1 Inleiding

omdatigbthebbenschakelaarDoor de hoge frequentie, het lage stroomverbruik en de eenvoudige gate-aansturing wordt de IGBT veel gebruikt in hoogvermogenconversiesystemen. Bij IGBT-toepassingen is, naast het technische niveau van de IGBT zelf, een andere belangrijke factor de redelijkheid en betrouwbaarheid van het driverontwerp. IGBT-driver als vermogensbron.circuittussen de controller en deinterfaceThe 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.

De driver vervult hoofdzakelijk de volgende drie functies. De eerste is de aansturingsfunctie, die zorgt voor een voldoende krachtige aansturing van de IGBT-schakelaar.actueelOm ervoor te zorgen dat de IGBT betrouwbaar kan worden in- en uitgeschakeld onder controle van de driver, moet de driver een beveiligingsfunctie hebben. Wanneer de IGBT een storing vertoont...kortsluitingOr when there is overcurrent, the driver can turn off the igbt in the shortest time to protect the power device.Bovendien moet de driver, als verbindingsbrug tussen het stuurcircuit en het voedingscircuit, bij hoogspannings- en hoogvermogenstoepassingen een elektrische isolatiefunctie hebben om te voorkomen dat het stuurcircuit wordt gestoord of beïnvloed door het voedingscircuit.On the premise of satisfying the above three functions, the driver must also consider the relationship between flexibility, performance and price.

Vanwege de verschillende stroomcapaciteiten en spanningsniveaus van IGBT's zijn er ook verschillen in de technische eisen voor de bijbehorende drivers. Bij toepassingen met een laag vermogen, waar de aansturingsstroom relatief klein is, worden meestal geïntegreerde drivers gebruikt. Bij toepassingen met een hoog vermogen en hoge spanning, zoals UPS-voedingen met een hoog vermogen, worden hoogspanningsdrivers gebruikt.Frequentie omzetterenz., waardoor de driver een grotere stuurstroom, een hogere isolatiespanning en uitgebreidere beveiligingsfuncties moet leveren. Dit artikel richt zich op de veelgebruikte IGBT-stuurmodules voor hoog vermogen die momenteel op de markt zijn, zoals de SKHI22 van Semikron en de 2SD315A van Concept, enz., en analyseert enkele van hun gemeenschappelijke technische kenmerken, ontwerpaspecten en toekomstige ontwikkelingstrends van IGBT-stuurtechnologie voor hoog vermogen.

2 Analysis of technical characteristics

2.1 Complete signaalverwerkingsfuncties

Bij hoogspannings- en hoogvermogenstoepassingen is het van groot belang de betrouwbaarheid van het IGBT-stuursignaal te waarborgen, gezien factoren zoals de sterke interferentie die door de schakelaar wordt gegenereerd en de hoge kosten van IGBT's. Daarom beschikken hoogvermogen IGBT-stuurmodules doorgaans over een complete voorbewerkingsfunctie voor het stuursignaal, met als doel de betrouwbaarheid van het pulssignaal van de IGBT-gate te garanderen. Veelvoorkomende functies voor de verwerking van stuursignalen zijn als volgt:

(1) Dubbelkanaals pulsvergrendelingsfunctie

When the drive module outputs two pulse signals to control the upper and lower IGBTs on the same bridge arm respectively, if the drive signal controls the conduction of two IGBTs at the same time, a through short circuit will occur, which may cause damage to the IGBT or other devices. In order to prevent the above situation, a signal interlock circuit is designed inside the driver module to ensure that when the two input pulse signals are high at the same time, the two outputs are low at the same time to prevent shoot-through. When independent control of dual drive signals is required, the interlocking function can also be shielded through external terminals.

(2) Smalle pulsonderdrukkingsfunctie

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) Dead time setting function

In de halfbrugmodus moeten de twee IGBT's beurtelings worden ingeschakeld. Om te voorkomen dat de twee IGBT's tijdens het schakelproces tegelijkertijd worden ingeschakeld, moet er een bepaalde dode tijd worden toegevoegd wanneer de twee buizen afwisselend worden ingeschakeld. De dode tijd verschilt afhankelijk van de eigenschappen van de IGBT's. In de tweekanaals hoogvermogen-stuurmodule is intern een dodezone-regelcircuit ontworpen. De grootte van de dode zone kan worden aangepast door verschillende aansluitmethoden voor externe terminals, bijvoorbeeld door externe terminals met verschillende capaciteiten aan te sluiten.capaciteit(2sd106) of hoog en laag niveau (skhi22a/b).

Figuur 1 toont semikromThe 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 Geïsoleerde transmissiemethode van stuursignalen

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 includesOptische koppelaarisolatie englasvezelIsolation, optocoupler isolation method has problems such as transmission delay, aging and reliability due to the relatively low isolation voltage. It is rarely used in high-voltage applications where the DC bus voltage exceeds 800v. And adoptpuls transformatorMet de isolatiemethode (magnetische isolatie) kan een relatief hoge isolatiespanning worden bereikt, entransformatorHet heeft een hoge betrouwbaarheid, een kleine transmissievertraging, kan een hogere schakelfrequentie bereiken en kent geen verouderingsproblemen. Daarom gebruiken de meeste hoogspannings-IGBT-drivers pulstransformatoren als isolatiecomponenten om de geïsoleerde transmissie van stuursignalen te realiseren.

The traditional driving pulse transformer isolates the amplified pulse signal and directly drives the IGBT or power MOS tube. Its basic circuit principle is shown in Figure 2. The function of the primary series capacitor is to remove the DC component of the drive pulse. The secondary parallel voltage regulator tube is used to prevent the output voltage from being too high and damaging the power switch tube. This working method does not require a separate driving power supply, the circuit design is simple, and the cost is relatively low. However, when the duty cycle of the driving pulse varies widely, especially when the duty cycle is relatively large, since the volt-second area of ​​the transformer output waveform in one cycle must be equal, the amplitude of the output positive pulse may be reduced, making it impossible to drive the igbt normally. The control pulse duty cycle is usually required to be less than 50%. At the same time, the pulse transformermagnetische kernHet verzadigingsprobleem beperkt ook de inschakeltijd van de stuurpuls. Een ander nadeel is de vervorming van de stuurgolfvorm, vooral bij het aansturen van krachtige IGBT's. Door de relatief grote ingangscapaciteit van IGBT's is het moeilijk om met de stuurpulsgolfvorm van de secundaire uitgang van de pulstransformator aan de stuureisen te voldoen. Daarom wordt deze aansturingsmethode voornamelijk gebruikt bij laagvermogentoepassingen.wisselen van stroombronmidden.

Voor hoogspannings- en hoogvermogen-IGBT's is de bovenstaande aansturingsmethode uiteraard niet toepasbaar. De gebruikelijke methode is het moduleren van het aansturingspulssignaal en het omzetten van de stijgende en dalende flank ervan in twee omgekeerde smalle pulssignalen. De pulstransformator zet deze twee pulssignalen vervolgens om.koppelingto the secondary level, and then restore the driving pulse signal through the secondary reconstruction method. Its working principle is shown in Figure 3.

This method can be called pulse edge coupling transmission method. The advantage of this method is that the pulse transformer only transmits narrow pulse signals with a fixed pulse width and can adapt to driving pulse signals with a wide range of duty cycle changes. Since the transformer transmits narrow pulse signals, the core and windings of the transformer can take relatively small values, and the corresponding leakage inductance and distributed capacitance are also relatively small, which is beneficial to the design of the pulse transformer and signal transmission. The disadvantage is that the conversion and reconstruction circuit is added, and the circuit is relatively complicated. Figure 4 shows the primary experimental waveform of the pulse transformer after conversion.

Om het ontwerpen van de voeding voor de aansturing te vereenvoudigen, worden krachtige IGBT-stuurmodules meestal geleverd met een ingebouwde DC/DC-omvormer. DC/DC-omvormers met een hoge isolatiespanning vereisen geen aparte geïsoleerde voeding. Geïntegreerde isolatieomvormers maken doorgaans gebruik van een halfbrug- of push-pull-structuur. Om de isolatiespanning te verhogen en het aansturingscircuit van de omvormer te vereenvoudigen, hebben ze over het algemeen geen gesloten-lusregeling. Sommige drivers voegen een lineair gereguleerde voeding toe aan de uitgang om de aansturingsspanning te stabiliseren. Om de transformator kleiner te maken, ligt de werkfrequentie meestal boven de 100 kHz. Bij hoogspannings- en hoogvermogenstoepassingen moet de driver, afhankelijk van de busspanning, een hoge isolatiespanningstolerantie tussen de primaire en secundaire wikkeling hebben. Een busspanning van 900 V gelijkspanning vereist minimaal een isolatiespanning van 4 kV wisselspanning. Een andere factor waarmee rekening moet worden gehouden, is de dV/dt-tolerantie. Wanneer de IGBT met hoge snelheid schakelt, kan een zeer hoge dV/dt worden gegenereerd. Dit signaal kan via een scheidingstransformator of pulstransformator in het primaire regelcircuit terechtkomen, waardoor er interferentie in het regelcircuit ontstaat. Daarom is het bij het ontwerpen van de scheidingstransformator ook belangrijk dat de primaire en secundaire koppelingscapaciteit zeer klein zijn. De grootte van de koppelingscapaciteit van de transformator wordt bepaald aan de hand van de specifieke eisen voor de dv/dt-bestendigheid, en is doorgaans minder dan 20 pF.

Het fabricageproces van de transformator is cruciaal voor het bereiken van de bovengenoemde hoge isolatiespanning. Om de isolatiespanningstolerantie te verhogen en de koppelingscapaciteit tussen de primaire en secundaire wikkeling te verminderen, worden de wikkelingen meestal afzonderlijk gewikkeld en gescheiden door isolerende schotten. Soms is het nodig om het oppervlak van de magnetische kern te bekleden met verdikt isolatiemateriaal of deze te wikkelen met drie lagen geïsoleerde draad. Figuur 5 is een schematisch diagram van de transformatorstructuur van de IGBT-drivermodule 2ED300C17 van Eupec [4].

2.4 Short circuit protection and threshold adjustment

The currently commonly used igbt short circuit or overcurrent protection method is realized by detecting the voltage value of vce [5]. When the igbt has a short circuit or overcurrent, its working area will exit the saturation zone and the vce voltage will increase. Specifically,beschermingscircuitHet principe wordt weergegeven in figuur 6.dioded is verbonden met de collector van de IGBT om de onderverzadigingsdetectie van de IGBT te realiseren. De toename van de Vce-spanning zal de anodespanning van de seriediode dienovereenkomstig verhogen. Wanneer de ingestelde kortsluitdrempel wordt overschreden, treedt het beveiligingscircuit in werking en schakelt de IGBT uit. Omdat de collectorspanning van de IGBT relatief hoog is in de beginfase van het inschakelen, kan het activeren van het beveiligingscircuit op dat moment storingen veroorzaken. Er moet een dode zone worden ingesteld, gedurende welke het kortsluitbeveiligingscircuit niet werkt. Deze functie is parallel geschakeld via schakelaar s en een externeWeerstandDit wordt gerealiseerd door RCE en condensator CCE. Wanneer de IGBT wordt uitgeschakeld, wordt S ingeschakeld en wordt condensator CCE opgeladen tot 15V. Wanneer de IGBT wordt ingeschakeld, wordt S uitgeschakeld en wordt de condensator CCE ontladen via RCE. De spanning aan het einde van de ontlading is:

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 uselassenDe verbinding met IGBT's wordt op de printplaat gerealiseerd, bijvoorbeeld met SKHI22, 2SD315A en 2ED300C17. Om de installatie te vereenvoudigen, wordt ook een directe insteekverbinding gebruikt. Figuur 8 toont de Skyper-drivermodule, ontwikkeld door Semikron. Deze wordt via een insteekverbinding op de driverinterfacekaart aangesloten.

Omdat de aandrijfmodule (drive core) alleen de belangrijkste gemeenschappelijke functies van de aandrijving biedt, moet de verbinding met verschillende modules in verschillende toepassingen via een interfacekaart verlopen. De complete module-aandrijvingseenheid bestaat uit een voedingsmodule met een veerinterface, een standaard of verbeterde drive core en een interfacekaart die de drive core met de betreffende module verbindt. De aanpasbare interfacekaart heeft een groot voordeel: de gebruiker kan zelf de schakelkarakteristieken van de IGBT aanpassen en bepalen, bijvoorbeeld: de openings- of sluitingssnelheid van de IGBT wijzigen door rgon of rgoff aan te passen; de dode tijd aanpassen of de vergrendelingsfunctie uitschakelen; het VCE-beveiligingspunt en de venstertijd aanpassen, enzovoort. In vergelijking met de momenteel op de markt verkrijgbare intelligente voedingsmodules (IPM's) maakt de interfacekaart het hele systeem flexibeler en gemakkelijker aan te passen aan verschillende toepassingen. Zodra de systeemparameters zijn ingesteld, kan het hele systeem net zo eenvoudig worden gebruikt als een IPM. De elektrische verbinding tussen de SEMIX-module en de interfacekaart verloopt via de veer in de SEMIX-module en de onderste laag van de interfacekaart.Contactto achieve. After assembly, the contacts of the interface board touch the spring contacts of the module, completing the electrical connection through pressure contact. Contact pressure increases the reliability of the power module compared to soldering technology. Similarly, the plug-in connection between the drive core and the interface board is also to avoid welding [6]. Figure 9 is an example diagram of the connection between the driver core, interface board and semix module.

2.6 Sterk geïntegreerd

De ontwikkelingstrend voor drivers is een hoge mate van integratie. Dit kan de afmetingen van de driver verkleinen en een nauwere integratie met de IGBT mogelijk maken, waardoor de installatie eenvoudiger wordt, de lengte van de verbindingskabels tussen de driver en de IGBT-modules wordt verkort en het aantal kabels afneemt.inductieOm dit doel te bereiken, maken de IGBT-stuurmodules die momenteel door sommige buitenlandse bedrijven worden ontwikkeld, allemaal gebruik van zelfontwikkelde speciale technologie.geïntegreerde schakelingASICBijvoorbeeld: Semikron's SKIC2001A en Concept's LDI001 en LGD001. Door de toepassing van ASIC's kunnen de meeste besturings- en beveiligingsfuncties met IC's worden geïmplementeerd, wat de omvang van de aandrijving aanzienlijk verkleint en de betrouwbaarheid van de IGBT-aandrijving verhoogt.

3 Ontwikkelingstrends van hoogspannings- en hoogvermogen-IGBT-stuurmodules

Als samengestelde vermogenshalfgeleider wordt de IGBT steeds vaker gebruikt, met name in hoogvermogenomvormers, vanwege het lage stroomverbruik, de hoge schakelfrequentie en de grote stroomcapaciteit. De eisen aan het aansturingscircuit zullen daardoor ook steeds hoger worden. De belangrijkste technische ontwikkelingsrichtingen worden weerspiegeld in de volgende aspecten.

(1) Hogere integratie

Momenteel zijn IGBT-drivermodules voor hoog vermogen nog relatief groot. Om de isolatiespanning te verhogen, wordt meestal een transformator gebruikt. De transformator is echter relatief groot en zwaar, waardoor integratie lastig is. Toekomstige drivers zullen daarom kleinere, makkelijker te integreren modules gebruiken.isolatorcomponenten, zoals het toepassen van piëzo-elektrische transformatoren of geavanceerde magnetische integratietechnologie om de grootte en het gewicht van isolatiecomponenten te verminderen en de integratie te vergroten [7]. Het is te verwachten dat in de toekomst krachtige IGBT's en hun aansturingscircuit in dezelfde module zullen worden geïntegreerd. Gebruikers hoeven dan alleen nog maar het stuursignaal rechtstreeks in de vermogensmodule in te voeren om de IGBT aan te sturen.

(2) Hogere isolatiespanning

Huidige drivers gebruiken optocouplers en transformatoren voor isolatie. Het voordeel van optocouplers is hun kleine formaat, maar ze hebben nadelen zoals een relatief lage isolatiespanning, snelle veroudering en een grote vertraging. Isolatie met transformatoren heeft een hogere isolatiespanning en een kleinere vertraging, maar is groter. Daarom worden transformatoren meestal gebruikt wanneer isolatie bij hoge spanningen vereist is. Momenteel is de hoogste isolatiespanning van een met transformatoren geïsoleerde drivermodule ongeveer 3300 V. Het hoogste spanningsniveau van IGBT's heeft 6500 V bereikt. Om te voldoen aan hogere spanningseisen, moeten drivers met een hogere isolatiespanning worden gebruikt.

(3) Grotere aandrijfkracht

De capaciteit van IGBT-modules neemt voortdurend toe en de huidige capaciteit van een enkele module kan al 3600 A bereiken. Om de capaciteit te vergroten, worden modules soms parallel geschakeld, wat echter hogere eisen stelt aan het vermogen van de driver. De maximale uitgangsstroom van de driver moet dienovereenkomstig worden verhoogd, vooral wanneer meerdere modules parallel worden gebruikt. In dat geval is een gemiddeld uitgangsvermogen van de driver van 5 W tot 10 W vereist, en een momentane maximale uitgangsstroom van meer dan 30 A.

(4) Hogere schakelfrequentie

Om zich aan te passen aan toepassingen in inductieverwarmingsvoedingen, neemt de schakelfrequentie van IGBT's voortdurend toe. Dankzij de ontwikkeling van de productietechnologie kan de hoogste schakelfrequentie van IGBT's al boven de 100 kHz liggen, waardoor ze de MOS-vermogensbuis gedeeltelijk kunnen vervangen. Voor de driver betekent dit dat deze een groter stuurvermogen moet leveren, een kortere pulsvertraging en kortere stijg- en daaltijden moet hebben, en een hogere momentane maximale stuurstroom moet kunnen leveren, enzovoort.

(5) Meer complete functies

The currently widely used gate drive technology cannot control the di/dt and dv/dt caused by the igbt switching process, thereby controlling the emi of the conversion circuit. Active gate drive technology can effectively control the higher di/dt and dv/dt caused by igbt switching. Accordingly, it can make igbt work in a safer working area, reduce the emi generated during its switching process, and accordingly reduce the igbt buffer absorption circuit. Among them, the three-stage active gate drive technology is an active gate drive technology with wide application prospects [8]. In addition, in order to meet the needs of series and parallel IGBT applications, the driver must also have dynamic voltage and current sharing functions.

4Conclusie

Als belangrijk vermogenshalfgeleidercomponent in vermogenselektronica-systemen heeft de IGBT al jarenlang een gestage groei doorgemaakt. Doordat IGBT's vermogenselektronica-componenten en -apparatuur in staat stellen een hoger rendement, een hogere schakelfrequentie en een geminiaturiseerd ontwerp van vermogensomzettingscomponenten te bereiken, is het toepassingsgebied van IGBT's, dankzij de voortdurende prestatieverbetering, steeds breder geworden. Niet alleen in de industrie, maar ook in vele andere vermogensomzettingssystemen hebben ze hoogvermogen bipolaire transistoren vervangen.transistor(gitaar), power mosveldeffecttransistor(mosfet), zelfs als er een alternatieve poortafsluiting plaatsvindtthyristor(gto) realistic trends. High-power IGBT driver module technology will continue to improve, and the integration level will also increase, thereby reducing IGBT power consumption and EMI, and improving system reliability. With the development of igbt manufacturing technology and the further increase in application fields, the requirements for the performance of its drives are also constantly increasing. In order to adapt to the performance of the new generation of igbt, various drive manufacturers are developing igbt drive products with more complete performance.

Disclaimer: Dit artikel is overgenomen van "Semiconductor Online". Dit artikel geeft uitsluitend de persoonlijke mening van de auteur weer en vertegenwoordigt niet de standpunten van Sacco Micro en de industrie. Het is uitsluitend bedoeld voor herpublicatie en verspreiding ter ondersteuning van de bescherming van intellectuele eigendomsrechten. Vermeld bij herpublicatie de oorspronkelijke bron en auteur. Neem bij inbreuk contact met ons op zodat we het artikel kunnen verwijderen.