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Ventajas de los gate-drivers con aislamiento por transformador integrado

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Artículo técnico sobre las ventajas de los gate-drivers con aislamiento por transformador integrado escrito por Raghu Nathadi,Global Product Line Manager Gate Drivers for Automotive & Industrial Applications en ON Semiconductor.

Introducción

El aislamiento eléctrico es un requisito importante en muchas aplicaciones, especialmente en aquellas que incorporan tanto circuitos de alta como de baja potencia en las cuales deben mantenerse separados los potenciales de masa en el lado alto (high side) y bajo (low side).

Si bien existe desde hace muchos años, las tecnologías de aislamiento han evolucionado con el fin de cubrir la demanda procedente de nuevas aplicaciones como los inversores para energía renovable, la automatización industrial, el almacenamiento de energía, e los inversores y calentadores con PTC para vehículos eléctricos e híbridos.

Como ejemplo en aplicaciones industriales, en automatización a menudo se utilizan motores eléctricos. Las innovaciones aplicadas al diseño del motor les permiten ofrecer unas mayores prestaciones con un tamaño más reducido, aumentando así la densidad de potencia. La potencia eléctrica necesaria para ejercer esta fuerza mecánica se ha de aplicar con un mayor nivel de eficiencia y control.

Los circuitos de conversión de potencia para estas aplicaciones suelen incorporar interruptores de potencia basados a menudo en la tecnología de IGBTs. Los interruptores de potencia se configuran en complejas topologías de medio puente y puente completa que se deben conmutar eficientemente mediante drivers de puerta (gate-drivers) que conducen altas corrientes. Una posibilidad consiste en recurrir a gate-drivers discretos, pero el controlador integrado suele ser más eficiente.

En concreto, los gate-drivers de alta corriente que integran aislamiento galvánico ofrecen ventajas como su mayor densidad de potencia, retardos de propagación más reducidos, mayor integridad de la señal y rango más amplio de temperaturas.

Necesidades de aislamiento

El principal motivo para usar aislamiento en aplicaciones industriales es la seguridad que ofrece a los operarios y a otros componentes del sistema. Además, el aislamiento puede contribuir a mejorar el rendimiento del sistema al proporcionar inmunidad a transitorios en modo común (common mode transient immunity, CMTI). El aislamiento también facilita el diseño del sistema ya que proporciona cambio de nivel de tensión para los interruptores en el lado alto. En aplicaciones de automoción, el aislamiento se destina principalmente a CMTI y a cambio de nivel de tensión.

Al igual que ocurre con otros aspectos relacionados con la electrónica la integración presenta nuevas oportunidades de mejora. Los gate-drivers con aislamiento integrado representan una solución más económica que ocupa menos espacio en la placa. No obstante, resulta difícil adaptar los gate-drivers integrados a tensiones superiores a 5 kVrms si se comparan con las tecnologías de aislamiento tradicionales como transformadores de impulsos, que son más voluminosas y caras.

Esta nueva generación de gate-drivers “digitales” emplean métodos distintos a los de los optoacopladores para comunicarse a través de la barrera de aislamiento. Algunos de estos métodos son: el acoplamiento de transformador inductivo/sin núcleo, el acoplamiento capacitivo e incluso la comunicación de RF.

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