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IGBT 게이트 회로 – 욕망어린 젊은이
IGBT는 Isolated Gate Bipolar Transistor의 약자로 절연 게이트 양극 트랜지스터이다. IGBT는 전압 드라이브(구동) 유형 요소이다.
Source: www-goalmoneyhappydiffusion-com.tistory.com
Date Published: 1/3/2021
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대전류를 ON/OFF하기 위한 파워 트랜지스터 IGBT의 기초
MOSFET과 IGBT는 이러한 BJT의 결점을 해결한 보다 이상적인 스위치에 가까운 파워 … 후지전기의 제6세대 IGBT 모듈인 ‘7MBR100VN-120-50′(1200V/100A 정류 회로, …
Source: magazine.hellot.net
Date Published: 9/10/2022
View: 5484
IGBT 게이트 드라이버 회로 – TLP250 옵토커플러 – 모터 깎는 장인
IGBT 게이트 드라이버 회로 – TLP250 옵토커플러. 나우랑 2021. 1. 3. 23:34. 게이트 드라이버는 스위치의 턴온과 턴오프를 훌륭하게 해내기 위해서 매우 중요하다.
Source: nowrang.tistory.com
Date Published: 8/13/2022
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IGBT 게이트 드라이버 설계요소 분석 – KoreaScience
IGBT의 성능은 게이트 드라이브 회로에 의해. 결정되며, 스위칭 특성, 파형 컨트롤과도 밀접한 관련이 있다. 본 논문에서는 IGBT의 안정적인 스위칭 동작에 영향을 끼치는.
Source: www.koreascience.or.kr
Date Published: 5/23/2022
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IGBT 애플리케이션 전자 회로 설계 하이라이트 – GNS 부품 제한
이 기사는 UPS에서 IGBT의 적용 및주의 사항을 소개합니다. IGBT 회로도. IR2110은 그림과 같이 IGBT 회로를 구동합니다. 회로는 부트 스트랩 구동 …
Source: m.ko.gnscomponent.com
Date Published: 7/4/2021
View: 4171
IGBT 란 무엇인가 : 작동, 스위칭 특성, SOA, 게이트 저항기, 공식
그림 1은 바이폴라 트랜지스터가 MOS 게이트 아키텍처와 함께 작동하는 IGBT 등가 회로를 보여 주며, 유사한 IGBT 회로는 실제로 MOS 트랜지스터와 바이폴라 …
Source: ko.jf-parede.pt
Date Published: 8/22/2022
View: 8129
5. IGBT의 기초와 트러블 대책 – License
인버터 회로에서는 브리지 접속한 IGBT에서 모터 등의 유 도성 부하의 전류를 ON/OFF함으로써 부하를 제어한다. 따 라서 IGBT 이외에 부하전류를 전류(轉 …
Source: sites.google.com
Date Published: 7/5/2022
View: 4837
인버터제어IPM과 IGBT와차이점
특히 고용량 모터제어 분야의 전력관리 솔루션으로 주목받고 있는 차세대 솔루션이다. 또한 구동 드라이버 IC에 과전류 보호회로와 단락 보호회로 등 여러 보호회로를 내장 …
Source: www.elekorea.com
Date Published: 1/13/2022
View: 5345
IGBT 게이트 드라이버 이중화 기술 개발
이중화 IGBT 게이트 드라이버 회로 기술 개발 … Redundancy driver부의 회로구성을 다르게 하여, 시스템의 안정성을 높이는 방향의 설계.
Source: www.codil.or.kr
Date Published: 2/3/2022
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주제에 대한 기사 평가 igbt 회로
- Author: ENSERI정규범
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- Date Published: 2021. 11. 23.
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IGBT 게이트 회로
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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.
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IGBT 게이트 드라이버 회로 – TLP250 옵토커플러
게이트 드라이버는 스위치의 턴온과 턴오프를 훌륭하게 해내기 위해서 매우 중요하다.
턴온될 때는 드레인과 소스 또는 콜렉터와 이미터 양단 전압이 빠르게 내려가서 0V에 가깝게 내려가야 하고,
턴오프될 때는 양단 전압이 최대한 빠르게 상승해야 한다.
그래야지만, 스위칭 손실이 최소화되고, 전력전자 장치에서 발생되는 전압, 전류에 고조파 성분도 줄어든다.
물론 우리가 의도한 정확한 동작을 보장하는데도 중요하다.
하지만 게이트 드라이버 회로를 처음 설계한다면, 굉장히 골치아프다. 그 이유는 몇가지가 있는데,
밀러 효과 때문에 스위치가 일종의 증폭기로 동작해서, 스위치 내부에 존재하는 기생 캐패시턴스에 의한 임피던스도
증폭된다. 이 임피던스의 증폭이 게이트 드라이버가 ‘스위치의 게이트와 소스 사이에 전류를 주입해서’, ‘게이트 소스 사이에 전압을 만들고’, ‘드레인과 소스 사이에 전류 통로를 만들어’ 주는 것을 느리게 만든다.
밀러효과에 대한 설명: m.blog.naver.com/wooseung83/70025256488
그렇기 때문에 충분히 높은 턴온 전압과 턴오프 전압을 게이트와 소스 사이에 공급해줘야 하는데,
나는 보통 스위치의 용량(전압*전류)가 150W 이내일때는 턴온으로 12V, 턴오프로 -5V를 주고,
그 이상이면 보통 15V, -7V를 준다. 세미크론에서 나오는 SKM IGBT 모델들과 SKHI 게이트 드라이버 모듈들도
그 전압레벨을 사용한다. 그리고 그 정도 되면 동작이 확실하다.
하지만 게이트 드라이버 모듈은 편리하지만 비싸다.
그리고 가끔 과전류, 과전압 보호를 위한 부가기능이 너무 민감하게 작동해서 편리하지 않을 때도 있다.
SKHI 22A R이 총판에서 사도 5개 이내 단위로 사면 개당 75000원 정도….
IGBT 한개 브릿지(상 한개) 모듈이 2만원 중반인걸 생각해보면, 배보다 배꼽이 더 큰격이다.
그래서 실험용으로 적당한 게이트 드라이버 회로를 소개한다.
TLP250으로 만든다. 스위치 하나용이다.
TLP250은 도시바에서 나오는 옵토커플러(Optocoupler)다.
내부에 입력측에 LED 발광부와 출력측에 수광부가 있어서, 직접적인 전기적 연결이 없이 듀티비 정보를 전달해줄 수 있다.
핀배치는 이렇다. 1번이랑 4번은 N.C(No connection)이라서 연결할 필요가 없다.
2번과 3번이 입력측이고, 5678번 핀이 출력측인데, 6번과 7번은 순간적으로는 꽤 큰 전류가 흐르기도 하니 푸시풀 출력을 2개의 핀으로 나눠 놓았다. 8번에는 턴온전압을 연결하고, 5번에는 턴오프 전압을 연결해주면 된다. 이때, 턴온전압과 턴오프 전압은 전기적 Isolation이 된 전압이어야 한다.
그래서 3.3V 레벨의 PWM 신호를 출력하는 MCU나 DSP를 사용한다는 가정하에 예시 회로를 보자.
왼쪽의 MCU에서부터 차근히 설명해나가자면,
MCU 쪽 회로와 TLP250의 입력쪽까지는 같은 GND를 공유하고, TLP250의 오른쪽 출력부 부터는 파워측 GND를 사용한다. 그래서 GND 표시를 2개를 사용한 것이다. 즉, TLP250을 기준으로 왼쪽과 오른쪽은 전기적인 접점을 전혀가지고 있지 않다. 그리고 TLP250의 입력측에 220옴 이상의 저항을 연결했는데, TLP250의 정격 입력전류가 10mA정도이기 때문이다. 3.3V-1.0V(LED 전압강하) = 2.3V 이니, 220옴 정도를 넣으면 10mA정도가 된다. 그리고 보통 MCU의 GPIO 출력 전류도 20mA정도 이내가 권장된다.
그리고 출력측에는 게이트 저항이라고 보통 부르는 저항이 하나가 IGBT의 게이트와 TLP250의 출력 사이에 놓여져 있다.
굳이 이 저항을 넣는 이유는 게이트로 향하는 전류가 과해서 IGBT의 게이트 쪽에 과열이 발생할까봐 그렇다. 보통 5옴 이상에서 10옴이내로 사용하는게 좋고, 이 선의 길이는 가급적 짧게 하는 것을 권장한다. Stray inductance (도선에서 발생하는 기생인덕턴스) 때문이다. 선의 길이가 길어질수록 인덕턴스가 늘어나고, 게이트에 흐를 전류의 급상승이 제한되게 되버리기 때문이다. 최대한 짧은 시간안에 전하를 게이트에 충전시켜서 턴온을 해야하는데, 방해물은 가급적 없애야 한다.
그리고 출력의 턴온전압과 턴오프 전압 사이에 캐패시터를 하나 추가하였는데, 있는 것이 좋다. 0.1uF이나, 1uF 정도를 추천한다. 없으면 출력 신호에 오버슈트가 꽤 발생한다.
그리고 개인적으로는 게이트와 소스(이미터) 사이에도 47nF 정도는 캐패시터를 달아주고 6.8k옴 이상의 저항도 병렬로 달아주는 것을 권장한다. 추가적으로 오버슈트를 잡아주기도 하고, TLP250의 출력파형 특히 듀티비가 약간 왜곡되는(감소하는) 경향이 있는데, RC병렬회로를 게이트-소스(이미터) 사이에 넣어주면 MCU에서 발생시킨 PWM듀티비와 거의 동일해진다.
턴온 전압과 턴오프 전압은 채널별로 Isolation 되어있는 DC 파워서플라이를 사용해도 되고, 아래 회로처럼 변압기에서 220Vrms 받아다가 30V정도로 강압해서 전압 레귤레이터와 함께 사용해도 된다. 이때, 전압레귤레이터는 출력 전류가 2A정도 되는 걸로 사용하는게 좋다.
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IGBT의 SOA는 순방향 바이어스 SOA와 역방향 바이어스 SOA로 구성되지만 특정 값 범위는 장치 사양에 따라 다를 수 있으므로 사용자는 데이터 시트에서 동일한 사실을 확인하는 것이 좋습니다.
순방향 바이어스 안전 작동 영역
그림 5는 IGBT RBN50H65T1FPQ의 순방향 바이어스 안전 작동 영역 (FBSOA)을 보여줍니다.
SOA는 아래에 설명 된대로 특정 제한 사항에 따라 4 개의 지역으로 나뉩니다.
최고 정격 컬렉터 펄스 전류 IC (peak)에 의해 제한되는 영역.
수집기 소산 영역에 의해 제한되는 영역
2 차 고장에 의해 제한되는 영역. 이러한 종류의 오작동으로 인해 IGBT의 안전 작동 영역이 좁아진다는 점을 기억하십시오.
최대 컬렉터에 의해 이미 터 전압 VCES 등급으로 제한되는 영역.
역 바이어스 안전 작동 영역
그림 6은 IGBT RBN50H65T1FPQ의 RBSOA (역 바이어스 안전 작동 영역)를 보여줍니다.
이 특정 특성은 바이폴라 트랜지스터의 역 바이어스 SOA에 따라 작동합니다.
바이어스를 포함하지 않는 역방향 바이어스가 유도 성 부하에 대한 턴 오프 기간 동안 IGBT의 게이트와 이미 터에 공급 될 때마다 IGBT의 컬렉터 이미 터에 고전압이 전달되는 것을 발견합니다.
동시에, 잔류 홀의 결과로 큰 전류가 지속적으로 이동합니다.
그러나이 기능에서 순방향 바이어스 SOA는 사용할 수 없지만 역방향 바이어스 SOA는 사용할 수 있습니다.
역 바이어스 SOA는 2 개의 제한 영역으로 나뉩니다. 다음 요점에서 설명하는대로 결국 영역은 IGBT의 실제 기능 절차를 검증하여 설정됩니다.
최대 피크 콜렉터 전류 Ic (peak)에 의해 제한되는 영역. 최대 컬렉터-이미 터 전압 항복 등급 VCES에 의해 제한되는 영역. 지정된 VCEIC 작동 궤적이 장치의 SOA 사양에서 벗어나면 IGBT가 손상 될 수 있습니다.
그 후, IGBT 기반 회로를 설계하는 동안 , 소산 및 기타 성능 문제가 권장 경계에 따른 것인지 확인해야하며, 항복 허용 오차와 관련된 특정 특성 및 회로 항복 상수도 고려해야합니다.
예를 들어, 역 바이어스 SOA는 극한 온도에서 떨어지는 온도 특성을 전달하며 VCE / IC 작동 궤적은 IGBT의 게이트 저항 Rg 및 게이트 전압 VGE에 따라 이동합니다.
그렇기 때문에 작동 생태계와 관련하여 Rg 및 VGE 매개 변수와 스위치 오프 기간 동안 가장 낮은 게이트 저항 값을 결정하는 것이 중요합니다.
또한 스 너버 회로는 dv / dt VCE를 제어하는 데 도움이 될 수 있습니다.
정적 특성
그림 7은 IGBT RBN40H125S1FPQ의 출력 특성을 나타냅니다. 그림은 콜렉터 전류가 랜덤 게이트 전압 상황 내에서 통과하는 동안 콜렉터-이미 터 전압을 나타냅니다.
스위치 ON 상태에서 전류 처리 효율 및 손실에 영향을 미치는 컬렉터-이미 터 전압, 게이트 전압과 체온에 따라 달라집니다.
IGBT 드라이버 회로를 설계하는 동안 이러한 모든 매개 변수를 고려해야합니다.
PN 콜렉터-이미 터 PN 접합의 순방향 전압 때문이지만 VCE가 0.7 ~ 0.8V의 값에 도달 할 때마다 전류가 올라갑니다.
그림 8은 IGBt RBN40H125S1FPQ의 컬렉터-이미 터 포화 전압 대 게이트 전압 특성을 보여줍니다.
기본적으로 VCE (sat)는 게이트 이미 터 전압 VGE가 상승함에 따라 떨어지기 시작하지만, VGE = 15V 이상인 동안 변화는 공칭입니다. 따라서 가능할 때마다 약 15V의 게이트 / 이미 터 전압 VGE로 작업하는 것이 좋습니다.
그림 9는 IGBT RBN40H125S1FPQ의 콜렉터 전류 대 게이트 전압 특성을 보여줍니다.
IC / VGE 특성은 온도 변화를 기반으로하지만 교차점을 향한 낮은 게이트 전압 영역은 음의 온도 계수 인 경향이있는 반면 높은 게이트 전압 영역은 양의 온도 계수를 나타냅니다.
전력 IGBT는 작동 중에 열을 발생한다는 점을 고려할 때 실제로 양의 온도 계수 영역에주의를 기울이는 것이 더 유리합니다. 장치가 병렬로 작동 할 때 .
그만큼 VGE = 15V를 사용하는 권장 게이트 전압 조건 양의 온도 특성을 나타냅니다.
그림 10과 11은 컬렉터-이미 터 포화 전압과 게이트 임계 전압의 성능을 보여줍니다.
IGBT의 온도는 온도에 따라 달라집니다.
컬렉터-이미 터 포화 전압은 포지티브 온도 계수 특성을 갖기 때문에 IGBT 작동이 높은 온도를 방출하는 동안 전류가 통과하기가 쉽지 않아 병렬 IGBT 작동 중에 유효 전류를 차단합니다.
반대로 게이트 이미 터 임계 전압의 작동은 음의 온도 특성에 의존합니다.
높은 열 방출 동안 임계 전압은 아래로 떨어지고 장치의 오작동 가능성이 높아집니다. 소음 발생으로 인해 발생합니다.
따라서 위에 명시된 특성을 중심으로 한 신중한 테스트가 중요 할 수 있습니다.
게이트 커패시턴스 특성
충전 특성 : 그림 12는 stabdard IGBT 장치의 게이트 전하 특성을 보여줍니다.
IGBT 게이트 특성은 기본적으로 전력 MOSFET에 적용되는 것과 동일한 원리와 일치하며 장치의 구동 전류 및 구동 손실을 결정하는 변수로 제공됩니다.
그림 13은 기간 1 ~ 3으로 나누어 진 특성 곡선을 보여줍니다.
각 기간과 관련된 작업 절차는 다음과 같습니다.
기간 1 : 게이트 전압은 전류가 흐르기 시작하는 임계 전압까지 상승합니다.
VGE = 0V에서 상승하는 섹션은 게이트 이미 터 커패시턴스 Cge를 충전하는 부분입니다.
기간 2 : 활성 영역에서 포화 영역으로의 전환이 발생하는 동안 컬렉터-이미 터 전압이 변경되기 시작하고 게이트-컬렉터 커패시턴스 Cgc가 충전됩니다.
이 특정 기간에는 미러 효과로 인해 커패시턴스가 눈에 띄게 증가하여 VGE가 일정 해집니다.
반면에 IGBT가 완전히 ON 상태에있는 동안 컬렉터 이미 터 (VCE) 및 미러 효과의 전압 변화는 사라집니다.
기간 3 :이 특정 기간에 IGBT는 완전히 포화 상태가되고 VCE는 변화를 보이지 않습니다. 이제 게이트 이미 터 전압 VGE는 시간이 지남에 따라 증가하기 시작합니다.
게이트 드라이브 전류를 결정하는 방법
IGBT 게이트 구동 전류는 내부 게이트 직렬 저항 Rg, 드라이버 회로의 신호 소스 저항 Rs, 장치의 내부 저항 인 rg 요소 및 구동 전압 VGE (ON)에 따라 달라집니다.
게이트 구동 전류는 다음 공식을 사용하여 계산됩니다.
IG (피크) = VGE (on) / Rg + Rs + rg
위의 사항을 염두에두고 IGBT 드라이버 출력 회로는 IG (peak)와 같거나 더 큰 전류 드라이브 전위를 보장하도록 생성되어야합니다.
일반적으로 피크 전류는 드라이버 회로에 관련된 지연과 게이트 전류의 dIG / dt 상승 지연으로 인해 공식을 사용하여 결정된 값보다 작습니다.
이는 드라이브 회로에서 IGBT 장치의 게이트 연결 지점까지 인덕턴스를 배선하는 것과 같은 측면으로 인해 발생할 수 있습니다.
또한 각 켜기 및 끄기에 대한 스위칭 속성은 Rg에 크게 의존 할 수 있습니다.
이것은 결국 스위칭 시간과 스위칭 결함에 영향을 미칠 수 있습니다. 적합한 Rg를 선택하는 것이 중요합니다. 사용중인 장치의 특성과 관련하여.
드라이브 손실 계산
IGBT 드라이버 회로에서 발생하는 손실은 드라이버 회로에서 발생하는 모든 손실이 위에서 논의한 저항 계수에 의해 흡수되는 경우 아래 주어진 공식을 통해 설명 할 수 있습니다. ( 에프 스위칭 주파수를 나타냅니다).
P (드라이브 손실) = VGE (on) × Qg × f
스위칭 특성
IGBT가 스위칭 구성 요소라는 점을 고려할 때 스위치 ON, 스위치 OFF 속도는 작동 효율 (손실)에 영향을 미치는 주요 요인 중 하나입니다.
그림 16은 IGBT의 인덕턴스 부하 스위칭을 측정하는 데 사용할 수있는 회로를 보여줍니다.
다이오드 클램프가 유도 성 부하 L에 병렬로 연결되기 때문에 IGBT 켜기 지연 (또는 켜기 손실)은 일반적으로 다이오드의 복구 시간 특성의 영향을받습니다.
전환 시간
그림 17과 같이 IGBT의 스위칭 시간은 4 개의 측정 기간으로 분류 할 수 있습니다.
Tj, IC, VCE, VGE 및 Rg 상황과 관련하여 매 기간마다 시간이 급격히 변하기 때문에이 기간은 다음과 같은 약식 조건으로 평가됩니다.
td (on) (켜기 지연 시간) : 게이트 이미 터 전압이 순방향 바이어스 전압의 10 %까지 확장 된 시점부터 콜렉터 전류가 10 %까지 증가 할 때까지의 시점.
: 게이트 이미 터 전압이 순방향 바이어스 전압의 10 %까지 확장 된 시점부터 콜렉터 전류가 10 %까지 증가 할 때까지의 시점. tr (상승 시간) : 콜렉터 전류가 10 %에서 90 %로 증가하는 시점.
: 콜렉터 전류가 10 %에서 90 %로 증가하는 시점. td (off) (꺼짐 지연 시간) : 게이트 이미 터 전압이 순방향 바이어스 전압의 90 %에 도달 한 시점부터 콜렉터 전류가 90 %까지 떨어질 때까지의 시점.
: 게이트 이미 터 전압이 순방향 바이어스 전압의 90 %에 도달 한 시점부터 콜렉터 전류가 90 %까지 떨어질 때까지의 시점. tf (하강 시간) : 콜렉터 전류가 90 %에서 10 %로 감소하는 시점.
: 콜렉터 전류가 90 %에서 10 %로 감소하는 시점. ttail (테일 타임) : IGBT 종료 기간은 테일 타임 (ttail)으로 구성됩니다. 이는 IGBT가 차단되고 컬렉터-이미 터 전압이 증가 함에도 불구하고 재결합을 통해 후퇴하기 위해 IGBT의 컬렉터 측에 남은 초과 캐리어가 소비하는 시간으로 정의 할 수 있습니다.
내장 다이오드 특성
전력 MOSFET과 달리 IGBT는 기생 다이오드를 포함하지 않습니다 .
그 결과, 모터 및 동일한 애플리케이션의 인덕턴스 충전 제어를 위해 사전 설치된 FRD (Fast Recovery Diode) 칩과 함께 제공되는 통합 IGBT가 사용됩니다.
이러한 유형의 장비에서 IGBT 및 사전 설치된 다이오드의 작업 효율성은 장비 작업 효율성 및 노이즈 간섭 생성에 큰 영향을 미칩니다.
또한 역 복구 및 순방향 전압 품질은 내장 다이오드와 관련된 중요한 매개 변수입니다.
내장 다이오드 역 회복 특성
집중된 소수 캐리어는 역방향 요소 상태가 될 때까지 순방향 전류가 다이오드를 통과 할 때 스위칭 상태 동안 방전됩니다.
이러한 소수 캐리어가 완전히 해제되는 데 필요한 시간을 역 회복 시간 (trr)이라고합니다.
이 기간 동안 관련된 작동 전류를 역 회복 전류 (Irr)라고하며,이 두 간격의 적분 값을 역 회복 전하 (Qrr)라고합니다.
Qrr = 1/2 (Irr x trr)
trr 기간이 동등하게 단락된다는 점을 고려하면 막대한 손실이 발생합니다.
또한 스위칭 프로세스 전반에 걸쳐 주파수를 제한합니다. 전반적으로 빠른 trr 및 감소 된 Irr (Qrris small)이 최적으로 간주됩니다.
이러한 특성은 순방향 바이어스 전류 IF, diF / dt 및 IGBT의 접합 온도 Tj에 크게 좌우됩니다.
반면에 trr이 더 빨라지면 di / dt는 해당 컬렉터-에미 터 전압 dv / dt에서 발생하는 것처럼 복구 기간 주변에서 더 가파르게되어 노이즈 생성 경향이 증가합니다.
다음은 소음 발생에 대응할 수있는 방법을 제공하는 예입니다.
diF / dt를 줄입니다 (IGBT 스위치 켜기 시간 감소). 컬렉터-이미 터 전압 dv / dt를 최소화하기 위해 디바이스의 컬렉터와 이미 터에 스 너버 커패시터를 포함합니다. 내장 다이오드를 일부 소프트 복구 다이오드로 교체하십시오.
역 복구 속성은 장치의 전압 / 전류 허용 용량에 크게 의존합니다.
이 기능은 수명 관리, 막대한 금속 확산 및 기타 다양한 기술을 사용하여 향상 될 수 있습니다.
내장 다이오드 순방향 전압 특성
그림 19는 표준 IGBT의 내장 다이오드의 출력 특성을 보여줍니다.
다이오드 순방향 전압 VF는 다이오드를 통과하는 전류 IF가 다이오드의 순방향 전압 강하 방향으로 흐를 때 생성되는 전압 감소를 나타냅니다.
이 특성은 모터 또는 유도 성 응용 분야에서 역기전력 생성 (프리 휠링 다이오드) 과정에서 전력 손실을 초래할 수 있으므로 더 작은 VF를 선택하는 것이 좋습니다.
또한 그림 19에 표시된 것처럼 양극 및 음극 온도 계수 특성은 다이오드의 순방향 전류 크기 IF에 의해 결정됩니다.
열 저항 특성
그림 20은 열 과도 현상 및 통합 다이오드에 대한 IGBT의 저항 특성을 보여줍니다.
이 특성은 IGBT의 접합 온도 Tj를 결정하는 데 사용됩니다. 수평축에 표시된 펄스 폭 (PW)은 스위칭 시간을 의미하며, 이는 단일 원샷 펄스와 반복 작업의 결과를 정의합니다.
예를 들어, PW = 1ms 및 D = 0.2 (듀티 사이클 = 20 %)는 반복주기가 T = 5ms이므로 반복 주파수가 200Hz임을 나타냅니다.
PW = 1ms 및 D = 0.2이고 소산 전력 Pd = 60W라고 가정하면 다음과 같은 방식으로 IGBT 접합 온도 ΔTj의 증가를 확인할 수 있습니다.
ΔTj = Pd × θj-c (t) = 60 × 0.17 = 10.2
부하 단락 특성
인버터와 같은 브리지 IGBT 스위칭 회로를 필요로하는 애플리케이션, 단락 (과전류) 보호 회로는 장치의 출력 단락 상황에서도 IGBT 게이트 전압이 꺼질 때까지의 시간 동안 손상을 견디고 보호하기 위해 필수적입니다. .
그림 21 및 22는 IGBT RBN40H125S1FPQ의 단락 베어링 시간 및 단락 전류 처리 용량을 나타냅니다.
IGBT의 이러한 단락 저항 용량은 일반적으로 시간 tSC와 관련하여 표현됩니다.
이 내력은 주로 IGBT의 게이트 이미 터 전압, 체온 및 전원 공급 장치 전압에 따라 결정됩니다.
중요한 H- 브리지 IGBT 회로 설계를 설계 할 때이 점을 고려해야합니다.
또한 다음 매개 변수와 관련하여 최적 등급의 IGBT 장치를 선택해야합니다.
게이트 이미 터 전압 VGE : 게이트 전압이 증가하면 단락 전류도 증가하고 장치의 전류 처리 용량이 감소합니다. 케이스 온도 : IGBT의 케이스 온도 ΔTj가 증가함에 따라 장치가 고장 상황에 도달 할 때까지 전류 내용량이 감소합니다. 전원 전압 VCC : 장치에 대한 입력 공급 전압이 증가함에 따라 단락 전류도 증가하여 장치의 전류 내성 용량이 저하됩니다.
또한 단락 또는 과부하 보호 회로가 단락 전류를 감지하고 게이트 전압을 차단하는 순간 단락 전류는 실제로 IGBT의 표준 작동 전류 크기보다 엄청나게 큽니다.
표준 게이트 저항 Rg를 사용하는이 상당한 전류로 전원을 끄는 동안 IGBT 정격을 초과하는 큰 서지 전압이 발생할 수 있습니다.
따라서 정상적인 게이트 저항 값보다 10 배 이상 높은 (순방향 바이어스 SOA 값 내에 남아 있음) 단락 조건을 해결하는 데 적합한 IGBT 게이트 저항을 적절하게 선택해야합니다.
이는 단락 전류가 차단되는 기간 동안 IGBT의 컬렉터-이미 터 LED에서 서지 전압 생성을 방지하기위한 것입니다.
또한 단락 내성 시간 tSC로 인해 다른 관련 장치에 서지가 분산 될 수 있습니다.
단락 보호 회로가 작동을 시작하는 데 필요한 표준 시간 프레임의 최소 2 배의 적절한 마진을 보장하도록주의해야합니다.
175 ℃에 대한 최대 접합 온도 Tjmax
대부분의 반도체 소자의 접합 온도 Tj에 대한 절대 최대 정격은 150 ℃이지만 Tjmax = 175 ℃는 증가 된 온도 사양을 견디기 위해 차세대 소자 요구 사항에 따라 설정됩니다.
.
표 3은 고온에서 작동하는 동안 175 ℃를 견디도록 설계된 IGBT RBN40H125S1FPQ에 대한 테스트 조건의 좋은 예를 보여줍니다.
Tjmax = 175 ℃에서 효과적인 작동을 보장하기 위해 150 ℃에서 표준 일관성 테스트를위한 많은 매개 변수를 개선하고 작동 검증을 수행했습니다.
그럼에도 불구하고 테스트 접지는 장치 사양과 관련하여 다양합니다.
추가 정보에 대해 적용 할 수있는 장치와 관련된 안정성 데이터를 확인하십시오.
마찬가지로 Tjmax 값은 지속적인 작업에 대한 제한 일뿐만 아니라 잠시라도 넘어서는 안되는 규정에 대한 사양이기도합니다.
ON / OFF 전환 중에 IGBT의 경우 잠시라도 고온 소실에 대한 안전성을 엄격하게 고려해야합니다.
최대 고장 케이스 온도 Tj = 175 ℃를 초과하지 않는 환경에서 IGBT를 사용하십시오.
IGBT 손실
전도 손실 : IGBT를 통해 유도 성 부하에 전력을 공급하는 동안 발생하는 손실은 기본적으로 전도 손실과 스위칭 손실로 분류됩니다.
IGBT가 완전히 켜지 자마자 발생하는 손실을 전도 손실이라고하며 IGBT가 ON에서 OFF로 또는 OFF에서 ON으로 전환되는 동안 발생하는 손실을 스위칭 손실이라고합니다.
사실, 손실은 아래 주어진 공식에 설명 된대로 전압 및 전류의 구현에 따라 달라지며, 손실은 장치가 작동하는 동안에도 컬렉터-이미 터 포화 전압 VCE (sat)의 영향으로 발생합니다.
손실로 인해 IGBT 내에서 열이 발생할 수 있으므로 VCE (sat)는 최소화되어야합니다.
손실 (P) = 전압 (V) × 전류 (I)
턴온 손실 : P (turn ON) = VCE (sat) × IC
스위칭 손실 : IGBT 손실은 스위칭 시간을 사용하여 추정하기 어려울 수 있으므로 관련 데이터 시트에 참조 테이블이 통합되어 회로 설계자가 스위칭 손실을 결정하는 데 도움이됩니다.
아래 그림 24는 IGBT RBN40H125S1FPQ의 스위칭 손실 특성을 보여줍니다.
Eon 및 Eoff 요소는 콜렉터 전류, 게이트 저항 및 작동 온도의 영향을 많이받습니다.
Eon (턴온 에너지 손실)
다이오드의 역 복구시 복구 손실과 함께 유도 성 부하에 대한 IGBT의 턴온 프로세스 동안 발생하는 손실의 양입니다.
Eon은 게이트 전압이 IGBT에 전원이 공급되고 콜렉터 전류가 이동하기 시작하는 시점부터 IGBT가 완전히 스위치 ON 상태로 전환되는 시점까지 계산됩니다.
Eoff (에너지 손실 끄기
꼬리 전류를 포함하는 유도 성 부하의 차단 기간 동안 발생하는 손실의 크기입니다.
Eoff는 게이트 전류가 막 차단되고 콜렉터-이미 터 전압이 상승하기 시작하는 지점에서 IGBT가 완전히 꺼진 상태에 도달 할 때까지 측정됩니다.
요약
절연 게이트 바이폴라 트랜지스터 (IGTB) 장치는 기본적으로 전자 스위치로 사용되는 3 단자 전력 반도체 장치의 한 유형으로, 최신 장치에서 매우 빠른 스위칭과 고효율의 조합을 제공하는 것으로도 알려져 있습니다.
고전류 애플리케이션을위한 IGBT
VFD (Vaiable Frequency Drives), VSF (가변 속도 냉장고), 기차, 스위칭 증폭기가있는 스테레오 시스템, 전기 자동차 및 에어컨과 같은 다양한 최신 기기는 전력을 전환하기 위해 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터를 사용합니다.
고갈 모드 IGBT의 상징
증폭기가 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터를 사용하는 경우 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터는 기본적으로 빠르고 빠르게 켜지고 꺼 지도록 설계 되었기 때문에 저역 통과 필터 및 펄스 폭 변조와 함께 본질적으로 복잡한 파형을 합성하는 경우가 많습니다.
펄스 반복률은 스위칭 애플리케이션으로 구성된 최신 장치가 자랑하며 장치가 장치의 형태로 사용될 때 장치가 처리하는 가장 높은 오디오 주파수보다 10 배 높은 주파수 인 초음파 범위 내에 잘 들어갑니다. 아날로그 오디오 증폭기.
고전류와 간단한 게이트 드라이브의 특성으로 구성된 MOSFET은 IGTB에 의해 낮은 포화 전압 용량을 갖는 바이폴라 트랜지스터와 결합됩니다.
IGBT는 BJT와 Mosfet의 조합입니다.
IGBT는 스위치 역할을하는 바이폴라 전력 트랜지스터와 제어 입력 역할을하는 절연 게이트 FET를 결합하여 단일 장치를 만듭니다.
절연 게이트 바이폴라 트랜지스터 (IGTB)는 서로 병렬로 배치 된 여러 장치로 구성된 애플리케이션에 주로 사용되며 대부분의 경우 수백 암페어 범위의 매우 높은 전류를 처리 할 수있는 용량을 가지고 있습니다. 다시 수백 킬로와트에 해당하는 6000V의 차단 전압은 유도 가열, 스위치 모드 전원 공급 장치 및 견인 모터 제어와 같은 중 / 고 전력을 사용합니다. 크기가 큰 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터.
IGBT는 가장 진보 된 트랜지스터입니다.
절연 게이트 바이폴라 트랜지스터 (IGTB)는 당시의 새롭고 최근 발명품입니다.
1980 년대와 1990 년대 초에 발명되고 출시 된 1 세대 장치는 상대적으로 스위칭 프로세스가 느리고 래치 업 (장치가 계속 켜져 있고 켜지지 않는 경우)과 같은 다른 모드를 통해 오류가 발생하기 쉽습니다. 전류가 장치를 통해 계속 흐를 때까지 꺼짐) 및 2 차 고장 (높은 전류가 장치를 통해 흐를 때 장치에 존재하는 국부적 인 핫스팟이 열 폭주로 이동하여 결과적으로 장치가 연소 됨).
2 세대 장치와 블록에서 가장 새로운 장치에서 많은 개선이 관찰되었으며, 3 세대 장치는 1 세대 견인 장치보다 훨씬 나은 것으로 간주됩니다.
새로운 Mosfet은 IGBT와 경쟁하고 있습니다
3 세대 장치는 속도에 필적하는 MOSFET과 우수한 수준의 내구성과 견고성을 갖춘 MOSFET으로 구성됩니다.
2 세대 및 3 세대 장치는 매우 높은 펄스 등급으로 구성되어 플라즈마 물리학 및 입자와 같은 다양한 영역에서 큰 전력 펄스를 생성하는 데 매우 유용합니다.
따라서 2 세대 및 3 세대 장치는 이러한 플라즈마 물리학 및 입자 영역에서 사용되는 트리거 스파크 갭 및 사이라 트론과 같은 모든 구형 장치를 대체했습니다.
이 장치는 또한 높은 펄스 등급의 특성과 저렴한 가격으로 시장에서 사용 가능하기 때문에 고전압 애호가들에게 매력적입니다.
이를 통해 애호가는 코일 검 및 테슬라 코일과 같은 장치를 구동하기 위해 엄청난 양의 전력을 제어 할 수 있습니다.
절연 게이트 바이폴라 트랜지스터는 저렴한 가격 범위에서 사용할 수 있으므로 하이브리드 자동차 및 전기 자동차에 중요한 원동력이됩니다.
예의: Renesas
5. IGBT의 기초와 트러블 대책
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20kHz 이하의스위칭파워회로에가장적합한디바이스
5. IGBT의 기초와 트러블 대책
모터 가변속 구동장치나 산업용 로봇 장치, 컴퓨터의 무정 전 전원장치(UPS) 등 스위칭 주파수가 수k~20kHz 정도의 중용량 장치에 IGBT가 주로 사용된다. 최근에는 소용량(가 정용.업무용 에어컨, 냉장고의 컴프레서 구동 등)부터 대용량 으로는 전철의 모터 구동장치 등 우리 주변의 다양한 전기기 기에 IGBT가 사용되고 있다.
여기서는 주로 브리지 회로를 구성하여 하드 스위칭 동작 을 실행하는 IGBT에 관하여 그 종류와 사용방법, 주의점 및 트러블 대책에 관하여 설명한다.
IGBT의 이모저모
인버터 회로에서는 브리지 접속한 IGBT에서 모터 등의 유 도성 부하의 전류를 ON/OFF함으로써 부하를 제어한다. 따 라서 IGBT 이외에 부하전류를 전류(轉流)시키기 위한 다이 오드(FWD：Free Wheeling Diode)가 필요하다. 시판되고 있는 IGBT, 특히 모듈 타입의 제품에서는 FWD를 내장시킨 것이 일반적이다.
표 1에 대표적인 IGBT 제품의 종류, 회로구성, 특징을 나타낸다.
디스크리트 타입의 제품은 IGBT가 1소자 또는 IGBT와 FWD가 역 병렬로 접속된 1in1 타입이다.
모듈형 IGBT의 기본구성은 동 등의 금속 베이스 상에 절 연층을 통하여 IGBT 및 FWD 칩을 회로 패턴 상에 실장, 알루미늄 와이어로 단자 등에 배선한 후 케이스를 접착한 것 이다.
이러한 모듈형은 디스크리트와 같이 1in1(1개 들이)의 심 플한 타입에서 정류 다이오드, 직류회로 충전용 사이리스터 나 온도검출 서미스터까지 내장된 PIM(Power Integrated Module) 등 다양한 제품이 있으므로 정격이나 용도에 맞춰 선정할 수 있도록 되어 있다.
모듈 타입의 IGBT는 IGBT 칩과 금속 베이스(바닥면)가 내부에서 절연되어 있으므로 디스크리트 제품과 같이 전기회 로와 냉각 핀과의 절연에 신경 쓸 필요 없이 사용하기 간편한 형상으로 되어 있다. 또 모듈 내부에서 IGBT 칩을 다수 병렬 접속 또는 모듈 자체를 병렬 사용함으로써 대용량화가 비교 적 용이하다.
핀 단자형인 것은 모듈 상에 프린트판을 직접 납땜할 수 있 으므로 회로구조를 간단.소형화할 수 있는 메리트가 있다. 소용량 분야(수A~20A 정도)에서는 디스크리트 제품이 중심이며 모듈 타입에 비해 저코스트로 회로실장을 콤팩트하 게 정리할 수 있다.
IGBT의 특성
IGBT 메이커에서 발행되고 있는 카탈로그나 사양서에는 그 제품의 다양한 특성이 기재되어 있다. 여기서 2MBI150SC- 120(후지전기 디바이스 테크놀러지, 1,200V/150A 2in1 모 듈)의 특성이나 파형을 예로 들어 사양서에 기재되어 있는 항 목의 내용 및 주의해야 할 점에 관하여 설명한다.
1. 절연 최대정격
절대 최대정격에는 IGBT의 각 단자에 인가할 수 있는 전압이나 전류, 온도 등 어떠한 경우에도 절대로 초과해서는 안 되는 중요한 특성값이 기재되어 있다. 장치설계 시에는 IGBT의 책무를 잘 검토하여 절대 최대정격을 초과할 수 없 는 사용조건으로 하거나 반대로 사용조건에 대해 충분히 여 유가 있는 제품을 선택해야 한다.
2. 정 특성(출력 특성)
IGBT가 ON일 때의 컬렉터-이미터간 전압 VCE(ON 전압) 와 컬렉터 전류 IC와의 관계를 나타내는 특성이다. 출력 특성 을 그림 1에 나타낸다.
ON 전압은 게이트-이미터간 전압 VGE에 의해 변화하며 그림에서는 VGE가 12V 정도 이상에서 거의 포화상태로 된다. 활성영역(IGBT에 높은 전압과 전류가 인가되어 있는 영역) 에서는 IGBT에서 발생하는 손실이 매우 크기 때문에 이러한 상태에서 사용하는 것은 바람직하지 않다. 또 내장되어 있는 FWD에 관해서도 IGBT와 마찬가지로 정 특성이 있다. FWD의 출력 특성 예를 그림 2에 나타낸다.
3. 스위칭 특성
스위칭 용도로 사용되고 있는 IGBT 응용기기에서는 IGBT의 스위칭 특성을 충분히 이해해 두어야 한다. 또 스위 칭 특성은 다양한 파라미터(온도, 전류, 구동조건 등)에 의해 변화하기 때문에 이러한 점도 고려하여 장치를 설계해야 한 다. 스위칭 특성은 스위칭 시간과 스위칭 손실로 크게 나눌 수 있다.
(1) 스위칭 시간
IGBT 및 FWD 스위칭 시간의 정의방법을 그림 3~그림 5 에 나타낸다.
또 브리지 회로에서는 IGBT가 턴 온 동작할 때 FWD가 턴 오프 스위칭 동작을 실행하는데 이것을 FWD의 역 회복동작이라 한다. 여기에 나타난 스위칭 시간(ton, toff 등)은 주로 접합부 온도(TJ)나 컬렉터 전류, 게이트 저항과 밀접한 관계가 있다.
스위칭 시간 이상으로 상하 암 사이의 대기시간(데드 타임) 을 짧게 하면 브리지 회로를 IGBT에서 쇼트하게 되고(암 단 락), 모듈이 과열.파괴되는 경우가 있으므로 주의해야 한다. (2) 스위칭 손실
스위칭 손실은 IGBT부의 턴 온 손실, 턴 오프 손실 및 FWD 부의 역 회복손실의 3종류가 있으며 이들도 그림 6, 그림 7과 같 이 스위칭 시간과 마찬가지로 온도나 전류의존성을 갖고 있다.
4. 용량 특성
IGBT의 사양에는 게이트 차지(Qg) 특성이 규정되어 있다 (그림 8).
이것은 게이트 차지 용량에 대한 VCE와 VGE의 변화 를 나타낸 것이다. 이 특성 그래프에 의해 IGBT를 구동하는 데 필요한 전하량을 구할 수 있다.
예를 들어 그림 8의 그래프에서 VGE를 0V에서 15V까지 충전시키려면 1,070nC의 전하량이 필요하다는 것을 알 수 있다. 이 값에서 구동회로의 전원용량을 계산할 수 있다.
5. 안전동작 영역
IGBT를 턴 오프시킬 때, 안전하게 턴 오프 동작시킬 수 있는 VCE-IC 동작 궤적범위를 역 바이어스 안전동작 영역 (RBSOA：Reverse Bias Safe Operating Area)이라 한다. RBSOA의 예를 그림 9에 나타낸다.
턴 오프의 VCE-IC 동작궤도가 이 범위에 들어가도록 스너버 회로를 설계하기 바란다. 또 단락사고 등 대전류를 차단하는 경우에는 비반복에서의 안전동작 영역(SCSOA：Short Circuit Safe Operating Area)이 규정되어 있다. SCSOA는 전류가 커질수록 전압방 향은 좁아지는 경향이다.
6. 열저항 특성
IGBT의 케이스(금속 베이스 부분), 접합부의 온도상승을 계산하거나 냉각체 설계에 사용하는 과도 열저항 특성을 그 림 10에 나타낸다. 열저항은,
온도차 ΔT[℃]＝열저항[℃/W]×손실[W]
로 정의된다.
IGBT의 접합부-케이스간 열저항 θJ-C는 손실의 펄스 폭(시 간)에 의해 변화된다. 이것은 제품에 열용량이 있기 때문이며 짧은 펄스 폭에서는 온도가 별로 상승하지 않는다(열저항이 작다). 그림 10의 예에서는 0.2s 이상의 손실 펄스에서 거의 일정값(정상 열저항)으로 된다.
IGBT의 선택방법
바이폴러 트랜지스터와 같은 전류구동형 디바이스와 달리 IGBT는 MOSFET와 마찬가지로 전압구동형 디바이스이므 로 간단하게 드라이브할 수 있다. 또 모듈 제품에서는 디스크 리트형과 같이 냉각 핀과의 절연에 신경 쓸 필요도 없다. 그러나 IGBT의 정격선정을 잘못하거나 부적절한 취급.장치설계를 하면 그 IGBT의 특성을 충분히 활용할 수 없을 뿐 만 아니라 경우에 따라서는 IGBT가 파괴되는 경우도 있다. IGBT를 선정하는 데에는 먼저 IGBT를 사용한 변환장치 의 사양(입출력 전압이나 전류, 회로방식, 캐리어 주파수, 냉 각조건 등)을 명확하게 하여 그에 알맞은 정격의 제품을 선택 하는 것이 중요하다.
1. 전압정격
IGBT의 전압정격은 변환장치의 입력전원(일반적으로는 상용전원) 전압과 밀접한 관계가 있다. 입력 AC250V 이하에 서는 600V 내압의 IGBT, 480V까지는 1,200V 내압, 그 이 상의 입력전압에서는 1,400V 내압 또는 1,700V 내압인 것 을 선택하면 될 것이다.
2. 전류정격
IGBT의 전류정격은 변환장치의 출력전류에 따라 좌우된 다. 장치의 출력전류가 커지는, 즉 IGBT의 컬렉터 전류가 커 지면 IGBT의 ON 전압 [VCE(sat)]가 상승함과 동시에 스위칭 손실도 증가하므로 IGBT에서 발생하는 손실이 커진다. 따라서 IGBT의 발생손실과 핀의 냉각성능에서 IGBT 접합 부 온도(TJ)를 견적한 다음, TJ가 150℃ 이하(통상적으로는 여유를 두고 125℃ 이하)로 되는 정격의 제품을 선택한다. 전 류정격을 잘못 선택하면 과열에 의해 IGBT가 파괴되거나 장 기신뢰성 저하를 초래하는 경우가 있으므로 주의가 필요하다. 전류정격의 기준으로는 변환장치의 최대 출력전류(피크 값) 이상인 정격의 제품을 선정한다. 모터 구동용도에서의 선 정 예를 표 2에 나타낸다.
단, IGBT의 냉각조건이나 발생손 실(드라이브 조건이나 스위칭 주파수 등에 의존) 값에 따라 필요한 IGBT 정격은 변하게 되므로 주의해야 한다.
드라이브 회로 설계
IGBT의 성능을 충분히 낼 수 있을지의 여부는 드라이브 회로 설계에서 결정된다고 해도 과언이 아니다. 또 스위칭 특 성, 파형 컨트롤 등 세세한 튜닝이나 보호회로 설계와도 밀접 한 관계가 있다. 이 관계를 표 3에 나타낸다.
1. 게이트 순방향 바이어스 전압(＋VGE)
IGBT를 ON시키기 위해 게이트에 부여하는 전압값이다. IGBT의 게이트 내압값은 일반적으로 ±20V이지만 15V를 기준으로 가급적 높게(＋1~＋1.5V) 설정하면 좋다.
＋VGE가 높을수록 ON 전압은 내려가므로 손실이 작아지 지만 턴 온 스피드가 빨라져 dv/dt의 잘못된 점호(点弧)를 발생시키고 단락 내량 감소, EMI 노이즈 증가 등의 문제가 쉽게 발생한다.
2. 게이트 역방향 바이어스 전압(－VGE)
IGBT를 OFF시켜 놓기 위한 전압값이다. 통상적으로는 －5V~－15V로 설정한다. 역 바이어스 전압에 의존하는 주 요 IGBT의 특성은 턴 오프 시간.손실이다. 역 바이어스 전압 이 커질수록 턴 오프 스피드는 빨라(손실은 작아)진다. 또 dv/dt의 오점호는 역 바이어스 전압이 작을수록 쉽게 발 생한다. 디스크리트 타입 등 소용량 소자에서는 드라이브 회로 와의 배선이 짧아질 수 있으므로 －VGE＝0V에서도 문제가 발 생하기 어려운 경향이지만 모듈을 사용한 장치는 게이트 배선 이 길어져버리므로 역 바이어스 전압 설정에 주의해야 한다.
3. 게이트 저항
스위칭 시간.손실 특성의 측정조건으로 IGBT의 사양서에 는 표준적인 게이트 저항 RG값이 기재되어 있다. RG는 IGBT 의 스위칭 특성에 매우 큰 영향력이 있다.
반대로 말하면 RG의 조정에 의해 스위칭 시간.손실이나 서 지 전압 특성을 어느 정도 컨트롤할 수 있다. 일반적으로 RG 는 메이커 표준값을 기준으로 하여 1~3배 정도의 범위 내에 서 선정하면 된다.
IGBT 평가 시에는 스위칭 파형을 측정하여 서지 전압이나 스위칭 시간 및 손실이 소자사양, 장치사양에 부합하는가의 여부를 확인할 필요가 있다. 사양을 벗어나 버리는(예를 들면 서지 전압이 높은) 경우에는 표 3의 경향을 참조하여 게이트 저항값을 조정(크게)하는 등의 대책이 필요하다.
4. 드라이브 전류.전력에 관하여
IGBT는 게이트를 충방전함으로써 스위칭시킨다. 그림 11 에 IGBT 드라이브 회로의 원리도와 게이트 전압.전류파형을 나타낸다.
이 드라이브 회로의 원리는 순방향 바이어스 전원 과 역 바이어스 전원을 스위치 Tr1, Tr2에 의해 교대로 전환 함으로써 IGBT에 순방향 바이어스 및 역 바이어스를 가하는 것이다.
이 스위치 전환 시 게이트를 충방전하는 전류가 드라이브 전류이며 그림 11의 전류파형에서 제시되는 면적(경사부)이 그림 12의 전하량(경사부)과 같아진다.
드라이브 전류의 피크값 iGP 근사값 및 ON 또는 OFF시키는 구동전력[Pd(on), Pd(off)]은 다음과 같이 개략적으로 계산할 수 있다.
여기서, f：스위칭 주파수
5. 데드 타임 설정방법
브리지 회로에서는 직렬로 접속된 IGBT가 교대로 스위칭 을 반복하지만 상하의 소자가 동시에 ON하여 단락되지 않도 록 ON/OFF 전환 타이밍으로 데드 타임을 설정한다. 그림13에 타임차트를 나타낸다.
이 데드 타임은 기본적으로 IGBT의 스위칭 시간(toff)의 최대값보다 길게 설정해야 한다. 일반적인 IGBT에서는 3㎲ 이상으로 설정한다.
데드 타임 설정에 있어서는 RG 등의 구동조건, IGBT 자체 의 분산, 온도 특성 등도 고려해야 한다. RG를 크게 하고 있 는 경우에는 스위칭 시간이 늘어나므로 데드 타임도 크게 설 정해야 한다. 데드 타임이 너무 짧은 경우에는 상하의 소자에 서 단락이 발생하므로 단락전류에 의한 소자과열이나 파괴가 발생할 가능성이 있다.
적절한 데드 타임이 설정되어 있는가의 여부를 체크하는 방법으로, 무부하 시의 직류 라인 전류 측정을 들 수 있다. 그림 14에 이 모습을 나타낸다.
데드 타임이 충분해도 소자의 용량을 충방전하는 전류(수A 이하)가 흐르지만 데드 타임이 부족한 경우에는 큰 단락전류 가 흐른다. 이 단락전류가 없어질 때까지 데드 타임을 길게 한다.
6. 드라이브 회로설계의 주의사항
(1) 포토커플러의 노이즈 내량에 관하여
IGBT는 고속 스위칭하기 때문에 드라이브 회로의 노이즈 내량을 충분히 확보해야 한다. 특히 마이컴 등의 제어회로와 IGBT(주 회로)와의 절연을 확보하는 포토커플러에 있어서는 노이즈 내량이 충분히 큰 것으로 선정해야 한다. 포토커플러 의 노이즈 내량을 나타내는 하나의 기준으로 CMR(동상 잡 음제거) 성능을 들 수 있다.
IGBT의 스위칭에서는 dv/dt가 10kV/㎲ 이상 발생하는 경우도 있으므로 이 수치 상의 CMR 성능을 지닌 포토커플 러를 선정하는 것도 드라이브 회로의 노이즈 내량을 올리는 수단으로 효과적일 것이다. 또 포토커플러 메이커의 애플리 케이션 노트 등에서 노이즈 내량을 배려한 실장방법이나 사 용방법이 소개되어 있는 경우가 있으므로 이것을 참조하여 노이즈에 강한 드라이브 회로를 설계하기 바란다.
(2) 드라이브 회로와 IGBT 모듈과의 배선에 관하여 IGBT 모듈과 드라이브 회로를 연결하는 배선이 길어지거 나 게이트, 이미터 각각의 배선이 떨어져 있으면 게이트 전압 이 진동하거나 외부에서의 유도 노이즈에 의해 IGBT가 오동 작하는 경우가 있다. 이 대책방법으로 다음과 같은 점에 주의 하기 바란다.
① 드라이브 회로와 모듈과의 배선은 극히 짧게 하고 또이트-이미터간의 접속선을 밀접하게 합한다.
② 게이트 저항을 크게 하여 스위칭 노이즈를 줄인다.
③ 게이트 배선과 주 회로의 배선을 가급적 멀리 직교하도 록(주 회로에서의 유도를 받기 어렵도록) 배치한다.
또 드라이브 회로와 모듈과의 접속이 불완전하거나 드라이 브 회로전원이 충분히 확립되지 않은 상태에서 컬렉터-이미 터 사이에 주 회로전압이 인가되면 게이트가 오픈상태로 되 어 있기 때문에 IGBT가 잘못해서 ON되어 파괴되는 경우가 있다.
이것을 방지하기 위해서는 IGBT의 게이트-이미터 단자 사 이에 10㏀ 정도의 저항(그림 15의 RGE)을 접속해 두는 것이 좋을 것이다.
또 게이트 회로가 완전히 동작한 다음에 주 전 원을 투입하는 배려도 필요하다.
(3) 게이트의 과전압 보호에 관하여
IGBT의 게이트 단자 내압은 ±20V 정도이고 이것을 초과 한 전압(정전기 등)이 게이트 단자에 인가되면 게이트 산화막 이 영구히 파괴돼버린다. 과전압 발생 가능성이 있는 경우, 그림 16과 같이 게이트-이미터 단자 사이에 제너 다이오드를 접속하는 등의 대책이 필요하다.
(4) 시판되고 있는 IGBT 드라이브 회로
전압구동형 디바이스의 적용이 확대됨에 따라 소.중용량의 IGBT나 MOSFET 등을 다이렉트로 구동할 수 있는 포토커 플러(도시바 TLP250 등)나 고내압(HVIC) 기술에 의한 드 라이브 IC(인터내셔널 렉티파이어사 IR2110 등)가 제품화되 고 있다. 이러한 시판 IC를 사용하면 간단히 드라이브 회로를 구성할 수 있으므로 설계시간 단축이나 회로의 소형화.코스 트다운이 가능해진다.
여기서는 IGBT 구동용으로 발매되고 있는 하이브리드 IC EXB840(후지디바이스테크놀러지)을 사용한 드라이브 회로 구성 예를 나타낸다.
EXB840은 고속 포토커플러를 내장한 IGBT 드라이브 회 로이며 600V/150A, 1,200V/75A 클래스까지의 IGBT를 구 동할 수 있다. 단전원(20V)에서 사용할 수 있고 VCE 감시에 의한 단락보호 기능(후술)이 내장되어 있으므로 게이트 저항 이나 전해 콘덴서 등 약간의 부품 추가로 드라이브 회로를 구 성할 수 있다.
사용상의 주의점으로는(시판되고 있는 어떤 드라이브 IC 에 대해서도 말할 수 있지만) 드라이브 회로와 IGBT와의 배 선은 최단으로 한다, 게이트-이미터 배선은 평행 또는 밀접하 게 한다, 1차(제어회로) 측과 2차(IGBT 주 회로) 측의 배선 은 교차시키지 않는다 등을 들 수 있다.
보호회로 설계
1. 단락보호
배선 오류나 제어회로 오동작 등의 원인으로 IGBT 모듈이단락되면 높은 전압.전류가 IGBT에 인가되기 때문에 이러한 단락상태를 재빨리 검출하여 보호할(모듈을 강제적으로 차단 힐) 필요가 있다. IGBT 모듈에는 단락상태에서의 파괴내량 (단락내량)이 규정되어 있고 단락발생에서 내량 이내(통상적 으로는 수μ~10㎲ 정도)의 시간에 차단해야 한다.
이와 같이 단시간에 IGBT의 단락상태를 검출하여 고속으 로 차단하는 수단으로 IGBT의 VCE를 감시하는 방법이 있다. 이 방법은 드라이브 회로에 내장하여 사용하는 것으로, 암 단 락.출력단자부에서의 단락이나 지락에 대해 고속으로 보호할 수 있다.
전술한 EXB840에서는 이 VCE를 감시하는 방법에 의해 단 락보호를 실행하고 있다. 이것은 그림 17의 D1에 의해 VCE 전압 레벨을 항상 감시하고 구동회로에 ON 신호가 입력되어 (＝IGBT가 ON으로 되어) 있음에도 불구하고 VCE가 높은 상 태인 경우‘단락’이라 판단하는 것이다.
2. 스너버 회로(과전압보호)
IGBT는 고속 스위칭이 가능하기 때문에 턴 오프 시나 내 장 FWD가 역 회복할 때 높은 전류변화(di/dt)가 발생한다. 이 di/dt와 IGBT 제품 내부 및 주변 회로부분의 부유 인덕턴 스 LS에 의해 스파이크 전압 VCEsp(Ls di/dt)가 발생한다. 이 스파이크 전압이 IGBT의 정격전압 VCES를 초과하면 소 자파괴에 이르게 되므로 스파이크 전압 억제(보호)를 목적으 로 한 스버너 회로의 설계가 중요하다.
3. 스너버 회로의 종류와 특징
대용량 장치 등 특수한 예를 제외하고 최근 IGBT의 스너 버 회로는 일괄 스너버 회로가 자주 사용된다. 이 스너버 회 로는 직류회로부분(모듈의 PN 단자부)에 콘덴서‘C스너버’ 또는 콘덴서, 다이오드, 저항‘RCD 스너버’로 구성된 회로 를 접속한 것이다.
표 4, 표 5에 회로도와 특징, C스너버 용량의 기준을 나타 냈으므로 스너버 회로설계 시 참고한다.
스위칭 시 발생하는 서지 전압의 주파수 성분은 수백kHz에서 MHz 오더로 되므 로 사용하는 콘덴서는 필름 콘덴서 등 고주파 특성이 좋은 것 을 선택하고 단자와의 접속은 가장 짧아지도록 배려한다.
4. 기타 과전압 방지법
IGBT의 구동조건(게이트 저항.드라이브 전압)을 조정하 여 스위칭의 di/dt를 작게 함으로써 서지 전압을 내릴 수 있 다. 또 전해 콘덴서를 가급적 IGBT에 가까이 배치하여 배선 의 부유 인덕턴스 Ls를 작게 하고 주 회로 배선에 동 바 및 동 판을 사용하여 적층구조(라미네이트)로 함으로써 더욱 저인 덕턴스화를 도모할 수 있다.
방열설계
IGBT를 안전하게 동작시키기 위해서는 접합부의 온도 TJ 가 TJmax.를 초과할 수 없도록 방열설계해야 한다. 변환장치의 정격출력(연속) 시에는 물론, 단시간 과부하출력 등의 이상 시에도 TJmax.를 초과할 수 없도록 배려해야 한다. IGBT가 발 생하는 손실은 다음과 같이 분류할 수 있다.
1. IGBT부의 손실
① 정상손실(Psat)
② 스위칭 손실(Psw)
턴 온 손실(Pon), 턴 오프 손실(Poff)
2. FWD부의 손실
① 정상손실(PF)
② 스위칭 손실
역 회복손실(Prr)
정상손실과 스위칭 손실 모두 카탈로그에 기재되어 있는 출력 특성 커브, 스위칭 손실 특성 커브에서 구할 수 있다. 모듈의 카탈로그에는 상온(TJ＝25℃)일 때의 특성이 각각 기재되어 있다. 소자의 특성으로서 고온일수록 손실이 커지 는 경향이므로 고온의 특성 데이터를 사용하여 손실을 견적 할 필요도 있다.
3. 손실 계산방법
모터 제어에서는 IGBT 모듈의 ON/OFF 패턴으로서 정현 파-3각파 비교에 의한 PWM 변조가 사용된다. 항상 전류값 이나 ON/OFF 펄스 폭이 변화하므로 IGBT 모듈의 손실을 상세하게 계산하려면 컴퓨터 시뮬레이션이 필요하다. 여기서 는 근사식을 사용하여 간단하게 손실을 계산하는 방법에 대 해 소개한다.
IGBT를 안전하게 동작시키려면 접합온도(TJ)가 TJmax.를 넘지 않도록 해야 한다. 정격 부하일 때는 물론, 과부하일 때 등의 이상 시에도 반드시 TJmax. 이하가 되도록 충분히 여유를 갖도록 열설계하기 바란다.
(1) 전제조건
계산하는 데 있어서 다음과 같은 점이 전제조건이다
.정현파 전류출력 3상 PWM 제어 VVVF 인버터일 것
.정현파, 삼각파 비교에 의한 PWM 제어일 것
.출력전류는 이상적인 정현파일 것
(2) 정상손실(Psat. PF)을 구하는 방법
IGBT 및 FWD의 출력 특성은 그림 18과 같이 특성 그래 프에서 근사값을 얻을 수 있다.
따라서 정상손실은,
.IGBT 측의 정상손실
.FWD 측의 정상손실
여기서, DT, DF：출력전류 반파에서의 IGBT 및 FWD 평균 도통률(그림 19).
(3) 스위칭 손실
스위칭 손실-IC 특성은 일반적으로 다음과 같은 식으로 근 사된다. 여기서 정격 IC를 ICt라고 한다.
Eon＝Eonα(IC/ICt)^a
Eoff＝Eoffα(IC/ICt)^b
Err＝Errα(IC/ICt)^c
여기서 a, b, c：승수, Eonα, Eoffα, Errα：ICt일 때의 Eon, Eoff,Err의 값
따라서 스위칭 손실은 다음과 같이 표현된다.
.턴 온 손실(Pon)
여기서, Eon(IM)：IC＝IM일 때의 Eon
.턴 오프 손실(Poff)
Eoff(IM)：IC＝IM일 때의 Eoff
.FWD 역 회복 손실(Prr)
여기서, Err(IM)：IC＝IM일 때의 Err
(4) 전체 발생손실(토털 발생손실)
(2)와 (3)항에서의 계산결과에 의해 다음과 같이 된다.
.IGBT부의 발생손실
PTr＝Psat＋Pon＋Poff
.FWD부의 발생손실
PFWD＝PF＋Prr
실제로는 직류 전원전압이나 게이트 저항값 등이 사양서에 기재되어 있는 것과 다를 때가 있는데 이러한 경우에는 다음 과 같은 규칙에 따라 간략하게 계산할 수 있다.
.직류 전원전압 Ed(VCC)가 다른 경우
ON 전압：Ed(VCC)에 의존하지 않는다
스위칭 손실：Ed(VCC)에 비례한다
.게이트 저항값이 다른 경우
ON 전압：게이트 저항값에 의존하지 않는다
스위칭 손실：스위칭 시간에 비례한다
4. 히트 싱크의 선정방법
파워 다이오드, IGBT, 트랜지스터 등의 파워 모듈은 전극 부와 설치 베이스가 절연되어 있는 경우가 많으며 하나의 히 트 싱크 상에 여러 개의 소자를 설치하여 사용할 수 있기 때 문에 실장이 용이하고 콤팩트한 배선이 가능해진다.
이러한 소자를 안전하게 동작시키려면 동작 시 각 소자가 발생하는 손실(열)을 효율적으로 냉각해야 하며 히트 싱크의 선정은 중요한 키가 된다.
반도체의 열전도는 전기회로로 치환하여 풀 수 있다. 여기 서 IGBT만 히트 싱크로 설치했을 경우를 살펴보기로 한다. 이 경우, 열적으로는 그림 20과 같은 등가회로로 치환할 수 있다.
상기의 등가회로에서 접합온도(Tj)는 다음과 같은 열방정식으로 구할 수 있다.
TJ＝W{θJ-C＋θC-F＋θF-A}＋TA
다음에 IGBT(2in1 모듈)와 다이오드 브리지 모듈을 히트 싱크 상에 설치하는 경우의 등가회로 예를 그림 21에 나타낸다.
이 경우의 열방정식은,
TJ( D)＝WD[θJ-C( d)＋θC-F( D)]
＋[(WD＋2WI＋2WF)θF-A]＋TA
TJ( I)＝WIθJ-C( I)
＋[(WI＋WF)θC-F( I)]
＋[(WD＋2WI＋2WF)θF-A]＋TA
TJ( F)＝WFθJ-C( F)
＋[(WI＋WF)θC-F( I)]
＋[(WD＋2WI＋2WF)θF-A]＋TA
로 된다. 이 식에서 TJ가 TJmax.를 넘지 않는다는 것을 확인하 고 히트 싱크를 선정하기 바란다.
5. 설치위치
냉각 핀의 열저항은 발열체(IGBT)를 설치하는 위치에 따 라 변화된다. 1개의 IGBT를 냉각체에 설치하는 경우, 냉각체 중앙부분에 설치하면 열저항이 최소로 되어 냉각이 잘 된다. 복수의 IGBT를 설치하는 경우에는 각 IGBT를 분산［그림22(a)］시켜 설치하는 것이 열저항에서 유리하다.
그림 22(b)와 같이 IGBT를 밀집시켜 배치하면 중심부의 모듈(V상, Y 상)은 주변부보다 온도가 높아지므로 주의해야 한다.
6. 냉각체 마무리
IGBT 모듈 내부에서는 두께 1mm 이하라 해도 얇은 세라 믹 기판을 사용하여 설치면(금속 베이스)과 주 회로(IGBT부) 와의 절연을 확보하고 있다. 또 디스크리트 제품에서는 IGBT 칩이 설치된 금속전극과 냉각 핀이 직접 접촉하여 냉각한다. IGBT 메이커에서는 제품 설치면의 상태(평탄도)에 관하여 충분한 주의를 기울이고 있지만 제품을 설치하는 냉각 핀 측 의 평탄도나 거칠기에 관해서도 정확히 관리해야 한다. 냉각체의 평탄도가 큰 경우, 모듈을 설치하면 내부의 세라 믹 부분에 응력이 발생하여 세라믹 균열(절연파괴)을 일으키 거나 IGBT 칩 자체에 응력이 걸려 칩이 균열돼버리는 경우 가 있다. 또 냉각체 표면이 거친상태에서는 그 부분의 접촉저 항이 커지기 때문에 온도가 높아진다.
통상적으로는 그림 23과 같이 설치 나사 사이에 50~100㎛ 이하, 거칠기는 10㎛ 이하 정도를 지정하고 있는 메이커가 많 은 것 같지만 제품의 사양을 충분히 확인하여 냉각체의 마무리 치수를 결정하기 바란다.
7. 서멀 콤파운드 사용
모듈 바닥면과 냉각체와의 설치부분 접촉 열저항을 작게 하기 위해 서멀 콤파운드를 사용한다. 사용하는 콤파운드의 메이커와 종류는 표 6에 나타난 제품 등이 일반적으로 권장된다.
서멀 콤파운드가 너무 적으면 효과가 작고 너무 많으면 역 효과가 나타나기도 하여 콤파운드가 낭비돼버린다. 그림 23 에 나타난 도포방법은 IGBT와 FWD 칩이 설치되어 있는 바 로 아래의 케이스 부분에 점 모양의 콤파운드를 도포하는 방 법이다. 이러한 방법으로 콤파운드를 도포한 후, 냉각 핀에 설치하면 콤파운드가 극간을 메우도록 확산되므로 기포가 적 은 콤파운드층이 간단하게 형성된다.
또 나사의 체결 토크는 IGBT 제품의 카탈로그 등에 기재 되어 있으므로 지정 토크 범위에서 설치하도록 한다. 체결 토 크가 부족하면 접촉 열저항이 증가하거나 사용 중에 이완되 는 경우가 있다. 또 토크가 과대한 경우에는 모듈의 케이스가 파손되거나 나사 산이 파손되는 경우가 있다.
나사를 체결하는 순서는 대각선상으로 체결해 가는 것이 기본이다. 먼저 규정 토크의 1/3 정도로 가 체결한 후, 규정 토크로 본 체결하기 바란다.
IGBT의 트러블 대책
IGBT는 저손실화라는 특성개선과 함께 파괴 내량 향상에 도 주력하고 있지만 장치설계.제품실장 상의 오류, 간과 등에 의해 소자파괴나 오동작이라고 하는 트러블이 일어나는 경우 가 있다.
여기서는 IGBT 제품이 파괴되어 있는가의 여부를 체크하는 방법과 대표적인 트러블 내용.대책에 관하여 설명한다.
1. IGBT 제품의 고장 체크
IGBT가 고장인가의 여부를 정확하게 판단하기 위해서는 전용 측정장치(커브 트레이서)가 필요하다. 커브 트레이서를 사용하여 다음과 같은 값을 측정하고 사양서의 특성값과 비 교함으로써 고장을 판단한다.
① 컬렉터-이미터간의 누설전류(ICES)
② 게이트-이미터간의 누설전류(IGES)
또 커브 트레이서 대신에 디지털 테스터 등의 전압.저항값 을 측정할 수 있는 기기를 사용하여 간이적으로 고장을 판단 할 수 있다. 체크할 때에는 우회에 의한 오측정이나 감전을 방지하기 위해서도 주 전원을 차단하고 IGBT에 접속되어 있 는 회로는 모두 절리하도록 한다.
(1) 게이트-이미터간 체크
컬렉터-이미터간을 단락하여 게이트-이미터간의 누설전류 혹은 저항값을 측정한다. IGBT 제품이 정상이라면 흐르는 누설전류는 수백nA 오더(테스터에서의 저항값으로 수십㏁~ ∞Ω)가 일반적이다. 값이 대폭 작은(수십Ω~쇼트) 경우에 는 IGBT가 고장일 가능성이 있다.
(2) 컬렉터-이미터간 체크
게이트-이미터간을 단락하여 컬렉터-이미터간의 누설전류 또는 저항값을 측정한다. 접속은 컬렉터 단자를‘＋’, 이미터 단자를‘－’로 한다. IGBT 제품이 정상이라면 누설전류는 수 mA 이하(테스터에서의 저항값으로 수십㏁~∞Ω)가 일반적 이다. 이 이외의 값(쇼트상태 등)에서는 IGBT가 고장일 가능성이 있다. 또 테스터의 출력전압 극성이 반대로 되어 있으면 FWD가 도통돼버리는 경우가 있으므로 정상이라 판정할 수 없다(아날로그식 테스터에서는 주의가 필요하다).
(3) 주의점
컬렉터-이미터간의 특성 체크는 절대 실시해서는 안된다. IGBT의 컬렉터와 게이트 사이에 형성되어 있는 산화막이 절 연 파괴돼버리는 경우가 있다.
대표적인 트러블 사례와 그 대책
1. 트러블 시의 체크 시트
IGBT 제품의 응용기기 상에서 흔히 발생하는 트러블에 관 하여 표 7에 그 원인과 체크 포인트를 정리했으므로 트러블시의 체크, 대책 검토에 참고하기 바란다.
또 다음에 대표적인 트러블 사례에 관하여 설명한다.
2. 게이트 오픈상태에서 주 회로전압을 인가했다
게이트-이미터 사이를 오픈한 상태에서 컬렉터-이미터 사 이에 주 회로전압을 인가하면 IGBT가 멋대로 ON해버려 모 듈이 파괴되는 경우가 있다. 이것은 귀환용량 Cres를 통하여 컬렉터에서 게이트로 충전전압이 유입하므로 IGBT가 ON되 기 때문이다.
초퍼 회로 등에 사용할 경우 IGBT를 사용하지 않고 FWD 만 사용할 수 있는 케이스에서는 반드시 게이트-이미터간을 쇼트해놓는 것이 중요하다(후술하는 바와 같이 역 바이어스 를 걸어두는 것도 좋다). 또 회로를 작성했을 때에는 반드시 게이트 배선을 체크하여 이완이나 접속누락이 없다는 것을 확인하도록 한다.
3. IGBT 제품에 기계적인 응력을 걸었다
IGBT 제품의 단자에 큰 외력이나 진동에 의한 응력을 걸 면 내부 전기배선의 단선 등 트러블이 발생하는 경우가 있다. 모듈 단자에 납땜되어 있는 프린트판(구동회로나 주 회로) 이 단자부분만으로 고정되어 있으면 운반 시의 진동으로 인 해 모듈 단자에 응력이 가해진다. 이를 방지하기 위해서는 충 분한 강도를 지니고 있는 스페이서에 의해 프린트판을 냉각 체에 확실히 고정시킨 후, 모듈과 프린트판을 납땜하는 등의 배려가 필요하다.
또 동 바 등의 평행평판을 사용한 주 회로 배선을 실행할 때 의 주의점을 그림 24에서 설명한다.
그림 24(a)와 같이 도체와 절연재를 적층시킨(단차가 있는) 상태에서 모듈에 접속하 면 모듈 단자에 항상 인장응력이 발생하므로 모듈 내부배선이 단선되는 경우가 있다. 이것을 방지하기 위해서는 그림 24(b) 와 같이 도전성 스페이서를 끼워 단차를 없애도록 한다.
4. 게이트 역 바이어스 전압부족에 의한 잘못된 점호
역 바이어스-게이트 전압(－VGE)이 부족하면 OFF되어 있어야 하는 IGBT가 잘못 점호돼버려 상하 암의 IGBT가 단락 될 수 있다. 그리고 단락전류가 흐르기 때문에 발열이나 전류 가 차단되었을 때의 스파이크 전압에 의해 IGBT가 파괴되는 경우가 있다.
이 모습을 그림 25에 나타낸다.
이 그림은 상 암쪽의 IGBT가 턴 온하면 하 암쪽의 FWD가 역 회복(아래쪽의 IGBT는 OFF상태)하는 모드이다.
이 모드에서는 하 암쪽의 FWD가 역 회복할 때 높은 dv/dt(수k~십수kV/㎲)가 OFF되어 있는 하 암쪽 IGBT의 컬렉터-이미터 사이에 가해진다.
IGBT에 dv/dt가 가해지면 전술한 경우와 마찬가지로 컬 렉터에서 게이트로 충전전류가 흘러 게이트 전압을 밀어 올 린다. 이것은 dv/dt가 높을수록, 또는 역 바이어스 전압이 낮 을수록 현저해지고 게이트 전압이 IGBT의 임계값 전압 Vth(통상 5~7V)를 초과해 버리면 하 암 IGBT가 잘못 점호 되고 상하 암의 IGBT가 모두 ON상태로 되어 암 단락을 일 으킨다.
즉, 역 바이어스를 충분히 인가해 놓음으로써 게이트 전압 상승을 억제할 수 있으므로 이렇게 잘못 점호되는 것을 방지 할 수 있다.
실제로 필요한 역 바이어스 전압값 －VGE는 사용하고 있는 구동회로, 게이트 배선상태, 게이트 저항 RG 등에 의해 변화 하므로 반드시 사전에 게이트 전압을 확인하여 IGBT가 잘못 점호되지 않는다는 것을 확인해두도록 한다.
5. 정류회로에의 응용하는 IGBT 모듈
IGBT 모듈이나 PIM에 내장되어 있는 FWD, 정류용 다이 오드에는 정격 I2 t 특성이 있다. 정격 I2 t란 지속시간이 매우 짧은 펄스(10ms 이하)에 관한 순방향의 비반복 과전류 용량 을 말한다.
상용전원을 직류로 변환하는 정류회로에 IGBT 모듈을 사 용하는 경우, 상용전원 투입 시 러시 전류가 흘러 FWD부를 파손시키는 경우가 있다. 그래서 그림 26과 같이 충전저항과 콘택터를 병렬 접속한 기동회로를 사용하는 등의 대책을 시 행하여 정격 I2 t를 초과하는 충전전류가 흐르지 않도록 배려 해야 한다.
6. 게이트 단자에의 정전기 인가
IGBT의 게이트부분은 MOSFET와 마찬가지로 매우 얇은 산화막으로 구성되어 있기 때문에 정전기에 의해 게이트 산화막이 파괴될 수 있다. 따라서 IGBT 제품을 다룰 때에는 정 전기 발생을 방지하여 단자에 정전기가 인가되지 않도록 충 분히 주의해야 한다.
주의점으로는 다음과 같은 점을 들 수 있다.
(1) IGBT 제품을 다룰 때에는 인체나 의복에 대전된 정전 기를 제전하고 접지한 도전제 매트 상에서 작업한다
(2) 단자부분, 특히 게이트 단자부분에 접촉되지 않도록 패 키지 본체를 잡는다. 또 작업할 때에는 리스트 밴드를 사용하여 고저항으로 접지하는 등, 단자에 정전기가 인 가되지 않도록 한다
(3) IGBT 제품의 단자를 납땜할 경우에는 인주 끝이나 땜 납 버스에 대전하고 있는 정전기가 IGBT 단자에 가해 지지 않도록 배려한다
(4) IC 폼이나 정전대(袋) 등의 보호재는 IGBT를 배선하 기 직전까지 제품에 붙여두도록 한다
7. EMI 대책
최근 IGBT 제품을 사용한 장치는 산업용에 그치지 않고 일반 가정이나 병원 등 모든 장소에서 사용할 수 있게 되었 다. 이에 따라 IGBT가 스위칭함으로써 발생하는 EMI 노이 즈(장치 운전 시 발생하는 전도성.방사성의 EMI 노이즈) 문 제가 부각되고 있으며 이것이 IGBT 응용기기.엔지니어의 고 민거리가 되었다.
고속 스위칭.저손실화를 최대의 목표로 IGBT 특성개선이 진행되어 왔지만, 이 결과 스위칭 시의 높은 dv/dt, di/dt(전 압.전류변화율)가 방사성 노이즈의 요인이 되는 케이스를 많 이 볼 수 있게 되었다.
이렇게 스위칭에 따른 노이즈를 저감시키는 수단으로는 IGBT의 구동조건을 검토하여 스위칭 특성, 특히 턴 온 스피 드를 저속화하는 것이 효과적이다.
그림 27에 게이트 저항에 의해 스위칭 특성을 소프트화했을 경우의 방사성 EMI 노이즈 측정 예를 나타낸다(샘플： 1,200V/150A 소자, 표준 게이트 저항 5.6Ω).
표준 게이트 저항을 2~3배 정도까지 크게 함으로써 12~ 20dB 노이즈를 저감할 수 있다. 단, 노이즈와 손실은 트레이 드 오프의 관계에 있으므로 노이즈를 저감시키면 반대로 손 실은 증가된다.
따라서 장치의 운전조건(스위칭 주파수, 출력전류 등), 냉 각조건(냉각체, 팬 등)과 노이즈 레벨과의 밸런스를 잡으면서 IGBT의 구동조건을 검토하는 것이 중요하다.
표 8에 방사성 EMI 노이즈의 일반적인 대책 예를 나타낸다.
방사성 EMI 노이즈는 장치의 배선구조.재질.회로 등에 따라 요인.레벨이 달라지므로 각각의 대책이 유효한가의 여 부는 개별적으로 검토해가야 한다. [출처] 5. IGBT의 기초와 트러블 대책|작성자 맥가이심
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