Maximice la eficiencia del control de los dispositivos de potencia con el convertidor de potencia de puerta adecuado

Desde las fuentes de alimentación y los accionamientos de motores hasta las estaciones de carga y otras muchas aplicaciones, los semiconductores de potencia de conmutación, como los MOSFET de silicio (Si), carburo de silicio (SiC) y nitruro de galio (GaN), así como los transistores bipolares de compuerta aislada (IGBT), son la clave de los diseños de sistemas de potencia eficientes. Sin embargo, para conseguir el máximo rendimiento del dispositivo de potencia, es necesario un controlador de puerta adecuado.

Como su nombre indica, la función de este componente es accionar la puerta del dispositivo de potencia y, por tanto, ponerla o sacarla del modo de conducción de forma rápida y precisa. Para ello es necesario que el controlador tenga la capacidad de originar/subir suficiente corriente a pesar de la capacitancia interna del dispositivo y de la parásita, la inductancia y otros problemas en la carga (puerta). En consecuencia, proporcionar un controlador de puerta de tamaño adecuado con los atributos clave apropiados es fundamental para aprovechar todo el potencial y la eficiencia del dispositivo de potencia. Sin embargo, para sacar el máximo provecho del controlador de puerta, el diseñador debe prestar especial atención a la fuente de alimentación de CC del controlador, que es independiente del carril de CC del dispositivo de alimentación. Este suministro es similar al convencional, pero con algunas diferencias importantes. Puede ser un suministro unipolar, pero en muchos casos se trata de un suministro bipolar no simétrico, junto con otras diferencias funcionales y estructurales. Los diseñadores también deben prestar atención al factor de forma en cuanto a la huella de la placa y los requisitos de bajo perfil, así como a la compatibilidad con los procesos de ensamblaje y fabricación previstos para el diseño.

Este artículo se centrará en las fuentes de alimentación para controladores de puerta, utilizando como ejemplo las fuentes CC/CC de dispositivos de montaje superficial (SMD) de la serie MGJ2 de Murata Power Solutions de convertidores CC/CC de 2 vatios para controladores de puerta.

Comenzar con los dispositivos de conmutación

La comprensión de la función y los atributos deseados del convertidor CC/CC de puerta comienza con los dispositivos de conmutación. En el caso de un MOSFET como dispositivo de conmutación, la ruta puerta-fuente se utiliza para controlar el estado de apagado o encendido del dispositivo (los IGBT son similares). Cuando la tensión puerta-fuente es inferior a la tensión umbral (V_GS < V_TH), el MOSFET está en su región de corte, no fluye corriente de drenaje, I_D = 0 amperios (A), y el MOSFET aparece como un "interruptor abierto" (Figura 1).

Figura 1: En el modo de desconexión, la ruta de drenaje-fuente del MOSFET parece un interruptor abierto. (Fuente de la imagen: Quora)

Por el contrario, cuando la tensión puerta-fuente es mucho mayor que la tensión umbral (V_GS > V_TH)), el MOSFET está en su región de saturación, fluye la máxima corriente de drenaje (I_D = V_DD /R_L)), y el MOSFET aparece como un "interruptor cerrado" de baja resistencia (Figura 2). Para el MOSFET ideal, el voltaje de drenaje-fuente sería cero (V_DS = 0 voltios), pero en la práctica, V_DS suele estar en torno a los 0.2 voltios debido a la resistencia de encendido interna R_DS(on), que suele ser inferior a 0.1 Ohm (Ω) y puede ser tan baja como unas decenas de miliohmios.

Figura 2: En el modo de saturación, la ruta de drenaje-fuente del MOSFET parece un interruptor de baja resistencia. (Fuente de la imagen: Quora)

Aunque los diagramas esquemáticos hacen parecer que la tensión aplicada a la puerta enciende y apaga el MOSFET, esto es solo una parte de la historia. Este voltaje conduce la corriente al MOSFET hasta que hay suficiente carga acumulada para encenderlo. Dependiendo del tamaño (corriente nominal) y del tipo de accionamiento de conmutación, la cantidad de corriente necesaria para pasar rápidamente a un estado completamente encendido puede ser de unos pocos miliamperios (mA) a varios amperios (A).

La función del controlador de puerta es conducir suficiente corriente a la puerta de forma rápida y nítida para encender el MOSFET, y sacar esa corriente de forma inversa para apagar el MOSFET. Más formalmente, la compuerta necesita ser conducida desde una fuente de baja impedancia capaz de suministrar y hundir suficiente corriente para proporcionar una rápida inserción y extracción de la carga de control.

Si la puerta del MOSFET se pareciera a una carga puramente resistiva, el origen y el hundimiento de esta corriente serían relativamente sencillos. Sin embargo, un MOSFET tiene elementos parásitos internos capacitivos e inductivos, y también hay parásitos de las interconexiones entre el conductor y el dispositivo de potencia (Figura 3).

Figura 3: Este modelo de un MOSFET muestra la capacitancia e inductancia parásitas que afectan al rendimiento del conductor. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

El resultado es un anillo de la señal de accionamiento de la puerta alrededor del voltaje umbral, lo que hace que el dispositivo se encienda y se apague una o más veces en su trayectoria hasta estar completamente encendido o apagado; esto es algo análogo al "rebote del interruptor" de un interruptor mecánico (Figura 4).

Figura 4: El timbre de la salida del controlador debido a las parásitas en la carga del MOSFET puede causar un timbre y un falso disparo, similar al rebote del interruptor mecánico. (Fuente de la imagen: Learn About Electronics)

Las consecuencias van desde lo desapercibido o lo meramente molesto en una aplicación casual como encender o apagar una luz, hasta el daño probable en los circuitos de conmutación rápida de modulación de ancho de pulso (PWM) ampliamente utilizados en fuentes de alimentación, accionamientos de motores y subsistemas similares. Puede provocar cortocircuitos e incluso daños permanentes, en las topologías estándar de medio puente y puente completo en las que la carga se coloca entre un par de MOSFET superior e inferior si ambos MOSFET del mismo lado del puente se encienden simultáneamente aunque sea por un instante. Este fenómeno se conoce como "shoot-through" (disparo) (Figura 5).

Figura 5: En contraste con el encendido normal de los MOSFETs Q1 y Q4 (izquierda), o Q2 y Q3 (derecha), si Q1 y Q2, o Q3 y Q4 del puente se encienden simultáneamente debido a problemas con el controlador o a otras causas, se producirá una condición de cortocircuito inaceptable y posiblemente dañina, llamada "shoot through", entre el carril de alimentación y tierra. (Fuente de la imagen: Quora)

Detalles de la puerta de acceso

Para conducir la corriente a la puerta, el voltaje del riel positivo debe ser lo suficientemente alto como para asegurar la saturación/mejora completa del interruptor de potencia, pero sin exceder el voltaje máximo absoluto para su puerta. Aunque este valor de tensión depende del tipo y modelo de dispositivo, los IGBT y los MOSFET estándares suelen encenderse por completo con un accionamiento de 15 voltios, mientras que los MOSFET de SiC típicos pueden necesitar más de 20 voltios para un estado de encendido completo.

La situación de la tensión negativa de la puerta es un poco más complicada. En principio, para el estado apagado, 0 voltios en la puerta es suficiente. Sin embargo, una tensión negativa, normalmente entre -5 y -10 voltios, permite una conmutación rápida controlada por una resistencia de puerta. Un accionamiento negativo adecuado garantiza que la tensión de desconexión del emisor de la puerta sea siempre cero o menos.

Esto es crítico porque cualquier inductancia de emisor (L) (en el punto 'x' de la Figura 6) entre un interruptor y la referencia del conductor, causa un voltaje opuesto de puerta-emisor cuando el interruptor se está apagando. Aunque la inductancia puede ser pequeña, incluso una inductancia muy pequeña de 5 nanohenrios (nH) (unos pocos milímetros de conexión cableada) producirá 5 voltios a una velocidad de giro di/dt de 1000 A por microsegundo (A/μs).

Figura 6: Incluso una pequeña inductancia de emisor en el punto 'x' entre un interruptor y el controlador de referencia, debido a consideraciones de diseño, puede inducir un voltaje opuesto de puerta-emisor cuando el interruptor se está apagando, causando una "fluctuación" de encendido/apagado. (Fuente de la imagen: Murata Power Solutions)

Un voltaje de accionamiento de puerta negativo también ayuda a superar el efecto de la capacitancia de efecto Miller del colector/drenaje a la puerta C_m, que inyecta corriente en el circuito de accionamiento de puerta durante el apagado del dispositivo. Cuando el dispositivo se apaga, la tensión colector-puerta aumenta y una corriente de valor C_m × dV_ce/dt fluye a través de la capacitancia Miller, hacia la capacitancia C_ge de puerta a emisor/fuente, y a través de la resistencia de puerta hacia el circuito conductor. El voltaje V_ge resultante en la puerta puede ser suficiente para encender el dispositivo de nuevo causando posibles disparos y daños (Figura 7).

Figura 7: El uso de una tensión de accionamiento de puerta negativa puede superar las deficiencias que se producen debido a la presencia de la capacitancia de efecto Miller dentro de un MOSFET o IGBT. (Fuente de la imagen: Murata Power Solutions)

Sin embargo, al conducir la puerta en negativo, este efecto se minimiza. Por esta razón, un diseño de controlador eficaz requiere carriles de tensión positivos y negativos para la función de accionamiento de la puerta. Sin embargo, a diferencia de la mayoría de los convertidores CC/CC bipolares que tienen salidas simétricas (como +5 V y -5 V), los rieles de alimentación del controlador de puerta suelen ser asimétricos, con una tensión positiva mayor que la negativa.

Dimensionamiento de la potencia del convertidor

Un factor crítico es la cantidad de corriente que debe proporcionar el convertidor de puerta, y por tanto su potencia nominal. El cálculo básico es bastante sencillo. En cada ciclo de conmutación, la puerta debe cargarse y descargarse a través de la resistencia de puerta R_g. La hoja de datos del dispositivo proporciona una curva para el valor Q_g de la carga de la puerta, donde Q_g es la cantidad de carga que debe inyectarse en el electrodo de la puerta para encender (conducir) el MOSFET a tensiones de puerta específicas. La potencia que debe proporcionar el convertidor CC/CC se obtiene mediante la fórmula:

Donde Q_g es la carga de puerta para una oscilación de tensión de puerta elegida (de positiva a negativa), de valor V_s y a la frecuencia F. Esta potencia se disipa en la resistencia interna de puerta (R_int) del dispositivo y en la resistencia externa en serie, R_g. La mayoría de los controladores de puerta necesitan una fuente de alimentación inferior a uno o dos vatios.

Otra consideración es la corriente de pico (I_pk) necesaria para cargar y descargar la puerta. Es una función de V_s, R_int y R_g. Se calcula mediante la fórmula:

En muchos casos, esta corriente de pico es superior a la que puede proporcionar el convertidor CC/CC. En lugar de utilizar una fuente de alimentación más grande y costosa (que funcione a un ciclo de trabajo bajo), la mayoría de los diseños suministran la corriente utilizando condensadores "a granel" en los carriles de alimentación del controlador, que son cargados por el convertidor durante las partes de baja corriente del ciclo.

Unos cálculos básicos determinan el tamaño de estos condensadores de masa. Sin embargo, también es importante que tengan una resistencia en serie equivalente (ESR) y una inductancia (ESL) bajas para no impedir la corriente transitoria que entregan.

Otras consideraciones sobre el convertidor de puerta

Los convertidores CC/CC de puerta tienen otros problemas únicos. Entre ellos están:

• Regulación: La carga del convertidor CC/CC es cercana a cero cuando el dispositivo no está conmutando. Sin embargo, la mayoría de los convertidores convencionales necesitan una carga mínima en todo momento; de lo contrario, su tensión de salida puede aumentar drásticamente, posiblemente hasta el nivel de ruptura de la puerta.

Lo que ocurre es que esta alta tensión se almacena en los condensadores de masa, de manera que cuando el dispositivo comienza a conmutar, podría ver una sobretensión en la puerta hasta que el nivel del convertidor baje por debajo de la carga normal. Por lo tanto, se debe utilizar un convertidor CC/CC que tenga tensiones de salida fijas o requisitos de carga mínima muy bajos.

• Encendido y apagado: Es importante que los IGBT y MOSFET no sean accionados activamente por las señales de control PWM hasta que los carriles de tensión del circuito de accionamiento estén en sus valores designados. Sin embargo, cuando los convertidores de accionamiento de puerta se encienden o se apagan, puede existir una condición transitoria en la que los dispositivos podrían ser accionados -incluso con la señal PWM inactiva- lo que provocaría disparos y daños. Por lo tanto, las salidas del convertidor CC/CC deben tener un buen comportamiento en el encendido y el apagado con subidas y bajadas monótonas (Figura 8).

Figura 8: Es fundamental que las salidas del convertidor CC/CC se comporten bien durante las secuencias de encendido y apagado y no tengan transitorios de tensión. (Fuente de la imagen: Murata Power Solutions)

• Capacidad de aislamiento y acoplamiento: A alta potencia, los inversores o convertidores de potencia suelen utilizar una configuración de puente para generar CA de frecuencia de línea o para proporcionar accionamiento PWM bidireccional a motores, transformadores u otras cargas. Para la seguridad del usuario y para cumplir con los mandatos normativos, la señal PWM de accionamiento de la puerta y los rieles de alimentación de accionamiento asociados de los interruptores del lado alto necesitan un aislamiento galvánico de la tierra sin una ruta óhmica entre ellos. Además, la barrera de aislamiento debe ser resistente y no mostrar una degradación significativa debido a los efectos de las descargas parciales repetidas durante la vida útil del diseño.

Además, hay problemas debidos al acoplamiento capacitivo a través de la barrera de aislamiento; esto es análogo a la corriente de fuga entre los devanados primario y secundario de un transformador de línea de CA totalmente aislado. Esto lleva a exigir que el circuito de accionamiento y los carriles de alimentación asociados sean inmunes al elevado dV/dt del nodo de conmutación y tengan una capacitancia de acoplamiento muy baja.

El mecanismo de este problema se debe a los bordes de conmutación muy rápidos, típicamente 10 kilovoltios por microsegundo (kV/μs), e incluso tan altos como 100 kV/μs para los últimos dispositivos de GaN. Esta oscilación rápida de dV/dt provoca un flujo de corriente transitoria a través de la capacitancia de la barrera de aislamiento del convertidor CC/CC.

Dado que la corriente I = C x (dV/dt), incluso una pequeña capacitancia de barrera de sólo 20 picofaradios (pF) con una conmutación de 10 kV/μs resulta en un flujo de corriente de 200 mA. Esta corriente encuentra una ruta de retorno indeterminada a través de los circuitos del controlador de vuelta al puente, causando picos de tensión a través de las resistencias e inductancias de conexión, que pueden tener el potencial de interrumpir el funcionamiento del controlador y del convertidor CC/CC uniforme. Por lo tanto, es muy deseable una baja capacitancia de acoplamiento.

Hay otro aspecto del aislamiento básico y del aislamiento asociado del convertidor CC/CC. La barrera de aislamiento está diseñada para soportar la tensión nominal de forma continua, pero como la tensión es conmutada, la barrera puede degradarse potencialmente más rápido con el tiempo. Esto se debe a los efectos electroquímicos y de descarga parcial en el material de la barrera que se producirían únicamente como resultado de una tensión continua fija.

Por lo tanto, el convertidor CC/CC debe tener un aislamiento robusto y unas distancias mínimas de fuga y separación generosas. Si la barrera del convertidor también forma parte de un sistema de aislamiento de seguridad, se aplican los mandatos reglamentarios de la agencia correspondiente para el nivel de aislamiento requerido (básico, suplementario, reforzado), la tensión de funcionamiento, el grado de contaminación, la categoría de sobretensión y la altitud.

Por estas razones, sólo los convertidores CC/CC de accionamiento por puerta con diseño y materiales adecuados están reconocidos o pendientes de reconocimiento según la norma UL60950-1 para varios niveles de protección básicos y reforzados (y que en general son equivalentes a los de la norma EN 62477-1:2012); también existe o está pendiente un reconocimiento más estricto según la norma médica ANSI/AAMI ES60601-1 con requisitos de 1 × medios de protección del paciente (MOPP) y 2 × medios de protección del operador (MOOP).

• Inmunidad transitoria en modo común: La CMTI es un parámetro importante del controlador de puerta a frecuencias de conmutación más altas en las que el controlador de puerta tiene una tensión diferencial entre dos referencias de tierra separadas, como es el caso de los controladores de puerta aislados. La CMTI se define como la velocidad máxima tolerable de subida o bajada de la tensión en modo común aplicada entre dos circuitos aislados y se especifica en kV/µs o voltios por nanosegundo (V/ns).

Tener un CMTI alto significa que los dos lados de un arreglo aislado -el lado de transmisión y el lado de recepción- exceden las especificaciones de la hoja de datos cuando "golpean" la barrera de aislamiento con una señal que tiene una tasa de crecimiento (positiva) o de caída (negativa) muy alta. La hoja de datos del convertidor CC/CC debe tener un valor de especificación para este parámetro, y los diseñadores deben ajustarlo a las características específicas de la frecuencia y la tensión de funcionamiento de su circuito.

Cumplir con los requisitos del convertidor CC/CC de la puerta

Reconociendo las muchas demandas desafiantes y a menudo conflictivas de los convertidores CC/CC de accionamiento por puerta, Murata ha ampliado su serie MGJ2 de convertidores CC/CC de orificio pasante para incluir unidades SMD CC/CC. Sus convertidores son muy adecuados para alimentar los circuitos de accionamiento de la puerta del lado alto y del lado bajo de los IGBT y los MOSFET en aplicaciones con limitaciones de espacio y peso debido a su rendimiento, su factor de forma compacto y su bajo perfil (aproximadamente 20 milímetros (mm) de largo × 15 mm de ancho × 4 mm de alto), y su compatibilidad con los procesos de fabricación SMD (Figura 9).

Figura 9: Todas las unidades de la serie MGJ2 de Murata de convertidores CC/CC tienen la misma apariencia y tamaño, pero están disponibles con una variedad de índices de voltaje de entrada y pares de voltaje de salida bipolares. (Fuente de la imagen: Murata Power Solutions)

Los miembros de esta familia de convertidores de 2 vatios funcionan con entradas nominales de 5, 12 y 15 voltios, y ofrecen una selección de tensiones de salida asimétricas (salidas de +15 voltios/-5 voltios, +15 voltios/-9 voltios y +20 voltios/-5 voltios) para soportar niveles de accionamiento óptimos con la mayor eficiencia del sistema y mínimas interferencias electromagnéticas (EMI). El embalaje de montaje en superficie facilita la integración física con los controladores de puerta y permite una colocación más cercana, reduciendo así la complejidad del cableado y minimizando la captación de EMI o interferencias de radiofrecuencia (RFI).

La serie MGJ2 está especificada para los elevados requisitos de aislamiento y dV/dt que necesitan los circuitos de puente utilizados en accionamientos de motor e inversores, y la clasificación de temperatura y la construcción de grado industrial proporcionan una larga vida útil y fiabilidad. Otros atributos clave son:

• Aislamiento reforzado con reconocimiento UL62368 (pendiente)
• Reconocimiento ANSI/AAMI ES60601-1 (pendiente)
• Tensión de prueba de aislamiento de 5.7 kV CC (por prueba de "hi pot")
• Capacidad de aislamiento ultrabaja
• Funcionamiento de hasta +105 °C (con reducción de potencia)
• Protección contra cortocircuitos
• Inmunidad transitoria en modo común (CMTI) caracterizada >200 kV/µs
• Tensión continua de barrera soportada de 2.5 kV
• Rendimiento caracterizado de descarga parcial

Dos unidades muestran la gama de prestaciones disponibles en la serie MGJ2:

•El MGJ2D152005MPC-R7 toma una entrada nominal de 15 voltios (13,5 a 16,5 voltios) y ofrece salidas altamente asimétricas de +20 voltios y -5.0 voltios a hasta 80 mA cada una. Las especificaciones clave incluyen un 9% y un 8% de regulación de carga (máxima) para las dos salidas (respectivamente), ondulación y ruido por debajo de 20/45 mV (típico/máximo), eficiencia del 71/76% (mínimo/típico), capacitancia de aislamiento de sólo 3 pF, y tiempo medio hasta el fallo (MTTF) de aproximadamente 1100 kilohoras (kHrs) (determinado mediante MIL-HDBK-217 FN2) y 43,500 kHrs (según los modelos de cálculo de Telecordia SR-332).

-El MGJ2D121509MPC-R7 funciona con una entrada nominal de 12 voltios (10.8 voltios a 13.2 voltios) y proporciona salidas asimétricas de +15 voltios y -9.0 voltios, también con hasta 80 mA. Otras especificaciones clave son la regulación de carga del 8%/13% (típica/máxima) para la salida de +15 voltios y la regulación de carga del 7%/12% (típica/máxima) para la salida de -9,0 voltios, el rizado y el ruido por debajo de 20/45 mV (típico/máximo), la eficiencia del 72/77% (mínima/típica), la capacitancia de aislamiento de 3 pF y el MTTF de aproximadamente 1550 kHrs (utilizando MIL-HDBK-217 FN2) y 47.800 kHrs (modelos Telecordia).

Además de los listados y gráficos esperados que detallan el rendimiento estático y dinámico, la hoja de datos común de los miembros de esta serie menciona las numerosas normas industriales y mandatos reglamentarios que cumplen estos convertidores, junto con detalles exhaustivos de las condiciones de prueba asociadas utilizadas para determinar estos factores. Esto proporciona un mayor nivel de confianza y acelera la certificación del producto en aplicaciones con estrictos requisitos de conformidad.

Conclusión:

La selección del dispositivo MOSFET o IGBT adecuado para un diseño de potencia de conmutación es un paso del proceso de diseño. También está el controlador de puerta asociado que controla el dispositivo de conmutación, pasando de un estado a otro de forma rápida y nítida. A su vez, el controlador necesita un convertidor CC/CC adecuado para proporcionar su potencia de funcionamiento. Como se muestra, la serie MGJ2 de Murata de convertidores CC/CC de 2 vatios de montaje en superficie ofrece el rendimiento eléctrico necesario y también cumple con los numerosos y complicados mandatos de seguridad y reglamentación requeridos en esta función.