De acuerdo con Musumeci (2023), los convertidores electrónicos de potencia son estructuras de circuitos de conmutación y, por lo general, se utilizan para crear sistemas eficientes de conversión de energía, los cuales se emplean en diversas aplicaciones, como en la conversión de energía renovable, la disposición de redes inteligentes, la gestión del almacenamiento de energía y el transporte sostenible. Los sistemas convertidores de electrónica de potencia se componen de varias topologías de conmutación, cada una relacionada con una aplicación específica; debido a su importancia, continuamente se exploran soluciones o alternativas para mejorar las topologías de convertidores existentes, o bien, para crear otras nuevas. Además, el progreso en las tecnologías de dispositivos electrónicos de potencia, así como en los componentes pasivos, está conduciendo al desarrollo incesante de nuevas cualidades en los convertidores, como alta eficiencia, alta ganancia, alta densidad de potencia y rápida respuesta transitoria.

Introducción a la electrónica de potencia

Se trata de una subárea de la ingeniería eléctrica encargada de diseñar, controlar y realizar conversiones en las diferentes formas de energía eléctrica; con el propósito de lograr controlar y manipular electricidad de alta potencia, este subcampo hace uso de múltiples componentes, como diodos y transistores, los cuales forman parte de la electrónica de estado sólido (Gautam, 2023).

De acuerdo con Electricity – Magnetism (s.f.), la electrónica de potencia facilita la conversión de energía eléctrica en diversas formas, por ejemplo, de corriente alterna (CA) a continua (CC) y viceversa, así como entre varios niveles de voltaje. Estos son algunos componentes clave involucrados en este proceso:

• Rectificadores: conversión de CA a CC.
• Inversores: conversión de CC a CA.
• Convertidores CC-CC: cambian los niveles de voltaje de CC.
• Convertidores CA-CA: controlan los niveles y la frecuencia de voltaje CA.

Estos dispositivos resultan fundamentales para las redes de fuentes de energía renovable, como paneles solares y turbinas eólicas, ya que producen energía de CC o CA de frecuencia variable.

Rectificadores y circuitos de conversión de CC a CC

Como menciona Fiore (s.f.), el proceso por el cual una onda de corriente alterna (CA) se convierte a señal continua (CC), con la intención de obtener una sola polaridad, se denomina rectificación; esta representa una de las técnicas fundamentales para la construcción de circuitos electrónicos modernos. Cabe aclarar que un voltaje o corriente CC solo implica que los polos de la señal nunca cambian, aunque pueden tener un valor constante (CC fijo) o uno variable (CC pulsante).

Los rectificadores son componentes que se encuentran en diversos dispositivos que alimentan sus circuitos con CC, pero se conectan a fuentes de alimentación CA, es decir, a la corriente que normalmente llega a residencias y comercios; por ejemplo, las computadoras y los televisores usan rectificadores para convertir CA a CC. En este sentido, según ROHM Semiconductor (s.f.), entre los métodos de rectificación para convertir CA en CC, sobre todo entre aquellos que se basan en la característica de polarización del diodo, se incluyen los de la siguiente tabla:

Tabla 1. Rectificación de onda completa vs media onda.

De acuerdo con Electronics Mind (2022), un convertidor CC a CC (también conocido como interruptor) es un dispositivo estático que se utiliza para obtener un voltaje CC variable a partir de uno constante. Para la variación del voltaje, mientras tanto, se utiliza un circuito chopper (troceado) que consiste en un interruptor semiconductor (ON - OFF), el cual se encarga de conectar y desconectar el suministro de CC a la carga; esto se hace a un ritmo acelerado para obtener voltaje de CC variable a partir de una fuente fija.

Los componentes utilizados en los circuitos chopper de CC son BJT de potencia, MOSFET de potencia, IGBT, GTO o tiristores de conmutación forzada; estos últimos se emplean en aplicaciones de alta potencia, sin embargo, este tipo de interruptor requiere de un circuito de conmutación adicional. Por esta razón, hoy en día, se busca evitarlos debido a la complejidad que supone configurar la conexión.

Inversores y conversores de CC a CA

De acuerdo con Kayne (2023), un inversor se trata de un dispositivo que convierte energía CC en CA y, por lo regular, se usa con el propósito de operar equipos eléctricos por medio de la energía producida por una batería o por fuentes renovables, como paneles solares o turbinas eólicas. Las baterías almacenan la energía CC, mientras que la mayoría de los aparatos eléctricos funciona con CA; por tanto, se necesita un inversor que cambie una forma de energía a otra.

La energía CC es estable y constante, ya que su carga fluye en una sola dirección; además, su señal de salida se representa gráficamente con una línea recta. Por otra parte, la señal de salida de la energía CA se plasma con una gráfica senoidal, donde la carga alterna se encuentra entre dos direcciones (adelante y atrás); en este caso, los inversores utilizan circuitos electrónicos para hacer que el flujo de energía CC cambie de dirección y, por tanto, que alterne como la CA. Estas oscilaciones son bruscas y tienden a generar una onda cuadrada en lugar de una senoidal; esto obliga a incluir filtros para suavizar las fluctuaciones de las señales, permitiendo que sean aprovechadas por más dispositivos electrónicos (Kayne, 2023).

Un puente inversor monofásico puede estar constituido por cuatro IGBT, así como por los diodos de recuperación ocupados por cada transistor. En el circuito mostrado a continuación, se conectan algunos transistores que funcionan conmutándose por pares, es decir, mientras el semiciclo positivo se genera por acción de los componentes T1 y T4, la señal alterna negativa depende de la activación de T2 y T3.

Figura 1. Puente inversor monofásico con cuatro IGBT.

Cuando el bloque de control es capaz de generar dos señales de entrada (S1 y S2) desfasadas entre sí en 180° y con un retraso de tiempo de encendido, entonces, para evitar cortocircuitos, los transistores conmutarán a la frecuencia necesaria para una correcta operación.

Aplicaciones industriales de la electrónica de potencia

La electrónica de potencia ha contribuido intensamente con el desarrollo y evolución de las estructuras para el procesamiento de energía; en consecuencia, cada vez es más común generar o manipular energía eléctrica de diferentes formas y transformarla para su uso, ya sea con fuentes renovables, baterías o transmisión de corriente continua a diferentes niveles de suministro (Rodrigues, Godina y Pouresmaeil, 2020).

Rodrigues, Godina y Pouresmaeil (2020) mencionan que la electrónica de potencia se utiliza en diversas industrias, incluidas la aeroespacial, de defensa, automatización, control, etc. Algunas de sus principales aplicaciones contemplan los siguientes rubros:

• UPS.
• Laminadores.
• Conducción de trenes.
• Ascensores.
• Electroimanes.
• Hornos de arco o de inducción.
• Sistemas de energía de emergencia.
• Ventiladores y sopladores.
• Láseres industriales.
• Maquinaria de construcción.
• Soldadura.
• Robot.
• Compresores.
• Fábricas textiles.

La electrónica de potencia es una tecnología habilitadora clave en la industria aeroespacial, así que debe cumplir con estrictos estándares y regulaciones de seguridad para su uso; según Rodrigues, Godina y Pouresmaeil (2020), algunas de sus aplicaciones en este campo son las siguientes:

• Sistema de energía del robot de exploración espacial.
• Sistema de energía satelital.
• Sistema de energía del vehículo espacial.
• Sistema de energía de la aeronave.
• Transbordadores espaciales.

En cuanto a la generación de energía, los dispositivos electrónicos de potencia ayudan a convertir la energía en una forma que pueda transferirse a largas distancias y a altos voltajes, pero sin verse menoscabada a través de los cables. De acuerdo con Rodrigues, Godina y Pouresmaeil (2020), dichas aplicaciones se encuentran en las siguientes áreas:

• Sistemas solares fotovoltaicos.
• Parques eólicos.
• Centrales hidroeléctricas.

En los sistemas eléctricos, la electrónica de potencia se utiliza para convertir la energía de una forma a otra, así como para controlar su flujo y regular su voltaje y corriente. Como mencionan Rodrigues, Godina y Pouresmaeil (2020), esta aplicación de dispositivos de potencia se encuentra en los siguientes campos:

• Estabilidad de la fuente de alimentación.
• Control de armónicos del sistema de potencia.
• Transmisión de potencia.
• Generación de energía.

Eficiencia energética y gestión de potencia

La electrónica de potencia desempeña un papel vital en la mejora de la eficiencia energética, así como en la optimización del uso de energía en diversas aplicaciones; dichos circuitos están diseñados para convertir y controlar eficientemente la electricidad, ya que permiten una óptima gestión y reducen su desperdicio mediante el uso de inversores, convertidores, rectificadores y otros dispositivos. Estos componentes se utilizan en sistemas de energía renovable, vehículos eléctricos, motores industriales y unidades de suministro, pues facilitan la conversión eficiente de energía, la reducción de su consumo, minimizan las pérdidas y promueven la sostenibilidad en diversos sectores (Kiruthika, 2023).

Por ejemplo, en aplicaciones de energía renovable, como los sistemas solares fotovoltaicos (PV), se emplean convertidores electrónicos de potencia para transformar la salida de CC de los paneles solares en CA para su integración en la red. Estos convertidores garantizan la máxima extracción de energía y contribuyen a su adecuado flujo; de manera similar, en el accionamiento de motores, los dispositivos de potencia controlan su velocidad y par de trabajo, ya que permiten ejercer un control preciso y un uso conveniente de la energía.