Utilice controladores IGBT de alta corriente con protección incorporada para garantizar un control de motor industrial confiable

En un esfuerzo continuo por reducir los costos y el consumo de energía en aplicaciones de control industrial, los diseñadores están recurriendo al uso de motores de corriente continua sin escobillas (BLDC) de alta frecuencia y alta corriente. Esto genera que dependan cada vez más de transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) más rápidos en lugar de transistores de efecto de campo metal-óxido-semiconductor (MOSFET) para lograr una conmutación más veloz y poder aumentar la densidad de potencia. Sin embargo, para funcionar con eficacia y seguridad, los diseñadores deben incluir un circuito búfer entre la salida del regulador de motor BLDC y los transistores de potencia IGBT.

Los circuitos discretos que comprenden circuitos de transistor de unión bipolar (BJT) “tótem-pole” pueden desempeñar esta función de amplificación; aunque, tales soluciones suelen carecer de protección contra transitorios de alto voltaje y alta corriente. Tampoco pueden cambiar el nivel de salida de bajo voltaje del regulador digital a las corrientes y a los voltajes más altos que se necesitan para controlar de manera adecuada los IGBT. Agregar este circuito también complica y ralentiza el proceso de diseño, consume espacio y se agrega a la lista de materiales (BOM).

Para abordar estos problemas, una nueva generación de controladores de puerta integrados de alta frecuencia para las aplicaciones de motor BLDC combina el circuito búfer y de refuerzo que se necesitan para controlar los IGBT, mientras se incorporan circuitos de protección. Junto con las características para aumentar la eficacia, estos dispositivos necesitan menos aparatos periféricos y tienen temperaturas de funcionamiento más bajas. Su espacio más pequeño aumenta mucho más la densidad de potencia del motor de alta frecuencia y ahorra espacio.

En este artículo, se presentará de manera resumida más aspectos básicos del controlador, mediante la descripción de la función de los controladores IGBT de alta corriente en las aplicaciones modernas de motores eléctricos industriales. A continuación, se explicará qué se debe buscar en un dispositivo de grado industrial para maximizar la protección y la eficacia, a la vez que se minimiza el costo y la complejidad. Durante el proceso, se presentará ejemplos de controladores de ROHM Semiconductor, Texas Instruments y ON Semiconductor, y se analizará la manera de incorporarlos de manera eficaz en un diseño de motor.

Aspectos básicos del controlador de motor BLDC

Un tipo común de motor eléctrico es el CC trifásico en donde el movimiento del rotor se produce por el campo magnético giratorio que se genera al energizar los bobinados en una secuencia controlada (conmutación). La velocidad del rotor es proporcional a la frecuencia de funcionamiento del motor. La modulación por ancho de pulsos (PWM) se superpone a la frecuencia de funcionamiento base para controlar la corriente de arranque, el par de torsión y la potencia.

El funcionamiento de alta frecuencia ofrece algunas ventajas inherentes. Por ejemplo, se reduce la ondulación de corriente (un artefacto de la entrada CA después de la rectificación), lo que a su vez reduce el tamaño y costo de los componentes pasivos necesarios para realizar el filtrado. Además, el funcionamiento de alta frecuencia reduce la fuerza electromotriz (EMF) desigual que puede resultar de una entrada sinusoidal menos que perfecta a las bobinas del motor, lo que disminuye la vibración y el desgaste del motor. En general, la conmutación de frecuencia más alta aumenta la densidad de potencia, lo que permite el uso de motores físicos más pequeños para lograr una potencia de salida determinada.

Si bien existen variaciones, un sistema típico de bucle de control cerrado que garantiza el funcionamiento de alta frecuencia comprende lo siguiente:

• Una entrada de control de velocidad, un regulador que supervisa la conmutación del motor al generar la PWM adecuada para el controlador.
• Un controlador que conmuta los transistores de potencia de lado bajo y alto.
• Transistores de potencia, en una topología de medio puente H, que energizan las bobinas del motor.

En un motor BLDC controlado por sensor, el bucle de control se cierra mediante la retroalimentación de los sensores de efecto Hall que supervisan el eje giratorio del motor (Figura 1). Los modelos sin sensores calculan la posición del motor desde la fuerza contraelectromotriz (BEMF). (Para obtener más información sobre el diseño de un sistema completo de bucle de control cerrado para motores BLDC trifásicos con y sin sensores, consulte los artículos de DigiKey Cómo accionar y controlar motores de CC sin escobillas, Why and How to Sinusoidally Control Three-Phase Brushless DC Motors y Control de los motores BLDC sin sensores a través de la fuerza contraelectromotriz).

Figura 1: Sistema típico de control de bucle cerrado para un motor BLDC trifásico que comprende un regulador, un controlador y medio puente H de transistor de potencia. Este sistema de control utiliza sensores de efecto Hall para el circuito de retroalimentación, aunque también se conocen los sistemas sin sensores. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

El controlador es un componente clave en un diseño de regulador de motor BLDC. Se trata en esencia de un amplificador de potencia que acepta una entrada de baja potencia del regulador del motor BLDC y, a su vez, produce una entrada de accionamiento de alta corriente para las puertas de los IGBT de potencia de lado alto y bajo en el medio puente H. Ahora bien, las últimas versiones de controladores para el funcionamiento de alta frecuencia están altamente integradas y pueden realizar muchas más funciones.

Ventajas de los controladores IGBT integrados

Es posible construir un controlador IGBT a partir de los componentes discretos. Se muestra un circuito BJT “tótem-pole” que se diseñó para accionar un transistor de potencia (Figura 2). En este caso, se utiliza un MOSFET más tradicional, pero la configuración se aplica a un IGBT.

Figura 2: Se produce un buen funcionamiento del controlador discreto MOSFET de BJT “tótem-pole”; sin embargo, invierte el voltaje, sufre de disparos y carece de protección. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Dos desventajas clave de este circuito son el voltaje invertido en la salida y algunos disparos durante los transitorios de voltaje de puerta. Además, al momento de encender y apagar (antes de que el suministro de accionamiento de BJT alcance el voltaje de funcionamiento completo), el IGBT puede experimentar la combinación de alto voltaje y alta corriente. De esta manera, se aumenta la disipación de potencia, lo que puede causar sobrecalentamiento y daños permanentes. Si bien es posible que el diseñador agregue los circuitos de protección necesarios para cumplir con los estándares de seguridad que se exigen a los motores BLDC industriales, el diseño es desafiante y los componentes adicionales aumentan el costo, la complejidad y el tamaño.

Otro problema con los circuitos discretos BJT “tótem-pole” es la carencia de cambio de nivel. En la actualidad, el control de potencia digital domina el control del motor BLDC, aunque solo ofrezca una salida de baja corriente/bajo voltaje. Por ejemplo, la señal de PWM del regulador digital es a menudo una señal lógica de 3.3 voltios que no es capaz de encender de manera eficaz un IGBT. Se necesita un cambio de nivel para elevar las señales de PWM de baja corriente/bajo voltaje del regulador a las señales de PWM de alta corriente/alto voltaje (de 9 a 12 voltios por lo general) necesarios para activar los IGBT.

Además de las ventajas obvias, como la complejidad de diseño reducida, el tiempo de desarrollo comprimido y el tamaño más pequeño, los controladores IGBT integrados de alta corriente abordan todos los problemas de una solución discreta. Los dispositivos también minimizan el efecto del ruido de conmutación de alta frecuencia al ubicar el controlador de alta corriente físicamente cerca del interruptor de alimentación, al tiempo que reducen la disipación de potencia y el estrés térmico de los reguladores.

Por ejemplo, el controlador de puerta integrado BM60212FV-CE2 de ROHM Semiconductor es una solución ideal para accionar un par de IGBT de lado alto y bajo. El dispositivo es compatible con señales lógicas de regulador de 3.3 o 5 voltios, a la vez que proporciona un voltaje de alimentación flotante de lado alto de hasta 1200 voltios y un voltaje máximo de excitación de puerta de 24 voltios. El tiempo máximo de encendido/apagado es de 75 nanosegundos (ns). La corriente de salida máxima es de 4.5 amperios (A) (con un máximo de 5 A por 1 microsegundo [µs]).

Protección incorporada

La nueva generación de controladores IGBT, como el BM60212FV-CE2, incluye circuitos de protección incorporados, sobre todo bloqueo por subtensión (UVLO) y protección contra la desaturación (DESAT).

El UVLO es útil para evitar el sobrecalentamiento y los daños durante el encendido. Cuando se enciende, si el voltaje de puerta (V_GS para un MOSFET o V_GE para un IGBT) es demasiado bajo, existe el riesgo de que el transistor ingrese de manera rápida en su región de saturación, donde las pérdidas de conducción y la disipación de potencia aumentan. Una ilustración de este efecto muestra cómo los valores de V_GS impactan en un transistor de potencia (Figura 3). Una vez más, se utiliza el MOSFET con fines ilustrativos, pero se aplican características similares al IGBT. El lado derecho de la curva roja es la región de saturación, que se define por una corriente de drenaje a fuente constante (o corriente de colector a emisor para el IGBT), dependiente de V_GS e independiente del voltaje de drenaje a fuente (V_DS).

Figura 3: Las pérdidas aumentan si el MOSFET o IGBT ingresan a la región de saturación (a la derecha de la línea roja) antes de encenderse por completo. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

La solución es incorporar el UVLO de modo que no se aplique el voltaje a la puerta hasta que la fuente de alimentación haya alcanzado un nivel de voltaje suficiente para garantizar que el MOSFET o el IGBT puedan encenderse de manera rápida, con el fin de evitar una disipación de potencia excesiva. Por ejemplo, el controlador de puerta UCC27512MDRSTEP IGBT (y MOSFET) de Texas Instruments incluye un mecanismo de UVLO que conecta la salida del controlador cuando la fuente de alimentación ha alcanzado un umbral de UVLO determinado por el diseñador (Figura 4). El UCC27512MDRSTEP es un controlador de puerta de lado bajo que ofrece un disipador de corriente máxima de 8 A.

Figura 4: Los controladores IGBT, como el UCC27512MDRSTEP de TI, incluyen el UVLO para garantizar que no comiencen a cambiar el IGBT hasta que la fuente de alimentación alcance un umbral. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

El NCV5702DR2G de ON Semiconductor es característico de los controladores IGBT con una función DESAT. Este circuito de protección compara el voltaje del colector a emisor (V_CE) del IGBT con un voltaje de referencia. Si es más alto, el controlador IGBT apaga su salida para proteger el transistor de potencia.

El NCV5702DR2G es un controlador IGBT de alta corriente diseñado para accionar un par de IGBT de lado alto y bajo en una aplicación de accionamiento de motor. El dispositivo puede proporcionar una salida de hasta 22 voltios, desde una entrada de -0.3 a 5.5 voltios. El disipador de corriente máximo es de 6.8 A (salida de 13 voltios), mientras que la corriente máxima de la fuente es de 7.8 A (voltaje de salida de -5 voltios).

El NCV5702DR2G supervisa el V_CE del IGBT una vez que el dispositivo se ha encendido por completo; durante un funcionamiento normal, V_CE debe rondar los 3 voltios para los IGBT modernos. Si el V_CE es mucho mayor, tiende a indicar una sobrecorriente o un evento de estrés similar y se podría dañar el IGBT.

Durante un breve período en el arranque, V_CE suele ser alto (solo se establece en el nivel inferior después de casi 1 µs); por lo tanto, para evitar que la protección DESAT funcione demasiado pronto, la comparación con el voltaje de referencia se retrasa por un “tiempo de supresión”, que se configura mediante un condensador C_BLANK (Figura 5).

Figura 5: El circuito de protección DESAT en el controlador NCV5702DR2G IGBT de ON Semiconductor desconecta la salida al IGBT si V_{CE se} eleva por encima de un voltaje de referencia V_DESAT-THR. C_BLANK establece un tiempo de demora para garantizar que la protección DESAT no se produzca antes de que el IGBT se encienda por completo. Nota: ON Semiconductor utiliza NCD570x para fines de referencia en la hoja de datos. (Fuente de la imagen: ON Semiconductor)

Además de sus circuitos de protección, los controladores IGBT integrados ofrecen un rendimiento superior a los controladores construidos a partir de componentes discretos, ya que suelen incluir funciones para aumentar la eficiencia.

Maximización de la eficacia

La densidad de potencia del motor BLDC se determina en parte por la eficiencia; un BLDC que disipa más energía necesitará una mayor gestión térmica, lo que incluye disipadores térmicos más grandes y aumenta el tamaño de la solución.

Las pérdidas que se generan durante la conmutación del transistor se clasifican como estáticas o dinámicas. Las pérdidas estáticas se generan mediante parámetros como la resistencia parásita del dispositivo, mientras que las pérdidas por conmutación dinámica se deben, en parte, a la capacitancia parásita.

Durante la conmutación, la disipación de potencia del transistor es proporcional al voltaje de alimentación, la carga de puerta (Q_G) y la frecuencia de conmutación. En el caso de un voltaje de alimentación determinado, el aumento de la frecuencia de conmutación para elevar la densidad de potencia debe contrarrestarse con una reducción en Q_G si no se quiere perjudicar la eficacia.

Uno de los principales contribuyentes a la Q_{G de} un IGBT es la capacitancia parásita y una parte importante de esto es el efecto Miller. Si bien el efecto Miller se identificó por primera vez en las válvulas de tríodo, también afecta a los transistores modernos y se manifiesta como un aumento en la capacitancia general de entrada, debido a la capacitancia de amplificación entre los terminales de entrada y salida durante las fases del ciclo de conmutación. Además del aumento de Q_G, es un factor importante para limitar la ganancia de transistores a altas frecuencias.

El efecto Miller adquiere más importancia cuando el transistor funciona en la conocida región de la meseta de Miller. En esta región, el voltaje de puerta permanece constante (alrededor de 10 voltios por lo general) mientras se carga o descarga la corriente de accionamiento de puerta, dependiendo de si el IGBT se enciende o apaga. Si el controlador puede configurarse para proporcionar una alta corriente de accionamiento en la meseta de Miller, entonces puede reducir de manera significativa la duración de la fase y las pérdidas de conmutación.

Al proporcionar una alta corriente en la meseta de Miller, los controladores IGBT, como el NCV5702DR2G de ON Semiconductor y el BM60212FV-CE2 de Semiconductor ROHM, acortan esta meseta y aseguran que la conmutación se regule de mejor manera. En concreto, el accionamiento de alta corriente provoca una reducción en la energía de encendido (E_ON) durante la conmutación IGBT, lo que ayuda a limitar la disipación de potencia. Además, la alta corriente del controlador IGBT, generado por los transistores de efecto de campo (FET) internos de baja impedancia del controlador IGBT, garantiza que, incluso en altas frecuencias de conmutación, la disipación de potencia del circuito de accionamiento se produzca en principio mediante el resistor en serie externo y, por lo tanto, se pueda manejar mejor desde una perspectiva térmica.

El efecto Miller también puede aumentar las pérdidas en la conmutación IGBT de lado bajo. El problema se produce cuando el encendido del IGBT de lado alto provoca un sobrevoltaje (dv/dt) en el colector del IGBT de lado bajo desconectado. El sobrevoltaje induce una corriente de Miller mediante la capacitancia de Miller a la capacitancia de puerta del IGBT de lado bajo (Figura 6[a]). Si la trayectoria de la puerta a tierra (GND) tiene una impedancia importante (a causa del resistor de la puerta R_G), la corriente de Miller podría empujar el voltaje de puerta por encima del nivel del umbral y el IGBT de lado bajo podría encenderse durante unas pocas decenas o cientos de nanosegundos, lo que aumentaría las pérdidas de conmutación. Una forma de evitar esta situación es implementando un voltaje de puerta negativo, pero la desventaja es que se requiere de una segunda fuente CC.

Una alternativa es proporcionar una trayectoria de baja impedancia desde la puerta a la GND. Los controladores como el NCV5702DR2G y el BM60212FV-CE2 ofrecen “protección activa de sujeción Miller”, que implementa este tipo de protección al agregar una parte de la puerta de IGBT al pin de sujeción del controlador de puerta. Una vez que la salida de voltaje (V_O) se disipa por debajo del umbral de la sujeción Miller activa (V_MC-THR), el pin de sujeción entra en cortocircuito a GND y evita que el voltaje en la puerta del IGBT se eleve por encima del voltaje del umbral y cambie el voltaje de IGBT de lado bajo (Figura 6 [b]). El pin de sujeción se desconecta de la GND tan pronto como se recibe la señal de encendido del IGBT en la entrada del controlador de puerta. Debido a que el pin de sujeción se activa solo después de que el voltaje de la puerta cae por debajo del umbral V_MC-THR, se garantiza que la función de este pin no interfiera con el funcionamiento de la conmutación de apagado controlable por el usuario normal (mediante la elección de R_G).

Figura 6: El efecto Miller puede aumentar las pérdidas en el IGBT de lado bajo cuando el IGBT de lado alto genera un sobrevoltaje en el IGBT del lado bajo desconectado. El sobrevoltaje induce corriente por medio de la capacitancia de Miller a la capacitancia de puerta del IGBT de lado bajo (a). La solución (b) es acortar el pin de sujeción a la GND para evitar que el voltaje suba lo suficiente como para encender el IGBT de lado bajo. (Fuente de la imagen: ON Semiconductor)

Consideraciones de diseño para los controladores IGBT

Incluso con un controlador IGBT integrado de alto rendimiento, se deben superar algunos desafíos si el diseñador quiere evitar impulsos parásitos de voltaje desagradables, zumbidos y falso encendido en su regulador del motor BLDC. Estos problemas ocurren con frecuencia debido a una fuente de alimentación de mala calidad, un diseño deficiente y una falta de coincidencia del controlador y el transistor de potencia.

Por ejemplo, suponga que encender y apagar un IGBT equivale a cargar y descargar grandes cargas capacitivas de 10 000 picofaradios (pF) de 0 a 15 voltios en 50 ns. Para lograrlo, se necesita corriente de 3 A (de I= dV x [C/dt]). A partir de este ejemplo, se puede ver que la corriente de salida del controlador es directamente proporcional a la oscilación de voltaje o a la capacitancia de carga, e inversamente proporcional al tiempo de subida. Es importante señalar que, en situaciones prácticas, la corriente de carga no es constante, pero puede alcanzar un pico de 4.7 A; por lo tanto, es fundamental que el controlador tenga la sobrecarga necesaria para hacer frente a este pico. Un dispositivo como el BM60212FV-CE2 de ROHM Semiconductor, que ofrece una salida de 4.5 A y una corriente pico de 5 A, sería una buena opción para esta aplicación.

Además del valor pico de corriente, el diseñador debe recordar que el controlador IGBT debe obtener esta corriente de la fuente de alimentación en solo 50 ns. Una técnica que permite este rápido consumo de corriente es agregar un par de capacitores de derivación paralelos (con un valor de al menos 10 veces el de la capacitancia de carga y con curvas de impedancia complementarias) muy cerca del pin de la fuente de polarización positiva (V_CC) del controlador del IGBT. Estos capacitores deben tener la resistencia equivalente en serie (ESR) y la inductancia equivalente en serie (ESL) más bajas posibles, y se deben minimizar las longitudes de los conductores.

Los controladores IGBT necesitan una trayectoria de impedancia muy baja para el retorno de la corriente a tierra. En una topología típica, hay tres trayectorias para el retorno de la corriente a tierra:

• Entre el controlador IGBT y el regulador.
• Entre el controlador y su propia fuente de alimentación.
• Entre el conductor y el emisor de IGBT que se acciona.

Cada una de estas trayectorias deben ser lo más corta y ancha posible para reducir la inductancia y la resistencia. Además, las trayectorias de tierra deben mantenerse separadas, en especial, para evitar que la corriente de tierra de la carga afecte la interfaz entre el controlador y el regulador. Una buena estrategia es poner un plano de cobre de la placa CI como tierra y, a continuación, asegurarse que todos los puntos de conexión a tierra en el circuito vuelvan al mismo punto físico para evitar generar potenciales diferenciales de tierra.

Para facilitar los rápidos tiempos de subida y bajada necesarios para la conmutación de alta frecuencia, los conductores de corriente deben mantenerse a una longitud mínima. Dado que cada centímetro de longitud agrega casi 8 nanohenrios (nH) de inductancia, un di/dt de 95 A/µs genera un voltaje transitorio L (dI/dt) de 1.9 voltios por centímetro de longitud de cable, que se resta de la salida del controlador. El efecto práctico es un aumento en el tiempo de subida por cada aumento de la longitud del conductor, desde la salida del controlador IGBT a la puerta del IGBT. Por ejemplo, un centímetro adicional de longitud del conductor podría aumentar el tiempo de subida de 8 ns a 28 ns. Otro efecto perjudicial de una longitud de conductor más larga es el posible aumento de la interferencia electromagnética (EMI) de la conmutación rápida.

Por último, cuanto menor sea el valor de inductancia del controlador IGBT, mejor será el rendimiento de conmutación, ya que esta inductancia está, de hecho, en series con el emisor IGBT y genera retroalimentación que aumenta los tiempos de conmutación. En la Figura 7 se muestra un circuito de aplicación típico para un controlador IGBT que conmuta un par de transistores de potencia de lado alto y bajo.

Figura 7: Un circuito de aplicación típico para un controlador IGBT/MOSFET integrado de alta corriente (en este caso, el BM60212FV-CE2 de ROHM Semiconductor) con sujeción UVLO y Miller. (Fuente de la imagen: ROHM Semiconductor)

Conclusión

El requisito de una densidad de potencia mayor en los motores BLDC industriales llevó a plantear exigencias a la electrónica de control que son difíciles de satisfacer con las soluciones de componentes MOSFET discretos convencionales. Los controladores IGBT proporcionan una solución para el funcionamiento de alta frecuencia y alta corriente necesarias para accionar el IGBT en motores BLDC de alta densidad de potencia. A medida que evolucionaron estos dispositivos, se volvieron más integrados y fáciles de usar, a la vez que agregaron características para proteger los transistores de potencia, mejorar la eficiencia y ahorrar espacio.

Como se muestra, para aprovechar al máximo estos controladores IGBT, los diseñadores necesitan adaptar los controladores y los componentes periféricos a las demandas de frecuencia y potencia de los IGBT, al mismo tiempo que prestan mucha atención al diseño de las placas CI.

Referencias

1. Fundamentals of MOSFET and IGBT Gate Driver Circuits, Laszlo Balogh, Texas Instruments, marzo de 2017.
2. Low-side gate drivers with UVLO vs BJT totem-pole, Mamadou Diallo, Texas Instruments, febrero de 2018.