Implementación de un controlador de puerta de medio puente aislado

Muchas aplicaciones, que van desde módulos de fuente de alimentación de CC a CC aislados que requieren alta densidad de potencia y eficiencia, hasta inversores solares, donde el alto voltaje de aislamiento y la confiabilidad a largo plazo son críticos, utilizan controladores de compuerta de medio puente aislados para controlar grandes cantidades. de poder. Este artículo analizará los detalles de estos conceptos de diseño para ilustrar la capacidad de los circuitos integrados de controlador de compuerta de medio puente aislados para proporcionar un alto rendimiento en un paquete pequeño.

Un controlador básico de medio puente con aislamiento de optoacoplador, que se muestra en la Figura 1, controla la potencia de salida activando las puertas de los MOSFET (o IGBT) de canal N de lado alto y bajo con señales de polaridad opuesta. Los controladores deben tener una impedancia de salida baja para reducir las pérdidas por conducción y una conmutación rápida para reducir las pérdidas por conmutación. Para mayor precisión y eficiencia, los controladores de lado alto y bajo necesitan características de tiempo muy parecidas para reducir el tiempo muerto cuando un interruptor del medio puente se apaga antes de que se encienda el segundo interruptor.

Figura 1
Figura 1. Controlador de compuerta de medio puente de alto voltaje.

Como se muestra, un enfoque convencional para implementar esta función utiliza un optoacoplador para el aislamiento, seguido de un circuito integrado de controlador de compuerta de alto voltaje. Un inconveniente potencial de este circuito es que el único canal de entrada aislado se basa en el circuito controlador de alto voltaje para la sincronización de canal a canal necesaria, así como el tiempo muerto requerido. Otra preocupación es que los controladores de puerta de alto voltaje no tienen aislamiento galvánico; en su lugar, confían en el aislamiento de la unión del IC para separar el voltaje de activación del lado alto del voltaje de activación del lado bajo. La inductancia parásita en el circuito puede causar que el voltaje de salida, VS, para ir bajo tierra durante un evento de cambio de lado bajo. Cuando esto sucede, el controlador del lado alto puede trabarse y dañarse permanentemente.

Controlador de puerta de optoacoplador

Otro enfoque, que se muestra en la Figura 2, evita los problemas de las interacciones entre el lado alto y el lado bajo mediante el uso de dos optoacopladores y dos controladores de compuerta para establecer el aislamiento galvánico entre las salidas. El circuito de controlador de puerta a menudo se incluye en el mismo paquete que el optoacoplador, por lo que normalmente se requieren dos circuitos integrados de controlador de puerta de optoacoplador separados para completar el medio puente aislado, lo que aumenta el tamaño de la solución física. Tenga en cuenta también que los optoacopladores se fabrican por separado, incluso si se empaquetan dos juntos, lo que limita la capacidad de hacer coincidir los dos canales. Permitir este desajuste aumentará el tiempo muerto requerido entre apagar un canal y encender el otro canal, reduciendo la eficiencia.

Figura 2
Figura 2. Controlador de compuerta de medio puente con optoacoplador doble.

La velocidad de respuesta del optoacoplador está limitada por la capacitancia del diodo emisor de luz (LED) del lado primario; mientras impulsa la salida a velocidades de hasta 1 MHz, también estará limitada por su retardo de propagación (500 ns máx.) y tiempos lentos de subida y bajada (100 ns máx.). Para hacer funcionar un optoacoplador cerca de su velocidad máxima, la corriente del LED debe aumentarse a más de 10 mA, lo que consume más energía y reduce la vida útil y la confiabilidad del optoacoplador, especialmente en los entornos de alta temperatura comunes en las aplicaciones de fuentes de alimentación e inversores solares.

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Controlador de puerta de transformador de pulso

A continuación, considere los circuitos donde el aislamiento galvánico lo proporciona el acoplamiento del transformador. Sus retrasos de propagación más bajos y una sincronización más precisa pueden proporcionar una ventaja de velocidad sobre los optoacopladores. En la Figura 3, se usa un transformador de pulsos; puede operar a las velocidades que a menudo se necesitan para aplicaciones de controlador de compuerta de medio puente (hasta 1 MHz). Se puede usar un controlador de compuerta IC para entregar las altas corrientes necesarias para cargar las compuertas MOSFET capacitivas. Aquí, el controlador de compuerta impulsa diferencialmente el primario del transformador de pulso; los dos devanados secundarios impulsan cada compuerta de un medio puente. En esta aplicación, los transformadores de pulso tienen la ventaja de no requerir fuentes de alimentación aisladas para controlar los MOSFET del lado secundario.

figura 3
Figura 3. Controlador de compuerta de medio puente de transformador de pulsos.

Sin embargo, puede ocurrir un problema cuando las corrientes transitorias grandes de excitación de puerta que fluyen en las bobinas inductivas provocan un timbre. Esto puede encender y apagar la compuerta cuando no está previsto, dañando los MOSFET. Otra limitación de los transformadores de pulsos es que es posible que no funcionen bien en aplicaciones que requieren señales con más del 50 % del ciclo de trabajo, ya que solo pueden entregar señales de CA y el flujo del núcleo debe restablecerse cada medio ciclo para mantener un equilibrio entre voltios y segundos. . Una dificultad final: el núcleo magnético y los devanados aislados del transformador de pulsos requieren un paquete relativamente grande que, combinado con el controlador IC y otros componentes discretos, crea una solución que puede ser demasiado grande para muchas aplicaciones de alta densidad.

Controlador de puerta aislador digital

Considere ahora aplicar un aislador digital en un controlador de puerta de medio puente aislado. El aislador digital de la Figura 4 utiliza un proceso de circuito integrado CMOS estándar con capas de metal para formar bobinas de transformador separadas por aislamiento de poliimida. Esta combinación logra un aislamiento de más de 5 kV rms (valor nominal de 1 minuto), que se puede utilizar en aplicaciones robustas de fuente de alimentación aislada e inversor.

Figura 4
Figura 4. Aislador digital con aislamiento de transformador.

Como se muestra en la Figura 5, el aislador digital elimina el LED utilizado en un optoacoplador, y sus problemas de envejecimiento asociados, consume mucha menos energía y es más confiable. Se proporciona aislamiento galvánico (líneas discontinuas) entre la entrada y la salida, y entre las dos salidas, lo que elimina las interacciones de lado alto a lado bajo. Los controladores de salida cuentan con una impedancia de salida baja para reducir las pérdidas por conducción y un tiempo de conmutación rápido para reducir las pérdidas por conmutación.

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Figura 5
Figura 5. Controlador de puerta 4-A aislado digitalmente.

A diferencia de un diseño de optoacoplador, los aisladores digitales de lado alto y bajo se fabrican en un solo circuito integrado, con salidas inherentemente adaptadas para una mejor eficiencia. Tenga en cuenta que el circuito integrado del controlador de compuerta de alto voltaje que se muestra en la Figura 1 tiene un retraso de propagación adicional en el circuito de cambio de nivel, por lo que no puede coincidir con las características de temporización de canal a canal tan bien como el aislador digital. Además, la integración de los controladores de compuerta con aislamiento en un solo paquete IC reduce al mínimo el espacio ocupado por la solución.

Inmunidad transitoria de modo común

En muchas aplicaciones de controlador de compuerta de medio puente para fuentes de alimentación de alto voltaje, pueden ocurrir transitorios muy rápidos a través de los elementos de conmutación. En estas aplicaciones, un transitorio de voltaje que cambia rápidamente (alto dV/dt) que se acopla capacitivamente a través de una barrera de aislamiento puede causar errores de transición lógica a través de la barrera. En una aplicación de controlador de medio puente aislada, esto podría encender ambos interruptores en un episodio de conducción cruzada que podría destruir los interruptores. Cualquier capacitancia parásita a través de la barrera de aislamiento tiende a ser una ruta de acoplamiento para transitorios de modo común.

Los optoacopladores deben tener receptores muy sensibles para detectar la pequeña cantidad de luz transmitida a través de su barrera de aislamiento, y sus salidas pueden verse alteradas por grandes transitorios de modo común. La sensibilidad del optoacoplador a los voltajes transitorios de modo común se puede reducir agregando un escudo entre el LED y el receptor; una técnica utilizada en la mayoría de los controladores de puerta de optoacoplador. El escudo puede mejorar la inmunidad transitoria de modo común (CMTI) desde una clasificación de optoacoplador estándar de menos de 10 kV/μs hasta 25 kV/μs para un controlador de puerta de optoacoplador. Esta clasificación puede ser adecuada para muchas aplicaciones de controlador de compuerta, pero es posible que se necesite un CMTI de 50 kV/μs o más para fuentes de alimentación con grandes voltajes transitorios y para aplicaciones de inversores solares.

Los aisladores digitales pueden entregar niveles de señal más altos a sus receptores y soportar niveles muy altos de transitorios de modo común sin errores de datos. Los aisladores basados ​​en transformadores, como dispositivos diferenciales de cuatro terminales, pueden proporcionar una impedancia diferencial baja a la señal y una impedancia de modo común alta al ruido, lo que puede resultar en una CMTI excelente. Por otro lado, los aisladores digitales que usan acoplamiento capacitivo para crear un campo eléctrico cambiante y transmitir datos a través de la barrera de aislamiento son dispositivos de dos terminales, por lo que el ruido y la señal comparten la misma ruta de transmisión. Con un dispositivo de dos terminales, las frecuencias de la señal deben estar muy por encima de la frecuencia esperada del ruido para que la capacitancia de la barrera presente baja impedancia a la señal y alta impedancia al ruido. Cuando el nivel de ruido de modo común se vuelve lo suficientemente grande como para abrumar la señal, puede alterar los datos en la salida del aislador. En la Figura 6 se muestra un ejemplo de alteración de los datos de un aislador basado en un condensador, donde la salida (canal 4, línea verde) ha fallado a nivel bajo durante 6 ns durante un transitorio de modo común de solo 10 kV/μs.

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Figura 6
Figura 6. Aislador digital basado en capacitor con CMTI de <10 kV/μs.

Estos datos fueron tomados meramente en el límite nivel de alteración del transitorio del aislador basado en capacitor; un transitorio mucho más grande podría causar que la perturbación dure mucho más tiempo, lo que podría hacer que la conmutación de los MOSFET sea inestable. Por el contrario, se ha demostrado que los aisladores digitales basados ​​en transformadores soportan transitorios de modo común superiores a 100 kV/μs sin alterar los datos en la salida (Figura 7).

Figura 7
Figura 7. Aislador digital basado en transformador con CMTI de 100 kV/μs (ADuM140x).

Los controladores de medio puente aislados proporcionan corrientes de salida máximas de 4 A

Los controladores de compuerta de medio puente aislados ADuM3223/ADuM4223, que se muestran en la Figura 8, usan iAcoplador® tecnología para proporcionar salidas independientes y aisladas para accionar las puertas de los dispositivos IGBT y MOSFET de lado alto y bajo utilizados en el control de motores, fuentes de alimentación conmutadas e inversores industriales. Al combinar CMOS de alta velocidad con tecnología de transformador monolítico, estos componentes de aislamiento brindan una sincronización precisa, alta confiabilidad y un mejor rendimiento general que los optoacopladores o los transformadores de pulso. Cada salida puede funcionar continuamente hasta 565 VCIMA en relación con la entrada, lo que permite la conmutación del lado bajo a voltajes negativos. El voltaje diferencial entre el lado alto y el lado bajo puede ser tan alto como 700 VCIMA. Con una conmutación de hasta 1 MHz, las salidas pueden proporcionar corrientes máximas de 4 A. Las entradas compatibles con CMOS proporcionan inmunidad transitoria de modo común de 50 kV/μs. Los controladores funcionan con un suministro de entrada de 3,0 V a 5,5 V, lo que brinda compatibilidad con sistemas de menor voltaje. Con especificación de –40 °C a +125 °C, están disponibles en paquetes SOIC de 16 conductores. Con un precio de $1,70 en miles, el ADuM3223 proporciona aislamiento de 3 kV rms en un cuerpo angosto. Con un precio de $2,03 en miles, el ADuM4223 proporciona aislamiento de 5 kV rms en un cuerpo ancho.

Figura 8
Figura 8. Diagrama de bloques de ADuM3223/ADuM4223.

Resumen

Para aplicaciones aisladas de controlador de compuerta de medio puente, se ha demostrado que el aislador digital basado en transformador integrado ofrece numerosas ventajas sobre los diseños basados ​​en optoacopladores y transformadores de pulsos. El tamaño y la complejidad del diseño se reducen drásticamente a través de la integración, lo que mejora enormemente la sincronización. La robustez se mejora a través del aislamiento galvánico de los controladores de salida, y el acoplamiento del transformador da como resultado un CMTI más alto.

Referencias

Coughlin, Chris. artículo técnico, Inmunidad transitoria de modo común.

Se publicó una versión de este artículo como artículo técnico MS-2318, Fundamentos de diseño de la implementación de un controlador de puerta de medio puente aisladomayo de 2022.

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