Todos los circuitos de potencia utilizan principalmente dispositivos de conmutación hechos de carburo de silicio, nitruro de galio. Aunque tales dispositivos ofrecen una excelente velocidad de operación, alto voltaje, corriente de procesamiento y bajo consumo de energía, los diseñadores a menudo se enfocan solo en el dispositivo en sí y descuidan los controladores de puerta asociados.
Rol del controlador de la puerta
Los MOSFET de SiC y GaN no son los únicos componentes estáticos en un buen circuito de alimentación. Un controlador de compuerta es otro componente que se encuentra frente a un interruptor electrónico, lo que garantiza que se utilice la cantidad correcta de energía para impulsar el interruptor de manera óptima. De hecho, enviar una onda cuadrada o una onda cuadrada directamente al terminal de puerta del componente no es suficiente. Por otro lado, la señal de control debe suministrar los potenciales correctos con una sincronización precisa, garantizar la oscilación adecuada para los diversos componentes, minimizar los parásitos y compensar las pérdidas de energía tanto como sea posible. Por lo tanto, los diseñadores deben completar sus proyectos de circuito desde una perspectiva de carga final mientras investigan y desarrollan el más alto nivel de controladores de compuerta que puedan impulsar los componentes de potencia de la manera más eficiente posible.
Un controlador no óptimo no solo provoca una disipación de energía significativa, sino que la sincronización imperfecta puede provocar un comportamiento errático del circuito y la posible destrucción del MOSFET. Estos son dispositivos controlados por voltaje y la puerta es el terminal de control eléctricamente aislado del dispositivo. Para operar el MOSFET, se debe aplicar un voltaje a este pin a través de un controlador especialmente dedicado.
El terminal de compuerta de un MOSFET es aparentemente un capacitor no lineal. Agregar carga al capacitor de puerta pone el dispositivo en el estado “encendido”, lo que permite que la corriente fluya entre los terminales de drenaje y fuente. En cambio, cuando este capacitor se descarga, pasa al estado “apagado”. Para operar un MOSFET, se debe aplicar un voltaje mayor que el voltaje de umbral (VTH) entre la puerta y la fuente. El voltaje de umbral es el voltaje mínimo al que se carga el capacitor y conduce el MOSFET. Dado que un sistema digital (microcontrolador o MCU) por sí solo no suele ser suficiente para iniciar un dispositivo, siempre existe la necesidad de una interfaz, o más bien un controlador, entre la lógica de control y el interruptor de alimentación.
Una de las funciones principales que realiza el controlador de puerta es la de traductor de niveles. Sin embargo, el condensador de puerta no se puede cargar instantáneamente. Se necesita tiempo para cargar completamente. Durante este tiempo, el dispositivo opera con altas corrientes y voltajes, disipando una gran potencia en forma de calor, aunque por un tiempo muy corto. Desafortunadamente, esta energía no se usa y es una pérdida de potencia. Por lo tanto, para minimizar el tiempo de conmutación, la transición de un estado a otro debe ser muy rápida, y la reducción de este tiempo requiere la activación de grandes transitorios de corriente para cargar rápidamente el condensador de puerta. La figura 1 se refiere a la respuesta de un MOSFET de SiC utilizado como interruptor electrónico y muestra las señales más importantes en varios nodos durante los transitorios, en particular:
- La señal “V (pulso)” en la parte superior representa la onda PWM que alimenta el sistema. Esta es una señal cuadrada ideal con una frecuencia de 100 kHz. Es una señal perfecta.
- La señal “V (puerta)” representa la señal real presente en el terminal de puerta. Como puedes ver, la capacitancia de la puerta no es lineal y su voltaje alcanza su nivel máximo después de unos segundos, que es el tiempo que tarda el capacitor en cargarse a su máxima capacidad, por lo que su tendencia es irregular. Este intervalo está determinado por la constante de tiempo RC, que en este caso es de aproximadamente 150 ns.
- La señal “I (carga)” representa la corriente que fluye a través de los terminales de carga y drenaje. Inicialmente bajo cuando el MOSFET está abierto, alcanza su nivel máximo cuando el MOSFET está cerrado. Esta secuencia se repite indefinidamente. Tenga en cuenta que la conmutación sigue a la conmutación del voltaje de la puerta, no inmediata e instantánea.
- La señal “V (drenaje)” muestra la tendencia de V.SG El voltaje está claramente desfasado con la corriente y siempre sigue la tasa de carga del capacitor de puerta.
- El último gráfico muestra la potencia disipada por el MOSFET (vSD × ID.), los molestos picos altos aparecen correspondientes a los flancos ascendentes y descendentes de la señal de conducción. Esta es una pérdida de potencia y un factor que el controlador de puerta debe minimizar tanto como sea posible.
Figura 1: Señales en varios nodos durante el transitorio MOSFET SiC