Circuitos Integrados Para Acionamento de Transistores MOSFET e IGBT

No artigo anterior, entendemos a importância de se utilizar circuitos de comando para o acionamento de transistores MOSFET e IGBT, principalmente quando o controle é realizado a partir de microcontroladores (MCUs), processadores digitais de sinais (DSPs) ou circuitos analógicos de baixa potência. Ao longo do artigo, também aprendemos a dimensionar um circuito de comando não isolado bastante difundido. Então, se você ainda não conferiu esse post, corre lá antes de iniciar a leitura deste aqui. Isso vai facilitar o seu entendimento.

Apesar do circuito estudado anteriormente ser bastante funcional e de baixo custo, ele é composto por uma série de transistores bipolares (BJT) e resistores, o que pode se tornar um inconveniente quando queremos reduzir espaço na placa de circuito impresso (PCI). Pensando nisso, vou apresentar neste artigo algumas alternativas mais compactas que utilizam circuitos integrados (CI) dedicados ao acionamento de transistores MOSFET e IGBT. Bora lá!

Acionamento de Transistores MOSFET e IGBT com o CI IR2121

Os circuitos integrados da família IR21xx da International Rectifier^® são muito conhecidos no mundo da Eletrônica de Potência, por serem bastante versáteis e acessíveis. Existem opções de um único canal para aplicações low-side (quando o source do MOSFET é referenciado ao terra do circuito), para aplicações high-side (quando o source se encontra em um referencial diferente do terra), além dos modelos de dois canais que são normalmente utilizados para o acionamento de half-bridges (conversor meia-ponte).

Dentre essas opções, podemos encontrar CIs mais simples e outros mais sofisticados que compreendem circuitos de proteção contra sobrecorrente, pino de desabilitação dos pulsos, pino para indicação de erro, entre outras funcionalidades. Como o objetivo aqui é apresentar alternativas para o circuito estudado no artigo anterior, o qual possui um único canal e é designado para aplicações low-side, vou me ater apenas ao modelo IR2121 que está representado na Figura 1. A descrição de cada um dos pinos desse CI pode ser consultada na Tabela 1. Já as suas principais especificações elétricas estão resumidas na Tabela 2.

De um modo geral, o CI IR2121 é um circuito de comando de resposta rápida que pode ser utilizado para o acionamento de transistores MOSFET tipo-N ou IGBT na configuração low-side [1]. Dentre as suas características, podemos destacar o fato deste tolerar ambos os padrões CMOS e TTL (até 2,5 V) em sua lógica de entrada, o que permite conectá-lo diretamente na saída do MCU ou do DSP. Além disso, esse CI não possui uma característica inversora. Isso significa que podemos utilizar o próprio sinal PWM, sem precisar complementá-lo antes de enviar para o circuito de comando (o que era necessário no circuito do artigo anterior). 

Tabela 1. Descrição dos pinos do circuito integrado IR2121.

Pinos	Descrição
VCC	Pino de alimentação do circuito lógico e do comando
IN	Entrada lógica para a saída do circuito de comando (OUT), em fase com OUT
ERR	Pode ser usado para indicação de erro ou para temporizar o desligamento do CI após uma detecção de sobrecorrente
COM	Pino de referência (ground) do circuito lógico
VS	Retorno da alimentação do circuito de comando
CS	Entrada do sensor de corrente usado para proteção
OUT	Pino de saída do circuito de comando

 

Tabela 2. Principais especificações elétricas do IR2121.

Parâmetros	Definição	Valores
VCC	Tensão de alimentação	VS + 12 V < VCC < VS + 18 V
VS	Tensão de retorno do circuito de comando	-5 V < VS < 5 V
VO	Tensão de saída do circuito de comando	VS < VO < VCC
VIN	Tensão do sinal lógico de entrada	0 < VIN < VCC Nível lógico alto > 2,2 V Nível lógico baixo < 0,8 V
VERR	Tensão do sinal de erro	0 < VERR < VCC
VCS	Tensão no pino do sensor de corrente	VS < VCS < VCC
VCSTH+	Tensão de limiar para detecção de sobrecorrente positiva	230 mV
VCSTH-	Tensão de limiar para detecção de sobrecorrente negativa (quando circula pelo diodo intrínseco do MOSFET)	210 mV
IO+/-	Máxima corrente fornecida / Máxima corrente drenada no pino de saída (OUT)	1 A / 2 A

 

Outra característica interessante do IR2121 é a proteção contra sobrecorrente através do pino CS [2]. Na ilustração da Figura 1, podemos observar que o resistor R_Sense funciona como um sensor de corrente e o seu valor é calculado para que a queda tensão provocada pela passagem da sobrecorrente (I_max) seja maior do que a tensão de limiar (V_CSTH+), segundo a expressão (1).  Caso o projetista não queira utilizar a proteção de sobrecorrente, basta dispensar o resistor de R_Sense e aterrar os pinos VS e CS.

(1)

Além da proteção de sobrecorrente, o IR2121 também conta com uma proteção de subtensão. Quando a tensão de alimentação cai abaixo de 8 V, os pulsos são automaticamente desabilitados. Isso evita pulsos indesejados nos instantes em que a alimentação do CI é habilitada ou desabilitada.

É importante salientar ainda que o dimensionamento do resistor de gate R_G e do resistor R_S segue o mesmo princípio abordado no artigo passado. Nesse caso, devemos determinar primeiro a corrente de gate, I_G, para definir se o CI é capaz de fornecer tal valor, lembrando que sua capacidade máxima é de 1 A. Em caso negativo, podemos ajustar o valor de R_G a fim de diminuir a corrente de gate, ou optar pelo uso de outro CI. Veremos a seguir uma possível alternativa.

Acionamento de Transistores MOSFET e IGBT com o CI UCC27517

O CI UCC27517 é outra solução de canal único e de baixo custo para o comando de MOSFETs e IGBTs em aplicações low-side [3]. Assim como o IR2121, este é compatível com ambos os padrões CMOS e TTL, podendo ser alimentado em uma larga faixa de 4,5 V a 18 V. Esse CI também possui proteção contra subtensão, evitando assim pulsos indesejados na inicialização e no desligamento.

Como diferenças em relação ao IR2121, podemos destacar os seguintes pontos: não possui proteção contra sobrecorrente, tem uma resposta muito mais rápida, possui uma capacidade de corrente maior e possui entrada dupla para operar no modo inversor ou não-inversor. Outro ponto positivo é o fato deste manter o sinal de saída em nível lógico baixo caso o pino de entrada esteja flutuando, o que evita qualquer acionamento indesejado do interruptor de potência (MOSFET ou IGBT).

A Figura 2 mostra os diagramas típicos de aplicação do UC27517, considerando as lógicas de entrada não inversora e inversora. A Tabela 3, por sua vez, apresenta as funcionalidades de cada pino do circuito, enquanto a Tabela 4 abrange as suas principais especificações elétricas.

Como podemos verificar nas descrições da Tabela 3, é possível usar um dos pinos de entrada para habilitar ou desabilitar os pulsos de saída. Por exemplo, se o CI for usado na configuração não inversora, a entrada IN+ receberá o sinal PWM ao passo que a entrada IN- funcionará como “enable”. Nesse caso, o circuito irá operar normalmente enquanto IN- estiver em nível lógico baixo. Entretanto, quando esse pino alternar para nível lógico alto, os pulsos de saída serão desabilitados. Esse recurso nos possibilita implementar uma lógica de proteção que leva os pulsos a zero, a partir do momento que alguma irregularidade for detectada no circuito.

Tabela 3. Descrição dos pinos do circuito integrado UCC27517.

Pinos	Descrição
VCC	Pino de alimentação do circuito
GND	Pino de referência (ground) do circuito
IN+	Entrada não inversora: quando o CI é usado na configuração inversora, esse pino deve ser conectado ao VCC para habilitar a saída. Caso contrário, o sinal de saída será mantido em nível lógico baixo.
IN-	Entrada inversora: quando o CI é usado na configuração não inversora, esse pino deve ser conectado ao GND para habilitar a saída. Caso contrário, o sinal de saída será mantido em nível lógico baixo.
OUT	Pino de saída do circuito de comando

 

Tabela 4. Principais especificações elétricas do UCC27517.

Parâmetros	Definição	Valores
VCC	Tensão de alimentação	4,5 V < VCC < 18 V
VO	Tensão de saída do circuito de comando	0 V < VO < 18 V
VIN	Tensão do sinal lógico de entrada	0 < VIN < VCC Nível lógico alto > 2,2 V Nível lógico baixo < 1,2 V
VON	Tensão de limiar ao alimentar o circuito (usada na proteção de subtensão)	4,2 V
VOFF	Tensão mínima de operação após alimentado (usada na proteção de subtensão)	3,9 V
IO+/-	Máxima corrente fornecida / Máxima corrente drenada no pino de saída (OUT)	± 4 A

 

Exemplo de Aplicação

Para reforçar o entendimento a respeito dos circuitos de comando, vamos analisar um exemplo de aplicação. Nesse exemplo, consideraremos um conversor elevador do tipo Boost, cujos parâmetros estão dispostos na Tabela 5.

Tabela 5. Parâmetros do conversor Boost utilizado na simulação.

Parâmetros	Valor
Tensão de Entrada	20-30 V
Tensão de Saída	50 V
Frequência de Chaveamento	20 kHz
Razão Cíclica	0,4 a 0,6
Indutor de Entrada	500 μH
Capacitor de Saída	150 μF
Transistor MOSFET	BUK9Y38100E
Diodo de Potência	RB228T100

 

Conforme discutido no artigo anterior, é necessário conhecer de antemão as características do transistor MOSFET para dimensionar corretamente o circuito de comando. Sendo assim, com base nas especificações elétricas do MOSFET modelo BUK9Y38100E [4], obtemos a seguinte corrente de gate [5]:

(2)

em que Q_G(tot) representa a carga total necessária para colocar o MOSFET (ou IGBT) em condução e t_r é o tempo de subida da tensão V_GS, ou seja, é o intervalo de tempo requerido para carregar as capacitâncias intrínsecas de 0 V até V_G (tensão de saída do circuito de comando).

Dada a magnitude da corrente obtida, vamos optar pelo uso do circuito de comando UCC27517, o qual suporta até 4 A em sua saída. Agora basta definirmos a resistência de gate total para limitar essa corrente, conforme 

(3)

Analisando o datasheet do CI UCC27517 [6], é possível encontrar os valores de suas resistências internas de saída, as quais contribuem para a limitação da corrente de gate. A resistência máxima de pull-down (R_OL) vale aproximadamente 1 Ω e está diretamente relacionada ao processo de bloqueio do MOSFET. Já a resistência efetiva de pull-up (R_OH) vale cerca de 1,4×R_OL = 1,4 Ω e contribui para limitar a corrente durante a entrada em condução do MOSFET. Como esses valores não são tão discrepantes, irei adotar apenas um resistor de gate externo, cujo valor é dado por

(4)

onde R_G(int) representa a resistência interna de gate do MOSFET. Tal parâmetro não é encontrado no datasheet, mas pode ser mensurado na prática usando um analisador de impedância. Para evitar todo esse esforço, eu considerei o valor encontrado no modelo SPICE do componente.

Por fim, o valor do resistor R_S (ver Figura 2) pode ser escolhido arbitrariamente entre 10 kΩ e 100 kΩ. Esse resistor é usado para garantir que a tensão gate-source fique em 0 V quando o sinal de entrada está em nível lógico baixo, ou flutuando por algum motivo. Normalmente, eu utilizo 100 kΩ.

Bom, uma vez dimensionado o circuito de comando, podemos partir para a simulação. Para este exemplo, eu utilizei o modelo apresentado na Figura 3, o qual foi desenvolvido no software LTspice^©. A Figura 4 mostra as principais formas de onda do conversor, a partir das quais verificamos o seu correto funcionamento em regime permanente. Já a Figura 5 apresenta as grandezas relacionadas ao circuito de comando. Note que o sinal de comando (VC, correspondente a fonte V1 na Figura 3) está em fase com o sinal de saída, visto que o CI foi configurado como não inversor. Além disso, é possível perceber que o pico da corrente de gate (IG) ficou muito próximo do valor teórico, validando assim a nossa análise. Claro, o pico de corrente durante o bloqueio do MOSFET é um pouco superior aquele observado na entrada em condução, mas isso se deve ao fato a resistência interna de pull-down do CI ser ligeiramente inferior à resistência de pull-up.

 

 

Conclusão

Este artigo visou apresentar duas alternativas para a substituição do circuito de comando estudado no artigo anterior. Tratam-se de circuitos integrados compactos e não isolados, que englobam todas as funcionalidades necessárias para o acionamento de transistores MOSFET ou IGBT na configuração low-side. Como vimos, esses CIs suportam ambos os padrões CMOS e TTL, possibilitando assim a conexão direta na saída de microcontroladores ou DSPs. Existem ainda outros CIs desse tipo no mercado, tais como: IRS44273, 1ED44176N01F, UC1705, UC1710, UC2705, UC2710, UC3705, UC3710, UCC2751x, entre outros. Nos próximos artigos sobre esse assunto, irei abordar soluções para o acionamento de interruptores na configuração high-side, bem como alguns circuitos de comando isolados.

Se gostou desse conteúdo, ou se ficou com alguma dúvida, sinta-se à vontade para comentar aqui em baixo. Nos encontramos no próximo artigo. Até lá!

Referências

[1] International Rectifier. “IR2121 – Current Limiting Low Side Driver”. [datasheet]. Disponível em: <https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-IR2121-DS-v01_00-EN.pdf?fileId=5546d462533600a4015355c84fa31691>

[2] International Rectifier. “Using the Current Sensing IR212X Gate Drive ICs”. [application note]. Disponível em: <https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-Using_the_Current_Sensing_IR212x_Gate_Driver_ICs-AN-v01_00-EN.pdf?fileId=5546d462533600a401535590e5fd0f4c>

[3] Texas Instruments. “UCC27517A Single-Channel High-Speed Low-Side Gate Driver with Negative Input Voltage Capability”. [datasheet]. Disponível em: <https://www.ti.com/lit/ds/symlink/ucc27517a.pdf?ts=1593206133548&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.google.com%252F>

[4] NXP. “BUK9Y38-100E – N-channel logic level MOSFET in LFPAK56”. [datasheet]. Disponível em: <https://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/488929/NXP/BUK9Y38-100E.html>.

[5] SILICON LABS. “AN1009: Driving MOSFET and IGBT Switches Using the Si828x”. [Application Note]. Disponível em: <https://www.silabs.com/documents/public/applicationnotes/AN1009-driving-mosfet-and-igbt-switches-using-the-si828x.pdf>.

[6] Texas Instruments. “UCC2751x Single-Channel, High-Speed, Low-Side Gate Driver”. [datasheet]. Disponível em: <https://www.ti.com/lit/ds/symlink/ucc27517.pdf?ts=1606077366966&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.google.com%252F>.