1 Introducción

becauseigbtdeben acudir cambiarDebido a su alta frecuencia, bajo consumo de energía de conducción y control de puerta conveniente, se ha utilizado ampliamente en sistemas de conversión de alta potencia. En aplicaciones de IGBT, además de su propio nivel técnico, otro factor importante a considerar es si el diseño de su controlador es razonable y confiable.circuitoentre el controlador y elinterfaz.El circuito está estrechamente relacionado con el consumo de energía y la fiabilidad del sistema. Un controlador optimizado es indispensable en el sistema de conversión de energía. La elección de un circuito controlador adecuado está directamente relacionada con la fiabilidad de la solución convertidora en su conjunto.

El controlador realiza principalmente las siguientes tres funciones. La primera es la función de control, que proporciona un control suficientemente grande para el interruptor IGBT.corriente, to ensure that igbt can be reliably turned on and off under its control; secondly, the driver must have a protection function. When igbt occurscortocircuitoO bien, en caso de sobrecorriente, el controlador puede apagar el IGBT en el menor tiempo posible para proteger el dispositivo de alimentación.Además, en aplicaciones de alta tensión y alta potencia, el controlador, como puente de conexión entre el circuito de control y el circuito de potencia, debe tener la función de aislamiento eléctrico para garantizar que el circuito de control no se vea interferido ni afectado por el circuito de potencia.Partiendo de la premisa de satisfacer las tres funciones anteriores, el conductor también debe considerar la relación entre flexibilidad, rendimiento y precio.

Due to the different current capacities and voltage levels of IGBT, there are also differences in the technical requirements for its drivers. In low-power applications, because the driving current is relatively small, integrated drivers are mostly used. In high-power and high-voltage applications, such as high-power UPS power supplies, high-voltageConvertidor de frecuenciaetc., lo que requiere que el controlador proporcione una corriente de accionamiento mayor, un voltaje de aislamiento más alto y funciones de protección más completas. Este artículo se centra en los módulos de accionamiento IGBT de alta potencia más utilizados actualmente en el mercado, como el SKHI22 de Semikron y el 2SD315A de Concept, etc., y analiza algunas de sus características técnicas comunes, aspectos de diseño y tendencias de desarrollo futuro de la tecnología de accionamiento IGBT de alta potencia.

2 Analysis of technical characteristics

2.1 Complete signal processing functions

In high-voltage and high-power applications, it is very important to ensure the reliability of the IGBT drive signal, considering factors such as the strong interference generated by the switch and the high cost of IGBT. Therefore, high-power igbt drive modules usually have a complete drive pulse signal preprocessing function, whose purpose is to ensure the reliability of the pulse signal of the igbt gate. Common drive signal processing functions are as follows:

(1) Función de enclavamiento de pulsos de doble canal

Cuando el módulo de control emite dos señales de pulso para controlar los IGBT superior e inferior del mismo brazo del puente, si la señal de control activa la conducción de ambos IGBT simultáneamente, se producirá un cortocircuito que podría dañar el IGBT u otros dispositivos. Para evitar esta situación, el módulo de control incorpora un circuito de enclavamiento de señal que garantiza que, cuando las dos señales de pulso de entrada estén en nivel alto al mismo tiempo, las dos salidas estén en nivel bajo simultáneamente, evitando así el cortocircuito. Si se requiere el control independiente de las señales de control duales, la función de enclavamiento también puede protegerse mediante terminales externos.

(2) Narrow pulse suppression function

The narrow pulse signal caused by the control circuit or interference, etc., is added to the gate of the IGBT through the driver, which may cause the IGBT to complete a switching process in a short time. A too short pulse signal causes the IGBT to turn off before it is fully turned on, which has a negative impact on the output of the converter, increases the switching loss of the IGBT, and reduces the efficiency of the system. A filter circuit is designed in the driver to remove narrow pulse signals, which is beneficial to improving the reliability of igbt.

(3) Dead time setting function

En el modo de funcionamiento de medio puente, los dos IGBT deben activarse alternativamente. Para evitar que se activen simultáneamente durante la conmutación, se debe añadir un tiempo muerto cuando se activan de forma alterna. Este tiempo muerto varía según las características de los IGBT. En el módulo de control de alta potencia de doble canal, se ha diseñado internamente un circuito de control de zona muerta, cuyo tamaño se puede ajustar mediante diferentes métodos de conexión de terminales externos, como la conexión de terminales de distinta capacidad.capacidad(2sd106) or high and low level (skhi22a/b).

Figure 1 shows semikromThe signal processing block diagram of the company's igbt high-power driver [3] includes various signal processing functional modules, whose purpose is to ensure the reliability of the igbt drive signal.

2.2 Método de transmisión aislada de señales de control

Considerando que el controlador IGBT de alta tensión y alta potencia funciona en un entorno de alta tensión, para garantizar que el controlador no se vea afectado por la alta tensión, la señal de pulso de control debe aislarse y luego transmitirse a la puerta del IGBT. Los métodos de aislamiento comunes incluyen el aislamiento óptico y el aislamiento magnético. El aislamiento óptico incluyeOptoacopladoraislamiento yfibra ópticaEl método de aislamiento mediante optoacopladores presenta problemas como retardo de transmisión, envejecimiento y fiabilidad debido a la tensión de aislamiento relativamente baja. Rara vez se utiliza en aplicaciones de alta tensión donde la tensión del bus de CC supera los 800 V. Y adoptatransformador de pulsoEl método de aislamiento (aislamiento magnético) puede lograr un voltaje de aislamiento relativamente alto, ytransformadorIt has high reliability, small transmission delay, can achieve higher switching frequency, and does not have aging problems. Therefore, most of the high-voltage igbt drivers use pulse transformers as isolation components to complete the isolation transmission of drive signals.

El transformador de pulsos de excitación tradicional aísla la señal de pulso amplificada y excita directamente el IGBT o el transistor MOS de potencia. Su principio de circuito básico se muestra en la Figura 2. La función del condensador en serie primario es eliminar el componente de CC del pulso de excitación. El regulador de voltaje en paralelo secundario se utiliza para evitar que el voltaje de salida sea demasiado alto y dañe el transistor de conmutación de potencia. Este método de funcionamiento no requiere una fuente de alimentación de excitación independiente, el diseño del circuito es simple y el costo es relativamente bajo. Sin embargo, cuando el ciclo de trabajo del pulso de excitación varía ampliamente, especialmente cuando el ciclo de trabajo es relativamente grande, dado que el área voltio-segundo de la forma de onda de salida del transformador en un ciclo debe ser igual, la amplitud del pulso positivo de salida puede reducirse, lo que imposibilita la excitación normal del IGBT. El ciclo de trabajo del pulso de control generalmente debe ser inferior al 50%. Al mismo tiempo, el transformador de pulsosnúcleo magnéticoThe saturation problem also limits the on-time of the control pulse. Another disadvantage is the distortion of the driving waveform, especially when driving high-power IGBT. Due to the relatively large input capacitance of IGBT, the driving pulse waveform of the secondary output of the pulse transformer is difficult to meet the driving requirements. Therefore, this driving method is mainly used in low-powerfuente de alimentación conmutadamedio.

Para IGBT de alta tensión y alta potencia, el método de control descrito anteriormente obviamente no es aplicable. El método comúnmente utilizado consiste en modular la señal de pulso de control y convertir sus flancos de subida y bajada en dos señales de pulso estrechas invertidas. El transformador de pulsos simplemente convierte estas dos señales.acoplamientoto the secondary level, and then restore the driving pulse signal through the secondary reconstruction method. Its working principle is shown in Figure 3.

This method can be called pulse edge coupling transmission method. The advantage of this method is that the pulse transformer only transmits narrow pulse signals with a fixed pulse width and can adapt to driving pulse signals with a wide range of duty cycle changes. Since the transformer transmits narrow pulse signals, the core and windings of the transformer can take relatively small values, and the corresponding leakage inductance and distributed capacitance are also relatively small, which is beneficial to the design of the pulse transformer and signal transmission. The disadvantage is that the conversion and reconstruction circuit is added, and the circuit is relatively complicated. Figure 4 shows the primary experimental waveform of the pulse transformer after conversion.

Para facilitar a los usuarios el diseño de la fuente de alimentación del controlador, los módulos de controlador IGBT de alta potencia suelen incluir un convertidor CC/CC integrado. Los convertidores CC/CC con altos niveles de aislamiento de tensión no requieren que los usuarios diseñen por separado una fuente de alimentación aislada. Los convertidores de aislamiento integrados suelen adoptar una estructura de medio puente o push-pull. Para aumentar la tensión de aislamiento y simplificar el circuito de control del convertidor, generalmente no tienen control de lazo cerrado. Algunos controladores añaden una fuente de alimentación regulada lineal en el extremo de salida para estabilizar la tensión de accionamiento. Para reducir el tamaño del transformador, la frecuencia de funcionamiento suele ser superior a 100 kHz. En aplicaciones de alta tensión y alta potencia, dependiendo de la tensión del bus, el controlador debe tener una alta tolerancia de tensión de aislamiento entre el primario y el secundario. Una tensión de bus de 900 V CC requiere al menos una tensión de aislamiento de 4 kV CA. Otro factor que debe considerarse es la tolerancia dv/dt. Cuando el IGBT conmuta a alta velocidad, puede generarse un dv/dt muy alto. Esta señal puede acoplarse al circuito de control primario mediante un transformador de aislamiento o un transformador de impulsos, lo que provoca interferencias en dicho circuito. Por lo tanto, al diseñar el transformador de aislamiento, es necesario que la capacitancia de acoplamiento primaria y secundaria sea muy pequeña. El tamaño de la capacitancia de acoplamiento del transformador se determina según los requisitos específicos de resistencia dv/dt, que generalmente es inferior a 20 pF.

El proceso de fabricación del transformador es clave para lograr la alta tensión de aislamiento mencionada anteriormente. Para aumentar la tolerancia de la tensión de aislamiento y reducir la capacitancia de acoplamiento entre el primario y el secundario, los devanados se suelen enrollar por separado y se separan mediante deflectores aislantes. En ocasiones, es necesario recubrir la superficie del núcleo magnético con un material aislante más grueso o enrollarlo con tres capas de hilo aislante. La figura 5 muestra un diagrama esquemático de la estructura del transformador del módulo controlador IGBT 2ED300C17 de EUPEC [4].

2.4 Protección contra cortocircuitos y ajuste de umbral

The currently commonly used igbt short circuit or overcurrent protection method is realized by detecting the voltage value of vce [5]. When the igbt has a short circuit or overcurrent, its working area will exit the saturation zone and the vce voltage will increase. Specifically,circuito de protecciónEl principio se muestra en la Figura 6.diodod está conectado al colector del IGBT para realizar la detección de subsaturación del IGBT. El aumento en el voltaje vce aumentará correspondientemente el potencial del ánodo del diodo en serie. Cuando se supera el umbral de cortocircuito establecido, el circuito de protección actuará y apagará el IGBT. Dado que el voltaje del colector del IGBT es relativamente alto en la etapa inicial de encendido, si el circuito de protección opera en este momento, puede causar un mal funcionamiento. Se debe establecer un tiempo de zona muerta, durante el cual el circuito de protección contra cortocircuitos no funcionará. Esta función está conectada en paralelo a través del interruptor s y un circuito externo.resistenciaIt is realized by rce and capacitor cce. When igbt is turned off, s is turned on, and capacitor cce is charged to 15v. When igbt is turned on, s is turned off, and the cce capacitor is discharged through rce. The discharge end voltage is:

Esto puede provocar que la tensión de referencia sea mayor que la tensión de detección en la fase inicial de activación del IGBT, evitando así el mal funcionamiento del circuito de protección. La forma de onda durante el funcionamiento normal se muestra en la Figura 7(a). La forma de onda cuando se produce un cortocircuito o una sobrecorriente se muestra en la Figura 7(b).

2.5 Método de interfaz de usuario

Para adaptarse a los módulos IGBT empaquetados por diferentes fabricantes, el controlador IGBT debe tener una interfaz fácil de usar. También requiere una gran flexibilidad y un costo económico. Los módulos controladores comunes actualmente en el mercado utilizan principalmentesoldaduraImplement the connection with igbt on the pcb board, such as: skhi22, 2sd315a and 2ed300c17, etc. In order to facilitate installation, a direct plug-in connection method is also used. Figure 8 is the appearance of the skyper driver module developed by semikron. It is connected to the drive interface board in a plug-in manner.

Since the drive module (drive core) only provides the most important common functions in the drive, its connection with different modules in different applications needs to rely on the interface board. The entire module-drive unit includes a power module with a spring interface, a standard or enhanced drive core, and an interface board that connects the drive core to the specified module. The interface board that can be customized has an outstanding advantage: the user can adjust and determine the switching characteristics of the igbt by himself, for example: changing the speed of igbt opening or closing by adjusting rgon or rgoff; adjusting the dead time or disabling the interlock function; adjusting the vce protection point and window time, etc. Compared with the intelligent power module ipm currently on the market, the interface board makes the entire system more flexible and easier to adapt to different applications. Once the system parameters are set, the entire system can be used as easily as ipm. The electrical connection between the semix module and the interface board is through the spring built in the semix module and the bottom layer of the interface board.Contactoto achieve. After assembly, the contacts of the interface board touch the spring contacts of the module, completing the electrical connection through pressure contact. Contact pressure increases the reliability of the power module compared to soldering technology. Similarly, the plug-in connection between the drive core and the interface board is also to avoid welding [6]. Figure 9 is an example diagram of the connection between the driver core, interface board and semix module.

2.6 Highly integrated

La tendencia de desarrollo del controlador es hacia una alta integración, lo que puede reducir el tamaño del controlador y lograr una integración más estrecha con el IGBT, facilitando la instalación, reduciendo la longitud de los cables de conexión entre los módulos controlador-IGBT y reduciendo los cables.inductancia. In order to achieve this goal, the igbt driver modules currently developed by some foreign companies all use self-developed specialcircuito integradoASICPor ejemplo: el skic2001a de Semikron y los ldi001 y lgd001 de Concept. Mediante la aplicación de ASIC, la mayoría de las funciones de control y protección se pueden implementar con circuitos integrados, lo que reduce considerablemente el tamaño del variador y aumenta la fiabilidad del variador IGBT.

3. Tendencias de desarrollo de los módulos de accionamiento IGBT de alta tensión y alta potencia

As a composite power semiconductor, igbt is being used more and more widely, especially in high-power converters, due to its low power consumption, high switching frequency and large current capacity. The requirements for its drive circuit will also become higher and higher. The main technical development directions are reflected in the following aspects.

(1) Higher integration

Actualmente, el tamaño de los módulos controladores IGBT de alta potencia sigue siendo relativamente grande. Para aumentar la tensión de aislamiento, se suele utilizar un transformador. El tamaño y el peso del transformador son considerables, lo que dificulta su integración. Por lo tanto, los controladores futuros utilizarán componentes más pequeños y fáciles de integrar.Aisladorcomponents, such as applying piezoelectric transformers or advanced magnetic integration technology to reduce the size and weight of isolation components and increase integration [7]. It is foreseeable that in the future, high-power IGBT and its drive circuit will be integrated into the same module. Users only need to directly introduce the control signal into the power module to control the IGBT.

(2) Higher isolation voltage

Current drivers use optocouplers and transformers to achieve isolation. The advantage of optocouplers is their small size, but they have shortcomings such as relatively low isolation voltage, easy aging, and large delay. Transformer isolation has a higher isolation voltage and smaller delay, but is larger. Therefore, when high-voltage isolation is required, transformers are mostly used to achieve isolation. Currently, the highest isolation voltage of a transformer-isolated drive module is about 3300v. The highest voltage level of igbt has reached 6500v. In order to adapt to higher voltage applications, drivers with higher isolation voltage must be used.

(3) Greater driving power

La capacidad de los módulos IGBT aumenta constantemente, y la capacidad de corriente de un solo módulo puede alcanzar los 3600 A. En ocasiones, para aumentar la capacidad, se suelen conectar en paralelo, lo que también exige una mayor potencia de salida del controlador. La corriente de salida máxima del controlador debe incrementarse en consecuencia, especialmente cuando se utilizan varios módulos en paralelo. En estos casos, la potencia de salida promedio del controlador debe alcanzar entre 5 W y 10 W, y la corriente de salida máxima instantánea debe superar los 30 A.

(4) Higher switching frequency

In order to adapt to applications in induction heating power supplies, the switching frequency of igbt continues to increase. With the development of manufacturing technology, the highest switching frequency of igbt can already be above 100khz, which can partially replace the power mos tube. For the driver, it means that it must provide greater drive power, and the driver must have shorter drive pulse delay time and rise and fall times, and provide greater instantaneous maximum drive current, etc.

(5) More complete functions

The currently widely used gate drive technology cannot control the di/dt and dv/dt caused by the igbt switching process, thereby controlling the emi of the conversion circuit. Active gate drive technology can effectively control the higher di/dt and dv/dt caused by igbt switching. Accordingly, it can make igbt work in a safer working area, reduce the emi generated during its switching process, and accordingly reduce the igbt buffer absorption circuit. Among them, the three-stage active gate drive technology is an active gate drive technology with wide application prospects [8]. In addition, in order to meet the needs of series and parallel IGBT applications, the driver must also have dynamic voltage and current sharing functions.

4 Conclusión

As a key power semiconductor device in power electronic systems, IGBT has continued to grow for several years. As it enables power electronic devices and equipment to achieve higher efficiency, higher switching frequency and miniaturized design of power conversion devices, with the continuous improvement of performance, the application fields of IGBT devices have expanded to a wider range. Not only in industry, but also in many other power conversion systems, it has replaced high-power bipolartransistor(gtr), power mosTransistor de efecto de campo(mosfet), even an alternative gate shut-off occursTiristor(gto) tendencias realistas. La tecnología de módulos controladores IGBT de alta potencia seguirá mejorando, y el nivel de integración también aumentará, reduciendo así el consumo de energía y la EMI de los IGBT, y mejorando la fiabilidad del sistema. Con el desarrollo de la tecnología de fabricación de IGBT y el aumento de sus campos de aplicación, los requisitos de rendimiento de sus controladores también aumentan constantemente. Para adaptarse al rendimiento de la nueva generación de IGBT, varios fabricantes de controladores están desarrollando productos con un rendimiento más completo.

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