Pautas de diseño para el uso de controladores de compuerta aislados

La guía de diseño de tres partes explica cómo seleccionar el controlador de compuerta aislada adecuado para dispositivos de conmutación de potencia en aplicaciones de electrónica de potencia y comparte experiencias prácticas. Este artículo es la primera parte, que incluye principalmente la introducción y la guía de selección de controladores de compuerta aislada.

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Los controladores de compuerta aislada de ON Semiconductor están diseñados para cumplir con las limitaciones de velocidad de conmutación máxima y tamaño del sistema requeridas por tecnologías como SiC (carburo de silicio) y GaN (nitruro de galio) para proporcionar un control confiable de MOSFET. Muchos diseñadores en la industria de la electrónica de potencia tienen una amplia experiencia trabajando con MOSFET de Si, SiC y GaN y son usuarios expertos. Los fabricantes de sistemas están cada vez más interesados ​​en mejorar la eficiencia energética de sus diseños. Para lograr una posición líder en el mercado, la combinación de alta eficiencia energética y bajo costo es crucial. Desde la perspectiva de los materiales semiconductores, el campo ha logrado un progreso significativo y ahora hay productos capaces de conmutar a altas velocidades, lo que aumenta la eficiencia a nivel de sistema y reduce el tamaño.

Controladores de compuerta aislados--¿Qué son, por qué se utilizan y cómo funcionan?

Los MOSFET de potencia son dispositivos controlados por voltaje que se utilizan como elementos de conmutación en circuitos de potencia, controladores de motores y otros sistemas. La compuerta es el terminal de control eléctricamente aislado de cada dispositivo. Los otros terminales de un MOSFET son la fuente y el drenador.

Para que un MOSFET funcione, normalmente es necesario aplicar un voltaje a la compuerta (en lugar de a la fuente o al emisor). Se utiliza un controlador dedicado para aplicar voltaje a la compuerta del dispositivo de potencia y proporcionar corriente de control.

Los controladores de compuerta se utilizan para encender y apagar dispositivos de potencia. Para ello, el controlador de compuerta carga la compuerta del dispositivo de potencia hasta el voltaje de encendido final VGS(ON), o el circuito del controlador descarga la compuerta hasta el voltaje de apagado final VGS(OFF). Para realizar la conversión entre los dos niveles de voltaje de compuerta, se disipa algo de potencia en el bucle entre el controlador de compuerta, la resistencia de compuerta y el dispositivo de potencia.

Hoy en día, los convertidores de alta frecuencia para aplicaciones de potencia baja y media utilizan principalmente dispositivos de control de voltaje de compuerta, como MOSFET.

Para aplicaciones de alta potencia, los mejores dispositivos que se utilizan actualmente son los MOSFET de carburo de silicio (SiC), que requieren corrientes de excitación más elevadas para encender o apagar rápidamente estos interruptores de potencia. Los controladores de compuerta no solo son adecuados para los MOSFET, sino también para los nuevos dispositivos en la banda prohibida amplia que solo conocen algunas personas en la actualidad, como los FET de carburo de silicio (SiC) y los FET de nitruro de galio (GaN).

Un controlador de compuerta es un amplificador de potencia que acepta la entrada de un IC controlador y genera una corriente alta apropiada para accionar la compuerta de un dispositivo de conmutación de potencia.

A continuación se presenta un breve resumen de las razones para utilizar controladores de puerta:

Impedancia de accionamiento de la compuerta

La función del controlador de compuerta es encender y apagar rápidamente los dispositivos de potencia para reducir las pérdidas. Para evitar pérdidas por conducción cruzada causadas por el efecto Miller o por una conmutación lenta bajo ciertas cargas, el controlador debe establecer el estado de apagado con una impedancia menor que el estado de encendido en el transistor opuesto. El margen de control de compuerta negativo desempeña un papel importante en la reducción de estas pérdidas.

Inductancia de la fuente

Esta es la inductancia compartida por el bucle de corriente del controlador de compuerta y el bucle de corriente de salida. El margen de voltaje negativo del controlador de compuerta combinado con la inductancia del cable de fuente tiene un impacto directo en la velocidad de conmutación de la salida bajo carga, que es el efecto de degradación de la fuente de la inductancia de fuente (la inductancia del cable de fuente acopla la corriente de conmutación de salida nuevamente al controlador de compuerta, lo que ralentiza el controlador de compuerta).

El controlador de compuerta aplica una señal de voltaje (VGS) entre la compuerta (G) y la fuente (S) del MOSFET de potencia mientras entrega un pulso de alta corriente, como se muestra en la Figura 1.

·Permitir la carga/descarga rápida de CGS y CGD

· MOSFET de potencia de encendido y apagado rápido

Figura 1. Trayectoria de la corriente de control de la compuerta

¿Por qué aislamiento galvánico?

Las aplicaciones de alta potencia requieren aislamiento galvánico para evitar que se activen bucles de tierra peligrosos, que podrían causar ruido, haciendo que las conexiones a tierra de los dos circuitos estén a potenciales diferentes y, por lo tanto, comprometiendo la seguridad del sistema. Las corrientes en tales sistemas pueden ser letales para los humanos, por lo que se debe garantizar el máximo nivel de seguridad. El aislamiento eléctrico o galvánico se refiere al estado en el que no circula corriente continua entre dos puntos a potenciales diferentes.

Más precisamente, en el estado de aislamiento galvánico, es imposible mover portadores de un punto a otro, pero la energía eléctrica (o señales) aún se puede intercambiar a través de otros fenómenos físicos como la inducción electromagnética, el acoplamiento capacitivo o la luz. Esta condición es equivalente a una resistencia infinita entre los dos puntos; en la práctica, resistencias de hasta aproximadamente 100 MΩ son suficientes. Si el daño se limita a los componentes electrónicos, el aislamiento de seguridad puede no ser necesario, pero si la actividad humana está involucrada en el lado de control, se requiere aislamiento galvánico entre el lado de alta potencia y el circuito de control de bajo voltaje. Protege contra cualquier falla en el lado de alta tensión, porque incluso si hay daño o falla de los componentes, la barrera de aislamiento evita que la energía llegue al usuario. El aislamiento es obligatorio por parte de las agencias reguladoras y los organismos de certificación de seguridad para prevenir el riesgo de descarga eléctrica. A continuación, se presenta un resumen de las razones para el uso y los métodos de aislamiento galvánico en muchas aplicaciones de energía.

·Prevenir y soportar de forma segura sobretensiones elevadas que dañen equipos o pongan en peligro a las personas.

·Proteja controladores costosos: sistemas inteligentes

·Tolerar grandes diferencias de potencial y bucles de tierra destructivos en circuitos con alta energía o separaciones prolongadas.

·Comunicarse de manera confiable con componentes de alto rendimiento y alto voltaje.

Soluciones

Figura 2. No aislados y aislados

Guía de selección de controladores de compuertas aisladas

A continuación se explica cómo seleccionar un controlador de compuerta aislado. Por ejemplo, para un sistema con un voltaje de funcionamiento más bajo, el dispositivo de conmutación se puede conectar directamente al controlador siempre que el voltaje soportado del controlador esté dentro del rango permitido. Sin embargo, el controlador de compuerta es un componente común en la mayoría de los convertidores de potencia. Dado que el circuito de control funciona a un voltaje bajo, el controlador no puede proporcionar suficiente energía para abrir o cerrar de forma rápida y segura el interruptor de potencia. Por lo tanto, la señal del controlador se envía al controlador de compuerta, que puede soportar una mayor potencia y puede accionar la compuerta del MOSFET según sea necesario. En aplicaciones de alta potencia o alto voltaje, los componentes del circuito están sujetos a grandes excursiones de voltaje y altas corrientes. Si se produce una fuga de corriente desde el MOSFET de potencia al circuito de control, el alto voltaje y la corriente en el circuito de conversión de potencia pueden quemar fácilmente el transistor, lo que provoca una avería grave del circuito de control. Además, las aplicaciones de alta potencia deben tener aislamiento galvánico entre la entrada y la salida para proteger a los usuarios y otros dispositivos.

Rango de voltaje de accionamiento de la compuerta

La tensión de funcionamiento del convertidor depende de las especificaciones del elemento de conmutación (como Si MOSFET o SiC MOSFET). Se debe confirmar que la tensión de salida del convertidor no supere el valor máximo de la tensión de compuerta del elemento de conmutación.

El voltaje positivo del controlador de compuerta debe ser lo suficientemente alto para garantizar que la compuerta esté completamente encendida. También es necesario asegurarse de que el voltaje de control no exceda el voltaje de compuerta máximo absoluto. Los Si-MOSFET suelen utilizar un voltaje de control de +12 V, +15 V se utiliza habitualmente para controlar SiC y el voltaje de compuerta para GaN es +5 V. Un voltaje de compuerta de 0- V puede mantener todos los dispositivos en estado apagado. En términos generales, los MOSFET no requieren un controlador de compuerta de polarización negativa, que a veces se utiliza para los MOSFET de SiC y GaN. En aplicaciones de conmutación, se recomienda encarecidamente utilizar un controlador de compuerta de polarización negativa para los MOSFET de SiC y GaN porque la inductancia parásita introducida por un diseño de PCB no ideal durante la conmutación de alta di/dt y dv/dt puede provocar oscilaciones en el voltaje de control de compuerta-fuente del transistor de potencia. A continuación, se muestran los voltajes de control de compuerta aplicables para cada dispositivo de conmutación.

Capacidad de aislamiento

Esta capacidad está determinada por el voltaje de funcionamiento del sistema. El voltaje de funcionamiento del sistema es directamente proporcional a la capacidad de aislamiento. Uno de los parámetros clave de un controlador de compuerta aislada es su clasificación de voltaje de aislamiento. La clasificación de aislamiento está diseñada para evitar que los transitorios de voltaje inesperados dañen otros circuitos conectados a la fuente de alimentación, por lo que tener la clasificación de aislamiento correcta es clave para proteger al usuario de descargas de corriente potencialmente dañinas. Además, esta clasificación protege las señales dentro del convertidor de ser perturbadas por ruido o transitorios de voltaje de modo común inesperados. El valor de aislamiento generalmente se expresa como la cantidad de voltaje que la barrera de aislamiento puede soportar. En la mayoría de las hojas de datos de controladores de compuerta aislada, el voltaje de aislamiento se enumera como parámetros como voltaje de aislamiento de pico repetitivo máximo (VIORM), voltaje de aislamiento de trabajo (VIOWM), voltaje de aislamiento transitorio máximo (VIOTM), voltaje de aislamiento de sobretensión máximo (VIOSM) y voltaje de aislamiento RMS (VISO). Cuanto mayor sea el voltaje de funcionamiento del sistema, mayor será la capacidad de aislamiento necesaria del convertidor.

Los controladores de compuerta aislados de ON Semiconductor se prueban en producción en un probador MPS (modelo MSPS-20).

Capacitancia de aislamiento

La capacidad de aislamiento es la capacidad parásita entre los lados de entrada y salida del convertidor. De la siguiente fórmula, podemos ver que la capacidad de aislamiento es proporcional a la corriente de fuga.

Entre ellos: Ileak: corriente de fuga, fS: frecuencia de operación, CISO: capacidad de aislamiento. VSYS: voltaje de operación del sistema.

La pérdida de potencia es proporcional a la corriente de fuga. Si el sistema necesita funcionar a alta frecuencia de operación y alto voltaje, debemos prestar más atención al tamaño de la capacidad de aislamiento del convertidor para evitar un aumento excesivo de la temperatura.

Inmunidad transitoria de modo común (CMTI)

La inmunidad transitoria en modo común (CMTI) es una de las principales características asociadas con los controladores de compuerta aislados, especialmente cuando el sistema opera a frecuencias de conmutación altas. Esto es importante porque los transitorios de alta velocidad de respuesta (alta frecuencia) pueden dañar la transmisión de datos a través de la barrera de aislamiento. La capacitancia a través de la barrera de aislamiento (es decir, entre los planos de tierra de aislamiento) proporciona una ruta para que estos transitorios rápidos crucen la barrera de aislamiento y dañen la forma de onda de salida. La unidad de este parámetro característico suele ser kV/uS.

Si el CMTI no es lo suficientemente alto, se puede producir un ruido de alta potencia acoplado a través del controlador de compuerta aislado, lo que crea un bucle de corriente y hace que aparezca una carga en la compuerta del conmutador. Esta carga, si es lo suficientemente grande, puede hacer que el controlador de compuerta interprete erróneamente este ruido como una señal de control, y este paso puede provocar una falla grave del circuito.

Consideraciones sobre la capacidad de la unidad actual

Cuanto mayor sea la corriente de compuerta que se puede generar/consumir en un corto período de tiempo, más corto será el tiempo de conmutación del controlador de compuerta y menor será la pérdida de potencia de conmutación en el transistor controlado.

Las corrientes pico de fuente y sumidero (ISOURCE e ISINK) deben ser mayores que las corrientes promedio (IG, AV), como se muestra en la Figura 3.

Figura 3. Definición de capacidad de accionamiento actual

Para cada clasificación de corriente del controlador, la carga de compuerta máxima aproximada QG que se puede conmutar en el tiempo mostrado se puede calcular de la siguiente manera: La clasificación de corriente del controlador requerida depende de cuánta carga de compuerta QG se debe mover en cuánto tiempo de conmutación tSW−ON/OFF, ya que la corriente de compuerta promedio durante la conmutación es IG.

Donde tSW,ON/OFF representa la velocidad a la que se debe conmutar el MOSFET. Si no se sabe, comience con el 2 % del período de conmutación tSW.

Las corrientes pico de fuente y sumidero aproximadas del controlador de compuerta se pueden calcular utilizando las siguientes fórmulas.

En (Fuente actual)

Cuando está apagado (corriente descendente)

Donde QG es la carga de compuerta en VGS=VCC, tSW, ON/OFF=tiempo de encendido/apagado, 1.5=factor determinado empíricamente (afectado por retrasos a través de la etapa de entrada del controlador y componentes parásitos)

Consideraciones sobre la resistencia de compuerta

Al dimensionar la resistencia de compuerta, es importante considerar la reducción del voltaje de oscilación causado por la inductancia y la capacitancia parásitas. Sin embargo, esto limitará la capacidad de corriente de la salida del controlador de compuerta. Los valores de capacidad de corriente limitada debido a las resistencias de compuerta de encendido y apagado se pueden obtener utilizando las siguientes fórmulas.

Entre ellos: ISOOURCE: corriente de fuente pico, ISINK: corriente de sumidero pico, VOH: caída de voltaje de salida de alto nivel, VOL: caída de voltaje de salida de bajo nivel

Controladores de compuerta aislados de ON Semiconductor

ON Semiconductor ofrece una variedad de controladores de compuerta aislados basados ​​en transformadores sin núcleo acoplados magnéticamente integrados, adecuados para aplicaciones donde las velocidades de conmutación son muy altas y existen restricciones en el tamaño del sistema, y ​​pueden controlar de manera confiable MOSFET de Si y FET de SiC.

Ofrecemos productos de aislamiento funcionales y reforzados certificados según UL 1577, SGS FIMKO IEC 62368-1 y CQC GB 4943.1. Nuestros controladores de compuerta aislados incluyen productos certificados tanto para la industria como para la automoción.

Estos controladores de compuerta aislados integran una variedad de características para soportar altos niveles de CMTI, tienen múltiples opciones de UVLO y brindan retrasos de propagación rápidos (incluidos desajustes de retraso cortos) y una distorsión mínima del ancho de pulso.

En particular, los nuevos productos de ON Semiconductor ofrecerán un método simple para generar polarización negativa en el bucle de control de la compuerta, adecuado para controlar MOSFET de SiC. Esta polarización negativa es útil si el diseño de la PCB y/o los cables del encapsulado crean una alta oscilación en el transistor de potencia Vg. Esta oscilación de voltaje de la compuerta ocurre típicamente bajo condiciones de conmutación di/dt y dv/dt altas. Para mantener la oscilación por debajo del voltaje de umbral para evitar un encendido espurio, se aplica una polarización negativa al controlador de la compuerta. Hay diferentes opciones disponibles para generar -2V, -3V, -4V y -5V para adaptarse a todas las configuraciones. Los controladores de compuerta aislados de ON Semiconductor están disponibles en una variedad de opciones de encapsulado, incluidas las variantes pequeñas LGA y SOIC de 8- pines a 16- pines.

A continuación se presentan las características clave, las especificaciones eléctricas y las certificaciones relacionadas con la seguridad de la familia de controladores de puerta aislada de ON Semiconductor.

Tabla 1.

- En desarrollo

- Opcional, disponible bajo pedido

- Planeado

Herramientas de soporte para controladores de puertas aisladas

Todos los documentos relacionados con los controladores de puerta con aislamiento galvánico están disponibles en la página de inicio de ON Semiconductor, incluidas hojas de datos, herramientas de diseño y desarrollo, modelos de simulación, notas de aplicación, documentación de la placa de evaluación, informes de cumplimiento, etc.

Los principales impulsores relacionados incluyen:

● NCP51560

● NCP51561 y NCV51561

● NCP51563 y NCV51563