Uno de los retos a los que se enfrentan los ingenieros durante el diseño de un sistema de transmisión práctico y fiable es el ruido de modo común. El ruido de modo común (también conocido como ruido dV/dt) se genera de manera natural dentro de un sistema cuando existe conmutación de alta frecuencia entre los suministros de alta tensión. Este artículo discute las posibles fuentes de ruido dV/dt dentro de una unidad de sistema híbrido de transmisión y plantea algunas sugerencias para la solución del problema.

Fuentes y efectos del ruido de modo común del sistema híbrido de transmisión
La Figura 1 representa un diagrama de bloque típico de un sistema híbrido de transmisión. Cuando los controladores de puerta cambian los IGBT secuencialmente en el lado de alto y bajo potencial, se genera ruido dV/dt. Por ejemplo, un sistema de transmisión típico conectado a una alta tensión de 400VDC con un tiempo alternante de subida y caída de 50 ns va a generar un ruido dV/dt de 400V/50ns ~ 8 kV/µs cada vez que alterne el controlador de puerta.

Bajo condiciones de corto circuito debido a fallas, la tensión de rebasamiento adicional (V = L . di/dt) se sumará a la tensión de riel de DC. Esta tensión de rebasamiento adicional es causada por una gran corriente transitoria de corto circuito (di/dt) que fluye a través de la inductancia  perdida del circuito, L. El circuito del controlador de puerta debe ser capaz de manejar este ruido dV/dt adicional con el fin de mantener el control y ejecutar el protocolo de protección correcto. Además, la necesidad de una fuente de mayor tensión de riel de CC para vehículos híbridos más grandes, tales como camiones y autobuses, y la necesidad de una frecuencia de conmutación más rápida para reducir la pérdida de la conducción, han incrementado los requisitos del sistema con relación a un mayor rechazo del ruido dV/dt. Normalmente, es esencial tener un sistema híbrido de transmisión con un rechazo al ruido dV/dt de 15 kV/µs para mantener el rendimiento general del sistema, su fiabilidad y robustez.

Cuando el ruido dV/dt se acopla a través de las capacitancias parásitas dentro del sistema y provoca la transición no deseada de tensión se convierte en una seria amenaza. Con el tiempo, puede provocar que el sistema pierda el control, es decir, una retroalimentación falsa, etc. A pesar de que el ruido dV/dt es algo no deseado, existe de forma natural dentro del sistema de transmisión como se explicó anteriormente. Los diseñadores no tienen más remedio que identificar y abordar todos los caminos posibles de acoplamiento del ruido dV/dt. La Figura 2 ilustra las posibles capacitancias parásitas existentes dentro de un sistema.

Soluciones
Para proporcionar un rechazo adecuado al ruido de modo común, los diseñadores tienen que hacer frente a las capacidades parásitas antes mencionados dentro del sistema.

En primer lugar, los diseñadores deben tratar de minimizar la capacitancia parásita externa o del esquema del controlador de puerta mediante un diseño eficiente. Es esencial mantener un espacio de aislamiento suficiente entre las dos regiones adyacentes de baja y alta tensión del circuito impreso. Un espacio insuficiente reducirá la efectividad del aislamiento y aumentará el acoplamiento parásito, lo que degradará el rendimiento del rechazo al ruido de modo común. Además, las líneas de señal de alta impedancia que son más sensibles al ruido dV/dt (es decir, VIN+, VIN y las terminales DESAT del optoacoplador ACPL-38JT en la Figura 3) deben mantenerse lo más lejos posible de la región aislada adyacente para evitar el acoplamiento parásito. Siempre se recomienda poner capacitores de desvío cerca de las terminales de suministro del controlador para mantener el bucle de suministro de corriente tan pequeño como sea posible y minimizar el acoplamiento de la inductancia parásita por tensión transitoria de modo común. La Figura 3 muestra la comparación entre un diseño sensible a dV/dt [3(a)] y un diseño recomendado [3(b)] que utiliza el optoacoplador Avago ACPL-38JT.
En segundo lugar, los diseñadores deben abordar el acoplamiento de la capacitancia de Miller. Cuando el ruido dV/dt se acopla durante la conmutación a través de la capacitancia de Miller, inducirá corriente transitoria de ruido. Esta corriente transitoria de ruido fluirá a través de la inductancia parásita existente a lo largo de las vías del esquema desde la puerta IGBT hasta el controlador de puerta, y afectará la tensión de control del controlador. Para minimizar el efecto del ruido dV/dt a través del acoplamiento Miller y para proporcionar formas de ondas de conmutación más limpias, el diseñador debe mantener el bucle de carga y descarga de la puerta IGBT tan pequeño como sea posible. Un ejemplo de un circuito intermedio de corriente para el IGBT se muestra en la Figura 4(a), y un esquema recomendado se muestra en la Figura 4 (b).

En tercer lugar, los diseñadores deben elegir el aislador correcto para limitar o rechazar el ruido de modo común acoplado a través de las capacitancias parásitas internas. Existen diversas técnicas de aislamiento disponibles en el mercado, tales como el aislamiento óptico (también conocido como optoacoplador), el aislamiento magnético (transformador), el aislamiento capacitivo, etc. Consulte la Figura 5 para ver diagramas de bloque internos básicos de un optoacoplador, del aislador de un transformador y del aislador capacitivo.

Entre éstas, el optoacoplador es conocido como una de las técnicas de aislamiento más populares y efectivas para proporcionar un alto rechazo al ruido de modo común. A modo de ejemplo, los optoacopladores de Avago Technologies ofrecen las siguientes ventajas para mejorar el rechazo al ruido de modo común:

-    Controlador LED de baja impedancia. El indicador LED muestra la baja impedancia cuando se enciende, por lo tanto, es menos susceptible a la corriente transitoria de modo común inducida por ruido dV/dt. También, la capacitancia del acoplamiento LED de ~ 80pF ayuda a rechazar el ruido de modo común de alta frecuencia.

-    Escudo interno en el fotodiodo y el lado IC del optoacoplador - Un escudo transparente permite transmitir una señal óptica y, al mismo tiempo, ayuda a redirigir la corriente transitoria de modo común hacia tierra en lugar de afectar el detector y el circuito IC.
El escudo interno no suele ser implementado en los aisladores capacitivos y del transformador. Esto sucede principalmente porque el escudo interno bloqueará la señal magnética deseada que se acopla en el aislador del transformador y la señal capacitiva que se acopla en el aislador capacitivo. Sin el escudo, el ruido dV/dt no deseado podría acoplarse a través del mismo canal de las señales y afectar la señal de control.
Pruebas de referencia CMR de diferentes aisladores

Con el fin de comparar la capacidad de rechazo de modo común (CMR) de los diferentes tipos de aisladores, algunos controladores de puerta han sido elegidos para someterse a pruebas internas de estándar de comparación CMR. La conformación típica de la prueba CMR para el controlador de puerta con aislamiento se muestra en la Figura 6.

Los resultados de las pruebas de CMR mostraron que el optoacoplador tiene un mejor CMR (rechazo al modo común) que los aisladores de transformador y capacitivos. El optoacoplador del controlador de puerta de Avago Technologies (ACPL-38JT) probó ser capaz de soportar una alta corriente transitoria de modo común sin fallas y logra un mínimo de 30kV/µ CMR tanto para niveles altos (CMH) y bajos (CML) de salida. Este rendimiento es significativamente mejor cuando se compara con los aisladores de transformador y aisladores capacitivos disponibles. Un resumen de los resultados de las pruebas se muestran en la Tabla 1.

Tomando una mirada más de cerca y al comparar las formas de onda CMH de los tres diferentes aisladores, no se ve ningún fallo en la forma de onda CMH del controlador de puerta del optoacoplador. La Figura 7 muestra que el optoacoplador del controlador de puerta de Avago es capaz de mantener un estado de salida de alta de dV/dt de 67 kV/µs y VCM = 1,5 kV, resultante del controlador LED de baja impedancia y del escudo interno que mejora eficazmente las capacidades CMR del controlador de puerta. La Figura 8 muestra que el aislador de transformador del Proveedor A no pasó la prueba de referencia CMH, ya que el controlador de puerta no fue capaz de mantener su salida en alta aún cuando el VCM estaba en 500 V, con un tiempo de subida lento de 160 ns (dV/dt ~ 2,5kV/µs). Del mismo modo, la Figura 9 muestra que el nivel CMH del aislador capacitivo del Proveedor B se reduce a menos de 15 kV/µs cuando el VCM se eleva a 900 V, y se observa una falla cuando el VCM se eleva a 1 kV y más para la prueba de salida alta (dV/dt ~ 4,5kV/µs).

Conclusión
Los sistemas híbridos de transmisión se ven sometidos a grandes cantidades de ruido dV/dt durante su uso en ambientes automovilísticos difíciles. Con el fin de mantener la fiabilidad del sistema y garantizar la seguridad de los pasajeros, los diseñadores deben minimizar la amenaza imprevista del ruido de modo común mediante el empleo de un buen diseño y montaje del sistema y mediante la elección del dispositivo de aislamiento adecuado. Un optoacoplador de controlador de puerta que cuenta con un controlador LED de baja impedancia y un escudo interno ofrecen ventajas significativas en el rechazo de alto ruido de transición de modo común.

Autor:

Choo Mei Zhen, Avago Technologies.

La autora
Choo Mei Zhen trabaja como ingeniera de marketing técnico de Avago Technologies, con responsabilidades de soporte de aplicaciones y diseño para el aislamiento del automóvil. Anteriormente, trabajó como ingeniera de
desarrollo en la electrónica de Dyson. Ella tiene una maestría en ingeniería electrónica de la Universiti Teknologi Malaysia.

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