Conductor de puerta

Un controlador de puerta es un amplificador de potencia que recibe una entrada de baja potencia de un circuito integrado controlador y genera una entrada de corriente alta para la puerta de un transistor de alta potencia, como un IGBT o un MOSFET de potencia . Los controladores de puerta pueden estar integrados en el chip o ser módulos discretos. En esencia, un controlador de puerta consta de un convertidor de nivel en combinación con un amplificador . Un circuito integrado controlador de puerta actúa como interfaz entre las señales de control (controladores digitales o analógicos) y los interruptores de potencia (IGBT, MOSFET, MOSFET de SiC y HEMT de GaN ). Una solución de controlador de puerta integrado reduce la complejidad del diseño, el tiempo de desarrollo, la lista de materiales (BOM) y el espacio en la placa, a la vez que mejora la fiabilidad en comparación con las soluciones de controlador de puerta implementadas de forma discreta. ^{[ 1 ]}

En 1989, International Rectifier (IR) presentó el primer producto controlador de puerta HVIC monolítico. La tecnología de circuito integrado de alto voltaje (HVIC) utiliza estructuras monolíticas patentadas y propietarias que integran dispositivos bipolares, CMOS y DMOS laterales con voltajes de ruptura superiores a 700 V y 1400 V para voltajes de compensación de operación de 600 V y 1200 V. ^{[ 2 ]}

Mediante esta tecnología HVIC de señal mixta, se pueden implementar tanto circuitos de cambio de nivel de alto voltaje como circuitos analógicos y digitales de bajo voltaje. Gracias a la capacidad de colocar circuitos de alto voltaje (en un "pozo" formado por anillos de polisilicio), que pueden "flotar" 600 V o 1200 V, en el mismo silicio, lejos del resto de los circuitos de bajo voltaje, los MOSFET o IGBT de potencia de lado alto se encuentran en muchas topologías de circuitos fuera de línea populares, como buck, boost síncrono, medio puente, puente completo y trifásico. Los controladores de puerta HVIC con interruptores flotantes son muy adecuados para topologías que requieren configuraciones de lado alto, medio puente y trifásicas. ^{[ 3 ]}

A diferencia de los transistores bipolares , los MOSFET no requieren una corriente de base continua para permanecer en estado de encendido, siempre que no se enciendan o apaguen. El electrodo de puerta aislado del MOSFET forma un condensador (condensador de puerta), que debe cargarse o descargarse cada vez que el MOSFET se enciende o apaga. Como un transistor requiere un voltaje de puerta específico para encenderse, el condensador de puerta debe cargarse al menos al voltaje de puerta requerido para que el transistor se encienda.${\displaystyle Q_{g}}$En lugar de una simple capacitancia, determina la energía de accionamiento requerida:

${\displaystyle E_{gate}=Q_{g}\times V_{GS}}$

La potencia media requerida para el accionamiento de la puerta es:

${\displaystyle P_{gate}=Q_{g}\times V_{GS}\times f_{s}}$

dónde${\displaystyle f_{s}}$es la frecuencia de conmutación. ^{[ 4 ]}

Del mismo modo, para apagar el transistor, esta carga debe disiparse, es decir, el condensador de puerta debe descargarse.

Cuando un transistor se enciende o se apaga, no cambia inmediatamente de un estado no conductor a uno conductor; y puede soportar transitoriamente tanto un alto voltaje como una alta corriente. En consecuencia, cuando se aplica corriente de puerta a un transistor para provocar su conmutación, se genera una cierta cantidad de calor que, en algunos casos, puede ser suficiente para destruirlo. Por lo tanto, es necesario mantener el tiempo de conmutación lo más corto posible para minimizar las pérdidas por conmutación . Los tiempos de conmutación típicos están en el rango de microsegundos. El tiempo de conmutación de un transistor es inversamente proporcional a la cantidad de corriente utilizada para cargar la puerta. Por lo tanto, a menudo se requieren corrientes de conmutación en el rango de varios cientos de miliamperios , o incluso en el rango de amperios . Para voltajes de puerta típicos de aproximadamente 10-15 V, pueden ser necesarios varios vatios de potencia para accionar el interruptor. Cuando se conmutan grandes corrientes a altas frecuencias, por ejemplo en convertidores CC-CC o en grandes motores eléctricos , a veces se utilizan varios transistores en paralelo para proporcionar corrientes y potencias de conmutación suficientemente altas.

La señal de conmutación de un transistor suele ser generada por un circuito lógico o un microcontrolador , que proporciona una señal de salida generalmente limitada a unos pocos miliamperios de corriente. En consecuencia, un transistor controlado directamente por dicha señal conmutaría muy lentamente, con la consiguiente pérdida de potencia. Durante la conmutación, el condensador de puerta del transistor puede consumir corriente tan rápidamente que provoque una sobrecarga en el circuito lógico o el microcontrolador, causando un sobrecalentamiento que puede provocar daños permanentes o incluso la destrucción total del chip. Para evitarlo, se incluye un controlador de puerta entre la señal de salida del microcontrolador y el transistor de potencia.

Las bombas de carga se utilizan frecuentemente en puentes H en controladores de lado alto para controlar la puerta de los MOSFET e IGBT de potencia de canal n de lado alto . Estos dispositivos se utilizan por su buen rendimiento, pero requieren una tensión de control de puerta unos pocos voltios por encima de la tensión de alimentación. Cuando el centro de un medio puente pasa a nivel bajo, el condensador se carga a través de un diodo, y esta carga se utiliza posteriormente para controlar la puerta del FET de lado alto unos pocos voltios por encima de la tensión del pin de fuente o emisor para activarlo. Esta estrategia funciona bien siempre que el puente se conmute regularmente y evita la complejidad de tener que utilizar una fuente de alimentación independiente, permitiendo además el uso de dispositivos de canal n más eficientes tanto para la conmutación de nivel alto como de nivel bajo.

Durante las transiciones de conmutación, un dispositivo semiconductor de potencia soporta simultáneamente un voltaje y una corriente sustanciales. Esta superposición produce pérdidas de conmutación, que pueden aproximarse como: ^{[ 5 ]}

${\displaystyle P_{sw}\approx {\frac {1}{2}}VI(t_{r}+t_{f})f_{s}}$

dónde${\displaystyle t_{r}}$es el tiempo de ascenso,${\displaystyle t_{f}}$es la época de otoño, y${\displaystyle f_{s}}$es la frecuencia de conmutación.

Para reducir las pérdidas por conmutación, los intervalos de transición deben ser lo más cortos posible. Dado que el tiempo de conmutación es inversamente proporcional a la corriente de excitación de puerta disponible, en las aplicaciones de electrónica de potencia se suelen requerir corrientes de puerta máximas que oscilan entre varios cientos de miliamperios y varios amperios. ^{[ 4 ]} Los circuitos integrados modernos de control de puerta suelen proporcionar corrientes de fuente y sumidero máximas en el rango de 1 a 10 A. ^{[ 6 ]}

Con voltajes de puerta típicos de 10–15 V y altas frecuencias de conmutación, como las que se utilizan en convertidores CC-CC y accionamientos de motores, el circuito de control de puerta puede disipar varios vatios de potencia, especialmente cuando se conectan varios dispositivos en paralelo. ^{[ 7 ]}

Los circuitos lógicos y los microcontroladores suelen proporcionar corrientes de salida de tan solo unos pocos miliamperios. Controlar directamente la compuerta de un MOSFET o IGBT de potencia desde dichas salidas daría lugar a transiciones de conmutación lentas y mayores pérdidas de conmutación. Además, la alta corriente transitoria necesaria para cargar y descargar la capacitancia de la compuerta puede exceder la capacidad de corriente del dispositivo de control. ^{[ 4 ]}

Un controlador de puerta proporciona amplificación de corriente y amortiguación eléctrica entre el circuito de control y el dispositivo de potencia. Esto permite la carga y descarga rápida de la capacitancia de la puerta, reduce las pérdidas de conmutación y mejora la fiabilidad general del sistema. ^{[ 5 ]}

En las topologías de convertidores de medio puente y puente completo, los MOSFET o IGBT de canal N se utilizan comúnmente tanto en el lado bajo como en el lado alto debido a sus menores pérdidas de conducción en comparación con los dispositivos de canal P. ^{[ 7 ]} Sin embargo, para controlar un dispositivo de canal N de lado alto se requiere un voltaje de puerta varios voltios mayor que su potencial de fuente.

Una técnica muy utilizada para el control de la compuerta de lado alto es el método de arranque (bootstrap). ^{[ 8 ]} Cuando el dispositivo de lado bajo conduce y el nodo de conmutación está cerca del potencial de tierra, un condensador de arranque se carga a través de un diodo desde una fuente de baja tensión. Cuando se activa el dispositivo de lado alto, la carga almacenada eleva la tensión de la compuerta por encima del potencial de la fuente, lo que permite la conducción.

La técnica de arranque elimina la necesidad de una fuente de alimentación aislada independiente para el controlador de lado alto y simplifica la implementación del circuito. Sin embargo, requiere una conmutación periódica para recargar el condensador de arranque y, por lo general, no es adecuada para un funcionamiento continuo con un ciclo de trabajo del 100 % sin circuitos adicionales. ^{[ 8 ]}

Los circuitos integrados modernos para controladores de puertas a menudo incorporan características adicionales de protección y control, incluyendo aislamiento galvánico y circuitos de sujeción Miller para evitar el encendido falso causado por altas tensiones.${\displaystyle dv/dt}$, protección de apagado suave, detección de desaturación para protección IGBT, capacidad de polarización negativa de la puerta y salidas separadas de fuente y sumidero para control independiente de las transiciones de conmutación. ^{[ 4 ]}

Los dispositivos semiconductores de banda prohibida ancha, como los MOSFET de carburo de silicio (SiC) y los HEMT de nitruro de galio (GaN), requieren diseños de controladores de puerta especializados debido a sus altas velocidades de conmutación y mayor${\displaystyle dv/dt}$(que pueden superar los 100 V/ns), voltajes umbral de puerta más bajos y tolerancias de voltaje de puerta más estrictas. ^{[ 9 ]}

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