ESTADO DEL ARTE DE CONVERTIDORES DE POTENCIA BACK TO BACK BASADOS EN COMPONENTES ACTIVOS DE CARBURO DE SILICIO

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E n tid a d d e c la ra d a d e i n te ré s P ú b li c o . In s c rit a e n e l Reg is tr o d e F u n d a c io n e s ( BOJ A 2 6 d e J u n io d e 1 9 9 0 , BOE 4 d e A g o s to d e 1 9 9 0 ) - C.I. F .: G 4 1 3 8 9 2 4 8

PROYECTO B2B

“ESTADO DEL ARTE DE

CONVERTIDORES DE POTENCIA

BACK TO BACK BASADOS EN

COMPONENTES ACTIVOS DE

CARBURO DE SILICIO”

30 de junio de 2011 Innovación y Tecnología

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1. OBJETO DEL ESTADO DEL ARTE... 9

2. INTRODUCCIÓN Y DEFINICIÓN DE CONCEPTOS ... 10

2.1. La electrónica de potencia: una alternativa energética eficiente ... 10

2.1.1. Reseña histórica de la electrónica de potencia ... 12

2.2. Tipologías de turbinas eólicas ... 13

2.2.1. Turbinas de velocidad fija ... 16

2.2.2. Turbinas de velocidad variable ... 16

2.2.3. Control de la potencia eólica máxima ... 20

2.2.4. Algunas configuraciones de plataformas eólicas ... 21

2.3. Tecnologías de convertidores de potencia para aerogeneradores ... 22

2.3.1. Convertidor Back-to-Back ... 23

2.4. Tecnologías de los componentes activos para convertidores de potencia .. 25

2.4.1. Transistor de unión bipolar - BJT ... 29

2.4.2. Transistor de efecto campo - JFET ... 30

2.4.3. Transistor de efecto campo - MOSFET ... 33

2.4.4. Transistor bipolar de puerta aislada - IGBT ... 35

2.5. Tecnologías de los componentes pasivos para convertidores de potencia . 38 2.5.1. Condensadores de potencia (DC-Link) ... 38

2.5.2. Componentes inductivos (Filtros) ... 41

3. METODOLOGÍA DEL ESTADO DEL ARTE ... 43

3.1. Marco de la realización del estudio ... 43

3.2. Metodología seguida para la realización del estudio ... 43

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4. ESTADO DEL ARTE ... 47

4.1. Electrónica de potencia para aerogeneradores ... 47

4.1.1. Resumen de los artículos destacados ... 47

4.1.2. Análisis y experiencias previas identificadas ... 51

4.1.3. Conclusiones ... 55

4.2. Componentes activos de SiC para convertidores de potencia ... 55

4.3. Condensadores de potencia ... 72

4.4. Componentes inductivos y filtros LC ... 79

4.4.1. Situación en España ... 80

4.4.2. Situación en el extranjero ... 81

4.4.3. Características de los materiales ferromagnéticos conocidos ... 81

4.4.4. Especificación del núcleo de ferrita ... 82

4.4.5. Tecnología de extrusión aplicada a materiales de aleación de hierro ... 83

5. BARRERAS TÉCNICA Y ECONÓMICAS ... 85

5.1. Barreras técnicas ... 85

5.2. Barreras económicas y comerciales ... 86

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6. CONCLUSIONES ... 89 BIBLIOGRAFÍA ... 91

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ÍNDICE DE FIGURAS

Fig. 1.1. Esquema general de interacción de un convertidor back-to-back ... 9

Fig. 2.1. Campos de aplicación de la electrónica de potencia ... 10

Fig. 2.2. Fotografía de un campo eólico continental ... 13

Fig. 2.3. Esquema global de los componentes de una turbina eólica y su conexión a la red ... 14

Fig. 2.4. Esquema de un convertidor de potencia basado en transistores IGBT ... 15

Fig. 2.5. Turbina eólica con rotor de jaula de ardilla de velocidad fija ... 16

Fig. 2.6. Esquema de control de un aerogenerador de rotor bobinado con reostato ... 17

Fig. 2.7. Esquema de un generador de inducción con doble alimentación rotor-estator .. 18

Fig. 2.8. Curva convencional de un motor de inducción en sus tres zonas de operación 18 Fig. 2.9. Configuraciones de aerogeneradores con convertidores de potencia y transmisión a gran escala. (a) Generador de inducción con transmisión, (b) generador síncrono con transmisión ... 19

Fig. 2.10. Configuraciones de aerogeneradores con convertidores de potencia sin transmisión a gran escala. (c) generador síncrono multipolar y (d) generador síncrono multipolar de imanes permanentes. ... 20

Fig. 2.11. Configuraciones para parques eólicos: (a) Sistema de doble alimentación con red de corriente alterna, (b) generador de inducción con red de corriente alterna, (c) generador de inducción de velocidad controlada con bus común de corriente continua y control de potencia activa y reactiva, (d) generador de inducción con velocidad controlada con red alterna común y transmisión mecánica continua. ... 21

Fig. 2.12. Esquema convencional de puente rectificador con diodos ... 22

Fig. 2.13. Esquema de un convertidor back-to-back acoplado a un aerogenererador de imanes permanentes ... 23

Fig. 2.14. Ejemplo de etapas de diseño para un convertidor back-to-back y distintas aplicaciones ... 25

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Fig. 2.15. Relación de propiedades SiC/Si para los nuevos dispositivos ... 26 Fig. 2.16. Eficiencia de heteroestructuras de SiC y GaN respecto a la temperatura de unión Tj ... 27 Fig. 2.17. Posible competencia entre las tecnologías GaN y SiC ... 28 Fig. 2.18. Corte transversal simplificado de un transistor de unión bipolar NPN ... 29 Fig. 2.19. Símbolos convencionales para transistores bipolares BJT de unión npn y pnp ... 30 Fig. 2.20. Esquemas y símbolos del transistor JFET en sus dos configuraciones ... 31 Fig. 2.21. Zonas de funcionamiento de los transistores JFET ... 31 Fig. 2.22. Esquema de un transistor pMOS y símbolos convencionales de transistores MOSFET ... 33 Fig. 2.23. Zona de funcionamiento de transistores MOSFET ... 34 Fig. 2.24. Representación de un transistor IGBT y símbolo convencional ... 36 Fig. 2.25. Comparación tensión-intensidad-frecuencia de los distintos tipos de transistores ... 38 Fig. 2.26. Regiones de funcionamiento y frecuencia de resonancia de un condensador . 39 Fig. 2.27. Rangos de capacitancia y tensión para tipos de condensadores ... 39 Fig. 3.1. Esquema de la metodología para el estudio del estado del arte... 43 Fig. 4.1. Rangos de operación habituales en turbinas eólicas [4] ... 53 Fig. 4.2. Adaptación de velocidad y deslizamiento del rotor ante un cambio brusco de velocidad del viento ... 54 Fig. 4.3. Evolución de la reducción de densidad de microtubos y las aplicaciones permitidas del SiC [14] ... 68 Fig. 4.4. Temperatura de la unión de la placa respecto a la potencia de salida de un motor eléctrico [16] ... 69

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Fig. 4.5. Curvas estáticas de transistores MOSFET (SiC) a diferentes temperaturas [25]

... 69

Fig. 4.6. Curvas de eficiencia de dispositivos SiC y Si de un convertidor de potencia back-to-back [25] ... 70

Fig. 4.7. Convertidor back-to-back basado en SiC con ventilación forzada ... 70

Fig. 4.8. Comparativa de las pérdidas de carga para un convertidor back-to-back de SiC/Si [25] ... 71

Fig. 4.9.Termografía de un módulo SiC-MOSFET 1200 V y 400 A refrigerado con un flujo de 3.8 l/min [24] ... 71

Fig. 4.10. Proceso de autoregeneración de un condensador de carrete ... 78

Fig. 4.11. Ejemplo de modelo block core para núcleos inductivos... 83

Fig. 5.1. Previsión del mercado de componentes SiC hasta 2019... 86

Fig. 5.2. Cuota de mercado del SiC para distintos niveles de tensión ... 87

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ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 2.1. Topologías de convertidores back-to-back ... 24 Tabla 2.2. Figuras de mérito para componentes con base GaN y SiC ... 27 Tabla 2.3. Permeabilidad magnética e inducción máxima de saturación de materiales comerciales ... 42 Tabla 4.1. Resumen de sistemas de conversión de energía eólica para convertidores back-to-back [5] ... 52 Tabla 4.2. Ventajas e inconvenientes de tipos de generadores eléctricos para aplicaciones ... 53 Tabla 4.3. Comparativa entre tipos de condensadores para una aplicación eólica [30] ... 77 Tabla 5.1. Empresas que hasta 2010 ofrecían módulos con algún elemento fabricado en SiC ... 87

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1. OBJETO DEL ESTADO DEL ARTE

El presente estudio tiene como objeto describir y analizar el estado actual de las tecnologías asociadas a los convertidores de potencia “back-to-back”, sus componentes eléctricos y electrónicos (rectificador, inversor, filtros, etc.) y su aplicación para el sector de la energía eólica, prestando especial atención a todos aquellos aspectos técnicos que mejoren la eficiencia energética y el diseño de estos equipos, como las propiedades electrónicas que presentan nuevos materiales como el carburo de silicio (SiC). La revisión y análisis de las tecnologías actuales a través de las distintas fuentes de información consultadas como artículos científico-técnicos, publicaciones sobre electrónica de potencia y especificaciones de fabricantes del sector, permitirá obtener las recomendaciones y requerimientos necesarios para llevar a cabo el diseño de un prototipo de convertidor de potencia con componentes activos de carburo de silicio para un aerogenerador convencional conectado a la red eléctrica con la máxima eficiencia posible. Dicho convertidor tendrá que satisfacer una serie de requisitos de rendimiento, calidad, compacidad y costes de forma que resulte atractiva la instalación de esta nueva generación de dispositivos para el sector.

La metodología propuesta para la búsqueda de información ha sido empleada con éxito en proyectos tecnológicos de I+D anteriores y permite identificar, clasificar y seleccionar aquellas fuentes de información que describan con detalle las tecnologías estudiadas y sean las más recientes según las últimas investigaciones (Fig. 1.1). A su vez, este proceso lleva asociado una garantía de fiabilidad de todos los datos que se presenten, ya que integra tanto las bases de datos de revistas y centros de reconocido prestigio científico y los productos más recientes y disponibles por parte de los actuales fabricantes. Este procedimiento de búsqueda y el posterior análisis que se realice de toda la información recopilada establecerá el contexto adecuado donde los socios colaboradores del proyecto B2B podrán elegir los dispositivos electrónicos más adecuados con las configuraciones óptimas, además de evaluar las ventajas e inconvenientes para la aplicación que se plantea en el presente proyecto y las barreras técnico-económicas que presenta la nueva generación de componentes basados en carburo de silicio.

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2. INTRODUCCIÓN Y DEFINICIÓN DE CONCEPTOS

2.1. La electrónica de potencia: una alternativa energética eficiente

El desarrollo tecnológico experimentado por todos los ámbitos de nuestra sociedad en los últimos cuarenta años se debe en gran parte por el avance que ha alcanzado la electrónica de potencia. Esta rama de la tecnología es responsable de transformar los distintos modos de uso de la energía eléctrica para adaptarla a múltiples aplicaciones como el control de velocidad de motores eléctricos, funcionamiento de aparatos domésticos (electrodomésticos, ordenadores...), equipos de comunicaciones, control de procesos y equipos industriales, así como en el ámbito de la generación, transporte, distribución y almacenamiento de energía eléctrica. Debido a la presencia tan extendida en uso y aplicaciones, esta disciplina se ha convertido en una herramienta indispensable para toda sociedad que hoy en día quiera ser considerada como tecnológicamente desarrollada y en un indicador en sí misma sobre el nivel de avance e investigación en cualquier ámbito.

Fig. 2.1. Campos de aplicación de la electrónica de potencia

Existen muchas definiciones sobre la electrónica de potencia según la aplicación final a la que esté destinada, aunque en todas ellas puede identificarse un objetivo general: transformar la energía eléctrica con eficiencia, es decir, con el menor nivel de pérdidas (rendimiento) y con la máxima calidad de la señal según la forma en que sea requerida finalmente. La naturaleza de la energía eléctrica impone una serie de requisitos para su producción y transporte muy diferente a otros tipos de energía. Parámetros como la tensión, la forma de la señal, la frecuencia y el factor de potencia, llevan impuestos ciertos límites para garantizar la estabilidad de la red y el correcto suministro de la electricidad en los puntos de consumo. Sin embargo, la forma de generar energía eléctrica no es uniforme y cada fuente energética la produce de una forma particular, presentando una amplia variedad de valores de los distintos parámetros mencionados anteriormente. Los convertidores electrónicos alterna-continua (AC/DC) que alimentan las líneas de transporte en corriente continua y alterna de alta tensión (HVDC y HVAC) y los convertidores continua-continua (DC/DC) que adaptan la tensión de las baterías a los distintos circuitos microelectrónicos (automóviles eléctricos) son claros ejemplos de aplicación donde se requiere una transformación de la energía eléctrica con el mayor rendimiento posible.

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La electrónica de potencia ha llegado a convertirse actualmente en una rama científica interdisciplinar (Fig. 2.1) que abarca no sólo conceptos eléctricos o electrónicos de distinta escala, sino que va ligada a una continua e intensiva investigación en el campo de nuevos materiales, procesos de fabricación, control, automatización, programación, etc. Todos estos sectores o campos de investigación no sólo colaboran en la mejora de los dispositivos que integran las distintas soluciones que emplea la electrónica de potencia, sino que se benefician directamente de sus aportaciones, ya que hoy en día la electrónica de potencia está muy presente en todos los aspectos tecnológicos y sociales como se ha mencionado anteriormente.

Esta posición privilegiada no sólo es fruto del propio carácter multidisciplinar de la electrónica de potencia, sino de las necesidades de eficiencia energética y reducción de emisiones contaminantes como consecuencia de la explotación de los recursos energéticos fósiles del planeta. Aquí la electrónica de potencia juega un papel fundamental: en primer lugar, el crecimiento de energías limpias o renovables es todavía insuficiente para compensar las necesidades energéticas actuales, por lo que el ahorro de energía a través del aumento de los rendimientos globales es prioritario. Por otro lado, la integración de los sistemas de energía renovable con los sistemas tradicionales no es directa y necesita de sistemas de almacenamiento, regulación y control para acoplarse con la red eléctrica general dada la naturaleza y disponibilidad de los recursos renovables (eólica predominantemente durante la noche y solar exclusivamente durante el día). Y por último, la necesidad de reducir los niveles de emisiones en las ciudades para mejorar la calidad de vida de grandes poblaciones hace tender a las infraestructuras hacia un carácter fundamentalmente eléctrico que se nutre de estos tipos de sistemas.

Sin embargo, este contexto actual, que a primera vista puede parecer muy favorable, no refleja las dificultades de desarrollo y divulgación que la electrónica de potencia ha sufrido desde su aparición, debido sobre todo a una notable indiferencia mediática y política que no ha fomentado las investigaciones de este sector, ya que al presentarse la electrónica de potencia como un medio de soporte y mejora de otras tecnologías (que es realmente donde residen las mayores oportunidades de crecimiento futuro), ha tenido que demostrar grandes méritos para alcanzar su nivel de influencia actual. Todos estos motivos son los que han consolidado actualmente a la electrónica de potencia como la alternativa más razonable para llevar a cabo un procesado eficiente de la energía eléctrica.

Debido a todo lo anterior, se puede concluir de forma directa que la electrónica de potencia constituye un factor clave en prácticamente todas las tecnologías de generación de energías renovables. En Europa, la red eléctrica opera a una frecuencia fija de 50 Hz, con tensiones senoidales cuyo valor eficaz depende del ámbito de aplicación, desde el doméstico al industrial. La generación de energía eléctrica convencional consiste en emplear máquinas eléctricas rotativas (en general alternadores) para conseguir generar tensión a la frecuencia de la red. Las distintas fuentes de energías renovables generan corriente continua o alterna de frecuencia variable, obligando a su transformación en el caso que éstas se encuentren acopladas a la red eléctrica en general. Un acoplamiento a distinta fase, frecuencia o tensión que la impuesta por la red originaría un corte de suministro, salvado únicamente por las protecciones de seguridad. Por tanto, la conversión de la energía eléctrica para conseguir frecuencias en torno a 50 Hz y señales de forma senoidal es obligatoria y se debe realizar con convertidores estáticos de energía (electrónica de potencia) diseñados para operar correctamente y con la máxima eficiencia posible. Son denominados generalmente como convertidores estáticos para hacer énfasis en que ninguna de sus

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partes son móviles, como así sucedía en los primeros convertidores diseñados con relés (interruptores) mecánicos.

Un ejemplo muy claro de éxito de generación de energía eléctrica basado en fuentes de energía alternativas y renovables es la energía eólica, que ha sobrepasado recientemente a la energía nuclear en potencia nominal instalada en España (7.716 MW de nuclear frente a 19.959 MW de eólica [1]). Debido a la rápida evolución de este mercado, se ha logrado que el coste de producción de esta energía sea inferior al mínimo coste de producción mediante combustibles fósiles, sin tener en cuenta la energía nuclear, a diferencia de la energía solar térmica y fotovoltaica que aunque han reducido sus costes durante los últimos años, todavía están muy por encima del coste de producción con combustibles convencionales.

La electricidad generada en parques eólicos tiene una serie de características que hacen que se precise personal especializado para su instalación, mantenimiento, diseño y gestión, destacando sobre todo la integración necesaria en el conjunto de la red eléctrica mediante los convertidores de potencia. El futuro de la energía eólica pasa por tener unos convertidores estáticos de mayor potencia, más compactos, robustos y fiables que permitan a los aerogeneradores y parques eólicos ofrecer un servicio eléctrico competitivo y de calidad. En pocos años se prevé que comenzarán a instalarse generadores de más de 10 MW en parques eólicos marinos y basados en alternadores de imanes permanentes y convertidores de potencia operando a tensiones por encima de los 3 kV. Además, gracias a la electrónica de potencia, se producirá la eliminación del tren de engranajes que hoy en día todavía existe en muchas topologías y cuyo uso disminuye considerablemente el rendimiento de estos sistemas de generación y aumenta el peso de la torre, lo cual conlleva mayores costes. La futura instalación de cientos de megavatios adicionales de generación mediante energías alternativas impulsará el desarrollo de los convertidores de potencia, aumentando sus prestaciones y funcionalidades, y mejorando el comportamiento de sus componentes electrónicos, haciéndolos en general más rápidos y con menores pérdidas.

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2.1.1. Reseña histórica de la electrónica de potencia

Con la invención del transistor en el año 1948 [2] se inició la revolución electrónica, que originó la aparición de los primeros circuitos integrados y progresivamente fueron entrando en escena la informática, las nuevas comunicaciones, los autómatas, Internet, etc. El segundo hito que marcó un antes y un después en la evolución de la electrónica ocurrió en 1956 con la invención del tiristor, que impulsó el desarrollo de una nueva generación de componentes y fundó las bases de lo que hoy en día conocemos como electrónica de potencia.

El tiristor fue el componente que dominó la primera generación de la electrónica de potencia y actualmente sigue siendo indispensable en las aplicaciones de gran potencia y baja frecuencia: rectificadores, interruptores, compensadores de energía reactiva, onduladores y sistemas de transmisión de alta tensión y de gran potencia (8 kV y 3.5 kA). Con la aparición del modelo de tiristor GTO (Gate Turn Off) dejaron de usarse los anteriores para aplicaciones de muy alta tensión (6kV y 6 kA) y actualmente continúan en desarrollo para 9 y 12 kV. Sin embargo, las bajas frecuencias de conmutación (500 Hz) de estos y los anteriores lo han definido exclusivamente para aplicaciones de muy alta tensión, lo que unido a la nueva generación de los modernos IGBT de alta tensión hace que estos dispositivos hayan perdido alguno de sus campos de aplicación.

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En la década de los ochenta, la aparición del MOSFET marcó el punto de partida de la electrónica de potencia moderna por su excelente control por tensión y sus elevadas frecuencias de conmutación. Además, estos dispositivos no necesitan de condensadores para filtrar los picos de tensión (snubbers), siendo los más empleados hasta la fecha para aplicaciones de baja tensión y con la ventaja añadida de poder conectarse en paralelo sin excesiva complejidad si la aplicación necesita más corriente[3].

En la década de los noventa apareció el transistor IGBT que impulsó el avance y desarrollo de la electrónica de potencia actual. En sus gamas de tensión y corrientes (1200-1700 V y 300-600 A) puede emplearse en las aplicaciones que lo requieran por encima de los 20 y 40 kHz, elevando estas frecuencias de conmutación y mejorando la caída de tensión gracias a la tecnología trench-gate. Estos rangos de tensión, intensidad y frecuencia (alcanzando algunos modelos más sofisticados hasta 6500 V y 600 A) lo hacen muy atractivo para aplicaciones de tracción eléctrica, convertidores de frecuencia de alta tensión y procesado de la energía eléctrica en las redes de alta tensión. Sin embargo, para aplicaciones de muy alta tensión y corriente, se dispone actualmente de dispositivos más especializados denominados IGCT que alcanzan tensiones de hasta 6500 V y corrientes de 3 kA, aunque están siendo desbancados progresivamente por diseños modulares con IGBT que ofrecen en general mayores prestaciones.

2.2. Tipologías de turbinas eólicas

Durante los últimos diez años, la capacidad de energía eólica mundial ha aumentado rápidamente y se ha convertido en la tecnología de más rápido desarrollo entre las energías renovables. A finales de 2006, la generación de electricidad utilizando energía eólica era de 74.223 MW frente a los 59.091 MW en 2005 [4]. La tecnología inicialmente utilizada en las turbinas eólicas estaba basada en generadores de inducción de jaula de ardilla directamente conectadas a la red. Recientemente, la tecnología ha evolucionado hacia velocidad variable donde la capacidad de control de las turbinas eólicas se hace cada vez más importante debido al incremento de la potencia provocado por el aumento de tamaño de estas turbinas.

Fig. 2.2. Fotografía de un campo eólico continental

La electrónica de potencia, como se ha indicado en el apartado anterior, juega un papel muy importante en los sistemas de energía eólica. Es una parte esencial para la integración de los elementos de generación de energía eólica con velocidad variable para lograr una alta eficiencia y alto rendimiento en los sistemas de potencia. Incluso en

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sistemas eólicos de velocidad fija, conectados directamente a la red, se ha venido utilizando la electrónica de potencia, en particular tiristores, para el arranque suave de la turbina. Los convertidores de potencia se utilizan para adaptar las características de los aerogeneradores con los requisitos de conexiones de la red, incluyendo la frecuencia, voltaje, control de potencia activa y reactiva, armónicos, etc.

En la siguiente imagen (Fig. 2.3) se muestran los principales componentes de una turbina eólica que incluye rotor, caja de cambios, generador, sistema electrónico de potencia y un transformador para la conexión a la red.

Fig. 2.3. Esquema global de los componentes de una turbina eólica y su conexión a la red

En primer lugar, las turbinas eólicas transforman la energía del viento en energía mecánica por medio de las palas de la turbina. Es importante para poder controlar y limitar la potencia mecánica cuando la velocidad del viento es alta ya que puede sobrepasar los límites físicos que establecen el funcionamiento operativo de la instalación. La regulación de potencia se puede hacer mediante muchos procedimientos, ya sea a través de la medición de las pérdidas aerodinámicas o el control del ángulo de las palas. Hasta el momento, la forma tradicional de convertir la baja velocidad y elevado par de la turbina en energía eléctrica era mediante una caja de cambios y un generador. La caja de cambios adapta la velocidad del rotor de la turbina a la velocidad que necesita el generador, exceptuando algunos tipos de generadores multipolares. Una vez que la caja de cambios es acoplada al generador, éste convierte la energía mecánica en energía eléctrica que se inyecta en la red, utilizando convertidores de potencia, transformadores, interruptores de circuito y contadores de electricidad. Los dos tipos de máquinas eléctricas utilizados habitualmente en las turbinas eólicas son los generadores de inducción (de jaula de ardilla o rotor bobinado) y generadores síncronos, quedando los motores de continua relegados a aplicaciones de baja potencia.

Los generadores de inducción con rotor de jaula de ardilla se pueden utilizar en turbinas eólicas de velocidad fija. Este tipo de generadores necesitan absorber energía reactiva para establecer las condiciones necesarias que activan los circuitos magnéticos, la cual procede de la red o bien de baterías de condensadores en paralelo siempre que se tomen las medidas necesarias para que no aparezcan sobretensiones cuando se interrumpe la conexión con la red, ya que se perdería el control directo de los generadores y podrían provocar inestabilidades no previstas.

Una máquina de inducción de rotor bobinado tiene un rotor fabricado con bobinas de cobre, que puede ser conectado a una resistencia externa o a sistemas de corriente alterna a través de sistemas electrónicos de potencia. Este sistema permite regular la velocidad con un pequeño convertidor de potencia, y por lo tanto aumentar la captación de energía y reducir la carga mecánica en el sistema.

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Los generadores síncronos son excitados por una fuente externa continua o por imanes permanentes. Hay un interés considerable en la aplicación de generadores síncronos con múltiples polos impulsados por un rotor de turbina eólica, sin caja de cambios o con una caja de cambios de pequeña reducción. Las máquinas síncronas impulsadas por turbinas eólicas no se pueden conectar directamente a la red de corriente alterna debido a los pares transitorios que se producen durante el acoplamiento en la transmisión. Por tanto, el uso de un generador síncrono implica la necesidad de utilizar un sistema completo de conversión de potencia para desacoplar el generador de la red. Si bien la mayoría de las turbinas son hoy en día conectadas a la red de media tensión, grandes parques eólicos marinos son conectados a los sistemas de alta tensión. El transformador está normalmente situado cerca de las turbinas de viento para evitar pérdidas en los conductores de baja tensión y el sistema de protección eléctrica protege a la turbina eólica y permite una operación segura con la red.

Los convertidores de potencia están construidos con dispositivos semiconductores, protecciones y circuitos que permiten el control y la conversión de la tensión y de la frecuencia. La rápida evolución de los semiconductores y la tecnología de microprocesadores en los últimos años ha permitido que el papel de la electrónica de potencia sea cada vez más relevante en estas aplicaciones, con un rendimiento cada vez mayor y con precios más competitivos. Propiedades como la tensión de ruptura y la capacidad de carga actual de estos componentes también están aumentando progresivamente. Las actuales líneas de investigación están encaminadas a la sustitución del silicio por carburo de silicio, aumentando drásticamente la densidad de potencia de los convertidores de potencia. En general existen dos tipos de convertidores de potencia:

 Convertidores conmutados por la red  Convertidores auto-conmutados

Los convertidores conmutados por la red están basados principalmente por tiristores para aplicaciones de alta potencia, pero con el gran inconveniente que consumen energía reactiva y no permiten la regulación de esta. Por otro lado, los convertidores auto-conmutados normalmente trabajan con métodos de control de modulación de ancho de pulso (PWM), siendo los basados en transistores IGBT los más usados por sus excelentes condiciones de control para elevadas potencias y por permitir la transferencia de potencia activa y reactiva en ambas direcciones (AC-DC y DC-AC). En la siguiente figura (Fig. 2.4) se muestra una convertidor de potencia tradicional con transistores IGBT:

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2.2.1. Turbinas de velocidad fija

Las turbinas de velocidad fija [4] son los primeros sistemas eólicos que se conectaron directamente a la red. El esquema consiste en un generador de inducción de jaula de ardilla (SCIG) conectado a través de un transformador a la red de potencia, funcionando a velocidad casi constante por exigencias del diseño del propio generador y forzando a que la energía suministrada sea limitada por el posicionamiento de las palas y del sistema mecánico (Fig. 2.5).

Fig. 2.5. Turbina eólica con rotor de jaula de ardilla de velocidad fija

Las turbinas con generadores de inducción son de construcción sencilla y barata, además de no necesitar ningún dispositivo de sincronización. Estas soluciones son atractivas por los costes y la fiabilidad, pero sus principales inconvenientes son:

 La turbina eólica tiene que operar a una velocidad constante.

 Requiere una red eléctrica sólida para permitir un funcionamiento estable.

 Puede requerir una construcción mecánica más cara para absorber la alta tensión mecánica, ya que las ráfagas de viento pueden causar variaciones de par en el tren de engranajes.

La conexión directa de los generadores de inducción al sistema de energía produce transitorios que son de corta duración, con muy alta corriente de arranque, lo que provoca perturbaciones en la red y altos picos en el par transmitido al tren de engranajes de las turbinas eólicas con conexión directa al generador de inducción. Los transitorios provocan perturbaciones en la red y, por tanto, limitan el número de turbinas eólicas de este tipo conectadas simultáneamente. La altas corrientes de arranque de los generadores de inducción son limitadas a su vez por un sistema electrónico de arranque suave, que por lo general limita el valor eficaz de la corriente de entrada a un nivel dos veces inferior a la corriente nominal del generador, que reduce el impacto de la turbina eólica en la red y amortigua los pares máximos asociados a los picos de corriente, reduciendo a su vez las cargas en la caja de cambios.

2.2.2. Turbinas de velocidad variable

La operación de turbinas eólicas de velocidad variable ofrece muchas ventajas. Por ejemplo, la turbina eólica puede aumentar o disminuir su velocidad si la velocidad del viento o el par varían, lo que significa menos desgaste en la torre, en la caja de cambios y en otros componentes del tren mecánico. Además, los sistemas de velocidad variable

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pueden optimizar la producción de energía y reducir la fluctuación de la potencia inyectada a la red. Este tipo de configuración emplea generadores síncronos (velocidad de giro igual a la velocidad de giro del campo magnético del inducido) donde el estator está conectado a la red a través de un sistema de electrónica de potencia (convertidor) y asíncronos de rotor bobinado (rotor accesible) que está conectado a una resistencia de encendido electrónico y controlado o acoplado a la red a través de anillos colectores y un convertidor de potencia.

A continuación se muestran las tres posibles configuraciones que pueden encontrarse en instalaciones de producción de energía eólica: conexión mediante reostato en el rotor, de alimentación doble (estator-rotor) y de control total de potencia.

1. Generador de inducción de rotor bobinado con control mediante reostato en el rotor (control dinámico de deslizamiento).

En este esquema, las bobinas del rotor están conectadas a resistencias variables que permiten ajustar la resistencia equivalente del circuito mediante un sistema electrónico de control, como se muestra en la siguiente figura (Fig. 2.6):

Fig. 2.6. Esquema de control de un aerogenerador de rotor bobinado con reostato

Convencionalmente, la conexión se hace generalmente con escobillas y anillos colectores, que es una desventaja en comparación con el diseño simple de una máquina de inducción de jaula de ardilla, necesitando además un sistema de arranque suave. También incluye más componentes eléctricos y electrónicos, que elevan los requisitos de mantenimiento. Tanto los generadores de inducción de jaula de ardilla como los bobinados controlados mediante resistencia rotórica necesitan operar a una velocidad por encima de sincronismo para generar electricidad (Fig. 2.8) y consumen energía reactiva que puede ser compensada por una batería de condensadores escalonada para mantener los costes de producción lo más bajos posible.

2. Generador de inducción doblemente alimentado.

En la configuración de un generador de inducción doblemente alimentado (DFIG) el estator está conectado a la red directamente, mientras que el rotor está conectado a la red a través de anillos colectores y controlado por convertidores electrónicos, como se muestra en la siguiente figura:

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Fig. 2.7. Esquema de un generador de inducción con doble alimentación rotor-estator

En este caso, el generador puede entregar energía a la red tanto a velocidad supersíncrona como subsíncrona, ya que el deslizamiento se cambia con un circuito electrónico de potencia a través del control de la frecuencia (cicloconvertidor). La ventaja es que sólo una parte de la producción de energía se alimenta a través del convertidor de potencia, lo que conlleva que la potencia nominal de la instalación con convertidores electrónicos de potencia sea menor que la potencia nominal de la turbina eólica, en torno a un 30% de la potencia de la turbina eólica, lo que permite a su vez una variación de la velocidad del rotor en un rango del ±30% de la velocidad nominal. A través del control de la potencia activa del convertidor, es posible variar la velocidad de giro del generador y, por lo tanto, la velocidad del rotor de la turbina eólica.

Fig. 2.8. Curva convencional de un motor de inducción en sus tres zonas de operación

Los convertidores basados en dispositivos IGBT se emplean normalmente para este tipo de sistemas. En el esquema de turbina eólica representado (Fig. 2.7) se utiliza un convertidor back-to-back, que consta de dos convertidores bidireccionales que comparten un vínculo común de corriente continua, una relacionada con el rotor y el otro con la red. Los convertidores electrónicos de potencia para generadores de velocidad

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variable tienen la capacidad de controlar la potencia activa y reactiva entregada a la red. Esta configuración le da el potencial para optimizar la integración en la red, tanto en la calidad de la tensión de alimentación como en su estabilidad. Sin embargo, los armónicos generados por el convertidor son del orden de kilohercios, por tanto, se necesitan filtros inductivos para eliminarlos, ya que pueden ocasionar desperfectos en los dispositivos y fallos en el suministro.

El sistema de control de un aerogenerador de velocidad variable con doble alimentación principalmente cumple las funciones de:

1. Ajustar la potencia consumida de la turbina de viento con el fin de realizar el seguimiento del punto de funcionamiento óptimo.

2. Limitar la potencia en el caso de altas velocidades del viento.

3. Regular la potencia reactiva intercambiada entre el aerogenerador y la red.

3. Sistemas de aerogeneradores con convertidores de potencia de control total de potencia

En este tipo de configuración, el generador está desacoplado de la red. El generador puede funcionar con un amplio rango de frecuencias para alcanzar el punto de funcionamiento óptimo, permitiendo además que la potencia activa generada sea enviada a la red a través del convertidor y se pueda controlar la potencia activa y reactiva de forma independiente, mejorando la respuesta dinámica. Como punto desfavorable, las configuraciones son más complejas y con más componentes electrónicos sensibles y costosos. En las imágenes siguientes (Fig. 2.9 y Fig. 2.10) se muestran las cuatro posibles configuraciones:

Fig. 2.9. Configuraciones de aerogeneradores con convertidores de potencia y transmisión a gran escala. (a) Generador de inducción con transmisión, (b) generador síncrono con transmisión

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Fig. 2.10. Configuraciones de aerogeneradores con convertidores de potencia sin transmisión a gran escala. (c) generador síncrono multipolar y (d) generador síncrono multipolar de imanes permanentes.

2.2.3. Control de la potencia eólica máxima

Como ya se ha indicado, las turbinas eólicas de velocidad variable son capaces de funcionar a una velocidad de rotación óptima en función de la velocidad del viento. El convertidor electrónico de potencia puede controlar la velocidad de rotación de la turbina para obtener la máxima potencia posible a través de un algoritmo para el seguimiento del punto de máxima potencia. De esta manera, también es posible evitar que se sobrepase la potencia nominal si aumenta la velocidad del viento.

Existen algunos métodos para realizar el control del punto óptimo de máxima potencia y entre ellos se destacan los siguientes:

Control de velocidad máxima: Se mide la velocidad del viento mediante un anemómetro que envía la información al controlador que regula la velocidad de la turbina para mantener una velocidad óptima de ésta. Sin embargo, la velocidad exacta del viento puede ser difícil de obtener y además, el uso de un anemómetro externo aumenta la complejidad y el coste del sistema.

Control por realimentación de la señal de potencia: Este control requiere el conocimiento de las curvas de potencia máxima de la turbina, las cuáles se obtienen a través de simulaciones y pruebas prácticas. La velocidad de la turbina eólica se utiliza para seleccionar la curva de potencia almacenada, que da la potencia objetivo que debe conseguir el sistema. En muchos casos, esta curva de potencia puede ser sustituida por un indicador o un observador de la velocidad del viento en función de la potencia y la relación de velocidades del viento y la turbina.

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2.2.4. Algunas configuraciones de plataformas eólicas

Los grandes parques eólicos [4] se están desarrollando en muchos países. Estos parques eólicos pueden suponer una contribución significativa de energía en el cómputo global del sistema y, por lo tanto, desempeñan un papel importante en la calidad de la energía y el control de los sistemas de potencia. En consecuencia, la exigencia técnica es máxima en las unidades de generación para poder llevar a cabo el control de frecuencia y tensión, la regulación de potencia activa y reactiva y una respuesta rápida en situaciones transitorias como por ejemplo, reducir la potencia nominal un 20% en dos segundos. La electrónica de potencia juega un papel importante tanto en las configuraciones del sistema como en el control de los parques eólicos con el fin de cumplir con estos requisitos. Algunas posibles configuraciones eléctricas de parques eólicos se muestran en la siguiente figura:

Fig. 2.11. Configuraciones para parques eólicos: (a) Sistema de doble alimentación con red de corriente alterna, (b) generador de inducción con red de corriente alterna, (c) generador de inducción de velocidad controlada con bus común de corriente continua y control de potencia activa y reactiva, (d) generador de

inducción con velocidad controlada con red alterna común y transmisión mecánica continua.

La integración a gran escala de las turbinas eólicas puede tener impactos significativos en la calidad de la energía y en el funcionamiento del sistema energético. En los últimos años, se está prestando más atención a la integración de los parques eólicos en el sistema energético y se han definido los requisitos (R.D. 1614/2010) que deben cumplir las turbinas eólicas para ser conectadas a la red. Ejemplos de dichos requisitos incluyen la capacidad de contribuir al control de la frecuencia y la tensión por el ajuste continuado de potencia activa y potencia reactiva suministrada al sistema energético, la tasa de regulación de la energía que el parque debe proporcionar, picos de tensión, armónicos,

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etc. Algunos de estos requisitos pueden ser tratados por la electrónica de potencia como por ejemplo, el control de potencia reactiva, entre otros.

2.3. Tecnologías de convertidores de potencia para aerogeneradores

Una vez que ha sido mostrada la necesidad de emplear convertidores de potencia para mejorar tanto la eficiencia de las turbinas eólicas en el proceso de generación como para establecer un acoplamiento con la red eléctrica de una forma estable, en este apartado se describen las distintas tecnologías que estos dispositivos integran para llevar a cabo el procesado de la potencia.

Los convertidores están compuestos por un conjunto de interruptores estáticos (diodos, tiristores, transistores...) que, accionados a través de una serie de disparos eléctricos emitidos por un dispositivo de control, permiten modificar la forma de la energía eléctrica y adaptarla a las necesidades de una aplicación concreta. Este es el principal motivo por el cual la aparición de nuevas estructuras y funcionalidades de los convertidores estáticos ha ido ligada, como es natural, a la evolución de los interruptores disponibles. Por otro lado, no sólo los interruptores electrónicos son necesarios para diseñar un convertidor. Estos deben incorporar elementos inductivos que mejoren la forma de la señal y eviten picos de tensión y armónicos, manteniendo flujos de energía continuos y estables. La estructura más clásica y extendida es el puente rectificador monofásico o trifásico con diodos o con tiristores, que permiten la regulación por ángulo de fase (δ).

Fig. 2.12. Esquema convencional de puente rectificador con diodos

Los primeros convertidores de frecuencia que se construyeron estaban constituidos por transistores bipolares (BJT) con la configuración Darlington (1200 V y 300 A) que alcanzaban frecuencias de conmutación de hasta 1 kHz. Dado que el comportamiento global de estos dispositivos es equivalente a una carga no lineal, durante el procesado de la señal aparecen corrientes armónicas que obliga a usar snubbers para filtrar la distorsión que se produce durante la etapa inversora. Para superar este problema se han propuesto nuevas estructuras para la etapa de rectificación a la entrada de los equipos electrónicos. Para sistemas de baja potencia, como ordenadores de sobremesa, se utiliza un convertidor elevador formado por un MOSFET, un diodo y una inductancia. El condensador del bus de corriente continua se carga a una tensión superior al valor máximo de la tensión de red consumiendo una corriente senoidal en fase con la tensión de red. Este dispositivo de entrada a las fuentes de alimentación de baja potencia es conocido como controlador del factor de potencia (PFC) y no es reversible.

Para mayores potencias se utiliza la misma estructura que un convertidor de frecuencia convencional pero con la posibilidad de permutar la entrada por la salida y que haya

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transmisión de potencia bidireccionalmente. De esta forma, el condensador encargado de mantener la tensión constante, se carga a una tensión más elevada que el máximo de la tensión de red y de ésta se consumen las corrientes que estén en fase con la tensión durante los transitorios. Al mismo tiempo, esta estructura permite el frenado del aerogenerador y otras funciones como el filtrado activo de armónicos. También pueden ser usados en forma de rectificadores activos de entrada como el puente trifásico de tres niveles con el neutro conectado al punto medio de los condensadores del bus de continua. La ventaja de esta estructura reside en que los interruptores soportan solamente la mitad de la tensión de bus, con lo que se pueden realizar convertidores de elevada tensión con IGBT. Por este motivo, los convertidores basados en IGBT han desbancado a los convertidores de elevada potencia (hasta 10 MVA) basados en tiristores convencionales y GTO. Gracias al esfuerzo de los fabricantes de semiconductores, con sus correspondientes inversiones de I+D, la tensión de los IGBT ha ido subiendo y estas estructuras de tres niveles están a su vez siendo sustituidas por estructuras de dos niveles debido a su menor coste.

2.3.1. Convertidor Back-to-Back

Dentro de las distintas configuraciones de los convertidores de potencia, el más empleado, dada sus ventajas constructivas y operativas, es el denominado “back-to-back”, el cual incorpora las distintas etapas de rectificación, inversión y filtrado en un solo equipo. El término back-to-back hace referencia a la posición antiparalela de ambas etapas, donde el único posible enlace es un condensador denominado DC-link. En la siguiente figura (Fig. 2.13) se ilustra un esquema típico con transistores IGBT y diodos de protección para una aplicación de generación eólica con generador de imanes permanentes.

Fig. 2.13. Esquema de un convertidor back-to-back acoplado a un aerogenererador de imanes permanentes

Las propiedades de este convertidor son bien conocidas en el sector de la electrónica de potencia y la energía eólica, ya que es fundamental para inyectar energía eléctrica con las componentes eléctricas (tensión, frecuencia, fase...) adecuadas. Uno de los inconvenientes de esta configuración es que entre la etapa de rectificación e inversión, denominado canal o bus de continua, debe existir un condensador DC-link cuya tensión es regulada a partir del flujo de potencia que se inyecta a la red, debe ser superior al pico de tensión máximo que soporte el convertidor para garantizar el incremento en la energía útil desde el generador cuando opera por debajo de su potencia nominal. Otra ventaja que presenta esta configuración en algunas aplicaciones es que la energía de frenada

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puede ser realimentada a la red en lugar de malgastarla en un resistor de frenada por efecto Joule.

Una propiedad muy importante que este tipo de convertidor ofrece, es un control rápido y eficaz del flujo de potencia, ya que un flujo uniforme permite al condensador DC-link operar a tensión constante, dentro de sus temperaturas de diseño y alargar la vida útil de los componentes. Además, la presencia de este tipo de control permite reducir el tamaño de estos elementos sin afectar a la calidad de la señal, llegando a ser bastante compacto si el condensador es de cinta, como se verá en próximos apartados.

La reducción del tamaño del DC-link y del resto de componentes pasivos está condicionada por los niveles de armónicos, que no pueden ser amortiguados por sí solos. Una alternativa frente a esta limitación es simplemente introducir dichas fluctuaciones en la red, pero con el inconveniente que de no ser ésta suficientemente robusta puede reintroducir los armónicos en el convertidor. Aunque en general son relativamente inofensivos comparados con los armónicos de los diodos de protección en los rectificadores, se deben de tener en cuenta en condiciones de elevadas potencias como es el caso del presente proyecto. Otra alternativa que ha llegado a ponerse en práctica es el aprovechamiento de la energía almacenada en el tren mecánico, que suele ser varios órdenes de magnitud mayor que la almacenada en el condensador DC-link. Existen tres configuraciones posibles para un convertidor back-to-back: matricial, multinivel y resonante. A continuación se enumeran sus ventajas e inconvenientes.

TOPOLOGÍA VENTAJAS INCONVENIENTES

MATRICIAL

 Los interruptores operan bajo las mismas condiciones: menos estrés térmico

 No necesitan condensador

 La tensión de salida está limitada a un 86,6% la de entrada

 Al no tener condensador puede distorsionar la señal

MULTINIVEL

 Para la misma distorsión, la frecuencia de conmutación se reduce hasta el 25%

 Aumenta la eficiencia global

 Desequilibrios entre las tensiones en continua

 Estrés térmico en los semiconductores

RESONANTE

 Menos pérdidas de conmutación  Mayor control para mantener la _resonancia  Desequilibrio de tensiones en

continua

Tabla 2.1. Topologías de convertidores back-to-back

El proceso de diseño de un convertidor es complejo y exige una serie de etapas, directamente relacionadas con sus componentes y los requerimientos técnicos de estos:  En primer lugar hay que decidir qué topología entre las anteriormente descritas es la más adecuada para la aplicación a la que vaya destinada el convertidor de potencia, teniendo en cuenta las ventajas e inconvenientes que se presentarán durante su operación. Dependiendo de la topología seleccionada, se establecerá el método de control más adecuado para garantizar el funcionamiento del convertidor.

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 Posteriormente hay que tener en cuenta los requerimientos externos de la aplicación, como pueden ser la tensión y frecuencia de la red de potencia o las características del generador eléctrico a regular.

 En una tercera etapa hay que seleccionar qué tipo de semiconductores (interruptores estáticos) son los más adecuados, teniendo en cuenta las tensiones de operación, las intensidades (potencia) de cada rama y la frecuencia de disparo de los mismos. Este proceso es iterativo, ya que la elección de los semiconductores va supeditada a la simulación de los mismos en condiciones límite, cuyas curvas de rendimiento permitirán elegir progresivamente aquellos que mejores prestaciones muestren, incluyendo el estudio térmico correspondiente para evaluar la necesidad y el consumo del sistema de refrigeración asociado.

 La cuarta etapa de diseño contempla el dimensionamiento de los componentes pasivos, tanto las inductancias de conexión al generador y red como los condensadores del DC-Link, teniendo en cuenta los requerimientos exigidos por los fabricantes.

 La última etapa consiste en la simulación del convertidor mediante alguna herramienta informática que permita obtener los espectros de las señales para garantizar el perfecto acoplamiento de las distintas etapas del convertidor, teniendo en cuenta no sólo los aspectos eléctricos, sino los térmicos.

Fig. 2.14. Ejemplo de etapas de diseño para un convertidor back-to-back y distintas aplicaciones

2.4. Tecnologías de los componentes activos para convertidores de potencia

Antes de entrar en detalle sobre los últimos avances realizados en la fabricación de nuevos semiconductores, en este apartado se presenta una breve descripción del estado actual de los materiales con los que se fabrican y que se pueden encontrar en el mercado, haciendo una breve comparación entre las posibles aplicaciones futuras de los dos principales candidatos, el carburo de silicio (SiC) y el nitruro de galio (GaN).

Los semiconductores de banda prohibida ancha SiC y GaN poseen un gran potencial para aplicaciones de alta frecuencia, alta potencia y alta temperatura. Transistores basados en GaN y SiC pueden amplificar señales de frecuencias y potencias muy

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superiores a las moduladas mediante dispositivos fabricados con silicio (Si), silicio-germanio (Si/Ge), arseniuro de galio (GaAs) y fosfuro de indio (InP). Las electrónica de potencia y el transporte de energía son los principales candidatos a integrar estos nuevos elementos, siendo el SiC para nuestro caso de estudio el que más opciones está ofreciendo al ofrecer dispositivos electrónicos que soportan tensiones de ruptura superiores a los semiconductores existentes hasta ahora. Además, la magnífica conductividad térmica del carburo de silicio permite trabajar a temperaturas varias veces superiores que las soportadas por el silicio. Esta ventaja se traduce en equipos más robustos y menos voluminosos ya que se reduce la necesidad de las costosas unidades de refrigeración.

Fig. 2.15. Relación de propiedades SiC/Si para los nuevos dispositivos

De la figura anterior (Fig. 2.15) se puede observar que la temperatura de fusión del SiC es hasta 2 veces superior a la del Si, además de tener un ancho de banda libre hasta 3 veces superior a este último. Por otro lado, el límite del campo eléctrico soportado llega a ser 10 veces superior en el caso del SiC con una conductividad térmica hasta 3 veces superior también en este caso. Estas consideraciones anteriores determinan que los posibles dispositivos que incorporen la tecnología SiC llegarán a trabajar al doble de la temperatura y hasta 10 veces las tensiones eléctricas que actualmente soportan los componentes de silicio. El impacto definitivo en los equipos permitirá en muchos casos que se pase de un sistema de refrigeración por agua a un sistema de refrigeración únicamente por aire, forzada o incluso natural, lo cual permitirá a su vez fabricar equipos más compactos y de mayor eficiencia que los actuales.

Mediante las figuras de mérito Johnson y Baliga se pueden englobar todas las propiedades mencionadas en dos valores cuantitativos. Así, la figura de mérito Johnson define una valoración cuantitativa de las prestaciones para altas frecuencias, teniendo en cuenta la tensión de ruptura y la velocidad de saturación de los electrones. La figura de mérito Baliga define una valoración cuantitativa de la capacidad para manejar alta potencia, teniendo en cuenta la constante dieléctrica, la movilidad de los electrones (en campo eléctrico débil) y el campo eléctrico crítico. Estas figuras de mérito nos indican a priori que el GaN ofrece mayores prestaciones potenciales que el SiC.

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Figura de Mérito Johnson

GaN 80 veces respecto al Si 22 veces respecto al AsGa SiC 60 veces respecto al Si 17 veces respecto al AsGa

Figura de Mérito Baliga

GaN 24,6 veces respecto al Si 2,6 veces respecto al AsGa SiC 3 veces respecto al Si 3 veces menor respecto al AsGa

Tabla 2.2. Figuras de mérito para componentes con base GaN y SiC

Aunque la tecnología de semiconductores de banda ancha (WBG, Wide Band Gap) está progresando rápidamente, dicho desarrollo está todavía por detrás con respecto a otras tecnologías citadas (InP, GaAs y Si). La tecnología y los dispositivos asociados al SiC para aplicaciones microelectrónicas están más maduros que los de GaN. Aunque el SiC como substrato para heteroestructuras de GaN ofrece unas buenas cualidades (ver Fig. 2.16), los inconvenientes y razones por las que el mercado apuesta todavía por el GaN, es debido al coste tan elevado de la tecnología asociada a los dispositivos de SiC, y por otro el difícil control de los defectos en los cristales, siendo necesaria la disminución de la densidad de impurezas para poder hacer obleas lo suficientemente grandes para abaratar los costes de producción. Por tanto, uno de los mayores retos es la obtención de substratos para realización de obleas que sean de una calidad adecuada para garantizar una producción industrial, ya que la elección del tipo de substrato depende de la aplicación final del dispositivo.

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Sin embargo, para aplicaciones de alta potencia, superiores a los 100 kW, los dispositivos de GaN no pueden competir con los de SiC, como se ilustra en Fig. 2.17, donde se comparan ambas tecnologías en función de las aplicaciones más convencionales.

Fig. 2.17. Posible competencia entre las tecnologías GaN y SiC

En la figura anterior se observa que para rangos de potencia inferiores a 5 kW coexisten los componentes de SiC y los de GaN, lo que establece una posible competencia para aplicaciones de microelectrónica como son la corrección del factor de potencia en las fuentes de alimentación y los utilizados en los convertidores e inversores de las fuentes de alimentación de respaldo (UPS).

En el rango de potencias comprendido entre 30 y 350 kW se puede encontrar para aplicaciones habituales en el sector de la automoción, concretamente para el desarrollo de vehículos de tecnología hibrida y eléctrica. En este rango de potencia podrían coexistir también el SiC y el GaN, siendo los convertidores DC/DC y los DC/AC los candidatos idóneos para emplear este tipo de tecnología. Ambas tecnologías compiten hasta potencias en torno a 100 kW para aplicaciones dirigidas a instalaciones solares fotovoltaicas (inversores) y de control de velocidad de motores de inducción (variadores de frecuencia). A partir de dicha potencia la tecnología SiC tienen una ventaja competitiva frente al GaN, por lo que a priori el único candidato para las aplicaciones UPS industriales y de energía eólica serán los componentes basados en SiC.

Desde el punto de vista del condensador de potencia y los componentes inductivos la utilización de los semiconductores de SiC conlleva una mayor presencia de componentes de alta frecuencia en la señal eléctrica, además de condicionar una temperatura de operación mas elevada. Por tanto, estos dispositivos deberán incorporar sistemas de evacuación de calor adecuados o verse obligados a evolucionar a mayores temperaturas de operación en el caso que la eficiencia global se vea comprometida por el consumo de las bombas de refrigeración.

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En los próximos apartados se muestra una breve descripción de los transistores más habituales para convertidores de potencia que permitirán elegir los más adecuados según las especificaciones de la aplicación que se pretenda diseñar.

2.4.1. Transistor de unión bipolar - BJT

El transistor BJT es un dispositivo electrónico de estado sólido consistente en dos uniones pn muy cercanas entre sí, que permite controlar el paso de la corriente a través de sus terminales. La denominación de bipolar se debe a que la conducción tiene lugar gracias al desplazamiento de portadores de dos polaridades (huecos positivos y electrones negativos).

Un transistor de unión bipolar está formado por dos uniones pn en un solo cristal semiconductor, separados por una región muy estrecha. De esta manera quedan formadas tres regiones:

 Emisor: esta región se diferencia de las otras dos por estar fuertemente dopada, comportándose como un metal. Cuanto más dopaje tenga el emisor, mayor cantidad de portadores podrá aportar a la corriente. Su nombre se debe a que este terminal funciona como emisor de portadores de carga.

 Base: es la zona intermedia que separa el emisor del colector. Esta región ha de ser muy estrecha y poco dopada, para que tenga lugar poca recombinación en la misma, de modo que prácticamente toda la corriente que proviene del emisor pase al colector. Si la base no es estrecha, el dispositivo puede no comportarse como un transistor, y trabajar como si de dos diodos en oposición se tratase.

 Colector: es una zona menos dopada que el emisor y de extensión mucho mayor.

E B C

n n p

Fig. 2.18. Corte transversal simplificado de un transistor de unión bipolar NPN1

La técnica de fabricación más común es la deposición epitaxial. En su funcionamiento normal, la unión base-emisor está polarizada en directa, mientras que la base-colector en inversa. Los portadores de carga emitidos por el emisor atraviesan la base, porque es muy angosta, hay poca recombinación de portadores, y la mayoría pasa al colector. El transistor posee tres estados de operación: estado de corte, estado de saturación y estado de actividad.

1_{Donde se puede apreciar como la unión base-colector es mucho más amplia que la} base-emisor.

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npn

B C E

pnp

B E C

Fig. 2.19. Símbolos convencionales para transistores bipolares BJT de unión npn y pnp

Las zonas de funcionamiento son:

 Zona activa: es el funcionamiento normal de estos dispositivos donde la unión de base-emisor está polarizada en directa, mientras que la base-colector está en inversa. Los portadores de carga emitidos por el emisor atraviesan la base, ya que ésta es muy estrecha, hay poca recombinación de portadores, y la mayoría pasan al colector.  Zona de corte: la unión base-emisor está polarizada en inversa al igual que la unión

base-colector. Por lo tanto no hay movimiento de electrones (solo minoritarios).

 Zona de saturación: la unión base-emisor está polarizada en directa, por lo que los electrones procedentes del emisor no pueden pasar, y la unión base-colector también está polarizada en directa. Este estado de funcionamiento provoca que la tensión entre el colector y el emisor sea prácticamente nula.

Aplicaciones:

 Diseño de circuitos discretos, debido a la amplia selección de tipos de BJT disponibles, y debido a su alta transconductancia y resistencia de salida.

 Circuitos analógicos, especialmente para aplicaciones de muy alta frecuencia, tales como circuitos de radiofrecuencia de los sistemas inalámbricos.

 Sensor de temperatura, debido al conocimiento de la temperatura y la dependencia actual de la tensión de la unión con polarización del emisor de base, el BJT se puede utilizar para medir la temperatura, restando las tensiones conocidas de las dos corrientes de polarización.

 Convertidores logarítmicos. Un diodo también puede realizar estas funciones no lineales, pero el transistor proporciona una mayor flexibilidad al circuito.

2.4.2. Transistor de efecto campo - JFET

El transistor JFET es un dispositivo formado por una barra de semiconductor de tipo p o n en el que la corriente fluye por una zona denominada canal que une los terminales, uno de ellos S denominado fuente o surtidor, a través del cual los portadores mayoritarios entran en la barra de semiconductor, y el otro D conocido como drenador o sumidero.

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Ambos terminales son dos contactos óhmicos situados en los extremos de la barra del semiconductor.

La corriente se controla mediante un campo eléctrico originado por una tensión aplicada en un tercer terminal denominado puerta, G. Este último terminal está constituido por dos regiones, de tipo n o p, difundidas a ambos lados de la estructura del semiconductor. Se forma así en el contacto de puerta dos uniones pn, las cuales están conectadas entre sí y polarizadas en inverso, de forma que la corriente que pasa a través de ellas es prácticamente nula. n p p G S D G D S p n n G S D G D S Canal n Canal p

Fig. 2.20. Esquemas y símbolos del transistor JFET en sus dos configuraciones

En la figura se observa una estructura típica del transistor JFET, tanto la representación unidimensional como el símbolo del circuito para ambos tipos.

Las zonas de funcionamiento de los transistores de efecto campo (FET) son:

 Zona lineal: en esta zona el transistor se comporta como una resistencia variable dependiente del valor de VGS. Un parámetro que aporta el fabricante es la resistencia que presenta el dispositivo para VDS=0, y distintos valores de VGS.

 Zona de saturación: en esta zona es donde el transistor amplifica y se comporta como una fuente de corriente gobernada por VGS.

 Zona de corte: la intensidad de drenador es nula (ID=0).

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A continuación se muestra una comparativa entre los transistores tipo FET y los BJT2.  Los FET son dispositivos sensibles al voltaje, con una gran impedancia de entrada

(del orden de 10 M a 1 G). Al ser mucho más alta que la correspondiente a los BJT, se prefieren como etapa de entrada en amplificadores multi-etapa.

 Los JFET generan un nivel de ruido menor que los BJT.

 Los JFET son más fáciles de fabricar que los BJT ya que requieren menos pasos de enmascaramiento y difusiones. El número de FET que se pueden incluir en un solo chip es mayor ya que necesitan menos área.

 Los FET no son tan sensibles a la radiación como los BJT.

 Los FET son más estables ante cambios de temperatura que los BJT.

A continuación se muestran las ventajas e inconvenientes que presenta el transistor JFET y las aplicaciones más comunes gracias a las características que posee.

Ventajas:

 Su impedancia de entrada es extremadamente alta (típicamente 100 M o más).  Su tamaño físico es aproximadamente un 20 o 30% del espacio que ocupa un BJT.

Esto lo hace idóneo para su integración a gran escala.

 Su consumo de potencia es mucho más pequeña que la del BJT.  Su velocidad de conmutación es mucho mayor que la del BJT.

 Es menos ruidoso por lo que es idóneo para amplificadores de alta fidelidad.  Se ve menos afectado por la temperatura.

Inconvenientes:

 Su ganancia de voltaje es mucho menor que en el BJT.  Es susceptible al daño en su manejo.

 Su ancho de banda o respuesta en frecuencia es menor que en el BJT.

 Bajas tensiones (máx. 200 V) e intensidades (máx. 25 A) para sistemas de alta potencia.

2

Aunque no se contempla el uso de transistores bipolares BJT para el diseño del convertidor del presente proyecto por sus bajas prestaciones, se toman como referencia para mostrar las ventajas de los distintos dispositivos.

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Aplicaciones:

 Debido a que la impedancia de entrada es alta y la de salida baja, se utiliza como aislador o separador (buffer) en equipos de medida, receptores.

 Como amplificador debido al bajo ruido y mezclador por la baja distorsión de intermodulación, se utiliza en sintonizadores y receptores de FM y televisión, equipos para comunicaciones.

 Amplificador de baja frecuencia para audífonos y transductores inductivos gracias a la pequeña capacidad de acoplamiento.

2.4.3. Transistor de efecto campo - MOSFET

Un transistor MOSFET consiste en un sustrato de material semiconductor dopado en el que, mediante técnicas de difusión de dopantes, se crean en la superficie, dos regiones pequeñas de tipo opuesto situadas a ambos lados de la puerta, G.

Las áreas de difusión se denominan fuente o surtidor S (source), sumidero o drenador D (drain) y el conductor entre ellos es la puerta G (gate).

Sobre cada una de estas islas se deposita un electrodo metálico, formando el contacto entre fuente y sumidero. Sobre la superficie inferior del dispositivo se deposita una capa metálica que se mantiene conectada a tierra.

Los transistores MOSFET se dividen en dos tipos fundamentales dependiendo de cómo se haya realizado el dopaje:

 Tipo nMOS: sustrato de tipo p y difusiones de tipo n.  Tipo pMOS: sustrato de tipo n y difusiones de tipo p.

n p p Metal Metal óxido Puerta (G) Sumidero (D) Fuente (S) Canal n Canal p

Fig. 2.22. Esquema de un transistor pMOS y símbolos convencionales de transistores MOSFET

El transistor MOSFET tiene tres estados de funcionamiento:

 Estado de corte: cuando la tensión de la puerta es idéntica a la del sustrato, el MOSFET está en estado de no conducción: ninguna corriente fluye entre fuente y drenador. También se llama MOSFET a los aislados por solape de dos componentes.