1 소개

때문에igbt있다스위치Due 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 power회로컨트롤러와인터페이스회로는 시스템의 전력 소비 및 신뢰성과 밀접한 관련이 있습니다. 최적화된 드라이버는 전력 변환 시스템에 필수적이며, 적절한 드라이버 회로를 선택하는 것은 전체 컨버터 솔루션의 신뢰성에 매우 중요한 영향을 미칩니다.

드라이버는 주로 다음 세 가지 기능을 수행합니다. 첫 번째는 구동 기능으로, IGBT 스위치에 충분한 구동력을 제공합니다.current첫째, IGBT를 안정적으로 켜고 끌 수 있도록 제어해야 하며, 둘째, 드라이버는 보호 기능을 갖춰야 합니다. IGBT에 문제가 발생할 경우,단락또는 과전류가 발생할 경우, 드라이버는 전력 장치를 보호하기 위해 최단 시간 내에 IGBT를 차단할 수 있습니다.또한, 고전압 및 고출력 애플리케이션에서 제어 회로와 전력 회로를 연결하는 브리지 역할을 하는 드라이버는 제어 회로가 전력 회로의 간섭이나 영향을 받지 않도록 전기적 절연 기능을 반드시 갖춰야 합니다.위의 세 가지 기능을 충족한다는 전제 하에, 운전자는 유연성, 성능 및 가격 간의 관계도 고려해야 합니다.

IGBT는 전류 용량과 전압 레벨이 다르기 때문에 드라이버에 대한 기술 요구 사항도 다릅니다. 저전력 애플리케이션에서는 구동 전류가 비교적 작으므로 통합 드라이버가 주로 사용됩니다. 고전력 및 고전압 애플리케이션, 예를 들어 고출력 UPS 전원 공급 장치, 고전압 장치 등에서는 통합 드라이버가 필요합니다.주파수 변환기이러한 요구 사항을 충족하려면 드라이버는 더 큰 구동 전류, 더 높은 절연 전압 및 더욱 완벽한 보호 기능을 제공해야 합니다. 본 논문에서는 현재 시판 중인 세미크론의 SKHI22, 컨셉트의 2SD315A 등 일반적인 고출력 IGBT 드라이브 모듈을 중심으로 공통적인 기술적 특징, 설계 시 고려 사항 및 고출력 IGBT 드라이브 기술의 향후 발전 동향을 분석합니다.

2. 기술적 특성 분석

2.1 Complete signal processing functions

고전압 및 고출력 애플리케이션에서는 스위치에서 발생하는 강한 간섭과 IGBT의 높은 가격 등의 요소를 고려할 때 IGBT 구동 신호의 신뢰성을 확보하는 것이 매우 중요합니다. 따라서 고출력 IGBT 구동 모듈은 일반적으로 IGBT 게이트 펄스 신호의 신뢰성을 보장하기 위한 완전한 구동 펄스 신호 전처리 기능을 갖추고 있습니다. 일반적인 구동 신호 처리 기능은 다음과 같습니다.

(1) 이중 채널 펄스 연동 기능

구동 모듈이 동일한 브리지 암의 상단 및 하단 IGBT를 각각 제어하기 위해 두 개의 펄스 신호를 출력할 때, 구동 신호가 두 IGBT를 동시에 도통시키면 단락이 발생하여 IGBT 또는 기타 부품이 손상될 수 있습니다. 이러한 상황을 방지하기 위해 구동 모듈 내부에 신호 연동 회로가 설계되어 있어 두 입력 펄스 신호가 동시에 하이일 때 두 출력이 동시에 로우가 되어 단락을 방지합니다. 두 구동 신호를 독립적으로 제어해야 하는 경우, 연동 기능은 외부 단자를 통해 차폐할 수도 있습니다.

(2) 좁은 펄스 억제 기능

제어 회로 또는 간섭 등으로 인해 발생하는 좁은 펄스 신호가 드라이버를 통해 IGBT의 게이트에 추가되면 IGBT가 스위칭 과정을 너무 짧은 시간 내에 완료할 수 있습니다. 펄스 신호가 너무 짧으면 IGBT가 완전히 켜지기 전에 꺼지게 되어 컨버터 출력에 부정적인 영향을 미치고 IGBT의 스위칭 손실을 증가시키며 시스템 효율을 저하시킵니다. 따라서 드라이버에 필터 회로를 설계하여 이러한 좁은 펄스 신호를 제거함으로써 IGBT의 신뢰성을 향상시킬 수 있습니다.

(3) 데드타임 설정 기능

하프 브리지 동작 모드에서는 두 개의 IGBT를 순차적으로 켜야 합니다. 스위칭 과정에서 두 IGBT가 동시에 켜지는 것을 방지하기 위해, 두 튜브를 번갈아 켤 때 일정 시간의 데드 타임을 추가해야 합니다. 데드 타임은 IGBT의 특성에 따라 다릅니다. 듀얼 채널 고출력 구동 모듈에는 데드 존 제어 회로가 내장되어 있으며, 외부 단자 연결 방식을 변경하여 데드 존의 크기를 조절할 수 있습니다. 예를 들어, 용량이 다른 외부 단자를 연결하는 방식으로 데드 존 크기를 조정할 수 있습니다.정전 용량(2sd106) 또는 높고 낮은 수준(skhi22a/b).

그림 1은 세미크를 보여줍니다.롬회사 IGBT 고출력 드라이버의 신호 처리 블록 다이어그램[3]에는 IGBT 구동 신호의 신뢰성을 보장하기 위한 목적으로 다양한 신호 처리 기능 모듈이 포함되어 있습니다.

2.2 구동 신호의 절연 전송 방식

고전압 및 고출력 IGBT 드라이버는 고전압 환경에서 작동하므로, 컨트롤러가 고전압 측의 영향을 받지 않도록 구동 펄스 신호를 절연한 후 IGBT 게이트로 전송해야 합니다. 일반적인 절연 방법으로는 광학 절연과 자기 절연이 있습니다. 광학 절연은 다음과 같은 특징을 갖습니다.광커플러고립과광섬유절연 방식 중 광커플러 절연 방식은 절연 전압이 비교적 낮아 전송 지연, 노화, 신뢰성 등의 문제가 있습니다. 따라서 DC 버스 전압이 800V를 초과하는 고전압 애플리케이션에서는 거의 사용되지 않습니다.펄스 변압기절연 방식(자기 절연)은 비교적 높은 절연 전압을 달성할 수 있으며,변압기펄스 변압기는 신뢰성이 높고 전송 지연이 짧으며 더 높은 스위칭 주파수를 구현할 수 있고 노화 문제가 없습니다. 따라서 대부분의 고전압 IGBT 드라이버는 구동 신호의 절연 전송을 위해 펄스 변압기를 절연 부품으로 사용합니다.

기존의 구동 펄스 변압기는 증폭된 펄스 신호를 분리하여 IGBT 또는 파워 MOS 튜브를 직접 구동합니다. 기본 회로 원리는 그림 2에 나와 있습니다. 1차측 직렬 커패시터는 구동 펄스의 직류 성분을 제거하는 역할을 합니다. 2차측 병렬 전압 조정 튜브는 출력 전압이 너무 높아져 파워 스위치 튜브가 손상되는 것을 방지합니다. 이 방식은 별도의 구동 전원이 필요 없고 회로 설계가 간단하며 비용이 비교적 저렴합니다. 그러나 구동 펄스의 듀티 사이클이 크게 변동할 경우, 특히 듀티 사이클이 상대적으로 클 경우, 변압기 출력 파형의 한 주기 내 전압-시간 면적이 일정해야 하므로 출력 양극 펄스의 진폭이 감소하여 IGBT를 정상적으로 구동하지 못할 수 있습니다. 제어 펄스의 듀티 사이클은 일반적으로 50% 미만이어야 합니다. 동시에 펄스 변압기는자기 코어포화 문제는 제어 펄스의 온타임을 제한하는 요인이기도 합니다. 또 다른 단점은 구동 파형의 왜곡인데, 특히 고출력 IGBT를 구동할 때 더욱 그렇습니다. IGBT의 입력 커패시턴스가 비교적 크기 때문에 펄스 변압기 2차 출력의 구동 펄스 파형이 구동 요구 사항을 충족하기 어렵습니다. 따라서 이 구동 방식은 주로 저전력 회로에 사용됩니다.스위칭 전원 공급 장치가운데.

고전압 및 고출력 IGBT의 경우, 위에서 설명한 구동 방식은 당연히 적용할 수 없습니다. 일반적으로 사용되는 방식은 구동 펄스 신호를 변조하여 상승 에지와 하강 에지를 두 개의 반전된 좁은 펄스 신호로 변환하는 것입니다. 펄스 변환기는 이 두 펄스 신호를 변환하는 역할을 합니다.연결2차 레벨로 변환한 다음, 2차 재구성 방법을 통해 구동 펄스 신호를 복원합니다. 작동 원리는 그림 3에 나와 있습니다.

이 방법을 펄스 에지 결합 전송 방식이라고 부를 수 있습니다. 이 방식의 장점은 펄스 변환기가 고정된 펄스 폭을 가진 좁은 펄스 신호만 전송하므로 듀티 사이클 변화 범위가 넓은 구동 펄스 신호에 적응할 수 있다는 것입니다. 변환기가 좁은 펄스 신호를 전송하기 때문에 변환기의 코어와 권선을 비교적 작은 값으로 사용할 수 있고, 이에 따라 누설 인덕턴스와 분포 커패시턴스도 비교적 작아 펄스 변환기 설계 및 신호 전송에 유리합니다. 단점은 변환 및 재구성 회로가 추가되어 회로가 비교적 복잡해진다는 것입니다. 그림 4는 변환 후 펄스 변환기의 1차 실험 파형을 보여줍니다.

고출력 IGBT 구동 모듈은 사용자의 구동 전원 설계 편의를 위해 일반적으로 DC/DC 컨버터가 내장되어 있습니다. 높은 절연 전압 레벨을 갖춘 DC/DC 컨버터는 사용자가 별도의 절연 전원을 설계할 필요가 없도록 해줍니다. 통합 절연 컨버터는 보통 하프 브리지 또는 푸시풀 구조를 채택합니다. 절연 전압을 높이고 컨버터 제어 회로를 단순화하기 위해 일반적으로 폐루프 제어 기능은 없습니다. 일부 드라이버는 구동 전압 안정화를 위해 출력단에 선형 정류 전원을 추가하기도 합니다. 트랜스포머 크기를 줄이기 위해 동작 주파수는 대부분 100kHz 이상입니다. 고전압 및 고출력 애플리케이션에서는 버스 전압에 따라 드라이버의 1차측과 2차측 사이에 높은 절연 전압 허용 오차가 필요합니다. 900VDC의 버스 전압에서는 최소 4kV AC의 절연 전압이 요구됩니다. 또한, DV/DT 허용 오차도 고려해야 합니다. IGBT가 고속으로 스위칭할 경우 매우 높은 DV/DT가 발생할 수 있습니다. 이 신호는 절연 변압기 또는 펄스 변압기를 통해 주 제어 회로에 유입되어 제어 회로에 간섭을 일으킬 수 있습니다. 따라서 절연 변압기를 설계할 때는 1차 및 2차측 결합 커패시턴스를 매우 작게 해야 합니다. 변압기 결합 커패시턴스의 크기는 dv/dt 내구성에 대한 구체적인 요구 사항에 따라 결정되며, 일반적으로 20pF 미만입니다.

변압기의 제조 공정은 상기 고절연 전압을 달성하는 데 핵심입니다. 절연 전압 허용 오차를 높이고 1차, 2차 또는 2차 권선 사이의 결합 용량을 줄이기 위해 권선은 일반적으로 절연 배플로 분리하여 별도로 감습니다. 때로는 자기 코어의 표면을 두꺼운 절연 재료로 코팅하거나 3겹의 절연 전선으로 감아야 합니다. 그림 5는 eupec의 IGBT 드라이버 모듈 2ed300c17의 변압기 구조의 개략도입니다[4].

2.4 단락 보호 및 임계값 조정

현재 일반적으로 사용되는 IGBT 단락 또는 과전류 보호 방법은 VCE 전압 값을 검출함으로써 구현됩니다[5]. IGBT에 단락이나 과전류가 발생하면 동작 영역이 포화 영역을 벗어나 VCE 전압이 증가합니다. 구체적으로,보호 회로원리는 그림 6에 나타나 있습니다.다이오드d는 IGBT의 컬렉터에 연결되어 IGBT의 과포화 감지를 구현합니다. VCE 전압이 증가하면 직렬 다이오드의 애노드 전위가 그에 따라 증가합니다. 설정된 단락 임계값을 초과하면 보호 회로가 작동하여 IGBT를 차단합니다. IGBT의 컬렉터 전압은 턴온 초기에는 비교적 높기 때문에, 이 시점에 보호 회로가 작동하면 오작동을 일으킬 수 있습니다. 따라서 단락 보호 회로가 작동하지 않는 데드존 시간을 설정해야 합니다. 이 기능은 스위치 s와 외부 회로를 통해 병렬로 연결됩니다.저항이는 rce와 cce 커패시터에 의해 구현됩니다. IGBT가 꺼지면 s가 켜지고 cce 커패시터는 15V로 충전됩니다. IGBT가 켜지면 s가 꺼지고 cce 커패시터는 rce를 통해 방전됩니다. 방전 종료 전압은 다음과 같습니다.

이는 IGBT 턴온 초기 단계에서 기준 전압이 검출 전압보다 높아지게 하여 보호 회로의 오작동을 방지할 수 있습니다. 정상 작동 시 파형은 그림 7(a)에 나타나 있습니다. 단락 또는 과전류 고장 발생 시 파형은 그림 7(b)에 나타나 있습니다.

2.5 사용자 인터페이스 방식

다양한 제조사에서 생산된 IGBT 모듈에 적응하기 위해서는 IGBT 드라이버가 사용자 친화적인 인터페이스를 갖춰야 합니다. 또한, 뛰어난 유연성과 경제적인 가격도 요구됩니다. 현재 시중에 나와 있는 일반적인 드라이버 모듈은 주로 다음과 같은 방식을 사용합니다.용접PCB 보드에 SKHI22, 2SD315A, 2ED300C17 등과 같은 IGBT를 사용하여 연결을 구현합니다. 설치 편의성을 위해 직접 플러그인 연결 방식도 사용합니다. 그림 8은 세미크론에서 개발한 스카이퍼 드라이버 모듈의 외관입니다. 이 모듈은 플러그인 방식으로 드라이브 인터페이스 보드에 연결됩니다.

드라이브 모듈(드라이브 코어)은 드라이브에서 가장 중요한 공통 기능만 제공하기 때문에, 다양한 애플리케이션에서 다른 모듈과의 연결은 인터페이스 보드를 통해 이루어져야 합니다. 전체 모듈-드라이브 유닛은 스프링 인터페이스가 있는 전원 모듈, 표준 또는 향상된 드라이브 코어, 그리고 드라이브 코어와 지정된 모듈을 연결하는 인터페이스 보드로 구성됩니다. 사용자 정의가 가능한 인터페이스 보드는 탁월한 장점을 제공합니다. 사용자는 IGBT의 스위칭 특성을 직접 조정하고 설정할 수 있습니다. 예를 들어, rgon 또는 rgoff 값을 조정하여 IGBT의 개폐 속도를 변경하거나, 데드 타임을 조정하거나 인터록 기능을 비활성화하거나, VCE 보호 지점 및 윈도우 시간을 조정하는 등의 작업이 가능합니다. 현재 시판 중인 지능형 전원 모듈(IPM)과 비교했을 때, 인터페이스 보드는 전체 시스템을 더욱 유연하게 만들고 다양한 애플리케이션에 쉽게 적용할 수 있도록 합니다. 시스템 매개변수를 한 번 설정하면 IPM처럼 간편하게 시스템을 사용할 수 있습니다. 세믹스 모듈과 인터페이스 보드 간의 전기적 연결은 세믹스 모듈에 내장된 스프링과 인터페이스 보드의 하단 레이어를 통해 이루어집니다.문의하기이를 달성하기 위해, 조립 후 인터페이스 보드의 접점이 모듈의 스프링 접점에 닿아 압력 접촉을 통해 전기적 연결이 완료됩니다. 접촉 압력은 납땜 기술에 비해 전력 모듈의 신뢰성을 향상시킵니다. 마찬가지로, 드라이브 코어와 인터페이스 보드 사이의 플러그인 연결도 납땜을 피합니다[6]. 그림 9는 드라이버 코어, 인터페이스 보드 및 세믹스 모듈 간의 연결 예시도입니다.

2.6 고도로 통합됨

드라이버 개발 추세는 고도로 통합되는 방향으로 나아가고 있으며, 이를 통해 드라이버의 크기를 줄이고 IGBT와의 통합을 강화하여 설치를 용이하게 하고, 드라이버와 IGBT 모듈 간의 연결선 길이를 단축하며, 케이블 수를 줄일 수 있습니다.인덕턴스이러한 목표를 달성하기 위해 현재 일부 해외 기업에서 개발 중인 IGBT 드라이버 모듈은 모두 자체 개발한 특수 기술을 사용하고 있습니다.집적 회로ASIC예를 들어, 세미크론의 SKIC2001A와 컨셉트의 LDI001 및 LGD001이 있습니다. ASIC 기술을 적용함으로써 대부분의 제어 및 보호 기능을 IC로 구현할 수 있어 드라이브 크기를 크게 줄이고 IGBT 드라이브의 신뢰성을 높일 수 있습니다.

3. 고전압·고출력 IGBT 구동 모듈의 개발 동향

복합 전력 반도체인 IGBT는 낮은 전력 소비, 높은 스위칭 주파수 및 큰 전류 용량 덕분에 특히 고출력 컨버터 분야에서 점점 더 널리 사용되고 있습니다. 이에 따라 구동 회로에 대한 요구 사항도 더욱 높아질 것입니다. 주요 기술 개발 방향은 다음과 같은 측면에서 나타납니다.

(1) 더 높은 통합

현재 고출력 IGBT 드라이버 모듈의 크기는 여전히 비교적 큽니다. 절연 전압 내성을 높이기 위해 일반적으로 변압기를 사용하여 절연을 구현합니다. 변압기는 크기와 무게가 크고 집적화가 어렵습니다. 따라서 미래의 드라이브는 더 작고 집적화가 용이한 변압기를 사용할 것입니다.절연체절연 부품의 크기와 무게를 줄이고 통합성을 높이기 위해 압전 변압기나 고급 자기 통합 기술을 적용하는 등의 구성 요소가 사용될 수 있다[7]. 향후에는 고출력 IGBT와 구동 회로가 동일한 모듈에 통합될 것으로 예상된다. 사용자는 전력 모듈에 제어 신호를 직접 입력하기만 하면 IGBT를 제어할 수 있다.

(2) Higher isolation voltage

현재 드라이버는 절연을 위해 옵토커플러와 트랜스포머를 사용합니다. 옵토커플러는 크기가 작다는 장점이 있지만, 절연 전압이 상대적으로 낮고 노화가 용이하며 지연 시간이 길다는 단점이 있습니다. 트랜스포머 절연은 절연 전압이 높고 지연 시간이 짧지만 크기가 더 큽니다. 따라서 고전압 절연이 필요한 경우 트랜스포머를 주로 사용합니다. 현재 트랜스포머 절연 드라이브 모듈의 최대 절연 전압은 약 3300V입니다. IGBT의 최고 전압 레벨은 6500V에 도달했습니다. 더 높은 전압 애플리케이션에 적응하기 위해서는 더 높은 절연 전압을 가진 드라이버를 사용해야 합니다.

(3) 더 큰 구동력

IGBT 모듈의 용량은 지속적으로 증가하고 있으며, 단일 모듈의 전류 용량은 이미 3600A에 달합니다. 용량 증대를 위해 여러 모듈을 병렬로 연결하여 사용하는 경우가 많은데, 이로 인해 드라이버의 구동력에 대한 요구 조건이 높아집니다. 특히 여러 모듈을 병렬로 사용할 경우, 드라이버의 평균 출력 전력은 5W~10W, 순간 최대 출력 전류는 30A 이상으로 요구되므로 드라이버의 최대 출력 전류를 그에 맞춰 증가시켜야 합니다.

(4) 더 높은 스위칭 주파수

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) 보다 완전한 기능

현재 널리 사용되는 게이트 구동 기술은 IGBT 스위칭 과정에서 발생하는 di/dt 및 dv/dt를 제어할 수 없어 변환 회로의 EMI를 제어할 수 없습니다. 능동 게이트 구동 기술은 IGBT 스위칭으로 인해 발생하는 높은 di/dt 및 dv/dt를 효과적으로 제어할 수 있습니다. 따라서 IGBT가 더 안전한 동작 영역에서 작동하도록 하고, 스위칭 과정에서 발생하는 EMI를 줄여 IGBT 버퍼 흡수 회로를 축소할 수 있습니다. 그중에서도 3단 능동 게이트 구동 기술은 응용 전망이 넓은 능동 게이트 구동 기술입니다[8]. 또한 직렬 및 병렬 IGBT 응용 분야의 요구 사항을 충족하기 위해 드라이버는 동적 전압 및 전류 분배 기능도 갖춰야 합니다.

4결론

전력 전자 시스템의 핵심 전력 반도체 소자인 IGBT는 수년간 지속적인 성장을 보여왔습니다. IGBT는 전력 전자 장치 및 장비의 효율 향상, 스위칭 주파수 증가, 전력 변환 소자의 소형화를 가능하게 하며, 지속적인 성능 향상을 통해 응용 분야가 더욱 확대되었습니다. 산업 분야뿐 아니라 다양한 전력 변환 시스템에서 고출력 바이폴라 트랜지스터를 대체하고 있습니다.트랜지스터(기타), 파워모스전계 효과 트랜지스터(이끼), even an alternative gate shut-off occurs사이리스터(gto) 현실적인 추세를 살펴보면, 고출력 IGBT 드라이버 모듈 기술은 지속적으로 발전하고 집적화 수준 또한 높아져 IGBT 전력 소비와 EMI가 감소하고 시스템 신뢰성이 향상될 것입니다. IGBT 제조 기술의 발전과 응용 분야의 확대로 인해 드라이브 성능에 대한 요구 사항 또한 끊임없이 증가하고 있습니다. 차세대 IGBT 성능에 부응하기 위해 여러 드라이브 제조업체들은 더욱 완벽한 성능을 갖춘 IGBT 드라이브 제품을 개발하고 있습니다.

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