Ahorre espacio en los diseños de control de motor gracias a los controladores de compuerta altamente integrados

Colaboración de Editores de Digi-Key de América del Norte

Los motores trifásicos CC sin escobillas (BLDC), de alta densidad de potencia y gran eficiencia, y alimentados con baterías de ion de litio permiten desarrollar herramientas eléctricas, aspiradoras y bicicletas eléctricas inalámbricas. Sin embargo, para ahorrar espacio para dispositivos electromecánicos incluso más compactos, los diseñadores se ven obligados a achicar todavía más sus circuitos electrónicos de control de motor.

Esto no es una tarea sencilla. Además de las obvias dificultades de tener que comprimir los componentes del controlador en un espacio pequeño, juntarlos y apretarlos agrega dificultades a los problemas del control de la temperatura y, por supuesto, de interferencia electromagnética (EMI).

Los diseñadores de circuitos de control de motor pueden diseñar sistemas más delgados cambiando a una nueva generación de controladores de compuerta altamente integrados que constituyen el elemento más importante en un sistema de control de motor.

Este artículo explicará, primero, el funcionamiento de los motores BLDC y, luego, introducirá los controladores de compuerta adecuados, junto con una descripción de cómo se deben utilizar para superar los desafíos del diseño de sistemas compactos de control de motor.

Construcción de mejores motores eléctricos

El diseño de motores eléctricos ha evolucionado rápidamente debido a la doble presión comercial en cuanto a un uso eficiente de la energía y al ahorro de espacio. El motor BLDC controlado digitalmente representa una rama de esta evolución. La popularidad del motor se debe al uso de conmutación electrónica que proporciona una eficiencia mayor que los motores de CC convencionales (con conmutación mediante escobillas), además de mejoras en la eficiencia de un 20 % al 30 % para motores que trabajan a la misma velocidad y con la misma carga.

Esta mejora permite producir motores BLDC más pequeños, ligeros y silenciosos para una salida de potencia determinada. Otras ventajas de los motores BLDC incluyen características superiores de velocidad versus el par de torsión, una respuesta más dinámica, un funcionamiento silencioso y rangos de velocidad más altos. Los ingenieros también están intentando que los diseños funcionen a voltajes y frecuencias más altos, porque esto permite que un motor eléctrico compacto realice el mismo trabajo que un motor convencional más grande.

La clave del éxito del motor BLDC es la alimentación mediante interruptor electrónico y el circuito electrónico de control del motor que produce una entrada trifásica, lo que a su vez genera el campo magnético giratorio que acciona el rotor del motor. Debido a que el campo magnético y el rotor giran a la misma frecuencia, el motor se denomina "sincrónico". Los sensores de efecto Hall indican las posiciones relativas del estátor y del rotor, de manera tal que el controlador pueda conmutar el campo magnético en el momento adecuado. También hay disponibles tecnologías "sin sensor" que determinan la posición del estátor y del rotor mediante el control de la fuerza electromotriz (EMF) posterior.

La configuración más común para aplicar corriente de manera secuenciada a un motor BLDC trifásico comprende tres pares de MOSFET de potencia dispuestos en una estructura de puente. Cada par actúa como un inversor para convertir el voltaje de CC de la fuente de alimentación en el voltaje de CA necesario para impulsar un bobinado del motor (Figura 1). Para aplicaciones de alto voltaje, comúnmente, se utilizan transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) en lugar de los MOSFET.

Diagrama del control digital de motor BLDC trifásico

Figura 1: El control digital de un motor BLDC trifásico utiliza, en general, tres pares de MOSFET, cada uno de los cuales proporciona el voltaje de CA necesario para un bobinado del motor. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

El par de transistores consiste de un dispositivo de lado bajo (con la fuente conectada al suelo) y un dispositivo de lado alto (la fuente flota entre el suelo y la línea de alimentación de alto voltaje).

En un diseño típico, las compuertas MOSFET se controlan mediante modulación de ancho de pulsos (PWM), lo que convierte de manera efectiva el voltaje de CC de entrada en un voltaje de impulso modulado. Se debe usar una frecuencia PWM de al menos una orden de magnitud más alta que la velocidad máxima de rotación del motor esperada. Cada par de MOSFET rige el campo magnético de una fase del motor. Para obtener más información sobre la impulsión de los BLDC, consulte el artículo "Cómo alimentar y controlar motores de CC sin escobillas".

El sistema eléctrico de control del motor

Un sistema de control de motor completo incluye una fuente de alimentación, un microcontrolador host, un controlador de compuerta y los MOSFET en una topología de medio puente (Figura 2). El microcontrolador establece el ciclo de trabajo de la PWM y supervisa el control de bucle abierto. A veces, en diseños de voltaje bajo, el controlador de compuerta y el puente MOSFET están integrados en una sola unidad. Sin embargo, para unidades de gran potencia, el controlador de compuerta y el puente MOSFET están separados para facilitar el control de la temperatura, permitir el uso de tecnologías de procesos distintas para el controlador de la compuerta y el puente, y minimizar la EMI.

Diagrama del esquema de control eléctrico de motor BLDC

Figura 2: Esquema de control eléctrico de motor BLDC basado en un microcontrolador TI MSP 430. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

El puente MOSFET puede estar compuesto ya sea por dispositivos discretos como por chips integrados. Una ventaja clave de la incorporación de MOSFET de lado bajo y lado alto en el mismo paquete es que esto permite una nivelación térmica natural entre los MOSFET de lado bajo y alto, incluso si los MOSFET tienen una capacidad de disipación de potencia distinta. Ya sea que estén integrados o no, cada par de transistores requiere un controlador de compuerta independiente para controlar la sincronización de la conmutación y la corriente de alimentación.

También es posible diseñar un circuito de controlador de compuerta con componentes discretos. La ventaja de este método es que permite que los ingenieros calibren el controlador de compuerta de manera precisa para que se adecue a las características del MOSFET y se optimice el rendimiento. La desventaja es que se requieren altos niveles de experiencia en diseño de motores y espacio para acomodar la solución discreta.

Las soluciones modulares de control de motor proporcionan una alternativa, y existe una amplia gama de controladores de compuerta integrados en el mercado. Algunas soluciones modulares mejores para controladores de compuerta incluyen:

  • Altos niveles de integración para minimizar el espacio requerido por el dispositivo
  • Gran corriente de alimentación para reducir las pérdidas por conmutación y mejorar la eficiencia
  • Nivel de voltaje de excitación de compuerta alto para asegurar que el MOSFET conduzca con una resistencia interna mínima ("RDS(ON)")
  • Altos niveles de protección contra excesos de corriente, voltaje y temperatura para permitir una operación confiable del sistema en las peores condiciones

Dispositivos tales como la familia de controladores de compuerta trifásicos DRV8323x de Texas Instruments reducen la cantidad de componentes, el costo y la complejidad del sistema a la vez que cumplen con las demandas de los motores BLDC de gran eficiencia.

La familia DRV8323x viene en tres variantes. Cada una integra tres controladores de compuerta independientes, capaces de impulsar un par de MOSFET de lado bajo y lado alto. Los controladores de compuerta incluyen una bomba de carga para generar un voltaje de compuerta alto (con hasta un 100 % de soporte durante el ciclo de trabajo) para los transistores de lado alto, y un regulador lineal para alimentar los transistores de lado bajo.

Los controladores de compuerta de TI incluyen amplificadores de detección que también pueden configurarse para incrementar el voltaje en todos los MOSFET de lado bajo si esto fuese necesario. Los dispositivos pueden obtener hasta 1 A, tener un pico de disipación de corriente de excitación de la compuerta de hasta 2 A, y operar desde una única fuente de alimentación con un amplio rango de suministro de entrada de 6 a 60 voltios.

Por ejemplo, la versión DRV8323R integra tres amplificadores de detección de corriente bidireccional para controlar el nivel de corriente que pasa a través de cada uno de los puentes MOSFET, mediante un resistor de derivación de lado bajo. La configuración de ganancia del amplificador de detección de corriente se puede ajustar mediante la interfaz periférica serial (SPI) o la interfaz del hardware. El microcontrolador está conectado a la EN_GATE del DRV8323R de manera tal que permite activar o desactivar las salidas del controlador de la compuerta.

El dispositivo DRV8323R también integra un regulador reductor (convertidor) de 600 miliamperios (mA) que se puede utilizar para alimentar un controlador externo. Este convertidor puede utilizar la fuente de alimentación del controlador de compuerta u otra distinta (Figura 3).

Diagrama del controlador de compuerta DRV8323R altamente integrado de Texas Instruments

Figura 3: Los controladores de compuerta altamente integrados tales como DRV8323R de TI disminuyen la cantidad de componentes, el costo y la complejidad del sistema a la vez que ahorran espacio. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Los controladores de compuerta incluyen una gran variedad de características de seguridad con bloqueo en caso de voltaje insuficiente de la fuente de alimentación o de la bomba de carga, control de sobrecorriente, detección de cortocircuito del controlador de compuerta y apagado de emergencia en caso de altas temperaturas.

Cada DRV832x viene dentro de un chip que mide tan solo de 5 mm x 5 mm a 7 mm x 7 mm (milímetros), según la opción. Los productos ahorran el espacio que, de otra manera, se necesitaría para ubicar más de 24 componentes distintos.

Diseñar con controladores de compuerta integrados

Para que los diseños estén listos y en funcionamiento, TI ofrece un diseño de referencia, el TIDA-01485. Es un diseño de referencia de etapa de potencia de 1 kilowatt (kW) con 99 % de eficiencia para motores BLDC trifásicos de 36 voltios, para aplicaciones tales como herramientas eléctricas, y que funciona con baterías de diez celdas de ion de litio.

El diseño de referencia muestra como la utilización de un controlador de compuerta altamente integrado, tal como el DRV8323R, ahorra espacio en un diseño de control de motor, ya que forma la base de uno de los circuitos de control de motor más pequeños a este nivel de potencia. El diseño de referencia implementa un control basado en un sensor. (Consulte el artículo "Por qué y cómo controlar los motores CC sin escobillas trifásicos de modo sinusoidal").

Los elementos principales del diseño de referencia son un microcontrolador MSP430F5132 el controlador de compuerta DRV8323R y tres unidades de control electrónico MOSFET de medio puente y 60 voltios CSD88599 (Figura 4).

Diagrama del diseño de referencia de etapa de potencia de 1 kW y 99 % de eficiencia TIDA-01485 de Texas Instruments

Figura 4: El TIDA-01485 es un diseño de referencia de etapa de potencia de 1 kW y 99 % de eficiencia para motores BLDC trifásicos de 36 voltios, que se puede alimentar con una batería de diez celdas de ion de litio. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Si bien el controlador de compuerta es una solución modular altamente integrada que elimina muchas de las complejidades de un diseño discreto, todavía se necesita un poco de trabajo de diseño para crear un sistema completamente funcional. El diseño de referencia ayuda a que el diseñador esboce un prototipo al demostrar una solución integral.

Por ejemplo, el controlador de compuerta requiere varios capacitadores de desacople para funcionar correctamente. En el diseño de referencia, un capacitador de 1 microfaradio (μF) (C13) desacopla el voltaje de excitación de los MOSFET de lado bajo (DVDD), el cual es derivado del regulador de voltaje lineal interno DRV8323R (Figura 5). Este capacitor debe colocarse tan cerca del controlador de compuerta como sea posible para minimizar la impedancia del bucle. Se requiere un segundo capacitador de desacople con un valor de 4.7 (μF) (C10) para desacoplar la entrada de alimentación de CC (PVDD) de la batería de 36 voltios.

Diagrama del circuito de aplicación para el controlador de compuerta DRV8323R de Texas Instruments

Figura 5: Circuito de aplicación para el controlador de compuerta DRV8323R. Se debe minimizar el largo de los trazos para limitar la EMI. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

El diodo D6 ayuda a aislar la alimentación del controlador de compuerta en caso de que haya una caída en el voltaje de la batería en condiciones de cortocircuito. Este diodo es importante porque su presencia permite que el capacitador de desacople PVDD (C10) mantenga el voltaje de entrada cuando hay caídas de corta duración.

Retener el voltaje evita que el controlador de compuerta entre en una condición de apagado por subvoltaje no deseada. C11 y C12 son dispositivos clave que permiten la operación de bomba de carga y deberían también colocarse lo más cerca posible del controlador de compuerta.

Generalmente, minimizar el largo del bucle para los controladores de lado alto y bajo se considera una buena práctica de diseño para minimizar la EMI. El bucle del lado alto es del DRV8323 GH_X para alimentar el MOSFET, y regresa mediante SH_X. El bucle del lado bajo es del DRV8323 GL_X para alimentar el MOSFET, y regresa mediante GND.

La importancia de la sincronización de la conmutación

La elección de los MOSFET es clave para el rendimiento y la eficiencia de los motores BLDC. Debido a que no hay dos MOSFET exactamente iguales, cada elección dependerá de los tiempos de conmutación requeridos. Incluso un error de sincronización pequeño puede causar problemas que van desde la ineficiencia y una EMI elevada, hasta una posible falla del motor.

Por ejemplo, la sincronización incorrecta puede ocasionar una sobrecarga, una condición que ocasiona que tanto los MOSFET de lado alto como bajo se enciendan accidentalmente, lo que ocasiona un corto catastrófico. Otro problemas de sincronización incluyen transitorios ocasionados por capacitancia parasítica que puede dañar los MOSFET. Los problemas también están causados por cortos externos, puentes soldados o MOSFET colgados de manera particular.

TI etiqueta sus DRV8323 como un controlador de compuerta "inteligente", porque proporciona al diseñador gran control sobre la sincronización y la respuesta para eliminar dichos problemas. Por ejemplo, el controlador incluye una máquina de estado interna que protege contra eventuales cortocircuitos en el controlador de compuerta, controla el tiempo de apagado del puente MOSFET (IDEAD) y protege contra encendido parasítico del MOSFET de potencia externa.

El controlador de compuerta DRV8323 también incluye una tipología en contrafase ajustable, tanto para los controladores de lado alto como de lado bajo, lo que permite un empuje y extracción del puente MOSFET externo para evitar problemas de capacitancia libre. Los controladores de compuerta ajustables soportan corriente de controlador de compuerta "al vuelo" (IDRIVE) y cambios de duración (tDRIVE) (sin el requerimiento de resistores de controlador de compuerta de corriente limitada) para afinar la operación del sistema (Figura 6).

Diagrama de las entradas de voltaje y corriente para transistores de lado alto (VGHx) y lado bajo (VGLx)

Figura 6: Entradas de voltaje y corriente para transistores (VGHx) de lado alto y (VGLx) de lado bajo en uno de los puentes MOSFET para un motor BLDC trifásico. IDRIVE y tDRIVE son importantes para la operación adecuada y la eficiencia del motor; IHOLD se utiliza para mantener la compuerta en el estado deseado, y ISTRONG evita que la capacitancia del transistor de lado bajo de la compuerta a la fuente induzca el encendido. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

IDRIVE y tDRIVE se deben seleccionar inicialmente según las características de los MOSFET externos, tales como carga de compuerta a salida y los tiempos de subida y bajada deseados. Por ejemplo, si IDRIVE es demasiado bajo, los tiempos de subida y bajada de los MOSFET serán más largos, lo que resulta en pérdidas por conmutación. Los tiempos de subida y bajada también determinan (hasta cierto punto) la energía y duración del pico de recuperación de cada diodo MOSFET libre, lo que puede ser un potencial problema adicional para la eficiencia.

Cuando se carga el estado del controlador de compuerta, se aplica IDRIVE para el período tDRIVE, el cual debe ser lo suficientemente largo para que las capacitancias de la compuerta se carguen y descarguen completamente. Una regla a ojo es seleccionar un tDRIVE que se aproxime al doble del largo que los tiempos de subida y bajada del conmutador MOSFET. Es importante destacar que tDRIVE no incrementa el tiempo de PWM y se terminará si se recibe un comando PWM durante el período activo.

Luego del período tDRIVE, se utiliza una corriente de sostén fija (IHOLD) para mantener la compuerta en el estado deseado (ya sea hacia arriba o hacia abajo). Durante el encendido del lado alto, la compuerta MOSFET del lado bajo está sujeta a un fuerte despliegue para prevenir que la capacitancia de la compuerta a la fuente del transistor induzca el encendido.

Una duración tDRIVE fija asegura que en condiciones fallidas, tales como un cortocircuito de la compuerta MOSFET, el tiempo de pico de corriente es limitado. Esto limita la energía transferida y previene el daño a los pines del controlador de compuerta y al transistor.

Conclusión

Los impulsores de motor modulares ahorran espacio al eliminar docenas de componentes discretos y mejoran los beneficios de una nueva generación de motores BLDC de gran densidad de potencia que son más compactos y están controlados digitalmente. Estos controladores de compuerta "inteligentes" también incluyen tecnología que hace más fácil el difícil proceso de desarrollo del control de la sincronización de los conmutadores de potencia MOSFET, a la vez que mitigan los efectos de capacitancias parasíticas y reducen la EMI.

De todas maneras, se necesita tener cierto cuidado a fin de asegurar un circuito periférico para que los MOSFETS de potencia y los capacitadores de desacople se seleccionen cuidadosamente. Pero, según se mostró los proveedores de controladores de motor más importantes ofrecen diseños de referencia que los desarrolladores pueden usar como base para sus prototipos.

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