ELECTRÓNICA DE POTENCIA / CIRCUITOS, DISPOSITIVOS Y APLICACIONES

Contenido
Prefacio
Acerca del autor

Capítulo 1
Introducción
1
1.1 Aplicaciones de la electrónica de potencia
1
1.1.1 Historia de la electrónica de potencia
2
1.2 Dispositivos semiconductores de potencia
5
1.2.1 Diodos de potencia
5
1.2.2 Tiristores
6
1.2.3 Transistores de potencia
9
1.3 Características de control de los dispositivos de potencia
10
1.4 Características y especificaciones de los interruptores
16
1.4.1 Características ideales
16
1.4.2 Características de los dispositivos prácticos
17
1.4.3 Especificaciones de interruptor
18
1.4.4 Opciones de dispositivo
19
1.5 Tipos de circuitos electrónicos de potencia
20
1.6 Diseño de equipo de electrónica de potencia
23
1.7 Determinación del valor cuadrático medio de las formas de onda
24
1.8 Efectos periféricos
24
1.9 Módulos de potencia
26
1.10 Módulos inteligentes
26
1.11 Revistas y conferencias sobre electrónica de potencia
Resumen
29
Referencias
29
Preguntas de repaso
30

Capítulo 2
Diodos semiconductores de potencia y circuitos
31
2.1 Introducción
31
2.2 Fundamentos de semiconductores
31
2.3 Características del diodo
33
viii Contenido
2.4 Características de recuperación inversa 35
2.5 Tipos de diodos de potencia 38
2.5.1 Diodos de propósito general 38
2.5.2 Diodos de recuperación rápida 38
2.5.3 Diodos Schottky 39
2.6 Diodos de carburo de silicio 39
2.7 Modelo SPICE de díodo 40
2.8 Diodos conectados en serie 42
2.9 Diodos conectados en paralelo 45
2.10 Diodos con cargas RC y RL 46
2.11 Diodos con cargas LC y RL 49
2.12 Diodos de corrida libre 56
2.13 Recuperación de la energía aprisionada con un diodo 58
Resumen 62
Referencias 63
Preguntas de repaso 63
Problemas 64

Capítulo 3 Rectificadores con diodos 68
3.1 Introducción 68
3.2 Rectificadores monofásicos de media onda 68
3.3 Parámetros de rendimiento 69
3.4 Rectificadores monofásicos de onda completa 77
3.5 Rectificador monofásico de onda completa con carga RL 82
3.6 Rectificadores polifásicos en estrella 87
3.7 Rectificadores trifásicos en puente 92
3.8 Rectificador trifásico en puente con carga RL 95
3.9 Comparaciones de rectificadores con diodos 101
3.10 Diseño de circuitos rectificadores 101
3.11 Voltaje de salida con filtro LC 112
3.12 Efectos de las inductancias de la fuente y de la carga 116
Resumen 119
Referencias 119
Preguntas de repaso 119
Problemas 120

Capítulo 4 Transistores de potencia 122
4.1 Introducción 122
4.2 Transistores bipolares de unión 123
4.2.1 Características en estado permanente 124
4.2.2 Características de conmutación 128
4.2.3 Límites de conmutación 135
4.3 MOSFET de potencia 137
4.3.1 Características en estado permanente 141
4.3.2 Características de conmutación 142
4.4 COOLMOS
144
4.5 SIT
145
4.6 IGBT
147
4.7 Operación en serie y en paralelo
150
4.8 Limitaciones por di/dt y por dv/dt
151
4.9 Modelos SPICE
155
4.9.1 Modelo SPICE del BJT
155
4.9.2 Modelo SPICE de MOSFET
155
4.9.3 Modelo SPICE del IGBT
158
4.10 Comparación de transistores
160
Resumen
160
Referencias
162
Preguntas de repaso
163
Problemas
164

Capítulo 5
Convertidores CD-CD
166
5.1 Introducción
166
5.2 Principio de operación de bajada
166
5.2.1 Generación del ciclo de trabajo
170
5.3 Convertidor de bajada con carga RL
171
5.4 Principio de la operación de subida
176
5.5 Convertidor de subida con una carga resistiva
179
5.6 Parámetros de funcionamiento
181
5.7 Clasificación de los convertidores
182
5.8 Reguladores de modo de conmutación
186
5.8.1 Reguladores reductores
186
5.8.2 Reguladores elevadores
190
5.8.3 Reguladores reductores y elevadores
194
5.8.4 Reguladores de Cúk
198
5.8.5 Limitaciones de la conversión en una etapa
204
5.9 Comparación de los reguladores
205
5.10 Convertidor elevador con varias salidas
206
5.11 Convertidor elevador alimentado por rectificador de diodo
208
5.12 Diseño del circuito interruptor periódico
211
5.13 Análisis de estado-espacio de los reguladores
217
Resumen
221
Referencias
221
Preguntas de repaso
223
Problemas
224

Capítulo 6
Inversores modulados por ancho de pulso
226
6.1 Introducción
226
6.2 Principio de operación
227
6.3 Parámetros de rendimiento
230
6.4 Puentes inversores monofásicos
232
Contenido xi
7.6.13 SITH 328
7.6.14 Comparaciones de tiristores 330
7.7 Operación de tiristores en serie 330
7.8 Operación de tiristores en paralelo 337
7.9 Protección contra di/dr 338
7.10 Protección contra dv/dt 339
7.11 Modelos SPICE para tiristores 341
7.11.1 Modelo SPICE del tiristor 341
7.11.2 Modelo SPICE del GTO 343
7.11.3 Modelo SPICE del MCT 345
7.11.4 Modelo SPICE del SITH 345
Resumen 346
Referencias 347
Preguntas de repaso 350
Problemas 350

Capítulo 8
Inversores de pulso resonante 352
8.1 Introducción 352
8.2 Inversores resonantes serie 353
8.2.1 Inversores resonantes serie con interruptores unidireccionales 353
8.2.2 Inversores resonantes serie con interruptores bidireccionales 361
8.3 Respuestas en frecuencia de inversores resonantes serie 368
8.3.1 Respuesta en frecuencia para cargas en serie 368
8.3.2 Respuesta en frecuencia para cargas en paralelo 370
8.3.3 Respuesta en frecuencia para cargas en serie-paralelo 372
8.4 Inversores resonantes paralelo 374
8.5 Control de voltaje en inversores resonantes 377
8.6 Inversor resonante clase E 380
8.7 Rectificador resonante clase E 383
8.8 Convertidores resonantes por conmutación a corriente cero 388
8.8.1 Convertidor resonante ZCS tipo L 389
8.8.2 Convertidor resonante ZCS tipo M 391
8.9 Convertidores resonantes por conmutación a voltaje cero 393
8.10 Comparación entre convertidores resonantes ZCS y ZVS 396
8.11 Convertidores resonantes ZVS de dos cuadrantes 396
8.12 Inversores resonantes de enlace de CD 399
Resumen 402
Referencias 403
Preguntas de repaso 403
Problemas 404

Capítulo 9 Inversor multinivel 406
9.1 Introducción 406
9.2 El concepto de multinivel 407
9.3 Tipos de inversores multinivel 408
9.4 Inversor multinivel con diodo fijador 409
9.4.1 Principio de operación 410
9.4.2 Propiedades del inversor con diodo fijador 411
9.4.3 Inversor con diodo fijador mejorado 412
9.5 Inversor multinivel con capacitores volantes 414
9.5.1 Principios de operación 415
9.5.2 Características del inversor con capacitores volantes 417
9.6 Inversor multinivel en cascada 417
9.6.1 Principio de operación 418
9.6.2 Propiedades del inversor en cascada 419
9.7 Aplicaciones 421
9.7.1 Compensación de la potencia reactiva 422
9.7.2 Interconexión espalda con espalda 423
9.7.3 Excitadores de velocidad ajustable 424
9.8 Corrientes de conmutación del dispositivo 424
9.9 Balanceo de voltaje del capacitor de enlace de CD 425
9.10 Características de inversores multinivel 427
9.11 Comparación de convertidores multinivel 428
Resumen 428
Referencias 429
Preguntas de repaso 430
Problemas 430

Capítulo 10 Rectificadores controlados 431
10.1 Introducción 431
10.2 Principio de operación del convertidor controlado por fase 432
10.3 Convertidores monofásicos completos 434
10.3.1 Convertidor monofásico completo con carga RL 438
10.4 Convertidores monofásicos duales 440
10.5 Principio de operación de los convertidores trifásicos de media onda 443
10.6 Convertidores trifásicos completos 447
10.6.1 Convertidor trifásico completo con carga RL 451
10.7 Convertidores trifásicos duales 453
10.8 Mejoras al factor de potencia 456
10.8.1 Control por ángulo de extinción 456
10.8.2 Control por ángulo simétrico 457
10.8.3 Control por PWM 461
10.8.4 PWM Sinusoidal Monofásica 463
10.8.5 Rectificador trifásico PWM 465
10.9 Semiconvertidores monofásicos 467
10.9.1 Semiconvertidor monofásico con carga RL 472
10.10 Semiconvertidores trifásicos 474
10.10.1 Semiconvertidores trifásicos con carga RL 479
10.11 Convertidores monofásicos en serie 480
10.12 Convertidores de doce pulsos 485
10.13 Diseño de ci
10.14 Efecto de la

Resumen
Referencia
Preguntas
Problemas

Capítulo 11 Cont
11.1 Introduce
11.2 Principio
11.3 Principic
11.4 Control
11.5 Control
11.6 Control
11.7 Control
11.8 Cambi
11.9 Cicloco
11.9.1
11.9.2
11.9.3
11.10 Contr
11.11 Conv
11.12 Dise
11.13 Efect
Rest
Refe
Pres
Pro

Capítulo 12
12.1 Int
12.2 Int
12.3 In
12.4 In
12.5 In
12.6 In
12.7 R
12.8 F
12.9
10.13 Diseño de circuitos convertidores 487
10.14 Efecto de las inductancias de carga y de alimentación 492
Resumen 494
Referencias 495
Preguntas de repaso 496
Problemas 497

Capítulo 11 Controladores de voltaje de ca 500
11.1 Introducción 500
11.2 Principio del control de encendido apagado 501
11.3 Principio de control por ángulo de fase 503
11.4 Controladores monofásicos bidireccionales con cargas resistivas 506
11.5 Controladores monofásicos con cargas inductivas 509
11.6 Controladores trifásicos de onda completa 514
11.7 Controladores trifásicos bidireccionales conectados en delta 518
11.8 Cambiadores de conexión en un transformador monofásico 522
11.9 Cicloconvertidores 526
11.9.1 Cicloconvertidores monofásicos 527
11.9.2 Cicloconvertidores trifásicos 530
11.9.3 Reducción de las armónicas en la salida 530
11.10 Controladores de voltaje de ca con control por PWM 534
11.11 Convertidor matricial 536
11.12 Diseño de circuitos convertidores de voltaje de CA 537
11.13 Efectos de las inductancias de alimentación y de carga 545
Resumen 546
Referencias 547
Preguntas de repaso 547
Problemas 548

Capítulo 12 Interruptores estáticos 551
12.1 Introducción 551
12.2 Interruptores de ca monofásicos 551
12.3 Interruptores de ca trifásicos 554
12.4 Interruptores trifásicos reversibles 554
12.5 Interruptores de ca para transferencia de canal 556
12.6 Interruptores de CD 557
12.7 Relevadores de estado sólido 561
12.8 Relevadores microelectrónicos 563
12.8.1 Relevador fotovoltaico 563
12.8.2 Aisladores fotovoltaicos 565
12.9 Diseño de interruptores estáticos 566
Resumen 567
Referencias 567
Preguntas de repaso 568
Problemas 568
CART
Capítulo 13 Sistemas flexibles de transmisión de ca
570
13.1 Introducción 571
13.2 Principio de la transmisión de potencia 573
13.3 Principio de la compensación por derivación
13.4 Compensadores en derivación

13.4.1 Reactor controlado por tiristor 575
13.4.2 Capacitor conmutado por tiristor 577
13.4.3 Compensador de VAR estático 580
13.4.4 Compensador avanzado de VAR estático 581
13.5 Principio de la compensación serie 582
13.6 Compensadores serie
13.6.1 Capacitor serie conmutado por tiristor 585
13.6.2 Capacitor serie controlado por tiristor 586
13.6.3 Capacitor serie controlado por conmutación forzada 587
13.6.4 Compensador serie de VAR estático 589
13.6.5 SSVC avanzado 589
13.7 Principio de la compensación por ángulo de fase 592
13.8 Compensador por ángulo de fase 594
13.9 Controlador unificado de flujo de potencia 596
13.10 Comparaciones de los compensadores 597
Resumen 598
Referencias 598
Preguntas de repaso 599
Problemas 599
Capítulo 14 Fuentes de alimentación
601
14.1 Introducción 601
14.2 Fuentes de alimentación de CD

14.2.1 Fuentes de alimentación de cd en modo conmutado 602
14.2.2 Convertidor flyback 602
14.2.3 Convertidor directo 606
14.2.4 Convertidor push-pull 611
14.2.5 Convertidor en medio puente 613
14.2.6 Convertidor en puente completo 616
14.2.7 Fuentes de alimentación de cd resonantes 619
14.2.8 Fuentes de alimentación bidireccionales 619
14.3 Fuentes de alimentación de CA
14.3.1 Fuentes de alimentación de ca en modo conmutado 623
14.3.2 Fuentes de alimentación de ca resonantes 623
14.3.3 Fuentes de alimentación de ca bidireccionales 624
14.4 Conversiones multietaPA 625
14.5 Circuitos de control 626
14.6 Consideraciones de diseño magnético
14.6.1 Diseño del transformador 630
14.6.2 Inductor de CD 634
14.6.3 Saturación magnética 635
Resumen 636
Referencias 636
Preguntas de repaso 637
Problemas 637

Capítulo 15
Propulsores de CD 640
15.1 Introducción 640
15.2 Características básicas de los motores de CD 641
15.3 Modos de operación 645
15.4 Propulsores monofásicos 648
15.4.1 Propulsores monofásicos por convertidor de media onda 649
15.4.2 Propulsores monofásicos por semiconvertidor 650
15.4.3 Propulsores monofásicos por convertidor completo 651
15.4.4 Propulsores monofásicos por convertidor dual 652
15.5 Propulsores trifásicos 656
15.5.1 Propulsores trifásicos por convertidor de media onda 657
15.5.2 Propulsores trifásicos por semiconvertidor 657
15.5.3 Propulsores trifásicos por semiconvertidor completo 657
15.5.4 Propulsores trifásicos por convertidor dual 658
15.6 Propulsores por convertidor CD-CD 662
15.6.1 Principio del control por potencia 662
15.6.2 Principio del control por freno regenerativo 664
15.6.3 Principio del convertidor por freno reostático 667
15.6.4 Principio del control combinado por freno regenerativo y reostático 668
15.6.5 Propulsores por convertidor CD-CD de dos y cuatro cuadrantes 669
15.6.6 Convertidores CD-CD polifásicos 673
15.7 Control en lazo cerrado de los propulsores de CD 670
15.7.1 Función de transferencia en lazo abierto 673
15.7.2 Función de transferencia en lazo cerrado 678
15.7.3 Control por lazo de seguimiento de fase 684
15.7.4 Control de propulsores de CD por microcomputadora 685
Resumen 687
Referencias 687
Preguntas de repaso 688
Problemas 688

Capítulo 16
Propulsores de CA 692
16.1 Introducción 692
16.2 Propulsores para motores de inducción
16.2.1 Características de rendimiento 693
16.2.2 Control por voltaje del estator 694
16.2.3 Control por voltaje del rotor 701
703
Capítulo 16: Control de motores eléctricos

Control por frecuencia, voltaje, corriente y combinaciones
Control en lazo cerrado de motores de inducción
Controles vectoriales (principios, transformaciones, control indirecto y directo)
Propulsores con motores síncronos (tipos de motores y control en lazo cerrado)
Control de motores a pasos (reluctancia variable y de imán permanente)
Resumen, referencias, preguntas y problemas
Capítulo 17: Circuitos excitadores de compuerta

Introducción, excitadores para MOSFET y BJT
Aislamiento y excitadores de base, transformadores de pulsos, optoacopladores
Circuitos de disparo para tiristores y transistores monounión
Circuitos para convertidores con tiristores
CI excitadores de compuerta para convertidores y motores
Resumen, referencias, preguntas y problemas
Capítulo 18: Solo aparece parcialmente el inicio del índice, no se alcanza a leer completo.

Secciones de Apéndice, Bibliografía, Respuestas e Índice, aunque el texto está cortado y no se distingue claramente.
Capítulo 18 Protección de dispositivos y circuitos
791
18.1 Introducción
791
18.2 Enfriamiento y disipadores de calor
791

Contenido xvii

18.3 Modelado térmico de los dispositivos conmutadores de potencia
797
18.3.1 Equivalente eléctrico del modelo térmico
798
18.3.2 Circuito equivalente térmico matemático
800
18.3.3 Acoplamiento de componentes eléctricos y térmicos
801
18.4 Circuitos amortiguadores
803
18.5 Transitorios de recuperación inversa
804
18.6 Estados transitorios en los lados de alimentación y de carga
810
18.7 Protección contra voltaje con diodos de selenio y varistores de metal óxido
813
18.8 Protecciones contra sobrecorriente
815
18.8.1 Acción fusible
815
18.8.2 Corriente de falla con fuente de CA
822
18.8.3 Corriente de falla con fuente de CD
824
18.9 Interferencia electromagnética
827
18.9.1 Fuentes de EMI
828
18.9.2 Minimización de la generación de EMI
828
18.9.3 Blindaje contra EMI
829
18.9.4 Normas para EMI
829
Resumen
830
Referencias
831
Preguntas de repaso
831
Problemas
832

Apéndice A
Circuitos trifásicos
835

Apéndice B
Circuitos magnéticos
839

Apéndice C
Funciones de conmutación de los convertidores
847

Apéndice D
Análisis de estados transitorios en CD
853

Apéndice E
Análisis de Fourier
857

Bibliografía
860

Respuestas a los problemas seleccionados
863

Índice
873

Los fundamentos de la electrónica de potencia están bien estable-
cidos, y no cambian con rapidez. Sin embargo, las características
de los dispositivos mejoran de manera continua y se van agregando
nuevos diseños.

En concordancia con lo anterior, esta tercera edición va dirigida a
un curso de electrónica de potencia y de convertidores estáticos
para estudiantes de licenciatura, tanto principiantes como avan-
zados. También se puede usar como texto para graduados y
como libro de referencia para ingenieros en el campo del
diseño electrónico.

En los apéndices de la obra se incluyen temas como circuitos trifásicos, circuitos magnéticos, funciones de conmutación de convertidores, análisis de transitorios en cd y análisis de Fourier. Además
de que ha sido revisada completamente, la presente obra ahora
incluye tres nuevos capítulos: Inversores multinivel, Sistemas flexibles de transmisión de ca y Circuitos excitadores de compuerta.
Asimismo, integra herramientas de software estándar de la industria, como SPICE y MathCad.

Ingeniería Electrónica