Download Electrónica

Transmission and Distribution
Electrónica
POTENTE
Semiconductores de potencia para transmisión y distribución
Christer Ovrén, Heinz Lendenmann, Stefan Linder, Bo Bijlenga
Las soluciones que incorporan la electrónica de potencia están sustituyendo cada vez más rápidamente los sistemas electromagnéticos tradicionales en las aplicaciones de transmisión y distribución, a medida que las compañías eléctricas reconocen
la necesidad de mejorar la eficiencia y la funcionalidad de la infraestructura existente. Una de las ventajas de esta nueva funcionalidad es que facilita la conexión de las unidades distribuidas de generación de pequeño tamaño y las fuentes de energías
renovables, tanto a los puntos de consumo como a la red. Además, las nuevas tecnologías basadas en la electrónica están
permitiendo reducir enormemente las dimensiones de la infraestructura eléctrica, minimizando así su impacto medioambiental y visual y liberando un espacio y unos valiosos recursos que pueden destinarse a otros usos.
E
l sector de la transmisión y distribución
Nuevas fuerzas impulsoras de
rísticas de este sector, que contribuye a explicar
de energía eléctrica está pasando actual-
la ingeniería eléctrica
su extraordinario crecimiento, están las elevadísi-
mente por una fase transitoria con consecuencias
En pleno desarrollo, a una velocidad extraordina-
mas inversiones en I+D. Esto ha provocado un
de largo alcance, tanto para las compañías eléc-
ria, la tecnología de la información se ha conver-
espectacular desarrollo del software y de las
tricas como para el sector público. Basado en los
tido en una de las más importantes industrias
tecnologías de la microelectrónica, que constitu-
nuevos semiconductores de potencia, que se
de la economía mundial actual. Entre las caracte-
yen una fuerza impulsora fundamental de
están comercializando cada vez más rapidez, está
siendo impulsado en gran medida por unas fuer-
1 Izquierda: Transistor MOS, ‘animal de carga’ de la electrónica Derecha: Sección
tes inversiones y un intenso trabajo de desarrollo,
de una oblea de silicio con los elementos que forman el dispositivo MOS.
tanto en el sector de la informática como en el
de la microelectrónica.
‘-’Terminal
Gate
‘+’Terminal
Estas nuevas generaciones de semiconductores
de potencia ofrecen más rendimiento, más fiabilidad y una excelente capacidad de control. Además,
los resultados de la intensiva investigación de
nuevos materiales –como es el caso del carburo
de silicio– son muy alentadores, ya que muestran
Insulator
unas posibilidades que superan los límites del
material más utilizado hoy en día, el silicio.
38
Silicon wafer
Gate-controlled
electron current
0.25 µm
ABB Revista 3/2000
diversas aplicaciones, por ejemplo la ingeniería
pueden ser incorporados en un solo chip se
El encendido se realiza mediante la inyección
eléctrica, que tienen importantes consecuen-
duplica cada 18 meses). Actualmente es posible
de una corriente de puerta y se corta en función
cias.
integrar en un chip de 1–2 cm más de 100 millo-
del paso por el valor cero de la tensión de la
2
nes de transistores, cada uno de ellos con una
línea a 50/80 Hz. Sin embargo, el hecho de
tor) 1 es una de las piedras angulares de la
superficie inferior a 10 mm . En combinación
que el tiristor no puede ser cortado con el termi-
microelectrónica avanzada. Este dispositivo per-
con el avanzado software, hoy en día se da por
nal de puerta limita la gama de aplicaciones de
mite controlar con gran precisión la corriente en
hecha en este campo la existencia de nuevos
este dispositivo. Después de haberlos utilizado
un semiconductor aplicando una tensión a un
productos económicos con amplia funcionalidad
durante más de 40 años para aplicaciones
electrodo de puerta aislada. Además, la energía
y altísima eficiencia.
de alta potencia, hoy en día se dispone de
El transistor MOS (Metal Oxide Semiconduc-
-6
2
tiristores con una enorme capacidad de manejo
necesaria para ello es extremadamente baja. El
transistor MOS puede fabricarse muy económica-
Manejo de altas potencias,
de la potencia 3 que frecuentemente son
mente, pues los elementos funcionales del tran-
el enfoque tradicional
una alternativa para los niveles de potencia más
sistor se crean según un proceso planar que
Tradicionalmente, la conversión electrónica
altos.
utiliza los métodos de la fotolitografía, similares
de la energía eléctrica de alta potencia ha aplica-
a los utilizados en el sector de la imprenta. Las
do el principio de conversión de frecuencia con
Control de puerta elaborado, más
grandes inversiones en I+D de las últimas déca-
conmutación de línea utilizando tiristores para
rendimiento para los tiristores
das han conseguido una reducción continua del
controlar el flujo de corriente. El tiristor es
El corte controlado por puerta fue introducido a
tamaño de los elementos que forman los circuitos
equivalente a una ‘válvula de corriente binaria’
finales de los años sesenta con el tiristor de corte
electrónicos. (Esta es la base de la ley de Moore
con dos estados discretos, el primero de conduc-
de puerta (GTO). Al hacer posible la construc-
ción y el segundo de bloqueo de la corriente.
ción de convertidores eficientes para controlar la
2 , según la cual el número de transistores que
2 Ley de Moore: más inteligente, más pequeño. Las nuevas tecnologías y la
3 Este tiristor de silicio de alta potencia, para aplica-
eficiencia de la fabricación son las principales fuerzas que impulsan el desarrollo de
ciones de transmisión de corriente continua de alta ten-
los chips semiconductores basados en MOS, los bloques constructivos para los
sión, soporta tensiones de 8.000 V e intensidades de
productos actuales de la Tecnología de la Información.
2.000 A. Utiliza una oblea de silicio de 5 pulgadas.
Transistors/chip
109
106
103
1970
ABB Revista 3/2000
1980
1990
2000
39
Transmission and Distribution
Gate
Critical
dimension
Cathode
Insulator
Gate-controlled
electron current
Semiconductor
wafer
Anode
High current
4 La tecnología IGCT de ABB ha puesto muy alto el listón del
5 La combinación de transistores superficiales MOS de alta impedan-
rendimiento y economía de los tiristores.
cia para un control eficiente de baja potencia y un transistor vertical con
capacidad para corrientes y tensiones elevadas dota al IGBT de una
excelente capacidad de control y le hace ganar mucha potencia.
frecuencia de salida, el GTO abrió las puerta a
conmutación homogénea que se produce en el
baja tensión en circuitos integrados con capaci-
los motores de corriente alterna de velocidad
IGCT a través de la superficie del dispositivo da
dad para el tratamiento de las altas potencias que
variable y a otras aplicaciones similares. Con el
lugar a unas pérdidas significativamente menores
necesitan los dispositivos semiconductores de
GTO, sin embargo, las pérdidas de energía son
que en el GTO [2]. Las menores necesidades de
potencia. El dispositivo de más éxito hasta la
mayores que con los tiristores clásicos, siendo
infraestructura del convertidor, por ejemplo de
fecha ha sido el transistor bipolar IGBT de puerta
necesario utilizar unidades elaboradas para sumi-
condensadores y filtros, significa que también
aislada (Insulated Gate Bipolar Transistor) [4],
nistrar altas corrientes de puerta así como ‘circui-
disminuye el tamaño del convertidor.
que combina una entrada de puerta de baja
tos amortiguadores’ para proteger los dispositi-
Con su demostrada alta fiabilidad, el IGCT
potencia y alta impedancia con la capacidad de
vos. El rendimiento de los tiristores GTO mejoró
supone una opción óptima y económica para
tratamiento de potencia de los transistores y
extraordinariamente cuando ABB introdujo en
muchas aplicaciones de alta potencia que
tiristores bipolares normales.
1997 un nuevo concepto, el IGCT, tiristor integra-
necesitan utilizar dispositivos de corte. Entre las
do conmutado por puerta [1]. Esta nueva tecnolo-
aplicaciones típicas actuales se encuentran los
una configuración de transistores MOS distribui-
gía presentaba, por primera vez, homogeneidad
grandes sistemas de accionamiento y los siste-
dos en la superficie del dispositivo 5 . Los tran-
de la inyección y extracción de las corrientes de
mas de alimentación de energía para fines de
sistores MOS permiten un control de alta impe-
puerta homogénea y estaba controlada de forma
tracción [3].
dancia del flujo de corriente a través del disposi-
precisa por medio de una unidad integrada de
El control del IGBT se lleva a cabo mediante
tivo, de forma que a la puerta de control solo
accionamiento de puerta 4 . Utilizando este
Semiconductores de potencia
debe suministrársele una potencia extremada-
concepto, el diodo de circulación libre, que en
tradicionales, fusión con la
mente baja. La capacidad para mantener altas
muchos tipos de convertidor tiene que ser conec-
moderna microelectrónica
tensiones y corrientes es debida a la parte vertical
tado en antiparalelo a los interruptores, puede
Se han hecho numerosos intentos para combinar
del dispositivo, que dispone de una estructura de
ser integrado en la misma oblea del semiconduc-
las tecnologías de microelectrónica utilizadas
transistor bipolar. El espesor de este transistor
tor, simplificando el diseño mecánico de este. La
para el control muy preciso de las señales de
bipolar es suficiente para soportar altas tensiones.
40
ABB Revista 3/2000
100
Critical dimension[ µ m ]
Thyristor
10
1K
4K
16K
64K
IGBT
256K
1M
1
DRAM
4M
16M
64M
256M
0.1
1965
1975
1985
1995
2005
6 Gracias a las tecnologías de fabricación desarrolladas para
7 Las técnicas avanzadas de empaquetado de semiconducto-
los circuitos integrados y memorias, los niveles de rendimiento
res son fundamentales para el liderazgo de ABB en la electrónica
de los semiconductores siguen también una curva de incremento
de potencia.
similar.
El efecto producido por el transistor vertical es
do se vio que el mismo concepto podía también
ductores de potencia son, en una primera aproxi-
también crucial, ya que mejora la conductividad
aplicarse para tensiones mayores [5].
mación, proporcionales al cuadrado del espesor
del material semiconductor y durante la fase con-
Desde entonces ABB ha ampliado su extensa
del dispositivo, reducir el espesor es una opción
ductora, por lo tanto, reduce la caída de tensión
cartera de semiconductores de potencia con el
natural cuando se plantea la optimización de los
a través del dispositivo.
fin de incluir los módulos de potencia IGBT
mismos. Con la SPT ABB ha dado un enorme
dentro del intervalo de tensiones de 1.200 V a
paso adelante, reduciendo el espesor del los
relacionado con las propiedades de las células de
4.500 V. La estrecha colaboración con los clientes
IGBT de 1.200 V a menos del 70% del espesor de
transistores MOS de superficie, de forma que el
ha permitido optimizar dichos productos para
los dispositivos anteriores. Además, su estructura
éxito de estos dispositivos se debe en gran medi-
importantes aplicaciones.
de células planares, que facilita una fabricación
El rendimiento del IGBT está directamente
da al continuo desarrollo de las estructuras de las
Con su nueva línea de productos IGBT de
reproducible y económica, hace que las pérdidas
células, en muchos casos utilizando tecnologías
1.200 V basada en la exclusiva tecnología de
en el nuevo IGBT de 1.200 V sean similares a las
que fueron desarrolladas para los circuitos micro-
perforación suave SPT (Soft Punch Through) [6],
de los IGBT con puerta ‘en trinchera', más com-
electrónicos destinados a mercados de dimensio-
ABB ha conseguido mejorar aún más el rendi-
plejos, que resultan óptimos en este aspecto. En
nes mucho mayores 6 . El control preciso del
miento de los IGBT 8 . Los transistores MOS
términos de capacidad de corte, el nuevo con-
proceso de fabricación 7 es vital para asegurar
situados en la superficie de las obleas, al igual
cepto es comparable a los IGBT denominados
la uniformidad y la reproducibilidad, garantizan-
que el espesor de las obleas de silicio, han sido
No Perforados (NPT), que han sido optimizados
do de esta forma un alto rendimiento y fiabilidad
optimizados con el fin de conseguir un alto ren-
en cuanto a pérdidas. Además, la tecnología SPT
de estos dispositivos.
dimiento cuando el IGBT está conduciendo
permite fabricar dispositivos que tienen un com-
corriente y obtener pérdidas muy bajas cuando
portamiento de interrupción extremadamente
importante avance en el desarrollo y producción
el dispositivo cambia a la posición de corte,
‘suave’, reduciendo los problemas de ruido eléc-
de los IGBT para bajas tensiones (600-1.200 V),
impidiendo el flujo de corriente.
trico en los convertidores. Poder fabricar obleas
Aunque la década de 1980 fue testigo de un
solo fue a comienzos de la década de 1990 cuan-
ABB Revista 3/2000
Debido a que las pérdidas en los semicon-
de silicio extremadamente finas es la clave para
41
Transmission and Distribution
10
5
vos. En ABB se ha investigado intensamente para
Losses during switching
Turn-off loss[ m W s ]
15
comprender a fondo estos efectos y diseñar dispositivos con una sensibilidad mínima a dichas
partículas.
Otro factor importante para el diseño de los
New SPT
technology
from ABB
State of
the art
products
dispositivos de alta tensión es la densidad de
potencia durante las operaciones de interrupción.
Para una tecnología dada, la corriente controlable
Losses during conduction
0
1.5
2.0
2.5
máxima es, en principio, inversamente proporcio3.0
3.5
Forward voltage drop [ V ]
nal a la tensión que el dispositivo debe soportar.
Por lo tanto, la corriente nominal para un chip de
tamaño dado disminuye rápidamente al aumentar
8 Comparación de las prestaciones de un IGBT de 1.200 V. Datos tomados para
la tensión. En condiciones de cortocircuito, la
600 V, 75 A y 125ºC.
densidad de potencia en el interior de los IGBT
fácilmente llega a ser de varios MW/cm2. Esto
provoca un calentamiento extremadamente
rápido del IGBT e puede, incluso, destruir el
dispositivo.
Por eso, ABB está realizando un gran esfuerzo de investigación para elevar el umbral de destrucción, tanto en lo que se refiere a la densidad
de potencia como a la absorción máxima de
energía en condiciones extremas de cortocircuito.
Las nuevas tecnologías IGBT de ABB alcanzan un
rendimiento significativamente mayor en ambos
campos. Mediante la aplicación de técnicas de
autoalineamiento al 100% se asegura que la definición geométrica de todos los elementos clave
9 Oblea de silicio producida utilizando la más avanzada tecnología de ABB para
la fabricación de IGBT. Esta oblea de 5 pulgadas tiene un espesor de 125 µm y
contiene más de 10 millones de transistores.
sea independiente de la calidad de alineamiento
de la fotolitografía. Esto da lugar a una uniformidad extremadamente alta que elimina los puntos
conseguir dichas prestaciones, ya que así se
de alta tensión la experiencia que ABB ha gana-
débiles que podrían limitar el rendimiento del
reduce al mínimo el material de silicio en la tra-
do durante muchos años con los tiristores de
dispositivo. Una capa especial de impurificación
yectoria de la corriente y por tanto las
muy alta tensión.
en las células mejora la conductividad de la tra-
pérdidas eléctricas en el dispositivo 9 .
Un factor importante que hay que tener en
yectoria de la corriente de ‘huecos’. El efecto
Las plataformas tecnológicas que soportan la
cuenta cuando se optimiza el rendimiento de los
resultante es un aumento considerable de la den-
familia de productos SPT están siendo utilizadas
dispositivos de alta tensión es el impacto produ-
sidad de corriente del dispositivo (mejor utiliza-
actualmente para mejorar el rendimiento de los
cido por los rayos cósmicos. Se trata de partículas
ción de la superficie) así como un límite de tem-
IGBT diseñados para tensiones más altas. Para
originadas en el espacio interestelar que pueden
peratura más alto (obtenido mediante la reten-
ello se está transfiriendo al diseño de los IGBT
dar lugar a un fallo espontáneo de los dispositi-
ción preventiva del tiristor parásito). Además,
42
ABB Revista 3/2000
debido a que la capa de puerta es optimizada
para una impedancia mínima, se reduce también
al mínimo el retardo de la propagación de la
señal de la puerta. Esto asegura que la interrupción en todo el IGBT sea uniforme, aumentando
el rendimiento de corte.
Otra de las ventajas de estas nuevas tecnolo-
Tabla 1:
Propiedades críticas de los materiales de silicio (Si) y carburo de
silicio (4H-SiC). Para facilitar la comparación se indican los datos del
diamante, el material semiconductor con más posibilidades intrínsecas para dispositivos de alta potencia.
Si
4H-SiC Diamante
Salto de banda
eV
1,1
gías de células es que en el interior del
Campo de ruptura
dispositivo se genera una distribución de plasma
Velocidad electrónica máxima
‘similar a un tiristor’. Como resultado de ello, las
Conductividad térmica W/cmK 1,5
MV/cm 0,3
3
5
2
3
10
10 cm/s
7
3
1,0
5
20
pérdidas de conducción en estado encendido no
serán ya tan críticas como un factor limitador de
la tensión máxima de funcionamiento de los
IGBT, por lo que pueden ser consideradas como
Tabla 2: Un futuro prometedor
una alternativa realista a los tiristores GTO e
IGCT en muchas aplicaciones. Actualmente se
Posibilidades técnicas de los dispositivos de potencia de SiC en
comparación con los límites del silicio
encuentran en fase de prueba diversos prototipos
■
Tensión en el dispositivo
5 a 10 veces superior
Hoy en día se están utilizando módulos de
■
Densidades de corriente
10 a 100 veces superiores
potencia IGBT de alta tensión en vehículos de
■
Pérdidas de conmutación
entre 1/10 y 1/100 de las actuales
tracción y en aplicaciones de transmisión de
■
Temperatura de funcionamiento hasta 500°C
de IGBT de 6.500 V.
energía eléctrica.
Más allá del silicio
Aunque el rendimiento de los semiconductores
tanto el coste como las pérdidas de energía.
mico (salto de banda) y la alta resistencia especí-
de potencia basados en el silicio seguirá mejoran-
Por otra parte, los convertidores con capacidad
fica del campo eléctrico de este material semi-
do, las limitaciones fundamentales inherentes a
para frecuencias de interrupción mucho más altas
conductor (Tabla 1), los dispositivos de SiC
este material están a la vista. La densidad de
serían una opción atractiva para los niveles altos
optimizados ofrecen potencialmente diez a veinte
potencia (robustez) y la estabilidad térmica (pér-
de potencia (>10 MW) en las aplicaciones típicas
años de rendimiento mejorado respecto de los
didas, refrigeración) máximas son importantes
de transmisión y distribución. Poder accionar el
dispositivos a base de silicona (Tabla 2).
parámetros que condicionan el rendimiento del
convertidor a altas frecuencias con bajas pérdidas
Además, el SiC puede funcionar a temperatu-
dispositivo pero que resultan limitados por las
de energía permitiría reducir al mínimo el tamaño
ras considerablemente más altas que el silicio, de
propiedades básicas de dicho material. Los dio-
y coste de los filtros y de los equipos de refrige-
modo que existe la posibilidad de integrar el
dos de silicio de alta potencia se están acercando
ración.
semiconductor de potencia directamente en los
ya a dichos límites y la misma tendencia puede
Dichas aplicaciones requieren soluciones que
equipos eléctricos, tales como generadores y
motores.
observarse en los interruptores que utilizan semi-
van más allá de la modificación estructural de los
conductores. En su mayoría, los distintos tipos de
dispositivos o de los nuevos accionadores de
Actualmente se están comercializando los
convertidores necesitan circuitos adicionales o
puertas. Una alternativa muy prometedora es
diodos Schottky para aplicaciones de baja tensión
son ralentizados durante la interrupción [2] con el
construir dispositivos basados en el carburo de
(600 V), previstos inicialmente para ser utilizados
fin de proteger el dispositivo, lo cual aumenta
silicio (SiC). Dada la alta energía del enlace ató-
en equipos de alimentación de energía eléctrica y
ABB Revista 3/2000
43
Transmission and Distribution
10 ABB ha desarrollado un proceso para fabricar capas epitaxiales de SiC
de alto rendimiento y 30-60 µm de espesor que utiliza un reactor de deposición de
vapor químico de pared caliente. Este proceso exclusivo permite producir
funcionan significativamente mejor que los dispo-
dispositivos de potencia de SiC para el intervalo de 5-15 kV.
sitivos de silicio de características similares [7]. En
este tipo de diodo se eliminan prácticamente la
pérdidas por interrupción 11 . Como primer
paso, los IGBT de silicio pueden ser combinados
con los diodos de potencia de SiC con el fin de
formar módulos híbridos. Utilizando técnicas de
fabricación en prensa, ya conocidas de los dispositivos de silicio, este dispositivo híbrido en configuraciones típicas de convertidores con dispositivos mecánicos de interrupción ha permitido
reducir las pérdidas de energía en aproximadamente el 40-60%. Los módulos de potencia 'solo
SiC', y entre ellos los dispositivos de conmutación
en circuitos de corrección del factor de potencia.
vos de interrupción están siendo procesados en
de carburo de silicio, tienen el potencial para
Hace unos cinco años, ABB tomó el compromiso
una nueva planta piloto, utilizando tecnologías
reducir las pérdidas totales en el convertidor
de desarrollar dispositivos de potencia de carbu-
de fabricación desarrolladas de forma específica
hasta el 10-20% del valor normal obtenido con la
ro de silicio. Entre otras cosas ha desarrollado un
para tratar los materiales, químicamente resisten-
tecnología actual.
proceso, ya patentado, para la fabricación de
tes, para los semiconductores.
material de carburo de silicio de alta calidad con
Esta mejora del rendimiento de los semicon-
Se ha demostrado recientemente que los dio-
ductores está estrechamente relacionada con las
las propiedades necesarias para los dispositivos
dos de potencia de carburo de silicio para 2,5 a
tendencias en el campo de las aplicaciones.
de alta tensión 10 . Los diodos y los dispositi-
4,5 kV y una corriente de interrupción de 400 A
Tradicionalmente, los motores de velocidad varia-
11 ABB es pionera en la investigación y desarrollo de SiC para dispositivos de alta tensión con pérdidas extremadamente
Current[ A]
interrupción que produciría un dispositivo equivalente de silicio.
Naranja
Diodo de silicio, corriente
Azul oscuro
Diodo de silicio, tensión
Rojo
Diodo de silicio, corriente
Azul claro
Diodo de silicio, tensión
400
1200
300
1000
200
800
100
600
0
400
-100
200
-200
0
0
2e-06
4e-06
6e-06
Voltage[ V]
bajas. Este módulo, de 2.500 V y 400 A, genera solo el 4% de las pérdidas de
8e-06
Time[ s ]
44
ABB Revista 3/2000
ble y los sistemas de corriente continua de alta
12 Desarrollo histórico de la capacidad de los semi-
tensión han impulsado el desarrollo de los semi-
conductores de potencia.
conductores de alta potencia. En el caso de la
interrupción de alta potencia, los sistemas con
108
dispositivos clásicos de silicio con frecuencias
típicas de 50-500 Hz están siendo sustituidos por
los convertidores IGBT, que utilizan una frecuencia de 1-5 kHz. Los nuevos materiales actuarán
107
mente cambiará el modo de seleccionar los semiconductores de potencia para controlar el flujo
de energía eléctrica.
Integración de sistemas
En las instalaciones de transmisión y distribución
basadas en la electrónica de potencia es esencial
poder optimizar los diferentes aspectos del rendi-
Power-handling capability[ VA ]
en favor de esta tendencia 12 y fundamental-
Thyristor
GTO/IGCT
IGBT
SIC
diodes
106
Thyristor
105
P s =V DRM x I TAVM
GTO/IGCT
P s =V DRM x I TGQM
IGBT
miento de los semiconductores de potencia con
P s =V CES x I Cmax
SiC diodes
el fin de cumplir las especificaciones de la totali-
P s =V RM x I AM
104
dad del sistema. El nuevo sistema HVDC Light de
1960
1970
1980
1990
2000
2010
ABB [8, 9] presenta el concepto de convertidores
de fuente de tensión para aplicaciones de trans-
13 El control PWM de los módulos IGBT conectados en serie permite construir instalaciones de transmisión de corriente
continua muy compactas.
Po we r
supply
+/- Ud
Gate
unit
F i be ro pt i c
links
U sw
U ac
Ma i n
c o n t ro l l e r
IGBT
valve
c o n t ro l
unit
Po we r
s u ppl y
Gate
unit
F i be ro pt i c
links
Vo l t a g e
d i v i de r
Vo l t a g e
d i v i de r
Po we r
s u ppl y
Gate
unit
Vo l t a g e
d i v i de r
F i be ro pt i c
links
ABB Revista 3/2000
45
Transmission and Distribution
14 Los ‘apilamientos’ de IGBT conectados
en serie, montados en fábrica y probados
previamente, aseguran una alta calidad y
reducen al mínimo el tiempo de puesta a
punto in situ.
Los IGBT conectados en serie también deben
misión 13 . El resultado es un nuevo concepto
aislamiento de un cable de corriente continua,
para los sistemas de transmisión de corriente
los diodos en antiparalelo integrados en los
cumplir ciertos requisitos mecánicos y térmicos.
continua que combina una alta funcionalidad –e
módulos IGBT deben poder soportar altas
Por ejemplo, deben estar aislados del potencial
incluso mejora el sistema de corriente alterna
sobreintensidades para permitir la parada de las
de tierra, lo que no es fácil cuando se trata de
existente– con un diseño muy compacto.
instalaciones sin que sufran daño alguno.
convertidores que operan a las tensiones del
Los módulos IGBT para el sistema HVDC
Otra característica especial de los módulos
enlace de corriente continua, que pueden supe-
Light fueron desarrollados como partes integran-
IGBT desarrollados para el sistema HVDC Light
rar los 100 kV. En el sistema HVDC Light, los
tes del sistema, tanto en lo que se refiere a las
es que han sido diseñados para una fácil cone-
chips IGBT y los diodos en antiparalelo están
prestaciones eléctricas (capacidad de corriente y
xión en serie.
montados conjuntamente en un alojamiento
Todos los IGBT conectados en serie a una
prensado, análogamente a lo que se hace con los
térmicas. Una característica tecnológica clave es
válvula deben ser desconmutados simultánea-
tiristores de alta potencia tradicionales. Los IGBT
el control preciso de cada uno de los elementos
mente 13 . Los enlaces de fibra óptica transmi-
se encuentran apilados entre refrigeradores con
semiconductores de potencia, especialmente en
ten dichas señales de control a cada uno de los
una unidad de puerta y un divisor de tensión
condiciones transitorias. Esto es importante ya
IGBT. Para asegurar que todos los dispositivos de
para cada uno, formando un conjunto IGBT.
que el convertidor conmuta y desconmuta la alta
potencia comparten uniformemente la tensión
Cada unidad de puerta es accionada por una uni-
tensión para crear las ondas de corriente alterna
durante la interrupción y bloqueo, los parámetros
dad de alimentación que toma la energía de los
deseadas.
de los IGBT que determinan la velocidad de inte-
terminales de tensión del IGBT. Se fija conjunta-
Los IGBT están diseñados para limitar las
rrupción y la impedancia de bloqueo son contro-
mente a presión un gran número de dichos con-
sobreintensidades y tensiones transitorias excesi-
lados cuidadosamente durante la fabricación de
juntos con el fin de formar ‘apilamientos' de
vas que pueden producirse debido a fallos en el
los dispositivos. Elementos adicionales, tales
IGBT que se utilizan para construir el converti-
sistema de corriente alterna, asegurando por lo
como los circuitos externos divisores de tensión y
dor. Sometiendo a prueba dichos 'apilamientos'
tanto que el sistema funcione de forma segura en
una unidad de puerta diseñada para este fin,
antes de transportarlos en la caja del convertidor
tales circunstancias. En el caso de ciertas condi-
garantizan el preciso control de la tensión a tra-
hasta el lugar de instalación, la puesta a punto
ciones extremas, como por ejemplo la rotura del
vés de cada uno de los IGBT.
puede realizarse mucho más rápidamente 14 .
tensión) como a sus propiedades mecánicas y
46
ABB Revista 3/2000
Hacia una alta fiabilidad
haciendo que el sistema sea aún más
electrónica de potencia es esencial para conectar
Aunque se toman numerosas medidas para ase-
económico.
las pequeñas unidades distribuidas de generación
y las fuentes de energías renovables a los consu-
gurar la protección de la totalidad del sistema y
del dispositivo, siempre existirá un pequeño ries-
Un campo de aplicaciones
midores individuales y a la red de la compañía
go de que el dispositivo falle en sistemas com-
cada vez mayor
eléctrica. Ahora es posible la explotación rentable
plejos, que tienen un gran número de compo-
En lo que se refiere a las aplicaciones de trans-
de las turbinas de menos de 100 kW gracias a la
nentes individuales. Los sistemas que, como el
misión y distribución, cada vez más se prefiere
disponibilidad de convertidores electrónicos eco-
HVDC Light, operan con altas tensiones de línea,
utilizar soluciones basadas en la electrónica de
nómicos que pueden transformar la energía eléc-
normalmente incluyen muchos dispositivos
potencia en lugar de las instalaciones electro-
trica generada por los alternadores de alta veloci-
conectados en serie. Una gran subestación HVDC
magnéticas tradicionales. Por regla general, estas
dad a corriente alterna a 50/60 Hz. Las pilas
Light de, por ejemplo, 200-300 MW, tiene en total
soluciones avanzadas mejoran la eficiencia y la
energéticas, los generadores eólicos y los paneles
más de 1.000 conjuntos IGBT. Añadiendo dispo-
funcionalidad de la infraestructura eléctrica
solares generan corriente continua de baja ten-
sitivos adicionales a la pila de dispositivos conec-
existente; un ejemplo de ello es la utilización de
sión, siendo necesario utilizar soluciones de elec-
tados en serie se aumenta la redundancia del sis-
enlaces de corriente continua en configuraciones
trónica de potencia con gran funcionalidad y
tema, permitiendo el funcionamiento del enlace
back-to-back para permitir la interconectividad
economía para convertirla a tensiones y frecuen-
de transmisión incluso cuando fallan algunos dis-
entre redes separadas y mejorar la estabilidad
cias utilizables. Debido a que los recursos de
positivos de potencia, mientras que se asegura
de la red eléctrica.
energías renovables se encuentran normalmente
una alta disponibilidad del sistema y se limita la
necesidad de mantenimiento periódico.
Una condición previa para una redundancia
Otro campo de aplicación en que se está
a una considerable distancia de las grandes ciu-
extendiendo el uso de la electrónica de potencia
dades, las nuevas tecnologías basadas en la elec-
es la tecnología de microrredes, en la cual la
trónica de potencia, tales como el sistema HVDC
de este tipo es que los dispositivos puedan fallar
de forma controlada, creando un cortocircuito
con una resistencia lo suficientemente baja para
15 Requisitos de las subestaciones para las instalaciones de corriente continua
que pueda conducir la totalidad de la corriente
de alta tensión.
del sistema. Como resultado de un exhaustivo
100000
programa de investigación y ensayos, ABB ha
desarrollado una nueva familia de módulos de
HVDC Cla
ssic, 300
alta potencia, conformados en prensa, que res-
- 3000 M
W
ponden a dichos criterios. Han sido diseñados
para tensiones dentro del intervalo de 2.500 a
10000
4.500 V y corrientes de fase de 500 A a 1.500 A,
1000
0-
,1
30
0M
W
que la resistencia del contacto eléctrico sea míni-
ht
cada chip se le aplica la fuerza suficiente para
Lig
dispositivo de presión patentado asegura que a
DC
sión. En el concepto exclusivo desarrollado, un
HV
ción de instalaciones de alta potencia y alta ten-
Station area[m 2 ]
siendo ideales como módulos para la construc-
ma. Además de aumentar la fiabilidad permite
aplicar mayores tolerancias a la estructura mecánica utilizada para construir las pilas de IGBT,
ABB Revista 3/2000
100
1960s
1970s
1980s
1990s
2000+
47
Transmission and Distribution
Light, permitirán captar la energía y entregarla a
eléctrica un gran número de unidades distribui-
Los alentadores resultados en el frente de la
la red de forma inocua para el medio ambiente,
das de generación, situadas en lugares sensibles.
investigación y desarrollo –los IGBT de Alta
Tensión basados en el silicio y los rectificadores
para su transmisión a los usuarios finales. La
nueva familia de semiconductores de potencia,
El camino hacia el futuro
de carburo de silicio son dos ejemplos– indican
con una funcionalidad análoga a la de los
Los modernos semiconductores de potencia han
que este es el camino a seguir en el futuro.
circuitos integrados fabricados en serie y fabrica-
creado durante los últimos 40 años una serie de
dos con tecnologías similares, está creando
posibilidades y soluciones definidas para el con-
nuevas vías que se beneficiarán de las economías
trol avanzado del flujo de energía eléctrica en
de escala, tan bien conocidas por la industria
numerosos sistemas eléctricos. Los nuevos dispo-
de semiconductores.
sitivos y desarrollos tecnológicos han dado lugar
Otra de las ventajas de las tecnologías basa-
a innovaciones que tienden a convertir a la elec-
das en la electrónica de potencia es que permiten
trónica de potencia en la mejor opción tecnológi-
reducir de forma considerable el tamaño de las
ca para un número cada vez mayor de aplicacio-
infraestructuras eléctricas, reduciendo al mínimo
nes industriales, de tracción y de transmisión de
el impacto medioambiental, especialmente el
energía eléctrica. Los avances más recientes, que
visual, y liberando espacio y recursos muy valio-
permiten la conmutación de alta frecuencia para
sos para otros usos. El desarrollo de las diferen-
una conversión económica de la energía eléctrica
tes tecnologías para las instalaciones de corriente
dentro del intervalo de 100 a 200 MW, apuntan a
continua de Alta Tensión 15 subraya esta ten-
una utilización más amplia de la electrónica de
dencia. La compacidad de las instalaciones será
potencia en el sector de la transmisión y distribu-
importante para un campo de aplicaciones cada
ción. Este cambio de paradigma hace que se
vez mayor, por ejemplo para las instalaciones
mantenga la tradición de ABB –hacer realidad las
marinas, para el suministro de energía eléctrica a
soluciones innovadoras– ampliando los límites
las grandes ciudades y para conectar a la red
tecnológicos de los semiconductores de potencia.
Autores
Christer Ovrén
Heinz Lendenmann
ABB Corporate Research
SE-721 78 Västerås, Suecia
christer.ovren@se.abb.com
heinz.lendenmann@se.abb.com
Telefax: +46 21 34 51 08
Stefan Linder
ABB Semiconductors
CH-5600 Lenzburg, Suiza
stefan.a.linder@ch.abb.com
Telefax: +41 62 888 63 09
Bo Bijlenga
ABB Power Systems AB
SE-721 64 Västerås, Suecia
bo.bijlenga@se.abb.com
Telefax: +46 21 32 48 59
Bibliografía
[1] H. Gruening, B. Odegard, J. Rees, A. Weber, E. Caroll, S. Eicher: High-powered hard driven GTO module for 4.5 kV, 3 kA snubberless operation.
PCIM ’96 Europe, 169–183.
[2] E. Carrol: Componentes electrónicos para aplicaciones de muy alta potencia. Revista ABB 2/99, 4-11.
[3] E. Baerlocher, R. Boeck, J. Werninger: Acoplamiento de frecuencias completamente estático de 10 MW en Bremen. Revista ABB 9-10/96, 4-17.
[4] B.J. Baliga, M.S. Adler, R. Love, P.V. Gray, N. Zommer: The insulated transistor: A new three terminal MOS controlled bipolar power device. IEEE
Transactions on electron devices, vol. ED-31, 821–828 (1984).
[5] F. Bauer, T. Stockmeier, Fichtner, H. Dettmer: Static and dynamic Characteristic of High Voltage (3.5 kV) IGBT and MCT devices. ISPSD, 22–27
(1992).
[6] S. Dewar, S. Linder, C. von Arx, A. Mukhitinov, G. Debled: Soft Punch Through (SPT) – Setting New Standards in 1200 V IGBT. Proceedings of
PCIM 2000 Conference, Nuremberg (June 6–8, 2000).
[7] H. Lendenmann, F. Dahlquist, N. Johansson, J.P. Bergman, H. Bleichner, C. Ovrén: Performance and reliability of high power SiC diodes. Ultra
low loss power device conference, Nara, in print, Japan, 2000.
[8] G. Asplund, K. Eriksson, K. Svensson: Transporte CCAT Light basado en convertidores con circuito intermedio de tensión. Revista ABB 1/98, 4-9.
[9] U. Axelsson, A. Holm, K. Liljegren, K. Eriksson, L. Weimers: Gotland HVDC Light Transmission – Word First Commercial Small Scale DC
Transmission. Presented at the CIRED conference in Nice, France, May 1999.
48
ABB Revista 3/2000