Cómo accionar MOSFET e IGBT de sistema en chip (SiC) con precisión, eficiencia y protección

A medida que los sistemas de potencia evolucionan para satisfacer las demandas de los vehículos eléctricos (VE), las energías renovables y la automatización industrial, se convierten en un desafío cada vez mayor para los diseñadores a la hora de equilibrar la eficiencia, el rendimiento y la seguridad. Si bien la integración de componentes de alto voltaje, como los transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) y los transistores de efecto de campo de metal-óxido-semiconductor (MOSFET) de carburo de silicio (SiC), es un paso fundamental para lograr este equilibrio, estos dispositivos requieren controladores de compuerta que puedan ofrecer un control preciso, una conmutación rápida y mecanismos de protección resistentes.

Este artículo explora los desafíos asociados a la conducción de los modernos sistemas de potencia, haciendo hincapié en las topologías de medio puente. Presenta a continuación el controlador de compuerta y una placa de evaluación de Infineon Technologies que puede ayudar a superar estos desafíos.

Desafíos de diseño de las topologías modernas de medio puente

Los sistemas de potencia se enfrentan a desafíos cada vez mayores a medida que la industria avanza hacia una mayor frecuencia de conmutación, un voltaje elevado y la adopción de semiconductores de banda ancha prohibida (WBG). Si bien estos avances permiten una mayor eficiencia, suponen grandes exigencias para el controlador de compuerta.

Consideremos la topología de medio puente, que se ha convertido en estándar en muchas aplicaciones, para ilustrar la escalada de requisitos. Los circuitos de medio puente son esenciales en los sistemas de accionamiento del cargador y del motor integrados de CC a CC de los vehículos eléctricos. Permiten el flujo de potencia bidireccional, que es fundamental tanto durante el funcionamiento normal del motor (flujo de potencia hacia delante) como durante el frenado regenerativo (flujo de potencia hacia atrás). La transición a arquitecturas de 800 V en las plataformas de VE más recientes intensifica la necesidad de contar con mecanismos fiables de aislamiento y protección al tiempo que se mantiene la precisión de conmutación.

Para los sistemas de energía renovable, los diseños de media potencia son fundamentales para el inversor trifásico necesario para la integración en la red. Las frecuencias de conmutación más altas utilizadas con los MOSFET de carburo de silicio (SiC) y los IGBT aumentan la eficiencia, pero exacerban los problemas de tensión de modo común tanto en los interruptores de lado alto como en los de lado bajo, generando una importante interferencia electromagnética (EMI) que puede comprometer el rendimiento del sistema y potencialmente infringir las normas reglamentarias.

Los motores industriales se enfrentan a desafíos adicionales, como mantener el voltaje equilibrado del bus de CC en los capacitores divididos. La tendencia hacia diseños más compactos y con mayor densidad de potencia aumenta las dificultades de gestión térmica y las preocupaciones por el ruido eléctrico.

En todas estas aplicaciones, los diseñadores necesitan soluciones de controlador de puerta que ofrezcan un control preciso, capacidades de conmutación rápida y funciones de protección integrales, al tiempo que proporcionan un aislamiento sólido entre los circuitos de alta y baja tensión..

Un controlador de compuerta de doble canal construido para IGBT y MOSFET

La serie EiceDRIVER 2ED314xMC12L de Infineon Technologies (Figura 1) aborda estos desafíos con un diseño de doble canal diseñado para controlar IGBT y MOSFET. Todos los miembros de la serie ofrecen un funcionamiento de canal independiente con control de tiempo muerto (DTC) para permitir que el dispositivo 2ED314xMC12L funcione como un controlador de lado bajo de doble canal, un controlador de lado alto de doble canal o un controlador de compuerta de media potencia.

Figura 1: la serie 2ED314xMC12L tiene un funcionamiento de canal independiente con DTC, lo que permite que los dispositivos funcionen como controlador de doble canal de lado bajo, controlador de doble canal de lado alto o controlador de compuerta de medio canal. (Fuente de la imagen: Infineon Technologies)

En una configuración de medio puente, la arquitectura de doble canal permite que un único CI controlador de puerta controle de manera eficiente los interruptores de lado alto y de lado bajo Esta integración simplifica el diseño de la placa de circuito impreso (placa de CI), reduce el número de componentes y admite características de sincronización coincidentes entre canales, lo cual es fundamental para mantener un DTC adecuado y evitar condiciones de disparo.

Una ventaja clave de la serie 2ED314xMC12L es el aislamiento galvánico mediante la tecnología de transformador sin núcleo. Este enfoque proporciona una transmisión de señal rápida con alta inmunidad contra EMI, lo que es esencial en entornos eléctricamente ruidosos como los vehículos eléctricos.

La capacidad de aislamiento está certificada según las normas UL 1577, proporcionando 6.84 kV de valor cuadrático medio (kV_RMS) para 1 segundo y 5.7 kV_RMS para 1 minuto. Este sólido nivel de aislamiento es crucial para proteger frente a transitorios de alta tensión en aplicaciones como los sistemas de energía renovable, en los que el inversor conectado a la red debe soportar subas de tensión a escala de la red pública.

Conmutación de alta salida y precisión

La serie 2ED314xMC12L rinde bien en varias referencias relevantes, empezando por la corriente de salida pico de 6.5 A. Esta alta salida es especialmente beneficiosa para los MOSFET de SiC, que requieren una fuerte señal de accionamiento de puerta para una conmutación eficiente.

Otra característica clave es un retardo de propagación de 39 ns, que permite un control preciso de la temporización. Esta es una consideración importante para aplicaciones como la automatización industrial, donde la velocidad del motor y el control del torque dependen de una conmutación de alta precisión.

Un retardo de propagación ajustado de pieza a pieza de 8 ns como máximo significa que cuando se utilizan varios circuitos integrados de controlador, como en un accionamiento de motor trifásico, las diferencias de temporización entre las piezas serán mínimas. Un retardo de propagación de canal a canal aún más ajustado, de 5 ns como máximo, ayuda a evitar que se produzcan disparos entre los interruptores de cada medio puente.

Por último, un índice de inmunidad a transitorios en modo común (CMTI) de más de 200 kV por microsegundo (kV/µs) ayuda a evitar falsos disparos debidos a transitorios de tensión. En las aplicaciones de energías renovables, por ejemplo, una alta inmunidad a los transitorios favorece el funcionamiento estable durante las fluctuaciones de la red y los cambios repentinos en el flujo de energía.

Características de fiabilidad para un funcionamiento estable

La serie 2ED314xMC12L incorpora múltiples características de protección para garantizar un funcionamiento fiable en aplicaciones de potencia exigentes. Cada característica aborda problemas de fiabilidad específicos que surgen en entornos de conmutación de alto voltaje.

Las salvaguardias necesarias son el apagado activo y el bloqueo por cortocircuito. Estos mecanismos protegen contra disparos a través de corrientes en configuraciones de medio puente donde los dos interruptores de potencia se apilan entre el voltaje de bus de CC. Si ambos interruptores se activaran simultáneamente, el cortocircuito resultante podría dañar los componentes o apagar el sistema.

Otra característica destacable es la protección contra bloqueo por subvoltaje (UVLO), que crea una "banda muerta" de histéresis en la que el estado permanece estable a pesar de pequeñas fluctuaciones de voltaje, evitando la oscilación en el umbral. En los sistemas de energía solar, por ejemplo, UVLO proporciona un funcionamiento estable en condiciones de nubosidad parcial, evitando interrupciones innecesarias. Algunas variantes ofrecen UVLO entre 8.5 V y 9.3 V, mientras que otras proporcionan protección entre 12.5 V y 13.6 V.

También hay opciones disponibles con un pin de activación, que aporta una capa adicional de control para situaciones de apagado de emergencia. En estas variantes, cada pin de entrada digital incluye una resistencia pull-down, lo que garantiza que si un pin se desolda o desconecta, pasa por defecto a un estado seguro con el canal desactivado. Esta característica es especialmente relevante en aplicaciones de alta fiabilidad en las que la integridad del sistema debe mantenerse incluso en caso de fallos inesperados.

Existen variantes con pines de desactivación para aplicaciones que priorizan un menor consumo de corriente y un control simplificado. Estos modelos permiten que el controlador de puerta permanezca activo por defecto, lo que reduce el consumo de energía en modo de espera y simplifica el diseño del sistema.

Ejemplos de las opciones disponibles son el 2ED3140MC12L, que ofrece UVLO con histéresis entre 8.5 V y 9.3 V y un pin de desactivación. Por el contrario, el 2ED3146MC12L proporciona UVLO entre 12.5 V y 13.6 V y un pin de activación.

Envasado eficaz y fiable

La serie se ofrece en un paquete PG-DSO-14-71 (Figura 2). El paquete de montaje superficial mide 10.3 x 7.5 milímetros (mm), unas dimensiones notablemente compactas para un excitador de alta potencia y doble canal. En aplicaciones de vehículos eléctricos, este paquete ahorra un valioso espacio en la cadena cinemática.

Figura 2: La serie 2ED314xMC12L se ofrece en un paquete compacto PG-DSO-14-71. (Fuente de la imagen: Infineon Technologies)

A pesar de su reducido tamaño, todas las variantes ofrecen una separación suficiente para un funcionamiento seguro: 8 mm de distancia de entrada a salida y 3.3 mm de distancia de fuga y separación entre canales. Estas dimensiones satisfacen los requisitos de aislamiento manteniendo el factor de forma compacto necesario en diseños con limitaciones de espacio.

Empieza con una placa de evaluación

Para agilizar las pruebas y el desarrollo, Infineon Technologies ofrece la placa de evaluación EVAL-2ED3146MC12L (Figura 3). Esta placa de medio puente está diseñada para mostrar la funcionalidad y las capacidades del CI del controlador de compuerta aislado 2ED3146MC12L.

Figura 3: La placa de evaluación EVAL-2ED3146MC12L proporciona una configuración de medio puente para evaluar el 2ED3146MC12L. (Fuente de la imagen: Infineon Technologies)

Además del controlador de compuerta, la placa de evaluación incluye dos MOSFET de trinchera CoolSiC IMZA120R020M1HXKSA1 de Infineon Technologies, así como un CI de controlador de transformador 2EP130R de Infineon Technologies para la fuente de alimentación integrada. Estos componentes son adecuados para fines de evaluación y representan opciones prácticas para diseños del mundo real.

Los MOSFET de SiC presentan una tensión nominal de drenaje a fuente de 1200 V, muy por debajo de la capacidad del 2ED314xMC12L para controlar dispositivos de potencia de 600 V a 2300 V. Los requisitos de voltaje de accionamiento de puerta de 18 V de estos MOSFET se satisfacen cómodamente con el voltaje de salida de alimentación máximo absoluto de 35 V del 2ED314xMC12L. La baja resistencia en estado encendido de los MOSFET, de 19 mΩ a +25 °C, minimiza las pérdidas por conducción.

Con una capacidad máxima de disipación de potencia de 375 W a +25 °C y un rango de temperatura de funcionamiento de -55 °C a +175 °C, estos MOSFET se ajustan a los requisitos de aplicaciones electrónicas de potencia de alto rendimiento. El rápido retardo de propagación de 39 ns del controlador de puerta y el elevado CMTI de 200 kV/μs permiten una conmutación eficiente a alta frecuencia, al tiempo que mantienen un funcionamiento fiable en todo el rango de temperaturas de los MOSFET.

El controlador de transformador 2EP130R complementa al controlador de compuerta con su amplio rango de frecuencias de conmutación de 50 a 695 kilohercios (kHz), trabajando conjuntamente con el rápido retardo de propagación del 2ED3146MC12L. El ajuste de alta precisión del ciclo de trabajo del controlador del transformador (del 10% al 50%) se combina perfectamente con las precisas características de temporización del controlador de puerta, una combinación crucial para mantener un tiempo muerto óptimo en configuraciones de medio puente.

Conclusión

La serie EiceDRIVER 2ED314xMC12L de Infineon Technologies ofrece el equilibrio entre las características de eficiencia, rendimiento y seguridad necesarias para aplicaciones de alto voltaje en vehículos eléctricos, energías renovables y automatización industrial. El paquete compacto PG-DSO-14-71 admite diseños con limitaciones de espacio, mientras que la placa de evaluación EVAL-2ED3146MC12L permite realizar pruebas rápidas.