[논문]고전력 절연 게이트 소자의 구동 및 보호용 파워 IC의 설계

고민정; 박시홍

[국내논문] 고전력 절연 게이트 소자의 구동 및 보호용 파워 IC의 설계
A Design of Gate Drive and Protection IC for Insulated Gate Power Devices 원문보기

電子工學會論文誌. Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea. SD, 반도체, v.46 no.3 = no.381, 2009년, pp.96 - 102

고민정 (단국대학교 전자컴퓨터공학과) , 박시홍 (단국대학교 전자컴퓨터공학과)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 600V/200A 또는 1200V/150A와 같은 고전력 절연 게이트 소자를 구동 및 보호하기 위한 파워 IC에 대한 연구에 대해서 살펴보았다. 고전력 소자의 구동을 위해서 최대 Sourcing 전류 4A, 최대 Sinking 전류 8A로 설계하였으며, 과전류 보호회로로는 전력소자의 드레인(콜렉터) 전압을 측정하여, Desaturation을 검출하는 방식을 사용하였다. 또한 과전류 보호시 기생 인덕턴스에 의해 발생할 수 있는 과전압을 억제하기 위해서 soft-shutdown 기능을 추가하였다. 제안된 게이트 구동 IC는 동부하이텍의 고전압 BCDMOS 공정인 0.35um BDA350 공정과 PDK를 사용하여 설계 및 제작하여 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper deals with gate drive and power IC for high power devices(600V/200A and 1200V/150A). The proposed gate driver provides high gate driving capability (4 A source, 8 A sink), and over-current protected by means of power transistor desaturation detection. In addition, soft-shutdown function is added to reduce voltage overshoots due to parasitic inductance. This gate drive If is designed, fabricated, and tested using the Dongbu hitek 0.35um BCDMOS process.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 600V/200A 또는 1200V/150A 와 같은 고전력 절연 게이트 소자의 빠른 스위칭 속도를 위한 큰 구동전류(최대 Sourcing 전류 4A, 최대 Sinking 전류 8A)를 제공하고, Desaturation 및 Soft-shutdown 보호회로를 내장하는 파워 IC를 설계하고 특성을 검증하였다.
본 논문에서는 고전력 인버터에 사용되는 IGBT와 같은 절연 게이트 소자의 구동 및 보호기능을 하는 파워 IC를 동부하이텍의 0.35um BCDMOS 공정을 이용하여 설계 및 제작하고 검증하였다.
실제의 고전압 IGBT에 구동 IC를 적용하여 정상 동작 상태를 확인하기 위하여 테스트를 수행하였다. 하측 IGBT의 콜렉터와 DC전원 사이에 인덕터 부하를 연결하였으며, 테스트 조건은 Vdc = 300V, Vcc = 15V, ViNp-p = 2V, freq = 20kHz, L = 491uH, R>n = 10Q, Roff = 5.

제안 방법

Soft-shutdown 보호동작을 제외한 IGBT의 단락 스위칭 결과를 나타내기 위하여 그림 9의 Soft -shutdown 동작이 발생하는 시점인 15us의 펄스를 입력전압 조건으로 대체하였으며, Desaturation을 강제적으로 검출하지 못하도록 하였다. 테스트 결과에서 알 수 있듯이 Soft-shutdown 보호 동작을 수행하지 않기 때문에 그림 9와 비교하여 턴 오프시 콜렉터 전류가 빠르게 감소한다.
하지만 스위칭 시, 전력소자의 게이트는 큰 커패시터로 되어있기 때문에 큰 구동전류를 필요로 한다. 따라서 본 논문에서 설계한 게이트 구동 IC의 출력단은 그림 3과 같이 P-type 대비 전류구동 능력이 좋은 N-type 소자들을 이용한 푸쉬 풀(Push-pull) 구조로 설계 및 제작하였다. 최대 Sourcing 전류 4A, 최대 Sinking 전류 8A로 고전력 소자의 게이트 구동에 적합하며, 밀러 커패시터에 의한 재 턴 온을 방지하기 위해 작은 턴 오프 임피던스를 제공한다.
방전하기 위하여 큰 구동 전류를 제공한다. 또한 고전력 소자의 스위칭시 매우 큰 전류가 흐르기 때문에 회로의 신뢰성을 보장하기 위하여 과전류 및 단락전류 보호회로를 내장하였다. 전력 소자의 콜렉터-에미터 전압을 검출하여 단락 상태를 인식할 수 있는 Desaturation detector를 이용하였으며, 고장상태에서 벗어나기 위한 게이트 전압 차단시 발생하는 과전압을 보호하기 위하여 Soft-shutdown 동작으로 고전력 소자의 SOA(Safe operation area)을 확보하였다.
설계한 게이트 구동 IC의 보호동작을 테스트하기 위하여 단락회로를 구성하였다. 테스트 회로는 그림 5와 거의 동일하며 콜렉터와 DC전원 사이의 인덕터 부하를 제거하고 단락시켰다.
우선 구동 IC의 전류용량을 검증하기 위하여 IC의 출력 부하로 커패시터를 연결하여 테스트를 수행했다. 테스트 조건은 Vcc = 15V, ViNp-p = 15V, freq = 20kHz, Ron = Roff = 0Q, Cl=1uF와 같다.
또한 고전력 소자의 스위칭시 매우 큰 전류가 흐르기 때문에 회로의 신뢰성을 보장하기 위하여 과전류 및 단락전류 보호회로를 내장하였다. 전력 소자의 콜렉터-에미터 전압을 검출하여 단락 상태를 인식할 수 있는 Desaturation detector를 이용하였으며, 고장상태에서 벗어나기 위한 게이트 전압 차단시 발생하는 과전압을 보호하기 위하여 Soft-shutdown 동작으로 고전력 소자의 SOA(Safe operation area)을 확보하였다.
푸쉬 풀 구조의 상측과 하측은 각각 동부 하이텍에서제공하는 LDMOS를 사용하였는데, 큰 전류 구동 시 의상 단락과 같은 비정상적인 동작을 방지하기 위하여 출력단에 데드타임을 내장시켰다.

대상 데이터

설계된 게이트 구동 IC는 동부하이텍의 0.35um BCDMOS공정을 사용하여 제작되었으며, 칩 면적은 2*16405(0 W 이다. 구동 IC의 레이아웃을 그림 4에 나타내었으며, 출력단에 3개의 큰 블록이 큰 구동 전류를 공급하기 위한 LDMOS들이다.
설계된 고전력 게이트 구동 ic의 유용성을 검증하기 위하여 그림 5와 같이 회로를 구성 및 회로기판으로 제작하였다. 포토커플러를 사용하여, 마이크로 컨트롤러와구동회로를 절연시켰으며, 역회복 특성이 좋은 고전압 다이오드를 사용하여 IGBT의 콜렉터 전압을 검출하도
록 구성하였다. 테스트 검증을 위해 사용된 모듈은 화인 SPN 의 FGM200D06AV (600V, 200A) 이다.

성능/효과

또한 구동 IC의 보호기능이 원활히 동작하여 IGBT 소자가 단락전류와 같은 이상상태에서 벋어나 SOA 영역 안에서 동작하는 것으로 나타났다.
실험결과 게이트 구동 IC의 전류 구동능력이 설계목표치를 만족시켰으며, 실제 소자에 적용 결과 고전력 절연 게이트 소자를 구동하는데 적합한 것으로 나타났다. 또한 구동 IC의 보호기능이 원활히 동작하여 IGBT 소자가 단락전류와 같은 이상상태에서 벋어나 SOA 영역 안에서 동작하는 것으로 나타났다.
실험조건은 설계시 조건과 동일한 Vcc = 15V, ViNP-P = 15V, freq = 20kHz, 為 = R°ff = 0Q, 의 조건으로 설정하였으며, 실험결과 오차 값들이 허용오차 범위 안에 존재하여, 고전력 소자 응용에 무리가 없음을 알 수 있다.
파형이다. 전류 파형을 확인하면 전력소자의 게이트 커패시터를 충전 시 최대 4.03A, 방전 시 최대 7.35A로 큰 전류로 구동하는 것을 알 수 있다. 이는 설계치 대비 Sourcing 전류는 0.
큰 구동 전류로 인하여 500ns가 안 되는 짧은 시간 안에 고전력 소자의 게이트 전압을 제어시킴으로써, 소자가 빠른 속도로 턴 온과 턴 오프하는 것을 확인할 수 있다. 실험시 Ron = 10Q, Roff = 5.

참고문헌 (8)

A. D. Pathak, "MOSFET/IGBT drives theory and applications," IXYS Corporation, pp. 1, Santa Clara, CA 2001
V. K. Khanna, "The Insulated Gate Bipolar Transistor IGBT Theory and Design," Wiley-Interscience, pp. 5-11, 2003
김상철, 김은동, "전력반도체 기술 및 시장동향," 전기전자재료, pp. 15-24, 2002
Toshio Takahashi, "IGBT Protection in AC or BLDC Motor Drives," International Redifer Techniml Paper, 2000
E. R. Motto, "Hybrid Circuits Simplify IGBT Module Gate Drive," Powerex Inc., 1999
G. Majumdar et. al. "Novel Intelligent Power Modules for Low-Power Inverters" 1998 IEEE PESC Proceedings
Sasagawa, K., Miki, H., "A new driving and protective circuit of IGBT for motor drive application", in Proc. of 1993 IEEE Appl. Power Elec. Conf. (APEC) , pp. 402-407, 1993
S. Musumeci, R. Pagano, A. Raciti, G. Belverde, M. Melito, "A new gate circuit performing fault protections of IGBTs during short circuit transients", in Rec. of the 2002 IEEE Ind. Appl. Society Ann. Meeting, vol. 4, pp. 2614 .2621, Oct. 2002

저자의 다른 논문 :

LOADING...

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증