Folleto
Guía de selección de módulos de potencia Flex
Los requisitos de accionamiento de las puertas son variados.
Se dice que los IGBT y los MOSFET son simplemente controlados por voltaje, mientras que las celdas de GaN se activan con un voltaje umbral pero se mantienen activas mediante una pequeña corriente en su diodo parásito puerta-fuente a un voltaje más alto; pero es más complicado que eso. Para todos los dispositivos hay un voltaje máximo antes de la sobrecarga y posible falla, y a veces hay poco margen entre el voltaje de encendido ideal y el máximo absoluto. Los MOSFET de carburo de silicio comienzan a conducir con unos pocos voltios en sus puertas pero necesitan alrededor de 18 V para una mejora completa con un máximo absoluto a veces tan bajo como 23 V. Los IGBT y los Si-MOSFET son más tolerantes con típicamente más de 10 V entre el voltaje de operación y el voltaje máximo de puerta y las celdas de GaN requieren una corriente de fuente, estrictamente limitada a unos pocos mA desde típicamente alrededor de 7 V.
Los voltajes de estado apagado también varían; mientras que todos los tipos de dispositivos están nominalmente apagados a VGS=0, a menudo se les aplica una polarización negativa para contrarrestar el efecto de la capacitancia de Miller que inyecta corriente en la compuerta cuando el dispositivo se apaga con un alto dV/dt, lo que provoca que la compuerta se vuelva positiva. Una polarización negativa también contrarresta el efecto de cualquier inductancia común en las conexiones de la compuerta y la fuente/emisor, que causa una tensión de compuerta positiva transitoria con un alto di/dt de apagado.
La potencia de control de puerta también varía entre extremos: los IGBT más grandes pueden requerir más de 10 W debido a su alta carga total de puerta, pero la cifra se encuentra en el rango de mW para las celdas de GaN. El valor depende de la frecuencia de conmutación y la oscilación total de voltaje de puerta pico a pico y, en la práctica, suele estar entre 0,5 y 2 W para IGBT y MOSFET. Las corrientes pico en los flancos de conmutación también pueden estar en el rango de amperios para dispositivos grandes. Por lo tanto, los controladores de puerta necesitan un control preciso de su salida para garantizar las menores pérdidas por conducción y evitar el estrés y la consiguiente falta de fiabilidad. Necesitan tener una alta corriente pico nominal y una potencia continua nominal significativa, mientras operan a velocidades dV/dt PWM controladas para lograr el mejor equilibrio entre eficiencia e EMI. También deben tener bloqueo por subtensión y algún tipo de detección de fallas de carga con desconexión rápida.
Los rieles de alimentación del controlador son fundamentales
Parte fundamental de un controlador de puerta de alto rendimiento es la correcta alimentación de sus rieles, que determinan los niveles de voltaje de la puerta. Dado que los voltajes requeridos, como +15 V/-5 V, no son estándares del sistema, se utiliza un convertidor CC/CC local alimentado por un riel disponible, generalmente de 12 V o 24 V. El convertidor CC/CC también suele estar aislado por varias razones: mantiene separadas las corrientes de tierra de la entrada y de la carga, los controladores de puerta suelen estar en el lado alto, con un desfase respecto a los 0 V del sistema, y en muchas aplicaciones, debe existir un aislamiento de seguridad homologado entre el voltaje de carga conmutada y la electrónica de control. Figura 1 Muestra los elementos de un circuito controlador de puerta aislado típico y completo, así como su fuente de alimentación.
Figura 1: Un controlador de puerta y una fuente de alimentación aislados, que se muestran aquí con los rieles típicos de un MOSFET de SiC.
La baja capacitancia de aislamiento del controlador es esencial
En la aplicación de control de lado alto, la tierra de salida del convertidor CC/CC y del controlador es en realidad el nodo de conmutación principal del convertidor, que puede ser una forma de onda de alto voltaje a decenas o cientos de kHz con velocidades de flanco de hasta 100 kV/µs, o posiblemente más con GaN. Esta forma de onda aparece efectivamente a través de las barreras de aislamiento de señal y potencia del controlador, sometiendo el aislamiento a tensión e inyectando una corriente de "desplazamiento" apreciable a través de la capacitancia de la barrera. Por ejemplo, incluso una modesta corriente de 10 kV/µs forzaría el paso de 200 mA a través de tan solo 20 pF. La corriente entonces toma un camino indeterminado de regreso a su fuente a través de la electrónica de control, lo que podría causar EMI, funcionamiento caótico e incluso fallas en el aislamiento u otros componentes.
Existe una solución modular disponible para la alimentación del accionamiento de la puerta.
La necesidad de convertidores CC/CC adaptados para la alimentación de control de puerta se ha abordado mediante módulos como el PUC-2BG La gama incluye módulos de potencia Flex. Se trata de componentes de 2 W en formato SIP-7 de orificio pasante con una distribución de pines estándar de la industria. Los productos ofrecen una variedad de combinaciones fijas de entradas y salidas, adecuadas para IGBT, MOSFET de Si y SiC e incluso células de GaN con regulación adicional de voltaje y corriente.Figura 2).
Figura 2: El PUC-2BG Gama de convertidores CC/CC de control de puerta de los módulos de potencia Flex para aplicaciones SiC/GaN/IGBT
Una característica particular de estos componentes es su baja capacitancia de aislamiento, con un máximo de 6,8 pF y un mínimo de 4,4 pF. Se proporciona un aislamiento de seguridad homologado, que cumple con los requisitos de la norma IEC/EN/UL 62368-1 para aislamiento reforzado con tensiones de sistema de 250 Vrms y una tensión de prueba de alta tensión de 6,2 kV CC.
Los componentes son robustos, sin reducción de potencia hasta los 85 °C y funcionan hasta un máximo de 100 °C. Incluyen protección contra cortocircuitos y las salidas se mantienen dentro de las especificaciones indicadas incluso con carga cero, lo cual es importante para evitar sobretensiones transitorias en la puerta al encender el equipo o después de periodos de espera, cuando la potencia de puerta requerida es cercana a cero y la salida CC/CC podría aumentar. Su eficiencia es alta, típicamente de 81%, y su MTBF es de 13 millones de horas, lo que garantiza un funcionamiento silencioso, fiable y de fácil mantenimiento.
