Accionamiento de MOSFET de alto voltaje en relés de estado sólido automovilísticos sin una segunda fuente de alimentación

Los diseñadores de sistemas automotrices e industriales están adoptando cada vez más arquitecturas de mayor voltaje para mejorar la eficiencia energética, reducir el peso del sistema y soportar mayores niveles de potencia. Los sistemas de gestión de baterías, cargadores a bordo y otros sistemas electrónicos automotrices funcionan ahora a 400 V, con plataformas de 800 V que se están volviendo cada vez más comunes en los vehículos eléctricos de próxima generación. Tendencias similares se están manifestando en los sistemas de almacenamiento de energía y en los equipos industriales de control de energía.

A medida que aumentan los voltajes de operación, también aumenta la necesidad de métodos de conmutación de alta tensión que mantengan de forma fiable el aislamiento eléctrico crucial entre circuitos de control de baja tensión y etapas de alta tensión.

Los relés mecánicos han sido durante mucho tiempo una opción extendida en muchas aplicaciones de conmutación de alta tensión, ya que proporcionan aislamiento galvánico mientras manejan cargas considerables. Sin embargo, estos componentes también presentan varias limitaciones bien conocidas, como el desgaste por contacto, arcos eléctricos, funcionamiento audible y vida útil finita de conmutación. Como resultado, los diseñadores recurren cada vez más a relés de estado sólido (SSR).

Los SSR eliminan las preocupaciones de sus homólogos mecánicos sustituyendo los contactos mecánicos por interruptores semiconductores, normalmente MOSFET de potencia. Sin embargo, los SSR basados en MOSFET presentan un desafío diferente: el controlador de compuerta. Para conmutar un MOSFET de lado alto o espalda con espalda a través de una barrera de aislamiento, los diseñadores deben proporcionar un voltaje de puerta referenciado a la fuente del MOSFET en lugar de a tierra del controlador.

La solución habitual es un controlador de compuerta aislado emparejado con una fuente de alimentación aislada separada en el lado secundario. Aunque eficaz, este enfoque añade costo y número de componentes, consume espacio en la placa y incrementa la complejidad del diseño, especialmente en diseños con múltiples canales de conmutación.

Un fotoacoplador de salida fotovoltaica ofrece un enfoque diferente. En lugar de simplemente transferir una señal de control a través de una barrera de aislamiento, genera el voltaje de compuerta directamente en el lado aislado, eliminando la necesidad de una fuente de polarización aislada separada. Toshiba ofrece uno de estos dispositivos, dirigido a aplicaciones de conmutación MOSFET para automóviles e industriales.

Cómo el TLX9920 simplifica el controlador de compuerta aislado de MOSFET

El TLX9920 de Toshiba es un fotoacoplador de salida fotovoltaica que proporciona un voltaje aislado de compuerta para MOSFET de potencia externos. A diferencia de los fotoacopladores convencionales que simplemente transfieren una señal de control a través de una barrera de aislamiento, el dispositivo genera la tensión del controlador de compuerta. Dentro del TLX9920, un LED infrarrojo ilumina una matriz de fotodiodos conectada en serie. Cuando el LED se enciende, los fotodiodos generan un voltaje de corriente continua de forma muy similar a como una célula solar convierte la luz en energía eléctrica. Este voltaje puede usarse para cargar directamente una compuerta MOSFET, permitiendo que el dispositivo proporcione un controlador de compuerta aislada sin necesidad de una fuente de alimentación secundaria.

El TLX9920 (Figura 1) produce una tensión mínima de circuito abierto de 13.5 V a una corriente de entrada de 10 mA, proporcionando suficiente tensión de accionamiento de puerta para muchos MOSFET de potencia utilizados en diseños de relés de estado sólido. Debido a que el voltaje se genera internamente, esta arquitectura puede eliminar el riel de polarización aislado y la circuitería de soporte que suelen requerir las soluciones convencionales de accionamiento de puerta aislada, reduciendo aún más el número de componentes y simplificando el diseño de las placas CI.

Figura 1: El TLX9920 combina aislamiento galvánico y generación de voltaje de puerta en un solo encapsulado. (Fuente de la imagen: Toshiba)

Toshiba también ha abordado uno de los inconvenientes tradicionales de los acopladores fotovoltaicos. El TLX9920 incorpora un circuito de control en el lado receptor, eliminando la necesidad de una resistencia de descarga externa y mejorando el rendimiento de conmutación. Como resultado, el dispositivo alcanza tiempos típicos de encendido y apagado de 0.6 ms y 0.1 ms, respectivamente.

Aunque estas velocidades de conmutación no están pensadas para aplicaciones de conversión de potencia de alta frecuencia, son muy adecuadas para tareas de conmutación tipo relé, donde el aislamiento, la simplicidad y la fiabilidad suelen ser más importantes que la velocidad de conmutación.

La arquitectura del dispositivo también ofrece a los diseñadores mayor flexibilidad que los fotorrelés autónomos. Como el TLX9920 impulsa los MOSFET externos, los ingenieros pueden seleccionar dispositivos de conmutación basándose en la tensión nominal, capacidad de corriente, RDS(on), rendimiento térmico o topología del sistema. Esto permite la construcción de SSR capaces de manejar voltajes y corrientes más altos que muchos fotorrelés integrados. Es especialmente útil en configuraciones MOSFET consecutivas que se utilizan comúnmente para bloqueos y conmutaciones bidireccionales en sistemas automotrices e industriales.

El TLX9920 está alojado en un paquete SO6L de perfil bajo que mide 3.84 mm × 10.0 mm × 2.1 mm, y proporciona una tensión de aislamiento mínima de 5000 Vrms y una distancia de arrastre superior a 8 mm. Estas características ayudan a cubrir los requisitos de aislamiento reforzado que se encuentran frecuentemente en sistemas de 400 V y superiores.

Para aplicaciones automotrices, el dispositivo está cualificado como AEC-Q101 y soporta temperaturas de funcionamiento de hasta 125 °C (máximo absoluto), lo que lo hace adecuado para entornos exigentes como sistemas de gestión de baterías, cargadores a bordo y arquitecturas de distribución de energía de alto voltaje.

Conclusión

A medida que los sistemas automotrices e industriales continúan evolucionando hacia arquitecturas de mayor voltaje, los fotoacopladores de salida fotovoltaica, como el TLX9920 de Toshiba, ofrecen a los diseñadores una forma práctica de mover los MOSFET de potencia a través de barreras de aislamiento sin añadir componentes innecesarios ni complejidad. El TLX9920 combina aislamiento galvánico y generación de voltaje de compuerta en un solo encapsulado, ayudando a simplificar los diseños SSR basados en MOSFET al eliminar la necesidad de una fuente separada de accionamiento de compuerta aislada. Para aplicaciones donde el aislamiento, la simplicidad y la flexibilidad de diseño son prioritarios, ofrece una alternativa eficaz a los enfoques de compuerta aislada más complejos.