1 Pendahuluan

karenaigbtmemilikisaklarKarena frekuensinya yang tinggi, konsumsi daya konduksi yang rendah, dan kontrol gerbang yang mudah, IGBT telah banyak digunakan dalam sistem konversi daya tinggi. Dalam aplikasi IGBT, selain tingkat teknisnya sendiri, faktor penting lain yang perlu dipertimbangkan adalah apakah desain drivernya masuk akal dan andal. IGBT sebagai penggerak dayasirkitantara pengontrol danantarmukaRangkaian tersebut berkaitan erat dengan konsumsi daya dan keandalan sistem. Penggerak yang dioptimalkan sangat penting dalam sistem konversi daya. Memilih rangkaian penggerak yang tepat sangat berkaitan dengan keandalan solusi konverter secara keseluruhan.

Driver ini terutama menjalankan tiga fungsi berikut. Pertama adalah fungsi penggerak, yang menyediakan daya penggerak yang cukup besar untuk sakelar IGBT.arus, untuk memastikan bahwa IGBT dapat dihidupkan dan dimatikan dengan andal di bawah kendalinya; kedua, driver harus memiliki fungsi perlindungan. Ketika IGBT terjadikorsletingAtau ketika terjadi arus berlebih, driver dapat mematikan IGBT dalam waktu sesingkat mungkin untuk melindungi perangkat daya.Selain itu, dalam aplikasi tegangan tinggi dan daya tinggi, driver, sebagai jembatan penghubung antara rangkaian kontrol dan rangkaian daya, harus memiliki fungsi isolasi listrik untuk memastikan bahwa rangkaian kontrol tidak akan terganggu dan terpengaruh oleh rangkaian daya.Dengan asumsi terpenuhinya ketiga fungsi di atas, pengemudi juga harus mempertimbangkan hubungan antara fleksibilitas, kinerja, dan harga.

Karena perbedaan kapasitas arus dan tingkat tegangan IGBT, terdapat pula perbedaan dalam persyaratan teknis untuk drivernya. Pada aplikasi daya rendah, karena arus penggeraknya relatif kecil, driver terintegrasi lebih banyak digunakan. Pada aplikasi daya tinggi dan tegangan tinggi, seperti catu daya UPS daya tinggi, tegangan tinggiKonverter frekuensidll., yang mengharuskan driver untuk menyediakan arus penggerak yang lebih besar, tegangan isolasi yang lebih tinggi, dan fungsi perlindungan yang lebih lengkap. Artikel ini berfokus pada modul penggerak IGBT daya tinggi yang umum digunakan di pasaran saat ini, seperti SKHI22 dari Semikron dan 2SD315A dari Concept, dll., dan menganalisis beberapa fitur teknis umum, poin desain, dan tren pengembangan masa depan teknologi penggerak IGBT daya tinggi.

2 Analisis karakteristik teknis

2.1 Fungsi pemrosesan sinyal lengkap

Dalam aplikasi tegangan tinggi dan daya tinggi, sangat penting untuk memastikan keandalan sinyal penggerak IGBT, dengan mempertimbangkan faktor-faktor seperti interferensi kuat yang dihasilkan oleh sakelar dan biaya IGBT yang tinggi. Oleh karena itu, modul penggerak IGBT daya tinggi biasanya memiliki fungsi pra-pemrosesan sinyal pulsa penggerak yang lengkap, yang tujuannya adalah untuk memastikan keandalan sinyal pulsa gerbang IGBT. Fungsi pemrosesan sinyal penggerak umum adalah sebagai berikut:

(1) Fungsi penguncian pulsa saluran ganda

Ketika modul penggerak mengeluarkan dua sinyal pulsa untuk mengontrol IGBT atas dan bawah pada lengan jembatan yang sama, jika sinyal penggerak mengontrol konduksi dua IGBT secara bersamaan, akan terjadi korsleting tembus, yang dapat menyebabkan kerusakan pada IGBT atau perangkat lain. Untuk mencegah situasi tersebut, sirkuit interlock sinyal dirancang di dalam modul penggerak untuk memastikan bahwa ketika kedua sinyal pulsa input tinggi secara bersamaan, kedua output rendah secara bersamaan untuk mencegah korsleting tembus. Ketika kontrol independen dari dua sinyal penggerak diperlukan, fungsi interlock juga dapat dilindungi melalui terminal eksternal.

(2) Fungsi penekanan pulsa sempit

Sinyal pulsa sempit yang disebabkan oleh rangkaian kontrol atau interferensi, dll., ditambahkan ke gerbang IGBT melalui driver, yang dapat menyebabkan IGBT menyelesaikan proses switching dalam waktu singkat. Sinyal pulsa yang terlalu pendek menyebabkan IGBT mati sebelum sepenuhnya menyala, yang berdampak negatif pada output konverter, meningkatkan kerugian switching IGBT, dan mengurangi efisiensi sistem. Rangkaian filter dirancang dalam driver untuk menghilangkan sinyal pulsa sempit, yang bermanfaat untuk meningkatkan keandalan IGBT.

(3) Fungsi pengaturan waktu mati

Dalam mode kerja setengah jembatan, kedua IGBT harus diaktifkan secara bergantian. Untuk mencegah kedua IGBT diaktifkan secara bersamaan selama proses pengalihan, waktu mati tertentu harus ditambahkan ketika kedua tabung diaktifkan secara bergantian. Waktu mati tersebut berbeda-beda tergantung pada karakteristik IGBT yang berbeda. Pada modul penggerak daya tinggi dua saluran, sirkuit kontrol zona mati dirancang secara internal, dan ukuran zona mati dapat disesuaikan melalui berbagai metode koneksi terminal eksternal, misalnya dengan menghubungkan terminal eksternal dengan kapasitas yang berbeda.kapasitansi(2sd106) atau tingkat tinggi dan rendah (skhi22a/b).

Gambar 1 menunjukkan semikROMDiagram blok pemrosesan sinyal dari driver daya tinggi IGBT perusahaan [3] mencakup berbagai modul fungsional pemrosesan sinyal, yang tujuannya adalah untuk memastikan keandalan sinyal penggerak IGBT.

2.2 Metode transmisi sinyal penggerak terisolasi

Mengingat bahwa driver IGBT tegangan tinggi dan daya tinggi bekerja di lingkungan tegangan tinggi, untuk memastikan bahwa pengontrol tidak terpengaruh oleh sisi tegangan tinggi, sinyal pulsa penggerak harus diisolasi dan kemudian ditransmisikan ke gerbang IGBT. Metode isolasi umum meliputi isolasi optik dan isolasi magnetik. Isolasi optik meliputioptocouplerisolasi danserat optikMetode isolasi optocoupler memiliki masalah seperti penundaan transmisi, penuaan, dan keandalan karena tegangan isolasi yang relatif rendah. Metode ini jarang digunakan dalam aplikasi tegangan tinggi di mana tegangan bus DC melebihi 800V. Dan mengadopsitransformator pulsaMetode isolasi (isolasi magnetik) dapat mencapai tegangan isolasi yang relatif tinggi, dantransformatorMemiliki keandalan tinggi, penundaan transmisi kecil, dapat mencapai frekuensi switching yang lebih tinggi, dan tidak memiliki masalah penuaan. Oleh karena itu, sebagian besar driver IGBT tegangan tinggi menggunakan transformator pulsa sebagai komponen isolasi untuk menyelesaikan transmisi sinyal penggerak secara terisolasi.

Transformator pulsa penggerak tradisional mengisolasi sinyal pulsa yang diperkuat dan langsung menggerakkan IGBT atau tabung MOS daya. Prinsip rangkaian dasarnya ditunjukkan pada Gambar 2. Fungsi kapasitor seri primer adalah untuk menghilangkan komponen DC dari pulsa penggerak. Tabung regulator tegangan paralel sekunder digunakan untuk mencegah tegangan keluaran terlalu tinggi dan merusak tabung sakelar daya. Metode kerja ini tidak memerlukan catu daya penggerak terpisah, desain rangkaiannya sederhana, dan biayanya relatif rendah. Namun, ketika siklus kerja pulsa penggerak bervariasi secara luas, terutama ketika siklus kerja relatif besar, karena luas volt-detik dari bentuk gelombang keluaran transformator dalam satu siklus harus sama, amplitudo pulsa positif keluaran dapat berkurang, sehingga tidak mungkin untuk menggerakkan IGBT secara normal. Siklus kerja pulsa kontrol biasanya diharuskan kurang dari 50%. Pada saat yang sama, transformator pulsainti magnetikMasalah saturasi juga membatasi waktu aktif pulsa kontrol. Kerugian lainnya adalah distorsi bentuk gelombang penggerak, terutama saat menggerakkan IGBT daya tinggi. Karena kapasitansi input IGBT yang relatif besar, bentuk gelombang pulsa penggerak keluaran sekunder transformator pulsa sulit memenuhi persyaratan penggerak. Oleh karena itu, metode penggerak ini terutama digunakan pada daya rendah.beralih catu dayaTengah.

Untuk IGBT tegangan tinggi dan daya tinggi, metode penggerak di atas jelas tidak dapat diterapkan. Metode yang umum digunakan adalah memodulasi sinyal pulsa penggerak dan mengubah tepi naik dan tepi turunnya menjadi dua sinyal pulsa sempit terbalik. Transformator pulsa hanya mengubah kedua sinyal pulsa ini.kopelke tingkat sekunder, dan kemudian memulihkan sinyal pulsa penggerak melalui metode rekonstruksi sekunder. Prinsip kerjanya ditunjukkan pada Gambar 3.

Metode ini dapat disebut metode transmisi kopling tepi pulsa. Keuntungan dari metode ini adalah transformator pulsa hanya mentransmisikan sinyal pulsa sempit dengan lebar pulsa tetap dan dapat beradaptasi dengan sinyal pulsa penggerak dengan rentang perubahan siklus kerja yang luas. Karena transformator mentransmisikan sinyal pulsa sempit, inti dan lilitan transformator dapat memiliki nilai yang relatif kecil, dan induktansi kebocoran serta kapasitansi terdistribusi yang sesuai juga relatif kecil, yang bermanfaat untuk desain transformator pulsa dan transmisi sinyal. Kerugiannya adalah penambahan rangkaian konversi dan rekonstruksi, dan rangkaiannya relatif rumit. Gambar 4 menunjukkan bentuk gelombang eksperimental utama transformator pulsa setelah konversi.

Untuk memudahkan pengguna dalam mendesain catu daya penggerak, modul penggerak IGBT daya tinggi biasanya dilengkapi dengan konverter DC/DC di dalamnya. Konverter DC/DC dengan tingkat tegangan isolasi tinggi tidak mengharuskan pengguna untuk mendesain catu daya isolasi secara terpisah. Konverter isolasi terintegrasi biasanya menggunakan struktur setengah jembatan atau dorong-tarik. Untuk meningkatkan tegangan isolasi dan menyederhanakan rangkaian kontrol konverter, umumnya tidak memiliki kontrol loop tertutup. Beberapa penggerak menambahkan catu daya teregulasi linier di ujung keluaran untuk menstabilkan tegangan penggerak. Untuk mengurangi ukuran transformator, frekuensi operasi sebagian besar di atas 100 kHz. Dalam aplikasi tegangan tinggi dan daya tinggi, tergantung pada tegangan bus, penggerak harus memiliki toleransi tegangan isolasi yang tinggi antara primer dan sekunder. Tegangan bus 900 VDC membutuhkan setidaknya tegangan isolasi 4 kV AC. Faktor lain yang harus dipertimbangkan adalah toleransi dV/dt. Ketika IGBT beralih pada kecepatan tinggi, dV/dt yang sangat tinggi dapat dihasilkan. Sinyal ini dapat dihubungkan ke rangkaian kontrol utama melalui transformator isolasi atau transformator pulsa, yang menyebabkan interferensi pada rangkaian kontrol. Oleh karena itu, saat mendesain transformator isolasi, diperlukan juga kapasitansi kopling primer dan sekunder yang sangat kecil. Ukuran kapasitansi kopling transformator ditentukan sesuai dengan persyaratan khusus untuk ketahanan dv/dt, yang biasanya kurang dari 20pF.

Proses pembuatan transformator merupakan kunci untuk mencapai tegangan isolasi tinggi yang disebutkan di atas. Untuk meningkatkan toleransi tegangan isolasi dan mengurangi kapasitansi kopling antara primer, sekunder atau sekunder, gulungan biasanya dililit secara terpisah dan dipisahkan oleh sekat isolasi. Terkadang perlu untuk melapisi permukaan inti magnet dengan bahan isolasi yang lebih tebal atau melilitnya dengan tiga lapis kawat isolasi. Gambar 5 adalah diagram skematik struktur transformator modul penggerak IGBT Eupec 2ed300c17 [4].

2.4 Perlindungan terhadap korsleting dan penyesuaian ambang batas

Metode perlindungan korsleting atau arus berlebih IGBT yang umum digunakan saat ini diwujudkan dengan mendeteksi nilai tegangan VCE [5]. Ketika IGBT mengalami korsleting atau arus berlebih, area kerjanya akan keluar dari zona saturasi dan tegangan VCE akan meningkat. Secara spesifik,sirkuit perlindunganPrinsipnya ditunjukkan pada Gambar 6. lewatidiodaD dihubungkan ke kolektor IGBT untuk mewujudkan deteksi undersaturasi IGBT. Peningkatan tegangan VCE akan meningkatkan potensial anoda dioda seri. Ketika ambang batas hubung singkat yang ditetapkan terlampaui, rangkaian proteksi akan bekerja dan mematikan IGBT. Karena tegangan kolektor IGBT relatif tinggi pada tahap awal pengaktifan, jika rangkaian proteksi beroperasi pada saat ini, hal itu dapat menyebabkan kerusakan. Waktu zona mati harus diatur, di mana rangkaian proteksi hubung singkat tidak akan bekerja. Fungsi ini dihubungkan secara paralel melalui sakelar S dan eksternal.PerlawananHal ini diwujudkan oleh rce dan kapasitor cce. Ketika igbt dimatikan, s dihidupkan, dan kapasitor cce diisi hingga 15V. Ketika igbt dihidupkan, s dimatikan, dan kapasitor cce dikosongkan melalui rce. Tegangan ujung pengosongan adalah:

Hal ini dapat membuat tegangan referensi lebih tinggi daripada tegangan deteksi pada tahap awal pengaktifan IGBT, sehingga mencegah sirkuit proteksi dari kerusakan. Bentuk gelombang selama operasi normal ditunjukkan pada Gambar 7(a). Bentuk gelombang ketika terjadi korsleting atau gangguan arus berlebih ditunjukkan pada Gambar 7(b).

2.5 Metode antarmuka pengguna

Agar dapat beradaptasi dengan modul IGBT yang dikemas oleh berbagai produsen, driver IGBT harus memiliki antarmuka yang ramah pengguna. Selain itu, dibutuhkan fleksibilitas yang luas dan biaya yang ekonomis. Modul driver umum yang saat ini ada di pasaran sebagian besar menggunakan...pengelasanImplementasikan koneksi dengan IGBT pada papan PCB, seperti: SKHI22, 2SD315A, dan 2ED300C17, dll. Untuk mempermudah pemasangan, metode koneksi plug-in langsung juga digunakan. Gambar 8 menunjukkan tampilan modul driver Skype yang dikembangkan oleh Semikron. Modul ini terhubung ke papan antarmuka driver dengan cara plug-in.

Karena modul penggerak (inti penggerak) hanya menyediakan fungsi umum terpenting dalam penggerak, koneksinya dengan modul yang berbeda dalam aplikasi yang berbeda perlu bergantung pada papan antarmuka. Unit modul-penggerak lengkap mencakup modul daya dengan antarmuka pegas, inti penggerak standar atau yang ditingkatkan, dan papan antarmuka yang menghubungkan inti penggerak ke modul yang ditentukan. Papan antarmuka yang dapat disesuaikan memiliki keunggulan luar biasa: pengguna dapat menyesuaikan dan menentukan karakteristik pengalihan IGBT sendiri, misalnya: mengubah kecepatan pembukaan atau penutupan IGBT dengan menyesuaikan rgon atau rgoff; menyesuaikan waktu mati atau menonaktifkan fungsi interlock; menyesuaikan titik perlindungan VCE dan waktu jendela, dll. Dibandingkan dengan modul daya cerdas IPM yang saat ini ada di pasaran, papan antarmuka membuat seluruh sistem lebih fleksibel dan lebih mudah beradaptasi dengan berbagai aplikasi. Setelah parameter sistem diatur, seluruh sistem dapat digunakan semudah IPM. Koneksi listrik antara modul semix dan papan antarmuka adalah melalui pegas yang terpasang di modul semix dan lapisan bawah papan antarmuka.Kontakuntuk mencapai hal tersebut. Setelah perakitan, kontak papan antarmuka menyentuh kontak pegas modul, menyelesaikan koneksi listrik melalui kontak tekanan. Tekanan kontak meningkatkan keandalan modul daya dibandingkan dengan teknologi penyolderan. Demikian pula, koneksi plug-in antara inti penggerak dan papan antarmuka juga untuk menghindari pengelasan [6]. Gambar 9 adalah contoh diagram koneksi antara inti penggerak, papan antarmuka dan modul semix.

2.6 Sangat terintegrasi

Tren pengembangan driver adalah menuju integrasi yang tinggi, yang dapat mengurangi ukuran driver dan lebih terintegrasi dengan IGBT, sehingga memudahkan pemasangan, mengurangi panjang kabel penghubung antar modul driver IGBT, dan mengurangi jumlah kabel.induktansiUntuk mencapai tujuan ini, modul driver IGBT yang saat ini dikembangkan oleh beberapa perusahaan asing semuanya menggunakan teknologi khusus yang dikembangkan sendiri.sirkuit terpaduasicContohnya: skic2001a dari Semikron dan ldi001 serta lgd001 dari Concept. Melalui penerapan ASIC, sebagian besar fungsi kontrol dan proteksi dapat diimplementasikan dengan IC, yang sangat mengurangi ukuran drive dan meningkatkan keandalan drive IGBT.

3. Tren perkembangan modul penggerak IGBT tegangan tinggi dan daya tinggi

Sebagai semikonduktor daya komposit, IGBT semakin banyak digunakan, terutama pada konverter daya tinggi, karena konsumsi dayanya yang rendah, frekuensi switching yang tinggi, dan kapasitas arus yang besar. Persyaratan untuk rangkaian penggeraknya juga akan semakin tinggi. Arah pengembangan teknis utama tercermin dalam aspek-aspek berikut.

(1) Integrasi yang lebih tinggi

Saat ini, ukuran modul driver IGBT daya tinggi masih relatif besar. Untuk meningkatkan daya tahan tegangan isolasi, transformator biasanya digunakan untuk mencapai isolasi. Ukuran dan berat transformator relatif besar, dan sulit untuk diintegrasikan. Oleh karena itu, driver di masa mendatang akan menggunakan komponen yang lebih kecil dan lebih mudah diintegrasikan.Isolatorkomponen, seperti menerapkan transformator piezoelektrik atau teknologi integrasi magnetik canggih untuk mengurangi ukuran dan berat komponen isolasi dan meningkatkan integrasi [7]. Dapat diprediksi bahwa di masa depan, IGBT daya tinggi dan rangkaian penggeraknya akan terintegrasi ke dalam modul yang sama. Pengguna hanya perlu memasukkan sinyal kontrol langsung ke dalam modul daya untuk mengontrol IGBT.

(2) Tegangan isolasi yang lebih tinggi

Driver saat ini menggunakan optocoupler dan transformator untuk mencapai isolasi. Keunggulan optocoupler adalah ukurannya yang kecil, tetapi memiliki kekurangan seperti tegangan isolasi yang relatif rendah, mudah menua, dan penundaan yang besar. Isolasi transformator memiliki tegangan isolasi yang lebih tinggi dan penundaan yang lebih kecil, tetapi ukurannya lebih besar. Oleh karena itu, ketika isolasi tegangan tinggi diperlukan, transformator sebagian besar digunakan untuk mencapai isolasi. Saat ini, tegangan isolasi tertinggi dari modul penggerak terisolasi transformator adalah sekitar 3300V. Tingkat tegangan tertinggi IGBT telah mencapai 6500V. Untuk beradaptasi dengan aplikasi tegangan yang lebih tinggi, driver dengan tegangan isolasi yang lebih tinggi harus digunakan.

(3) Daya penggerak yang lebih besar

Kapasitas modul IGBT terus meningkat, dan kapasitas arus satu modul saja sudah dapat mencapai 3600A. Terkadang, untuk meningkatkan kapasitas, modul biasanya dioperasikan secara paralel, yang juga menuntut persyaratan yang lebih tinggi untuk daya penggerak driver. Arus keluaran maksimum driver harus ditingkatkan sesuai kebutuhan, terutama ketika beberapa modul digunakan secara paralel, daya keluaran rata-rata driver perlu mencapai 5W~10W, dan arus keluaran maksimum sesaat perlu mencapai lebih dari 30A.

(4) Frekuensi peralihan yang lebih tinggi

Untuk beradaptasi dengan aplikasi pada catu daya pemanas induksi, frekuensi switching IGBT terus meningkat. Dengan perkembangan teknologi manufaktur, frekuensi switching tertinggi IGBT sudah dapat mencapai di atas 100 kHz, yang sebagian dapat menggantikan tabung MOS daya. Bagi driver, ini berarti driver harus menyediakan daya penggerak yang lebih besar, dan driver harus memiliki waktu tunda pulsa penggerak dan waktu naik dan turun yang lebih pendek, serta menyediakan arus penggerak maksimum sesaat yang lebih besar, dan lain sebagainya.

(5) Fungsi yang lebih lengkap

Teknologi penggerak gerbang yang banyak digunakan saat ini tidak dapat mengontrol di/dt dan dv/dt yang disebabkan oleh proses switching IGBT, sehingga tidak dapat mengontrol EMI dari rangkaian konversi. Teknologi penggerak gerbang aktif dapat secara efektif mengontrol di/dt dan dv/dt yang lebih tinggi yang disebabkan oleh switching IGBT. Dengan demikian, teknologi ini dapat membuat IGBT bekerja di area kerja yang lebih aman, mengurangi EMI yang dihasilkan selama proses switching, dan karenanya mengurangi penyerapan rangkaian buffer IGBT. Di antara teknologi tersebut, teknologi penggerak gerbang aktif tiga tahap merupakan teknologi penggerak gerbang aktif dengan prospek aplikasi yang luas [8]. Selain itu, untuk memenuhi kebutuhan aplikasi IGBT seri dan paralel, penggerak juga harus memiliki fungsi pembagian tegangan dan arus dinamis.

4Kesimpulan

Sebagai perangkat semikonduktor daya utama dalam sistem elektronika daya, IGBT terus berkembang selama beberapa tahun. Karena memungkinkan perangkat dan peralatan elektronika daya untuk mencapai efisiensi yang lebih tinggi, frekuensi switching yang lebih tinggi, dan desain perangkat konversi daya yang lebih kecil, dengan peningkatan kinerja yang berkelanjutan, bidang aplikasi perangkat IGBT telah meluas ke berbagai bidang. Tidak hanya di industri, tetapi juga di banyak sistem konversi daya lainnya, IGBT telah menggantikan bipolar daya tinggi.transistor(gtr), power mostransistor efek medan(MOSFET), bahkan penutupan gerbang alternatif pun terjadiThyristor(gto) tren realistis. Teknologi modul penggerak IGBT daya tinggi akan terus meningkat, dan tingkat integrasinya juga akan meningkat, sehingga mengurangi konsumsi daya dan EMI IGBT, serta meningkatkan keandalan sistem. Dengan perkembangan teknologi manufaktur IGBT dan peningkatan lebih lanjut di bidang aplikasinya, persyaratan untuk kinerja penggeraknya juga terus meningkat. Untuk beradaptasi dengan kinerja IGBT generasi baru, berbagai produsen penggerak sedang mengembangkan produk penggerak IGBT dengan kinerja yang lebih lengkap.

Penafian: Artikel ini direproduksi dari "Semiconductor Online". Artikel ini hanya mewakili pandangan pribadi penulis dan tidak mewakili pandangan Sacco Micro dan industri. Artikel ini hanya untuk dicetak ulang dan dibagikan untuk mendukung perlindungan hak kekayaan intelektual. Harap sebutkan sumber asli dan penulis untuk pencetakan ulang. Jika ada pelanggaran, silakan hubungi kami untuk menghapusnya.