Introducción a los Tiristors en Energía Renovable

La transición global a fuentes de energía renovables depende de la electrónica de energía eficiente. matrizs solares fotovoltaicas (PV), turbinas eólicas y sistemas de almacenamiento de baterías requieren interruptores semiconductores robustos para convertir, regular y condicionar la energía eléctrica. Entre estos dispositivos, los tirisores han mantenido un papel crucial para décadas, particularmente en aplicaciones de alta potencia.

Mientras que los dispositivos modernos como IGBTs y MOSFET dominan los convertidores de potencia inferior, los tirisadores siguen siendo irreemplazables en los niveles de potencia más altos, como las granjas solares a escala de utilidad, las interconexiones del parque eólico y los enlaces de transmisión de corriente directa de alta tensión (HVDC). Entendiendo las características únicas de los tirisores ayuda a los ingenieros a seleccionar la topología correcta para cada aplicación de energía renovable, equilibrando eficiencia, el costo, la velocidad de conmutación.

¿Qué son los tirisores?

Estructura básica y funcionamiento

Un tiristor es un dispositivo de semiconductor de cuatro capas (PNPN) que actúa como interruptor de cierre. Se puede activar aplicando un pequeño pulso de corriente a su terminal de puertas cuando el ánodo es positivo en relación con la catode. Una vez activado, el dispositivo entra en un estado de conducción y permanece a la espera incluso si se elimina la señal de la puerta.

El más común de los tiristores es el rectificador controlado por el silicio (SCR). Los SCR están disponibles en las calificaciones de unos pocos amperios a miles de amperios y de decenas de voltios a muchos kilovoltios. Otras variantes incluyen el desvío de la puerta de tu ristor (GTO), que puede ser apagado por un pulso negativo de la puerta; la pérdida integrada de titr (IGTor) controlada por la velocidad; y el ristor.

Características eléctricas clave

Los parámetros importantes para aplicaciones de energía renovable incluyen el voltaje de bloqueo (VDRM]), la corriente de on-state (IT(RMS)), la capacidad de corriente de onda (I]TSM), y los valores de alta frecuencia y dv/dt 50

Aplicaciones en Sistemas de Energía Renovable

Los tirisores se despliegan en múltiples dominios de energía renovable. Su capacidad para manejar la alta potencia con pérdidas mínimas los hace ideales para tareas que no requieren una conmutación extremadamente rápida, como la conmutación de línea 50/60 Hz, el inicio suave de transformadores y la regulación de enlaces DC.

Sistemas fotovoltaicos solares

En plantas solares de gran escala, los tirisores aparecen en varios bloques de subsistema:

  • Convertidores de DC a DC para el máximo seguimiento de puntos de potencia (MPPT) de cadenas de alta tensión. Mientras que los convertidores modernos MPPT utilizan a menudo IGBTs, algunos diseños emplean SCRs para el aislamiento y la robustez en inversores centrales multi-megawatt.
  • Etapas de salida de Inversor donde los SCR forman los elementos de conmutación de un inversor de línea-commutado. Estos inversores dependen del voltaje de red AC para apagar los tirisores naturalmente cada medio ciclo (comutación natural).
  • Circuitos de protección] como circuitos de palanca que utilizan tirisores para las corrientes de fallas de cortocircuito, protegiendo componentes de aguas abajo de eventos de sobrevoltaje durante las perturbaciones de la red.

Los tirisores también aparecen en controladores de carga solares] para bancos de baterías fuera de la red, donde regulan el flujo actual de paneles PV a baterías, evitando el sobrecarga y la corriente reversa por la noche.

Sistemas de energía eólica

Los sistemas de resistencia de tono de tono de tono de tono de tono de gran tamaño, pueden convertir el convertidor de frecuencia de tono de tono de tono de tono de tono de gran tamaño en los sistemas de torsión de torsión de torsión de gran tamaño, en los que se utilizan los sistemas de resistencia de torsión de torsión de torsión de gran tamaño.

Sistemas de almacenamiento de energía

Los sistemas de almacenamiento de energía de la batería (BESS) dependen de invertidores bidireccionales que pueden cargar y descargar. Los tirisores se encuentran en la unidad de aire acondicionado de la zona de BESS a gran escala, en particular los que operan a tensión media (por ejemplo, 4.16 kV o 13.8 kV). Aquí, las válvulas de tisorción permiten transiciones de giro suave y reducen las distorsiones de la fase

Transmisión Directa de alta tensión (HVDC)

Los tiristors son la columna vertebral de los sistemas HVDC, que conectan fuentes remotas de energía renovable, como las granjas eólicas offshore o las plantas solares del desierto, a centros de carga. Conversor conmutado por línea (LCC) HVDC utiliza válvulas de alta potencia tisristoriana (a menudo conectadas con series) para convertir AC a DC y respaldo. Estos sistemas pueden transmitir gigavatios de potencia activados por encima de energía continentales con bajas pérdidas que la válvulas de AC.

Papel en los inversores solares

Topologías Inverter para PV Solar

Los inversores solares se clasifican en tres categorías principales: inversores de cadena (hasta ~150 kW), inversores centrales (100 kW a varios MW), y microinverters (<1 kW). Thyristors are most relevant in inverters centrales, donde los niveles de tensión superan los 1.000 VDC y las calificaciones de potencia alcanzan múltiples megavatios. La topología clásica es una configuración de tres fases que se llama invers

En un inversor de línea, el voltaje de red AC proporciona el voltaje de conmutación para apagar el titrador saliente. Esta conmutación natural elimina la necesidad de circuitos auxiliares de desvío, reduciendo el conteo de componentes y el costo. Sin embargo, los invertidos de línea-commutados consumen energía reactiva (factor de potencia de carga) y generan armónicos de baja orden.

Invertentes autocommutados con tiradores

Para aplicaciones descompuestas o despreocupadas, se requieren invertidores autocommutados porque no existe tensión de red para apagar los tirisores. Aquí, conmutación forzada se añaden circuitos: un condensador auxiliar e inductor crean un pulso actual que extingue el tiristor principal. Este enfoque aumenta la complejidad y el coste, por lo que a menudo se invierten los sistemas de tu diseñador

Topologías híbridas y tendencias modernas

Los inversores centrales modernos utilizan cada vez más Invertores de fuentes de tensión basados en la IGT (VSI) para mejorar la calidad de la energía y la respuesta dinámica. Sin embargo, los tirisores todavía ocupan un nicho en la etapa DC-to-DC (por ejemplo, en los convertidores de puentes duales) y en [FLT]

Ventajas y limitaciones de los tirisores

Ventajas

  • Manejo de alta potencia: Los tirisores pueden bloquear miles de voltios y conducir miles de amplificadores con una caída de tensión de avance de sólo 1–2 V. Esto los hace extremadamente eficientes en aplicaciones de alta corriente.
  • Pérdidas de conducción: Una vez restringida, el voltaje en el estado es inferior al de un IGBT o MOSFET de potencia de calificación similar, mejorando la eficiencia del sistema global.
  • Excelente oleaje: Los tirisores pueden sobrevivir a oleadas actuales hasta 10 veces su corriente nominal para unos pocos ciclos, lo cual es crítico para el viaje de falla de la red.
  • Efectivo: Para las calificaciones superiores a 1.000 V y 500 A, los tirisores son significativamente menos costosos por cada am de los módulos IGBT.
  • Robustness: Los tirisores son menos susceptibles a picos de descarga electrostática y tensión que los dispositivos aislados por puerta, simplificando el embalaje y la protección.

Limitaciones

  • No se puede apagar la puerta: Los SCR estándar no pueden ser apagados por la puerta; confían en las condiciones de circuito para conmutar. Esto complica el control en topologías auto-commutadas.
  • Frecuencia de conmutación limitada: Los tirisores suelen limitarse a menos de 2 kHz debido a la pérdida de tiempo de desvío y de recuperación. Los GTOs modernos y los IGCT pueden alcanzar unos pocos kHz, pero todavía están retrasados por los IGBTs (hasta 20 kHz).
  • Consumo de energía reactiva: Los inversores conmutados por líneas siempre operan con un factor de potencia de carga, que requiere equipo de compensación de energía reactiva.
  • Las pérdidas de conmutación más elevadas: Los circuitos de conmutación forzados necesarios para los inversores autocommutados agregan pérdidas y complejidad.

Futuros aspectos

Tecnologías de Tiristor avanzadas

La investigación en semiconductores de banda ancha (silicon carbide – SiC, y nitrido de gallium – GaN) ha producido dispositivos similares a los de turistor: el giro de puerta de ⁇ strong SiC (GTO) seleccionado/stronglón y el ⁇ strong ConfesioSiC PiN diode obtenidos/fuertenglado. SiC tus kilorisores pueden operar a temperaturas superiores a 300 °C

Dentro de la tecnología de silicio, el tristor integrado de puerta (IGCT)] ha surgido como una opción líder para invertores de 2-10 MW. Los IGCT combinan el voltaje de baja conducción de un tisristor con la capacidad de desvío de un IGBT, utilizando un controlador de puerta de baja densidad para extraer rápidamente los portadores de energía.

Control digital e integración de agarre

Los procesadores avanzados de señal digital y los arrays de puerta programables de campo (FPGAs) han permitido algoritmos de control predictivos] para convertidores basados en tiristor. Estos controladores optimizan los ángulos de disparo en tiempo real para minimizar los armónicos, mejorar el factor de potencia y apoyar la estabilidad de la red durante los cambios de tensión.

La arquitectura convertidor multinivel modular (MMC), ya dominante en HVDC, está empezando a penetrar el mercado de inversor solar y eólico. Los MMC utilizan cientos de submodules, cada uno con un medio puente (normalmente con IGBTs). Sin embargo, los investigadores están desarrollando submodules híbridos que sustituyen a los tirisores de potencia para las pérdidas tempranas muestran resultados para reducir la eficiencia.

Integración con Almacenamiento de Energía e Hidrógeno

Los tiradores también permiten aplicaciones emergentes como potencia a gas] y electrolisis de hidrógeno verde. Los electrolizadores para la producción de hidrógeno requieren grandes corrientes de DC (10–50 kA) a baja tensión (1–2 V por célula).

Conclusión

Los tirisores están lejos de ser obsoletos en el paisaje de energía renovable. Mientras que los IGBT y MOSFET han capturado segmentos de potencia inferior, los tirisores siguen dominando los niveles de potencia más altos debido a su combinación inigualable de bloqueo de tensión, carga actual y robustez. Desde invertidores de energía solar de escala utilidad y convertidores de turbina a la transmisión de HVDC y electrolisis de hidrógeno probatidos, los tiristos

Para más información sobre las aplicaciones de turistor en electrónica de energía, consulte la Revisión de la Sociedad de Electrónica de Energía de alta potencia de dispositivos semiconductores, la NREL guía de tecnologías de inversor solar, y Hitachi Energy [VDC documentación de titr]