Módulos de potencia DC-DC de controladores de puerta mejoran la eficiencia y seguridad de la unidad de motor

Los módulos de potencia DC-DC del controlador de puerta desempeñan un papel clave en los sistemas de accionamiento de motores

En campos como la automatización industrial, vehículos eléctricos y generación de energía renovable, las soluciones eficientes de controladores de puerta son tecnologías clave para lograr ahorros de energía y operación segura. Los módulos de potencia DC-DC del controlador de puerta desempeñan un papel crucial en los sistemas de accionamiento de motores, particularmente para diseños de accionamiento de motor de alta densidad de potencia, alta eficiencia y estabilidad. Estos módulos proporcionan voltajes y corrientes de conducción aislados y estables para dispositivos semiconductores de potencia como IGBTs, MOSFETs o dispositivos SiC/GaN. Los módulos de potencia DC-DC del controlador de puerta deben ofrecer alimentación aislada para lograr el aislamiento eléctrico entre los circuitos de control y de potencia, mejorando la inmunidad del sistema a las interferencias y garantizando la seguridad. Proporcionan salida de potencia estable y voltajes de CC confiables para los controladores de puerta, asegurando la operación adecuada de los dispositivos de potencia bajo condiciones variables, al tiempo que cumplen requisitos de amplio rango de voltaje para soportar los voltajes de control de puerta positivos y negativos necesarios para diferentes dispositivos de potencia.

Los controladores de motores requieren un control eficiente y preciso de las acciones de conmutación de los dispositivos de potencia. Generalmente, los sistemas de control de motores suelen adoptar el método de control PWM, y la capacidad de accionar dispositivos de potencia de manera eficiente es crítica. Los módulos DC-DC de controlador de puerta apoyan el control de motores de alto rendimiento y proporcionan voltajes de controlador de puerta de baja potencia y alta eficiencia que reducen las pérdidas de conmutación y mejoran la eficiencia general del sistema de control.

Los dispositivos de potencia SiC y GaN, ampliamente utilizados en los modernos controladores de motores, presentan altas velocidades de conmutación y mayores requisitos de voltaje de conducción de puerta (por ejemplo, +15V/-4V). Los módulos DC-DC de los controladores de puerta pueden suministrar con precisión los voltajes y corrientes apropiados para aprovechar completamente las ventajas de rendimiento de estos dispositivos.

En los sistemas de accionamiento de motores, el circuito de accionamiento debe estar aislado del circuito de potencia de alto voltaje para proteger los sistemas de control de bajo voltaje y garantizar la seguridad del personal. Los módulos DC-DC para controladores de compuerta con alto voltaje de aislamiento (e.g., 3-5kV) evitan que el ruido eléctrico o los cortocircuitos afecten al sistema de control.

Estos módulos DC-DC para control de compuertas también pueden apoyar diseños de control de motores multipolares. Para motores multipolares, como los motores síncronos de imán permanente trifásicos, los dispositivos de conmutación en el lado alto y bajo de cada brazo del puente requieren un suministro de energía independiente. Los módulos DC-DC para control de compuertas facilitan una topología de sistema simplificada con soluciones de energía independientes multicanal.

Además, los módulos DC-DC de control de puerta mejoran la fiabilidad del sistema al integrar funciones de protección, como protección contra subtensión y sobretemperatura. Estas características mejoran la estabilidad del módulo y la tolerancia a fallos, incrementando efectivamente la fiabilidad general de los sistemas de accionamiento de motores.

Los módulos DC-DC para controladores de puerta tienen una amplia gama de escenarios de aplicación técnica

Los módulos DC-DC de controlador de compuerta tienen una amplia gama de escenarios de aplicación técnica, incluyendo accionamientos de motores industriales, como servomotores, inversores y equipos de automatización industrial. También pueden aplicarse en vehículos de nueva energía, incluyendo inversores de accionamiento de vehículos eléctricos y sistemas de carga. En aplicaciones de generación de energía eólica e inversores fotovoltaicos, los módulos DC-DC de controlador de compuerta pueden proporcionar una conducción de compuerta estable para semiconductores de potencia en escenarios de alta tensión y alta eficiencia. En aplicaciones de tránsito ferroviario, los módulos DC-DC de controlador de compuerta pueden suministrar energía aislada para dispositivos de potencia en accionamientos de motores de alta potencia.

En el futuro, los módulos DC-DC de controladores de compuerta se desarrollarán hacia una mayor eficiencia, lo que requerirá el desarrollo de módulos que soporten una conversión más eficiente para satisfacer las necesidades de dispositivos de potencia de baja pérdida y alta frecuencia. A medida que los productos evolucionen hacia la miniaturización y la integración, los diseños modulares permitirán la integración de controladores de compuerta y fuentes de alimentación DC-DC en paquetes más pequeños, adecuados para diseños de accionamiento de motores pequeños. Estos módulos también necesitarán soportar amplios rangos de temperatura, asegurando una operación confiable en entornos extremos, como aplicaciones automotrices y de equipos de red.

En el futuro, los módulos de potencia DC-DC para controladores de compuerta no solo proporcionarán una fuente de alimentación estable, sino que también impactarán directamente en el rendimiento de los dispositivos de potencia y en la eficiencia de los sistemas de accionamiento, lo cual es crucial para optimizar el rendimiento de los sistemas de accionamiento de motores modernos.

Módulos de potencia DC-DC de controlador de puerta diversificado para satisfacer diversas necesidades de aplicación

Murata ha lanzado una variedad de módulos de alimentación DC-DC para aplicaciones de energía DC-DC de controladores de puerta. Un caso de uso típico es proporcionar energía de accionamiento para el "lado alto" y el "lado bajo" de un motor de puente completo, que puede ser medio puente, puente completo o trifásico. El emisor del interruptor del lado alto es un nodo de conmutación de alta frecuencia y alto voltaje, y puede utilizar dispositivos IGBT, MOSFET, SiC o GaN. Requiere un voltaje de salida dual: +Ve y -Ve. El controlador del lado alto y los circuitos relacionados deben adoptar un diseño aislado.

La demanda de energía del controlador se satisface mediante el módulo DC-DC que proporciona la corriente DC promedio a un único circuito controlador, mientras que los capacitores cercanos suministran la corriente pico para cargar y descargar la capacitancia de puerta en cada ciclo. Debe tenerse en cuenta la reducción y otras pérdidas en el accionamiento. Los dispositivos SiC y GaN tienen un Qg más bajo que los IGBT, pero pueden operar a frecuencias mucho más altas.

Según las hojas de datos, la mayoría de los dispositivos pueden apagarse con 0V. Entonces, ¿por qué usar un voltaje de compuerta negativo? Esto es para contrarrestar la inductancia parasitaria y el efecto de la capacitancia de Miller. La conducción negativa de la compuerta supera la inductancia parasitaria causada por la inductancia de la fuente. Cuando el IGBT se apaga, la parada repentina de la corriente causará un pico de voltaje que se opone al voltaje de la compuerta. Con respecto al efecto Miller, durante el período de apagado, el voltaje del colector sube rápidamente, causando un pico de corriente que fluye a través de la capacitancia de Miller hacia la compuerta, resultando en un voltaje positivo a través del resistor de la compuerta.

¿Por qué los módulos DC-DC de controladores de puerta necesitan aislamiento? En primer lugar, por seguridad. DC-DC puede ser parte de un sistema de aislamiento de seguridad. Por ejemplo, según UL60950, un sistema de 690 VAC necesita una distancia de fuga y un espacio libre de 14 mm para cumplir con los requisitos de aislamiento reforzado. Además, se debe soportar el voltaje de aislamiento, verificado aplicando un voltaje transitorio único, mayor que el voltaje de operación, mantenido durante un minuto.

Por otro lado, existen necesidades funcionales. En aplicaciones de lado alto, la entrada a la salida DC-DC debe conmutar continuamente a la frecuencia PWM a lo largo de todo el voltaje del enlace HVDC. En este caso, una prueba de voltaje transitorio de un minuto no es un indicador confiable de aislamiento. Cumplir con las pruebas de descarga parcial según IEC 60270 es la mejor manera de asegurar la fiabilidad a largo plazo.

La descarga parcial ocurre porque el voltaje de ruptura de pequeños espacios (~3kV/mm) es mucho más bajo que el de la aislación sólida circundante (~300kV/mm). Este “voltaje de inicio” puede usarse para medir y definir el voltaje de operación máximo, asegurando la fiabilidad a largo plazo de la aislación. Aunque la descarga parcial puede no causar daños inmediatos, degradará el rendimiento de la aislación con el tiempo.

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Parámetros clave de alto rendimiento que superan los productos de los competidores

El acoplamiento capacitivo es otro fenómeno que requiere atención. En los interruptores de lado alto, el emisor es un nodo de conmutación de alta tensión y alta frecuencia. Todo el voltaje del enlace HVDC se conmuta continuamente a la frecuencia PWM desde la entrada DC-DC hasta la salida, con potencialmente altas frecuencias y tasas de aumento de voltaje. Por ejemplo, los IGBTs típicamente alcanzan alrededor de 30kV/μs, los MOSFETs alrededor de 50kV/μs, y los dispositivos SiC/GaN pueden superar los 50kV/μs. El aislamiento DC-DC entre la entrada y la salida introduce un acoplamiento capacitivo (Cc), a través del cual los altos voltajes de conmutación causan corrientes de pulso que pueden interferir con pines de entrada sensibles. Las pruebas de inmunidad transitoria de modo común (CMTI) proporcionan una indicación de este nivel de fallo.

Los módulos DC-DC de controlador de compuerta de Murata exhiben un excelente rendimiento de acoplamiento capacitivo. Por ejemplo, la serie MGJ ofrece las siguientes especificaciones: el MGJ1 de 1W tiene una capacitancia de acoplamiento de 3pF; el MGJ2 de 2W varía de 2.8 a 4pF; y los modelos de 3W (MGJ3T) y 6W (MGJ6T, MGJ60LP, -SIP, -DIP) cuentan con 15pF.

Existen múltiples métodos para lograr voltaje bipolar, ya que diferentes dispositivos de conmutación requieren diferentes voltajes de compuerta, dependiendo de las especificaciones del fabricante. Por ejemplo, los IGBTs generalmente necesitan +15V para voltaje positivo y -8.7V, -9V, -10V, o -15V para voltaje negativo. Los MOSFETs de silicio requieren +15V o +12V para voltaje positivo y -5V o -10V para voltaje negativo. Los MOSFETs de SiC necesitan +20V, +18V, o +15V para voltaje positivo y -5V, -4V, -3V, o -2.5V para voltaje negativo. Los dispositivos de GaN generalmente requieren +5V o +6V para voltaje positivo y -3V para voltaje negativo.

Para satisfacer estas necesidades variadas, el MGJ2 SIP de Murata ofrece una potencia de salida total de 2W, ofreciendo métodos tradicionales de doble devanado para proporcionar voltajes de control de puerta +ve y -ve, incluyendo +15V/-15V, +15V/-5V, +15V/-8.7V, +20V/-5V y +18V/-2.5V. Se pueden lograr salidas específicas adicionales ajustando las vueltas del devanado.

Las series MGJ3 y MGJ6, con potencias de salida de 3W y 6W, respectivamente, utilizan tecnología patentada para configurar de manera flexible salidas de voltaje triple, como 20V/-5V (15V +5V, -5V) y 15V/-10V (15V, -5V -5V). Las series MGJ1 y MGJ2 SMD, con potencias de salida de 1W y 2W, utilizan diodos Zener internos para la división de voltaje, ofreciendo voltajes de accionamiento de compuerta específicos +ve y -ve, como +15V/-5V (de una sola salida de 20V), +15V/-9V (de una sola salida de 24V) y +19V/-5V (de una sola salida de 24V). El voltaje de salida personalizado se puede proporcionar cambiando los diodos Zener.

Las soluciones de controladores de puerta de Murata son aplicables en inversores de energía renovable (eólica, solar y baterías de respaldo) y en controladores de motor de velocidad variable y alta velocidad. Los productos clave incluyen las series MGN1, MGJ1/MGJ2, MGJ1 SIP, MGJ2B y MGJ3/MGJ6. Estos ofrecen una gama de soportes para voltaje de resistencia de barreras continuas, capacitancia de aislamiento, certificaciones de seguridad, CMTI, temperatura de funcionamiento y potencia. En comparación con los competidores, las soluciones de Murata tienen un buen rendimiento en estos parámetros críticos.

Conclusión

El módulo de alimentación DC-DC para controladores de compuerta desempeña un papel crucial en los sistemas de accionamiento de motores, ya que su conversión de energía eficiente, salida de voltaje precisa y aislamiento eléctrico confiable impactan directamente en el rendimiento de los dispositivos semiconductores de potencia y en la eficiencia general del sistema. Además, al mejorar la capacidad del sistema para resistir interferencias y la seguridad operativa, este módulo proporciona una sólida base técnica para soluciones de accionamiento de motores en los sectores de automatización industrial, vehículos eléctricos y energías renovables. En el futuro, a medida que las tecnologías de dispositivos de potencia continúen avanzando, los módulos DC-DC para controladores de compuerta evolucionarán hacia una mayor eficiencia, mayor densidad de potencia y una integración más fuerte, contribuyendo de manera más significativa al desarrollo de sistemas de accionamiento de motores de alto rendimiento. Murata ofrece una línea de productos completa de módulos de alimentación DC-DC para controladores de compuerta, que puede satisfacer diversas necesidades de aplicación. Lo invitamos a conocer más sobre nuestra información de productos relacionados.