Cómo seleccionar un circuito integrado controlador de puerta

En estos días, los transistores vienen en todas formas y tamaños, ya sea integrados en una CPU o disponibles como componentes discretos. Cualquier transistor requiere de cierta corriente para cambiar entre los estados ENCENDIDO y APAGADO, permitiendo así el flujo de corriente a través del dispositivo. Los transistores más grandes, tanto físicamente como en términos de su salida de corriente, requieren más energía para el cambio. Esta energía puede ser proporcionada por un circuito integrado de control de puerta (gate driver IC), que está especializado en proporcionar un buffer entre un controlador y un transistor de potencia.

No todas las aplicaciones necesitarán un circuito integrado de control de puerta. Las aplicaciones de alta frecuencia pueden incluir un circuito de control de puerta optimizado dentro de un transceptor u otro componente de RF para proporcionar la energía requerida para el cambio de un amplificador de transistor, incluyendo en amplificadores de potencia RF. Estos componentes son una parte integral de los sistemas de potencia ya que proporcionan la energía de cambio requerida mientras también protegen otros componentes críticos. Aquí está cómo funcionan estos componentes y cómo proceder para elegir un circuito integrado de control de puerta.

¿Por qué usar un circuito integrado de control de puerta?

Como se mencionó anteriormente, un circuito integrado de control de puerta proporciona alta corriente a un transistor de alta potencia, como un IGBT o un MOSFET, para conducirlo completamente al estado de conducción. Estos componentes reciben una entrada de baja potencia de otro componente, como un MCU u otro circuito integrado controlador. De esta manera, el circuito integrado de control de puerta actúa como un buffer entre el MCU y el transistor. La disposición típica para un circuito integrado de control de puerta en una cadena de señal se muestra a continuación.

Cadena de señal para un circuito integrado de control de puerta

Aunque el propósito básico de un controlador de puerta es actuar como un amplificador para conducir un gran transistor, hay una razón más profunda por la cual se utiliza un circuito integrado de control de puerta para el cambio. Los objetivos principales al usar un circuito integrado de control de puerta especializado son:

1. Reducir las pérdidas de cambio en el transistor de carga

2. Disminuir el tiempo de cambio del transistor de carga

3. Conducir completamente el transistor al estado conductivo/no conductivo

Un tercer objetivo, que no es proporcionado por todos los controladores de puerta, es proporcionar aislamiento entre la carga y el controlador. Esto es proporcionado por un pequeño transformador interno en el controlador de puerta; tales componentes se llaman controladores de puerta aislados.

Todos los transistores tienen cierta capacitancia no lineal, es decir, actúan como varactores. Cuando el transistor de carga se cambia, alguna carga permanece en la región de la puerta que mantiene el canal en su estado actual no conductor o conductor. Una vez que se aplica otro pulso de corriente, se puede generar un alto calor en el transistor si la señal de cambio es lenta o funciona con baja corriente. Aplicar la señal de cambio a mayor corriente proporciona un cambio más rápido entre estados con menos pérdida.

La disposición mostrada arriba y la necesidad de una modulación completa y rápida de transistores de alta potencia hacen que un circuito integrado (IC) de control de puerta sea importante en cualquier aplicación donde una carga de alta potencia requiere conmutación y modulación completas. Si intentáramos hacer esto con un MCU, el gran consumo de corriente del MCU podría causar su sobrecalentamiento y falla, de ahí la necesidad de un controlador de puerta. Tres aplicaciones típicas se encuentran en convertidores DC-DC de conmutación, inversores de potencia y circuitos de control de motores.

Conversión DC-DC

Una vez que el controlador de puerta recibe una entrada del controlador, este emite una alta corriente a un solo transistor, o múltiples transistores en paralelo. Cabe destacar que una disposición paralela de transistores es común, particularmente con IGBTs o MOSFETs, en convertidores DC-DC de conmutación con salida de alta corriente. Este tipo de sistema es necesario cuando un conjunto de grandes transistores requiere varios amperios de corriente para conmutar completamente al estado de conducción, lo cual es típico en convertidores de alta potencia.

En términos de colocación en una cadena de señal, el controlador de puerta se situará dentro de un bucle de retroalimentación, como se muestra en la imagen a continuación. Un MCU puede usarse para implementar un algoritmo de control simple para proporcionar una salida de voltaje estable, o se puede usar para cambiar el voltaje de salida en respuesta a la entrada del usuario. En el caso de que se desee una regulación de corriente alta del convertidor, un amplificador de detección de corriente podría usarse en el bucle de retroalimentación antes del MCU/controlador PWM ya que esto proporciona una medición de corriente precisa para usar en un algoritmo de control.

Un circuito integrado controlador de puerta en un bucle de retroalimentación para la conversión DC-DC.

Inversores de Potencia

Esto está relacionado con la conversión DC-DC, aunque ahora estamos conmutando continuamente para producir una forma de onda oscilante. Los controladores de puerta aislados son necesarios en esta aplicación para aislar la fuente de DC y el controlador del lado de salida. Se utiliza lógica inversora en el lado de la carga, mientras que al controlador de puerta se le suministra una forma de onda de oscilador de baja corriente.

Circuitos de Control de Motores

Esta aplicación principal implica un transistor impulsado con una señal PWM. En este caso, el controlador de puerta recibe una señal PWM y emite una versión amplificada de alta corriente de la señal PWM. Esto se envía entonces a un arreglo de transistores para impulsar un motor. Ejemplos incluyen el control de motores paso a paso y motores con escobillas. Los controladores de puerta aislados se usan normalmente en esta aplicación ya que se sitúan entre el MCU/controlador y el motor en el lado de salida.

Especificaciones Importantes del Controlador de Puerta

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

• Tipo de controlador de puerta. Existen cuatro tipos de controladores de puerta:

• • De lado alto: Se utilizan para controlar transistores de potencia que están conectados a un riel de suministro positivo sin conexión de referencia a tierra.

  • De lado bajo: Se utilizan para controlar transistores que están conectados a un riel de suministro negativo sin conexión de referencia.

  • De medio puente: Estos componentes contienen circuitos controladores de lado bajo y de lado alto, haciéndolos más flexibles.

  • Trifásico: Estos controladores de puerta se utilizan en sistemas trifásicos.

• Tiempo de subida y bajada. Esto es importante para reducir las pérdidas por conmutación. En particular, la conmutación con tiempos de subida/bajada más rápidos asegurará menores pérdidas por conmutación en el transistor.

• Frecuencia máxima. Esto es importante en las tres aplicaciones mencionadas anteriormente.

• Calificación de temperatura. Como estos componentes operan a alta potencia, pueden necesitar un disipador de calor para enfriamiento.

El controlador de puerta FAN73912MX IC de ON Semiconductor es un ejemplo de un componente de alta potencia que puede conectarse en configuración de medio puente. El circuito de aplicación mostrado a continuación ilustra cómo un controlador de puerta de alta potencia puede integrarse con un controlador en un sistema de alta tensión.

Circuito de aplicación del controlador de puerta FAN73912MX IC. Del datasheet de FAN73912MX.

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