portada y contenido

7/28/2019 Portada y Contenido

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~ELECTRONICADEPOTENCIAc;


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,/ELECTRONICADEPOTENCIAConvertidores, aplicaciones y diseoTERCERA EDICIN

NEDMOHANDepartment of Electrical EngineeringUniversity oi Minnesota

TORE M. UNDELANDDepartment of Electrical Power EngineeringNorwegian University oi Science and Technology

WILLIAM P. ROBBINSDepartment oi Electrical EngineeringUniversity of Minnesota

Revisin tcnicaLuis Mauro Ortega GonzlezDepartamento en Ingeniera Electrnica

Instituto Tecnolgico y de Estudios Superiores de MonterreyCampus Estado de Mxico

MXICO AUCKLAND BOGOT BUENOS AIRES CARACAS GUATEMALA LISBOA LONDRESMADRID MILN MONTREAL NUEVA DELHI NUEVA YORK SAN FRANCISCO SAN J UANSAN LUIS SANTIAGO SO PAULO SIDNEY SINGAPUR TaRaNTa


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A nuestras familias ...Mary, Michael y TaraMona, Hilde y AmeJoanne y Jon


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CONTENIDO

SOBRE LOS AUTORES xvPREFACIO

IPARTE 1 INTRODUCCINCaptulo 1 Sistemas de electrnica de potencia1-1 Introduccin 31-2 Electrnica de potencia en comparacin con la electrnica lineal1-3 Alcance y aplicaciones 71-4 Clasificacin de procesadores y convertidores de potencia1-5 Sobre el texto 111-6 La naturaleza interdiscip1inaria de la electrnica de potencia1-7 Smbolos usados 12Problemas 13Referencias 14

/ Captulo 2 Panorama general de los interruptores de semiconductores de potencia2-1 Introduccin 152-2 Diodos 152-3 Tiristores 162-4 Caractersticas deseadas en interruptores controlables 192-5 Transistores de unin bipolar y darlingtons monolticos 222-6 Transistores de efecto de campo de metal-xido-semiconductor2-7 Desactivacin por puerta de tiristores 242-8 Transistores bipolares de puerta aislada (IGBT)2-9 Tiristores controlados MOS 262-10 Comparacin de interruptores controlables 262-11 Circuitos de control y amortiguadores (SNUBBERS) 272-12 Justificacin de las caractersticas de dispositivos idealizadasResumen 29

Problemas 29Referencias 29

/ Captulo 3 Revisin de conceptos bsicos de circuitos elctricos ymagnticos

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303-1 Introduccin 303-2 Circuitos elctricos 303-3 Circuitos magnticos 42


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vi CONTENIDO

Resumen 51Problemas 52Referencias 54

I Captulo 4 Simulacin por computadora de convertidoresy sistemas de electrnica de potencia4-1 Introduccin 554-2 Los retos en la simulacin por computadora 564-3 Proceso de simulacin 564-4 Las mecnicas de simulacin [1] 584-5 Tcnicas de solucin para el anlisis de dominio temporal 594-6 Simuladores orientados en circuitos de uso generalizado 624-7 Programas de solucin de ecuaciones 65


IPARTE 2 CONVERTIDORES GENRICOS DE ELECTRNICA DE POTENCIACaptulo 5 Rectificadores de diodos de lnea de frecuencia: frecuencia de lneade CA ~ CC no controlada5-1 Introduccin 715-2 Conceptos bsicos de rectificadores 725-3 Rectificadores monofsicos de puente de diodos 745-4 Rectificadores duplicadores de voltaje (monofsicos) 895-5 Efecto de rectificadores monofsicos sobre corrientes neutras en sistemas trifsicosde cuatro hilos 905-6 Rectificadores trifsicos de puente completo 915-7 Comparacin de rectificadores monofsicos y trifsicos 995-8 Corriente de irrupcin y sobretensiones en el arranque 1005-9 Alertas y soluciones para armnicos de corriente de lnea y un bajo factor de potencia

Resumen 100Problemas 101Referencias 104Apndice 104/Captulo 6 Rectificadores e inversores de frecuencia de lnea controlados por fases:frecuencia de lnea CA +-> CC controlada

6-1 Introduccin 1086-2 Circuitos de tiristores y su control 1096-3 Convertidores monofsicos 1126-4 Convertidores trifsicos 1236-5 Otros convertidores trifsicos 136Resumen 136Problemas 137!eferencias 139Apndice 140Captulo 7 Convertidores de modo de conmutacin CC-CC7-1 Introduccin 1427-2 Control de convertidores de CC-CC 143

7-3 Convertidor reductor (buck) 1447-4 Convertidor elevador (boost) 151

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CONTENIDO ix

7-5 Convertidor reductor/elevador (buck-boost)7-6 Convertidor Ck de CC-CC 1627-7 Convertidor de CC-CC de puente completo7-8 Comparacin de convertidores de CC-CCResumen 173Problemas 174Referencias 175

156165171

I Captulo 8 Inversores de CC-CA de modo conmutado: CC ++ CA sinusoidal8-1 Introduccin 1768-2 Conceptos bsicos de los inversores de modo conmutado 1778-3 Inversores monofsicos 1858-4 Inversores trifsicos 1988-5 Efecto del tiempo de supresin sobre el voltaje en inversores de PWM 2088-6 Otros mtodos de conmutacin de inversores 2118-7 Modo de operacin de rectificadores 214

Resumen 215Problemas 216

/

Referencias 218Captulo 9 Convertidores resonantes: conmutaciones de tensin cero y/o corriente cero 219

176

9-1 Introduccin 2199-2 Clasificacin de convertidores resonantes 2219-3 Conceptos bsicos de circuitos resonantes 2239-4 Convertidores de carga resonante 2269-5 Convertidores de interruptores resonantes 2399-6 Conmutacin por voltaje cero, topologas de voltaje fijo 2469-7 Inversores de enlace de CC resonante con conmutaciones por voltaje cero 2499-8 Convertidores de serniciclo integral de enlace de alta frecuencia 254Resumen 255Problemas 256Referencias 259

PARTE 3 APLICACIONES DE FUENTES DE ALIMENTACINCaptulo 10 Fuentes de alimentacin de CC conmutadas10-1 Introduccin 26510-2 Fuentes de alimentacin lineales 26510-3 Vista general de fuentes de alimentacin conmutadas 26610-4 Convertidores de CC-CC con aislamiento elctrico 26810-5 Control de fuentes de alimentacin CC de modo conmutado 28310-6 Proteccin de fuentes de alimentacin 30010-7 Aislamiento elctrico en el lazo de realimentacin 30210-8 Disear para cumplir con las especificaciones de fuentes de alimentacin 303


2 6 32 6 5

Captulo 11 Acondicionadores de potencia y fuentes de alimentacin ininterrumpida11-1 Introduccin 31111-2 Perturbaciones de la red elctrica 31111-3 Acondicionadores de potencia 31411-4 Sistemas de alimentacin ininterrumpida (UPS) 314

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x CONTENIDO

ResumenProblemasReferencias

318319320

PARTE 4 APLICACIONES DE ACCIONAMIENTOS POR MOTORCaptulo 12 Introduccin a los accionamientos por motor12-1 Introduccin 32312-2 Criterios para la seleccin de componentes del accionamiento 324


Captulo 13 Accionamientos por motor de CC13-1 Introduccin 33213-2 El circuito equivalente de motores de CC 33213-3 Motores de CC de imanes permanentes 33413-4 Motores de CC con un devanado de campo de excitacin separada 33513-5 Efecto de la forma de onda de corriente de inducido 33713-6 Servoaccionamientos de CC 33713-7 Accionamientos de CC de velocidad ajustable 344


Captulo 14 Accionamientos por motor de induccin14-1 Introduccin 35114-2 Principios bsicos de la operacin de motores de induccin 35214-3 Caractersticas de motores de induccin con frecuencia nominal (de lnea)

y tensin nominal 35614-4 Control de velocidad mediante la variacin de frecuencia y voltaje del estator 35714-5 Impacto de la excitacin no sinusoidal sobre motores de induccin 36514-6 Clasificaciones de convertidores de frecuencia variable 36814-7 Accionamientos PWM-VSI de frecuencia variable 36914-8 Accionarnientos VSI de onda cuadrada y frecuencia variable 37414-9 Accionamientos CSI de frecuencia v'ariable 37514-10 Comparacin de accionamientos de frecuencia variable 37614-11 Accionamientos de frecuencia de lnea y tensin variable 37714-12 Arranque con tensin reducida ("arranque suave") de motores de induccin 37814-13 Control de velocidad mediante la recuperacin de potencia por deslizamiento esttico


Captulo 15 Accionamientos por motor sncrono15-1 Introduccin 38315-2 Principios bsicos de la operacin del motor sncrono 38315-3 Accionamientos por motores sncronos con formas de onda sinusoidales 38615-4 Accionamientos por servomotores sncronos con formas de onda trapezoidales 38815-5 Accionamientos de inversores conmutados por la carga 38915-6 Cicloconvertidores 391

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CONTENIDO xi

ResumenProblemasReferencias

391393393

PARTE 5 OTRAS APLICACIONESCaptulo 16 Aplicaciones residenciales e industriales16-1 Introduccin 39716-2 Aplicaciones residenciales 39716-3 Aplicaciones industriales 400


395397

Captulo 17 Aplicaciones de los sistemas de suministro de energa17-1 Introduccin 40517-2 Transmisin de CC en altas tensiones 40517-3 Compensadores VAR estticos 41417-4 Interconexin de fuentes de energa renovables y sistemas de almacenamientode energa al sistema de suministro de energa 41817-5 Filtros activos 421


405

Captulo 18 Optimizacin de la interfaz de los sistemas de suministrode energa con sistemas de electrnica de potencia18-1 Introduccin 42518-2 Generacin de armnicos de la corriente 42618-3 Armnicos de corriente y factor de potencia 42718-4 Normas de armnicos y prcticas recomendadas 42718-5 Necesidad de mejores interfaces con los sistemas de suministro de energa 42918-6 Interfaz monofsica mejorada con los sistemas de suministro de energa 42918-7 Interfaz trifsica mejorada de los sistemas de suministro de energa 43818-8 Interferencia electromagntica 439


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/ PARTE 6 DISPOSITIVOS SEMI CONDUCTORESV Captulo 19 Fsica bsica de semiconductores

19-1 Introduccin 44719-2 Procesos de conduccin en semiconductores 44719-3 Uniones pn 45219-4 Descripcin del control de carga de la operacin de uniones pn 45619-5 Ruptura de avalancha 458Resumen 459Problemas 460Referencias 461

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xii CONTENIDO

/ Captulo 20 Diodos de potencia 46220-1 Introduccin 46220-2 Estructura bsica y caractersticas 1-V 46220-3 Consideraciones sobre la tensin de ruptura 46320-4 Prdidas en estado activo 46720-5 Caractersticas de conmutacin 47120-6 Diodos de Schottky 475Resumen 478

Problemas 479

/Referencias 480

Captulo 21 Transistores de unin bipolar21-1 Introduccin 48121-2 Estructuras verticales de transistores de potencia 48121-3 Caractersticas I-V 48221-4 Fsica de la operacin BJT 48421-5 Caractersticas de conmutacin 48921-6 Tensiones de ruptura 49521-7 Ruptura secundaria 49621-8 Prdidas en estado activo 49721-9 reas de operacin segura 498


/ Referencias 501( Captulo 22 MOSFET de potencia

22-1 Introduccin 50222-2 Estructura bsica 50222-3 Caractersticas 1-V 50522-4 Fsica de operacin del dispositivo 50622-5 Caractersticas de conmutacin 51022-6 Limitaciones operativas y reas de operacin segura 515


/ Referencias 522ICaptulo 23 Tiristores

23-1 Introduccin 52323-2 Estructura bsica 52323-3 Caractersticas 1 - V 52323-4 Fsica de operacin del dispositivo 52523-5 Caractersticas de conmutacin 52923-6 Mtodos para mejorar especificaciones de di/dt y dv/dt 533


/ Referencias 536!aptulo 24 Tiristores de desconexin de compuerta24-1 Introduccin 53724-2 Estructura bsica y caractersticas 1 - V24-3 Fsica de operacin de la desconexin24-4 Caractersticas de conmutacin del OTO

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CONTENIDO xili

24-5 Proteccin del GTO contra sobrecorriente 545Resumen 546Problemas 547Referencias 547/aptulo 25 Transistores bipolares de compuerta aislada 548

25-1 Introduccin 54825-2 Estructura bsica 54825-3 Caractersticas 1 -V 54925-4 Fsica de operacin del dispositivo25-5 El latchup en IGBT 55325-6 Caractersticas de conmutacin25-7 Lmites de dispositivos y AOS


/Referencias 560

Captulo 26 Dispositivos y circuitos emergentes

550555557

56 126-1 Introduccin 56126-2 Transistores de potencia de unin de efecto de cambio 56126-3 Tiristor controlado por el campo 56526-4 Dispositivos basados en JFET y otros dispositivos de potencia 56726-5 Tiristores controlados por MOS 56826-6 Circuitos integrados de potencia 57326-7 Nuevos materiales semiconductores para dispositivos de potencia 578

Resumen 581Problemas ~81Referencias 582

PARTE 7 CONSIDERACIONES PRCTICAS DEL DISEO DE CONVERTIDORES 583Captulo 27 Circuitos amortiguadores 58527-1 Funcin y tipos de circuitos de amortiguadores 58527-2 Amortiguadores de diodos 58627-3 Circuitos amortiguadores para tiristores 59227-4 Necesidad de amortiguadores con transistores 59427-5 Amortiguador de apagado 59627-6 Amortiguador de sobretensin 60027-7 Amortiguador de encendido 60l27-8 Amortiguadores para configuraciones de circuitos de puentes 60227-9 Consideraciones de amortiguadores GTO 605


Captulo 28 Circuitos excitadores de puerta y base 60828-128-228-328-428-528-6

Consideraciones preliminares de diseo 608Circuitos excitadores con acoplamiento de CCCircuitos excitadores elctricamente aisladosCircuitos excitadores conectados en cascadaCircuitos excitadores de tiristores 621Proteccin de dispositivos de potencia en circuitos excitadores

609614620626


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xiv CONTENIDO

28-7 Consideraciones de disposicin de circuitos 630Resumen 635Problemas 636Referencias 636

638aptulo 29 Control de la temperatura de componentes y disipadores de calor29-1 Control de las temperaturas de dispositivos semiconductores 63829-2 Transmisin trmica por conduccin 63929-3 Disipadores de calor 64429-4 Transmisin trmica por radiacin y conveccin 645


Captulo 30 Diseo de componentes magnticos30-1 Materiales y ncleos magnticos 65030-2 Devanados de cobre 65630-3 Consideraciones trmicas 65930-4 Anlisis del diseo especfico de un inductor 66030-5 Procedimientos de diseo de inductores 66330-6 Anlisis del diseo de un transformador especfico 67030-7 Corrientes parsitas 67330-8 Inductancia de dispersin del transformador 68030-9 Procedimiento de diseo de transformadores 68130-10 Comparacin de tamaos de transformadores e inductores


ndice

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SOBRE LOS AUTORES

Ned Mohan es profesor de la ctedra Oscar A. Schott de Electrnica de potencia de la University of Min-nesota. Cuenta con numerosas patentes y publicaciones. Es becario del IEEE y fue orgulloso depositario delDistinguished Teaching Award que otorga el Institute ofTechnology, University of Minnesota.Tore M. Undeland es profesor de Electrnica de potencia en la Faculty of Information Technology, Mathe-matics and Electrical Engineering'en la Norwegian University of Sciencie and Technology, NTNU, Trond-heirn, Noruega. Tambin es asesor cientfico en la SINTEF Energy Research y es becario en la IEEE.Desde 1979, ha pasado aos sabticos en la ASEA Vasteras, Suecia; la University of Minnesota y en Sie-mens. Ha trabajado en varias investigaciones industriales y proyectos de desarrollo sobre electrnica depotencia, adems de contar con numerosas publicaciones en este campo.WilIiam P.Robbins es profesor en el Department of Electrical and Computer Engineering en la Universityof Minnesota. Antes de sta, fue ingeniero investigador de Boeing Company. Ha dado numerosos cursossobre electrnica y fabricacin de dispositivos de serniconductores. Como investigador se interesa en elultrasonido, deteccin de insectos nocivos mediante el ultrasonido y en dispositivos micromecnicos; temasen los cuales tambin tiene varias publicaciones.


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PREFACIO

Esta tercera edicin de Electrnica de potencia -as como la primera edicin publicada en 1989y la se-gunda edicin en 1995- tiene el objetivo fundamental de proporcionar una presentacin cohesiva de losprincipios bsicos de la electrnica de potencia en aplicaciones y diseo en el rango de potencia de 500 kWo menos, donde existe un mercado enorme, y tambin se dirige a ingenieros de la electrnica de potencia.El presente libro ha sido adoptado como libro de texto en muchas universidades en todo el mundo.

ORGANIZACIN DEL LIBROEste libro est dividido en siete partes.La parte 1 presenta una introduccin al campo de la electrnica de potencia, un resumen de los inte-rruptores de semiconductores de potencia, una revisin de los conceptos de circuitos elctricos y magnti-cos pertinentes, y una discusin genrica de la funcin de las simulaciones por computadora en la electr-nica de potencia.La parte 2 analiza las topologas genricas de los convertidores que se usan en la mayora de las apli-caciones. Se supone que los dispositivos de semiconductores reales (transistores, diodos, etctera.) sonideales, lo que permite que nos enfoquemos en las topologas de convertidores y sus aplicaciones.La parte 3 estudia las fuentes de alimentacin conmutadas de cc y los sistemas de alimentacin ininte-rrumpida. Las fuentes de alimentacin representan una de las aplicaciones mayores de la electrnica depotencia.La parte 4 contempla los accionamientos motrices, los cuales constituyen otro campo de aplicacinmayor.La parte 5 incluye varias aplicaciones industriales y comerciales en un solo captulo. Otro captulodescribe varias aplicaciones de alta potencia para empresas elctricas. El ltimo captulo de esta parte dellibro examina los armnicos y asuntos de EMI, adems de cmo remediar la comunicacin entre sistemasde electrnica de potencia con empresas elctricas.La parte 6 habla de los dispositivos de semiconductores de potencia que se usan en convertidores deelectrnica de potencia, incluyendo circuitos de amortiguadores, circuitos de accionamientos, el layout decircuitos y disipadores de calor. Tambin se agreg un extenso captulo nuevo sobre el diseo de inductoresy transformadores de alta frecuencia.


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xviii PREFACIO

AGRADECIMIENTOSQueremos dar las gracias a todos los profesores que nos dieron la oportunidad de escribir la tercera edicinde nuestro libro al adoptar la primera y segunda ediciones. Expresamos nuestra sincera apreciacin al editorejecutivo de Wiley, Bill Zobrist, por su persistencia en mantenemos en el plazo previsto.

Ned MohanTore M. UndelandWilliam P. Robbins

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