Creación de sistemas electromecánicos más inteligentes mediante el control, el aislamiento y la protección

Los sistemas electromecánicos industriales son cada vez más compactos y se basan cada vez más en el software. Las funciones que antes se realizaban mediante contactos mecánicos, aislamiento óptico, fusibles térmicos y etapas de potencia discretas se están implementando cada vez más mediante dispositivos de control, conmutación, aislamiento mediante transformadores sin núcleo y protección basados en semiconductores.

Esto está cambiando la forma en que los ingenieros diseñan estos subsistemas. La sincronización del control del motor, la conmutación de las vías de potencia, el aislamiento y la protección de los cables no pueden abordarse como cuestiones de diseño independientes. Una placa de control de motor puede necesitar una detección de corriente sincronizada y la generación de PWM, mientras que el mismo sistema también puede requerir conmutación de potencia bidireccional, salidas de relé aisladas y protección electrónica I^²t con información de diagnóstico.

Los microcontroladores PSOC™ Control C3 de Infineon Technologies, los dispositivos de potencia CoolGaN™ BDS 40 V G3, los aisladores de estado sólido iSSI y el PROFET™ Wire Guard BTG70008A-1ESW abordan diferentes niveles de la misma transición de diseño. En conjunto, muestran cómo los sistemas electromecánicos están pasando de componentes pasivos y bloques de protección aislados a un control activo, gestionado por software mediante semiconductores, del movimiento, la potencia, el aislamiento y la protección del cableado.

Procesamiento avanzado en tiempo real con el PSOC™ Control C3

En el corazón de cualquier sistema integrado moderno se encuentra la unidad de control. Debe gestionar dispositivos periféricos de alta velocidad con una ejecución determinista y de baja latencia. Los microcontroladores PSOC™ Control C3 de Infineon (figura 1) están diseñados para aplicaciones de control de motores y conversión de potencia. Se basan en un núcleo Arm® Cortex®-M33 de 32 bits que funciona a una frecuencia de hasta 180 MHz. La arquitectura ofrece el alto rendimiento necesario para gestionar las etapas de potencia de los sistemas WBG y algoritmos de control complejos, como el control orientado al campo (FOC).

Figura 1: Un microcontrolador PSOC™ Control C3 de Infineon con motor matemático CORDIC y PWM de alta resolución inferior a 80 ps. (Fuente de la imagen: Infineon)

Lo más destacado del producto es su acelerador CORDIC (computadora digital de rotación de coordenadas) integrado, un motor matemático específico que se encarga de los cálculos de rotación y trigonometría, como las transformadas de Park y las transformadas inversas de Park. Al ejecutar estas rotaciones en el hardware, la unidad CORDIC libera a la CPU principal para que pueda gestionar otras tareas, como la lógica de la máquina de estados, los protocolos de comunicación o los diagnósticos.

A ello se suman las instrucciones integradas de la unidad de coma flotante (FPU) y del procesador de señales digitales (DSP) dentro del núcleo Cortex-M33. Por ejemplo, un algoritmo FOC de doble motor, combinado con una etapa de corrección activa del factor de potencia (PFC), puede funcionar con una carga total de la CPU inferior al 50% en determinadas aplicaciones.

El periférico que actúa como puente entre el algoritmo de control digital y los controladores de puerta de la etapa de potencia es el modulador de ancho de pulso con temporizador y contador (TCPWM). En la familia PSOC™ Control C3, el recurso TCPWM cuenta con dieciséis temporizadores de 16 bits y cuatro de 32 bits, capaces de generar salidas PWM complementarias con inserción de tiempo muerto programable. En el caso de las topologías y los sistemas avanzados de alta frecuencia que utilizan dispositivos de potencia WBG (SiC y GaN), es posible que la resolución estándar del PWM resulte insuficiente.

Los convertidores de potencia de modo conmutado de alta frecuencia y los variadores de motor que funcionan en el rango de cientos de kilohercios o megahercios requieren un control del ciclo de trabajo para mantener la regulación de la tensión y la corriente. Los periféricos PWM estándar tienen una resolución temporal limitada por el periodo del reloj. A una frecuencia de conmutación de 500 kHz, un tamaño de paso de 5.56 ns representa un porcentaje relativamente elevado del periodo total de conmutación.

Esto da lugar a una oscilación de ciclo límite en la que el controlador alterna entre ciclos de trabajo discretos y genera ondulaciones de tensión de baja frecuencia y ruido de salida. La línea principal PSOC™ Control C3 soluciona esta limitación mediante la incorporación de un periférico PWM de alta resolución (HRPWM) capaz de alcanzar una resolución temporal inferior a 80 ps.

Infineon también ofrece el paquete ModusToolbox™ Motor Suite, que incluye ejemplos de código para el control de motores, herramientas de configuración y asistencia para el ajuste de parámetros. Permite a los ingenieros configurar el muestreo síncrono del ADC, el motor matemático CORDIC y los periféricos TCPWM a través de una interfaz gráfica de usuario.

El controlador PSOC™ Control C3 de Infineon cuenta con la certificación PSA de nivel 2, lo que significa que la MCU incorpora una raíz de confianza aislada por hardware y es capaz de defenderse frente a ataques basados en software. El dispositivo incorpora un acelerador criptográfico compatible con la criptografía de curva elíptica NIST P-256 y un generador de números aleatorios verdaderos (TRNG).

Conmutación de potencia de alta frecuencia con CoolGaN™

En circuitos electromecánicos de baja tensión y en rutas de alimentación integradas, en las que el espacio en la placa, las pérdidas de conmutación y el control de la corriente inversa son factores importantes, los dispositivos de banda ancha pueden contribuir a reducir las pérdidas y a aumentar la densidad de potencia. La familia de interruptores bidireccionales (BDS) CoolGaN™ 40 V G3 de Infineon aprovecha estas propiedades para dar respuesta al reto habitual en el diseño que supone crear un interruptor bidireccional compacto y eficiente.

Un dispositivo CoolGaN™ BDS (Figura 2) es un dispositivo monolítico que integra dos interruptores de GaN en una arquitectura de drenaje común y doble puerta, con el fin de proporcionar un funcionamiento en los cuatro cuadrantes en un único componente. Esta integración supone una reducción significativa del tamaño de la solución; según Infineon, el espacio ocupado se ha reducido hasta en un 82% y el número de componentes se ha reducido a la mitad en comparación con soluciones equivalentes basadas en MOSFET de silicio conectados de extremo a extremo.

Figura 2: Interruptor bidireccional (BDS) CoolGaN™ 40 V G3 de Infineon. (Fuente de la imagen: Infineon)

Sin embargo, la adopción de la tecnología GaN conlleva una serie de compensaciones de diseño que los ingenieros deben gestionar. Las velocidades de conmutación extremadamente elevadas hacen que estos dispositivos sean muy sensibles al diseño de la placa de circuito impreso. La inductancia parásita en el bucle de potencia y en el bucle de control de la puerta puede provocar sobreoscilaciones de tensión, oscilaciones residuales e inestabilidad en un circuito de GaN.

Para minimizar esta inductancia es necesario aplicar prácticas de diseño cuidadosas, como mantener el bucle de control de la puerta lo más corto y ancho posible, minimizar la inductancia de la fuente común mediante una colocación optimizada de las vías de conexión y utilizar encapsulados compactos como el WLCSP, en el que se comercializan los dispositivos CoolGaN™ BDS.

Además, la puerta de un GaN HEMT en modo "e" presenta una tensión umbral más baja y una tolerancia de tensión máxima más ajustada en comparación con los MOSFET de silicio. Para ello se requiere una señal de activación de la puerta precisa y limpia, a fin de evitar daños o activaciones indeseadas. Para facilitar esta transición, la familia CoolGaN™ BDS se ha diseñado para ser compatible con los controladores de puerta estándar de 5 V, lo que permite a los diseñadores aprovechar los diseños existentes y reducir el esfuerzo de rediseño.

Aislamiento galvánico sólido con transformador sin núcleo iSSI

En los sistemas electromecánicos en los que conviven la electrónica de potencia de alta tensión con el control digital de baja tensión, se requiere un aislamiento galvánico sólido para garantizar la integridad operativa.

Durante años, los optoacopladores han sido la solución habitual, ya que constan de un LED y un fotodetector que permiten transmitir señales a través de una barrera aislante. Sin embargo, esta tecnología presenta inconvenientes en los sistemas modernos de alto rendimiento. La tecnología de GaAs subyacente adolece de efectos de envejecimiento, por lo que la relación de transferencia de corriente (CTR) se degrada con el paso del tiempo.

La familia iSSI (aislador de estado sólido integrado) de Infineon (figura 3) da respuesta a estos retos sustituyendo los métodos ópticos por una tecnología patentada de transformadores sin núcleo. Esta arquitectura permite a Infineon crear una barrera de aislamiento con valores nominales de hasta 5.7 kV RMS y una tensión de aislamiento transitoria máxima de 8000 V.

Figura 3: Los aisladores de estado sólido (SSI) de Infineon se desactivan rápidamente ante la aparición de fallos. (Fuente de la imagen: Infineon)

La familia iSSI combina el aislamiento, la transferencia de energía de la señal de control y las características necesarias para construir circuitos de relés de estado sólido protegidos. Su protección contra sobrecorriente (OCP) utiliza una entrada de detección de corriente que compara una tensión detectada con un umbral interno típico de unos 200 mV. Cuando se supera el umbral, el dispositivo activa una respuesta de fallo con bloqueo y desconexión rápida.

Las series iSSI20R0xH e iSSI20BxxF se comercializan en paquetes compactos de 8 pines, mientras que los dispositivos iSSI30RxxH utilizan un paquete de 16 pines para admitir funciones adicionales, como entradas independientes de detección de corriente y de temperatura, así como pines de sujeción dinámica de Miller.

Protección y distribución inteligentes con el eFuse PROFET™

Los sistemas eléctricos tradicionales, con cajas de fusibles centralizadas y relés electromecánicos, no resultan adecuados para los sistemas modernos. Los fusibles mecánicos son dispositivos lentos, imprecisos y de un solo uso, incapaces de proporcionar la información de diagnóstico necesaria. Los relés son voluminosos, sufren desgaste mecánico y generan ruido acústico e interferencias electromagnéticas.

El BTG70008A-1ESW (Figura 4), perteneciente a la serie PROFET™ (Interruptor de potencia del lado alto protegido) Wire Guard de Infineon, está diseñado para sustituir a estos componentes antiguos por un fusible electrónico inteligente (eFuse) de alta integración. Este dispositivo puede integrarse como un interruptor de potencia de lado alto inteligente que combina funciones de control, diagnóstico y protección avanzada en un único encapsulado homologado según la norma AEC-Q100.

La característica más importante del BTG70008A-1ESW es su protección de cables I²t basada en hardware. PROFET™ Wire Guard emula las características térmicas de un mazo de cables conectado y ofrece seis curvas seleccionables que pueden elegirse en función de su calibre y tolerancia térmica.

Figura 4: Interruptor inteligente de lado alto PROFET™ Wire Guard BTG70008A-1ESW de Infineon con protección integrada I²t para los cables. (Fuente de la imagen: Infineon)

Esta protección permanece activa incluso si el microcontrolador principal se encuentra en estado de reinicio o de espera, lo que proporciona un mecanismo a prueba de fallos. Permite optimizar el diseño del mazo de cables y, potencialmente, reducir el peso del cobre, al tiempo que garantiza la protección del cable en una amplia gama de condiciones de fallo, incluidas las corrientes de arranque transitorias y las sobrecargas prolongadas.

El BTG70008A-1ESW permite ajustar el umbral de sobrecorriente mediante una resistencia externa. Cuando se produce un cortocircuito grave, es capaz de aislar la avería en microsegundos. Esta respuesta rápida evita que la avería provoque una caída de tensión en el bus de alimentación principal, lo que, de no ser así, podría dar lugar a un reinicio por subtensión de las unidades de control electrónico (ECU) críticas.

Está certificado como elemento de seguridad según la norma ISO 26262, fuera de contexto, para requisitos de seguridad de hasta el Nivel de Integridad de Seguridad Automovilística (ASIL) D. Los modos de fallo predecibles del PROFET™, sus mecanismos de protección integrados y sus capacidades de retroalimentación de diagnóstico son esenciales para crear un sistema crítico para la seguridad.

Conclusión

El diseño electromecánico requiere ahora un enfoque más integrado. El motor, el relé, el fusible, el seccionador, el interruptor general y el controlador forman parte de una arquitectura coordinada de control y protección.

A medida que los sistemas se vuelven cada vez más pequeños y con mayor densidad de potencia, los ingenieros necesitan dispositivos semiconductores que permitan mejorar la precisión de sincronización, la eficiencia de conmutación, la fiabilidad del aislamiento y la respuesta ante fallos. Infineon resuelve estos retos en diferentes niveles de diseño mediante PSOC™ Control C3, CoolGaN™ BDS 40 V G3, los aisladores de estado sólido iSSI y PROFET™ Wire Guard.