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Alternativas discretas para conmutación en vehículos

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Segunda parte del artículo escrito por Ralf Hickl, Product Sales Manager de la Automotive Business Unit de Rutronik sobre el uso de semiconductores en sistemas eléctricos de vehículos y las alternativas discretas para conmutación en los mismos.

A continuación, enumeramos algunas de las alternativas discretas para conmutación en vehículos que se pueden utilizar en caso de la conmutación electrónica no cumpla con las especificaciones de rendimiento requeridas por la aplicación concreta.

Alternativas discretas para conmutación en vehículos

Estructuras discretas para grandes ratios de potencia de circuito

Para aplicaciones de alta tensión o elevada corriente, se necesita la utilización de conmutadores con MOSFET canal n o IGBT y controladores de puerta aislados galvánicamente. Existen otros componentes para tareas de diagnóstico y protección de sobrecarga.

Elementos de conmutación

El elemento de conmutación suele ser un MOSFET canal n. Dependiendo del sistema eléctrico en cuestión, se emplean MOSFET de diferentes valores de tensión: de 40 a 60 V para sistemas de 12 V y de 80 a 100 V para sistemas de 24 y 48 V. La RDSON y el encapsulado tienen un papel esencial. La tecnología del encapsulado no sólo afecta a la resistencia térmica, sino que también a la RDSON total basada en los contactos internos del chip semiconductor.

El actual estándar tecnológico es un encapsulado con refrigeración en ambos lados y contacto de superficie interna con abrazadera de cobre en lugar de hilos soldados (bonding wire). Los ejemplos de encapsulados con abrazadera de cobre incluyen DSOP Advance y DPAK+ de Toshiba.

Los MOSFET de baja impedancia se incluyen en las series STripFET-F7 de STMicroelectronics, UMOS IV-H de Toshiba, OptiMOS de Infineon, ANL3 de Renesas y DMTH/DMNH de Diodes.

Controladores (drivers) de puerta

Alternativas discretas para conmutación en vehículos

Para poder usarse como switches high-side, los controladores de puerta de los MOSFET canal-n necesitan ser capaces de generar una tensión de puerta igual al límite superior de tensión de puerta Uth por encima de la tensión de alimentación. Esto se suele gestionar mediante convertidores step-up o bombas de carga integrados en el IC controlador.

Algunos controladores de puerta ofrecen canales inversos que ayudan en funciones de diagnóstico, como monitorización de la tensión de fuente de fuga cuando está en funcionamiento.

Los foto-acopladores aportan alternativas discretas para conmutación a los controladores de puerta.

Alternativas discretas para conmutación destacables: foto-acopladores como controladores de puerta

En los foto-acopladores, un diodo emisor de luz (LED) irradia un conjunto de fotoceldas. El efecto fotoeléctrico interno genera una tensión de salida libre de potencial, que se puede usar como una señal de control para una puerta de MOSFET. Este principio sencillo implica varias ventajas:

  • Los fotoacopladores también crean una tensión de alimentación libre de potencial para la fase de salida al mismo tiempo.
  • Mientras que la corriente fluye a través del diodo emisor de luz, se genera una fototensión y se gestiona el MOSFET. Como la tensión del LED permanece por debajo de 2 V, es posible garantizar la capacidad de arranque frío sin interrupciones.
  • La configuración con MOSFET no conectados en serie permite el uso de switches bidireccionales, cuya polaridad se conecta adecuadamente y posibilita el flujo de energía en ambas direcciones y, por ende, la regeneración.

Un ejemplo es el TLX9906, un fotoacoplador de automoción de Toshiba que genera una tensión de circuito abierto de 7 V a temperatura ambiente y tiene un circuito interno para acelerar la descarga de la capacidad de puerta controlada, porque es necesario monitorizar la inclinación de las señales en la puerta de los transistores de conmutación con la misión de controlar las pérdidas de conmutación. Por favor, consulte el documento de aplicación de Vishay (SSR Design Using VO1263) para obtener más información de la conexión de los fotoacopladores y sus transistores de conmutación.

Sensores de corriente

Algunos de los switches protegidos mencionados anteriormente ofrecen una salida con una señal proporcional a la corriente. Si este nivel de precisión es adecuado, se convierten en una magnífica alternativa que no requiere un sensor adicional.

Las soluciones discretas para desconexión de sobrecargas con mínimo tiempo de reacción se pueden implementar con shunts o sensores de efecto Hall, como los que ofrecen Infineon, Micronas y Melexis. La última opción está libre de pérdida de potencia y, al mismo tiempo, aporta aislamiento galvánico entre el valor medido y la señal de salida del sensor.

Aunque aparentemente parecen un componente sencillo, los shunts de alto rendimiento son fruto de una amplia experiencia en la composición de los materiales para poder limitar los errores de medición causados por pérdida de calor parásito y minimizar el coeficiente de temperatura de la resistencia óhmica. Con las corrientes anticipadas y las consecuentes pérdidas de potencia en el shunt, sólo son viables los modelos con muy bajos valores óhmicos y conexiones de cuatro hilos. Los terminales de medición, conocidos como “clips Kelvin”, reducen los errores de medida provocados por los efectos parásitos de los contactos. Estos shunts se encuentran disponibles desde Vishay, ROHM y KOA, por citar algunos ejemplos.

También hay que suministrar un procesador de señal apropiado para la variante con shunts en la línea de tensión de alimentación. Esto se puede conseguir con un amplificador operacional y tensión en modo común de elevada especificación, como es el caso de la gama TSC103 de STMicroelectronics.

Sensores de temperatura

La medición fiable de sobrecalentamiento se puede implementar con sensores de temperatura en forma de un semiconductor o resistencia dependiente de la temperatura (termistores NTC), como los ofrecidos por AVX.

Protecciones de las alternativas discretas para conmutación

Todo lo queda es la protección de circuito ante sobretensiones de acuerdo con ISO 16750 / ISO 7637 en la línea de tensión de alimentación, como las que se producen durante un volcado de carga o una descarga electrostática. Los supresores de tensión de transitorios diseñados como diodos suelen ser idóneos para este fin, incluyendo los fabricados por DiodesSTMicroelectronics en la serie Transil.

Los varistores multicapa cerámicos como los de la serie Transguard de AVX suponen una alternativa. Estos modelos “envejecen” con cada acción, lo que se debe tener en cuenta en los test de conformidad con ISO 16750-2 Pulso 5b, con una carga de 10 pulsos en un intervalo de 1 minuto. Por lo tanto, las especificaciones del varistor tienen que adecuarse para salvaguardar el circuito, incluso en el décimo pulso, sin superar la fuga de corriente permitida.

Fuentes del artículo sobre las alternativas discretas para conmutación en vehículos

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