Tipos de Gate Driver para MOSFET e IGBT

Em Eletrônica de Potência, os transistores MOSFET e IGBT são largamente utilizados na construção de equipamentos como Fontes Chaveadas, Amplificadores Classe D, Inversores de Frequência, entre outros. Contudo, o acionamento desses transistores como chaves eletrônicas depende do condicionamento dos sinais de controle em níveis de tensão e potência adequados. Para realizar esse condicionamento utilizamos um circuito chamado de Gate Driver.

1- O que é um Gate Driver?

Em conversores de potência, os transistores funcionam como chaves eletrônicas, ou seja, ligam ou desligam seguindo um comando digital produzido por um circuito de controle, normalmente um controlador PWM ou um microcontrolador. No entanto, esse circuito de controle produz um sinal de saída com um nível de tensão muito baixo, na ordem de 3,3V ou 5V, enquanto que um MOSFET/IGBT precisa de um comando de 12V-18V para ligar. Nesse sentido, é preciso usar um circuito entre o controle e os transistores para condicionar o sinal de comando para níveis de tensão e potência adequados à comutação dos transistores.

Os Gate Drivers são circuitos eletrônicos que cumprem essa função de condicionamento de sinais para o acionamento de transistores de potência. Em suma, os Gate drivers recebem um sinal digital de comando e o adaptam para tensões na faixa de 15V, ao mesmo tempo que conseguem dar pulsos de corrente elevados (2A a 8A) para carregar a capacitância de Gate dos transistores e permitir uma comutação rápida. Podemos construir gate drivers com eletrônica básica, porém, o mais comum é usarmos circuitos integrados, onde eles também oferecem uma série de funções de proteção e detecção de falhas.

2 – Tipos de Gate Drivers

No mercado, encontramos diferentes tipos de Gate Drivers para acionamento de MOSFETs e IGBTs. Grosso modo, diferenciamos os Gate Drivers em circuitos para acionamento de transistores de forma individual ou para o acionamento de mais de um transistor em uma configuração meia-ponte ou ponte completa. Nesta seção, vamos apresentar as principais categorias de Gate Drivers.

Gate Drivers Individuais

A Fig. 2 mostra um braço de transistores, configuração muito comum na montagem de inversores e outros conversores estáticos, para exemplificar os dois diferentes tipos de Gate Drivers individuais.

Com o braço de transistores como referência, o Low Side Gate Driver tem como finalidade acionar os transistores inferiores. Esses Drivers utilizam uma referência comum (GND) entre o sinal comando (Lin) e o do sinal de potência (Emissor/Source), de modo que a mesma tensão de alimentação (+VDD) supre tanto o lado de sinal, quanto o lado de potência do Driver. O uso desse Gate Driver se dedica ao acionamento de transistores que tenham o seu Emissor/Source conectados ao terra do circuito, como nos conversores Boost, Push-pull, Forward, Flyback, etc.

Os High Side Gate Drivers acionam os transistores superiores do braço, ou qualquer transistor que não esteja conectado ao terra (referência) do circuito, como no caso dos conversores Buck e Buck-boost. Nesses circuitos, como as referências do sinal de comando e do sinal de potência não são iguais, é necessário o uso de uma fonte isolada (+Viso) para alimentar a eletrônica do lado de potência. Assim, o circuito de acionamento inclui tanto o Gate Driver em si, quanto a fonte isolada. Apesar do aumento do custo, em relação ao Low Side Gate Driver, a configuração é mais versátil, já que possibilita também o uso em situações abarcadas pelo Low Side e garante um isolamento galvânico entre os circuitos de sinal e os de potência.

Gate Drivers com tecnologia Bootstrap

Os Gate Drivers Bootstrap, ao contrário dos Drivers individuais, buscam acionar mais de um transistor com o mesmo circuito. Esses Drivers são específicos para acionar transistores em braços meia-ponte ou ponte completa. Além disso, os drivers bootstrap podem ter modelos sem isolamento galvânico ou com isolamento, o que demanda o uso de uma fonte isolada.

A Fig. 3 mostra duas variantes de um Driver Bootstrap para o acionamento de uma configuraçào meia-ponte: o Half-bridge Gate Driver e o High and Low Side Gate Driver. A principal diferença entre esses dois modelos está na forma como ele lida com o sinal de comando.

O Half-bridge Gate Driver recebe apenas um sinal de comando na sua entrada, desse modo, internamente o Gate Driver produz um tempo morto para não permitir a comutação simultânea dos dois transistores do braço. Por outro lado, o High and Low Side Gate Driver não possui geração de tempo morto, o que faz com que ele receba dois sinais de comando, um para o transistor inferior (Lin) e outro para o transistor superior (Hin). Um gerador de tempo morto externo garante que Hin e Lin não acionem os transistores ao mesmo tempo.

Funcionamento do Circuito de Bootstrap

Internamente, o Driver Bootstrap é muito semelhante a um Low Side Gate Driver, porém, com um circuito de Level-shifter (deslocamento de nível) que transporta o comando do transistor superior a um circuito de acionamento próprio. A alimentação do circuito de acionamento do transistor superior vem do circuito de Bootstrap, destaque em vermelho na Fig. 3. Toda vez que o transistor inferior é acionado, há um curto e o capacitor de bootstrap se conecta ao terra do Driver e é carregado pela fonte +VDD através do diodo de bootstrap, como mostra a Fig. 5. Assim, o capacitor de Bootstrap fica carregado constantemente com uma tensão igual a +VDD e este alimenta o circuito de acionamento superior.

Assim, os drivers bootstrap permitem o comando de braços de transistores de forma muito simplificada e mais barata do que no caso dos drivers individuais. Contudo, caso o transistor inferior não comute durante um ciclo de operação, o capacitor de bootstrap perde a carga e o circuito superior não consegue acionar a sua chave. Logo, o uso deste tipo de Gate Driver demanda um duty cycle mínimo de 5% para garantir o acionamento periódico do transistor inferior. Outra desvantagem, porém, é a não existência de um isolamento galvânico entre o circuito de sinal e o de potência.

3 – Algumas funcionalidades de Gate Drivers

Além de realizarem o condicionamento da tensão de comando para o acionamento de MOSFETs e IGBTs, os Gate Drivers também apresentam diversas funcionalidades úteis. Algumas dessas funcionalidades são:

1. Controle de tempo morto. Alguns Gate Drivers de tecnologia Bootstrap possuem um gerador de tempo morto interno. Dessa forma, proíbe-se o acionamento simultâneo de ambos os transistores de um braço de chaveamento, evitando assim a queima dos transistores por curto-circuito. Um exemplo dessa funcionalidade está no Driver IR2104.
2. Isolamento Galvânico. Os Gate Drivers do tipo High Side e alguns Drivers Bootstrap apresentam um isolamento galvânico entre a entrada de sinal e o comando de potência. Portanto, esses drivers permitem que o comando e o estágio de potência estejam em referenciais diferentes, diminuindo assim problemas de compatibilidade e segurança. Porém, eles demandam o uso de fontes isoladas para funcionar. Como exemplos, temos o High-side Gate Driver HCPL-316J e a os drivers bootstrap isolados da família EiceDRIVER™ 2EDi.
3. Undervoltage Lockout (UVLO). Esta funcionalidade existe na maioria dos Gate-drivers e garante que só haverá comando para os transistores se a tensão de alimentação do driver for adequada. Assim, caso a tensão de alimentação caia abaixo de um valor mínimo, os pulsos do comando são desligados.
4. Proteções. Em aplicações que demandam maior confiabilidade é importante prevenir que sobrecargas ou faltas queimem os transistores. Porém, a velocidade de queima de um transistor é muito alta, o que impede o uso de fusíveis para proteção. Por isso, gate drivers de maior desempenho possuem funções de proteção contra curto-circuito e shoot-through .

4 – Conclusões

Os Gate Drivers são dispositivos indispensáveis para o acionamento de transistores em circuitos eletrônicos de potência. Eles promovem o condicionamento dos sinais e comando para níveis de tensão e corrente capazes de ligar/desligar os transistores de forma eficiente e segura. Neste post, nós apresentamos os diferentes tipos de Gate Drivers existentes e suas principais características. Assim, esperamos contribuir com o enriquecimento do conhecimento dos leitores do blog. Se você quiser saber mais sobre Gate Drivers e seus tipos, veja a aula do Prof. Thiago de Oliveira no Canal Eletrônica Geral.