Elija un controlador de puerta con alto CMTI que reduzca el tiempo muerto de su interruptor SiC

Resumen   A medida que los FET de GaN y SiC comienzan a reemplazar las tecnologías MOSFET e IGBT en aplicaciones de conmutación de potencia, discutimos las especificaciones clave para seleccionar un controlador de puerta aislado. Explicamos la importancia de CMTI y la variación del retardo de propagación y presentamos un circuito integrado de controlador de puerta aislado ideal para su uso con estos nuevos transistores de potencia.

Introducción   “Como dice el refrán, la Edad de Piedra no terminó porque nos quedáramos sin piedras; pasamos a mejores soluciones. La misma oportunidad se nos presenta con la eficiencia energética y la energía limpia.” A medida que el mundo acelera su transición lejos de los combustibles fósiles, mucho antes de su predicha agotación, las palabras del Premio Nobel Steven Chu nunca han sido más pertinentes. Nuevos materiales semiconductores como el carburo de silicio (SiC) y el nitruro de galio (GaN) estarán a la vanguardia de esta revolución en eficiencia energética. En comparación con las tecnologías MOSFET e IGBT existentes, estos nuevos materiales permitirán componentes más pequeños y ligeros, reduciendo así el costo y el consumo de energía en aplicaciones que van desde automóviles hasta inversores de celdas solares (Figura 1).

Figura 1. Cajas inversoras conectadas a paneles fotovoltaicos.

Los nuevos interruptores de potencia, que utilizan estos materiales, impondrán diferentes demandas a los componentes que los controlan, especialmente al controlador de compuerta. En esta solución de diseño, analizamos las áreas de aplicación para interruptores de GaN y SiC frente a MOSFET e IGBT y discutimos las implicaciones 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.

Desafiando el status quo   Hasta hace poco, elegir una tecnología de interruptor para sistemas de entrega de energía era relativamente trivial. Los MOSFET se usaban comúnmente para voltajes de hasta 600V, con IGBT siendo la tecnología preferida para voltajes más altos. Sin embargo, la estructura cristalina lateral de las nuevas tecnologías de interruptores de potencia como el nitruro de galio y el carburo de silicio ofrecen varias ventajas significativas en términos de rendimiento sobre las tecnologías existentes. La primera ventaja es que son más pequeños, lo que permite frecuencias de conmutación más altas. Aumentar las velocidades de conmutación de decenas de kilohertz a cientos de kilohertz incrementa la eficiencia. En segundo lugar, pueden operar de manera segura a corrientes y temperaturas más altas. Esto significa que requieren transformadores y disipadores de calor más pequeños, permitiendo motores más ligeros. En vehículos eléctricos, esta disminución en tamaño y peso aumenta el alcance. De manera similar, reducir el tamaño de los inversores solares los hace más adecuados para aplicaciones domésticas. Los dispositivos GaN recientes pueden operar hasta 600V. A medida que la tecnología se vuelve menos costosa, está bien posicionada para eventualmente reemplazar la tecnología MOSFET con SiC reemplazando IGBT en aplicaciones de mayor voltaje.

No hay almuerzo gratis   Aunque estas ventajas son considerables, vienen con una advertencia. La Figura 2 muestra un circuito donde un microcontrolador de bajo voltaje está aislado galvánicamente (por razones de seguridad) del dominio de alto voltaje que incluye los interruptores de salida y su controlador de puerta. Las velocidades de conmutación más rápidas aumentan la susceptibilidad a transitorios de conmutación más rápidos. Por ejemplo, los sistemas de potencia GaN típicamente conmutan en 5ns (un orden de magnitud más rápido que los sistemas convencionales MOSFET). Asumiendo un riel de alto voltaje típico de 600V, esto resulta en un transitorio de conmutación de (600V/5ns) = 120kV/µs.

Figura 2: Circuito típico de convertidor de potencia aislado.

Los transitorios rápidos de ruido pueden corromper la transmisión de datos a través de la barrera de aislamiento o, peor aún, causar un fallo por el cual ambos FET de potencia podrían activarse al mismo tiempo, provocando un peligroso cortocircuito eléctrico. Para evitar que esta situación ocurra, las tecnologías de conmutación rápida necesitan una inmunidad a transitorios de modo común del controlador de puerta (CMTI) de al menos 120kV/µs para diseños que utilizan un riel de alta tensión típico de 600V. CMTI se define como la tasa máxima tolerable de aumento o caída del voltaje de modo común aplicado entre dos circuitos aislados. La unidad normalmente se expresa en kV/µs. Un alto CMTI significa que un nivel de señal en cualquiera de los lados de la barrera de aislamiento se conserva (dentro de los límites de la hoja de datos) cuando la barrera de aislamiento es afectada por una señal de modo común de alto voltaje. Una configuración simplificada de prueba de CMTI en la Figura 3.

Figura 3: Mediciones CMTI.

Igualación del Retardo de Propagación   En el circuito mostrado en la Figura 4, es imperativo que bajo ninguna circunstancia ambos interruptores estén "encendidos" simultáneamente, ya que esto podría llevar a una condición de cortocircuito potencialmente dañina (usualmenten conocida como "shoot-through"). Para prevenir que esto suceda, se debe permitir un pequeño periodo de “tiempo muerto” donde ambos interruptores estén "apagados" en el diseño. Sin embargo, los interruptores GaN continúan conduciendo algo de corriente, incluso cuando están polarizados inversamente. Esto reduce la eficiencia ya que no toda la energía se transfiere a la carga durante este tiempo. Por lo tanto, existe un compromiso entre dejar un “tiempo muerto” suficientemente seguro y la reducción de eficiencia que esto provoca. Llegar a una solución óptima requiere entender la variabilidad en el retardo de propagación entre las distintas partes de los controladores de puerta, conocido como igualación del retardo de propagación de parte a parte (o de canal a canal para partes con múltiples canales), o sesgo. Al diseñar este tipo de circuito, un controlador de puerta con el menor sesgo posible en el retardo de propagación es la mejor opción, ya que permite minimizar el tiempo muerto, asegurando que nunca ocurra una condición de "shoot-through".  

Figura 4. Circuito push-pull de medio puente.

Solución 2 por 1   La Figura 5 muestra una familia de CI de controladores de puerta aislados que abordan ambos desafíos mencionados anteriormente.

Figura 5. MAX22700D/MAX227002D controlador de puerta aislado de CMTI alto.

Como se muestra en la Figura 6, estas piezas tienen un CMTI de 300kV/µs (típ), un nivel de protección que supera al ofrecido por piezas similares, lo que las hace ideales para aplicaciones que utilizan interruptores GaN y SiC.

Figura 6. Medición de CMTI del MAX22700.

El sesgo de retraso de propagación es solo de 2ns (máximo) a temperatura ambiente y 5ns (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, aumenta la eficiencia. Otros beneficios incluyen un bloqueo de subtensión (UVLO) de precisión que garantiza que múltiples partes, controlando interruptores en paralelo, operen al mismo voltaje de inicio. Esto es importante al configurar el VGS para transistores SiC. Hay varias variantes con opciones de salida para el pin común del controlador de puerta: GNDB (MAX22700), abrazadera Miller (MAX22701), y UVLO ajustable (MAX22702). Además, están disponibles versiones de entrada diferencial (versiones D) o de un solo extremo (versiones E). La barrera de aislamiento tiene una clasificación de tensión de resistencia de 3kVRMS durante 60s para proporcionar un rendimiento robusto. Estos CI pueden controlar FETs de SiC o GaN con diferentes circuitos de accionamiento de puerta de salida y voltajes de suministro del lado B.

Resumen   El mayor énfasis en el ahorro de energía en nuestra vida diaria está impulsando la necesidad de encontrar nuevas formas de hacer que las cosas funcionen. SiC y GaN son materiales semiconductores que pueden operar de manera segura a velocidades y temperaturas más altas, lo que permite diseños más livianos y eficientes en diferentes aplicaciones. Sin embargo, estos nuevos materiales exigen nuevas demandas de los circuitos que los impulsan. Hemos demostrado por qué CMTI y el sesgo de retardo de propagación son dos de las especificaciones más importantes a considerar al seleccionar un controlador de puerta aislado para aplicaciones que utilizan estas tecnologías de conmutación. Hemos presentado una familia de circuitos integrados de controladores de puerta aislados con el CMTI más alto y el sesgo de retardo de propagación más bajo, lo que los hace ideales para su uso con GaN y SiC FETs en inversores UPS y fotovoltaicos, y también en controles de motores.