고전력 MOSFET의 구동회로 원리는 무엇입니까?

동일한 고전력 MOSFET에서 서로 다른 구동 회로를 사용하면 서로 다른 스위칭 특성을 얻게 됩니다. 구동 회로의 우수한 성능을 사용하면 전력 스위칭 장치가 상대적으로 이상적인 스위칭 상태에서 작동할 수 있으며 스위칭 시간을 단축하고 스위칭 손실을 줄이며 작동 효율성, 신뢰성 및 안전성을 설치하는 것이 매우 중요합니다. 따라서 구동회로의 장단점이 주회로의 성능에 직접적인 영향을 미치므로 구동회로 설계의 합리화가 점점 더 중요해지고 있다. 사이리스터는 소형, 경량, 고효율, 긴 수명, 사용하기 쉽고 정류기와 인버터를 쉽게 정지할 수 있으며 정류기 또는 인버터 전류의 크기 변경을 전제로 회로 구조를 변경할 수 없습니다. IGBT는 복합재입니다. 장치MOSFETGTR은 빠른 스위칭 속도, 우수한 열 안정성, 작은 구동 전력 및 간단한 구동 회로의 특성을 가지며 온 상태 전압 강하가 작고 내전압이 높으며 수용 전류가 높은 장점이 있습니다. 특히 고전력 장소에서 주류 전력 출력 장치인 IGBT는 다양한 범주에서 일반적으로 사용되었습니다.

고전력 MOSFET 스위칭 장치의 이상적인 구동 회로는 다음 요구 사항을 충족해야 합니다.

(1) 전원 스위칭 튜브가 켜지면 구동 회로는 빠르게 상승하는 기본 전류를 제공하여 켜질 때 충분한 구동 전력이 있어 턴온 손실을 줄일 수 있습니다.

(2) 스위칭 튜브 전도 중에 MOSFET 드라이버 회로에 의해 제공되는 베이스 전류는 모든 부하 조건에서 파워 튜브가 포화 전도 상태에 있도록 보장하여 비교적 낮은 전도 손실을 보장합니다. 저장 시간을 줄이려면 장치를 종료하기 전에 임계 포화 상태에 있어야 합니다.

(3) 셧다운 시, 구동 회로는 저장 시간을 줄이기 위해 베이스 영역에 남아 있는 캐리어를 신속하게 끌어낼 수 있도록 충분한 역방향 베이스 드라이브를 제공해야 합니다. 역바이어스 컷오프 전압을 추가하여 콜렉터 전류가 급격히 떨어지도록 하여 랜딩 시간을 줄입니다. 물론, 사이리스터의 차단은 여전히 ​​주로 역방향 양극 전압 강하로 인해 종료됩니다.

현재 사이리스터는 변압기 또는 광커플러 절연을 통해 저전압 끝과 고전압 끝을 분리한 다음 변환 회로를 통해 사이리스터 전도를 구동하는 것과 비슷한 수의 사이리스터를 구동합니다. IGBT에서는 현재 더 많은 IGBT 드라이브 모듈을 사용할 뿐만 아니라 통합 IGBT, 시스템 자체 유지 관리, 자가 진단 및 IPM의 기타 기능 모듈도 사용합니다.

본 논문에서는 우리가 사용하는 사이리스터에 대해 실험적인 구동 회로를 설계하고, 실제 테스트를 중단하여 사이리스터를 구동할 수 있음을 증명합니다. IGBT 드라이브의 경우, 본 논문에서는 현재 IGBT 드라이브의 주요 유형과 해당 드라이브 회로, 시뮬레이션 실험을 중단하기 위해 가장 일반적으로 사용되는 광커플러 절연 드라이브를 주로 소개합니다.

2. 사이리스터 구동 회로 연구 일반적으로 사이리스터 작동 조건은 다음과 같습니다.

(1) 사이리스터는 게이트가 어떤 종류의 전압을 받아들이는지에 관계없이 역방향 양극 전압을 받아들입니다. 사이리스터는 꺼진 상태입니다.

(2) 사이리스터는 순방향 양극 전압을 수용하며, 게이트가 사이리스터가 켜져 있는 양의 전압을 수용하는 경우에만 허용됩니다.

(3) 사이리스터 전도 조건에서는 게이트 전압에 관계없이 특정 양의 양극 전압만 발생하며 사이리스터는 전도를 주장합니다. 즉, 사이리스터 전도 후에 게이트가 손실됩니다. (4) 사이리스터는 전도 상태에서 주 회로 전압(또는 전류)이 거의 0으로 감소하면 사이리스터가 종료됩니다. 우리가 선택한 사이리스터는 TYN1025이며, 내전압은 600V~1000V, 전류는 최대 25A입니다. 게이트 구동 전압은 10V~20V, 구동 전류는 4mA~40mA가 필요합니다. 유지 전류는 50mA이고 엔진 전류는 90mA입니다. DSP 또는 CPLD 트리거 신호 진폭은 최대 5V입니다. 우선, 5V의 진폭을 24V로 변환한 다음 2:1 절연 변압기를 통해 24V 트리거 신호를 12V 트리거 신호로 변환하는 동시에 상위 및 하위 전압 절연 기능을 완료합니다.

실험회로 설계 및 분석

우선 부스트 회로는 뒷단에 절연 변압기 회로가 있기 때문에MOSFET장치에는 15V 트리거 신호가 필요하므로 먼저 MC14504 5V 신호를 통해 15V 트리거 신호로 5V 트리거 신호를 진폭하고 15V 신호로 변환한 다음 CD4050을 통해 15V 드라이브 신호 형성, 채널 2의 출력을 통해 필요합니다. 5V 입력 신호에 연결되고, 채널 1은 출력에 연결됩니다. 채널 2는 5V 입력 신호에 연결되고, 채널 1은 출력에 연결됩니다. 15V 트리거 신호.

두 번째 부분은 절연 변압기 회로이며 회로의 주요 기능은 15V 트리거 신호, 12V 트리거 신호로 변환되어 사이리스터 전도의 뒷면을 트리거하고 15V 트리거 신호와 뒷면 사이의 거리를 수행하는 것입니다. 단계.

회로의 작동 원리는 다음과 같습니다.MOSFETIRF640 구동 전압은 15V이므로 먼저 J1에서 15V 구형파 신호에 액세스하고 레귤레이터 1N4746에 연결된 저항 R4를 통해 트리거 전압이 안정적일 뿐만 아니라 트리거 전압이 너무 높지 않도록 합니다. , 구운 MOSFET, 그리고 MOSFET IRF640(실제로 이것은 스위칭 튜브이며 개폐의 백엔드를 제어합니다. 턴온의 백엔드를 제어하고 턴오프), 구동 신호의 듀티 사이클을 제어한 후 MOSFET의 턴온 및 턴오프 시간을 제어할 수 있습니다. MOSFET이 열리면 D극 접지와 동일하고 열리면 꺼지며 백엔드 회로는 24V에 해당합니다. 그리고 변압기는 전압 변경을 통해 12V 출력 신호의 오른쪽 끝을 만듭니다. . 변압기의 오른쪽 끝은 정류기 브리지에 연결된 다음 커넥터 X1에서 12V 신호가 출력됩니다.

실험 중 발생한 문제

우선 전원을 켰을 때 퓨즈가 갑자기 끊어졌고, 나중에 회로를 확인해 본 결과 초기 회로 설계에 문제가 있는 것으로 확인됐다. 처음에는 스위칭 튜브 출력의 효과를 높이기 위해 MOSFET의 게이트 G 극을 S 극 후면과 동일하게 만드는 24V 접지와 15V 접지 분리가 일시 중단되어 잘못된 트리거링이 발생합니다. 처리 방법은 24V와 15V 접지를 함께 연결하고 다시 실험을 중지하면 회로가 정상적으로 작동합니다. 회로 연결은 정상이지만 일정 기간 동안 구동 신호, MOSFET 열 및 구동 신호에 참여하면 퓨즈가 끊어지고 드라이브 신호를 추가하면 퓨즈가 직접 끊어집니다. 구동 신호의 하이 레벨 듀티 사이클이 너무 커서 MOSFET 턴온 시간이 너무 길어지는 회로를 확인하십시오. 이 회로의 설계는 MOSFET이 개방될 때 MOSFET의 끝 부분에 24V가 직접 추가되고 전류 제한 저항을 추가하지 않았으며 온 시간이 너무 길어서 전류가 너무 커지면 MOSFET이 손상되고, 신호의 듀티 사이클을 규제할 필요성은 일반적으로 10% ~ 20% 정도로 너무 클 수 없습니다.

2.3 구동 회로의 검증

구동 회로의 타당성을 검증하기 위해 이를 사용하여 서로 직렬로 연결된 사이리스터 회로, 서로 직렬로 연결된 사이리스터, 그리고 역병렬, 유도 리액턴스가 있는 회로에 액세스, 전원 공급 장치를 구동합니다. 380V AC 전압 소스입니다.

이 회로의 MOSFET에서는 사이리스터 Q2, Q8이 G11 및 G12 액세스를 통해 신호를 트리거하고, Q5, Q11이 G21, G22 액세스를 통해 신호를 트리거합니다. 구동 신호가 사이리스터 게이트 레벨에 수신되기 전에 사이리스터의 간섭 방지 능력을 향상시키기 위해 사이리스터의 게이트가 저항기와 커패시터에 연결됩니다. 이 회로는 인덕터에 연결된 다음 주 회로에 배치됩니다. 큰 인덕터를 주 회로 시간으로 제어하기 위해 사이리스터의 전도 각도를 제어한 후 트리거 신호의 위상 각도의 상부 및 하부 회로는 반 사이클의 차이를 가지며 상부 G11 및 G12는 항상 트리거 신호입니다. 절연 트랜스포머 전단의 구동 회로를 통해 서로 절연되며 하부 G21과 G22도 신호와 동일한 방식으로 절연됩니다. 2개의 트리거 신호는 역병렬 사이리스터 회로의 양극 및 음극 전도를 트리거하며, 위의 1채널은 전체 사이리스터 회로 전압에 연결되고, 사이리스터 전도에서는 0이 되며, 2, 3채널은 사이리스터 회로에 상하로 연결됩니다. 로드 트리거 신호의 경우 4채널은 전체 사이리스터 전류의 흐름을 측정합니다.

2 채널은 사이리스터 전도 이상으로 트리거되는 포지티브 트리거 신호를 측정하고 전류는 포지티브입니다. 3 채널은 역방향 트리거 신호를 측정하여 사이리스터 전도의 하위 회로를 트리거하고 전류는 음수입니다.

3. 세미나의 IGBT 구동 회로 IGBT 구동 회로에는 많은 특별 요청이 요약되어 있습니다.

(1) 전압 펄스의 상승 및 하강 속도가 충분히 커야 합니다. igbt를 켜면 가파른 게이트 전압의 리딩 에지가 게이트 G와 게이트 사이의 이미터 E에 추가되므로 빠르게 켜지고 가장 짧은 켜짐 시간에 도달하여 켜짐 손실이 줄어듭니다. IGBT 셧다운에서 게이트 드라이브 회로는 IGBT 랜딩 에지의 매우 가파른 셧다운 전압을 제공하고 IGBT 게이트 G와 이미터 E에 적절한 역바이어스 전압을 제공해야 IGBT가 빠르게 셧다운되고 셧다운 시간이 단축되며 감소됩니다. 셧다운 손실.

(2) IGBT 전도 후, 게이트 구동 회로에 의해 제공되는 구동 전압 및 전류는 IGBT 구동 전압 및 전류에 대해 충분한 진폭을 가져야 IGBT의 전력 출력이 항상 포화 상태에 있어야 합니다. 일시적인 과부하, 게이트 드라이브 회로가 제공하는 구동 전력은 IGBT가 포화 영역을 벗어나 손상되지 않도록 충분해야 합니다.

(3) IGBT 게이트 구동 회로는 적절한 값을 얻기 위해 IGBT 포지티브 구동 전압을 제공해야 하며, 특히 IGBT에 사용되는 장비의 단락 동작 과정에서 포지티브 구동 전압은 필요한 최소값으로 선택되어야 합니다. IGBT의 게이트 전압 스위칭 인가는 10V~15V가 가장 좋다.

(4) IGBT 셧다운 프로세스, 게이트-이미터 사이에 인가되는 음의 바이어스 전압은 IGBT의 신속한 셧다운에 도움이 되지만 너무 크게 해서는 안 되며 일반적으로 -2V ~ -10V를 사용합니다.

(5) 유도 부하가 큰 경우 스위칭이 너무 빠르면 해로우며, IGBT의 유도 부하가 크면 빠르게 켜고 끌 수 있으며 고주파 및 높은 진폭과 좁은 폭의 스파이크 전압 Ldi/dt가 생성됩니다. , 스파이크는 흡수하기 쉽지 않으며 장치 손상이 발생하기 쉽습니다.

(6) IGBT는 고전압 장소에서 사용되므로 구동 회로는 심각한 절연 가능성이 있는 전체 제어 회로와 함께 고속 광 커플링 절연 또는 변압기 커플링 절연을 일반적으로 사용해야 합니다.

드라이브 회로 상태

통합 기술의 발전으로 현재 IGBT 게이트 구동 회로는 대부분 통합 칩에 의해 제어됩니다. 제어 모드는 여전히 주로 세 가지 종류입니다.

(1) 직접 트리거링 유형은 입력 신호와 출력 신호 사이에 전기적 절연이 없습니다.

(2) 펄스 변압기 절연을 사용하여 입력과 출력 신호 사이의 변압기 절연 구동, 절연 전압 레벨 최대 4000V.

다음과 같은 3가지 접근 방식이 있습니다.

수동적 접근 방식: 2차 변압기의 출력은 볼트-초 균등화의 한계로 인해 IGBT를 직접 구동하는 데 사용되며 듀티 사이클이 많이 변하지 않는 장소에만 적용 가능합니다.

능동형 방식: 변압기는 절연 신호만 제공합니다. 보조 플라스틱 증폭기 회로에서는 IGBT를 구동하여 구동 파형이 더 좋지만 별도의 보조 전원을 제공해야 합니다.

자체 공급 방식: 펄스 변압기를 사용하여 구동 에너지와 고주파수 변조 및 논리 신호 전송을 위한 복조 기술을 모두 전송하는 데 사용되며, 변조 방식의 자체 공급 방식과 시분할 기술 자체 공급으로 구분됩니다. - 필요한 전원 공급 장치를 생성하기 위해 정류기 브리지에 자체 공급 전원을 공급하고 논리 신호를 전송하기 위한 고주파 변조 및 복조 기술.

3. 사이리스터와 IGBT 드라이브의 접촉 및 차이점

사이리스터와 IGBT 구동 회로는 비슷한 중심에 차이가 있습니다. 우선, 고전압 회로가 제어 회로에 영향을 미치지 않도록 스위칭 장치와 제어 회로를 서로 분리하려면 두 개의 구동 회로가 필요합니다. 그런 다음 둘 다 게이트 드라이브 신호에 적용되어 스위칭 장치를 켜게 됩니다. 차이점은 사이리스터 드라이브에는 전류 신호가 필요한 반면 IGBT에는 전압 신호가 필요하다는 것입니다. 스위칭 장치 전도 후 사이리스터의 게이트가 사이리스터 사용에 대한 제어를 상실했습니다. 사이리스터를 차단하려면 사이리스터 단자를 역 전압에 추가해야 합니다. IGBT 차단은 IGBT를 차단하기 위해 네거티브 구동 전압의 게이트에만 추가하면 됩니다.

4. 결론

본 논문은 주로 서술의 두 부분으로 나누어진다. 서술을 중지하라는 사이리스터 구동 회로 요청의 첫 번째 부분, 해당 구동 회로의 설계 및 회로 설계는 시뮬레이션을 통해 실제 사이리스터 회로에 적용됩니다. 구동 회로의 타당성을 증명하기 위한 실험, 문제 분석에서 발생하는 실험 과정을 중단하고 처리했습니다. 구동 회로 요청에 따른 IGBT에 대한 주요 논의의 두 번째 부분에서는 이를 기반으로 현재 일반적으로 사용되는 IGBT 구동 회로와 주요 광커플러 절연 구동 회로를 추가로 소개하여 시뮬레이션과 실험을 중단하고 다음을 증명합니다. 구동 회로의 타당성.