rectificación activa

La rectificación activa , o rectificación síncrona , es una técnica para mejorar la eficiencia de la rectificación mediante la sustitución de diodos por interruptores controlados activamente, generalmente MOSFET de potencia o transistores bipolares de unión (BJT) de potencia. ^{[ 1 ]} Mientras que los diodos semiconductores normales tienen una caída de tensión aproximadamente fija de alrededor de 0,5 a 1 voltio, los rectificadores activos se comportan como resistencias y pueden tener una caída de tensión arbitrariamente baja.

Históricamente, los interruptores accionados por vibrador o los conmutadores accionados por motor también se han utilizado para rectificadores mecánicos y rectificación síncrona. ^{[ 2 ]}

La rectificación activa tiene muchas aplicaciones. Se utiliza frecuentemente en conjuntos de paneles fotovoltaicos para evitar el flujo de corriente inversa que puede causar sobrecalentamiento con sombreado parcial, minimizando al mismo tiempo la pérdida de potencia. También se utiliza en fuentes de alimentación conmutadas (SMPS). ^{[ 1 ]}

La caída de tensión constante de un diodo de unión pn estándar suele estar entre 0,7 V y 1,7 V, lo que provoca una pérdida de potencia significativa en el diodo. La potencia eléctrica depende de la corriente y la tensión: la pérdida de potencia aumenta proporcionalmente a ambas.  

En convertidores de baja tensión (alrededor de 10 voltios o menos), la caída de tensión de un diodo (típicamente de 0,7 a 1 voltio para un diodo de silicio a su corriente nominal) afecta negativamente a la eficiencia. Una solución clásica consiste en sustituir los diodos de silicio estándar por diodos Schottky , que presentan caídas de tensión muy bajas (tan bajas como 0,3 voltios). Sin embargo, incluso los rectificadores Schottky pueden tener pérdidas significativamente mayores que los síncronos, especialmente a altas corrientes y bajas tensiones.   

Al trabajar con convertidores de muy bajo voltaje, como una fuente de alimentación convertidora reductora para la CPU de una computadora (con una tensión de salida de alrededor de 1  voltio y una corriente de salida de varios amperios ), la rectificación Schottky no proporciona la eficiencia adecuada. En tales aplicaciones, se hace necesaria la rectificación activa. ^{[ 1 ]}

La sustitución de un diodo por un elemento de conmutación controlado activamente, como un MOSFET, es la base de la rectificación activa. Los MOSFET presentan una resistencia constante muy baja durante la conducción, conocida como resistencia de encendido (R _DS(on) ). Un MOSFET moderno típico tiene una resistencia de encendido inferior a un ohmio, y muchos dispositivos de alto rendimiento presentan especificaciones del orden de 10  mΩ o menos. ^{[ 3 ]} La caída de tensión a través del transistor es entonces mucho menor, lo que reduce la pérdida de potencia y aumenta la eficiencia. Sin embargo, la ley de Ohm rige la caída de tensión a través del MOSFET, lo que significa que, a altas corrientes, la caída puede superar la de un diodo. Esta limitación se suele solucionar colocando varios transistores en paralelo, reduciendo así la corriente que circula por cada uno, o utilizando un dispositivo con mayor área activa (en los FET, un dispositivo equivalente al paralelo).

Los circuitos de control para la rectificación activa suelen utilizar comparadores para detectar la tensión de entrada de CA y activar los transistores en el momento preciso para permitir el flujo de corriente en la dirección correcta. La sincronización es crucial, ya que debe evitarse un cortocircuito en la alimentación de entrada, que puede producirse fácilmente si un transistor se activa antes de que otro se haya desactivado. Los rectificadores activos también necesitan los condensadores de filtrado presentes en los sistemas pasivos para proporcionar una alimentación más estable que la que ofrece la rectificación por sí sola.

El uso de la rectificación activa para implementar la conversión CA/CC permite que un diseño experimente mejoras adicionales (con mayor complejidad) para lograr una corrección activa del factor de potencia , lo que obliga a que la forma de onda de la corriente de la fuente de CA siga la forma de onda de la tensión, eliminando las corrientes reactivas y permitiendo que el sistema total alcance una mayor eficiencia.

Un MOSFET controlado activamente para actuar como rectificador —que se activa activamente para permitir el paso de la corriente en una dirección, pero se desactiva activamente para impedir que la corriente fluya en la dirección opuesta— a veces se denomina diodo ideal .

El uso de estos diodos ideales en lugar de diodos estándar para la derivación de paneles solares eléctricos , la protección contra polaridad inversa de la batería o los rectificadores de puente reduce la cantidad de potencia disipada en los diodos, mejorando la eficiencia y reduciendo el tamaño de la placa de circuito y el peso del disipador de calor necesario para gestionar la disipación de potencia. ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]}

Este tipo de diodo ideal basado en MOSFET no debe confundirse con un superdiodo basado en amplificador operacional , a menudo denominado rectificador de precisión.

Ver puente H.

• T. Grossen, E. Menzel, JJR Enslin. (1999) Rectificador activo reductor trifásico con corrección del factor de potencia y baja EMI. IEE Proceedings - Electric Power Applications, Vol. 146, Iss. 6, noviembre de 1999, pp.  591–596. Identificador de objeto digital: 10.1049/ip-epa:19990523 .
• W. Santiago, A. Birchenough. (2005). Rectificación pasiva monofásica frente a rectificación activa aplicada a motores Stirling de alta potencia . AIAA 2005-5687.