Introducción a los controladores de puerta para electrónica de potencia

Un controlador de puerta es un amplificador de potencia que acepta una entrada de baja potencia de un circuito integrado controlador y produce el accionamiento de puerta de alta corriente adecuado para un dispositivo de potencia. A medida que aumentan los requisitos de la electrónica de potencia, el diseño y el rendimiento de los circuitos del controlador de puerta son cada vez más importantes.

Los dispositivos semiconductores de potencia son el corazón de la tecnología moderna. electrónica de potencia sistemas. Estos sistemas utilizan muchos dispositivos semiconductores con compuerta, como transistores ordinarios, FET, BJT, MOSFET, IGBT y otros, como elementos de conmutación en fuentes de alimentación conmutadas (SMPS), fuentes de alimentación universales (SAI) y accionamientos de motores. La evolución de la tecnología moderna en electrónica de potencia ha seguido en general la evolución de los dispositivos semiconductores de potencia.

Los requisitos de nivel de potencia y frecuencia de conmutación están aumentando en la industria de la electrónica de potencia. El transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico (MOSFET) y el transistor bipolar de puerta aislada (IGBT) son dos de los dispositivos semiconductores más populares y eficientes para fuentes de alimentación conmutadas de potencia media a alta en la mayoría de las aplicaciones.

La puerta de un MOSFET o un IGBT es el terminal de control eléctricamente aislado de cada dispositivo. Los otros terminales de estos dispositivos son la fuente y el drenaje o el emisor y el colector. Para hacer funcionar un MOSFET/IGBT, normalmente hay que aplicar a la puerta una tensión relativa a la fuente/emisor del dispositivo. Para conducir estos dispositivos de conmutación, el terminal de puerta debe ser positivo con respecto a su fuente/emisor.

El comportamiento de conmutación del dispositivo de potencia se ve afectado por las capacitancias parásitas entre los tres terminales, es decir, puerta-fuente (C_gs), puerta-drenaje (C_gd) y drenaje-fuente (C_ds) que suelen ser no lineales y función de la tensión de polarización. La carga del condensador de puerta activa el dispositivo de potencia y permite el flujo de corriente entre sus terminales de drenaje y fuente, mientras que su descarga desactiva el dispositivo y bloquea una gran tensión a través de los terminales de drenaje y fuente.

La tensión de puerta de un dispositivo de potencia no aumenta a menos que se cargue su capacitancia de entrada de puerta, y el dispositivo de potencia no se enciende hasta que su tensión de puerta alcanza la tensión umbral de puerta (V_th). El V_th de un dispositivo de potencia se define como la mínima polarización de puerta necesaria para crear un camino de conducción entre sus regiones de fuente y drenaje. Para que un dispositivo de potencia funcione como interruptor, se requiere una tensión suficientemente superior a V_th entre la puerta y el terminal fuente/emisor.

Controladores de puerta para electrónica de potencia

En aplicaciones de alta potencia, la puerta de un interruptor de potencia nunca puede ser accionada por la salida de un circuito integrado lógico (controlador PWM). Debido a la baja capacidad de corriente de estas salidas lógicas, cargar la capacitancia de la puerta requeriría una cantidad de tiempo excesiva, probablemente mayor que la duración de un periodo de conmutación. Por lo tanto deben utilizarse controladores dedicados para aplicar una tensión y proporcionar corriente de accionamiento a la puerta del dispositivo de alimentación. Puede tratarse de un circuito excitador e implementarse como circuitos integrados dedicados, transistores discretos o transformadores. También puede integrarse en un circuito integrado controlador PWM.

A controlador de puerta es un amplificador de potencia que acepta una entrada de baja potencia de un controlador IC y produce la unidad de puerta de alta corriente apropiada para un dispositivo de potencia. Se utiliza cuando un controlador PWM no puede proporcionar la corriente de salida necesaria para conducir la capacitancia de puerta del dispositivo de potencia asociado.

El circuito controlador de puerta es una parte integral de los sistemas electrónicos de potencia. Los controladores de puerta constituyen una interfaz importante entre la electrónica de alta potencia y el circuito de control y se utilizan para controlar los dispositivos semiconductores de potencia. La salida de los convertidores CC-CC o SMPS depende principalmente del comportamiento de los circuitos controladores de puerta, lo que significa que si el circuito controlador de puerta no acciona la puerta de un dispositivo de potencia correctamente, la salida del convertidor CC-CC no se ajustará a los requisitos de diseño. Por lo tanto, el diseño del circuito controlador de puerta es de vital importancia en el diseño de convertidores electrónicos de potencia.

Tipos de controladores de puerta

Conductores laterales bajos - Se utiliza para accionar interruptores referenciados a masa (interruptores de lado bajo).

Conductores de lado alto-lado bajo - Se utiliza para accionar dos interruptores conectados en puente (tanto interruptores flotantes como con referencia a tierra).

Aislamiento del controlador de puerta

Los circuitos de accionamiento de compuertas para inversores y convertidores de potencia suelen requerir aislamiento eléctrico tanto por motivos funcionales como de seguridad. Los organismos reguladores y de certificación de seguridad exigen el aislamiento para evitar riesgos de descarga eléctrica. También protege la electrónica de baja tensión de cualquier daño debido a fallos en el circuito del lado de alta potencia y de errores humanos en el lado de control. La separación eléctrica entre varios circuitos funcionales de un sistema impide una vía de conducción directa entre ellos y permite que los circuitos individuales posean diferentes potenciales de tierra. La señal y la potencia pueden seguir pasando entre los circuitos aislados utilizando métodos inductivos, capacitivos u ópticos.

Muchas aplicaciones de dispositivos de potencia (por ejemplo, convertidores en los que se requiere alta densidad de potencia y alta eficiencia) requieren un circuito de accionamiento de puerta aislado. Por ejemplo, en topologías de convertidores de potencia como las de medio puente, puente completo, buck, forward de dos conmutadores y forward de pinza activa, se requieren circuitos de accionamiento de puerta aislados. y porque los controladores de lado bajo no pueden utilizarse directamente para controlar el dispositivo de potencia superior. Los dispositivos de potencia superior requieren un controlador de puerta aislado porque la fuente y el emisor de los dispositivos superiores no están en el potencial de tierra (flotante).

En una estructura de topología de puente simple con un circuito de accionamiento como el que se muestra aquí, el terminal de fuente del interruptor 1 puede estar oscilando en cualquier punto desde tierra hasta el potencial del bus de CC. Por lo tanto, se necesitan dos cosas para conducir los interruptores del lado alto:

1. Suministro flotante - para suministrar energía a cualquier circuito asociado con este potencial de punto medio de floating.
2. Cambiador de nivel - para transmitir la señal de control PWM a la circuitería del floating driver.

Técnicas de aislamiento

Básicamente, existen dos técnicas populares para implementar controladores de puerta aislados: magnético (utilizando transformadores de accionamiento de puerta) y óptico (mediante un optoacoplador). Nuestros próximos artículos se centrarán en la técnica de aislamiento magnético, concretamente en las características y requisitos de diseño para transformadores de accionamiento de compuertas.