusta- das de éstas. Posteriormente, se construye el radiador a base de ir compactando aletas mediante un pro- ceso de prensado.
Este sistema de montaje también aporta unas ventajas muy interesan- tes, como puede ser el hecho de que el radiador no está limitado en di- mensiones ni de ancho ni de largo, pues montando un mayor número de elementos se consiguen exacta- mente las dimensiones requeridas, ajustándose a cada equipo por sepa- rado. La superficie que queda prac- ticable del radiador es mecanizable sin ningún problema para poder mon- tar los elementos que componen el convertidor estático. Un punto en contra de estos nuevos elementos es que al contener una densidad tan grande de aletas, el aire no circula a través de ellas de forma natural y, por la tanto, siempre tienen que ir con ventilación forzada.
Condensadores: evolución lenta
Mientras la evolución de los micro- procesadores/DSP y de los semicon- ductores de potencia ha sido muy rápida en las últimas décadas, la evo- lución de los elementos pasivos, en- tre ellos los condensadores, ha sido
comparativamente lenta. En la ac- tualidad, cuando se vislumbra el fu- turo del convertidor de potencia como dispositivo eficiente que posi- bilita el control inteligente de la ener- gía, el condensador puede suponer un freno. El futuro de los convertidores pasa por fabricar nuevos condensa- dores con menor resistencia (ESR), menor autoinductancia y mayor ca- pacidad por unidad de volumen.
Los condensadores son compo- nentes pasivos ampliamente utiliza- dos en electrónica de potencia y cum- plen distintas funciones dentro de un convertidor estático, como pue- de verse en la figura de la página si- guiente. En ella se observan con- densadores como filtros de compatibilidad electromagnética, tan- to de entrada como de salida, facili- tando un camino para los corrientes de modo común y modo diferencial; como elementos de filtrado o alisa- do de tensión; como elementos de protección de los semiconductores de potencia (snubber); como elemen- tos de almacenamiento de energía. Fi- nalmente, no se debe olvidar que son imprescindibles en los sistemas de
45
Julio 2006 / n.º 376
ELECTRÓNICA DE POTENCIA
Automática e Instrumentación■ Inductancia planar (Fuente: Ferroxcube).
■ Radiador de alto rendimiento (Fuente: Guasch).
■ Esquema de montaje de un radiador de alto rendimiento (Fuente: Guasch).
control de los convertidores (en los relojes de los microprocesadores, en la adquisición de señales analógicas, etc.).
Pero las características específicas de las distintas topologías de con- vertidor y, sobre todo, el aumento de las frecuencias de conmutación, en el camino del convertidor estáti- co hacia la miniaturización y la me- jora de las prestaciones, ha conver- tido al condensador en un componente crítico del sistema. Por un lado, se trata del componente con menor tiempo de vida de cualquiera de los dispositivos, activos o pasivos, usados en los convertidores y, por otro lado, limita la frecuencia de ope- ración del mismo.
Esta problemática es causada por la resistencia y la inductancia propia de los condensadores. En el mundo de la electrónica de potencia, un con- densador no tiene nada de ideal y las características reales de este com- ponente tienen una importancia ca- pital. En efecto, un condensador es caracterizado por su capacidad, su re- sistencia serie equivalente (ESR) y su autoinductancia.
La resistencia serie equivalente es la responsable del tiempo de vida del condensador. Es una medida de la po- tencia activa disipada en el disposi- tivo debido al paso del corriente. Di- cho de otra forma, representa el conjunto de las pérdidas internas que se producen en el condensador. Dichas pérdidas provocan un au-
mento de la temperatura interna del condensador y a su tiempo, esta tem- peratura tiene una relación expo- nencial con el tiempo de vida. Hoy en día se utilizan normalmente con- densadores de temperatura nominal de 85ºC o de rango extendido hasta 105ºC. El problema para el diseña- dor es que determinar la temperatura de trabajo del condensador es una ta- rea compleja que depende del con- tenido harmónico de los corrientes que circularán y del valor de ESR, que es variable con la frecuencia. A bajas frecuencias predominan las pérdidas en los dieléctricos y el va- lor de ESR disminuye a razón de f-1, a frecuencias medias y bajas las pérdidas en los conductores preva- lecen y el valor de ESR se mantiene relativamente constante. Finalmen- te, a frecuencias muy altas, el valor de ESR aumenta a razón de f1/2debi- do al efecto Skin. Por este motivo se debe determinar la aportación de cada uno de los harmónicos de co- rriente en el cálculo de las pérdidas totales que se producen en el con- densador.
Un dimensionado adecuado de la batería de condensadores para un tiempo de vida de unos 5 o 10 años conduce indefectiblemente a eleva- dos valores de capacidad y, por tan- to, a unos elevados volúmenes y cos- tes. Es por este motivo que en las fuentes de alimentación de baja po- tencia, en general de bajo coste y pequeño tamaño, es habitual escu-
char como preámbulo de su defun- ción la explosión del condensador.
La resistencia serie equivalente produce otros efectos colaterales, como el aumento del rizado de ten- sión en bornes del condensador, ya que se suma al rizado provocado por la propia capacidad. De todos mo- dos, la restricción de diseño impuesta por el tiempo de vida deseado del condensador produce valores de ca- pacidad bastante más elevados que los producidos por la restricción de rizado de tensión máxima del 1 o 2%.
La autoinductancia de un conden- sador se debe al campo magnético generado por el paso del corriente en los electrodos y las conexiones in- ternas. Su valor, por tanto, depende de la estructura interna del conden- sador, de su geometría y de la longi- tud de los conductores y la superfi- cie de los contactos. Como se puede deducir del esquema equivalente, la existencia de esta inductancia en se- rie con la capacidad provocará que el condensador se comporte como una impedancia variable con la frecuen- cia. A bajas y medias frecuencias, la impedancia del condensador será ca- pacitiva y disminuirá su valor a razón de 1/(2·π·f·C), es decir, a mayor fre- cuencia, menor impedancia. Cuando se alcanza la frecuencia de resonan- cia, la reactancia capacitiva y la in- ductiva se anulan mutuamente, y pre- domina la resistencia serie equivalente. Por encima de la fre- cuencia de resonancia, la impedancia del condensador será inductiva y su valor aumentará a razón de (2·π·f·L); es decir, a mayor frecuencia, mayor impedancia. En la figura de la página siguiente, extraída de un catálogo de
Epcos, se puede observar este efec-
to en un condensador de tipo film. Este fenómeno provoca dificultades cuando la frecuencia de resonancia se encuentra cerca de algunos ar- mónicos importantes, limitando, por tanto, la frecuencia máxima de tra- bajo del convertidor.
Existen tres grandes familias de condensadores para electrónica de potencia. Los condensadores elec- trolíticos de aluminio proporcionan elevados valores de capacidad, pero su límite se encuentra en las bajas fre- cuencias, de unos pocos kilohercios.
46
Automática e Instrumentación
ELECTRÓNICA DE POTENCIA
Julio 2006 / n.º 376■ Distintas funciones que adoptan los condensadores en un equipo (Fuente: Epcos).
■ Es q u e m a equivalente de un condensa- dor.
Para frecuencias medias se utilizan los condensadores de film (poliés- ter, propileno, Mylar, papel metali- zado, etc.), aunque los valores de ca- pacidad disponibles no superan en general los 68uF. Finalmente, las al- tas frecuencias –alrededor del me- gahercio– son el reino de los con- densadores cerámicos, que como contrapartida ofrecen valores de ca- pacidad por debajo del microfaradio. Como ninguna de las tecnologías dis- ponibles satisface todas las necesi- dades de una aplicación de electró- nica de potencia, en la práctica se mezclan las distintas tecnologías con un bus de condensadores en parale- lo, provocando que cada condensa- dor trabaje en la zona donde pre- senta menor impedancia.
Lectura de tensiones y corrientes
En el ámbito de la electrónica de po- tencia, como en tantos otros, ac- tualmente existe una clara tendencia a reducir en la medida de lo posible todo tipo de sensores, como refleja la constante aparición de las aplica- ciones sensorless. La motivación de esta tendencia es clara y conocida; la feroz competencia entre empresas provoca la agudización del ingenio con tal de obtener una disminución de los costes, y es de sobras conoci- do que los sensores suelen ser ele- mentos costosos, a pesar de realizar funciones que se llegan a considerar auxiliares. A ello hay que añadir el he-
cho de que suelen ser elementos poco estandarizados, dado que su fa- bricación suele estar dominada por unas pocas empresas.
En el mundo de la electrónica de potencia, los sensores utilizados de forma mayoritaria son los de co- rriente y de tensión. Es usual el uso de resistencias Shunt para medir co- rrientes y de divisores resistivos para medir tensiones, pero es un hecho que en un gran número de aplica- ciones es necesario, o en todo caso preferible, que exista un aislamien- to entre la señal de potencia a medir y la señal de salida para el control. El problema radica esencialmente en la lectura de señales no alternas, por lo que se elimina la posibilidad de uti- lizar transformadores de medida, de- jando como alternativa básica las son- das de efecto Hall. Esta tendencia se ha mantenido sobre todo en aque- llas aplicaciones que requieren una precisión media-alta.
La forma de afrontar una reducción de costes para los sensores se ha abordado de varias formas diferentes.
La primera solución consiste en uti- lizar sondas totalmente adaptadas a las exigencias de la aplicación, lo que tiene sentido si el volumen de ven- tas es suficientemente grande. La se- gunda consiste en utilizar sondas con un dimensionamiento más ajustado, con el remoto riesgo de que el equi- po pueda presentar disfuncionalida- des en situaciones extremas. La ter- cera, y más complicada, consiste en sustituir todos, o parte de los senso- res, por sistemas de estimación. Este último método implica una enorme complicación en el desarrollo del soft- ware de control, pero se puede ver compensado por la reducción de pre- cio y como elemento diferenciador de la competencia.
Las sondas hall se basan en el efec- to Hall, en el cual un trozo de mate-