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HACIA UNA ELECTRONICA DE POTENCIAFIABLE: DESAFÍOS, HERRAMIENTAS DE

DISEÑO Y OPORTUNIDADESLuis Zhunio

lzhunio@est.ups.edu.ecUNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA, Cuenca

Electrónica de Potencia I

Abstract—Power electronics is moving into a new era, in whichthe requirements are stringent reliability and safety requirementsat the level of industries and other applications. Every time youare devoting greater efforts to achieve maximum reliability foroperation profitable and sustainable solutions. The aim of thisarticle is to give a brief description of the reliability of theelectronic energy research and review the state of the art inpower electronics more reliable.

Index Terms—Power electronic, industries, energy.

I. INTRODUCCIÓN

Desde 1957 luego de la invención de los tiristores y suenorme aplicación en el campo de la industria la electrónicade potencia ha tendido a desarrollarse y expandirse en cuantoa avance y tecnología para un uso más rentable, es decir sedio paso a una revolución de esta electrónica.

La electrónica de potencia se ha visto utilizada en gen-eración, transmisión, distribución y componentes finales queconsumen energía eléctrica. Además se ha mejorado elrendimiento de los sistemas electrónicos de potencia, especial-mente en términos de eficiencia y densidad de potencia, se hamejorado de forma continua, aprovechando de la investigaciónintensiva y el avance en el circuito de topologías, sistemas decontrol, semiconductores, componentes pasivos, procesadoresde señales digitales y la integración de sistemas tecnologías.

La electrónica de potencia está pasando a una nueva era,en la cual los requisitos de fiabilidad son estrictos así comolos requisitos de seguridad a nivel de industrias y demásaplicaciones. Cada vez se están dedicando mayores esfuerzospara lograr el máximo de fiabilidad para el funcionamientorentable y soluciones sostenibles.

II. DESARROLLO

A. £Cuál es el propósito de la confiabilidad en los sistemasde potencia?

Uno de los retos de la electrónica de potencia es cumplirdeterminado funcionamiento en las diversas aplicaciones re-queridas con un alto nivel de fiabilidad puesto que si sellegase a presentar un problema de gran escala perjudicaríaenormemente a la industria o campo donde se esté aplicando.

Debido a lo mencionado en el párrafo anterior puedo decirque la confiabilidad en los sistemas de potencia cumplenun papel de gran importancia y a su vez tenemos distintospropósitos que se mencionan en [1]. A continuación se refer-encia la información mas relevante.

La esencia de la fiabilidad ingeniería es para evitar lacreación de fallos . La fiabilidad desafía al poder electrónicapodrían ser consideradas desde diferentes perspectivas , talescomo las tendencias de alta potencia productos de densidad, aplicaciones de alta temperatura y aplicaciones emergentesfiabilidad – críticos como se ilustra en la figura . 1 , el aumentode la complejidad eléctricos y electrónicos , consume recursospruebas de verificación y así sucesivamente . Los autores aquídiscutir los desafíos de las experiencias en las operacionessobre el terreno y las deficiencias de la práctica general quese aplica en la investigación sobre la fiabilidad electrónica depotencia . [1]

Figure 1. Propósitos de la confiabilidad en los sistemas de potencia. [1]

Las industrias han avanzado en el desarrollo de la ingenieríade confiabilidad de lo tradicional las pruebas de fiabilidadpara el diseño de Confiabilidad ( DFR ). DFR es el procesollevado a cabo durante la fase de diseño de un componenteo sistema que asegura que sean capaces de lograr la nivel defiabilidad requerido . Su objetivo es comprender y solucionarlos problemas de fiabilidad por adelantado en el proceso de

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diseño . En consecuencia , muchos esfuerzos se han dedicadoa consideraciones en el rendimiento aspecto de la fiabilidadde los componentes electrónicos de potencia, convertidores ysistemas de potencia. [1]

B. £Que considerar en el diseño de sistemas electrónicos depotencia?

En la figura 2 veremos un procedimiento DFR aplicable aldiseño de la electrónica de potencia.

El procedimiento de diseño fiabilidad el estado dela técnica para los sistemas electrónicos de potencia.

Figure 2. Procedimiento para el estado fiable del diseño de la técnica paralos sistemas electrónicos de potencia. [1]

A continuacion se mencionaran algunos aspectos que sedeben considerar en el diseño de los sistemas electronicos depotencia.

• FRACASO DESDE EL ENFOQUE FISICO.Los métodos basados en manual para más enfoques basados enla física, que podrían proporcionar una mejor la comprensiónde las causas de fallos y deficiencias de diseño, con el finde encontrar soluciones para mejorar la fiabilidad en lugarde obtención de números analíticos sólo. Enfoque de Físicade fallo (POF) es una metodología basada en el análisis decausa raíz mecanismo de falla y el impacto de los materiales,defectos y solicitaciones de la fiabilidad del producto. [1]

• ANALISIS CARGA-FUERZA.Para la mayoría de los componentes electrónicos de potencia, ni la carga ni la fuerza es fija , pero asignados a un ciertointervalo , que puede ser presentado por una función específicade densidad de probabilidad ( por ejemplo, distribución normal) . Por otra parte , la fuerza de un material o dispositivo podríaser fácilmente degrada con el tiempo. La probabilidad de fallase puede obtener mediante el análisis de la superposición áreaentre las distribuciones de la carga y la fuerza , que se basaen la bien definida y la comprensión en profundidad de perfilde la misión y de la física de los componentes.[1]

• FIABILIDAD EN LAS HERRAMIENTAS DE DISEÑOPARA LA ELECTRONICA DE POTENCIA.

Parámetros constantes en los modelos de duración se puedenestimar de acuerdo con la datos de prueba disponibles . Por

lo tanto , la fiabilidad de cada componente individual escrítico predicho por considerar cada uno de sus mecanismode falla crítico asociado. Para asignar la nivel de componentede previsión de fiabilidad a nivel de sistema, el método demodelado de sistemas.[1]

C. £Que consideraciones pueden garantizar a futuro la exis-tencia de sistemas confiables en la electrónica de potencia?

1) Una mejor comprensión de la misión perfil y Física decomponentes.: Con la experiencia de campo acumulada y laintroducción de más y más sistemas de control en tiemporeal, se espera mejorar los datos del perfil de misión queestará disponible en varios tipos de sistemas electrónicos depotencia. Con las herramientas de simulación basados enmulti-física disponibles en el mercado, la física de fallo de losdispositivos semiconductores y condensadores podría ser prác-ticamente simulado y analizado. Los esfuerzos conjuntos deingenieros electrónicos de potencia, fiabilidad. Los ingenierosy científicos de física permitirán un mejor entendimiento delos componentes y las condiciones específicas a que estánexpuestos. [1]

2) Mejor diseño, pruebas y monitoreo de métodos.: Parauna mejor comprension revisar [1] a continuacion se realizarauna sintesis de los métodos que pueden aplicarse para mejorarla fiabilidad durante el diseño , la prueba y operación de lossistemas electrónicos de potencia:

• Inteligente desclasificación de los componentes electróni-cos de potencia y gestión de la carga. Investigación dela relación entre la tasa de fracaso y margen de diseñopodría proporcionar una reducción de potencia inteligentedirectriz de componentes electrónicos de potencia entérminos de compromiso entre el coste y la fiabilidad.

• . Diseño tolerante a fallos, tomando en consideraciónaislamiento de fallas, detección de fallas y reparación on-line. Donde la tolerancia a fallos se aplica ampliamenteen aplicaciones críticas de fiabilidad para mejorar laconfiabilidad de nivel de sistema. Ciertos tipos de con-vertidores multinivel y convertidores matriciales tambiénpodrían tener la capacidad inherente tolerante a fallos ysin circuitos de hardware adicional.

• Prueba Límite altamente acelerada (HALT). Es una es-pecie de método de prueba cualitativa para encontrardeficiencias de diseño y ampliar los márgenes de robustezde diseño con el número mínimo requerido de unidadesde prueba (generalmente 4 u 8) en un tiempo mínimo(normalmente una semana).

• Diagnóstico, pronóstico y monitoreo de condición. Es-tas son formas eficaces de detección de fallos o devigilancia de la salud para mejorar la fiabilidad de losconvertidores de potencia que están bajo la operación.El monitoreo de condición proporciona las característicasde funcionamiento en tiempo real de los sistemas deseguimiento de parámetros específicos ( por ejemplo,tensión, corriente , impedancia, etc. ) de los componenteselectrónicos de potencia .

• Control de potencia reactiva y la modulación térmica opti-mizada. Carga térmica de los dispositivos de conmutación

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en convertidores electrónicos de potencia se puede mejo-rar mediante esquemas de modulación modificados decontrol de potencia reactiva. Las pérdidas de potencia ypor lo tanto las tensiones térmicas en los dispositivos deconmutación se reducen.

3) Mayor poder de Componentes Electrónicos.: Aplicaciónde los componentes activos más fiables y rentables y compo-nentes pasivos es otro aspecto clave para mejorar la fiabilidadde los convertidores y sistemas electrónicos de potencia. Conlos avances en materiales semiconductores, las tecnologías deenvasado y tecnologías de condensadores de película, se esperaque la fiabilidad de los dispositivos de conmutación activos ycomponentes pasivos que ser mejorado.[1]

III. CONCLUSIONES

• La elecronica de potencia se visto presionada a sufrir uncambio de era puesto que se ha mejorado el rendimientode los sistemas electrónicos de potencia, especialmenteen términos de eficiencia y densidad de potencia, seha mejorado de forma continua, aprovechando de lainvestigación intensiva y el avance en el circuito detopologías, sistemas de control, semiconductores, com-ponentes pasivos, procesadores de señales digitales y laintegración de sistemas tecnologías.

• La electrónica de potencia debe cumplir ciertos requisitosde fiabilidad que tienen un nivel de importancia altodebido a que su aplicación debe generar producción eficazy rentable. La parte importante de la fiabilidad de la elec-trónica de potencia es evitar fallos, tener componentes dealta potencia capaces de trabajar en óptimas condicionesa pesar de grandes temperaturas que se puedan presentarentre otros propósitos.

• Para una mejor fiabilidad de los sistemas electrónicosde potencia tenemos la aplicación de componentes depotencia con mayor nivel de rentabilidad, debido a queen la actualidad se ha presentado un gran avance en elámbito de semiconductores se espera con esto un mejorfuncionamiento de cada componente.

REFERENCES

[1] H. Wang, M. Liserre, and F. Blaabjrg, "Toward reliable power electronics:Challenges, design tools and opportunities.", vol 7, no 2, pp. 17-26, 2013

Luis Angel Zhunio Collaguazo (30 de junio de1990 en Machala-El Oro). Se graduó de BachillerTécnico en Electricidad en el año 2007 del InstitutoTecnológico Superior El Oro, actualmente curso el3er año de Ingeniería Eléctrica en la UniversidadPolitécnica Salesiana, ha realizado seminarios deAUTO CAD y MAT LAB. Sus areas de interés sonAlta tensión y Sistemas eléctricos de potencia