PCBs de control y accionamiento de cargas de alta tensión con GreenPAK

Uno de los mayores desafíos en los PCB de alto voltaje es la conmutación y el accionamiento de alto voltaje hacia una carga. Los diseños de alto voltaje conllevan preocupaciones de seguridad, así como desafíos de EMC relacionados con el comportamiento de conmutación. Las fuentes de alimentación conmutadas, los controles de motores y las placas de control de alto voltaje requieren una conmutación controlada, y a menudo también requieren mediciones directas de corriente y voltaje en la carga.

Estas funciones suelen dividirse entre controladores de compuerta, amplificadores de sensado de corriente y un microcontrolador. Un procesador programable de señal mixta puede consolidar la generación de PWM, la temporización, la lógica de sensado y la gestión de fallos en un solo dispositivo de control. Esto mantiene la etapa de conmutación de alto voltaje separada del dominio de control de bajo voltaje, al tiempo que reduce la cantidad de lógica de control de apoyo.

Arquitectura del controlador de carga de alto voltaje

Un controlador práctico coloca el procesador de señal mixta entre el controlador del sistema y el controlador de compuerta. El procesador genera comandos de conmutación, supervisa la realimentación y determina cuándo debe habilitarse o deshabilitarse la etapa de potencia. El controlador de compuerta sigue proporcionando el voltaje de compuerta, la corriente de fuente y sumidero, el aislamiento o el desplazamiento de nivel requeridos por los dispositivos de conmutación.

Accionamiento de compuerta para cargas de alto voltaje

Las etapas de potencia modernas de alto voltaje suelen construirse con MOSFET de silicio, aunque los diseños más recientes utilizan cada vez más FET de SiC o GaN, especialmente en alto voltaje. El procesador de señal mixta controla cuándo conmutan estos dispositivos, pero normalmente no acciona sus compuertas directamente. Se requiere un controlador de compuerta dedicado entre la lógica de control y los FET de potencia.

El controlador debe seleccionarse en función del dispositivo de conmutación y de la topología. El voltaje de compuerta, la corriente pico de accionamiento, los requisitos de aislamiento y la inmunidad a transitorios de modo común pueden afectar al comportamiento de conmutación. La lógica de control establece la temporización, mientras que el controlador y la red de compuerta determinan con qué rapidez el dispositivo realmente se enciende y se apaga.

Generación de PWM y control de conmutación

La generación de PWM se adapta muy bien al hardware programable porque la frecuencia de conmutación, el ciclo de trabajo, la temporización de habilitación y la secuenciación de pulsos pueden implementarse con lógica determinista. Los contadores, osciladores, comparadores y la lógica configurable pueden generar la forma de onda de conmutación sin depender de un bucle de firmware en ejecución continua.

La misma lógica puede imponer condiciones de arranque antes de que se habilite el PWM. La conmutación puede permanecer deshabilitada hasta que la alimentación del controlador de compuerta sea válida, el voltaje del bus esté dentro del rango y no haya entradas de fallo activas. Los temporizadores o las secuencias de habilitación controladas también pueden evitar que la etapa de potencia pase inmediatamente a su condición final de funcionamiento.

Estos comportamientos deben diseñarse en función de la etapa de potencia. Un arranque irregular, señales de habilitación asíncronas o secuencias de reinicio mal controladas pueden producir grandes transitorios de corriente y eventos de conmutación impredecibles.

Temporización, sensado y protección contra fallos

Las etapas de medio puente y puente completo requieren señales de compuerta no superpuestas. Los retardos programables pueden establecer tiempo muerto para que un dispositivo esté completamente apagado antes de que el dispositivo opuesto se encienda. El valor requerido debe incluir el retardo del controlador de compuerta, el tiempo de conmutación, la resistencia de compuerta y la variación de componentes.

El mismo procesador puede supervisar la corriente de carga, el voltaje del bus, la temperatura y las salidas de fallo del controlador de compuerta. Muchas funciones de protección solo requieren una decisión de umbral, lo que hace que un comparador analógico sea preferible a una medición ADC completa cuando el tiempo de respuesta es la principal restricción.

Las entradas típicas de fallo de hardware incluyen:

• Detección de sobrecorriente o cortocircuito
• Sobretensión o subtensión del bus de CC
• Detección de sobretemperatura
• Salidas de fallo del controlador de compuerta

Estas señales pueden ir directamente a la ruta de deshabilitación del PWM o a un enclavamiento de fallo. Esto evita la latencia asociada con la adquisición ADC, una interrupción y una rutina de firmware. Después del apagado, la lógica de control puede mantener un estado bloqueado o realizar un reintento temporizado dependiendo del esfuerzo admisible en los FET, la carga y la fuente de alimentación.

Control de conmutación con consideración de EMI

Las etapas de conmutación de alto voltaje pueden producir EMI conducida y radiada a través de grandes eventos de dv/dt y di/dt. Los MOSFET de silicio pueden generar oscilación en el drenador y corriente de recuperación inversa durante la conmutación forzada. Los MOSFET de SiC incrementan el dv/dt, lo que puede impulsar corriente de modo común a través de capacitancias parásitas. Las etapas de GaN conmutan aún más rápido, haciendo que pequeñas inductancias del lazo de compuerta y del lazo de conmutación puedan producir sobretensión y oscilación de alta frecuencia.

Por lo tanto, el flanco de conmutación es la principal variable de control. Las transiciones más rápidas reducen la pérdida de conmutación, pero también aumentan la corriente transitoria, la sobretensión y el ancho de banda de las emisiones. La velocidad del flanco debe tratarse como un parámetro de diseño ajustable en lugar de fijarse en la configuración más rápida disponible del controlador de compuerta.

Un procesador programable de señal mixta puede controlar varios métodos prácticos de ajuste de la velocidad del flanco:

• Seleccionar entre múltiples resistencias de compuerta con interruptores analógicos o pequeños FET.
• Controlar la intensidad del controlador de compuerta o los pines de modo de slew rate.
• Seleccionar rutas de resistencia separadas para el encendido y el apagado.
• Aplicar comandos de accionamiento de compuerta por etapas cuando el controlador admite múltiples niveles de corriente.

Estos controles permiten que el comportamiento de conmutación cambie según las condiciones de operación. Los ajustes finales deben verificarse en la compuerta y en el nodo de conmutación, ya que los parásitos del PCB, el comportamiento del controlador y las características del dispositivo determinan el dV/dt y dI/dt reales.

Use GreenPAK para el control de cargas de alto voltaje

Renesas GreenPAK simplifica el control de cargas de alto voltaje al integrar la generación de PWM, la supervisión analógica, la temporización y la lógica de protección en un único dispositivo programable. Los comparadores integrados, las referencias de voltaje, los contadores y la lógica configurable en chip pueden gestionar umbrales de corriente, supervisión del voltaje del bus, condiciones de arranque y detección de fallos sin requerir IC de control separados para cada función.

Las LUT configurables, los flip-flops, los elementos de retardo y los contadores pueden generar secuencias de conmutación, tiempo muerto, comportamiento de apagado y lógica de reinicio controlado directamente en silicio. Sin firmware adicional que mantener ni retardos de tiempo de arranque, GreenPAK proporciona una solución de control determinista que puede reducir el espacio en la placa y simplificar la circuitería de control de bajo voltaje alrededor del controlador de compuerta.

Las herramientas de desarrollo Go Configure ofrecen a los diseñadores la capacidad de desarrollar lógica de conmutación y protección totalmente personalizada que también puede controlar la habilitación del controlador de compuerta, la selección de slew rate o los ajustes programables de accionamiento de compuerta. Estos procesadores programables de señal mixta permiten que las etapas de potencia de alto voltaje combinen sensado, temporización, protección y control de conmutación en una arquitectura de control más compacta.

Para obtener más información, eche un vistazo a los componentes GreenPAK y a los ejemplos de referencia.

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