Un controlador de compuerta es un amplificador de potencia que acepta una entrada de baja potencia de un CI controlador y produce una entrada de accionamiento de alta corriente para la compuerta de un transistor de alta potencia, como un IGBT o un MOSFET de potencia . Los controladores de compuerta se pueden proporcionar en chip o como un módulo discreto. En esencia, un controlador de compuerta consiste en un cambiador de nivel en combinación con un amplificador . Un CI controlador de compuerta sirve como interfaz entre las señales de control (controladores digitales o analógicos) y los interruptores de potencia (IGBT, MOSFET, MOSFET de SiC y HEMT de GaN ). Una solución integrada de controlador de compuerta reduce la complejidad del diseño, el tiempo de desarrollo, la lista de materiales (BOM) y el espacio en la placa, al tiempo que mejora la confiabilidad en comparación con las soluciones de controlador de compuerta implementadas de forma discreta. [1]
En 1989, International Rectifier (IR) presentó el primer producto controlador de compuerta HVIC monolítico, la tecnología de circuito integrado de alto voltaje (HVIC) utiliza estructuras monolíticas patentadas y propias que integran dispositivos bipolares, CMOS y DMOS laterales con voltajes de ruptura superiores a 700 V y 1400 V para operar con voltajes de compensación de 600 V y 1200 V. [2]
Con esta tecnología HVIC de señal mixta, se pueden implementar circuitos de cambio de nivel de alto voltaje y circuitos analógicos y digitales de bajo voltaje. Con la capacidad de colocar circuitos de alto voltaje (en un "pozo" formado por anillos de polisilicio), que pueden "flotar" 600 V o 1200 V, en el mismo silicio alejado del resto de los circuitos de bajo voltaje, los MOSFET o IGBT de potencia de lado alto existen en muchas topologías de circuitos fuera de línea populares, como buck, synchronous boost, half-bridge, full-bridge y trifásicos. Los controladores de compuerta HVIC con interruptores flotantes son adecuados para topologías que requieren configuraciones de lado alto, half-bridge y trifásicas. [3]
A diferencia de los transistores bipolares , los MOSFET no requieren una entrada de potencia constante, siempre y cuando no se enciendan o apaguen. El electrodo de compuerta aislado del MOSFET forma un condensador (condensador de compuerta), que debe cargarse o descargarse cada vez que se enciende o apaga el MOSFET. Como un transistor requiere una tensión de compuerta particular para encenderse, el condensador de compuerta debe cargarse al menos hasta la tensión de compuerta requerida para que el transistor se encienda. De manera similar, para apagar el transistor, esta carga debe disiparse, es decir, el condensador de compuerta debe descargarse.
Cuando un transistor se enciende o se apaga, no cambia inmediatamente de un estado no conductor a uno conductor; y puede soportar transitoriamente tanto un alto voltaje como conducir una alta corriente. En consecuencia, cuando se aplica corriente de compuerta a un transistor para hacer que conmute, se genera una cierta cantidad de calor que, en algunos casos, puede ser suficiente para destruir el transistor. Por lo tanto, es necesario mantener el tiempo de conmutación lo más corto posible, para minimizar la pérdida de conmutación . Los tiempos de conmutación típicos están en el rango de microsegundos. El tiempo de conmutación de un transistor es inversamente proporcional a la cantidad de corriente utilizada para cargar la compuerta. Por lo tanto, a menudo se requieren corrientes de conmutación en el rango de varios cientos de miliamperios, o incluso en el rango de amperios . Para voltajes de compuerta típicos de aproximadamente 10-15 V, pueden requerirse varios vatios de potencia para accionar el interruptor. Cuando se conmutan grandes corrientes a altas frecuencias, por ejemplo en convertidores de CC a CC o en grandes motores eléctricos , a veces se proporcionan múltiples transistores en paralelo, para proporcionar corrientes de conmutación y potencia de conmutación suficientemente altas.
La señal de conmutación de un transistor suele generarse mediante un circuito lógico o un microcontrolador , que proporciona una señal de salida que normalmente está limitada a unos pocos miliamperios de corriente. En consecuencia, un transistor que se activa directamente con una señal de este tipo conmutaría muy lentamente, con la consiguiente pérdida de potencia elevada. Durante la conmutación, el condensador de compuerta del transistor puede consumir corriente tan rápidamente que provoque un sobreconsumo de corriente en el circuito lógico o el microcontrolador, lo que provoca un sobrecalentamiento que conduce a un daño permanente o incluso a la destrucción total del chip. Para evitar que esto suceda, se proporciona un controlador de compuerta entre la señal de salida del microcontrolador y el transistor de potencia.
Las bombas de carga se utilizan a menudo en puentes H en controladores de lado alto para controlar la compuerta de los MOSFET de potencia de canal n de lado alto y los IGBT . Estos dispositivos se utilizan debido a su buen rendimiento, pero requieren un voltaje de control de compuerta unos pocos voltios por encima del riel de alimentación. Cuando el centro de un medio puente baja, el condensador se carga a través de un diodo, y esta carga se utiliza para controlar posteriormente la compuerta de la compuerta FET del lado alto unos pocos voltios por encima del voltaje del pin de fuente o emisor para encenderlo. Esta estrategia funciona bien siempre que el puente se conmute regularmente y evita la complejidad de tener que ejecutar una fuente de alimentación separada y permite que los dispositivos de canal n más eficientes se utilicen tanto para interruptores altos como bajos.