El control de puerta digital y los diseños de referencia especializados aprovechan todo el potencial del carburo de silicio en la electrónica de potencia de alta tensión
Autores: Pradeep Kulkarni, director de marketing de producto de la unidad de negocio de carburo de silicio de Microchip Technology, y Jason Chiang, director de soluciones de marketing de la unidad de negocio de carburo de silicio de Microchip Technology
La tecnología SiC (carburo de silicio) está llevando la electrónica de potencia a nuevos niveles de eficiencia y densidad de potencia con el fin de superar los grandes retos mientras se produce la transformación de sectores enteros, como automoción, industria, aeroespacial y defensa, por las actuales iniciativas ecológicas de ámbito global.
El potencial de las soluciones de SiC se aprovecha al máximo cuando es posible configurar digitalmente la conmutación del dispositivo de potencia de SiC en función de requisitos que van desde los niveles de potencia y las frecuencias de conmutación hasta las condiciones de la carga. Esto es primordial porque la mayor velocidad de conmutación del SiC puede ir acompañada de unos transitorios más rápidos de tensión y corriente durante la conmutación. Estos efectos secundarios pueden provocar picos de tensión, oscilaciones e interferencia electromagnética (EMI), de ahí que exijan diseñar el circuito de manera minuciosa, así como el uso de filtrado y otros pasos necesarios para evitar la ruptura del dispositivo y generar ruido no deseado, entre otros problemas.
Los tradicionales drivers de puerta de MOSFET analógicos son una forma burda de realizar esta tarea. Fueron diseñados para transistores IGBT (insulated-gate bipolar transistors) de silicio mucho más lentos y caracterizados por unos niveles mucho más bajos de estos efectos secundarios. Un enfoque mucho mejor consiste en controlar la puerta digitalmente y optimizar el rendimiento de la conmutación mediante la pulsación de teclas frente a lo que, de lo contrario, se tendría que hacer rediseñando la placa o soldando resistencias de puerta.
Cómo funcionan los drivers de puerta digitales
Los drivers de puerta digitales como los mSiC™ de Microchip acaban con estos quebraderos de cabeza ya que pueden minimizar el tiempo de desarrollo del sistema y facilitar las actualizaciones del diseño para adoptar los futuros avances de la electrónica de potencia. Reducen las pérdidas en conmutación, mejoran la densidad de potencia del sistema, evitan falsas averías y mitigan oscilaciones, EMI, así como sobretensiones y subtensiones. Las soluciones a estos problemas se pueden configurar digitalmente con el control de puerta digital. Los perfiles de accionamiento de la puerta se pueden modificar de forma sencilla y rápida en función de las necesidades cambiantes de la aplicación. Los drivers de puerta también incorporan una protección frente a cortocircuitos que es especialmente importante para los MOSFET de SiC con tensiones CC más elevadas.
Un elemento fundamental en la técnica de control de puerta digital de Microchip es su tecnología patentada Augmented Switching™, que usa perfiles configurables para optimizar la frecuencia de conmutación y las características del dispositivo dependiendo de los requisitos de la aplicación. Los perfiles, que abarcan una serie de pasos que controlan las tensiones y su duración, se implementan para activar y desactivar la conmutación. Los diseñadores pueden configurar estos perfiles digitalmente mediante software en lugar de introducir cambios en el hardware. La técnica también incluye otros niveles de detección y monitorización de fallos y respuesta frente a cortocircuitos.
Los drivers de puerta mSiC de Microchip aceleran la implementación de estas prestaciones por medio de tarjetas con drivers de puerta mSiC de conexión plug-and-play para uso inmediato cuyos ajustes están preconfigurados para sus módulos. También incluyen un kit de programación y el software ICT (Intelligent Configuration Tool) para una mayor optimización que cumpla los requisitos especiales de la aplicación. Las tarjetas están optimizadas para aplicaciones como vehículos pesados, fuentes auxiliares de alimentación o sistemas de carga, almacenamiento, inversores y calefacción por inducción. Pueden conmutar hasta 200 kHz e indicar hasta 7 fallos únicos y monitorización de temperatura y tensión alta.
Como alternativa, los desarrolladores pueden recurrir a núcleos de driver de puerta digital que les permiten crear una solución totalmente funcional con tensiones de puerta ±Vgs configurables por software. También disponen de tarjetas adaptadoras de módulos para núcleos de driver de puerta digital destinados a evaluación. Por último, los kits de desarrollo de driver de puerta digital sirven para módulos de potencia de SiC de 1200V y 1700V y se encuentran disponibles con o sin módulos de potencia de SiC.
Diseño de referencia para soluciones PFC trifásicas Viena basadas en SiC
La PFC es especialmente importante en los cargadores de vehículos híbridos y eléctricos y en sistemas con fuentes de alimentación conmutadas. La tecnología de SiC permite desarrollar topologías PFC nuevas y mejoradas. Por ejemplo, una PFC trifásica Viena basada en SiC ofrece importantes mejoras respecto a lo que se consigue con un convertidor elevador trifásico convencional, como reducir el estrés de tensión, disminuir las pérdidas de conmutación, aumentar la frecuencia de funcionamiento y reducir las emisiones en modo común.
El diseño de referencia PFC de Microchip para implementar esta topología trifásica Viena está formada por diodos mSiC de 1200V y MOSFET mSiC de 700V para sistemas de baterías de 400V. Estos dispositivos alcanzan un alto rendimiento de conmutación UIS (Unclamped Inductive Switching) de avalancha/ repetitiva y una eficiencia del 98,6% con 30 kW de salida. Otras características son una tensión de entrada trifásica de 380/400 VRMS a 50 Hz o 60 Hz, una tensión de salida de 700V CC y una frecuencia de conmutación de 140 kHz que reduce el tamaño de los componentes magnéticos.
El trazado de la placa de circuito impreso del diseño de referencia PFC está optimizado para protección, baja corriente, estrés mecánico e inmunidad al ruido. Incluye el DSC (Digital Signal Controller) dsPIC33CH de doble núcleo de Microchip, que está diseñado para controlar el flujo de potencia de tecnologías avanzadas, así como para implementar algoritmos no lineales adaptativos destinados a convertidores PFC en la etapa de entrada y convertidores CC/CC aislados. Este DSC suministra un lazo de corriente y tensión controlado digitalmente que reduce los armónicos y facilita las actualizaciones, por lo que se puede utilizar para ofrecer la funcionalidad PIL (Processor-in-the-Loop) durante el desarrollo de modelos eléctricos y térmicos PLECS (Piecewise-Linear Electrical Circuit Simulation) con interruptores ideales.
Existen otras herramientas de hardware para productos mSiC a disposición de los diseñadores con el fin de ayudarles a adoptar SiC de forma sencilla, rápida y con confianza. Entre tales herramientas se encuentran tarjetas de desarrollo/ evaluación y diseños de referencia para proyectos que van desde un convertidor CC/CC PSFB (Phase Shifted Full Bridge) doble de 30 kW hasta una etapa de alimentación trifásica de SiC de 150 kVA, soluciones E-Fuse de 400/800VCC 10A-30A, un módulo de potencia SP6LI de baja inductancia (<2,9 nH) y un driver de puerta digital de medio puente para controlar y proteger mejor los módulos de potencia con MOSFET de SiC.
La tecnología de dSiC sigue demostrando unas valiosas ventajas respecto al silicio y los diseños de PFC no son una excepción. Las soluciones mSiC de Microchip, como la PFC Viena de 30 kW, disminuyen el esfuerzo por baja tensión y las pérdidas de conmutación si se comparan con los convertidores elevadores trifásicos convencionales, además de incrementar la frecuencia de funcionamiento y reducir las emisiones en modo común. Estos diseños son más fáciles de construir y comercializar mediante una tecnología de control de puerta digital así como con un diseño de referencia como PFC de Microchip con una alta eficiencia para la carga necesaria, un DSC para control digital y modelado PLECS con el fin de simular detalladamente el comportamiento dinámico del circuito antes de iniciar el diseño del hardware.
Para ofrecer las mejores experiencias, utilizamos tecnologías como las cookies para almacenar y/o acceder a la información del dispositivo. El consentimiento de estas tecnologías nos permitirá procesar datos como el comportamiento de navegación o las identificaciones únicas en este sitio. No consentir o retirar el consentimiento, puede afectar negativamente a ciertas características y funciones.
Funcional
Siempre activo
El almacenamiento o acceso técnico es estrictamente necesario para el propósito legítimo de permitir el uso de un servicio específico explícitamente solicitado por el abonado o usuario, o con el único propósito de llevar a cabo la transmisión de una comunicación a través de una red de comunicaciones electrónicas.
Preferencias
El almacenamiento o acceso técnico es necesario para la finalidad legítima de almacenar preferencias no solicitadas por el abonado o usuario.
Estadísticas
El almacenamiento o acceso técnico que es utilizado exclusivamente con fines estadísticos.El almacenamiento o acceso técnico que se utiliza exclusivamente con fines estadísticos anónimos. Sin un requerimiento, el cumplimiento voluntario por parte de tu Proveedor de servicios de Internet, o los registros adicionales de un tercero, la información almacenada o recuperada sólo para este propósito no se puede utilizar para identificarte.
Marketing
El almacenamiento o acceso técnico es necesario para crear perfiles de usuario para enviar publicidad, o para rastrear al usuario en una web o en varias web con fines de marketing similares.
