1はじめに

なぜならIGBT持ってるスイッチDue to its high frequency, low conduction power consumption and convenient gate control, it has been widely used in high-power conversion systems. In igbt applications, in addition to its own technical level, another important factor to consider is whether the design of its driver is reasonable and reliable. igbt drive as power回路コントローラーとインタフェースThe circuit is closely related to the power consumption and reliability of the system. An optimized driver is indispensable in the power conversion system. Choosing an appropriate driver circuit is closely related to the reliability of the overall converter solution.

ドライバは主に以下の3つの機能を実行します。1つ目は駆動機能で、IGBTスイッチに十分な駆動力を提供します。現在1つ目は、IGBTが制御下で確実にオン/オフできることを保証するため、2つ目は、ドライバが保護機能を備えている必要があるためです。IGBTがオン/オフになった場合、短絡あるいは、過電流が発生した場合、ドライバは最短時間でIGBTをオフにして、電源デバイスを保護することができます。In addition, in high-voltage and high-power applications, the driver, as a connecting bridge between the control circuit and the power circuit, must have the function of electrical isolation to ensure that the control circuit will not be interfered with and affected by the power circuit.上記の3つの機能を満たすことを前提として、ドライバーは柔軟性、性能、価格の関係性も考慮しなければならない。

IGBTの電流容量と電圧レベルが異なるため、ドライバの技術要件にも違いがあります。低電力アプリケーションでは、駆動電流が比較的小さいため、主に統合ドライバが使用されます。高電力UPS電源などの高電力・高電圧アプリケーションでは、高電圧ドライバが使用されます。周波数変換器などにより、ドライバにはより大きな駆動電流、より高い絶縁電圧、より完全な保護機能が求められます。本稿では、現在市販されているセミミクロン社のSKHI22やコンセプト社の2SD315Aなど、一般的に使用されている高出力IGBT駆動モジュールに焦点を当て、それらの共通の技術的特徴、設計上のポイント、および高出力IGBT駆動技術の将来の発展動向を分析します。

2. 技術的特性の分析

2.1 完全な信号処理機能

高電圧・高出力アプリケーションでは、スイッチによって発生する強い干渉やIGBTの高コストといった要因を考慮すると、IGBT駆動信号の信頼性を確保することが非常に重要です。そのため、高出力IGBT駆動モジュールには通常、IGBTゲートのパルス信号の信頼性を確保することを目的とした、完全な駆動パルス信号前処理機能が備わっています。一般的な駆動信号処理機能は以下のとおりです。

(1) Dual-channel pulse interlocking function

駆動モジュールが、同一ブリッジアーム上の上下のIGBTをそれぞれ制御するために2つのパルス信号を出力する場合、駆動信号が同時に2つのIGBTの導通を制御すると、貫通短絡が発生し、IGBTやその他のデバイスが損傷する可能性があります。このような事態を防ぐため、ドライバモジュール内部には信号インターロック回路が設計されており、2つの入力パルス信号が同時にハイレベルになった場合、2つの出力が同時にローレベルになるようにすることで、貫通短絡を防止します。2つの駆動信号を個別に制御する必要がある場合は、外部端子を介してインターロック機能を遮断することも可能です。

（２）狭脈波抑制機能

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）デッドタイム設定機能

In the half-bridge working mode, the two IGBTs must be turned on in turn. In order to prevent the two IGBTs from being turned on at the same time during the switching process, a certain dead time must be added when the two tubes are alternately turned on. According to the IGBTs with different characteristics, the dead time is different. In the dual-channel high-power drive module, a dead zone control circuit is designed internally, and the size of the dead zone can be adjusted through different connection methods of external terminals, such as by connecting external terminals of different capacities.キャパシタンス(2sd106) または高レベルと低レベル (skhi22a/b)。

図1は半導体を示していますROMThe 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 駆動信号の絶縁伝送方式

高電圧・高出力IGBTドライバは高電圧環境で動作するため、コントローラが高電圧側の影響を受けないようにするには、駆動パルス信号を絶縁してからIGBTのゲートに伝送する必要があります。一般的な絶縁方法には、光絶縁と磁気絶縁があります。光絶縁には、オプトカプラー隔離と光ファイバ絶縁方式であるオプトカプラ絶縁方式は、絶縁電圧が比較的低いため、伝送遅延、経年劣化、信頼性の問題があります。DCバス電圧が800Vを超える高電圧アプリケーションではほとんど使用されません。パルストランス絶縁方法（磁気絶縁）は比較的高い絶縁電圧を実現でき、トランス信頼性が高く、伝送遅延が小さく、より高いスイッチング周波数を実現でき、経年劣化の問題もありません。そのため、ほとんどの高電圧IGBTドライバは、駆動信号の絶縁伝送を実現するために、絶縁部品としてパルストランスを使用しています。

従来の駆動パルストランスは、増幅されたパルス信号を分離し、IGBTまたはパワーMOSトランジスタを直接駆動します。その基本回路原理を図2に示します。一次側の直列コンデンサの機能は、駆動パルスのDC成分を除去することです。二次側の並列電圧レギュレータは、出力電圧が高くなりすぎてパワースイッチトランジスタを損傷するのを防ぐために使用されます。この動作方式では、別途駆動電源は不要で、回路設計が簡単で、コストも比較的低く抑えられます。しかし、駆動パルスのデューティサイクルが大きく変動する場合、特にデューティサイクルが大きい場合、トランス出力波形の1サイクルにおけるボルト秒面積は等しくなければならないため、出力正パルスの振幅が小さくなり、IGBTを正常に駆動できなくなる可能性があります。制御パルスのデューティサイクルは通常50%未満である必要があります。同時に、パルストランスは磁気コア飽和問題は制御パルスのオン時間も制限します。もう1つの欠点は、特に高出力IGBTを駆動する場合の駆動波形の歪みです。IGBTの入力容量が比較的大きいため、パルストランスの二次出力の駆動パルス波形が駆動要件を満たすことが困難です。したがって、この駆動方法は主に低電力用途で使用されます。スイッチング電源真ん中。

高電圧・高出力IGBTの場合、上記の駆動方法は明らかに適用できません。一般的に用いられる方法は、駆動パルス信号を変調し、その立ち上がりエッジと立ち下がりエッジを2つの反転した狭パルス信号に変換することです。パルストランスは、これらの2つのパルス信号を変換するだけの装置です。カップリングto the secondary level, and then restore the driving pulse signal through the secondary reconstruction method. Its working principle is shown in Figure 3.

この方法はパルスエッジ結合伝送方式と呼ばれます。この方式の利点は、パルストランスが固定パルス幅の狭いパルス信号のみを伝送し、デューティサイクルが広範囲に変化する駆動パルス信号に対応できることです。トランスが狭いパルス信号を伝送するため、トランスのコアと巻線は比較的小さな値を取ることができ、対応する漏れインダクタンスと分布容量も比較的小さくなるため、パルストランスの設計と信号伝送に有利です。欠点は、変換および再構成回路が追加され、回路が比較的複雑になることです。図4は、変換後のパルストランスの一次実験波形を示しています。

In order to facilitate users to design the drive power supply, high-power igbt drive modules usually come with a dc/dc converter inside. DC/DC converters with high isolation voltage levels do not require users to separately design an isolated power supply. Integrated isolation converters usually adopt a half-bridge or push-pull structure. In order to increase the isolation voltage and simplify the converter control circuit, they generally do not have closed-loop control. Some drivers add a linear regulated power supply at the output end to stabilize the driving voltage. In order to reduce the size of the transformer, the operating frequency is mostly above 100khz. In high-voltage and high-power applications, depending on the bus voltage, the driver must have a high isolation voltage tolerance between the primary and secondary. A bus voltage of 900vdc requires at least an isolation voltage of 4kv ac. Another factor that must be considered is the dv/dt tolerance. When the igbt switches at high speed, a very high dv/dt may be generated. This signal can be coupled to the primary control circuit through an isolation transformer or pulse transformer, causing interference to the control circuit. Therefore, when designing the isolation transformer, it is also required to have a very small primary and secondary coupling capacitance. The size of the transformer coupling capacitance is determined according to the specific requirements for dv/dt endurance, which is usually less than 20pf.

変圧器の製造工程は、上述の高い絶縁電圧を実現するための鍵となります。絶縁電圧許容度を高め、一次、二次、または二次間の結合容量を低減するために、巻線は通常別々に巻かれ、絶縁バッフルによって分離されます。場合によっては、磁気コアの表面に厚い絶縁材料をコーティングしたり、3層の絶縁線で巻いたりする必要があります。図5は、eupecのigbtドライバモジュール2ed300c17の変圧器構造の概略図です[4]。

2.4 Short circuit protection and threshold adjustment

現在一般的に使用されているIGBTの短絡または過電流保護方法は、vceの電圧値を検出することによって実現されます[5]。IGBTに短絡または過電流が発生すると、その動作領域は飽和領域から外れ、vce電圧が上昇します。具体的には、保護回路原理は図6に示されている。ダイオードdはIGBTのコレクタに接続され、IGBTの飽和不足検出を実現します。VCE電圧の上昇に伴い、直列ダイオードのアノード電位も上昇します。設定された短絡閾値を超えると、保護回路が作動してIGBTをシャットダウンします。IGBTのコレクタ電圧はターンオン初期段階で比較的高いため、このときに保護回路が作動すると誤動作を引き起こす可能性があります。短絡保護回路が作動しないデッドゾーン時間を設定する必要があります。この機能は、スイッチsと外部を介して並列に接続されています。 これは、rceとコンデンサcceによって実現されます。igbtがオフになると、sがオンになり、コンデンサcceは15Vまで充電されます。igbtがオンになると、sがオフになり、cceコンデンサはrceを通して放電されます。放電終了電圧は次のとおりです。

This can make the reference voltage higher than the detection voltage in the early stage of igbt turn-on, preventing the protection circuit from malfunctioning. The waveform during normal operation is shown in Figure 7(a). The waveform when a short circuit or overcurrent fault occurs is shown in Figure 7(b).

2.5 ユーザーインターフェース方式

異なるメーカーがパッケージ化したIGBTモジュールに対応するためには、IGBTドライバはユーザーフレンドリーなインターフェースを備えている必要があります。また、高い柔軟性と経済的なコストも求められます。現在市販されている一般的なドライバモジュールは主に溶接PCB基板上に、skhi22、2sd315a、2ed300c17などのIGBTとの接続を実装します。インストールを容易にするため、直接プラグイン接続方式も採用しています。図8は、セミクロン社が開発したSkyperドライバモジュールの外観です。これは、プラグイン方式でドライバインターフェースボードに接続されます。

ドライブモジュール（ドライブコア）はドライブの最も重要な共通機能のみを提供するため、異なるアプリケーションの異なるモジュールとの接続はインターフェースボードに依存する必要があります。モジュールドライブユニット全体は、スプリングインターフェースを備えたパワーモジュール、標準または拡張ドライブコア、およびドライブコアを指定されたモジュールに接続するインターフェースボードで構成されています。カスタマイズ可能なインターフェースボードには、優れた利点があります。ユーザーは、たとえば、rgonまたはrgoffを調整してigbtの開閉速度を変更したり、デッドタイムを調整したり、インターロック機能を無効にしたり、vce保護ポイントとウィンドウ時間などを調整したりして、igbtのスイッチング特性を自分で調整および決定できます。現在市販されているインテリジェントパワーモジュールipmと比較して、インターフェースボードにより、システム全体がより柔軟になり、さまざまなアプリケーションに簡単に適応できます。システムパラメータが設定されると、システム全体をipmと同様に簡単に使用できます。セミックスモジュールとインターフェースボード間の電気的接続は、セミックスモジュールに内蔵されたスプリングとインターフェースボードの底層を介して行われます。接触組み立て後、インターフェースボードの接点がモジュールのスプリング接点に接触し、圧力接触によって電気接続が完了する。接触圧力は、はんだ付け技術と比較してパワーモジュールの信頼性を向上させる。同様に、駆動コアとインターフェースボード間のプラグイン接続も溶接を回避するためである[6]。図9は、ドライバコア、インターフェースボード、およびセミックスモジュール間の接続の例を示す図である。

2.6 高度に統合された

ドライバの開発トレンドは高度集積化であり、これによりドライバのサイズが縮小し、IGBTとの統合が進み、設置が容易になり、ドライバとIGBTモジュール間の接続線の長さが短縮され、リード線が削減されます。インダクタンスこの目標を達成するために、現在一部の海外企業が開発しているIGBTドライバモジュールはすべて、独自開発の特殊な集積回路ASIC例えば、セミミクロンのskic2001aやコンセプトのldi001、lgd001などが挙げられます。ASICの応用により、制御機能や保護機能のほとんどをICで実現できるため、ドライブのサイズを大幅に縮小し、IGBTドライブの信頼性を向上させることができます。

3 Development trends of high-voltage and high-power igbt drive modules

複合パワー半導体であるIGBTは、低消費電力、高スイッチング周波数、大電流容量といった特長から、特に高出力コンバータにおいてますます広く利用されるようになっている。それに伴い、駆動回路に対する要求もますます高まっている。主な技術開発の方向性は、以下の点に表れている。

（１）より高度な統合

現在、高出力IGBTドライバモジュールのサイズは依然として比較的大きい。絶縁耐圧を高めるために、通常はトランスを用いて絶縁を実現している。トランスはサイズと重量が大きく、集積化が困難である。そのため、将来のドライバでは、より小型で集積化しやすいものが使用されるようになるだろう。アイソレーター圧電トランスや高度な磁気統合技術を適用して絶縁部品のサイズと重量を削減し、統合性を高めるなどのコンポーネント[7]。将来的には、高出力IGBTとその駆動回路が同じモジュールに統合されることが予想されます。ユーザーは、IGBTを制御するために、制御信号をパワーモジュールに直接入力するだけで済みます。

（２）より高い絶縁電圧

現在のドライバは、絶縁を実現するためにフォトカプラとトランスを使用しています。フォトカプラの利点は小型であることですが、絶縁電圧が比較的低い、経年劣化しやすい、遅延が大きいなどの欠点があります。トランス絶縁は絶縁電圧が高く遅延も小さいですが、サイズが大きくなります。そのため、高電圧絶縁が必要な場合は、主にトランスを使用して絶縁を実現しています。現在、トランス絶縁型ドライバモジュールの最高絶縁電圧は約3300Vです。IGBTの最高電圧レベルは6500Vに達しています。より高電圧のアプリケーションに対応するためには、より高い絶縁電圧を持つドライバを使用する必要があります。

（３）より大きな駆動力

IGBTモジュールの容量は絶えず増加しており、単一モジュールの電流容量はすでに3600Aに達しています。容量を増やすために、通常は並列接続で動作しますが、これはドライバの駆動電力に対する要求も高めます。ドライバの最大出力電流はそれに応じて増加させる必要があり、特に複数のモジュールを並列接続する場合は、ドライバの平均出力電力は5W～10W、瞬間最大出力電流は30A以上が求められます。

（４）より高いスイッチング周波数

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）より充実した機能

現在広く使用されているゲート駆動技術では、IGBTのスイッチングプロセスによって発生するdi/dtとdv/dtを制御できず、変換回路のEMIを制御できません。アクティブゲート駆動技術は、IGBTのスイッチングによって発生する高いdi/dtとdv/dtを効果的に制御できます。したがって、IGBTをより安全な動作領域で動作させ、スイッチングプロセス中に発生するEMIを低減し、IGBTバッファ吸収回路を低減できます。中でも、3段アクティブゲート駆動技術は、幅広い応用が期待されるアクティブゲート駆動技術です[8]。さらに、直列および並列IGBTアプリケーションのニーズを満たすために、ドライバは動的な電圧および電流共有機能も備えている必要があります。

4結論

パワーエレクトロニクスシステムにおける主要なパワー半導体デバイスとして、IGBTは数年にわたり成長を続けています。IGBTは、パワーエレクトロニクスデバイスや機器の効率向上、スイッチング周波数の向上、電力変換デバイスの小型化を可能にするため、性能の継続的な向上に伴い、IGBTデバイスの応用分野はより広範囲に拡大しています。産業分野だけでなく、他の多くの電力変換システムにおいても、高出力バイポーラトランジスタに取って代わっています。トランジスタ(gtr)、パワーmos電界効果トランジスタ（モスフェット代替ゲート遮断が発生するサイリスタ（gto）現実的なトレンド。高出力IGBTドライバモジュール技術は今後も向上し、集積度も高まることで、IGBTの消費電力とEMIが低減され、システムの信頼性が向上します。IGBT製造技術の発展と応用分野の拡大に伴い、その駆動装置の性能に対する要求も絶えず高まっています。新世代IGBTの性能に対応するため、様々な駆動装置メーカーがより完成度の高いIGBT駆動装置製品を開発しています。

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