º Por Osvaldo LW1DSEº

En capitulos anteriores hemos visto como se hace para exitar MOSFET's que se hallan aislados del generador de PWM via un transformador. Pero tambien se dijo que no era la unica forma de llevarle la exitacion, nombramos a los optoacopladores y los integrados especificos. Veamos como operan algunos de ellos.

b) Optoacopladores o fotoacopladores u optoaisladores (PC's).

Los tres significan lo mismo, pero son distintas denominaciones comerciales. Se trata (como ya explique en la entrega donde hable de pasar la realimentacion negativa para poder cerrar el lazo) de un LED (Acronimo de Light Emmiter Diode, o diodo emisor de luz) a un fototransistor o fotodiodo, el cual deja pasar una corriente cuando el LED se enciende. Pero, justamante en esta descripcion se halla la base de un problema. Dice "deja pasar", no genera. A diferencia del transformador, que permite transferir energia desde un circuito primario a uno secundario aislado galvanicamente, sucede que mediante un optoacoplador no permite pasaje de energia. Por lo tanto, para exitar la compuerta del MOSFET vamos a tener que sacar la energia desde otro lado, y dejarla pasar por el optoacoplador en el momento que la necesitemos. Para ello existen varios metodos, pero los mas comunmente usados son dos de ellos, que son los que describiremos a continuacion:

b1) Partiendo desde una fuente auxiliar: cuando se dispone de ella. En las fuentes mas importantes, generalmente por encima de los 100 watt, se implementa una fuente auxiliar llamada en la literatura inglesa como "Household", es decir algo asi como de `entrecasa'. La cuestion es que se trata de una fuentecita de poca potencia destinada a alimentar la logica de control de manera independiente de la fuente principal, y que rara vez tiene una salida para alimentar una carga externa, a no ser una señalizacion de "power good" o "fault".
Entonces, disponiendo de tal fuente interna, puede agregarse al diseño una salida para alimentar los MOSFET's de salida. En fuentes algo añejas, se trataba de una pequeña fuente lineal alimentada desde un transformadorcito de hierro (50-60 Hz) de no mas de 10 o 15 watt. En las de hace una decada a la actualidad, esta tambien ha sido reemplazada por una mini-fuente-conmutada.
Para nuestro analisis actual, vamos a ignorar la naturaleza de tal suministro de energia local.

El principio de funcionamiento no puede ser mas facil. Cuando el transistor interno del control PWM conduce, enciende el LEd del PC, polarizado en directa via Rc, este hace conducir al transistor de salida del PC, el cual hace positivo su emisor, saturando el BJT superior del par complementario NPN imponiendo la tensi¢n positiva de +12V (descontando perdidas internas) en la compuerta del MOSFET. Cuando la salida del PWM pasa al estado de no conduccion, se bloquea el LED, el cual desexita el BJT de salida del PC. La base del mismo se queda a potencial de source del FET por Rb, saturando el transistor PNP y bloqueando al NPN, de manera tal que se descarga la capacidad de compuerta via el transistor PNP. A pesar de su extrema sencillez, hay un dato no menor en cuanto a la eleccion del fotoacoplador (PC por sus iniciales del ingles, Photo Coupler). No son muy comunes los PC's que respondan correctamente mas alla  de los 10 o 20 KHz, de modo que de presentarse una reparacion, debe ser sustituida por una pieza identica al original. Notese que el negativo de la fuente auxiliar debe retornar al source del MOSFET, que no necesariamente es masa del circuito de alta tension, cosa que puede ser corroborada (re)leyendo el cap¡tulo sobre las topologias Buck, Inverter, Half/Full Bridge, etc., de modo que al revisar este sector de la fuente, operar con sumo ciudado para no recibir una poderosa descarga.

Existen en la actualidad, circuitos integrados en los cuales, ademas del PC, se hallan incorporados a el, un driver seguidor por emisor, es decir que comprende al fototransistor/fotodiodo, y un circuito de salida para conducir directamente al FET. Pero, de cualquier forma, el circuito de aplicacion termina siendo similar al visto en la figura 1, y en caso de dudas, siempre es recomendable chequear la hoja de datos (Data Sheet) del fabricante. Otras veces, se recurre a ambas soluciones independientes, quiero decir, a un integrado con driver, y luego a una etapa extra por fuera del mismo. Eso forma parte de la ecuacion tecnico-economica de la que ya he hablado.

En el caso de tener que exitar mas de un MOSFET, se debe tener una salida de la fuentecita auxiliar independiente para cada uno de los driver, a excepci¢n del caso de un full bridge, (mono, tri o polifasico) donde los FET inferiores (referidos ambos al mismo potencial de negativo de la fuente principal de entrada de alta tension) que pueden compartir la misma provision de energia.

b2) Bootstrapping:

Cuando la ingenieria de la fuente es tal que lo que se necesita para llegar al MOSFET de potencia es solamente vencer una gran barrera de potencial pero que estan referidas a una misma masa comun, se puede utilizar un sistema denominado bootstrapping. El termino deriva de un personaje de leyenda que quiso elevarse en altura tirando de los cordones de sus botas (boot:bota, strap: cordon). Lo cierto es que el propio circuito genera su alimentacion de manera bastante simple, pero con un alto grado de inseguridad, y a condicion de tener masas comunes.

Como se puede observar, es un poco mas complejo, pero es simple en su modo de operacion. El MOSFET MF2 se exita desde la salida del control por PWM previa inversion de fase, por medio de Q2, y la amplificacion de corriente que provee el par complementario Q5 & Q6. Cuando MF2, que es parte de la etapa de potencia de la fuente, pone a masa el punto de union de los dos MOSFET principales MF1 y MF2, tambien se pone a masa el capacitor C1, el capacitor de boot-strapping. Este se carga negativo en la armadura inferior, y positiva en la superior por via del diodo D1 que queda de esta manera polarizado en directa, cargando a C1 a los +12V de la fuente auxiliar. Mientras esto pasa, MF1 permanece bloquado porque Q1 conduce, poniendo la base de Q3 y Q4 a un potencial bajo por medio de R1. Durante el Dead Time, Q1 y Q2 son conductores, sacando de servicio a los buffers, y con ellos a los MOSFET's.

Pasado el Dead Time, se debe llevar a conduccion a MF1. Para ello, el PWM pasa a estado alto la salida `open collector' vinculada a la base de Q2, el cual entra en conduccion. Esto deja sin polarizacion de base a Q5 y Q6, permaneciendo el bloqueo de MF2. Pero, la salida conectada a Q1 esta activa baja, entonces, Q1 no puede conducir, con lo cual el colector se va hasta la suma de ++B mas los 12 Volts acumulados en C1. Es justamente la tension en C1 la que hace que via Rb1 se polarice positivamente la base del buffer Q3 & Q4, posibiltando el pasaje de una fraccion de la carga almacenada en C1 al Gate de MF1, permitiendo su entrada en conduccion. Cuando ello suceda, la union del par de MOSFET de salida se aproxime a ++B, facilitando el ciclo positivo de la señal de salida del half bridge. Entonces, en ese momento, el capacitor C1 que perdio una parte despreciable de su carga para proveer la exitacion de Gate, polariza en inversa al diodo D1 evitando que el remanente de energia en el almacenada, se pierda sobre la fuente de +12V. Cuando llegue el proximo periodo Dead Time, se repite la situacion descripta lineas mas arriba. Cuando el PWM vuelva a llevar a MF2 a la conduccion se repetira  lo enunciado mas arriba, con lo que C1 podra  recuperar lo que perdio para exitar a MF1.

Es asi como C1 se comporta como una fuente de almacenamiento de energia para la compuerta de MF1, recargable en cada ciclo. De esta forma no se hace necesario disponer de una salida extra de la fuente auxiliar ad hoc para el MOSFET MF1. Empero, este sistema tiene dos severas restricciones:

Una, que deben estar vinculadas las masas del circuito de potencia, y el de alimentacion auxiliar (como ya se menciono);

Dos, que toda la seguridad de buen funcionamiento queda supeditado a la aislacion provista por el diodo D1. Detengase el lector a observar que sucede si ese diodo entra en cortocircuito: se juntan los 12V con el ++B con resultados catastroficos.

No obstante, este sistema es bastante utilizado, y es la base del funcionamiento para los integrados driver especificamente diseñados para ello y suelen resultar muy confiables. Pero, el peligro siempre esta  latente.

Por Osvaldo LW1DSE

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