Maximize a eficiência do controle do dispositivo de potência com o conversor certo de energia do acionador de porta

Desde fontes de alimentação e acionamentos de motores até estações de carregamento e uma infinidade de outras aplicações, o segredo para projetos de sistemas de eficiência energética são os semicondutores de potência para chaveamento, tais como MOSFETs de silício (Si), carbeto de silício (SiC) e nitreto de gálio (GaN), bem como transistores bipolares de porta isolada (IGBTs). Entretanto, para obter o máximo desempenho do dispositivo de potência, é necessário um "gate driver", isto é um acionador de porta apropriado.

Como seu nome indica, o papel deste componente é acionar a porta do dispositivo de potência e assim colocá-lo, ou retirá-lo para fora do modo de condução de forma rápida e nítida. Para isso, é necessário que o acionador tenha a capacidade de suprir/drenar corrente suficiente, apesar do dispositivo interno e da capacitância dispersa (parasitária), indutância e outros problemas na carga (porta). Como consequência, proporcionar uma porta de tamanho correto com os atributos principais adequados é fundamental para sentir todo o potencial e eficiência do dispositivo de potência. Entretanto, para tirar o máximo proveito do acionador de porta, o projetista deve prestar atenção especial à fonte de alimentação CC do acionador, que é independente da trilha CC do dispositivo de potência. Esta fonte é semelhante a uma fonte convencional, mas com algumas diferenças importantes. Pode ser uma fonte unipolar, mas em muitos casos é uma fonte bipolar não simétrica, além de outras diferenças funcionais e estruturais. Os projetistas também devem prestar atenção ao fator forma em termos de pegada da placa e requisitos de baixo perfil e compatibilidade com os processos de montagem e fabricação pretendidos de um projeto.

Este artigo se concentrará em fontes de alimentação para acionadores de porta, usando como exemplos as fontes de alimentação CC/CC dos dispositivos de montagem em superfície (SMD) da Murata Power Solutions série MGJ2 de conversores CC/CC para acionamento de porta de 2 watts.

Comece com os dispositivos de chaveamento

A compreensão do papel e dos atributos desejados do conversor CC/CC do acionador de porta começa com os dispositivos de chaveamento. Para um MOSFET como dispositivo de chaveamento, o caminho da fonte-porta é utilizado para controlar o estado ligado ou desligado do dispositivo (os IGBTs são similares). Quando a tensão da porta-fonte é menor que a tensão limiar (V_GS < V_TH), o MOSFET está em sua região de corte, sem fluxos de corrente de dreno, I_D = 0 amperes (A), e o MOSFET aparece como uma "chave aberta" (Figura 1).

Figura 1: No modo de corte, o caminho de dreno-fonte do MOSFET se parece como uma chave aberta. (Fonte da imagem: Quora)

Inversamente, quando a tensão da porta-fonte é muito maior que a tensão limiar (V_GS > V_TH), o MOSFET está em sua região de saturação, o fluxo máximo da corrente de dreno (I_D = V_DD /R_L), e o MOSFET aparece como uma "chave fechada" de baixa resistência (Figura 2). Para o MOSFET ideal, a tensão de dreno-fonte seria zero (V_DS = 0 volts), mas na prática, o V_DS está normalmente em torno de 0,2 volts devido à resistência interna R_DS(on), que normalmente é inferior a 0,1 Ohm (Ω) e pode ser tão baixa quanto algumas dezenas de miliohms.

Figura 2: Em modo de saturação, o caminho de dreno-fonte do MOSFET se parece como uma chave de baixa resistência. (Fonte da imagem: Quora)

Enquanto os diagramas esquemáticos fazem parecer que a tensão aplicada à porta liga e desliga o MOSFET, isso é apenas parte da história. Esta tensão conduz a corrente para o MOSFET até que haja carga acumulada suficiente para ligá-lo. Dependendo do tamanho (corrente nominal) e tipo de acionamento do chaveamento, a quantidade de corrente necessária para entrar rapidamente em um estado totalmente ligado pode ser de apenas alguns miliamperes (mA) a vários amperes (A).

A função do acionador de porta é conduzir corrente suficiente na porta de forma rápida e nítida para ligar o MOSFET, e retirar essa corrente de forma inversa para desligar o MOSFET. Mais formalmente, a porta precisa ser acionada a partir de uma fonte de baixa impedância capaz de suprir e drenar corrente suficiente para permitir a rápida inserção e extração da carga de controle.

Se a porta do MOSFET parecesse uma carga puramente resistiva, o suprimento e drenagem desta corrente seria relativamente simples. Entretanto, um MOSFET tem elementos capacitivos e indutivos internos parasitas, e também há elementos parasitas nas interconexões entre o acionador e o dispositivo de potência (Figura 3).

Figura 3: Este modelo de um MOSFET mostra a capacitância e a indutância parasitas que afeta o desempenho do acionador. (Fonte da imagem: Texas Instruments)

O resultado é uma vibração do sinal de acionamento da porta ao redor da tensão limiar, fazendo com que o dispositivo se ligue e desligue uma ou mais vezes em sua trajetória até estar totalmente ligado ou desligado; isto é um pouco análogo ao "repique da chave" de um interruptor mecânico (Figura 4).

Figura 4: A vibração da saída do acionador devido a elementos parasitas na carga MOSFET pode causar zumbido e falso disparo, semelhante ao repique de um interruptor mecânico. (Fonte da imagem: Learn About Electronics)

As consequências variam de despercebidas ou meramente irritantes em uma aplicação casual, como ligar ou desligar uma luz, até os prováveis danos nos circuitos de chaveamento rápido de modulação por largura de pulso (PWM) amplamente utilizados em fontes de alimentação, acionamentos de motores e subsistemas similares. Pode causar curto-circuitos e até mesmo danos permanentes, nas topologias padrões de meia ponte e ponte completa, onde a carga é colocada entre um par MOSFET superior e inferior se ambos os MOSFETs do mesmo lado da ponte forem ligados simultaneamente, mesmo que por um instante. Este fenômeno é conhecido como "shoot-through" (Figura 5).

Figura 5: Em contraste à ativação normal do MOSFET de Q1 e Q4 (esquerda), ou Q2 e Q3 (direita), se Q1 e Q2, ou Q3 e Q4 da ponte forem ligados simultaneamente devido a problemas do acionador ou outras causas, uma condição de curto-circuito inaceitável e possivelmente prejudicial chamada shoot-through ocorrerá através da trilha de alimentação e terra. (Fonte da imagem: Quora)

Detalhes do acionamento de porta

A fim de conduzir a corrente para a porta, a tensão positiva na trilha deve ser suficientemente alta para garantir a saturação/enriquecimento de cargas na chave de energia, mas sem exceder a tensão máxima absoluta para sua porta. Enquanto este valor de tensão é uma função do tipo e modelo específicos do dispositivo, os IGBTs e MOSFETs padrões geralmente estarão totalmente ligados com um acionamento de 15 volts, enquanto o típico MOSFET de SiC pode precisar de quase 20 volts para um estado completamento ligado.

A situação da tensão negativa do acionamento de porta é um pouco mais complicada. Em princípio, para o estado desligado, 0 volts na porta é adequado. Entretanto, uma tensão negativa, normalmente entre -5 e -10 volts, permite um chaveamento rápido controlado por um resistor de porta. Um acionamento negativo apropriado garante que a tensão de corte entre porta-emissor seja, na verdade, sempre zero ou menos.

Isto é crítico porque qualquer indutância (L) do emissor (no ponto 'x' da Figura 6) entre uma chave e a referência do acionador, causa uma tensão oposta de porta-emissor quando a chave é desligada. Embora a indutância possa ser pequena, mesmo uma indutância muito pequena de 5 nH (alguns milímetros de conexão cabeada) produzirá 5 volts a uma taxa de inclinação di/dt de 1000 A por microssegundo (A/μs).

Figura 6: Mesmo uma pequena indutância do emissor no ponto 'x' entre uma chave e a referência do acionador, devido a considerações de layout, pode induzir uma tensão oposta de porta-emissor quando a chave é desligada, causando "jitter" de ativação/desativação. (Fonte da imagem: Murata Power Solutions)

Uma tensão negativa de acionamento da porta também ajuda a superar o efeito da capacitância de efeito Miller C_m do coletor/dreno-porta, que injeta corrente no circuito de acionamento da porta durante o desligamento do dispositivo. Quando o dispositivo é desligado, a tensão de coletor-porta sobe e uma corrente de valor C_m × dV_ce/dt flui através da capacitância Miller, para a capacitância fonte/porta-emissor C_ge, e através do resistor de porta para o circuito acionador. A tensão resultante V_ge na porta pode ser suficiente para ligar o dispositivo novamente causando possíveis shoot-through e danos (Figura 7).

Figura 7: O uso de uma tensão negativa de acionamento da porta pode superar as deficiências que ocorrem devido à presença da capacitância de efeito Miller dentro de um MOSFET ou IGBT. (Fonte da imagem: Murata Power Solutions)

No entanto, ao acionar a porta negativamente, este efeito é minimizado. Por este motivo, um projeto eficaz do acionador requer tanto trilhas de tensão positiva quanto negativa para a função de acionamento da porta. Entretanto, ao contrário da maioria dos conversores bipolares CC/CC que têm saídas simétricas (como +5 V e -5 V), as trilhas de alimentação para o acionador de porta são normalmente assimétricas com uma tensão positiva que é maior do que a tensão negativa.

Dimensionamento da potência nominal do conversor

Um fator crítico é a quantidade de corrente que o conversor do acionador de porta deve fornecer e, portanto, sua potência nominal. O cálculo básico é bastante simples. Em cada ciclo de chaveamento, a porta deve ser carregada e descarregada através do resistor R_g presente. A ficha técnica do dispositivo fornece uma curva para o valor Q_g da carga na porta, onde Q_g é a quantidade de carga que precisa ser injetada no eletrodo da porta para ligar (acionar) o MOSFET em tensões de porta específicas. A potência que deve ser fornecida pelo conversor CC/CC é derivada usando a fórmula:

Onde Q_g é a carga de porta para uma oscilação de tensão de porta escolhida (positiva a negativa), do valor V_s e na frequência F. Esta potência é dissipada na resistência interna da porta (R_int) do dispositivo e na resistência externa em série, R_g. A maioria dos acionadores de porta precisa de uma fonte de alimentação abaixo de um ou dois watts.

Outra consideração é a corrente de pico (I_pk) necessária para carregar e descarregar a porta. Esta é uma função de V_s, R_int e R_g. Ela é calculada usando a fórmula:

Em muitos casos, esta corrente de pico é mais do que o conversor CC/CC pode fornecer. Em vez de ir para uma fonte maior e mais cara (que é operar em um baixo ciclo de trabalho), a maioria dos projetos fornece a corrente usando capacitores de filtro nas trilhas de alimentação do acionador, que são carregados pelo conversor durante as porções de baixa corrente do ciclo.

Os cálculos básicos determinam o tamanho desses capacitores de filtro. Entretanto, também é importante que eles tenham baixa resistência equivalente em série (ESR) e indutância (ESL) para não impedir a corrente de transiente que eles estão fornecendo.

Outras considerações sobre o conversor do acionador de porta

Os conversores CC/CC dos acionadores de porta têm outros problemas particulares. Entre eles estão:

• Regulagem: A carga no conversor CC/CC é próxima de zero quando o dispositivo não está chaveando. Entretanto, a maioria dos conversores convencionais precisa de uma carga mínima o tempo todo; caso contrário, sua tensão de saída pode aumentar drasticamente, possivelmente até o nível de ruptura da porta.

O que acontece é que esta alta tensão é armazenada nos capacitores de filtro, de tal forma que quando o dispositivo começa a comutar, ele pode experimentar uma sobretensão da porta até que o nível do conversor caia sob carga normal. Um conversor CC/CC que tenha tensões de saída grampeadas ou requisitos de carga mínima muito baixos deve, portanto, ser utilizado.

• Partida e desligamento: É importante que os IGBTs e MOSFETs não sejam acionados ativamente pelos sinais de controle PWM até que as trilhas de tensão do circuito de acionamento estejam em seus valores designados. Entretanto, como os conversores dos acionadores de porta são energizados e desligados, pode existir uma condição transitória onde os dispositivos poderiam ser acionados — mesmo com o sinal de PWM inativo — levando ao shoot-through e danos. Portanto, as saídas do conversor CC/CC devem ser bem comportadas na partida e no desligamento com subida e descidas monótonas (Figura 8).

Figura 8: É fundamental que as saídas do conversor CC/CC sejam bem comportadas durante as sequências de partida e desligamento e não tenham transientes de tensão. (Fonte da imagem: Murata Power Solutions)

• Capacitância de acoplamento e isolação: Em alta potência, inversores ou conversores de energia tipicamente usam uma configuração de ponte para gerar CA de frequência de linha ou para fornecer acionamento PWM bidirecional a motores, transformadores ou outras cargas. Para segurança do usuário e para atender aos mandatos regulatórios, o sinal PWM de acionamento da porta e as trilhas de alimentação do acionamento associadas dos comutadores do lado de alta precisam de isolação galvânica desde o terra sem nenhum caminho ohmico entre eles. Além disso, a barreira de isolação deve ser robusta e não mostrar nenhuma degradação significativa devido aos repetidos efeitos de descarga parcial ao longo da vida útil do projeto.

Soma-se a isso, problemas devido ao acoplamento capacitivo através da barreira de isolação; isto é análogo à corrente de fuga entre os enrolamentos primário e secundário de um transformador de linha CA totalmente isolado. Isto leva a exigir que o circuito de acionamento e as trilhas de alimentação associadas sejam imunes ao alto dV/dt do nó de comutação e tenham uma capacitância de acoplamento muito baixa.

O mecanismo deste problema é devido às bordas de chaveamento muito rápido, normalmente 10 quilovolts por microssegundo (kV/μs), e até mesmo 100 kV/μs para os dispositivos de GaN mais recentes. Este dV/dt de variação rápida causa um fluxo de corrente transiente através da capacitância da barreira de isolação do conversor CC/CC.

Visto que a corrente I = C x (dV/dt), mesmo uma pequena capacitância de barreira de apenas 20 picofarads (pF) com chaveamento de 10 kV/μs resulta em um fluxo de corrente de 200 mA. Esta corrente encontra uma rota de retorno indeterminada através do circuito do controlador de volta à ponte, causando picos de tensão através de resistências e indutâncias de conexão, que podem ter o potencial de interromper a operação do controlador e ainda do conversor CC/CC. A baixa capacitância de acoplamento é, portanto, muito desejável.

Há outro aspecto de isolação básica e do isolamento associado do conversor CC/CC. A barreira de isolação é projetada para suportar a tensão nominal continuamente, mas como a tensão é chaveada, a barreira pode potencialmente se degradar mais rapidamente com o tempo. Isto se deve aos efeitos eletroquímicos e de descarga parcial no material da barreira, que ocorreria somente como resultado de uma tensão CC fixa.

O conversor CC/CC deve, portanto, ter uma isolação robusta e distâncias mínimas generosas de fuga e de folga. Se a barreira do conversor também fizer parte de um sistema de isolação de segurança, os mandatos regulatórios da agência relevante se aplicam para o nível de isolação exigido (básico, suplementar, reforçado), tensão operacional, grau de poluição, categoria de sobretensão e altitude.

Por estas razões, somente conversores CC/CC de acionamento de porta com design e materiais adequados são reconhecidos ou estão pendentes de reconhecimento para UL60950-1 para vários níveis básicos e reforçados de proteção (e que são geralmente equivalentes aos da EN 62477-1:2012); o reconhecimento mais rigoroso também está em vigor ou pendente da norma médica ANSI/AAMI ES60601-1 com exigências de 1 × Meios de Proteção do Paciente (MOPP) e 2 × Meios de Proteção do Operador (MOOP).

• Imunidade transitória de modo comum: CMTI é um parâmetro importante do acionador de porta em frequências de chaveamento mais altas, onde o acionador de porta tem uma tensão diferencial entre duas referências de terra separadas, como é o caso de acionadores de porta isolada. O CMTI é definido como a taxa máxima tolerável de subida ou queda da tensão de modo comum aplicada entre dois circuitos isolados e é especificado em kV/µs ou volts por nanossegundo (V/ns).

Ter um CMTI elevado significa que os dois lados de um arranjo isolado — o lado de transmissão e o lado de recepção — excedem as especificações da ficha técnica ao "golpear" a barreira de isolação com um sinal que tem uma taxa de inclinação muito alta de subida (positiva) ou descida (negativa). A ficha técnica do conversor CC/CC deve ter um valor de especificação para este parâmetro, e os projetistas precisam adequá-lo às especificidades da frequência e tensão de operação de seu circuito.

Atendendo às exigências do conversor CC/CC do acionador de porta

Reconhecendo as muitas exigências desafiadoras e muitas vezes conflitantes dos conversores CC/CC dos acionadores de porta, a Murata ampliou sua série MGJ2 de conversores CC/CC de furo passante para incluir unidades SMD. Seus conversores são bem adequados para alimentar os circuitos de acionamento de porta dos IGBTs e MOSFETs, do lado de alta e lado de baixa, em aplicações com restrições de espaço e peso devido a seu desempenho, fator forma compacto e perfil baixo (aproximadamente 20 milímetros (mm) de comprimento × 15 mm de largura × 4 mm de altura), e compatibilidade com processos de fabricação SMD (Figura 9).

Figura 9: Todas as unidades da série Murata MGJ2 de conversores CC/CC têm a mesma aparência externa e tamanho, mas estão disponíveis com uma variedade de tensões nominais de entrada e pares de tensões bipolares de saída. (Fonte da imagem: Murata Power Solutions)

Os membros desta família de conversores de 2 watts operam a partir de entradas nominais de 5, 12 e 15 volts, e oferecem uma escolha de tensões de saída assimétricas (+15 volts/-5 volts, +15 volts/-9 volts e +20 volts/-5 volts) para suportar níveis ótimos de acionamento com a mais alta eficiência do sistema e mínima interferência eletromagnética (EMI). O encapsulamento de montagem em superfície facilita a integração física com os acionadores de porta e permite uma colocação mais próxima, reduzindo assim a complexidade da fiação enquanto minimiza a captação de EMI ou interferência de radiofrequência (RFI).

A série MGJ2 é especificada para as exigências de isolação e alto dV/dt necessárias para circuitos de ponte usados em acionamentos de motores e inversores, e o dimensionamento de temperatura e construção de grau industrial proporciona longa vida útil e confiabilidade. Outros atributos importantes incluem:

• Isolação reforçada para o reconhecimento da UL62368 (pendente)
• Reconhecimento ANSI/AAMI ES60601-1 (pendente)
• Tensão de isolação do teste de 5,7 kV CC (por teste de "alto potencial")
• Capacitância de isolação ultra-baixa
• Operação até +105°C (com degradação)
• Proteção contra curto-circuito
• Imunidade transitória de modo comum (CMTI) caracterizada em >200 kV/µs
• Tensão contínua da rigidez da barreira de 2,5 kV
• Desempenho caraterizado da descarga parcial

Duas unidades mostram a gama de desempenho disponível na série MGJ2:

•O MGJ2D152005MPC-R7 toma uma entrada nominal de 15 volts (13,5 a 16,5 volts) e fornece saídas altamente assimétricas de +20 volts e -5,0 volts a até 80 mA cada. As principais especificações incluem 9% e 8% de regulação de carga (máximo) para as duas saídas (respectivamente), ondulação e ruído abaixo de 20/45 mV (típico/máximo), eficiência de 71/76% (mínimo/típico), capacitância de isolação de apenas 3 pF, e tempo médio de falha (MTTF) de aproximadamente 1.100.000 horas (determinado usando MIL-HDBK-217 FN2) e 43.500.000 horas (por modelos de cálculo Telecordia SR-332).

•O MGJ2D121509MPC-R7 opera a partir de uma entrada nominal de 12 volts (10,8 volts a 13,2 volts) e fornece saídas assimétricas de +15 volts e -9,0 volts, também em até 80 mA. Outras especificações importantes incluem 8%/13% de regulação de carga (típica/máxima) para a saída de +15 volts e 7%/12% de regulação de carga (típica/máxima) para a saída de -9,0 volts, ondulação e ruído abaixo de 20/45 mV (típica/máxima), eficiência de 72/77% (mínima/típica), capacitância de isolação de 3 pF, e MTTF de aproximadamente 1.550.000 horas (usando MIL-HDBK-217 FN2) e 47.800.000 horas (modelos Telecordia).

Além das listas e gráficos esperados detalhando o desempenho estático e dinâmico, a ficha técnica comum para os membros desta série chama a atenção para os muitos padrões do setor e mandatos regulatórios que estes conversores atendem, com detalhes abrangentes das condições de teste associadas usadas para determinar estes fatores. Isto proporciona um nível mais alto de confiança e acelera a certificação do produto em aplicações com exigências rigorosas de conformidade.

Conclusão

Selecionar o dispositivo MOSFET ou IGBT apropriado para um projeto de alimentação chaveada é uma etapa no processo de projeto. Há também o acionador de porta associado que controla o dispositivo de chaveamento, invertendo-o entre estados ligado e desligado de forma rápida e nítida. Por sua vez, o acionador precisa de um conversor CC/CC adequado para fornecer sua potência operacional. Como mostrado, a série MGJ2 da Murata de conversores CC/CC de 2 watts montados em superfície oferece o desempenho elétrico necessário e também atende aos muitos mandatos complicados de segurança e regulamentação exigidos nesta função.