Como selecionar e começar a usar os acionadores de dispositivos de potência

Todo dispositivo discreto de chaveamento de potência precisa de um driver, ou acionador, seja ele um transistor discreto de efeito de campo de óxido-metal-silício (MOSFET), um MOSFET de carbeto de silício (SiC), um transistor bipolar de porta isolada (IGBT) ou um módulo. O acionador é o componente de interface ou a "ponte" entre a saída de baixa tensão e baixa corrente do processador do sistema que opera em um cenário controlado e benigno e o mundo difícil do dispositivo de chaveamento com seus requisitos rigorosos de corrente, tensão e tempo.

A seleção do acionador apropriado para o dispositivo de chaveamento é um desafio para os projetistas devido às idiossincrasias do dispositivo de potência e aos parasitas inevitáveis no circuito e no layout. Isso requer uma consideração cuidadosa dos parâmetros do tipo de comutação (silício (Si) ou carbeto de silício (SiC)) e da aplicação. Os fabricantes de dispositivos de potência geralmente sugerem e até oferecem acionadores adequados, mas alguns fatores relacionados ao acionador devem ser ajustados às especificidades da aplicação.

Embora haja um procedimento lógico básico a ser seguido na maioria dos casos para fazer isso, algumas das configurações, como o valor do resistor de acionamento da porta, são determinadas por uma análise iterativa e também devem ser verificadas por meio de testes e avaliações práticas. Essas etapas podem aumentar um processo já complexo e desacelerar um projeto sem uma orientação clara.

Este artigo discute brevemente a função do gate driver ou acionador de porta. Em seguida, ele fornece um guia para a seleção do acionador e as etapas necessárias para garantir a compatibilidade com o dispositivo escolhido do chaveamento de potência. Ele apresenta dispositivos exemplares de baixo e alto consumo de potência da Infineon Technologies AG para ilustrar os pontos principais, juntamente com placas e kits de avaliação associados.

A função do acionador de porta

Em termos mais simples, um acionador de porta é um amplificador de potência que aceita uma entrada de nível baixo e baixa potência de um CI controlador (geralmente um processador) e produz o acionamento da porta de alta corrente apropriado na tensão necessária para ligar e desligar o dispositivo de potência. Por trás dessa definição simples, há um mundo complexo de tensão, corrente, taxas de inclinação, parasitas, transientes e proteção, entre outras questões. O acionador deve corresponder às necessidades do sistema e acionar o comutador de potência de forma nítida, sem sobressinal ou oscilação, mesmo que os parasitas e os transientes se tornem cada vez mais desafiadores à medida que as velocidades de chaveamento aumentam.

Os acionadores podem ser usados em diferentes configurações. Entre os mais comuns estão o acionador único do lado de baixa tensão, o acionador único de lado de alta tensão e o acionador duplo de lado de alta/lado de baixa tensão.

No primeiro caso, o dispositivo de potência (chave) é conectado entre a carga e o terra, enquanto a carga fica entre a trilha de alimentação e a chave (Figura 1). (Observe que esse terra deveria ser chamado mais apropriadamente de "comum", pois não existe um aterramento real, mas sim um ponto comum do circuito que define o potencial de 0 volt).

Figura 1: Na configuração do lado de baixa, o acionador e a chave são colocados entre a carga e o terra/comum do circuito. (Fonte da imagem: Infineon Technologies AG)

No arranjo complementar do lado de alta, a chave é conectada diretamente à trilha de alimentação, enquanto a carga fica entre a chave e o terra/comum (Figura 2).

Figura 2: A configuração do lado de alta inverte a localização da chave em relação à carga e à trilha de alimentação. (Fonte da imagem: Infineon Technologies AG)

Outra topologia amplamente utilizada é o emparelhamento do lado de alta/lado de baixa usado para acionar duas chaves conectadas em um arranjo de ponte (Figura 3).

Figura 3: No emparelhamento combinado do lado de alta/lado de baixa, duas chaves são acionadas alternadamente, com a carga entre eles. (Fonte da imagem: Infineon Technologies AG)

E quanto à isolação?

O arranjo do lado de alta/baixa requer a adição de duas funções de circuito, mostradas na Figura 4:

Figura 4: O arranjo lado de alta/lado de baixa também requer uma fonte de alimentação flutuante para o lado de alta e um deslocador de nível para o sinal de controle. (Fonte da imagem: Talema Group)

O acionador superior (lado de alta) e o dispositivo de chaveamento estão "flutuando" sem uma referência de terra, o que leva a outro requisito em muitos arranjos de acionador de porta/comutador de potência: a necessidade de isolação galvânica (ôhmica) entre a função do acionador e a chave acionada.

A isolação significa que não há caminho elétrico para o fluxo de corrente entre os dois lados da barreira de isolação, mas as informações de sinal ainda devem passar por ela. Essa isolação pode ser realizada por meio de optoacopladores, transformadores ou capacitores.

A isolação elétrica entre vários circuitos funcionais em um sistema impede um caminho de condução direta entre eles, permitindo que os circuitos individuais possuam diferentes potenciais de terra. A barreira deve suportar a tensão total da trilha (mais uma margem de segurança), que pode variar de dezenas a milhares de volts. Devido a seu design, a maioria dos isoladores atende facilmente à exigência de mais de mil volts.

Embora os acionadores de porta do lado de alta possam exigir isolação para garantir a operação correta, dependendo da topologia específica, os circuitos de acionamento de porta para inversores e conversores de energia geralmente exigem isolação elétrica para fins de segurança não relacionados ao seu status de "terra". A isolação é exigida por agências reguladoras e de certificação de segurança para evitar riscos de choque, garantindo que uma alta tensão não possa atingir o usuário literalmente. Ela também protege os componentes eletrônicos de baixa tensão de qualquer dano devido a falhas no circuito de alta tensão e a erros humanos no lado do controle.

Muitas configurações de dispositivos de potência exigem um circuito isolado de acionamento de porta. Por exemplo, há comutadores de alta e de baixa em topologias de conversor de energia, como meia ponte, ponte completa, buck, forward de duas chaves e forward de grampo ativo, porque os acionadores do lado de baixa não podem ser usados para acionar diretamente o dispositivo de potência do lado superior.

Os dispositivos de potência do lado superior exigem um acionador de porta isolado e sinais "flutuantes" porque não têm conexão com o potencial de terra; se tivessem, causariam curto-circuito no acionador complementar e no comutador de potência. Como resultado dessa exigência, e graças aos avanços tecnológicos, estão disponíveis acionadores de porta que também incorporam isolação, eliminando assim a necessidade de dispositivos separados de isolação. Isso, por sua vez, simplifica o layout de alta tensão e, ao mesmo tempo, atende mais facilmente às exigências regulatórias.

Ajuste fino da relação entre o acionador e o dispositivo de comutação

Os CIs acionadores de porta precisam suportar as altas velocidades de chaveamento dos MOSFETs de SiC, que podem atingir uma taxa de inclinação de 50 quilovolts por microssegundo (kV/µs) ou mais e podem comutar mais rapidamente do que 100 quilohertz (kHz). Os dispositivos de Si são acionados com uma tensão típica de 12 volts para ligar e usam 0 volts para desligar.

Diferentemente dos dispositivos de Si, os MOSFETs de SiC geralmente precisam de +15 a +20 volts para ligar e de -5 a 0 volts para desligar. Portanto, eles podem precisar de um CI acionador com entradas duplas, uma para a tensão de ligar e outra para a tensão de desligar. Os MOSFETs de SiC apresentam baixa resistência de saturação somente quando acionados por uma tensão de porta-fonte (V_gs) recomendada de 18 a 20 volts, que é significativamente mais alta do que o valor de 10 a 15 volts do V_gs necessário para acionar MOSFETs ou IGBTs de Si.

Outra diferença entre Si e SiC é que a carga de recuperação reversa (Q_rr) do diodo intrínseco incorporado de "supressão" do dispositivo de SiC é bastante baixa. Eles exigem um acionamento de porta de alta corrente para fornecer rapidamente a carga de porta completa necessária (Q_g).

É fundamental estabelecer a relação adequada entre o acionador de porta e a porta do dispositivo de comutação. Uma etapa essencial aqui é determinar o valor ideal do resistor externo de porta, denotado como R_G,ext, entre o acionador e o dispositivo de comutação (Figura 5). Há também uma resistência interna de porta no dispositivo de potência, designada como R_G,int, que está em série com o resistor externo, mas o usuário não tem controle sobre esse valor, embora ele ainda seja importante.

Figura 5: É essencial determinar o valor adequado do resistor externo de porta entre o acionador e o dispositivo de potência para otimizar o desempenho do par. (Fonte da imagem: Infineon Technologies AG)

A determinação do valor desse resistor é um processo de quatro etapas que geralmente envolve iteração, pois alguns aspectos do desempenho do par devem ser avaliados "na bancada" após a análise e a modelagem. Em resumo, o procedimento geral é o seguinte:

Etapa 1: Determine a corrente de pico (I_g) com base nos valores da ficha técnica e selecione um acionador de porta adequado.

Etapa 2: Calcule o valor do resistor externo de porta (R_G,ext) com base na oscilação de tensão da porta da aplicação.

Etapa 3: Calcule a dissipação de potência (P_D) esperada do CI acionador de porta e do resistor externo de porta.

Etapa 4: Valide os cálculos na bancada para determinar se o acionador tem potência suficiente para acionar o transistor e se a dissipação de potência está dentro dos limites permitidos:

1. Verifique a ausência de eventos parasitas de ativação acionados pelos transientes dv/dt nas piores condições.
2. Meça a temperatura do CI acionador de porta durante a operação em estado permanente.
3. Calcule a potência de pico do resistor e compare-a com seu dimensionamento de pulso único.

Essas medições confirmarão se as suposições e os cálculos resultam em um comportamento de chaveamento seguro (sem oscilação, temporização adequada) do MOSFET de SiC. Caso contrário, o projetista deve repetir as etapas de 1 a 4 com um valor ajustado para o resistor externo de porta.

Como em quase todas as decisões de engenharia, há contrapartidas entre vários fatores de desempenho ao selecionar o valor de um componente. Por exemplo, se houver oscilações, alterar o valor do resistor de porta pode eliminá-las. Aumentar seu valor reduzirá a taxa de inclinação de dv/dt, pois a velocidade do transistor diminuirá. Um valor de resistor menor levará a um chaveamento mais rápido do dispositivo de SiC, levando a transientes dv/dt mais altos.

O impacto mais amplo do aumento ou da diminuição do valor do resistor externo de porta nas considerações críticas de desempenho do acionador de porta é mostrado na Figura 6.

Figura 6: O aumento ou a diminuição do valor do resistor externo de porta afeta muitos atributos de desempenho, portanto, os projetistas devem avaliar as contrapartidas. (Fonte da imagem: Infineon Technologies AG)

Não precisa se comprometer

Embora o comprometimento faça parte do projeto do sistema, os componentes certos podem reduzir significativamente esse comprometimento. Por exemplo, os CIs acionadores de porta EiceDRIVER da Infineon oferecem alta eficiência energética, imunidade a ruídos e robustez. Além disso, são fáceis de usar com recursos como proteção rápida contra curto-circuito; detecção e proteção contra falhas de dessaturação (DESAT); grampeamento ativo de Miller; controle de taxa de inclinação; proteção contra shoot-through; proteção contra falhas, desligamento e sobrecorrente; e configurabilidade digital I²C.

Os acionadores são adequados para dispositivos de potência de silício e de ampla banda proibida. Eles variam de acionadores do lado de baixa, de baixa potência, baixa tensão e não isolados a dispositivos isolados de quilovolt/quilowatt (kV/kW). Acionadores duplos e multicanais também estão disponíveis, oferecendo uma boa opção para algumas situações.

Um acionador de porta do lado de baixa de 25 volts

Escolhendo entre a gama de dispositivos, o 1ED44176N01FXUMA1 é um acionador de porta do lado de baixa de 25 volts em um invólucro DS-O8 (Figura 7). Esse acionador de porta não inversora do MOSFET e IGBT de baixa tensão apresenta tecnologias CMOS proprietárias imunes a travamentos que permitem sua construção monolítica robusta. A entrada lógica é compatível com saídas CMOS ou LSTTL padrão de 3,3, 5 e 15 volts e inclui entradas disparadas por Schmitt para minimizar disparos falsos de sinais, enquanto o acionador de saída apresenta um estágio de buffer de corrente. Ele pode acionar dispositivos de 50 amperes (A)/650 volts em até 50 kHz e tem como destino eletrodomésticos e infraestrutura alimentados por linha CA, como bombas de calor.

Figura 7: O 1ED44176N01FXUMA1 é um acionador de porta em miniatura em um invólucro DS-08 para aplicações de baixa tensão/potência que apresenta tecnologias CMOS proprietárias imunes a travamentos. (Fonte da imagem: Infineon Technologies AG)

Entre as principais especificações do 1ED44176N01FXUMA1 está uma corrente pulsada de curto-circuito típica do fornecimento de saída (pulso <10 µs) de 0,8 A a 0 volts, enquanto a corrente pulsada de curto-circuito da drenagem de saída é de 1,75 A a 15 volts. As especificações dinâmicas críticas incluem um tempo de ligar e desligar de 50 nanossegundos (ns) (típico)/95 ns (máximo), enquanto o tempo de subida para ligar é de 50/80 ns (típico/máximo) e o tempo de descida para desligar é de 25/35 ns (típico/máximo).

A conexão do 1ED44176N01F é relativamente simples, com um pino para detecção de proteção contra sobrecorrente (OCP) e uma saída de status FAULT (Figura 8). Há também um pino dedicado para programar o tempo de eliminação de falhas. O pino EN/FLT precisa estar em nível alto para proporcionar operação normal, enquanto que em nível baixo desativa o acionador. O circuito interno no pino V_CC fornece proteção de bloqueio de subtensão que mantém a saída baixa até que a tensão de alimentação V_CC volte a estar dentro da faixa operacional necessária. Os terras separados de níveis lógicos e de alimentação aumentam a imunidade a ruídos.

Figura 8: Com apenas oito pinos, o acionador de porta 1ED44176N01F é relativamente fácil de conectar ao processador e ao dispositivo de potência. (Fonte da imagem: Infineon Technologies AG)

Embora seja relativamente fácil de conectar, os usuários desse acionador de porta e do dispositivo de potência associado podem se beneficiar da placa de avaliação EVAL1ED44176N01FTOBO1 (Figura 9). Usando essa placa, os projetistas podem selecionar e avaliar o resistor shunt de detecção de corrente (R_CS), o filtro de resistor e capacitor (RC) para proteção de OCP e de curto-circuito e o capacitor de tempo para eliminação de falhas.

Figura 9: A placa de avaliação EVAL1ED44176N01FTOBO1 permite que os projetistas definam e meçam os principais pontos de operação do acionador de porta com um dispositivo de chaveamento associado. (Fonte da imagem: Infineon Technologies AG)

Acionador de porta MOSFET de SiC de alta tensão

Em um nível de tensão muito mais alto do que o acionador de porta do eletrodoméstico da linha CA e seus dispositivos de potência está o 1EDI3031ASXUMA1, um acionador de porta MOSFET de SiC de 12 A de canal único e isolado, dimensionado para 5700 V_RMS (Figura 10). Esse acionador é um dispositivo de alta tensão projetado para acionamentos de motores automotivos acima de 5 kW, que suporta MOSFETs de SiC de 400, 600 e 1200 volts.

Figura 10: O EDI3031AS é uma porta MOSFET de SiC de 12 A, isolada e de canal único, projetada para acionamentos de motores automotivos acima de 5 kW. (Fonte da imagem: Infineon Technologies AG)

O dispositivo usa a tecnologia de transformador sem núcleo (CT) da Infineon para implementar a isolação galvânica (Figura 11).

Figura 11: Um transformador proprietário sem núcleo é usado para fornecer isolação galvânica, mostrada na ilustração (esquerda) e na construção (direita). (Fonte da imagem: Infineon Technologies AG)

Essa tecnologia tem vários recursos. Ela permite grandes oscilações de tensão de ±2300 volts ou mais, oferece imunidade contra transientes negativos e positivos e apresenta baixas perdas de potência. Além disso, ela tem uma transferência de sinal extremamente robusta que é independente do ruído de modo comum e suporta imunidade a transientes de modo comum (CMTI) de até 300 volts/ns. Também, o seu casamento estreito entre atrasos de propagação oferece tolerância e robustez sem variações devido ao envelhecimento, à corrente e à temperatura.

O acionador 1EDI3031ASXUMA1 suporta MOSFETs de SiC de até 1200 volts, com saída rail-to-rail com corrente de pico de 12 A e um atraso de propagação típico de 60 ns. Ele tem um CMTI de até 150 V/ns a 1.000 volts, e seu grampeamento ativo de Miller integrado de 10 A suporta chaveamento unipolar.

Esse acionador específico tem como destino os inversores de tração para veículos elétricos (EVs), EVs híbridos (HEVs) e inversores auxiliares para ambos. Por esse motivo, ele integrou vários recursos de segurança para suportar as classificações de classe ASIL B(D), bem como a validação do produto de acordo com a AEC-Q100. Esses recursos incluem DESAT e OCP redundantes, monitoramento do estágio de porta e saída, proteção contra shoot-through, monitoramento de alimentação primária e secundária e supervisão interna. A isolação básica de 8 kV atende à norma VDE V 0884-11:2017-01 e é reconhecida pela UL 1577.

Devido ao seu nível de potência e para atender aos requisitos automotivos, o acionador 1EDI3031ASXUMA1 é muito mais do que um dispositivo poderoso, mas "leigo". Além de todos os seus recursos de segurança, ele implementa um diagrama de estado para garantir a funcionalidade adequada (Figura 12). Seus recursos de diagnóstico "intrusivos" oferecem a capacidade de entrar em um "estado seguro" em caso de falha do sistema.

Figura 12: A sofisticação e a autoverificação da integridade do acionador de porta 1EDI3031ASXUMA1 são claramente ilustradas pelo diagrama de estado de seus modos de operação. (Fonte da imagem: Infineon Technologies AG)

Os projetistas que trabalham com o 1EDI3031ASXUMA1 podem começar rapidamente com a placa de avaliação 1EDI30XXASEVALBOARDTOBO1 para a família de acionadores de porta EDI302xAS/1EDI303xAS EiceDRIVER (Figura 13).

Figura 13: A placa de avaliação 1EDI30XXASEVALBOARDTOBO1 para a família de acionadores de porta EDI302xAS/1EDI303xAS EiceDRIVER permite que os projetistas avaliem esse acionador de alta potência com um dispositivo de potência associado. (Fonte da imagem: Infineon Technologies AG)

Essa versátil plataforma de avaliação apresenta uma configuração de meia ponte, mostrada na Figura 14. Ela permite a montagem do módulo IGBT HybridPACK DSC ou de um dispositivo de potência PG-TO247-3 discreto.

Figura 14: A placa de avaliação 1EDI30XXASEVALBOARDTOBO1 implementa um arranjo de meia ponte isolada e pode ser usada com módulos ou dispositivos discretos. (Fonte da imagem: Infineon Technologies AG)

A ficha técnica detalhada dessa placa de avaliação inclui o esquema, a lista de materiais, detalhes sobre como e onde fixar as várias conexões, detalhes de configuração, sequências de operação e legendas de indicadores LED, entre muitos outros.

Conclusão

Os gate drivers ou acionadores de porta são a interface crítica entre uma saída de processador digital de nível baixo e baixa potência e os requisitos de nível alto, alta potência e alta corrente da porta de um dispositivo de potência, como um MOSFET de Si ou SiC. O casamento adequado do acionador com as características e os requisitos do dispositivo de potência é fundamental para um circuito de chaveamento confiável e bem-sucedido para sistemas de alimentação, como inversores, acionamentos de motor e controladores de iluminação. Conforme mostrado, uma ampla e profunda variedade de acionadores, baseada em várias tecnologias avançadas e proprietárias e apoiada por placas e kits de avaliação, ajuda os projetistas a garantir uma combinação ideal.

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