Cómo seleccionar y empezar a utilizar controladores Power-Device

Todo dispositivo de conmutación de potencia discreto necesita un controlador, ya sea un transistor discreto de efecto de campo de silicio y óxido de metal (MOSFET), un MOSFET de carburo de silicio (SiC), un transistor bipolar de puerta aislada (IGBT) o un módulo. El controlador es el componente de interfaz o "puente" entre la salida de bajo voltaje y baja corriente del procesador del sistema que funciona en un escenario controlado y benigno y el accidentado mundo del dispositivo de conmutación con sus estrictos requisitos de corriente, voltaje y temporización.

Seleccionar el controlador adecuado para el dispositivo de conmutación es un reto para los diseñadores debido a la idiosincrasia del dispositivo de potencia y a las inevitables parásitas en el circuito y el diseño. Requiere una cuidadosa consideración de los parámetros del tipo de interruptor [silicio (Si) o carburo de silicio (SiC)] y de la aplicación. Los fabricantes de dispositivos de potencia suelen sugerir e incluso ofrecer controladores adecuados, pero algunos factores relacionados con los controladores deben ajustarse a las particularidades de la aplicación.

Aunque en la mayoría de los casos se puede seguir un procedimiento lógico básico para hacerlo, algunos de los ajustes, como el valor de la resistencia/resistor de accionamiento de puerta, se determinan mediante un análisis iterativo y también deben verificarse mediante pruebas y evaluaciones prácticas. Estos pasos pueden añadirse a un proceso ya de por sí complejo y ralentizar un diseño sin una orientación clara.

Este artículo analiza brevemente el papel del controlador de compuerta. A continuación, ofrece una guía para la selección del controlador y los pasos necesarios para garantizar la compatibilidad con el dispositivo de conmutación de potencia elegido. Presenta dispositivos ejemplares de menor y mayor potencia de Infineon Technologies AG para ilustrar los puntos clave, junto con placas y kits de evaluación asociados.

El papel del controlador de compuerta

En términos más sencillos, un controlador de compuerta es un amplificador de potencia que acepta una entrada de bajo nivel y baja potencia procedente de un CI controlador (normalmente un procesador) y produce el accionamiento de compuerta de alta intensidad adecuado a la tensión necesaria para encender y apagar el dispositivo de potencia. Detrás de esta sencilla definición se esconde un complejo mundo de tensión, corriente, velocidades de precesión, parásitos, transitorios y protección, entre otras cuestiones. El controlador debe ajustarse a las necesidades del sistema y accionar con precisión el interruptor de potencia, sin sobrecrestas ni pitidos, aunque las parásitas y los transitorios sean cada vez más difíciles a medida que aumentan las velocidades de conmutación.

Los controladores pueden utilizarse en distintas configuraciones. Entre los más comunes se encuentran el controlador simple de lado bajo, el controlador simple de lado alto y el controlador doble de lado alto/lado bajo.

En el primer caso, el dispositivo de alimentación (interruptor) está conectado entre la carga y tierra, mientras que la carga está entre la vía de alimentación y el interruptor (Figura 1). (Tenga en cuenta que esta toma de tierra debería denominarse más correctamente "común", ya que no existe una toma de tierra propiamente dicha, sino que se trata de un punto común del circuito que define el punto de 0 voltios).

Figura 1: En la configuración de lado bajo, el controlador y el interruptor se colocan entre la carga y la masa/común del circuito. (Fuente de la imagen: Infineon Technologies AG)

En la disposición complementaria de lado alto, el interruptor está conectado directamente al carril de alimentación, mientras que la carga está entre el interruptor y tierra/común (Figura 2).

Figura 2: La configuración del lado de alta invierte la ubicación del interruptor con respecto a la carga y al carril de alimentación. (Fuente de la imagen: Infineon Technologies AG)

Otra topología muy utilizada es el emparejamiento lado alto/lado bajo utilizado para accionar dos interruptores conectados en puente (Figura 3).

Figura 3: En el emparejamiento combinado lado alto/lado bajo, se accionan alternativamente dos interruptores, con la carga entre ellos. (Fuente de la imagen: Infineon Technologies AG)

¿Y el aislamiento?

La disposición alta/baja requiere la adición de dos funciones de circuito, mostradas en la Figura 4:

Figura 4: La disposición lado alto/lado bajo también requiere una fuente de alimentación flotante para el lado alto y un cambiador de nivel para la señal de control. (Fuente de la imagen: Talema Group)

El controlador superior (lado alto) y el dispositivo de conmutación están "flotando" sin una referencia de tierra, lo que lleva a otro requisito en muchas disposiciones de controlador de compuerta/interruptor de potencia: la necesidad de aislamiento galvánico (óhmico) entre la función del controlador y el interruptor accionado.

Aislamiento significa que no hay camino eléctrico para el flujo de corriente entre los dos lados de la barrera de aislamiento, pero la información de la señal debe seguir pasando a través de ella. Este aislamiento puede realizarse mediante optoacopladores, transformadores o condensadores.

El aislamiento eléctrico entre varios circuitos funcionales de un sistema impide una vía de conducción directa entre ellos, lo que permite que los circuitos individuales posean diferentes potenciales de tierra. La barrera debe soportar toda la tensión del raíl (más un margen de seguridad), que puede oscilar entre decenas y miles de voltios. Por su diseño, la mayoría de los aisladores cumplen sin problemas el mandato de varios miles de voltios o más.

Mientras que los controladores de compuerta de lado alto pueden requerir aislamiento para garantizar un funcionamiento correcto en función de la topología específica, los circuitos de accionamiento de compuerta para inversores y convertidores de potencia suelen requerir aislamiento eléctrico por motivos de seguridad no relacionados con su estado "a tierra". El aislamiento es exigido por las agencias reguladoras y de certificación de seguridad para prevenir los riesgos de descarga asegurando que un alto voltaje literalmente no pueda alcanzar a un usuario. También protege los componentes electrónicos de baja tensión de posibles daños debidos a fallos en el circuito de alta tensión y a errores humanos en el control.

Muchas configuraciones de dispositivos de potencia requieren un circuito de accionamiento de puerta aislado. Por ejemplo, hay interruptores altos y bajos en topologías de convertidores de potencia como las de medio puente, puente completo, buck, forward de dos interruptores y forward de pinza activa porque los controladores de lado bajo no pueden utilizarse para accionar directamente el dispositivo de potencia superior.

Los dispositivos de potencia superiores requieren un controlador de compuerta aislado y señales "flotantes" porque no tienen conexión con el potencial de tierra; si la tuvieran, cortocircuitarían su controlador complementario y su interruptor de potencia. Como resultado de este requisito, y gracias a los avances tecnológicos, existen controladores de compuerta que también incorporan aislamiento, eliminando así la necesidad de dispositivos de aislamiento independientes. Esto, a su vez, simplifica el trazado de alta tensión y facilita el cumplimiento de las normativas.

Ajuste de la relación controlador-dispositivo interruptor

Los CI controladores de compuerta tienen que soportar las altas velocidades de conmutación de los MOSFET de SiC, que pueden alcanzar una velocidad de giro de 50 kilovoltios por microsegundo (kV/µs) o más y conmutar a más de 100 kilohercios (kHz). Los dispositivos Si se accionan con una tensión típica de 12 voltios para encenderse y utilizan 0 voltios para apagarse.

A diferencia de los dispositivos de Si, los MOSFET de SiC suelen necesitar de +15 a +20 voltios para encenderse y de -5 a 0 voltios para apagarse. Por lo tanto, pueden necesitar un CI controlador con entradas dobles, una para el voltaje de encendido y otra para el voltaje de apagado. Los MOSFET de SiC presentan una baja resistencia en estado encendido sólo cuando son accionados por una tensión compuerta-fuente (V_gs) recomendada de 18 a 20 voltios, que es significativamente superior al valor de 10 a 15 voltios de V_gs necesario para accionar los MOSFET de Si o los IGBT.

Otra diferencia entre Si y SiC es que la carga de recuperación inversa (Q_rr) del diodo de cuerpo intrínseco "libre" del dispositivo de SiC es bastante baja. Requieren un accionamiento de puerta de alta corriente para suministrar rápidamente toda la carga de puerta necesaria (Q_g).

Establecer la relación adecuada entre el controlador de compuerta y la compuerta del dispositivo de conmutación es fundamental. Un paso esencial en este sentido es determinar el valor óptimo de la resistencia/resistor de puerta externo, denotado como RG_,ext, entre el controlador y el dispositivo de conmutación (Figura 5). También hay una resistencia de puerta interna dentro del dispositivo de potencia, designada como R_G,int, que está en serie con la resistencia externa, pero el usuario no tiene control sobre este valor, aunque sigue siendo importante.

Figura 5: Es esencial determinar el valor adecuado de la resistencia de compuerta externa entre el controlador y el dispositivo de alimentación para optimizar el rendimiento del par. (Fuente de la imagen: Infineon Technologies AG)

Determinar este valor de resistencia es un proceso de cuatro pasos que suele implicar iteración, ya que algunos aspectos del rendimiento del par deben evaluarse "en el banco" tras el análisis y el modelado. En resumen, el procedimiento general es el siguiente

Paso 1: Determine la corriente de pico (I_g) basándose en los valores de la hoja de datos y seleccione un controlador de compuerta adecuado.

Paso 2: Calcule el valor de la resistencia/resistor externo de puerta (R_G,ext) en función de la oscilación de voltaje de puerta de la aplicación.

Paso 3: Calcule la disipación de potencia prevista (P_D) del CI controlador de compuerta y la resistencia de compuerta externa.

Paso 4: Valide los cálculos en el banco para determinar si el controlador tiene potencia suficiente para accionar el transistor y si la disipación de potencia está dentro de los límites permitidos:

1. Verifique la ausencia de eventos parásitos de encendido desencadenados por los transitorios dv/dt en las peores condiciones.
2. Mida la temperatura del CI controlador de compuerta durante el funcionamiento en estado estacionario.
3. Calcula la potencia de pico de la resistencia y compárala con su valor nominal de un solo impulso.

Estas mediciones confirmarán si las suposiciones y los cálculos dan como resultado un comportamiento de conmutación seguro (sin oscilación, temporización adecuada) del MOSFET de SiC. Si no es así, el diseñador debe repetir los pasos 1 a 4 con un valor ajustado para la resistencia/resistor de puerta externa.

Como en casi todas las decisiones de ingeniería, al seleccionar el valor de un componente hay que tener en cuenta múltiples factores de rendimiento. Por ejemplo, si hay oscilaciones, cambiar el valor de la resistencia/resistor de puerta puede eliminarlas. Aumentar su valor reducirá la velocidad de respuesta de dv/dt, ya que la velocidad del transistor disminuirá. Un valor de resistencia/resistor más bajo provocará una conmutación más rápida del dispositivo SiC, lo que a su vez provocará mayores transitorios dv/dt.

En la Figura 6 se muestra el impacto más amplio de aumentar o disminuir el valor de la resistencia/resistor de compuerta externo sobre las consideraciones críticas de rendimiento del controlador de compuerta.

Figura 6: Aumentar o disminuir el valor de la resistencia/resistor externo de puerta afecta a muchos atributos de rendimiento, por lo que los diseñadores deben evaluar las compensaciones. (Fuente de la imagen: Infineon Technologies AG)

No es necesario comprometerlo.

Aunque el compromiso forma parte del diseño del sistema, los componentes adecuados pueden reducirlo considerablemente. Por ejemplo, los CI de controlador de compuerta EiceDRIVER de Infineon proporcionan alta eficiencia energética, inmunidad al ruido y resistencia. Además, son fáciles de usar con características como protección rápida contra cortocircuitos; detección y protección de fallos de desaturación (DESAT); pinza Miller activa; control de la velocidad de giro; protección contra disparos; protección contra fallos, desconexión y sobrecorriente; y configurabilidad digital I²C.

Los controladores son adecuados tanto para dispositivos de potencia de silicio como de banda prohibida. Van desde controladores de baja potencia, bajo voltaje y no aislados hasta dispositivos aislados de kilovoltios/kilovatios (kV/kW). También hay disponibles controladores dobles y multicanales, una buena opción para algunas situaciones.

Un controlador de compuerta de lado bajo de 25 voltios

Entre la gama de dispositivos, el 1ED44176N01FXUMA1 es un controlador de compuerta de lado bajo de 25 voltios en un encapsulado DS-O8 (Figura 7). Este controlador de MOSFET de potencia de bajo voltaje y transistores bipolares de puerta no inversora (IGBT) incorpora tecnologías CMOS patentadas inmunes a los enganches que permiten su construcción monolítica reforzada. La entrada lógica es compatible con salidas CMOS o LSTTL estándar de 3,3, 5 y 15 voltios e incluye entradas activadas por Schmitt para minimizar los falsos disparos de señal, mientras que el controlador de salida cuenta con una etapa de búfer de corriente. Puede accionar dispositivos de 50 amperios (A)/650 voltios a una frecuencia de hasta 50 kHz, y está dirigido a electrodomésticos e infraestructuras alimentados por la línea de CA, como bombas de calor.

Figura 7: El 1ED44176N01FXUMA1 es un controlador de compuerta en miniatura en un encapsulado DS-08 para aplicaciones de voltaje/energía más bajos que incorpora tecnologías CMOS propias inmunes a los enclavamientos. (Fuente de la imagen: Infineon Technologies AG)

Entre las principales especificaciones del 1ED44176N01FXUMA1 se encuentra una corriente de cortocircuito típica de 0.8 A a 0 voltios, mientras que la corriente de cortocircuito típica de 1.75 A a 15 voltios. Las especificaciones dinámicas críticas incluyen un tiempo de encendido y apagado de 50 nanosegundos (ns) (típico)/95 ns (máximo), mientras que el tiempo de subida del encendido es de 50/80 ns (típico/máximo), y el tiempo de bajada del apagado es de 25/35 ns (típico/máximo).

La conexión del 1ED44176N01F es relativamente sencilla, con un pin para el sentido de la protección contra sobrecorriente (OCP) y una salida de estado FAULT (Figura 8). También hay un pin dedicado para programar el tiempo de borrado de fallos. El pin EN/FLT debe subirse para un funcionamiento normal, mientras que si se baja se desactiva el controlador. La circuitería interna de la patilla V_CC proporciona una protección de bloqueo por subtensión que mantiene la salida baja hasta que la tensión de alimentación V_CC vuelve a estar dentro del rango de funcionamiento requerido. La separación de las masas lógica y de alimentación mejora la inmunidad al ruido.

Figura 8: Con solo ocho pines, el controlador de compuerta 1ED44176N01F es relativamente fácil de conectar al procesador y al dispositivo de alimentación. (Fuente de las imágenes: Infineon Technologies AG)

Aunque es relativamente fácil de conectar, los usuarios de este controlador de compuerta y su dispositivo de alimentación asociado pueden beneficiarse de la placa de evaluación EVAL1ED44176N01FTOBO1 (Figura 9). Con esta placa, los diseñadores pueden seleccionar y evaluar la resistencia de derivación con detección de corriente (R_CS), el filtro de resistencia y condensador (RC) para la protección OCP y contra cortocircuitos, y el condensador de tiempo de borrado de fallos.

Figura 9: La placa de evaluación EVAL1ED44176N01FTOBO1 permite a los diseñadores configurar y medir los puntos de funcionamiento clave del controlador de compuerta con un dispositivo de conmutación asociado. (Fuente de las imágenes: Infineon Technologies AG)

Controlador de compuerta MOSFET de SiC de alto voltaje

A un nivel de tensión mucho más alto que el controlador de compuerta de los electrodomésticos de la línea de CA y sus dispositivos de potencia se encuentra el 1EDI3031ASXUMA1, un controlador de compuerta MOSFET de SiC de 12 A aislado y de un solo canal que tiene un valor nominal de 5700 V_RMS (Figura 10). Este controlador es un dispositivo de alto voltaje diseñado para accionamientos de motores de automoción de más de 5 kW, que admite MOSFET de SiC de 400, 600 y 1200 voltios.

Figura 10: El EDI3031AS es una compuerta MOSFET SiC de 12 A aislada y de un solo canal diseñada para accionamientos de motores de automoción de más de 5 kW. (Fuente de las imágenes: Infineon Technologies AG)

El dispositivo utiliza la tecnología de transformador sin núcleo (CT) de Infineon para aplicar el aislamiento galvánico (figura 11).

Figura 11: Se utiliza un transformador sin núcleo patentado para proporcionar aislamiento galvánico, ilustrado (izquierda) y construido (derecha). (Fuente de las imágenes: Infineon Technologies AG)

Esta tecnología tiene varias características. Permite grandes oscilaciones de tensión de ±2300 voltios o más, ofrece inmunidad contra transitorios negativos y positivos y presenta bajas pérdidas de potencia. Además, cuenta con una transferencia de señal extremadamente robusta que es independiente del ruido en modo común y admite una inmunidad al tránsito en modo común (CMTI) de hasta 300 voltios/ns. Además, su ajustado retardo de propagación proporciona tolerancia y resistencia sin variaciones debidas al envejecimiento, la corriente y la temperatura.

El controlador 1EDI3031ASXUMA1 admite MOSFET de SiC de hasta 1200 voltios, con salida de carril a carril con 12 A de corriente de pico y un retardo de propagación típico de 60 ns. Tiene una CMTI de hasta 150 V/ns a 1000 voltios, y su abrazadera de Miller activa integrada de 10 A admite la conmutación unipolar.

Este controlador en concreto está destinado a inversores de tracción para vehículos eléctricos (VE), VE híbridos (VEH) e inversores auxiliares para ambos. Por este motivo, ha integrado varias características de seguridad para respaldar las clasificaciones de clase ASIL B(D), así como la validación de productos según la norma AEC-Q100. Estas características incluyen DESAT y OCP redundantes; monitorización de la puerta y de la etapa de salida; protección shoot-through; monitorización de la alimentación primaria y secundaria; y supervisión interna. El aislamiento básico de 8 kV cumple la norma VDE V 0884-11:2017-01 y cuenta con el reconocimiento UL 1577.

Debido a su nivel de potencia y para cumplir los requisitos de automoción, el controlador 1EDI3031ASXUMA1 es mucho más que un dispositivo potente, pero "tonto". Además de todas sus características de seguridad, implementa un diagrama de estados para garantizar su correcto funcionamiento (Figura 12). Sus características de diagnóstico "intrusivo" permiten entrar en un "estado seguro" en caso de fallo del sistema.

Figura 12: La sofisticación y la autocomprobación de la integridad del controlador de compuerta 1EDI3031ASXUMA1 quedan claramente ilustradas por el diagrama de estados de sus modos de funcionamiento. (Fuente de la imagen: Infineon Technologies AG)

Los diseñadores que trabajen con el 1EDI3031ASXUMA1 pueden empezar rápidamente con la placa de evaluación 1EDI30XXASEVALBOARDTOBO1 para la familia de controladores de compuerta EDI302xAS/1EDI303xAS EiceDRIVER (Figura 13).

Figura 13: La placa de evaluación 1EDI30XXASEVALBOARDTOBO1 para la familia de controladores de puerta EDI302xAS/1EDI303xAS EiceDRIVER permite a los diseñadores evaluar este controlador de alta potencia con un dispositivo de potencia asociado. (Fuente de las imágenes: Infineon Technologies AG)

Esta versátil plataforma de evaluación presenta una configuración de medio puente, mostrada en la Figura 14. Permite montar el módulo IGBT HybridPACK DSC o un dispositivo de potencia discreto PG-TO247-3.

Figura 14: La placa de evaluación 1EDI30XXASEVALBOARDTOBO1 implementa una disposición de medio puente aislado y puede utilizarse con módulos o dispositivos discretos. (Fuente de las imágenes: Infineon Technologies AG)

La hoja de datos detallada de esta placa de evaluación incluye el esquema, la lista de materiales, los detalles sobre cómo y dónde conectar las distintas conexiones, los detalles de configuración, las secuencias de funcionamiento y las indicaciones de los indicadores LED, entre muchos otros.

Conclusión:

Los controladores de compuerta son la interfaz crítica entre una salida de procesador digital de bajo nivel y baja potencia y los requisitos de alto nivel, alta potencia y alta corriente de la compuerta de un dispositivo de potencia como un MOSFET de Si o SiC. Adaptar correctamente el controlador a las características y requisitos del dispositivo de alimentación es fundamental para conseguir un circuito de conmutación fiable y satisfactorio para sistemas de alimentación como inversores, impulsores de motor y controladores de iluminación. Como se muestra, una amplia y profunda gama de controladores, basados en múltiples tecnologías avanzadas y patentadas y respaldados por placas y kits de evaluación, ayuda a los diseñadores a garantizar una combinación óptima.

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