A medida que las naciones desarrolladas del mundo siguen cambiando hacia la energía limpia y alejándose de los combustibles fósiles, el mercado de la tecnología está cambiando para cumplir las demandas en evolución de los clientes. Un aspecto de esta evolución es la investigación y adopción de nuevos materiales para componentes microelectrónicos. En este artículo se explora la tecnología GaN y SiC y cómo revoluciona los circuitos integrados de controladores de compuerta aislados.
Resumen
A medida que los FET de GaN y SiC comienzan a reemplazar las tecnologías MOSFET e IGBT en aplicaciones de conmutación de energía, analizamos las especificaciones clave para seleccionar un controlador de compuerta aislado. Explicamos la importancia de CMTI y la desviación del retardo de propagación, y presentamos un CI de controlador de compuerta aislado ideal para usar con estos nuevos transistores de potencia.
Introducción
"Como dice el refrán, la Edad de Piedra no terminó porque nos quedamos sin piedras; hicimos la transición hacia mejores soluciones. La misma oportunidad tenemos ante nosotros con la eficiencia energética y la energía limpia”. A medida que el mundo acelera su transición para alejarse de los combustibles fósiles, mucho antes de su agotamiento previsto, las palabras del premio Nobel Steven Chu nunca han sido más pertinentes. Los nuevos materiales semiconductores como el carburo de silicio (SiC) y el nitruro de galio (GaN) estarán a la vanguardia de esta revolución de la eficiencia energética. En comparación con las actuales tecnologías MOSFET e IGBT, estos nuevos materiales permitirán componentes más pequeños y livianos, reduciendo así el costo y el consumo de energía en usos que van desde automóviles hasta inversores de celdas solares (Figura 1).
Figura 1. Cajas de inversores conectados a paneles fotovoltaicos.
Los nuevos conmutadores de potencia, que usan estos materiales, impondrán diferentes exigencias a los componentes que los controlan, especialmente al controlador de compuerta. En esta solución de diseño, analizamos las áreas de uso de GaN y SiC versus conmutadores MOSFET e IGBT, y analizamos las implicancias para sus controladores de compuerta. Explicamos las especificaciones clave para seleccionar un controlador de compuerta aislado antes de presentar una familia de circuitos integrados con niveles de rendimiento que los hacen mucho más adecuados para estas nuevas tecnologías que las ofertas alternativas.
Desafiamos el status quo
Hasta hace poco, escoger una tecnología de conmutación para los sistemas de suministro de energía era una tarea relativamente trivial. Los MOSFET se usaban comúnmente para tensiones de hasta 600 V, en donde los IGBT son la tecnología escogida para tensiones más altas. Sin embargo, la estructura cristalina lateral de las nuevas tecnologías de conmutación de potencia, como el nitruro de galio y el carburo de silicio, ofrece varias ventajas significativas en términos de rendimiento sobre las ya conocidas. La primera ventaja es que son más pequeños, lo que permite frecuencias de conmutación más altas. Al aumentar la velocidad del conmutador de decenas de kilohertz a cientos de kilohertz, se aumenta la eficiencia. En segundo lugar, pueden funcionar de manera segura a corrientes y temperaturas más altas. Esto significa que requieren transformadores y disipadores de calor más pequeños, lo que permite trabajar con motores más livianos. En los vehículos eléctricos, esta reducción de tamaño y peso aumenta la autonomía. Del mismo modo, al reducir el tamaño de los inversores solares los hace más adecuados para usos domésticos. Los dispositivos de GaN recientes pueden funcionar hasta a 600 V. A medida que la tecnología se vuelve menos costosa, está en una buena posición para eventualmente reemplazar a la tecnología MOSFET, en donde el SiC reemplaza a los IGBT en aplicaciones de mayor tensión.
No hay comida gratis
Si bien estas ventajas son considerables, conllevan una advertencia. La Figura 2 muestra un circuito donde un microcontrolador de baja tensión está aislado galvánicamente (por motivos de seguridad) del dominio de alta tensión que incluye los conmutadores de salida y su controlador de compuerta. Las velocidades de conmutación más rápidas aumentan la susceptibilidad a transitorios de conmutación más rápidos. Por ejemplo, los sistemas de energía de GaN normalmente conmutan en 5 ns (un orden de magnitud más rápido que los sistemas MOSFET convencionales). Si suponemos que hay un riel de alta tensión típico de 600 V, esto da como resultado un transitorio de conmutación de (600 V/5 ns) = 120 kV/μs.
Figura 2: Circuito convertidor de potencia aislado típico.
Los transitorios de ruido rápidos pueden corromper la transmisión de datos a través de la barrera de aislamiento o, peor aún, provocar una falla que podría hacer que ambos FET de potencia se enciendan al mismo tiempo, lo que provocaría un cortocircuito eléctrico peligroso. Para evitar que surja esta situación, las tecnologías de conmutación rápida necesitan una inmunidad transitoria de modo común (CMTI, por sus siglas en inglés) del controlador de compuerta de al menos 120 kV/μs para diseños que usen un riel de alta tensión típico de 600 V. CMTI se define como la tasa máxima tolerable de aumento o reducción de la tensión de modo común aplicada entre dos circuitos aislados. La unidad normalmente está en kV/μs. CMTI alto significa que se conserva un nivel de señal a cada lado de la barrera de aislamiento (dentro de los límites de la hoja de datos), donde la barrera de aislamiento se golpea con una señal de modo común de alta tensión. Configuración de prueba CMTI simplificada en la Figura 3.
Figura 3: Medición de CMTI.
Coincidencia de retardo de propagación
En el circuito que se muestra en la Figura 4, resulta imperativo que bajo ninguna circunstancia ambos conmutadores estén “encendidos” de manera simultánea, ya que esto conduciría a una condición de tipo cortocircuito potencialmente dañina (generalmente denominada disparo). Para evitar que esto suceda, se debe permitir o en el diseño una pequeña cantidad de “tiempo muerto” en donde ambos conmutadores estén “apagados”. Sin embargo, los conmutadores de GaN siguen conduciendo algo de corriente, incluso cuando tienen polarización inversa. Esto reduce la eficiencia, ya que no toda la energía se transfiere a la carga durante este tiempo. Por lo tanto, hay que llegar a un equilibrio entre dejar un “tiempo muerto” suficientemente seguro y la reducción de la eficiencia que esto provoca. Para llegar a la solución óptima se requiere comprender la variabilidad en el retardo de propagación entre partes individuales del controlador de compuerta, lo que se conoce como coincidencia o sesgo del retardo de propagación de pieza a pieza (o canal a canal, para piezas con varios canales). Al realizar un diseño para este tipo de circuito, un controlador de compuerta con la menor desviación posible del retardo de propagación es la mejor opción, ya que permite minimizar la cantidad de tiempo muerto y al mismo tiempo garantiza que nunca ocurra una condición de “disparo”.
Figura 4. Circuito de medio puente de contrafase.
Solución 2 por 1
La Figura 5 muestra una familia de circuitos integrados de controladores de compuerta aislados que abordan los dos desafíos que se analizaron anteriormente.
Como se muestra en la Figura 6, estas piezas tienen un CMTI de 300 kV/μs (típico), un nivel de protección que supera el ofrecido por piezas similares, lo que las hace ideales para aplicaciones que usen conmutadores de GaN y SiC.
Figura 6. Medición de CMTI de MAX22700.
La desviación del retardo de propagación es de solo 2 ns (máximo) a temperatura ambiente y de 5 ns (máximo) en el rango de temperatura de funcionamiento de -40 °C a +125 °C, lo que ayuda a minimizar el tiempo muerto y, por lo tanto, a aumentar la eficiencia. Entre otros beneficios se encuentran un bloqueo de subtensión de precisión (UVLO, por sus siglas en inglés) que garantiza que varias piezas que accionan conmutadores en paralelo funcionen con la misma tensión inicial. Esto es importante al configurar la VGS para transistores de SiC. Existen varias variantes con opciones de salida para el pin común del controlador de compuerta: GNDB (MAX22700), abrazadera Miller (MAX22701) y UVLO ajustable (MAX22702). Adicionalmente, se encuentran disponibles versiones de entrada diferencial (versiones D) o de un solo extremo (versiones E). La barrera de aislamiento tiene una tensión nominal soportada de 3 kV RMS durante 60 segundos para proporcionar un rendimiento sólido. Estos circuitos integrados pueden controlar FET de SiC o GaN con diferentes circuitos de control de compuerta de salida y tensiones de suministro del lado B.
Resumen
La creciente atención que se pone en el ahorro de energía en nuestra vida diaria está impulsando la necesidad de encontrar nuevas maneras de hacer que las cosas funcionen. El SiC y el GaN son materiales semiconductores que pueden funcionar de manera segura a velocidades y temperaturas más altas, lo que permite realizar diseños más livianos y eficientes en diferentes aplicaciones. Sin embargo, estos nuevos materiales imponen nuevas exigencias a los circuitos que los impulsan. Hemos demostrado por qué la CMTI y la desviación del retardo de propagación son dos de las especificaciones más importantes que se deben considerar al seleccionar un controlador de compuerta aislado para aplicaciones que empleen estas tecnologías de conmutación. Hemos presentado una familia de circuitos integrados de controladores de compuerta aislados con la CMTI más alta y el menor retardo de propagación, lo que los hace ideales para su uso con FET de GaN y SiC en UPS e inversores fotovoltaicos, y también en controladores de motor.
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