IGBT 게이트 회로

IGBT는 Isolated Gate Bipolar Transistor의 약자로 절연 게이트 양극 트랜지스터이다.

IGBT는 전압 드라이브(구동) 유형 요소이다.

 -  IGBT는 전압 드라이브 형식 요소이지만, 위에 표시된 것처럼 개별 단자 사이의 용량이 존재하기 때문에, gate를 on/off 하기 위해서는 입력 용량(Cies)의 충전/방전이 필요하다. 따라서 IGBT를 스위칭하기 위해서는 충전/방전 회로가 필요하다. 각 IGBT 요소마다 하나의 게이트 드라이브 회로가 필요하다.

 

IGBT Driver은 무엇일까

 -  아래 그림은 Gate 드라이브 회로를 개략적으로 그려낸 블록 다이어그램이다. Gate 드라이브 회로는 주로 3개의 섹션으로 구성된다. 하나는 전기적 신호를 차단하는 광연결자(opto-coupler)이다. 또 다른 것은 광전자파로부터 오는 신호를 수신하고 증폭하는 인터페이스 회로이다. 다른 하나는 IGBT 게이트 용량을 충전하고 방전하는 스위칭 트랜지스터이다. 

IGBT 스위칭 ON시에 Gate 전압은 15[V]로 양의 바이어스가 되어야 한다. 

IGBT 스위칭 OFF시에 Gate 전압은 -10[V]의 음의 바이어스가 되어야 한다.

이때 필요한 Gate 용량 충전 및 방전은 고속으로 실행해야 한다. 이글에서 다루는 IGBT 드라이버는 신호를 수신한 후 고속 게이트 용량 충전 및 방전을 위한 구동 회로를 통합하는 하이브리드 IC(Integrated Circuit) 이다.  

단락 보호 회로의 포함 장점 

  - 일반적으로 게이트를 10[us]이하로 스위칭 OFF하여 IGBT 단락 보호를 수행하는 것이 바람직하다. 이 고속 보호를 위해 IGBT 드라이버(일부 예외 포함)에는 단락 보호 회로가 포함되어 있다. 제품은 하나의 하이브리드 IC에 게이트 구동 회로와 단락 보호 회로를 구축하여 더 작게 만들 수 있다.

또 다른 이점은 단락 감지 회로 및 게이트 종료 회로가 게이트 드라이브 회로 바로 근처에 있기 때문에 회로 간 조정이 용이하다는 것이다. 단락이 감지되는 즉시 게이트 출력을 쉽게 차단할 수 있다는 것이다. 게이트 구동 회로와 감지 회로를 별도로 배치하고 감지된 신호를 입력 측 CPU로 전송하여 게이트 신호를 중지하면 게이트를 OFF하는데 시간이 걸릴 수 있으므로 소자가 손상될 가능성이 높다.

단락 보호 회로의 작동

  -  IGBT 드라이버에 내장된 단락 보호 회로는 단락 보호 회로의 단락 상태를 인식하고, Gate 출력이 ON이고 Collector 전압이 높을때 즉시 게이트 전압을 낮춘다. 동시에 보호 회로는 출력 단자 "L"에서 오는 알람 신호를 출력하여 보호 회로가 작동중임을 알린다. 아래 그림은 IGBT 스위칭 ON 후에 단락이 발생할 때 동작 파형 발생의 예를 보여준다.

단락이 발생하면, Collector 전류가 빠르게 증가하고 그에 따라 Collector 전압이 증가한다. 

아래 단락 보호 회로 기능 블록 다이어그램에 표시된 비교 회로의 출력은 Collector 전압의 증가로 인해 반대가되며,

래치 및 타이머 회로가 작동하기 시작하여 Q1이 스위칭 ON 된다. 그러면 Vout이 천천이 감소하고 IGBT Gate 전압이 느리게 감소하고 소프트 종료 된다. Gate 전압을 낮추는 소프트 종료는 IGBT의 단락 전류가 차단될 때 생성되는 서지 전압의 증가를 서서히 억제한다.

IGBT 드라이버의 단락 보호 회로의 Collector 전류를 직접 모니터링하지 않고 Vce의 전압을 모니터링 한다. 따라서 고정밀 검출 보호는 불가능하다. 

The protection is performed by switching off the IGBT through the following sequence : short-circuit occurrenc-> VCE voltage increase -> comparison circuit reverse -> Q1 turn of -> Vout (VGE) voltage decrease -> alarm output start -> IGBT turn off.

 

단락이 실제로 감지될 때 VCE 전압 출력은 Vref(약 9.5V) - Vf*n(여기서 n은 보통 1.) 등식으로 인해 발생한다.

데이터 시트에 15V(최소)가 단락 감지 전압 VSC로 표시된다. 이는 15V 이상의 전압에서 감지가 확실히 가능하다는 것을 나타낸다. 위 그림의 C소프트는 Gate driver에 내장되어 있다. 그러나 일부 제품은 Csoft를 외부와 연결하고 외부 커패시터를 단자에 연결하여 게이트 감소 속도를 조정할 수 있다.

단락방호회로의 래치/타이머 리셋 시스템의 효과

  - 이 섹션에서는 IGBT 드라이버의 단락 보호 회로의 특성을 설명한다. 단락 보호 회로가 작동하기 시작하면 게이트 출력을 차단하고 알람 출력을 유지하여 래치 상태를 발생시킨다. 단락 보호 회로 활성화 후 특성 시간이 경과할 때 입력 신호가 OFF 되면 이 상태가 취소된다. Then, 입력 신호에 따라 Gate 출력이 가능해진다. 특정시간이 경과했을 때 입력 신호가 ON이면 래치 상태가 취소되지 않는다. 신호가 OFF 되었을 때 취소된다.

 

아래 그림은 단락 감지와 관련된 작동 흐름을 보여 준다. VLA542는 이 시스템을 포함하는 대표적인 모델이다. 아래 표시된 상위 시간 차트는 VLA542 입력 신호와 게이트 출력 간의 관계를 보여준다.

 

 

낮은 시간 차트는 펄스에 의해 pule을 통해 재설정되는 시스템의 작동 예를 보여준다. 상부 시간 차트에서와 같이 래치/타이머 시스템에서 보호 회로의 활성화 및 게이트 출력 정지 후 래치 상태가 발생한다. 그러므로 이 기간동안 게이트 출력은 입력 신호가 아무리 많이 수신되더라도 이루어지지 않는다. 그러한 이유로 Gate 신호를 정지시키기 위해 이 기간동안 마이크로컴퓨터에 오류 신호를 보냄으로서 전체 장비를 안전하게 정지시킬 수 있다.

 

그러나 하위 시간 차트에 표시된 펄스 시스템별 펄스의 경우 보호를 위해 Gate 출력을 줄인 후에도 Gate 신호가 OFF일때 재설정된다. 따라서 다음 Gate 신호가 수신되면, Gate 출력이 생성되고 단락이 다시 유도 될 수 있다.

따라서 마이크로컴퓨터에 매우 빠른 속도로 오류를 알려 Gate 신호를 중지해야 한다. 

위의 이유로 Latch/timer 재설정 신호는 제때 조여지지 않는 보호 작동을 용이하게 한다.

Collector Clamp 회로 작동.

최근 몇년, 대용량 IGBT 모듈 구동용 Collector clamp 내장 장치가 개발되엇다. 이 섹션에서는 대표적인 모델인 VLA553에 내장된 Collector clamp 회로의 작동에 대해 다루겠다. 아래 그림은 IGBT가 OFF 될 때 발생되는 Gate 전압과 Collector 전압의 동작 파형을 보여준다. 주 전원 공급 전압 속성에서 주 회로의 stray 인덕턴스로 점프하는 Collector 전압 부분. IGBT를 turn OFF 할때 전류 값이 커지면 점프 정도가 커진다. 이때의 최대 전압이 Collector 전압의 최대 정격을 초과하면 IGBT는 손상된다. Collector Clamp 회로는 Collector 전압의 이 점프를 억제하는것을 목표로 한다. 

점선으로 동그라미를 이룬 부분은 Collector 클램프 회로이다. IGBT를 turn off 하면, Collector 전압은 stray(길을 잃은) 인덕턴스의 영향으로 인해 상승하게 된다. Collector 전압이 zener 전압을 초과할 때, zener 전류 흐름이 시작되고, 전류가 gate로 직접 흐르는 전류와 버퍼 섹션으로 나뉘며, 결과적으로 IGBT 게이트 전압이 증가한다.

게이트 전압의 증가는 Collector 전류의 OFF 속도를 억제하여 di/dt를 억제하고 따라서 collector 전압을 억제한다.

Gate 전원 공급 장치.

  - 이 문서에서 게이트 전원 공급 장치는 IGBT Gate drive 회로용 전원 공급 장치를 의미한다.. 이 게이트 전원 공급장치는 절연 타입 +15V 및 -10V 전원 공급 장치가 필요하다.

기본적으로, 하나의 게이트 전원 공급 장치에는 양극 전원 공급 장치와 음극 전원 공급장치가 필요하다.

게이트 전원 공급기의 입출력 절연 전압과 관련해서는 IGBT 모듈패키지의 절연 전압보다 낮지 않은 전압을 선택하는 것이 좋다.

절연 타입 전원 공급기가 게이트 전원 공급기로 선택된 경우, 출력에 대한 정전용량 입력이 작은 전원공급기를 선택하도록 한다. 만일 출력에 대한 정전용량 입력이 클 경우, IGBT 스위칭 노이즈가 입력측으로 쉽게 보내지고, 장비의 컨트롤 회로의 오동작이 될 수 있다. 

예를 들어 VLA106 시리즈 전원 공급기의 경우, 출력에 대한 정전용량 입력은 약35pF이하이며 오랫동안 문제없이 IGBT 스위칭에 사용 되곤 했다. 

아래 그림은 플라이백 방법을 이용한 DC/DC 컨버터의 기능 블록 다이어그램이다. 상업적으로 사용할 수 있는 일부 전원 공급 장치에는 그림에 표시된 것처럼 1차측과 2차측 사이에 커플링 커패시터가 포함되어 있다.

위에 언급한 이유로, 이 유형을 사용하지 않는 것을 추천한다.