1.はじめに 

IGBT（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）、絶縁ゲートバイポーラトランジスタは、BJT（バイポーラトランジスタ）とMOS（絶縁ゲート電界効果トランジスタ）で構成された複合完全制御電圧駆動型電力半導体デバイスであり、MOSFETの高入力インピーダンスとGTRの低オン電圧降下の利点を備えています。 

IGBT上記2つのデバイスの利点を組み合わせることで、駆動電力が低くなり、飽和電圧が低減されます。 

パワー半導体デバイス開発の主流となっており、風力発電、太陽光発電、電気自動車、スマートグリッドなどの産業で広く使用されています。 

電気自動車業界では、IGBTはモーターコントローラ、補助電源システム、電気エアコンなどに広く使用されています。特に高出力IGBTはモーターコントローラに多く使用されています。電気自動車のモーターコントローラの動作環境は比較的乱れやすいため、IGBTのゲート分布容量や実際のスイッチにおけるミラー効果などの寄生成分が駆動回路の信頼性に直接影響を及ぼします[1]。 

モーターの使用中は、過電流、短絡、過電圧の条件下で IGBT が適切に保護される必要があります。 

過電流はモーターコントローラの温度上昇を引き起こしますが、温度センサーで検出し、対応する回路で保護することができます。一般的に、過電圧はIGBTがオフになったときに発生し、di/dtが大きいほど寄生インダクタンスに高い電圧が発生します。この電圧は、バッファ回路を使用するか、スイッチング周波数を適切に下げることでクランプできます。 

短絡が発生すると、瞬間的に大電流が発生し、IGBTがすぐに損傷します。主制御基板の過電流保護では間に合わないため、ハードウェア回路が駆動回路を制御して即座に保護する必要があります。 

したがって、ドライバの設計過程において、保護機能が完璧であるかどうかは、システムを安全に動作させるために特に重要です。 

1. IGBTモジュールの特性 

1.1 スイッチング特性 

IGBTのスイッチング特性を図1に示す。IGBTモジュールがオフになると、リークインダクタンス[2]によりVCEにピーク高電圧が発生し、これはdv/dtの変化に伴って変化する。スイッチング時間はコレクタ電流、接合温度、ゲート抵抗（Rg）によって変化するため、スイッチング時間が長くなりゲート抵抗が大きくなると、デッドタイム不足によりブリッジアームスルー現象が発生し、IGBTが損傷する可能性がある。  

同時に、スイッチのオン／オフ時にはスイッチング損失が発生し、この特性はジャンクション温度と駆動抵抗によって変化します。特に、Rgの選定は非常に重要です。Rgが大きすぎるとIGBTのスイッチング速度が低下し、スイッチング過電圧スパイクを低減できますが、スイッチング損失が増加し、IGBTの発熱が増加します。逆に、Rgが小さすぎると、ピーク電圧（=Ls×dIc/dt）が高くなりすぎる可能性があります。 

1.2 静電容量特性 

下の図2に示すように、CGC、CGE、CCEはIGBT電極間の寄生容量、Ciesは入力容量、Coesは出力容量、Cresは逆コンダクタンス容量です[4]。 

図2 IGBT電極間の寄生容量 

図2からわかるように、等価出力コンデンサCoesはIGBTのC極に別の経路を提供するため、IGBTのコレクタ電圧の変化に影響を与えます。IGBTがオフになると、負荷電流がCoesを充電します。このとき、IGBTのコレクタ電圧の変化率は負荷電流の充電速度に依存します。Coesの容量は非常に小さいため、高電流の場合はその影響は無視できます。負荷電流が小さい場合、IGBTのコレクタ電圧は大きく変化します。 

IGBT のオン/オフのプロセスは、寄生容量 (コレクタ等価出力容量) の充電および放電のプロセスと同等になります。 

コレクタ電流とスイッチング速度はコレクタ電圧の変化率に影響を与えます。IGBT電流が小さい場合、コレクタ電圧のdv/dtは小さくなりますが、逆に電流が増加するとコレクタ電圧のdv/dtは大きくなります。 

IGBTの上下のレグにおいて、一方のレグがオン、もう一方のレグがオフになると、オフ状態のレグのIGBTとフリーホイールダイオードにdVce/dt電圧変化が発生し、IGBTのコレクタとゲート間に充電電流iCGが発生します。この電流は寄生コンデンサCGCとCGEによって充電されます。この時、VGEがIGBTのターンオン電圧よりも高い場合、レグが貫通電流となり、IGBTが損傷する可能性があります。 

1.3 安全な動作領域 

安全作業領域 (SOA) は、特定の電圧と電流に同時に耐えるトランジスタの能力を反映します。 

IGBT がオンのときの順方向バイアス安全動作領域 (FBSOA) は、電流、電圧、消費電力の 3 つの境界制限に囲まれています。 

最大コレクタ電流 Icm は動的ロックを回避するように設定され、最大コレクタ - エミッタ電圧 Ucem は IGBT 内のトランジスタのブレークダウン電圧によって決定され、最大消費電力は最大許容接合温度によって決定されます。 

伝導時間が長いほど発熱は深刻になり、安全な作業領域が狭くなります。 

IGBTの逆バイアス安全動作領域（RBSOA）は、IGBTがターンオフしているときのdVCE/dtに依存します。dVCE/dtが高いほど、RBSOAは狭くなります。IGBTの逆バイアス安全動作領域（RBSOA）は、IGBTがターンオフしているときのdVCE/dtに依存します。dVCE/dtが高いほど、RBSOAは狭くなります。  

2. 車載用IGBTモジュールの駆動 

2.1 系統抵抗の影響 

IGBTモジュールは絶縁ゲートデバイスです。IGBTのゲート・エミッタ間（またはゲート・ソース間）は容量性構造を有しており、ゲート回路の寄生インダクタンスは避けられません。ゲート抵抗がない場合、ドライバの駆動パルスの励起によりゲート回路が激しく振動するため、速やかに減衰させるために抵抗を直列に接続する必要があります。 

IGBTのターンオンとターンオフのプロセスは、主に寄生容量やインダクタンスの充放電プロセスであり、これらはすべてリアクタンス成分です。ゲート抵抗がない場合、駆動電力の大部分はドライバー内部の出力管で消費され、その温度が著しく上昇します。同時に、ゲート抵抗はパワースイッチングデバイスのオンオフ速度を調整することもできますが、駆動速度が速すぎるとスイッチングデバイスの電圧と電流の変化率が大幅に増加し、IGBTが負担するサージ電圧とサージ電流が増加します。実際の車両環境では、無誘導抵抗器を使用するのが最適です。共通の抵抗器を使用する場合は、複数の抵抗器を並列に接続して置き換えることができます。ループインダクタンスとそれが駆動電圧波形に与える影響を低減できます。また、複数の抵抗器で駆動電流を共有できるため、熱拡散が促進されます。1つの抵抗器が損傷すると、システムが損傷する可能性があります。 

IGBTを駆動すると、干渉信号によってゲート信号が破壊され、大きな逆回復サージ電圧が発生します。IGBTのVGEに対して非常に短いブロッキングパルスが発生すると、IGBTの分岐側のフリーホイールダイオードがオンになり、非常に短時間で逆回復状態になります。逆回復プロセスでは、キャリアが完全に蓄積された後にのみ逆回復状態になります。このとき、狭い干渉パルスがあると、高速フリーホイールダイオードはキャリアが完全に蓄積される前に逆回復状態になり、空乏層が急速に拡大して、強いDI / DTとDV / DTが発生します。狭いパルスの逆回復中は、IGBTのGE間に高い逆回復サージ電圧が発生します。このとき、ゲート入力抵抗RGを増やし、入力回路のインダクタンスを減らし、バッファ回路を強化し、クランプ回路を追加することで、サージ電圧を低減できます。  

2.2 ゲート駆動回路 

ゲート駆動回路の変更により IGBT のスイッチング特性と安全動作領域が変化するため、駆動回路の性能が IGBT の正常な動作に直接影響します。 

IGBT を動作可能にするためです。 

駆動回路は IGBT に適切な順方向ゲート電圧を供給する必要があります。 

IGBTがオンになった後。 

駆動回路によって IGBT に供給される駆動電圧と電流は、IGBT の電力出力段を飽和状態に保つのに十分な振幅を持っている必要があります。 

モジュールが瞬間的に過負荷になった場合、ゲート駆動回路によって供給される駆動電力は、IGBT が飽和領域から抜け出さないことを保証するのに十分である必要があります。 

IGBTの導通後の電圧降下は、印加されるVGE電圧と相関関係にあります。ICE電流が一定の場合、VGEが高いほどVCE値が低くなり、デバイスの導通損失が小さくなるため、トランジスタの動作能力を最大限に発揮するのに役立ちます。 

ただし、VGEは可能な限り高く設定すべきではありません。一般的には、20Vを超えることは許可されません。これは、過電流や短絡が発生すると、ゲート電圧が高くなるほど電流振幅が大きくなり、IGBTが損傷する可能性が高くなるためです。 

通常は総合的に考慮して+15Vが適切です。 

IGBT のゲート制限電圧は一般的に +20 V であり、駆動信号がこの範囲を超えるとゲートが損傷する可能性があります。 

したがって、ゲート電圧が高すぎる場合にゲートを破壊から保護するために、駆動回路とゲートの間に電圧制限回路が必要です。 

電気自動車のモーターコントローラは三相フルブリッジで駆動され、三相ブリッジアームをPWM状態で駆動するには6つのIGBTグループが必要です。各IGBTモジュールには、他のモジュールから分離された電源が必要です。 

集積度を向上させ、コストを削減するために、SG3525 などの PWM 制御チップを使用して、デュアル チャネル PWM 信号を出力し、パルス トランスを駆動し、デュアル チャネル電源を生成することがよくあります。図 3 に示すように、図の U3 は、優れた性能、完全な機能、および強力な汎用性を備えたモノリシック統合 PWM 制御チップである SG3525 であり、相補的なデューティ比を持つ 20 つの PWM 信号を出力します。シンプルで信頼性が高く、便利で柔軟に使用でき、出力駆動はプッシュプル出力であり、駆動能力が向上します。内部低電圧ロック回路、ソフトスタート制御回路、および PWM ラッチが含まれています。過電流保護機能、調整可能な周波数があり、最大デューティサイクルを制限できます。電圧絶縁を実現するために、PWM 制御はオープン ループ状態で動作します。パルストランス TR20 の巻数比を調整して、その上巻線の出力電圧が D21、D22、D23、D18 で構成される整流器ブリッジによって整流され、+20V が調整可能な電圧レギュレーター UXNUMX を通過します。 

図3 系統駆動電源 

IGBTがオフになっても、回路の他の部分は動作しているため、ゲート回路で高周波の振動信号が発生します。これらの信号が弱い場合、オフになるはずのIGBTがマイクロパス状態になり、真空管の消費電力が増加します。 

電源回路は再びショートスルー状態になります。 

したがって、駆動回路は、IGBT のターンオフ中に IGBT に十分な逆ゲート電圧を供給できる必要があります。 

パルストランスTR20の巻数比を調整して、下巻線の出力電圧がD24、D25、D26、およびD27で構成される整流ブリッジによって整流され、-10Vの電圧がオフ状態のIGBTに逆ゲート電圧を印加するようにします。これにより、ゲートにスイッチングノイズがあってもIGBTを確実にオフにすることができます。 

2.3 駆動ゲートの隔離と保護 

電気バスなどの大型車両では、モーターコントローラの出力電力が大きく、必要な駆動電流も大きくなります。車両が急加速または急制動すると、瞬間的なインパルス電流が数百アンペアに達することがあります。そのため、出力電力を向上させるために、4つのIGBTモジュールを並列接続したり、高出力IGBTを使用したりすることがよくあります。図XNUMXに示すように。 

図では、入力信号PWM1AとPWM1BはそれぞれIGBTモジュールU1とU2の上アームと下アームを駆動するために使用されます。IGBTモジュールU1とU2の上アームはPWM1Aのトーテムポール回路の出力に接続され、IGBTモジュールU1とU2の下アームはPWM1Bのトーテムポール回路の出力に接続されています。前段の信号PWM1Aが入力されると、XNUMXつの上アームがオンになり、下アームが同時にオフになります。それ以外の場合は、下アームがオンになり、上アームが同時にオフになります。 

2 つの IGBT モジュールを並列に接続することで、IGBT モジュールの出力電流と電力が増加します。 

動作プロセスでは、ゲート電荷の蓄積とゲート-ソース間電圧スパイクによる IGBT の損傷を防ぐために、図 5 に示すように、G と E の間にいくつかの保護要素を設定できます。 

抵抗R112、R212、R122、R222はゲートに蓄積された電荷を放電するために使用されます[5]。111つのツェナーダイオードD112、D211、D212、D121、D122、D221、D222、DXNUMXは直列に接続されています。ゲート-ソース間電圧スパイクによるIGBTの損傷を防ぐためです。 

図中のDEC1とDEC2は、駆動モジュールM57962LからIGBTへの故障検出信号です。ダイオードと抵抗器を通過した後、DEC1はIGBTのC端子に接続され、DEC2はIGBTのE端子に接続されます。 

図4 並列IGBT出力回路 

図5 M57962L絶縁駆動回路 

電気自動車の電源バッテリーは高電圧であるため、IGBT は高電圧および高電流の状況で動作します。 

十分な入力および出力の電気絶縁機能が必要です。 

駆動回路は、制御回路全体から電位的に厳密に分離する必要があります。三菱M57962L特殊IGBT駆動回路は、高速光電結合によって電気的に分離されています。この厚膜回路は信号伝送遅延時間が短く、信号ジャンプ遅延時間は1.5μs未満、最高動作周波数は20KHzです。デュアル電源駆動技術を採用しており、電源は+15V/-10Vの二重電圧を供給するため、出力の負ゲート電圧は比較的高くなります[6]。 

図5に示すように、各IGBTブリッジアームは57962つのM1Lを採用しており、U2は上部ブリッジアームのIGBTを駆動し、U1は下部ブリッジアームのIGBTを駆動します。 図2のDEC4とDEC57962はIGBT障害信号検出です。障害が検出されると、M8Lは一方でIGBTをオフにし、他方ではM57962Lのピン10から出力される障害信号がフォトカプラPC20とPC57962によって分離され、CPUにフィードバックされます。 さらに、MXNUMXLのPWM入力端子にはハードウェアインターロック回路が採用されています。 一方のハーフブリッジの入力信号がハイレベルのとき、もう一方のハーフブリッジの入力信号が同時にプルダウンされ、異常な入力信号によって両方の駆動灯が点灯する現象を防止します。 

回路が安全かつ確実に動作できることを確認してください。 

3.車載モータコントローラ用IGBTの保護

3.1 車載モータコントローラ用IGBTの過電圧・サージ保護 

電気自動車のモータ制御装置の使用時、頻繁な加速ブレーキにより、電気自動車がフィードバックブレーキを行うと、モータが発電状態に変化し、直流バスに供給されるエネルギーが比較的大きくなる。 

このとき、電気自動車のDCバス電圧には、駆動バッテリーから供給される分に加え、フィードバックブレーキ時に発生するフィードバック電圧が重畳されます。実際の試験では、DCバス電圧が538Vのときに最大ピーク電圧が800Vを超えました。同時に、IGBTのターンオフ時およびそれに接続されたフリーホイールダイオードの逆回復時に、コレクタdi/dtによって主回路の分布定数インダクタンスに高振幅の過電圧が発生します。 

定常過電圧は対応するハードウェア回路によって検出され、メイン制御CPUによって保護されます。過渡的な脈動DC過電圧が発生した場合は、DCリンクコンデンサによって電圧を吸収し、内部RCまたはRCD吸収回路によってIGBTメイン回路をバッファリングして保護します。 

DCリンクは、低ESL、高サージ電圧、最高1200Vの電圧、そして高いリップル電流を特徴としています。IGBTはPWM動作するため、システムは十分なリップル電流を供給できる必要があります。DCリンクは、実効値40Aを超えるリップル電流を供給できます。 

また、スイッチング中に発生する過電圧の影響を受けないため、DC バスの電圧変動は許容範囲内に収まります。また、スイッチング中に発生する過電圧の影響を受けないため、DC バスの電圧変動は許容範囲内に収まります。許容範囲内に収まります。  

3.2 車載モータコントローラにおけるIGBTの応用 

電気自動車の実用環境では、モーターの高出力により、IGBTの過渡サージ電流が700Aを超える場合があります。富士電機製の2MBI450VN-120-50IGBTを1個並列出力（このIGBTの特性パラメータは表900に示されています）することで、並列IGBTの出力電流は約2Aに達し、車両の電流要件を満たすことができます。450MBI1VNの電気特性パラメータは表XNUMXに示されています。 

IGBTゲート駆動回路における浮遊分布容量の干渉を回避するため、2つのIGBTモジュールの入力ピンに駆動回路基板を直接溶接し、ゲート入力端子に制振容量と双方向制限回路を並列に接続しました。IGBTに短絡電流が発生した場合、適時に遮断できれば効果的に保護できます。 

IGBT に過電流が発生しているかどうかを識別する方法の 1 つは、そのチューブの電圧降下 VCE を検出することです。 

IGBT がオンのときに VCE が高すぎると短絡が発生するため、直ちに IGBT をオフにする必要があります。 

IGBTが過電流によってオフになる場合、IGBT内の電流振幅が大きいため、IGBTを急速にオフにすると、Ldi/dtが高くなりすぎて、IGBTの両端に高いピーク電圧が発生し、IGBTが損傷しやすくなります。そのため、「ソフトスローターンオフ」方式が考案されています。 

M57962L の駆動回路は上記の理論に従って設計されています。 

IGBTが過負荷または短絡状態になると、IGBTのコレクタ電位が上昇し、外付けダイオードを介して検出回路に流入する電流が増加します。ゲートターンオフ回路はIGBTのゲート駆動信号を遮断すると同時に、8ピンにローレベルの「過負荷／短絡」表示信号を出力します。 

図7は、IGBTのオン・オフ時の電圧と電流の波形を示しています。図から、ゲート電圧の上昇に伴いC極電流が増加し、VCE電圧が低下することがわかります。IGBTがオフになると、ゲート電圧は負となり、C極電流は低下し、VCE電圧は電源電圧まで上昇します。 

図7 IGBTターンオフ電圧と電流波形図 

4. 結論 

本稿では、実際の応用に基づいて、電気自動車モーター コントローラーの IGBT モジュール駆動回路の設計アイデアを解説し、IGBT モジュールの特性、ゲート駆動回路の設計と保護、通常動作時の IGBT モジュールの電流、電圧、温度保護の問題と保護方法をまとめ、対応する設計原理と検証スキームを示します。 

実際の検証により、この回路は信頼性が高く、実用的で、安全であり、さまざまな大型電気自動車のモーターコントローラーの設計に広く使用でき、大きな応用の見通しがあることが証明されています。 

【参考文献】 

[1] 王英麗、杜明、他：IGBTモジュールのボンディングワイヤの寄生パラメータの抽出 [J] 化学自動化および計測 2014，41（4）419-422 

[2] IGBTゲートドライブの設計コード [N/OL]http://www.docin.com/p-374404232.html 

[3] 富士電機株式会社 富士IGBTモジュールアプリケーションマニュアル[M] 2011年09月 

[4] 胡曼宏、王亜瓊「IGBTスイッチング過程における寄生容量のコレクタ電圧変化率への影響」[N] 新郷師範学院学報2007.9 45-47 

[5] 張軍、扁青、IGBTに基づくインバータ駆動回路の設計 [J] オートメーション技術と応用2011.30.3 103-105 

[6] 江文曲 長蒙 IGBT厚膜回路 M57962L [J] オンライン http://www.paper.eud.cn 

[7] サニー陽江明電気自動車のモーターコントローラー用IGBTの駆動および保護技術[N/OL] http://www.docin.com/p-539436665.html