Guía de selección y diseño de controladores MOSFET de puente completo

La entrega de energía con voltaje y corriente de CC estables es crítica para reguladores/convertidores de energía, controladores de motores y otras aplicaciones como circuitos de iluminación y generación de pulsos. Muchos diseñadores que trabajan en sistemas de baja potencia pueden sentirse tentados a intentar escalar una topología de convertidor de baja potencia a un sistema de mayor potencia, pero esto no resulta a favor del diseñador. Intentar suministrar energía con una topología de convertidor/regulador estándar inevitablemente conduce al fallo de componentes, entrega de energía insuficiente o un sistema sobredimensionado con baja eficiencia.

Para la entrega de energía de CC de moderada a alta, una topología de puente es una mejor elección, específicamente una topología de puente completo con MOSFETs. Los MOSFETs utilizados como elementos de conmutación proporcionan baja resistencia en estado activo, baja disipación de energía, alto voltaje de ruptura y alta corriente de saturación en comparación con los IGBTs comparables. Usar MOSFETs en esta topología requiere un controlador de MOSFET de puente completo para conmutar los transistores con una señal PWM. Estos componentes pueden estar altamente integrados con una huella pequeña para conducir cargas de alta corriente, ofreciendo a los diseñadores una opción compacta para sus productos.

Entendiendo los Controladores de MOSFET de Puente Completo

La topología estándar utilizada para la entrega de energía en motores de grado comercial y convertidores de energía es una de muchas topologías de conmutación. Los diseñadores de convertidores de conmutación probablemente estén familiarizados con las topologías estándar de buck, boost, buck-boost y flyback, donde uno o más transistores de conmutación se utilizan para regular la salida de energía y establecer el nivel de voltaje de salida. Estos componentes están altamente integrados ya que estos sistemas generalmente no se utilizan para la conversión de CC-CC de alta potencia o la entrega de energía en motores.

Para ver por qué estos componentes son importantes y cómo se utilizan, ayuda mirar las dos aplicaciones más comunes de controladores de MOSFET de puente completo: convertidores resonantes LLC y accionamientos de motores.

Ejemplo: Convertidor Resonante LLC de Puente Completo

En cambio, los convertidores de alta potencia y los controladores de motores utilizan una configuración de puente completo o medio puente de transistores de conmutación. Los componentes controladores para motores y convertidores de energía están diseñados para conmutar cada lado del circuito de puente completo o medio puente con una señal PWM, proporcionando la entrega de energía a la carga. Los controladores de puerta de puente completo para MOSFETs de alta potencia integran esencialmente múltiples controladores de puerta IC para un transistor individual en un solo chip. El diagrama del circuito a continuación muestra un IC controlador de puente completo con cuatro MOSFETs utilizados como el elemento de conmutación en un convertidor resonante LLC.

En este sistema, la función del controlador de puente completo es amplificar una señal PWM y usarla para conmutar los cuatro transistores en ON y OFF; solo dos transistores están encendidos en un momento dado. En esta topología, en el lado de la bobina primaria, el circuito integrado del controlador conmuta los transistores del lado alto izquierdo y del lado bajo derecho en ON al mismo tiempo, mientras que los otros transistores permanecen en OFF. En el siguiente ciclo, los estados de los 4 transistores se intercambian. Finalmente, en el lado secundario de la bobina, el voltaje de salida se rectifica con diodos para dar un voltaje de CC estable.

Al igual que con cualquier otra topología de conversor, la corriente de salida puede ser detectada y retroalimentada a la entrada, lo que luego puede ser utilizado para ajustar la señal PWM para asegurar una regulación estable. Cualquier función de control, incluyendo cualquier funcionalidad de habilitación en el circuito integrado del controlador MOSFET de puente completo, se implementa en un MCU o lógica especializada. Una topología muy similar puede ser utilizada para proporcionar una regulación de potencia estable en motores de CC grandes.

En la aplicación de conversión de potencia mencionada arriba, podríamos implementar un medio puente puro (por ejemplo, un conversor resonante de medio puente LLC). Los controladores de medio puente y puente completo pueden ser utilizados en circuitos de control de motores, como veremos a continuación.

Ejemplo: Controlador MOSFET de Puente Completo Único vs. Doble Medio Puente para Control de Motores

Dos implementaciones comunes de control de motores con potencia de CC estable y ajustable son con controladores de puente completo y medio puente. Dos ejemplos con control de motores mediante medio puente y puente completo se muestran en los diagramas a continuación.

En este ejemplo, es necesario seleccionar cuidadosamente los controladores de doble medio puente para que la señal de control pase al segundo circuito integrado del controlador. Ciertos componentes permiten esto por defecto, como MAX14871 de Maxim Integrated. Si esto no está habilitado en el componente del controlador, necesitarás enviar la señal PWM al segundo CI en paralelo. Además, ten cuidado de notar los estados de los MOSFETs en la configuración de medio puente; los estados de los MOSFETs superior e inferior en cada lado se invierten para proporcionar el flujo de corriente requerido en el motor.

En contraste, el panel de la derecha muestra la misma implementación pero con un controlador MOSFET de puente completo. En este circuito, la salida del circuito integrado del controlador conmuta los MOSFETs en pares usando una única señal PWM de un MCU. Esta opción altamente integrada reduce el número de componentes requeridos y aún puede ser utilizada con retroalimentación precisa para control de velocidad o potencia.

Controlador de Puente Completo vs. Controlador de Puerta

Un circuito integrado controlador de puerta proporciona una función muy similar a un controlador de puente completo: conmuta un MOSFET entre los estados ON y OFF. Hay algunas diferencias en términos de cómo estos componentes se implementan en un diseño. Mientras que un controlador de puente completo está específicamente diseñado para una configuración fija con cuatro MOSFETs, un controlador de puerta puede conmutar MOSFETs individuales sin requerir sincronización con ningún otro controlador de puerta. Cabe destacar que podrías crear un circuito controlador MOSFET de puente completo usando cuatro controladores de puerta MOSFET. Lo que deberías elegir depende del voltaje de suministro que necesitas para conmutar los MOSFETs, y el nivel de integración necesario en el componente.

Selección de Componentes para Controlador MOSFET de Puente Completo

La corriente de salida es probablemente la especificación más importante que necesitarás examinar, y esta especificación debe compararse con las especificaciones de tus transistores. Aquí hay otras especificaciones importantes que debes examinar al seleccionar un CI controlador de puerta:

• Integración. Algunos controladores de MOSFET de puente completo incluirán los MOSFETs en el mismo chip. Estos componentes disiparán potencia directamente en el chip y tendrán una calificación de corriente de saturación.

• Voltaje de alimentación. La especificación del voltaje de alimentación determina hasta qué profundidad se pueden conmutar los MOSFETs entre los estados ENCENDIDO y APAGADO.

• Opción de doble medio puente. Algunos controladores de puente completo pueden usarse como dos controladores de medio puente independientes (ver la aplicación de control de motores arriba).

• Rango de frecuencia PWM y ciclo de trabajo. Estos parámetros son importantes en cualquier convertidor o controlador de conmutación. En particular, el ciclo de trabajo determinará la potencia promedio entregada, mientras que la frecuencia puede influir en la ganancia y la impedancia en el componente de carga, particularmente en cargas inductivas encontradas en el control de motores y productos de potencia.

• Calificación de temperatura. Estos componentes podrían operar a alta potencia, o podrían operar cerca de otros componentes que disipan alta potencia. Considera la calificación de temperatura y cualquier estrategia de enfriamiento que puedas necesitar implementar en tu sistema. Si el controlador incluye MOSFETs integrados, entonces probablemente necesitarás algún nivel de enfriamiento térmico en tu diseño para evitar que el componente se sobrecaliente y falle.

Asegúrate de hacer coincidir cuidadosamente tu componente controlador, MOSFETs externos (si no están integrados en el chip del controlador), generador PWM y cualquier componente utilizado en el bucle de retroalimentación.

Una comparación de dos controladores de MOSFET de puente completo

El controlador de puerta MOSFET de puente completo L6203 de STMicroelectronics muestra el tipo de integración involucrada en estos componentes y cómo proporcionan alta potencia. Este componente está diseñado para el control de motores pequeños e incluye una disposición de MOSFET de puente H integrado con hasta 48 V de voltaje de salida a una corriente moderadamente alta (5 A de pico, 4 A RMS). El L6203 incluye una referencia de voltaje interna para una regulación precisa, circuito de apagado térmico y pin de habilitación desde un controlador externo. Se puede conectar una resistencia de detección para proporcionar retroalimentación para el control del motor. Los pines de entrada y habilitación también pueden ser modulados para proporcionar un corte de una fase o dos fases para un motor externo.

Un componente comparable es el TLE7181EMXUMA1 de Infineon. Del diagrama de bloques a continuación, vemos que este componente puede configurarse para conducir de forma dual medio puente o puente completo con 2 o 4 MOSFETs, respectivamente. Estos MOSFETs externos se utilizan para unidades de motor de corriente continua de alta corriente en redes de potencia de 12 V (hasta 34 V de voltaje de alimentación) a alta corriente. Para garantizar la fiabilidad y prevenir daños a los componentes aguas abajo, hay un circuito de protección integral que proporciona protección contra sobretensiones/subtensiones, sobrecorriente, sobrecalentamiento y cortocircuito. Además, hay un regulador integrado para asegurar una salida estable.

Estos dos componentes tienen niveles variables de integración y características en el chip, pero son buenos ejemplos de lo que puedes esperar de los componentes típicos de controladores MOSFET de puente completo. El L6203 integra todo en el die y proporciona una solución de pequeña huella, pero la salida de potencia está limitada por los MOSFETs en el die. La disipación de calor ocurre directamente en el componente, por lo que podrían ser necesarias medidas de enfriamiento para prevenir el sobrecalentamiento.

En contraste, el TLE7181EMXUMA1 se puede usar con una gama de potencias, que estarán limitadas por la demanda del motor, los límites de corriente de los MOSFET externos y la fuente de alimentación usada con los MOSFETs externos. En general, el controlador más su circuito puente externo ocupa más espacio, pero puedes obtener más potencia.

Otros Componentes para Controladores de Motores y Sistemas de Potencia

Los componentes mostrados arriba son componentes de controladores de motores altamente integrados, pero siempre hay otros componentes que necesitarás para proporcionar una entrega de potencia estable a un motor o convertidor de potencia. Componentes para controlar/habilitar el circuito de conducción, proporcionar la señal PWM, detectar y regular la salida de potencia, y proporcionar filtrado para asegurar que se entrega una potencia limpia y libre de ruido a la carga en el sistema.

• Amplificador de detección de corriente para control de retroalimentación de alta corriente

• MCU o FPGA para habilitar y controlar el sistema

• Capacitores de alto voltaje para filtrado de fuente de alimentación

• Controlador para circuitos de corrección de factor de potencia de alta corriente/alto voltaje

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