03.05 Gate drivers
# Gate drivers
Los gate drivers desempeñan un papel esencial en la conmutación eficiente de los MOSFETs, proporcionando los niveles de tensión y corriente adecuados para activar y desactivar rápidamente los transistores. En esencia, es una etapa transistorizada que "amplifica" la fuerza de la señal del microcontrolador, y a menudo lo hace de forma aislada.
Al seleccionar un gate driver, varios factores deben tenerse en cuenta para garantizar un rendimiento óptimo del sistema:
-
Topología: A pesar de que hay soluciones que incluyen 6 drivers en un solo encapsulado, las más comunes son los circuitos integrados diseñados para controlar un solo dispositivo o dos en configuración de medio puente. Sin embargo, encontrar esta última opción para el rango de tensiones de 600 V con características óptimas es difícil. Por lo tanto, la topología más adecuada suele ser la de un solo driver por encapsulado.
-
Tensión de aislamiento: Dado que las señales de puerta vienen del sistema de baja tensión, deben aislarse antes de llegar al gate, con lo que será necesario buscar un componente aislado a una tensión adecuada de al menos tres veces superior a la tensión máxima del inversor, 600 V.
-
Corriente de salida: Es crucial elegir un gate driver que pueda suministrar la corriente necesaria para cargar y descargar rápidamente las capacidades de compuerta de los MOSFETs. La corriente necesaria depende de la resistencia de puerta, pero se puede determinar una primera cota de
$\frac{V_{\text{GS,typ}}}{R_{\text{G,int}}} = \frac{20 \text{ V}}{2.4 \text{ }\Omega} = 8.3 \text{ A}$ -
Protecciones integradas: Funciones como la lectura de señales analógicas, la posibilidad de paralelizar salidas o la inclusión de protecciones son muy beneficiosas para la integración del convertidor.
A continuación se presenta una comparativa entre varios modelos de gate drivers, considerando sus características principales:
| Características | ADUM4146 | UCC21710 | GD3160 |
|---|---|---|---|
| Voltaje de Operación | -15 V hasta 30 V | –17,5 V hasta 36 V | -12 V hasta 25V |
| Corriente de Salida | 4,61 A | 10 A | 15 A |
| Protecciones | Desaturación, UVLO | Sobrecorriente, Desaturación, Miller Clamp | Desaturación, Sobrecorriente, Apagado suave |
| Tiempo de Retardo | 75 ns | 90 ns | - |
| Aislamiento | 5 kV | 5,7 kV | 8 kV |
| Extras | - | Sensor analógico aislado | Sensor analógico aislado |
| CMTI | 100 V/ns | 150 V/ns | 100 V/ns |
Comparación de gate drivers.
Considerando los criterios de selección, se observa que el UCC21710 se presenta como una opción intermedia adecuada. En primer lugar, la corriente de salida que ofrece es de hasta 10 A, lo que lo hace adecuado para cargar y descargar rápidamente las capacidades de compuerta de los MOSFETs, cumpliendo así con uno de los requisitos fundamentales. Además, integra protecciones contra sobrecorriente y desaturación, así como la funcionalidad de Miller Clamp. Además, la inclusión de un sensor analógico aislado proporciona la capacidad de monitorear la temperatura de los semiconductores con sus sensores integrados sin ningún componente adicional.
Aunque las protecciones de sobrecorriente y desaturación son elementos fundamentales para garantizar la seguridad y el correcto funcionamiento de un inversor, en este caso se ha optado por no implementarlas debido a las complicaciones que pueden surgir en el diseño del layout. Estas protecciones requieren la inclusión de componentes adicionales con footprints grandes y un enrutamiento más complejo de las señales, lo cual puede resultar en problemas de interferencia y aumento de la complejidad del circuito.
Es importante destacar que este inversor se encuentra en una fase inicial de prototipado y desarrollo, donde se prioriza la funcionalidad básica y la viabilidad del diseño. En futuras revisiones y etapas de desarrollo, se considerará la inclusión de estas protecciones, ya que son cruciales para proteger tanto el inversor como los dispositivos conectados. La decisión actual de omitir estas protecciones se basa en la necesidad de simplificar el diseño y garantizar una implementación más eficiente y manejable en esta fase del proyecto.
-
Tensión gate-source: Uno de los valores más importantes a determinar es el nivel de tensión de puerta para encender y apagar el MOSFET. En una aplicación hard-switched como la del convertidor en diseño, es beneficioso usar una tensión de encendido tan alta como sea posible.
Dada la naturaleza rápida del carburo de silicio, se prevé una dV/dt considerable, la cual puede causar varios problemas. Uno de ellos sería la activación accidental de un MOSFET, la cual causaría la condición de shoot-through. Una estrategia para mitigar parcialmente este problema es el uso de un gate driver con Miller Clamp. Además, se suele apagar el dispositivo utilizando una tensión negativa, que amortigua posibles interferencias en la puerta del dispositivo afectado. El valor de tensión negativo al cual se encuentre la puerta aumenta la tensión que debe inducirse en ese nodo para llegar a la tensión umbral
$V_{\text{G,treshold}}$ del MOSFET. Dado que el valor óptimo no es trivial, conviene implementar alguna manera de modificarlo, por ejemplo, mediante el uso de un regulador lineal.Los dispositivos seleccionados tienen un rango de tensiones
$V_{\text{GS}}$ un tanto distintos, siendo el de Leapers de +21 V a -2 V, y el de Wolfspeed de +15 V a -4 V. -
Potencia de alimentación del gate driver: Se estima en función de la frecuencia de conmutación y la carga de la compuerta de los MOSFETs, además de la tensión
$V_{\text{GS}}$ .$$I_{\text{supply, min}} = f_{\text{conm}} \cdot Q_{\text{G}}$$ Donde
-
$I_{\text{supply, min}}$ es al corriente mínima que debe poder suministrar la fuente de alimentación del gate driver, -
$f_{\text{conm}}$ es la frecuencia de conmutación, y -
$Q_{\text{G}}$ es la carga en la puerta.
Utilizando el valor más alto de$Q_{\text{G}}$ entre los dos semiconductores,$$I_{\text{supply, min}} = f_{\text{conm}}\cdot Q_{\text{G}} = 40 \text{ kHz} \cdot 520 \text{ nC} = 20.8 \text{ mA}$$
se puede calcular la potencia necesaria de la fuente.
$$P_{\text{supply, min}} = \Delta V_{\text{GS}}\cdot I_{\text{supply, min}}$$ Donde:
-
$P_{\text{supply, min}}$ es la potencia mínima que debe poder suministrar la fuente de alimentación del gate driver y -
$\Delta V_{\text{GS}}$ es la diferencia entre la tensión de puerta de encendido y apagado.
$$P_{\text{supply, min}} = \Delta V_{\text{GS}}\cdot I_{\text{supply, min}} = 20 \text{ V} \cdot20.8 \text{ mA} = 0.416 \text{ W}$$
Con esta estimación de potencia mínima requerida, es esencial seleccionar una fuente adecuada para los gate drivers. En este contexto, se considera la serie MGJ2 de Murata, que ofrece características como:
-
Tensión de entrada de 5 V, 12 V, 15 V o 24 V, lo que permite adaptarse a diferentes fuentes de alimentación disponibles. En esta aplicación, la entrada de 5 V simplifica mucho la arquitectura de hardware.
-
Rango de tensiones de salida muy variados, que permite intercambiar fuentes para probar distintos niveles de tensión.
-
Aislamiento reforzado hasta 5,2 kV,DC, garantizando la seguridad y el cumplimiento de la normativa.
-
Caracterización de CMTI mayor a 200 V/ns, lo que garantiza una respuesta rápida y efectiva ante transitorios de alta velocidad.
-
-
Valores de resistencias de puerta (
$R_{\text{G,on}}$ ,$R_{\text{G,off}}$ ): Reducir el valor de las resistencias de puerta conlleva la disminución de las pérdidas de conmutación, ya que los MOSFETs cambiarán más rápido de estado y, por lo tanto, pasarán menos tiempo en la etapa de conmutación. Esta rapidez en el cambio implica un mayor dV/dt, lo que puede ser responsable del aumento de la interferencia electromagnética (EMI) y de sobrepico de tensión entre el drain y el source del propio MOSFET. El valor de estas resistencias se estimará mejor con pruebas empíricas, pero se parte del valor más alto considerado de 12$\Omega$ para Wolfspeed, y 10$\Omega$ para Leapers.
