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¿Cuál es la mejor solución para obtener eficiencia energética?

El uso de tecnologías MOSFET, IGBT, transistores bipolares y semiconductores de banda ancha prohibida (WBG) como SiC y GaN, involucran grandes retos para conseguir eficiencia energética. Una solución factible es la implementación de controladores de puerta ‘gate drivers’.

(ElectronicosOnline.com Magazine / Oswaldo Barajas)

Los controladores de puerta o ‘Gate Drivers’ se han vuelto sumamente populares en el diseño de dispositivos semiconductores, especialmente para aquellos basados en tecnologías MOSFET, IGBT, transistores bipolares y WBG (semiconductores de banda ancha) tales como SiC y GaN.

En un análisis técnico elaborado por ingenieros de la compañía Texas Instruments titulado “Analysis of Power Supply Topologies for IGBT Gate Drivers in Industrial Drives”, se indica que uno de los objetivos inmutables en la industria electrónica es la eficiencia de energía en el desarrollo de sistemas, y para lograr esta etiqueta, la industria ha desarrollado diversas propuestas a nivel de materia prima para la fabricación de circuitos integrados, pero no han sido suficientes estas nuevas tecnologías, ya que para elevar los resultados esperados otros elementos han sido intrínsecamente asociados a los materiales, como los controladores de puerta o mejor conocidos como ‘gate drivers’.

De acuerdo al documento de TI, los ‘gate drivers’ son componentes versátiles que ayudan a los ingenieros desarrolladores a resolver diversos problemas relacionados con la administración de energía.

“La eficiencia es el nombre del juego en el diseño de sistemas de potencia, impulsado por la necesidad de aprovechar mejor la energía disponible y conseguir más potencia de un encapsulado más pequeño”, explicó el documento de Texas Instruments.

Los ‘gate driver’ son una excelente solución para alcanzar la eficiencia energética en sistemas que implementan MOSFET, IGBT, semiconductores WBG, SiC, y GaN, por mencionar algunos.
 

Una de las soluciones que a criterio de TI se ha ido convirtiendo en una tendencia industrial en los últimos años y que continuará siendo una de las selecciones de los ingenieros diseñadores, es el incremento de la frecuencia de los transistores de potencia para ganar eficiencia energética, debido a que en la práctica, reduce las pérdidas de conmutación y facilita el uso de componentes magnéticos más pequeños. En este sentido, la adopción de dispositivos WBG extiende las ventajas de los dispositivos a nivel de potencia y en el rango de los kilowatts.

En el caso de los MOSFETs, tienen una compuerta con capacitancia considerable que debe ser cargada y descargada siempre que el dispositivo esté encendido o apagado. En este ciclo operativo, el circuito debe suministrar un pico de corriente para encender rápidamente el MOSFET y el driver debe enviar una cantidad similar a tierra para apagarlo, repitiéndose secuencialmente a la frecuencia marcada por el transistor de potencia.

Por su parte, incrementar la frecuencia del ‘switching’ impone requerimientos adicionales para la circuitería del controlador, incluyendo un voltaje de 5V o menor, un bajo retardo de propagación, canales más reducidos y una inductancia parasitaria mínima.

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Todos estos requerimientos técnicos suelen ser más significativos para los diseños más complejos que a menudo están relacionados con dispositivos digitales como microcontroladores asignados a la gestión de energía, el cálculo de la frecuencia PWM (Modulación por Ancho-Pulsos), manejo de diagnósticos y generación de señales on/off .

Diagrama a bloques del controlador de puerta de TI UCC27524A.
   

Los especialistas de TI reconocen que los microcontroladores tienen muchas ventajas en el diseño digital, sin embargo, tienen también su lado oscuro, ya que la corriente se suministra a altas frecuencias de conmutación.

Cabe mencionar que un pin de salida a menudo registra una señal lógica de 3.3 V capaz de llevar solo unos cuántos mA, mucho menos de lo que se requiere para cargar la capacitancia del MOSFET. Además, muchos de los dispositivos requieren voltajes mayores de 3.3V.

Una solución viable

De acuerdo al documento de TI, una de las soluciones a este problema es colocar un controlador de puerta de alta tensión entre la salida del propio ‘driver’ y la entrada del transistor, ya que combina tanto el desplazamiento de nivel y funciones de control de corriente. Además, el poner físicamente el controlador cerca del ‘switch’ de alimentación puede ayudar a minimizar el ruido por conmutación de alta frecuencia sobre las partes sensibles del diseño.

El documento subraya que el ‘gate driver’ puede ser integrado en algunos circuitos llamados “especializados”, pero en estos es recomendable implementar dispositivos por separado para mantener al ‘driver’ trabajando en óptimas condiciones térmicas, ya que tiende a remover las fuentes de calor. En algunos casos, ciertos ICs se acompañan desde fábrica con módulos internos dedicados a la gestión de temperatura incorporando pads para la disipación de calor.

Como fabricante de semiconductores, Texas Instruments cuenta con un catálogo centrado en controladores de compuertas, tal es el caso del UCC27524A, un driver de canal dual que se interconecta entre una salida PWM ‘Low-Voltage/Low-Current’, microcontrolador y un transistor de potencia.

Este componente es un sistema estándar de control directo que puede soportar cargas capacitivas superiores a 5A. Los dos canales enlazados tienen retardos de propagación ideales para los sistemas con temporizadores que poseen requerimientos críticos, tales como rectificadores síncronos. Además, las entradas son compatibles con umbrales lógicos TTL y CMOS en donde cada canal cuenta con un pin dedicado.

La compañía pone a disposición una serie de soluciones que los usuarios puedan implementar en sus respectivos proyectos para alcanzar sus niveles ideales de eficiencia energética. Para mayor información puede dirigirse al sitio Web de Texas Instruments.

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