¿Qué son los Controladores de Puerta?
Un controlador de puerta es un circuito utilizado para accionar y controlar los terminales de puerta de un tipo de MOSFET o IGBT accionado por tensión.
En la actualidad, los controladores de puerta de uso general más comunes son los circuitos que accionan y controlan la puerta de un MOSFET, pero también se dispone de tecnología de circuitos analógicos que utilizan resistencias, diodos, transistores bipolares y de otro tipo. Recientemente, los propios componentes del circuito periférico de controladores de puerta también han evolucionado.
Aunque existe una gran variedad de tipos y combinaciones, lo más práctico es aprender los circuitos de control de accionamiento de tensión de puerta utilizando MOSFETs.
Usos de los Controladores de Puerta
Los controladores de puerta se utilizan para controlar transistores de potencia con un circuito de control sencillo formado sólo por MOSFETs y resistencias de puerta.
La ventaja de los controladores de puerta es el reducido número de componentes. La desventaja es que la velocidad de conmutación y las pérdidas varían mucho en función del valor de la resistencia, y es difícil establecer un valor de resistencia adecuado. Como circuito que mejora este problema de ajuste del valor de la resistencia, también se utiliza en circuitos en los que la puerta de un MOSFET se acciona ON/OFF por separado mediante un diodo.
La tensión del diodo permanece, por lo que no se puede reducir a cero por completo, pero un circuito llamado push-pull, en el que la Pch y la Nch del MOSFET están conectadas arriba y abajo, soluciona este problema. Éste es actualmente el uso más común de los Controladores de Puerta.
Principios de los Controladores de Puerta
Los controladores de puerta consisten en un circuito push-pull de transistores.
Un circuito push-pull es un circuito en el que se utilizan dos transistores para realizar conmutación o amplificación mediante operación alterna. Existen dos tipos de circuitos push-pull: “seguidor de emisor” y “emisor conectado a tierra”, aunque en la mayoría de los casos se trata básicamente de este último.
Los controladores de puerta consisten en circuitos que actúan como intermediarios entre el elemento de potencia, que es el que hace el trabajo pesado en el lugar del transistor, y el microcontrolador, que es el cerebro que ordena la política de control y hace de presidente.
Los elementos de potencia que pueden transportar grandes corrientes son los MOSFET de potencia y los IGBT. En la mayoría de los casos, las tensiones y corrientes que los accionan directamente son insuficientes para las corrientes y tensiones que puede emitir un microcontrolador normal.
Por lo tanto, se necesita un Controladores de Puerta entre los elementos de potencia y el microcontrolador para controlarlos.
Más Información sobre Controladores de Puerta
1. ¿Qué es un Controlador de Puerta Ultrarrápido?
Los controladores de puerta ultrarrápidos son controladores de puerta especializados en conmutación de alta velocidad.
La categoría ultrarrápida se define generalmente como dispositivos con una velocidad de conmutación de varias decenas de ps (pico-segundos) o menos. Pico es 10 a la potencia menos 12, por lo que la velocidad de conmutación es inferior a una billonésima de segundo (menos 12).
Se trata de una evolución que se ha producido como resultado de las recientes innovaciones tecnológicas en los dispositivos semiconductores.
2. Aplicación Práctica de los Controladores de Puerta Ultrarrápidos
Los controladores de puerta de elementos ultrarrápidos de uso práctico son los siguientes.
El primero es el transistor basado en silicio, que es el semiconductor más utilizado, y está disponible en tipos bipolar y MOS. Los tipos bipolares son rápidos, capaces de conmutar durante decenas de picosegundos, mientras que los tipos MOS tienen un funcionamiento retardado pero son adecuados para la integración de circuitos de alta densidad.
El segundo tipo es el transistor de tipo semiconductor compuesto. Entre ellos están los MESFET, que son transistores de efecto campo de tipo puerta Schottky, los HBT, que son transistores heterobipolares, y los HEMT, que son transistores de efecto campo de alta movilidad. Los semiconductores utilizados son compuestos de arseniuro de galio. Son los semiconductores más rápidos que existen en la actualidad, capaces de conmutar en unos pocos picosegundos.
El tercero, aunque todavía en fase de investigación, es el dispositivo Josephson, que utiliza el efecto túnel entre dos tipos de superconductores; tiene la mitad de velocidad de conmutación que el segundo dispositivo y utiliza materiales metálicos como el niobio. Sin embargo, requiere temperaturas criogénicas para funcionar, y aún quedan retos por superar antes de que pueda ponerse en práctica.
3. Controladores de Puerta de SiC
Los controladores de puerta de SiC son elementos semiconductores que han atraído la atención en el mundo de la electrónica de potencia en los últimos años debido a su excelente rendimiento de tensión soportada y su mayor velocidad de conmutación. El término “controlador de puerta de SiC” hace referencia a los controladores de puerta fabricados con semiconductores de carburo de silicio (comúnmente conocidos como SiC), cuyo uso se ha convertido en una tendencia en la industria.
En particular, los MOSFET basados en SiC han contribuido a una mejora significativa del rendimiento de conmutación, que es un problema en los inversores de alta potencia, y han mejorado la disipación del calor, al tiempo que consiguen una alta intensidad de campo de ruptura y velocidad de deriva de portadora.
Sin embargo, el SiC tiene el reto de resolver las diferencias de tensión en diversas configuraciones de composición del SiC.
4. Principales Dispositivos Actuales en Controladores de Puerta
Actualmente, los principales dispositivos que necesitan ser operados por controladores de puerta son dispositivos accionados por tensión como los MOSFETs y los IGBTs. Aunque los controladores de puerta no requieren un flujo constante de corriente, requieren una cuidadosa atención a los valores nominales de corriente y tensión como dispositivos de potencia debido a las corrientes de impulsos cortos que fluyen durante las operaciones de conmutación.
En particular, en el caso de los IGBT, en comparación con los MOSFET, las ventajas de sus características se demuestran a tensiones elevadas de varios 10 V. Por lo tanto, es más seguro seleccionar características de polarización de los Controladores de Puerta que se ajusten lo más posible al rango de tensión y a la aplicación.
5. Modularización y Tendencias Futuras
Los IGBT se caracterizan por su tendencia a funcionar a altas tensiones y a averiarse instantáneamente cuando se superan sus valores nominales máximos. Por esta razón, los módulos IGBT, que combinan IGBT con controladores de puerta ICs y circuitos de protección, son más fáciles de usar que los IGBT solos (discretos), y son ahora ampliamente aceptados en el mercado.
Las tendencias futuras en el desarrollo de la tecnología de controladores de puerta serán el desarrollo de circuitos integrados para aplicaciones específicas, como amplificadores de clase D y accionamientos de motores, así como productos más compactos, de alto rendimiento y fáciles de usar. Estos Controladores de Puerta estarán a la altura de los ya mencionados Controladores de Puerta para semiconductores SiC y dispositivos GaN.