IGBT 전력 전자 장치의 응용
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IGBT는 인버터 및 다양한 유형의 전원 공급 장치로 대표되는 전력 전자 장치에 널리 사용됩니다. IGBT는 바이폴라 전력 트랜지스터와 파워 MOSFET의 장점을 결합하고 전압 제어, 큰 입력 임피던스, 작은 구동 전력, 간단한 제어 회로, 작은 스위칭 손실, 빠른 스위칭 속도 및 높은 동작 주파수의 장점을 가지고있다.
그러나 IGBT는 다른 전력 전자와 마찬가지로 회로 조건 및 스위칭 환경에 의존합니다. 따라서 IGBT의 구동 및 보호 회로는 회로 설계의 어려움과 초점이며, 전체 소자 동작의 핵심 링크이다.
1 IGBT 동작 특성
IGBT는 매우 적은 구동 전류와 구동 전력을 필요로하며 추가적인 인터페이스 회로없이 아날로그 또는 디지털 기능 블록에 직접 연결할 수있는 전압 형 제어 장치이다. IGBT의 턴온 및 턴 오프는 게이트 전압 UGE에 의해 제어된다. UGE가 턴온 전압 UGE (th)보다 클 때, IGBT가 턴온된다. 게이트와 에미 터간에 역전 또는 비 신호가인가되면 IGBT가 꺼집니다. 부서진.
IGBT는 일반적인 트랜지스터와 마찬가지로 선형 증폭 영역, 포화 영역 및 차단 영역에서 작동 할 수 있으며 주로 스위칭 장치로 사용됩니다. 구동회로에서는, IGBT의 포화 ON / OFF 상태가 주로 연구되어, 턴온 상승 에지와 턴 오프 하강 에지가 가파르게된다.
2 IGBT 드라이브 회로 요구 사항
IGBT 드라이버를 설계 할 때는 다음 사항을 준수해야합니다.
1) 게이트 순방향 구동 전압의 크기는 회로 성능에 중요한 영향을 미치므로 정확하게 선택해야합니다. 순방향 구동 전압이 증가하면 IGBT의 온 저항이 감소하여 턴온 손실이 감소합니다. 그러나, 순방향 구동 전압이 너무 크면 부하가 단락 될 때 UGE와 함께 단락 전류 IC가 증가하여 IGBT가 홀딩 효과를 일으켜 게이트 오류가 발생할 수 있습니다. 결과적으로 IGBT가 손상됩니다. 순방향 구동 전압이 너무 작 으면 IGBT는 포화 전도 영역을 빠져 나와 선형 증폭 영역으로 들어가서 IGBT가 과열되어 손상 될 수 있습니다. 사용시 12V ≤ UGE ≤ 18V가 바람직합니다. 게이트의 마이너스 바이어스 전압은 셧다운 중에 과도한 서지 전류로 인해 IGBT가 잘못 전도되는 것을 방지합니다. 일반적으로, 음의 바이어스 전압은 5V로 선택된다. 또한 구동 회로는 IGBT가 켜진 후 충분한 전압 및 전류 진폭을 제공해야하므로 IGBT가 정상 전도 및 과부하 조건에서 포화 전도 영역을 벗어나지 않고 손상됩니다.
2) IGBT의 빠른 턴온 및 턴 오프는 동작 주파수를 높이고 스위칭 손실을 줄이는 데 유용하다. 그러나 IGBT의 스위칭 주파수는 큰 유도 부하에서 너무 커야하지 않습니다. 고속 턴온 및 턴 오프가 높은 피크 전압을 초래하여 IGBT 또는 다른 부품이 파괴 될 수 있기 때문입니다.
3) 적절한 게이트 직렬 저항 RG 및 게이트 커패시턴스 CG를 선택하는 것이 IGBT를 구동하는 데 중요합니다. RG가 작 으면 게이트 이미 터 간의 충 방전 시간 상수가 상대적으로 작아서 IGBT가 손상 될 수있는 켜짐시 큰 전류가 발생합니다. RG가 더 크면 dvce / dt를 억제하는 데 이롭지 만 IGBT의 스위칭 시간과 스위칭 손실이 증가합니다. . 적절한 CG는 dic / dt를 억제하고 CG가 너무 크며 온 타임이 지연됩니다. CG가 너무 작 으면 dic / dt를 억제하는 효과가 명확하지 않습니다.
4) IGBT가 꺼지면 IGBT 및 회로의 기생 파라미터로 인해 게이트 이미 터 전압이 쉽게 방해되어 게이트 이미 터 전압으로 인해 소자가 잘못된 전도를 일으킬 수 있습니다. 이를 방지하기 위해 게이트 사이에 저항을 병렬로 연결할 수 있습니다. 또한, 실제로는 게이트 구동회로에서 고전압 스파이크를 방지하기 위해 두 개의 역 직렬 제너 다이오드를 그레이팅 사이에 병렬로 연결하는 것이 바람직하며 전압 조정 값은 양극 및 음극과 같아야한다 게이트 전압.
3 HCPL-316J 구동 회로
3.1 HCPL-316J 내부 구조 및 작동 원리
IGBT에 과전류 신호가있는 경우 (핀 14가 IGBT 컬렉터의 전압을 감지하면 = 7V) 입력 드라이브 신호가 핀 1에 계속해서 적용되어 저전압 신호가 낮고 B 출력이 낮고 세 번째 -level Darlington 튜브가 꺼지고 1 × DMOS가 켜지고 IGBT 게이트 사이의 전압이 서서히 떨어지면서 느린 하강 게이트 전압이 발생합니다. VOUT = 2V, 즉 VOUT이 로우 레벨, C 포인트가 로우 레벨, B 포인트가 하이 레벨, 50 × DMOS가 턴 온되어 IGBT 게이트 어레이가 급격히 방전된다. 폴트 라인의 신호는 옵토 커플러를 통과 한 다음 RS 플립 플롭을 통과하고 Q 출력은 하이이므로 입력 옵토 커플러가 차단됩니다. 마찬가지로 저전압 및 과전류 및 과전류의 상황 만 분석 할 수 있습니다.
3.2 드라이브 회로 설계
HCPL-316J의 왼쪽에있는 VIN +, FAULT 및 RESET은 각각 마이크로 컴퓨터에 연결됩니다. R7, R8, R9, D5, D6 및 C12는 과도한 입력 전압으로 인해 IGBT가 손상되는 것을 방지하기 위해 입력 보호를 제공하지만 보호 회로는 약 1μs의 지연을 발생 시키며 스위칭 주파수가 100kHz를 초과 할 때 사용하기에 적합하지 않습니다. Q3은 가장 중요한 연동 기능입니다. 두 PWM 신호 (브리지 암)가 모두 하이 레벨 일 때, Q3이 켜지고 입력 레벨이 낮아져 출력도 낮아집니다. 그림 3의 인터록 신호 Interlock 및 Interlock2는 각각 다른 316J 인터록 2 및 인터록 1에 각각 연결됩니다. R1과 C2는 오류 신호를 증폭하고 필터링하는 역할을합니다. 간섭 신호가있을 때, 마이크로 컴퓨터는 정보를 올바르게 받아 들일 수있다.
출력에서 R5와 C7은 IGBT가 켜지는 속도와 스위칭 손실과 관련이있다. C7을 증가 시키면 dic / dt를 현저하게 줄일 수 있습니다. 먼저 게이트 저항을 계산하십시오. 여기서 ION은 켜지면 IGBT에 주입되는 게이트 전류입니다. IGBT를 빠르게 켜려면 IONMAX 값은 20A입니다. 로우 레벨 출력 VOL = 2v.
C3는 매우 중요한 매개 변수이며, 가장 중요한 것은 충전 지연입니다. 시스템이 기동하여 칩이 동작하기 시작하면 IGBT의 컬렉터 C 단자의 전압이 7V보다 훨씬 크기 때문에 C3가없는 경우는 단락 사고 신호가 잘못 출력되고 출력 즉시 꺼지게됩니다. 칩이 정상적으로 작동하면 콜렉터 전압이 순간적으로 상승하면 즉시 정상으로 돌아갑니다. C3가 없으면 실수로 IGBT를 끄도록 오류 신호가 발행됩니다. 그러나 C3의 값이 너무 크면 시스템 응답이 느려지고 포화 상태 인 경우 지연 시간 내에 IGBT가 소각되어 올바른 보호 효과가 얻어지지 않을 수 있습니다. C3의 값은 100pF이고, 지연은 시간이다.
콜렉터 검출 회로는 2 개의 다이오드가 직렬로 접속되어 전체 역 내 전압을 향상시킬 수있어 구동 전압 레벨은 높아지지만, 다이오드의 역 회복 시간은 작고 각 역 내압 레벨은 1000V이다. 일반적으로 BYV261E가 선택되고 역 회복 시간은 75ns입니다. R4 및 C5의 역할은 과전류 신호 후 HCLP-316J의 소프트 셧다운 특성을 보존하는 것입니다. 원리는 C5가 내부 MOSFET의 방전을 통해 부드러운 턴 오프를 달성한다는 것이다. 그림 3에서 출력 전압 VOUT은 2 개의 고속 3 극 푸시 풀 출력을 통과하며 최대 20A의 전류를 구동 할 수 있으며 1700V, 200-300A IGBT를 신속하게 구동 할 수있다.
3.3 드라이브 전원 공급 장치 설계
드라이브 설계에서 안정적인 전원 공급 장치는 IGBT가 올바르게 작동하도록 보장합니다. 전원 공급 장치는 순방향 변환, 강력한 간섭 방지 기능, 2 차측에 필터 인덕터가 없음, 낮은 입력 임피던스를 채택하여 과부하 상태에서도 전원 공급 장치의 출력 전압이 안정적입니다.
s가 켜지면 + 12v (상대적으로 안정된 전원 공급 장치의 경우 고정밀) 전압이 변압기의 1 차측에인가되고 권선이 S에 연결되고 2 차측이 에너지 결합을 통해 정류됩니다. S가 꺼지면 코어의 에너지가 1 차 다이오드와 연결된 권선을 통해 전원에 피드백되어 변압기 코어를 재설정합니다. 555 타이머는 멀티 바이브레이터에 연결됩니다. C1을 충전 및 방전함으로써 발 2 및 발 6의 전위가 4 내지 8v 사이에서 변하여 발 3이 전압 구형파 신호를 출력하고 사각 파 신호가 S의 개방을 제어하는데 사용된다. 그리고 닥쳐. + 12v는 C1 내지 R1 및 D2를 충전하고, 그 충전 시간은 t1 ≒ R1C2ln2이다. 방전 시간 t2 = R2C1ln2 일 때, 충전시에는 하이 레벨을 출력하고, 방전시에는 로우 레벨을 출력한다. 따라서, 듀티 비 = t1 / (t1 + t2)이다.
변압기는 다음과 같은 매개 변수에 따라 설계되었습니다 : 원본 측은 + 12v에 연결되고 주파수는 60kHz이고 작동 자기 유도 강도 Bw는 0입니다. 15T, 2 차 측 + 15v 출력 2A, -5v 출력 1 A, 효율 n = 80 %, 윈도우 필 팩터 Km은 0이다. 코어 충진 인자 Kc는 1이고, 코일 와이어 전류 밀도 d는 3 A / mm2이다. 출력 파워
PT = (15 + 0.6) × 2 × 2 + (5 + 0.6) × 1 × 2 = 64W.
부하 후에 구동 전원 공급 장치의 출력 전압이 감소하기 때문에 실제 응용에서 출력 전압을 안정화시키기 위해 주파수와 듀티 사이클을 증가시키는 것을 고려하십시오.
4 결론
본 논문에서는 1400V, 200 ~ 300A IGBT를 구동 할 수있는 구동 회로를 설계한다. 2 개의 IGBT (동일한 브리지 암)의 인터 로킹이 하드웨어상에서 실현되고, 2 개의 IGBT에 직접 전력을 공급할 수있는 구동 전원이 설계된다.
HCPL-316J는 입력 IC (왼쪽)와 출력 IC (오른쪽)의 두 부분으로 나눌 수 있습니다. 입력 및 출력은 고전압 및 고전력 IGBT 드라이브의 요구 사항을 완벽하게 충족시킬 수 있습니다.
각 핀의 기능은 다음과 같습니다.
핀 1 (VIN +) 순방향 신호 입력;
핀 2 (VIN-) 역 신호 입력;
핀 3 (VCG1)은 입력 전원에 연결됩니다.
핀 4 (GND)의 입력 접지;
발 5 (RESERT) 칩 리셋 입력;
풋 (FAULT) 폴트 출력, 폴트 발생시 (출력 순방향 전압 부족 또는 IGBT 단락), 포토 커플러를 통해 폴트 신호가 출력됩니다.
핀 7 (VLED1 +) 광 커플러 테스트 핀, 서스펜션;
핀 8 (VLED1-)은 접지되어 있습니다.
핀 9, 발 10 (VEE)은 IGBT에 역 바이어스 전압을 제공합니다.
핀 11 (VOUT)은 IGBT를 구동하기위한 구동 신호를 출력한다.
발 12 (VC) 3 단 Darlington 튜브 컬렉터 전원 공급 장치;
핀 13 (VCC2)은 전압 소스를 구동합니다.
핀 14 (DESAT) IGBT 단락 전류 감지;
핀 15 (VLED2 +) 옵토 커플러 테스트 핀, 서스펜션;
발 16 (VE)은 기준 접지를 출력합니다.
VIN +가 정상적으로 입력되면 핀 14에는 과전류 신호가없고 VCC2-VE = 12v는 출력 순방향 드라이브 전압이 정상이고 드라이브 신호가 하이 레벨을 출력하고 오류 신호 및 저전압 신호가 로우 레벨을 출력한다는 것을 의미합니다. 먼저, JP3에 3 개의 신호가 입력되고, D는 로우, B는 로우, 50 × DMOS는 오프이다. 이 때, JP1 입력의 4 가지 상태는 위에서 아래로 낮고, 높고, 낮고 낮으며, 높은 지점 A는 3 단 달링 톤 튜브를 켜서 켜고 IGBT도 켜고 켜져있다.