Al permitir que los diseñadores evalúen con precisión los nuevos diseños de etapas de potencia, y dentro de un plazo factible, las nuevas herramientas de diseño en línea incorporan sofisticados análisis térmicos y de frecuencia que permiten utilizar las tecnologías de semiconductor más avanzadas para reducir el tamaño y el coste de la solución con mayores niveles de eficiencia y fiabilidad

Introducción: diseño de potencia bajo presión
Durante los últimos años se ha acortado el ciclo típico de diseño de producto; al mismo tiempo, la oferta de productos de las compañías ha aumentado en número y se adapta mejor de una a otra aplicación. Los actuales equipos de diseño también deben dedicar un creciente volumen de recursos para obtener la conformidad. Estas exigencias añadidas se cumplen a menudo a coste del diseño de la etapa de potencia, que comprende dificultades de tipo eléctrico y termomecánico, y exige a menudo un intenso trabajo de laboratorio.

Ante la falta de opciones para evaluar nuevos diseños que emplean los dispositivos de potencia más avanzados, los diseñadores se pueden ver tentados de recurrir a una solución conocida y homologada que usa dispositivos más viejos y menos eficientes. Esto puede afectar al producto final, por ejemplo al exigir un disipador relativamente grande y caro que se puede reducir o incluso eliminar gracias al uso de diseños más nuevos basados en tecnologías de semiconductor de potencia más modernas.

Herramientas orientadas a aplicación
Las herramientas de diseño en línea pueden contribuir potencialmente a agilizar el diseño de la etapa de potencia, pero los selectores básicos de dispositivos basados en web tienen un valor limitado. Un ejemplo típico, como el mostrado en la Figura 1, indica un conjunto de parámetros clave pero no se mencionan el entorno térmico o la frecuencia de funcionamiento.

La herramienta de próxima generación basada en web de IR, presentada en 2011, proporciona un valioso avance al permitir el análisis de parámetros críticos de la aplicación como temperatura y frecuencia. En las primeras versiones, un motor en segundo plano calculaba la temperatura operativa de unión bajo diversas condiciones de trabajo que eran sencillas pero representativas. La versión más reciente estrecha aún más las diferencias entre el entorno térmico y el propio dispositivo, y proporciona una mayor funcionalidad que permite tener en cuenta la resistencia térmica del disipador, así como la resistencia térmica para los dispositivos de montaje superficial.

Entre la Figura 2 y la Figura 6 se puede ver cómo puede ayudar la herramienta a evaluar diversos IGBT alternativos y técnicas de diseño cuando se crea un accionamiento del motor de pequeño tamaño para una aplicación como un electrodoméstico.

Las características del encapsulado y las condiciones eléctricas de funcionamiento se introducen en las ventanas apropiadas, incluyendo el tradicional requisito de un tiempo de cortocircuito de 10µs. Se especifica un soporte del disipador que se conecta al puente trifásico y se introduce su resistencia térmica de 12°C/W.
La herramienta utiliza estos datos para calcular las pérdidas de potencia bajo las condiciones de aplicación especificadas. Solo aquellos dispositivos que trabajan con una temperatura de unión inferior a un límite preestablecido se aceptan como candidatos potenciales. El límite de la temperatura es igual a la temperatura máxima de unión menos la reducción introducida en la Figura 2. Es importante recordar que las cifras para las pérdidas de potencia y la temperatura no son absolutas y solo se deberían utilizar para comparar los candidatos potenciales.

Los IGBT que cumplen los requisitos introducidos en la Figura 2 son los cuatro mostrados en la Figura 3. Están ordenados según la temperatura operativa de unión, que desde luego está muy relacionada con la eficiencia.

La herramienta se puede utilizar para explorar soluciones alternativas, como el montaje superficial sin disipador. El diseño se revisa para especificar el encapsulado DPAK para montaje superficial y una resistencia térmica con el ambiente de 40°C/W. Esto representa una placa con laminado de cobre de 4-6 onzas y conexiones bajo los IGBT. Las restantes condiciones de funcionamiento son las mismas.

Esta vez la herramienta indica los dos IGBT mostrados en la Figura 4. La disipación de potencia se acerca a la de los IGBT de la Figura 3 pero, dado que el encapsulado y la pastilla de semiconductor tienen un tamaño más reducido, es previsible que los dispositivos DPAK sean menos caros. La temperatura de unión puede ser algo mayor, pero sigue dentro de los límites de la unión y de la capacidad de la placa de circuito impreso.

La reducción del requisito de cortocircuitado de 10µs a 5µs (perfectamente dentro del tiempo de respuesta de los CI típicos de sensado de corriente) puede contribuir a identificar otros dispositivos apropiados que puedan adaptarse a esta aplicación.

Esta vez la herramienta indica los dos mismos IGBT mostrados en la Figura 4, además de uno nuevo (Figura 5) que permite disminuir la disipación de potencia y la temperatura de unión. No es de extrañar que este IGBT más eficiente sea el nuevo dispositivo de tipo zanja, mientras que los otros dos son de tecnología plana.

La última versión de la herramienta, que se acaba de presentar, permite que los ingenieros den un paso adelante en su análisis al comparar las prestaciones relativas de los IGBT candidatos, conociendo así mejor sus capacidades.

El gráfico mostrado en la Figura 6 se genera seleccionando en la ventana de la izquierda cada número de referencia y en el botón “Current v. Frequency chart”. En las cifras anteriores se establecían los valores de corriente y frecuencia. Obsérvese que en este gráfico la temperatura de unión es fija ante variaciones de temperatura y corriente es el resultado final.

Refinado del diseño
Tal como muestra la figura 6, la herramienta deja muy claro que el IRGR4045 presente unas mejores características de conducción que los otros dos IGBT ya que pueden conducir mucha más corriente a bajas frecuencias. También queda claro que la capacidad de conducción de corriente se degrada con mucha más rapidez a medida que se incrementa la frecuencia, indicando unas mayores pérdidas de conmutación. Tal como saben los diseñadores experimentados, una elevada frecuencia de conmutación se traduce en problemas con EMI y no necesariamente en beneficios tangibles, especialmente en accionamientos de motores.

La tabla presentada también ofrece indicios de la temperatura operativa de unión y la disipación de potencia. Los gráficos corresponden a la temperatura de unión que es inferior al valor máximo en 25°C, en función de los datos introducidos en la primera pantalla. El IRGR4045 tiene un valor nominal de 175°C mientras que para los otros es de 150°C. Ésta es una razón por la cual la curva del IRGR4045 es mucho más elevada que para los otros dos.
En la práctica, las limitaciones de la placa de circuito impreso evitarían que el accionamiento del motor de muestra aproveche la temperatura nominal más alta del IRGR4045. Sin embargo, como se puede ver en la Figura 5, el IRGR4045 tiene la temperatura de trabajo más bajo para esta aplicación. Esto proporciona otra pista para la optimización: eliminar las conexiones en la placa y emplear cobre de 4 onzas puede recortar algo el coste de la lista de materiales. Los efectos sobre las pérdidas y la temperatura se pueden confirmar volviendo al selector de dispositivos, incrementando la resistencia térmica de 40°C/W a, digamos, 50°C/W, y revisando los resultados.

Este ejemplo demuestra que la nueva versión de esta herramienta web es más efectiva que las versiones anteriores para ayudar a los diseñadores a evaluar las prestaciones de sus sistemas de alimentación y a optimizar los diseños desde el punto de vista del coste, la eficiencia y la fiabilidad.

Futuras herramientas
Las herramientas más avanzadas de diseño de potencia basadas en web podrían experimentar aún nuevas mejoras. IR ha identificado dos áreas principales en este sentido. Una de ellas consiste en obtener un cálculo más representativo del ciclo de trabajo y de las pérdidas del convertidor. En el esquema de la Figura 6, se calculan las pérdidas para un convertidor reductor (buck) que trabaja con un ciclo de trabajo del 50% en modo de corriente continua. En este modo de trabajo el diodo encapsulado con el IGBT no conduce. El diodo complementario no conduce y no se calculan sus pérdidas.

La temperatura de unión calculada para el dispositivo superior sigue siendo formalmente correcta porque su diodo no conduce, pero el cálculo no es representativo de una aplicación del mundo real porque el ciclo de trabajo podría ser mayor o menor y las pérdidas variarían como consecuencia de ello.
Para superar esta limitación, IR empezado a desarrollar herramientas para una determinada aplicación. Esto ofrece la oportunidad de tener en cuenta otros factores añadidos, como los efectos de diferentes estrategias de modulación y el hecho de que un IGBT en el accionamiento de un motor solo conduce durante la mitad del ciclo de la corriente del motor, mientras que su diodo conduce durante la otra mitad. Una herramienta especialmente desarrollada para accionamientos de motores tendría en cuenta todos estos factores sin dejar de lado el entorno térmico. Esta herramienta calcularía el ciclo de trabajo en función del índice de modulación y el factor de potencia introducido por el usuario.

La segunda mejora introducida se refiere al hecho de que el entorno térmico no se puede caracterizar correctamente con las cifras de resistencia térmica dado que el calor no fluye de manera lineal de punto a punto pero circula en todas las direcciones dependiendo del diferencial de temperatura. No existe una “temperatura del disipador” o una “temperatura de unión”; en lugar de ello, existe una distribución de la temperatura sobre la superficie de una unión y existe una distribución de la temperatura 3-D en el disipador.

Las herramientas de análisis necesarias para modelar un entorno térmico con precisión ya se encuentra disponible en la forma de motores FEA que se pueden incorporar a la herramienta. El reto consiste en crear un conjunto adecuado de modelos del disipador. Estos modelos se desarrollan en sectores especialmente exigentes como la automoción. El camino a seguir pasa por estandarizar estos modelos y hace que resulten más útiles para aplicaciones de tipo general.

Conclusión
Las nuevas generaciones de semiconductores de potencia pueden contribuir a reducir el tamaño y el coste total de la solución, mientras al mismo tiempo ofrecen mayores niveles de fiabilidad y eficiencia. Los apremios, sin embargo, pueden evitar que los diseñadores investiguen nuevas oportunidades y estimulen la reutilización de antiguos diseños. Las consecuencias se manifiestan en unas prestaciones por debajo del nivel óptimo del producto final. Las últimas generaciones de herramientas basadas en web son efectivas para acelerar el diseño de potencia y ayudar a los ingenieros a aprovechar las tecnologías más avanzadas en los diseños de nuevos productos.

Autor:

Steve Clemente, Tecnólogo Jefe, International Rectifier Corp.

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