Aprovechamiento de los controladores de compuerta de medio puente flotante, no aislado y puestos a tierra

Los diseñadores de productos deben equilibrar múltiples limitaciones: huella, costo, fiabilidad y plazo de comercialización. Un desafío clave es seleccionar una fuente de alimentación que se adapte a los reducidos espacios que requieren las aplicaciones modernas.

Las etapas de potencia compactas y de alto rendimiento dependen de soluciones de control de compuerta rápidas y fiables. Estas soluciones varían desde simples controladores de lado bajo hasta versiones totalmente aisladas adecuadas para entornos de alta tensión. Para muchos diseños, un controlador de puerta flotante, no aislado y puestos a tierra ofrece un camino eficiente hacia el éxito.

Los controladores de compuerta actúan como intermediarios entre las señales de control de baja potencia -(a menudo procedentes de un microcontrolador o un controlador de modulación por ancho de pulsos [PWM]) y los interruptores de alta potencia que regulan el flujo de energía. Garantizan una conmutación limpia, rápida y precisa para optimizar la entrega de potencia.

Seleccionar el controlador de puerta adecuado implica evaluar los requisitos de tensión y corriente, la topología y la frecuencia de conmutación. Un excitador bien adaptado mejora la eficiencia, la precisión de la temporización y la estabilidad térmica, todos ellos aspectos críticos para los sistemas compactos de alto rendimiento.

Ventajas de la topología de medio puente

La topología de medio puente es un enfoque muy utilizado en la conversión de potencia moderna, ya que permite una regulación eficaz de la tensión en diseños compactos. Se basa en dos dispositivos de conmutación de alta velocidad -normalmente MOSFET o transistores bipolares de puerta aislada (IGBT)- que alternan la tensión de entrada, alimentando un transformador en diseños aislados o alimentando directamente la carga en sistemas no aislados. Esta topología se valora por su eficiencia y potencial de optimización térmica.

Un CI de controlador de compuerta desempeña un papel crucial en el control de estos interruptores, actuando como interfaz entre el controlador y la etapa de potencia. Traduce las señales PWM en señales de control de alta corriente, garantizando una conmutación rápida y precisa de los transistores de los lados alto y bajo. Este funcionamiento rápido y eficaz minimiza la pérdida de energía y mejora el rendimiento general del sistema.

En un circuito de medio puente, la fuente del MOSFET de lado alto se conecta al nodo de conmutación, que se mueve rápidamente entre masa (0 V) y la tensión de entrada (por ejemplo, 12 V, 48 V, etc.) en función del ciclo de conmutación. Con un controlador de puerta no aislado de tierra flotante, el controlador de lado alto "flota" con la tensión en el nodo de conmutación, lo que permite transiciones limpias y eficientes.

Cuando no es necesario el aislamiento y las prioridades son la compacidad, la velocidad y la eficiencia, los controladores de compuerta de medio puente flotantes, no aislados y puestos a tierra son la solución ideal. Al estar diseñados para controlar conmutadores MOSFET de lado alto y bajo, estos controladores eliminan la complejidad del aislamiento a la vez que garantizan un rendimiento de conmutación preciso. Al no proporcionar separación galvánica entre la lógica de control y la etapa de potencia, funcionan mejor en sistemas en los que todos los componentes comparten una puesta a tierra común.

La generación de la tensión de control de compuerta necesaria para el MOSFET de lado alto suele depender de un capacitor de arranque. Este capacitor se carga cuando el interruptor del lado bajo está activo y suministra energía cuando el interruptor del lado alto se enciende.

Cuando el MOSFET del lado bajo conduce, el nodo de conmutación se pone a tierra, permitiendo que un pequeño circuito de diodo-capacitor cargue el capacitor de arranque desde la línea de alimentación. Cuando el MOSFET de lado alto debe encenderse, el excitador aprovecha esta carga almacenada para conducir la compuerta a una tensión superior a la del nodo de conmutación, a menudo de 10 V a 15 V más.

Los diseñadores deben asegurarse de que el interruptor del lado bajo se encienda con la frecuencia suficiente para recargar el capacitor de arranque. En aplicaciones con ciclos de trabajo elevados, puede ser necesario tomar precauciones adicionales, como seleccionar el valor adecuado del capacitor y minimizar la caída de tensión a través del diodo de arranque.

Al aprovechar la arquitectura de arranque y el seguimiento de la tensión del nodo de conmutación, los controladores de medio puente flotantes, no aislados y puestos a tierra eliminan la complejidad del aislamiento a la vez que garantizan un control sólido del lado de alta. Su sencillez y eficiencia los hacen idóneos para aplicaciones de conmutación de alta frecuencia, como convertidores reductores y elevadores, reguladores síncronos, accionamientos de motores y amplificadores de audio de clase D.

Selección del CI del controlador de compuerta adecuado

Seleccionar el controlador de puerta adecuado es esencial para garantizar un funcionamiento eficaz, fiable y seguro de la etapa de potencia, especialmente en aplicaciones de conmutación de alta velocidad como convertidores reductores, accionamientos de motores y sistemas de energía solar. Aunque los fundamentos de los controles de compuerta se aplican en general, algunos criterios de selección son especialmente críticos en función de los requisitos del sistema.

En la conversión de energía solar y los sistemas alimentados por baterías, por ejemplo, el controlador de puerta debe adaptarse a amplias variaciones de la tensión de entrada y a condiciones de carga cambiantes. Es necesaria una tensión nominal en el lado de alta con suficiente margen para soportar las fluctuaciones de la línea de alimentación y garantizar la fiabilidad a largo plazo.

La inmunidad transitoria en modo común (CMTI) es otra consideración clave. Las conmutaciones rápidas pueden generar grandes diferenciales de tensión entre los MOSFET de alta y baja tensión, lo que provoca ruidos y zumbidos. Los controladores de compuerta con un CMTI alto proporcionan una mayor estabilidad en entornos eléctricamente ruidosos.

La corriente de pico es igualmente importante, sobre todo en aplicaciones de alta potencia. El controlador debe suministrar corriente suficiente para cargar rápidamente la compuerta del MOSFET y superar la capacitancia parásita, reduciendo las pérdidas por conmutación y mejorando el rendimiento térmico.

Por último, el control del tiempo muerto desempeña un papel crucial en las configuraciones de medio puente. Si no se produce un breve retardo entre la desconexión de un interruptor y la activación del otro, se pueden producir disparos en los que los dos MOSFET conducen simultáneamente. Muchos controladores de compuerta incorporan ajustes de tiempo muerto integrados o ajustables para evitar este problema y permitir un funcionamiento seguro y eficaz en condiciones de carga variables.

Familia LTC706x de ADI

La sencillez y la capacidad de conmutación a alta velocidad de los controladores de medio puente flotantes, no aislados y puestos a tierra los convierten en una solución óptima para muchos diseños. Analog Devices, Inc. (ADI) ofrece una gama de dispositivos de alto voltaje con numerosas funciones, diseñados para aplicaciones exigentes.

Los controladores de compuerta de medio puente flotante, no aislados y puestos a tierra LTC706x de ADI (Figura 1) ofrecen soluciones versátiles para satisfacer las demandas de conversión de potencia de alta velocidad y alto voltaje. Destinados a una amplia gama de aplicaciones, desde la automoción hasta el control industrial, estos dispositivos ofrecen un control de temporización estricto, protección contra disparos y una gran potencia de accionamiento en paquetes compactos.

Figura 1: Factor de forma de los controladores de medio puente LTC706x flotantes, no aislados y con puesta a tierra tierra de ADI. (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)

Con una amplia variedad de opciones para adaptarse a los requisitos de voltaje, lógica y diseño, los productos de ADI ayudan a los diseñadores a lograr el equilibrio adecuado entre el rendimiento a nivel de sistema y la simplicidad. Todos admiten MOSFET de canal N para ofrecer una menor resistencia a la conexión (RDS_ON), velocidades de conmutación más rápidas y mayor capacidad de manejo de corriente que los MOSFET de canal P.

Dos dispositivos admiten una tensión de alimentación máxima de 100 V:

• El LTC7060 está optimizado para sistemas que dependen de una única entrada PWM con capacidad triestado, lo que le permite derivar la temporización de accionamiento de compuerta de lado alto y bajo de una línea de control. Esto simplifica las interfaces de los controladores digitales y reduce el número de patillas para su uso en aplicaciones con limitaciones de espacio. El modo de entrada triestado también permite un estado seguro de alta impedancia, lo que aporta una capa de tolerancia a fallos en determinados escenarios de fallo. Es una buena opción para los diseñadores que prefieren la sencillez y la compacidad.
• El LTC7061 está diseñado para aplicaciones que proporcionan entradas de nivel lógico CMOS o TTL independientes para los interruptores de lado alto y bajo. Este enfoque de doble entrada permite una mayor flexibilidad y control sobre la temporización, especialmente valioso en sistemas en los que el tiempo muerto se gestiona externamente mediante un microcontrolador o un controlador PWM. Para los diseñadores que necesitan un control estricto del comportamiento de conmutación o implementar estrategias de temporización personalizadas, el LTC7061 ofrece una interfaz más adaptable con flexibilidad de control para ajustar el rendimiento.

Para aplicaciones en las que las tensiones de entrada superan los 100 V, como accionamientos de motores industriales, rieles de 48 V para automóviles o infraestructuras de alimentación a través de Ethernet, los diseñadores pueden aprovechar las dos opciones que admiten una tensión de alimentación máxima de 140 V:

• El LTC7063 dispone de una entrada PWM de tres estados, que permite el control de los MOSFET de lado alto y bajo a través de una única señal de entrada. Esta configuración simplifica la interfaz de control, ya que el pin PWM determina el estado de los MOSFET en función de su nivel de tensión. Los diseñadores pueden preferirlo para aplicaciones de alta potencia que se benefician de una interfaz de control simplificada, un menor número de patillas y una menor complejidad en el encaminamiento de señales en placas de circuito impreso densas. Una aplicación práctica del LTC7063 es el diseño de un convertidor reductor 2:1 con una carga remota (Figura 2). Esta configuración, que funciona con una alimentación de entrada de hasta 80 V, suministra la mitad de la tensión de entrada (½ V_IN) a una carga máxima de 5 A.

Figura 2: Diseño de un convertidor reductor con carga remota utilizando el controlador de compuerta de medio puente flotante, no aislado y puesto a tierra LTC7063. (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)

• El LTC7066 acepta entradas CMOS/TTL independientes de nivel lógico para los controladores de lado alto y bajo, proporcionando señales de control independientes para cada MOSFET. Esto permite un control preciso y flexible, permitiendo a los diseñadores aprovechar al máximo la temporización, el tiempo muerto y el comportamiento de conmutación. Esto lo hace ideal para sistemas con control digital preciso, como los que utilizan controladores digitales de alto rendimiento o FPGA.

Tanto si funcionan en entornos de baja como de alta tensión, cada dispositivo de la gama incluye protecciones esenciales y parámetros de ajuste que ayudan a los diseñadores a extraer el máximo rendimiento de las etapas de potencia.

Cada producto proporciona una protección adaptable contra el disparo para evitar que los MOSFET de lado alto y de lado bajo conduzcan al mismo tiempo. Además, cada dispositivo admite tiempo muerto ajustable, lo que permite a los diseñadores ajustar con precisión el retardo entre las transiciones de conmutación para minimizar las pérdidas y evitar la conducción cruzada sin sacrificar la eficiencia. Otra característica común es el bloqueo por subtensión (UVLO), que garantiza que el controlador de puerta solo funcione cuando las tensiones de alimentación estén dentro de umbrales seguros.

Desde el punto de vista del rendimiento, todos los dispositivos LTC706x presentan una fuerte impedancia en el circuito del controlador de compuerta, con valores típicos de pull-up de 1.5 Ω y pull-down de 0.8 Ω. Esto permite una carga y descarga rápidas de la compuerta, algo fundamental para una conmutación rápida, un control de temporización ajustado y una reducción de las pérdidas de conmutación en aplicaciones de alta velocidad.

Para aplicaciones con ciclos de trabajo elevados en las que los métodos de arranque convencionales resultan inadecuados, los diseñadores pueden evaluar técnicas alternativas de accionamiento de compuertas. Habrá que considerar las ventajas y desventajas de cada uno en términos de complejidad, eficacia y costo. Los controladores de compuerta aislados, por ejemplo, utilizan transformadores o aisladores digitales para suministrar voltajes de controlador de compuerta independientes, eliminando así la necesidad de mecanismos de carga de arranque, mientras que los suministros de polarización directa pueden proporcionar un voltaje de controlador de compuerta estable independiente de los ciclos de conmutación.

Conclusión

En aplicaciones de alta potencia en las que la velocidad, la eficiencia y el diseño compacto son primordiales, los controladores de compuerta de medio puente flotantes, no aislados y puestos a tierra proporcionan una solución óptima para controlar los MOSFET de lado alto y de lado bajo. Al aprovechar un circuito de arranque para generar la tensión de accionamiento de puerta necesaria, estos controladores eliminan la complejidad de los diseños aislados, al tiempo que mantienen un rendimiento de conmutación preciso. La familia de productos LTC706x de ADI ofrece una gama de soluciones versátiles para satisfacer las demandas de conversión de potencia de alta velocidad y alto voltaje.