1 Pengenalan

keranaigbtmempunyaibertukarDisebabkan oleh frekuensi tinggi, penggunaan kuasa pengaliran yang rendah dan kawalan get yang mudah, ia telah digunakan secara meluas dalam sistem penukaran kuasa tinggi. Dalam aplikasi igbt, selain tahap teknikalnya sendiri, faktor penting lain yang perlu dipertimbangkan ialah sama ada reka bentuk pemacunya munasabah dan boleh dipercayai. Pemacu igbt sebagai kuasalitarantara pengawal danantara mukaLitar ini berkait rapat dengan penggunaan kuasa dan kebolehpercayaan sistem. Pemacu yang dioptimumkan adalah sangat penting dalam sistem penukaran kuasa. Memilih litar pemacu yang sesuai berkait rapat dengan kebolehpercayaan penyelesaian penukar keseluruhan.

Pemacu terutamanya melengkapkan tiga fungsi berikut. Yang pertama ialah fungsi pemacu, yang menyediakan pemacu yang cukup besar untuk suis igbt.semasa, to ensure that igbt can be reliably turned on and off under its control; secondly, the driver must have a protection function. When igbt occurslitar pintasAtau apabila terdapat arus berlebihan, pemandu boleh mematikan IGBT dalam masa yang singkat untuk melindungi peranti kuasa.Di samping itu, dalam aplikasi voltan tinggi dan kuasa tinggi, pemacu, sebagai jambatan penghubung antara litar kawalan dan litar kuasa, mesti mempunyai fungsi pengasingan elektrik untuk memastikan litar kawalan tidak akan diganggu dan terjejas oleh litar kuasa.Atas premis memenuhi tiga fungsi di atas, pemandu juga mesti mempertimbangkan hubungan antara fleksibiliti, prestasi dan harga.

Disebabkan oleh kapasiti arus dan tahap voltan IGBT yang berbeza, terdapat juga perbezaan dalam keperluan teknikal untuk pemacunya. Dalam aplikasi kuasa rendah, kerana arus pemacu agak kecil, pemacu bersepadu kebanyakannya digunakan. Dalam aplikasi kuasa tinggi dan voltan tinggi, seperti bekalan kuasa UPS berkuasa tinggi, voltan tinggiPenukar kekerapandsb., yang memerlukan pemandu menyediakan arus pemacu yang lebih besar, voltan pengasingan yang lebih tinggi dan fungsi perlindungan yang lebih lengkap. Artikel ini memberi tumpuan kepada modul pemacu IGBT berkuasa tinggi yang biasa digunakan pada masa ini di pasaran, seperti SKHI22 Semikron dan 2SD315A Concept, dsb., dan menganalisis beberapa ciri teknikal biasa, titik reka bentuk dan trend pembangunan masa depan teknologi pemacu IGBT berkuasa tinggi.

2 Analisis ciri-ciri teknikal

2.1 Complete signal processing functions

Dalam aplikasi voltan tinggi dan kuasa tinggi, adalah sangat penting untuk memastikan kebolehpercayaan isyarat pemacu IGBT, dengan mengambil kira faktor-faktor seperti gangguan kuat yang dihasilkan oleh suis dan kos IGBT yang tinggi. Oleh itu, modul pemacu IGBT berkuasa tinggi biasanya mempunyai fungsi prapemprosesan isyarat denyut pemacu yang lengkap, yang bertujuan untuk memastikan kebolehpercayaan isyarat denyut get IGBT. Fungsi pemprosesan isyarat pemacu biasa adalah seperti berikut:

(1) Fungsi saling pengunci denyut dwi-saluran

Apabila modul pemacu mengeluarkan dua isyarat denyut untuk mengawal IGBT atas dan bawah masing-masing pada lengan jambatan yang sama, jika isyarat pemacu mengawal pengaliran dua IGBT pada masa yang sama, litar pintas akan berlaku, yang boleh menyebabkan kerosakan pada IGBT atau peranti lain. Untuk mengelakkan situasi di atas, litar saling kunci isyarat direka bentuk di dalam modul pemacu untuk memastikan bahawa apabila dua isyarat denyut input tinggi pada masa yang sama, kedua-dua output rendah pada masa yang sama untuk mengelakkan tembak-tembakan. Apabila kawalan bebas isyarat pemacu dwi diperlukan, fungsi saling kunci juga boleh dilindungi melalui terminal luaran.

(2) Fungsi penindasan nadi sempit

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) Fungsi penetapan masa mati

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.kemuatan(2sd106) or high and low level (skhi22a/b).

Rajah 1 menunjukkan semikromGambarajah blok pemprosesan isyarat pemacu berkuasa tinggi igbt syarikat [3] merangkumi pelbagai modul fungsi pemprosesan isyarat, yang tujuannya adalah untuk memastikan kebolehpercayaan isyarat pemacu igbt.

2.2 Kaedah penghantaran isyarat pemacu terpencil

Considering that the high-voltage and high-power IGBT driver works in a high-voltage environment, in order to ensure that the controller is not affected by the high-voltage side, the drive pulse signal must be isolated and then transmitted to the gate of the IGBT. Common isolation methods include optical isolation and magnetic isolation. Optical isolation includesOptocouplerpengasingan dangentian optikPengasingan, kaedah pengasingan optocoupler mempunyai masalah seperti kelewatan penghantaran, penuaan dan kebolehpercayaan disebabkan oleh voltan pengasingan yang agak rendah. Ia jarang digunakan dalam aplikasi voltan tinggi di mana voltan bas DC melebihi 800v. Dan menerima pakaipengubah nadiKaedah pengasingan (pengasingan magnet) boleh mencapai voltan pengasingan yang agak tinggi, danpengubahIt 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.

Transformer denyut pemacu tradisional mengasingkan isyarat denyut yang dikuatkan dan memacu terus tiub IGBT atau MOS kuasa. Prinsip litar asasnya ditunjukkan dalam Rajah 2. Fungsi kapasitor siri utama adalah untuk mengeluarkan komponen DC denyut pemacu. Tiub pengatur voltan selari sekunder digunakan untuk mengelakkan voltan keluaran daripada terlalu tinggi dan merosakkan tiub suis kuasa. Kaedah kerja ini tidak memerlukan bekalan kuasa pemacu yang berasingan, reka bentuk litar adalah mudah, dan kosnya agak rendah. Walau bagaimanapun, apabila kitaran tugas denyut pemacu berbeza-beza secara meluas, terutamanya apabila kitaran tugas agak besar, memandangkan luas volt-saat bentuk gelombang keluaran transformer dalam satu kitaran mestilah sama, amplitud denyut positif output mungkin dikurangkan, menjadikannya mustahil untuk memacu IGBT secara normal. Kitaran tugas denyut kawalan biasanya dikehendaki kurang daripada 50%. Pada masa yang sama, transformer denyutteras magnetMasalah ketepuan juga mengehadkan masa denyut kawalan. Satu lagi kelemahan ialah herotan bentuk gelombang pemacu, terutamanya apabila memandu IGBT berkuasa tinggi. Disebabkan oleh kapasitans input IGBT yang agak besar, bentuk gelombang denyut pemacu output sekunder transformer denyut sukar untuk memenuhi keperluan pemacuan. Oleh itu, kaedah pemacuan ini digunakan terutamanya dalam kuasa rendah.menukar bekalan kuasatengah.

Bagi IGBT voltan tinggi dan kuasa tinggi, kaedah pemanduan di atas jelas tidak boleh digunakan. Kaedah yang biasa digunakan adalah untuk memodulasi isyarat denyut pemacu dan menukarkan pinggir menaik dan pinggir menurunnya kepada dua isyarat denyut sempit terbalik. Transformer denyut hanya menukarkan dua isyarat denyut ini.gandinganke peringkat sekunder, dan kemudian memulihkan isyarat denyut pemacu melalui kaedah pembinaan semula sekunder. Prinsip kerjanya ditunjukkan dalam Rajah 3.

Kaedah ini boleh dipanggil kaedah penghantaran gandingan pinggir denyut. Kelebihan kaedah ini ialah transformer denyut hanya menghantar isyarat denyut sempit dengan lebar denyut tetap dan boleh menyesuaikan diri dengan isyarat denyut pemacu dengan pelbagai perubahan kitaran tugas. Oleh kerana transformer menghantar isyarat denyut sempit, teras dan belitan transformer boleh mengambil nilai yang agak kecil, dan induktans kebocoran yang sepadan dan kapasitans teragih juga agak kecil, yang memberi manfaat kepada reka bentuk transformer denyut dan penghantaran isyarat. Kelemahannya ialah litar penukaran dan pembinaan semula ditambah, dan litarnya agak rumit. Rajah 4 menunjukkan bentuk gelombang eksperimen utama transformer denyut selepas penukaran.

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.

The manufacturing process of the transformer is the key to achieving the above-mentioned high isolation voltage. In order to increase the isolation voltage tolerance and reduce the coupling capacitance between the primary, secondary or secondary, the windings are usually wound separately and separated by insulating baffles. Sometimes it is necessary to coat the surface of the magnetic core with thickened insulating material or wind it with three layers of insulated wire. Figure 5 is a schematic diagram of the transformer structure of eupec's igbt driver module 2ed300c17 [4].

2.4 Perlindungan litar pintas dan pelarasan ambang

Kaedah perlindungan litar pintas atau arus lampau IGBT yang biasa digunakan pada masa ini direalisasikan dengan mengesan nilai voltan vce [5]. Apabila IGBT mempunyai litar pintas atau arus lampau, kawasan kerjanya akan keluar dari zon tepu dan voltan vce akan meningkat. Secara khususnya,litar perlindunganPrinsipnya ditunjukkan dalam Rajah 6. lulusdiodd disambungkan kepada pengumpul igbt untuk mencapai pengesanan kurang tepu igbt. Peningkatan voltan vce akan meningkatkan potensi anod diod siri. Apabila ambang litar pintas yang ditetapkan dilampaui, litar perlindungan akan bertindak dan mematikan igbt. Oleh kerana voltan pengumpul IGBT agak tinggi pada peringkat awal pengaktifan, jika litar perlindungan beroperasi pada masa ini, ia boleh menyebabkan kerosakan. Masa zon mati mesti ditetapkan, di mana litar perlindungan litar pintas tidak akan berfungsi. Fungsi ini disambungkan secara selari melalui suis s dan suis luaranRintanganIa direalisasikan oleh rce dan kapasitor cce. Apabila igbt dimatikan, s dihidupkan, dan kapasitor cce dicas kepada 15v. Apabila igbt dihidupkan, s dimatikan, dan kapasitor cce dinyahcas melalui rce. Voltan hujung nyahcas ialah:

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 User interface method

In order to adapt to igbt modules packaged by different manufacturers, the igbt driver must have a user-friendly interface. It also requires extensive flexibility and economical cost. Common driver modules currently on the market mainly usekimpalanImplement 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.

Oleh kerana modul pemacu (teras pemacu) hanya menyediakan fungsi umum yang paling penting dalam pemacu, sambungannya dengan modul yang berbeza dalam aplikasi yang berbeza perlu bergantung pada papan antara muka. Keseluruhan unit pemacu modul merangkumi modul kuasa dengan antara muka spring, teras pemacu standard atau dipertingkatkan, dan papan antara muka yang menghubungkan teras pemacu ke modul yang ditentukan. Papan antara muka yang boleh disesuaikan mempunyai kelebihan yang luar biasa: pengguna boleh melaraskan dan menentukan ciri-ciri pensuisan IGBT sendiri, contohnya: mengubah kelajuan pembukaan atau penutupan IGBT dengan melaraskan Rgon atau Rgoff; melaraskan masa mati atau melumpuhkan fungsi saling kunci; melaraskan titik perlindungan VCE dan masa tetingkap, dsb. Berbanding dengan modul kuasa pintar IPM yang kini berada di pasaran, papan antara muka menjadikan keseluruhan sistem lebih fleksibel dan lebih mudah disesuaikan dengan aplikasi yang berbeza. Setelah parameter sistem ditetapkan, keseluruhan sistem boleh digunakan semudah IPM. Sambungan elektrik antara modul Semix dan papan antara muka adalah melalui spring yang terbina dalam modul Semix dan lapisan bawah papan antara muka.Hubungi Kamiuntuk dicapai. Selepas pemasangan, sentuhan papan antara muka menyentuh sentuhan spring modul, melengkapkan sambungan elektrik melalui sentuhan tekanan. Tekanan sentuhan meningkatkan kebolehpercayaan modul kuasa berbanding teknologi pematerian. Begitu juga, sambungan palam masuk antara teras pemacu dan papan antara muka juga untuk mengelakkan kimpalan [6]. Rajah 9 ialah gambarajah contoh sambungan antara teras pemacu, papan antara muka dan modul semix.

2.6 Bersepadu tinggi

Trend pembangunan pemacu adalah untuk menjadi sangat bersepadu, yang boleh mengurangkan saiz pemacu dan lebih rapat disepadukan dengan igbt, menjadikannya lebih mudah dipasang, mengurangkan panjang talian sambungan antara modul igbt pemacu, dan mengurangkan petunjukkearuhanUntuk mencapai matlamat ini, modul pemacu igbt yang kini dibangunkan oleh beberapa syarikat asing semuanya menggunakan modul khas yang dibangunkan sendiri.litar bersepaduASICFor example: Semikron's skic2001a and Concept's ldi001 and lgd001. Through the application of ASIC, most of the control and protection functions can be implemented with IC, which greatly reduces the size of the drive and increases the reliability of the igbt drive.

3 Trend pembangunan modul pemacu igbt voltan tinggi dan kuasa tinggi

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) Integrasi yang lebih tinggi

Pada masa ini, saiz modul pemacu IGBT berkuasa tinggi masih agak besar. Untuk meningkatkan ketahanan voltan pengasingan, transformer biasanya digunakan untuk mencapai pengasingan. Saiz dan berat transformer agak besar, dan sukar untuk diintegrasikan. Oleh itu, pemacu masa hadapan akan menggunakan pemacu yang lebih kecil dan lebih mudah untuk diintegrasikan.Isolatorcomponents, 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

Pemacu semasa menggunakan optocoupler dan transformer untuk mencapai pengasingan. Kelebihan optocoupler adalah saiznya yang kecil, tetapi ia mempunyai kekurangan seperti voltan pengasingan yang agak rendah, penuaan mudah, dan kelewatan yang besar. Pengasingan transformer mempunyai voltan pengasingan yang lebih tinggi dan kelewatan yang lebih kecil, tetapi lebih besar. Oleh itu, apabila pengasingan voltan tinggi diperlukan, transformer kebanyakannya digunakan untuk mencapai pengasingan. Pada masa ini, voltan pengasingan tertinggi modul pemacu terasing transformer ialah kira-kira 3300v. Tahap voltan tertinggi IGBT telah mencapai 6500v. Untuk menyesuaikan diri dengan aplikasi voltan yang lebih tinggi, pemacu dengan voltan pengasingan yang lebih tinggi mesti digunakan.

(3) Kuasa pemanduan yang lebih besar

The capacity of igbt modules is constantly increasing, and the current capacity of a single module can already reach 3600a. Sometimes in order to increase the capacity, it is usually operated in parallel, which also puts forward higher requirements for the driving power of the driver. The maximum output current of the driver must be increased accordingly, especially when multiple modules are used in parallel, the average output power of the driver is required to reach 5w~10w, and the instantaneous maximum output current is required to reach more than 30a.

(4) Frekuensi pensuisan yang lebih tinggi

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) Fungsi yang lebih lengkap

Teknologi pemacu get yang digunakan secara meluas pada masa ini tidak dapat mengawal di/dt dan dv/dt yang disebabkan oleh proses pensuisan igbt, justeru mengawal emi litar penukaran. Teknologi pemacu get aktif boleh mengawal di/dt dan dv/dt yang lebih tinggi yang disebabkan oleh pensuisan igbt dengan berkesan. Sehubungan itu, ia boleh menjadikan igbt berfungsi di kawasan kerja yang lebih selamat, mengurangkan emi yang dijana semasa proses pensuisannya, dan dengan itu mengurangkan litar penyerapan penimbal igbt. Antaranya, teknologi pemacu get aktif tiga peringkat merupakan teknologi pemacu get aktif dengan prospek aplikasi yang luas [8]. Di samping itu, untuk memenuhi keperluan aplikasi IGBT siri dan selari, pemacu juga mesti mempunyai fungsi perkongsian voltan dan arus dinamik.

4Kesimpulan

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), kuasa mostransistor kesan medan(mosfet), even an alternative gate shut-off occursThyristor(gto) trend realistik. Teknologi modul pemacu IGBT berkuasa tinggi akan terus bertambah baik, dan tahap integrasi juga akan meningkat, sekali gus mengurangkan penggunaan kuasa IGBT dan EMI, serta meningkatkan kebolehpercayaan sistem. Dengan perkembangan teknologi pembuatan igbt dan peningkatan selanjutnya dalam bidang aplikasi, keperluan untuk prestasi pemacunya juga sentiasa meningkat. Untuk menyesuaikan diri dengan prestasi generasi baharu igbt, pelbagai pengeluar pemacu sedang membangunkan produk pemacu igbt dengan prestasi yang lebih lengkap.

Penafian: Artikel ini diterbitkan semula daripada "Semiconductor Online". Artikel ini hanya mewakili pandangan peribadi penulis dan tidak mewakili pandangan Sacco Micro dan industri. Ia hanya untuk cetakan semula dan perkongsian bagi menyokong perlindungan hak harta intelek. Sila nyatakan sumber asal dan penulis untuk cetakan semula. Jika terdapat sebarang pelanggaran, sila hubungi kami untuk memadamkannya.