Semiconductores en conmutación y protección de sistemas eléctricos

Artículo técnico sobre el uso de semiconductores en conmutación y protección de sistemas eléctricos en el sector de la automoción escrito por Ralf Hickl, Product Sales Manager de la Automotive Business Unit de Rutronik Elektronische Bauelemente.

Cada vez más elementos de los sistemas eléctricos se conmutan usando semiconductores. Los conmutadores (switches) basados en estos ofrecen beneficios en comparación con los conmutadores electromecánicos en forma de menor desgaste por uso (sin impacto mecánico, pueden resistir más ciclos de conmutación), funcionalidad de diagnóstico y, a diferencia de los contactos mecánicos, ausencia de chispas en circuitos abiertos en proceso de carga. Esto se convierte en un problema al menos con los sistemas eléctricos de 48 V o los vehículos comerciales de gran longitud, que supone un incremento de inductancia parásita.

Una vez que se establece la función de conmutación, se pueden usar sensores para activar la función de diagnóstico y la protección de sobrecarga con el objetivo de salvaguardar los cables y los elementos de consumo de corriente y acortar el tiempo de respuesta en caso de fallo. Los mecanismos de protección de circuitos electrónicos también aportan ventajas adicionales, al contrario de lo que sucede con fusibles desechables, la protección ante sobrecarga se puede repetir ya que los switches semiconductores se salvaguardan adecuadamente. Después del disparo, el mecanismo de protección electrónico se diagnostica mediante el bus de herramienta sin necesidad de otras herramientas ni reinicio. La medida del consumo de corriente en cada parte del circuito permite verificar el estado del conmutador de los dispositivos en consumo consumer. Después, el relé y la caja de fusibles del vehículo se lleva al límite a través del medidor inteligente con todas sus características.

 El diagrama de bloques de circuito de un multi-switch electrónico muestra los conmutadores en tres flujos de corriente. Un high-side switch que se dispara en el flujo superior, un MOSFET integrado en el del medio y un low-side switch protegido en la línea de masa. Un microcontrolador ofrece la conexión de bus y permite que las señales de diagnóstico se procesen y los switches se disparen.

Para corrientes de circuito inferiores, se utilizan los high-side & low-side switches inteligentes y protegidos, también conocidos como Dispositivos de Alimentación Inteligentes – Intelligent Power Devices (IPD). Estos componentes compactos integran el elemento de conmutación, un MOSFET canal n así como un driver para la puerta y funciones de diagnóstico y protección en un mismo encapsulado. El sistema de diagnóstico identifica, por ejemplo, una rotura de cable en la salida (detección de carga abierta). La función de protección, por su parte, puede reaccionar ante sobrecalentamiento, sobrecarga y sobretensión. Los modelos comunes de semiconductores se emplean para conmutar un flujo de energía unidireccional. Las cargas típicas abarcan desde bombillas a elementos de calefacción para asientos, ventanas y espejos retrovisores.

Lista de fabricantes y series de semiconductores

Con el desarrollo de MOSFET de potencia y tecnologías de encapsulado, estos componentes son cada vez más potentes. En este sentido, la gama PowerPROFET™ de Infineon de resistencias “on” con valores inferiores a 1 mΩ tienen una posición de liderazgo entre los switches high-side. Los conmutadores protegidos en diseño con múltiples canales en un mismo encapsulado ayudan a ahorrar espacio en placa. Gracias a la compatibilidad en pines con los modelos de 12 y 24 V, los modelos PowerPROFET aportan mejoras en flexibilidad. Los componentes con diferente número de canales en un encapsulado encajan en la misma posición en la tarjeta, lo que proporciona nuevas oportunidades de diseño de circuito.

La tecnología de encapsulado avanzada no es la única razón para echar un vistazo a la serie VIPower™ M0-7/5T de STMicroelectronics. La mayoría de estos productos se basan en la tecnología de proceso planar de ST. Renesas también se encuentra en la línea de salida con su nueva serie Hope, cuya nomenclatura empieza por RAJ28.

Existen otros criterios de selección de semiconductores importantes:

• La reacción ante caída de tensión, que determina cómo funciona cuando el voltaje cae a un pulso especificado de acuerdo a LV124, ISO 7637-2 Pulso 4 e ISO 16750-2. Estos estándares describen la tensión y el tiempo que debe permanecer cerrado el switch en caso de subvoltaje (en términos prácticos, cómo responde durante un arranque frío). Con un relé de estado sólido para el estárter, resulta útil una mínima tensión, ya que la energía residual de la batería se encuentra totalmente disponible para el proceso de arranque.
• La reacción tras un cierre por sobrecarga. Es posible un reinicio automático, un reinicio por pin o una combinación de ambos.

Los switches low-side tienen menos demanda que las versiones high-side. Los fabricantes y las series aparecen en la tabla.

Los IPD comercializados explícitamente para los nuevos sistemas eléctricos de 48 V son escasos. Ya estamos viendo tipos que se dirigen a los sistemas de 24 V y algunos otros especificados para uso con el sistema de 42 V (obsoleto), como BTS6163 y BTS50085 de Infineon. Otros componentes todavía se encuentran en fase de desarrollo.

Si los switches integrados no satisfacen las especificaciones de rendimiento requeridas, como rango de tensión, corriente máxima o pérdida de potencia, la única alternativa es una solución discreta.

Estructura discreta 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 por semiconductores

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 R_DSON y el encapsulado tienen un papel esencial. La tecnología del encapsulado no sólo afecta a la resistencia térmica, sino que también a la R_DSON 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

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 U_th 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 fotoacopladores aportan una alternativa original a los controladores de puerta.

Fotoacopladores como controladores de puerta

En los fotoacopladores, 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 foto-tensión 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, http://www.vishay.com/docs/81225/ssrvo126.pdf) 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.

Proteccióncon semiconductores

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 Diodes o STMicroelectronics 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 de documentación para semiconductores en conmutación y protección

• Ficha técnica (data sheet) de TLX9906 https://toshiba.semicon-storage.com/info/docget.jsp?did=55590&prodName=TLX9906
• AppNote Vishay, http://www.vishay.com/docs/81225/ssrvo126.pdf

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