Los módulos de potencia DC-DC para controladores de compuertas mejoran la eficiencia y seguridad en los accionamientos de motores.

Los módulos de alimentación DC-DC para controladores de compuerta desempeñan un papel clave en los sistemas de accionamiento de motores

En campos como la automatización industrial, los vehículos eléctricos y la generación de energía renovable, las soluciones eficientes de controladores de compuerta son tecnologías centrales para lograr ahorro energético y operación segura. Los módulos de energía DC-DC para controladores de compuerta desempeñan un papel clave en los sistemas de accionamiento de motores, especialmente en diseños de accionamiento de motor de alta densidad de potencia, alta eficiencia y estabilidad. Estos módulos proporcionan voltajes y corrientes de manejo aislados y estables para dispositivos semiconductores de potencia como los IGBTs, MOSFETs o dispositivos SiC/GaN. Los módulos de energía DC-DC para controladores de compuerta deben ofrecer potencia aislada para lograr aislamiento eléctrico entre los circuitos de control y de potencia, mejorando la inmunidad del sistema a interferencias y garantizando la seguridad. Proporcionan salida de potencia estable y voltajes de CC confiables para los controladores de compuerta, asegurando el funcionamiento adecuado de los dispositivos de potencia bajo condiciones variables, además de cumplir con los requisitos de rango de voltaje amplio para admitir los voltajes positivos y negativos necesarios para las compuertas de diferentes dispositivos de potencia.

Los accionamientos de motores requieren un control eficiente y preciso de las acciones de conmutación de los dispositivos de potencia. Generalmente, los sistemas de accionamiento de motores suelen adoptar el método de control PWM, y la capacidad de conducir dispositivos de potencia de manera eficiente es fundamental. Los módulos DC-DC de control de compuertas soportan un control de accionamiento de motores de alto rendimiento y proporcionan voltajes de control de compuertas de baja potencia y alta eficiencia que reducen las pérdidas de conmutación y mejoran la eficiencia general del sistema de accionamiento.

Los dispositivos de potencia SiC y GaN, ampliamente utilizados en los sistemas de accionamiento de motores modernos, presentan altas velocidades de conmutación y mayores requisitos de voltaje de activación (por ejemplo, +15V/-4V). Los módulos DC-DC de controladores de puerta pueden suministrar con precisión los voltajes y corrientes adecuados para aprovechar al máximo las ventajas de rendimiento de estos dispositivos.

En los sistemas de accionamiento de motores, el circuito de accionamiento debe estar aislado del circuito de potencia de alto voltaje para proteger los sistemas de control de bajo voltaje y garantizar la seguridad del personal. Los módulos DC-DC de control de compuerta con alto voltaje de aislamiento (por ejemplo, 3-5kV) impiden que el ruido eléctrico o los cortocircuitos afecten al sistema de control.

Estos módulos DC-DC para controladores de compuerta también pueden soportar diseños de accionamiento de motor multipolar. Para motores multipolares, como los motores síncronos de imán permanente de tres fases, los dispositivos de conmutación del lado alto y del lado bajo de cada pierna del puente requieren suministro de energía independiente. Los módulos DC-DC para controladores de compuerta facilitan una topología de sistema simplificada con soluciones independientes de alimentación multicanal.

Además, los módulos DC-DC para controladores de puerta mejoran la fiabilidad del sistema al integrar funciones de protección como la protección contra subtensión y sobretemperatura. Estas características mejoran la estabilidad del módulo y la tolerancia a fallos, aumentando eficazmente la fiabilidad general de los sistemas de accionamiento de motores.

Los módulos DC-DC para controladores de puertas tienen una amplia gama de escenarios de aplicación técnica

Los módulos DC-DC para controladores de compuerta tienen una amplia gama de escenarios de aplicación técnica, incluyendo sistemas de accionamiento de motores industriales, como motores servo, inversores y equipos de automatización industrial. También pueden aplicarse en vehículos de nueva energía, incluidos los inversores de accionamiento de vehículos eléctricos y los sistemas de carga. En aplicaciones de generación de energía eólica e inversores fotovoltaicos, los módulos DC-DC para controladores de compuerta pueden proporcionar un accionamiento estable de compuerta para semiconductores de potencia en escenarios de alto voltaje y alta eficiencia. En aplicaciones de tránsito ferroviario, los módulos DC-DC para controladores de compuerta pueden suministrar energía aislada para dispositivos de potencia en sistemas de accionamiento de motores de alta potencia.

En el futuro, los módulos DC-DC para controladores de puerta se desarrollarán hacia una mayor eficiencia, lo que requerirá el desarrollo de módulos que admitan una mayor eficiencia de conversión para satisfacer las necesidades de dispositivos de potencia de baja pérdida y alta frecuencia. A medida que los productos se orienten hacia la miniaturización e integración, los diseños modulares permitirán la integración de controladores de puerta y fuentes de alimentación DC-DC en paquetes más pequeños, adecuados para diseños de control de motores pequeños. Estos módulos también deberán admitir rangos de temperatura amplios, asegurando una operación confiable en entornos extremos, como aplicaciones en equipos automotrices y de red.

En el futuro, los módulos de potencia DC-DC para controladores de puerta no solo proporcionarán un suministro de energía estable, sino que también impactarán directamente en el rendimiento de los dispositivos de potencia y en la eficiencia de los sistemas de accionamiento, lo cual es crucial para optimizar el rendimiento de los sistemas modernos de accionamiento de motores.

Módulos de potencia DC-DC con controladores de puerta diversificados para satisfacer diversas necesidades de aplicación

Murata ha lanzado una variedad de módulos de energía DC-DC para controladores de puerta diseñados para aplicaciones de potencia DC-DC en controladores de puerta. Un caso de uso típico es proporcionar potencia de conducción para el "lado alto" y el "lado bajo" de un puente completo de motor, que puede ser de medio puente, puente completo o trifásico. El emisor del interruptor del lado alto es un nodo de conmutación de alta tensión y alta frecuencia, y puede utilizar dispositivos IGBT, MOSFET, SiC o GaN. Requiere un voltaje de salida dual — +Ve y -Ve. El controlador del lado alto y los circuitos relacionados deben adoptar un diseño aislado.

La demanda de potencia del controlador se satisface mediante el módulo DC-DC que proporciona la corriente promedio en corriente continua a un único circuito controlador, mientras que los condensadores cercanos suministran la corriente de pico para cargar y descargar la capacitancia de la compuerta en cada ciclo. Deben considerarse el desclasamiento y otras pérdidas en el accionamiento. Los dispositivos de SiC y GaN tienen un Qg más bajo que los IGBTs, pero pueden operar a frecuencias mucho más altas.

Según las hojas de datos, la mayoría de los dispositivos pueden apagarse con 0V. Entonces, ¿por qué usar un voltaje negativo en la puerta? Esto se debe a contrarrestar la inductancia parasitaria y el efecto de la capacitancia Miller. El impulso negativo de la puerta supera la inductancia parasitaria causada por la inductancia de la fuente. Cuando el IGBT se apaga, la interrupción repentina de la corriente provocará un pico de voltaje que se opone al voltaje de la puerta. En cuanto al efecto Miller, durante el período de apagado, el voltaje del colector aumenta rápidamente, causando un pico de corriente que fluye a través de la capacitancia Miller hacia la puerta, lo que resulta en un voltaje positivo en la resistencia de la puerta.

¿Por qué los módulos DC-DC de controlador de puerta necesitan aislamiento? En primer lugar, por seguridad. Los módulos DC-DC pueden formar parte de un sistema de aislamiento de seguridad. Por ejemplo, según la norma UL60950, un sistema de 690 VAC requiere una distancia de fuga y un espacio libre de 14 mm para cumplir con los requisitos de aislamiento reforzado. Además, el voltaje de aislamiento debe ser soportado y verificado aplicando un único voltaje transitorio, mayor que el voltaje de operación, mantenido durante un minuto.

Por otro lado, existen necesidades funcionales. En aplicaciones de lado alto, la entrada de CC a la salida de CC debe conmutar continuamente a la frecuencia PWM a lo largo de todo el voltaje del enlace HVDC. En este caso, una prueba de voltaje transitorio de un minuto no es un indicador fiable de aislamiento. Cumplir con la prueba de descargas parciales según la norma IEC 60270 es la mejor manera de garantizar la fiabilidad a largo plazo.

La descarga parcial ocurre porque el voltaje de ruptura de pequeños espacios (~3kV/mm) es mucho más bajo que el del aislamiento sólido circundante (~300kV/mm). Este "voltaje de iniciación" puede utilizarse para medir y definir el voltaje máximo de operación, asegurando la fiabilidad del aislamiento a largo plazo. Aunque la descarga parcial puede no causar daños inmediatos, degradará el rendimiento del aislamiento con el tiempo.

Productos de enfoque

Parámetros de alto rendimiento que superan los productos de la competencia

El acoplamiento por capacitancia es otro fenómeno que requiere atención. En interruptores de lado alto, el emisor es un nodo de conmutación de alta tensión y alta frecuencia. El voltaje de todo el enlace HVDC cambia continuamente a la frecuencia PWM desde la entrada DC-DC hasta la salida, con frecuencias potencialmente altas y tasas de variación de voltaje. Por ejemplo, los IGBTs suelen alcanzar aproximadamente 30kV/μs, los MOSFETs alrededor de 50kV/μs, y los dispositivos SiC/GaN pueden superar los 50kV/μs. El aislamiento DC-DC entre la entrada y la salida introduce un acoplamiento capacitivo (Cc), a través del cual los altos voltajes de conmutación causan corrientes de pulsos que podrían interferir con pines de entrada sensibles. Las pruebas de inmunidad transitoria en modo común (CMTI) proporcionan una indicación del nivel de falla.

Los módulos DC-DC de controladores de puerta de Murata presentan un excelente rendimiento de acoplamiento capacitivo. Por ejemplo, la serie MGJ ofrece las siguientes especificaciones: el MGJ1 de 1W tiene una capacitancia de acoplamiento de 3pF; el MGJ2 de 2W varía entre 2.8 y 4pF; y los modelos de 3W (MGJ3T) y 6W (MGJ6T, MGJ60LP, -SIP, -DIP) cuentan con 15pF.

Existen múltiples métodos para lograr un voltaje bipolar, ya que los diferentes dispositivos de conmutación requieren diferentes voltajes de puerta dependiendo de las especificaciones del fabricante. Por ejemplo, los IGBTs generalmente necesitan +15V para voltaje positivo y -8.7V, -9V, -10V o -15V para voltaje negativo. Los MOSFETs de silicio requieren +15V o +12V para voltaje positivo y -5V o -10V para voltaje negativo. Los MOSFETs de SiC necesitan +20V, +18V o +15V para voltaje positivo y -5V, -4V, -3V o -2.5V para voltaje negativo. Los dispositivos GaN suelen requerir +5V o +6V para voltaje positivo y -3V para voltaje negativo.

Para satisfacer estas necesidades variadas, el MGJ2 SIP de Murata proporciona una potencia de salida total de 2W, ofreciendo métodos tradicionales de enrollado doble para proporcionar voltajes de conducción de compuerta positivos y negativos, incluyendo +15V/-15V, +15V/-5V, +15V/-8.7V, +20V/-5V y +18V/-2.5V. Se pueden lograr salidas específicas adicionales ajustando el número de vueltas del enrollado.

Las series MGJ3 y MGJ6, con potencias de salida de 3W y 6W, respectivamente, utilizan tecnología patentada para configurar de manera flexible salidas de triple voltaje, como 20V/-5V (15V +5V, -5V) y 15V/-10V (15V, -5V -5V). Las series MGJ1 y MGJ2 SMD, con potencias de salida de 1W y 2W, utilizan diodos Zener internos para la división de voltaje, ofreciendo voltajes de activación específicos positivos y negativos, como +15V/-5V (a partir de una sola salida de 20V), +15V/-9V (a partir de una sola salida de 24V), y +19V/-5V (a partir de una sola salida de 24V). Es posible proporcionar salidas personalizadas cambiando los diodos Zener.

Las soluciones de controladores de compuerta de Murata son aplicables en inversores de energía renovable (eólica, solar y baterías de respaldo) y en sistemas de accionamientos de motores de alta velocidad y velocidad variable. Los productos clave incluyen las series MGN1, MGJ1/MGJ2, MGJ1 SIP, MGJ2B y MGJ3/MGJ6. Estos ofrecen una gama de soporte para barreras continuas con resistencia a voltaje, capacitancia de aislamiento, certificaciones de seguridad, CMTI, temperatura de operación y potencia. En comparación con la competencia, las soluciones de Murata tienen un buen desempeño en estos parámetros críticos.

Conclusión

El módulo de potencia DC-DC del driver de puerta juega un papel crucial en los sistemas de accionamiento de motores, ya que su conversión de energía eficiente, salida de voltaje precisa y aislamiento eléctrico confiable afectan directamente el rendimiento de los dispositivos semiconductores de potencia y la eficiencia general del sistema. Además, al mejorar la capacidad de anti-interferencia y la seguridad operativa del sistema, este módulo proporciona una sólida base técnica para soluciones de accionamiento de motores en sectores como la automatización industrial, los vehículos eléctricos y las energías renovables. En el futuro, a medida que las tecnologías de dispositivos de potencia continúen avanzando, los módulos DC-DC del driver de puerta evolucionarán hacia una mayor eficiencia, mayor densidad de potencia y una integración más sólida, contribuyendo significativamente al desarrollo de sistemas de accionamiento de motores de alto rendimiento. Murata ofrece una línea completa de productos de módulos de potencia DC-DC para drivers de puerta, capaz de satisfacer diversas necesidades de aplicación. Los invitamos a conocer más sobre nuestra información relacionada con los productos.