Con el rápido aumento de la población mundial en la última década, que ya ha superado los 8000 millones, la demanda de energía también está experimentando un crecimiento similar. Para el 2040, se espera que la demanda mundial de energía aumente alrededor de un 19 %. De esta cifra, el 40 % de las necesidades energéticas actuales son en forma de energía eléctrica y alcanzarán el 60 % en 2040, por lo que supondrán más de la mitad de la demanda energética total.
En la actualidad, más de la mitad de la demanda mundial de electricidad se satisface con combustibles fósiles, lo que provoca efectos adversos en el entorno natural. La quema de combustibles fósiles aumenta la emisión de gases de efecto invernadero, lo que provoca un incremento en el calentamiento global que supone un enorme riesgo para la vida de los seres humanos y otras especies de la Tierra.
Los efectos del calentamiento global han hecho crecer el interés por adoptar fuentes de energía más ecológicas y renovables, como la solar, la eólica y la hidráulica. Todas estas fuentes están disponibles en gran cantidad en la naturaleza, y producen subproductos como el agua, que también son inocuos y pueden reutilizarse para otras aplicaciones. Incluso con las ventajas de estas fuentes renovables, el desarrollo de su participación en el mercado parece ser muy lento en comparación con los combustibles fósiles. Esto se debe sobre todo al desajuste de la demanda de energía y a la utilización de las centrales de gas o de carbón como amortiguador para hacer frente a estas variaciones.
En última instancia, el objetivo es utilizar la energía de forma sostenible y minimizar el despilfarro energético en la medida de lo posible. El desarrollo de tecnologías y estrategias para el ahorro de energía se convierte en algo crucial para hacer frente a este problema, ya que no podemos depender solo de las fuentes renovables. Según la Asociación Canadiense de Productores de Petróleo (CAPP, por sus siglas en inglés), el mundo habría tenido que utilizar el doble de energía para satisfacer la demanda actual si no fuera por las continuas mejoras en la eficiencia energética. Con los convertidores de eficiencia energética basados en la electrónica de potencia, la eficiencia de la conversión de energía puede alcanzar hasta el 99 por ciento en algunos casos, lo que se explica más adelante.
Pérdidas de energía desde la generación hasta la utilización. (Crédito de la imagen: reasearchgate.net)
Electrónica de potencia en los accionamientos de velocidad ajustable (ASD)
La mayoría de las aplicaciones que implican un movimiento físico tendrán un motor eléctrico que alimenta todo el sistema mecánico. Solo los motores eléctricos consumen más del 40 % de la energía eléctrica total. La cuota de energía de los motores es aún mayor en las industrias, con alrededor del 65 %, debido a aplicaciones como cintas convertidoras, ascensores, sistemas de control de movimiento, etc. Algunas aplicaciones requieren velocidad y par de torsión variables, que es donde los ASD son más eficientes, mientras que otras aplicaciones con perfiles de carga constantes tienen diferentes tipos de accionamientos. Por lo tanto, existe una gran oportunidad para reducir el consumo mundial de energía mediante la creación de sistemas de conducción de motores eficientes desde el punto de vista energético.
En comparación con los accionamientos de motor tradicionales, los basados en la electrónica de potencia consumen mucha menos energía, ya que se minimiza la pérdida de energía en forma de calor. Incluso los arrancadores tradicionales para motor, como los basados en bancos de resistores, no son muy eficientes y ofrecen un rendimiento pobre según las normas actuales. Con la introducción de componentes electrónicos de potencia de estado sólido, como tiristores, SCR, IGBT y MOSFET, se han desarrollado arrancadores de motor eficientes y fáciles de actualizar. El arrancador de tensión reducida para motores de inducción SMCV6080 de Celduc Relais es uno de esos productos que ofrece funciones de arranque y parada suaves. Utiliza seis tiristores para proporcionar un control suave del motor. Con los microcontroladores integrados, este arrancador también puede ofrecer funciones de diagnóstico y autocomprobación.
Iluminación de bajo consumo con electrónica de potencia
Los sistemas de iluminación son el siguiente gran consumidor de energía eléctrica debido a su uso continuo durante la noche e incluso durante el día, especialmente en lugares con menos luz solar. La iluminación eléctrica representa alrededor del 22 % del consumo mundial de energía eléctrica y, por tanto, tiene un enorme potencial de ahorro energético. Se puede ahorrar un mínimo del 20 por ciento de la energía mediante el uso de controladores de iluminación basados en la electrónica de potencia, y el ahorro de energía puede aumentar aún más utilizando soluciones de control inteligente basadas en el IoT. Tras la introducción de la primera ampolleta incandescente en 1879, las tecnologías destinadas a crear fuentes de iluminación han avanzado mucho, siendo la luz LED la más eficiente y la más reciente.
Los dispositivos electrónicos de potencia como los TRIACS se utilizan para desarrollar controladores regulables que tienen la capacidad de controlar tanto las ampolletas incandescentes como las luces LED para ahorrar costos. Los controladores LED basados en la Modulación por ancho de pulsos (PWM) se utilizan para lograr la capacidad de atenuar la luz mediante el control preciso de la salida de corriente. Los avances en la electrónica de potencia han permitido que los circuitos integrados de los controladores LED sean más pequeños que la punta de los dedos. El ILD6150XUMA1 de Infineon Technologies es uno de esos controladores LED compactos para LED de alta potencia. Proporciona un control de regulación analógico de Modulación por ancho de pulsos (PWM), y cuenta con una protección ajustable contra la sobretemperatura, ya que los LED de alta potencia generan mucho calor.
Electrónica de potencia basada en la brecha de banda ancha
La electrónica de potencia puede aplicarse en casi todos los casos en los que interviene la energía eléctrica. Por ello, la selección de los materiales adecuados para los dispositivos semiconductores también desempeña un papel fundamental. En las últimas décadas, el silicio (Si) ha sido la opción preferida para desarrollar estos dispositivos debido a su bajo costo y a su amplia capacidad de manejo de tensión y corriente. Mientras tanto, con la tecnología empujando más hacia tamaños más pequeños y una mayor eficiencia, los dispositivos de silicio han alcanzado sus límites.
Comparación del rendimiento de Si, GaN y SiC. (Crédito de la imagen: reasearchgate.net)
El SiC (carburo de silicio) y el GaN (nitruro de galio) se perfilan como tecnologías prometedoras que ofrecen muchas ventajas y pueden sustituir al silicio. El GaN ofrece una capacidad de conmutación de alta frecuencia y un ancho de banda de 3,2 eV, mientras que el ancho de banda del Si es de sólo 1,1 eV. Por otro lado, el SiC se caracteriza por su capacidad de alta temperatura y alta tensión junto con un ancho de banda más alto en comparación con el Si. Todos estos factores hacen que el SiC y el GaN sean el futuro de los semiconductores y se utilicen para desarrollar dispositivos como los MOSFET. El transistor de GaN GS065011 de GaN Systems es un ejemplo de uno de estos dispositivos que se beneficia de las disposiciones de celdas patentadas de Island Technology. Ofrece una resistencia térmica muy baja de 150 mΩ, lo que permite una conmutación de potencia de alta eficiencia para aplicaciones como controladores LED, carga de baterías, accionamientos de motores, etc.
Perspectivas futuras de los equipos de electrónica de potencia
No hay duda de que la humanidad depende ahora por completo de la electricidad para mantener el mundo en funcionamiento. Esto crea un potencial casi inagotable para la investigación de dispositivos electrónicos de potencia con mayor rendimiento y eficiencia para conseguir que los equipos electrónicos funcionen lo más cerca posible de las condiciones ideales. Por otro lado, la sostenibilidad se convierte en un aspecto importante a tener en cuenta, ya que materiales como el silicio y el galio son limitados en el medio ambiente. A medida que aumente el rendimiento, también aumentará la demanda de estos convertidores, lo que llevará a la explotación de las materias primas. Por lo tanto, equilibrar las dos partes del aumento del ahorro energético mediante la energía eficiente será una cuestión que habrá que estudiar en el futuro.
