ハイパワーMOSFETの駆動回路の原理は何ですか?

同じ高出力 MOSFET でも、異なる駆動回路を使用すると、異なるスイッチング特性が得られます。駆動回路の優れた性能を使用すると、パワースイッチングデバイスを比較的理想的なスイッチング状態で動作させることができ、スイッチング時間を短縮し、スイッチング損失を低減し、動作効率、信頼性、安全性を確保することが非常に重要です。したがって、駆動回路の長所と短所は主回路の性能に直接影響を与えるため、駆動回路設計の合理化がますます重要になっています。サイリスタは小型、軽量、高効率、長寿命で使いやすく、整流器やインバータを簡単に停止でき、整流器やインバータ電流のサイズ変更を前提とした回路構成の変更が不要です。IGBTは複合型です。の装置MOSFETGTRは、高速スイッチング速度、優れた熱安定性、小さな駆動電力、シンプルな駆動回路という特徴を持ち、オン状態電圧降下が小さく、耐電圧が高く、許容電流が大きいという利点があります。 IGBT は、特に大電力の場所で主流の電力出力デバイスとして、さまざまなカテゴリで一般的に使用されています。

高出力 MOSFET スイッチングデバイスの理想的な駆動回路は、次の要件を満たす必要があります。

(1) パワースイッチング管のターンオン時、駆動回路はベース電流の立ち上がりが速いため、ターンオン時の駆動力が十分にあり、ターンオン損失が低減されます。

(2) スイッチング管の導通中、MOSFET ドライバ回路によって提供されるベース電流により、パワー管はどのような負荷条件下でも飽和導通状態になり、比較的低い導通損失が保証されます。保管時間を短縮するには、デバイスをシャットダウンする前に臨界飽和状態にする必要があります。

(3) シャットダウンの場合、駆動回路は、蓄積時間を短縮するために、ベース領域に残っているキャリアを迅速に引き出すために十分な逆ベース駆動を提供する必要があります。逆バイアスのカットオフ電圧を追加すると、コレクタ電流が急速に低下してランディング時間が短縮されます。もちろん、サイリスタのシャットダウンは依然として主に逆アノード電圧降下によって行われ、シャットダウンを完了します。

現在、サイリスタは、トランスまたはフォトカプラ絶縁を介して低電圧端と高電圧端を分離し、変換回路を介してサイリスタの導通を駆動するだけで同等の数で駆動されます。現在使用されている IGBT 駆動モジュールだけでなく、IGBT、システム自己保守、自己診断などの IPM 機能モジュールも統合されています。

この論文では、使用するサイリスタについて、実験的な駆動回路を設計し、実際のテストを停止してサイリスタを駆動できることを証明します。 IGBTの駆動に関しては、現在主流のIGBT駆動とそれに対応する駆動回路、シミュレーション実験を停止するために最も一般的に使用されているフォトカプラ絶縁駆動を中心に紹介します。

2. サイリスタ駆動回路の一般的な検討、サイリスタの動作条件は次のとおりです。

(1) ゲートがどのような種類の電圧を受け入れても、サイリスタは逆アノード電圧を受け入れ、サイリスタはオフ状態になります。

(2) サイリスタは、ゲートが正の電圧を受け入れる場合にのみ、サイリスタがオンになっている順方向アノード電圧を受け入れます。

(3) サイリスタが導通状態にある場合、ゲート電圧に関係なく、特定の正のアノード電圧のみ、サイリスタは導通を主張します。つまり、サイリスタの導通後、ゲートは失われます。 (4) サイリスタが導通状態にあり、主回路電圧 (または電流) がゼロ近くまで低下すると、サイリスタが停止します。サイリスタはTYN1025を選択し、耐電圧は600V〜1000V、電流は最大25Aです。ゲート駆動電圧は10V～20V、駆動電流は4mA～40mAが必要です。維持電流は 50mA、エンジン電流は 90mA です。 DSP または CPLD トリガー信号の振幅は 5V までです。まず、5Vの振幅を24Vに変換し、次に2:1絶縁トランスを介して24Vトリガー信号を12Vトリガー信号に変換し、上下の電圧絶縁の機能を完了します。

実験回路設計と解析

まず昇圧回路ですが、後段の絶縁トランス回路によるものです。MOSFETデバイスは 15V トリガー信号を必要とするため、最初に 5V トリガー信号を 15V トリガー信号に振幅し、MC14504 5V 信号を介して 15V 信号に変換し、次に CD4050 を介して 15V ドライブ信号整形、チャンネル 2 の出力に増幅する必要があります。 5V 入力信号に接続され、チャンネル 1 が出力に接続されます。チャンネル 2 が 5V 入力信号に接続され、チャンネル 1 が出力に接続されます。 15Vトリガー信号の出力。

2 番目の部分は絶縁トランス回路で、回路の主な機能は次のとおりです。15V トリガー信号を 12V トリガー信号に変換してサイリスタの導通をトリガーし、15V トリガー信号と背面間の距離を測定します。ステージ。

回路の動作原理は次のとおりです。MOSFETIRF640 の駆動電圧は 15V なので、まず、J1 でレギュレータ 1N4746 に接続された抵抗 R4 を介して 15V の方形波信号にアクセスします。これにより、トリガ電圧が安定するだけでなく、トリガ電圧が高すぎないようにします。、MOSFETを焼き、次にMOSFET IRF640（実際には、これはスイッチングチューブで、開閉のバックエンドの制御です。）のバックエンドを制御します。ターンオンおよびターンオフ）、駆動信号のデューティサイクルを制御した後、MOSFET のターンオンおよびターンオフ時間を制御できるようになります。 MOSFETがオープンの場合、D極グランドに相当し、24 Vに相当するバックエンド回路の後、オープンの場合はオフになります。そしてトランスは、12 Vの出力信号の右端を作るための電圧変化を経ます。。トランスの右端は整流ブリッジに接続され、コネクタ X1 から 12V 信号が出力されます。

実験中に遭遇した問題

まず、電源を入れたところ突然ヒューズが切れてしまい、後で回路を確認したところ、初期の回路設計に問題があったことが判明しました。当初は、スイッチング管出力の効果を高めるために、MOSFET のゲート G 極を S 極の後ろと同等にする 24V グランドと 15V グランドの分離が停止されており、誤ったトリガーが発生します。治療法としては、24V と 15V のアースを接続し、再度実験を停止すると、回路は正常に動作します。回路接続は正常ですが、駆動信号が加わるとMOSFETが発熱し、一定時間駆動信号が加わるとヒューズが切れ、さらに駆動信号が加わるとヒューズが直接切れます。回路をチェックして、駆動信号の高レベルのデューティサイクルが大きすぎるため、MOSFET のターンオン時間が長すぎることがわかりました。この回路の設計では、MOSFET が開いたときに 24V が MOSFET の両端に直接追加され、電流制限抵抗は追加されませんでした。オン時間が長すぎて電流が大きすぎると、MOSFET が損傷します。信号のデューティサイクルを調整する必要性は大きすぎてはならず、一般的には 10% ～ 20% 程度です。

2.3 駆動回路の検証

駆動回路の実現可能性を検証するために、それを使用して、互いに直列に接続されたサイリスタ回路、互いに直列および逆並列に接続されたサイリスタを駆動し、誘導性リアクタンスを有する回路にアクセスし、電源を使用します。 380V AC 電圧源です。

この回路の MOSFET は、サイリスタ Q2、Q8 トリガ信号は G11、G12 にアクセスし、Q5、Q11 トリガ信号は G21、G22 にアクセスします。駆動信号がサイリスタのゲートレベルに受信される前に、サイリスタの耐干渉能力を向上させるために、サイリスタのゲートは抵抗とコンデンサに接続されます。この回路はインダクタに接続され、主回路に組み込まれます。主回路時間に大きなインダクタを制御してサイリスタの導通角を制御した後、上下の回路の位相角のトリガ信号の差は半周期で、上部のG11とG12はずっとトリガ信号です絶縁トランスの前段のドライブ回路を介して相互に絶縁されており、下段のG21とG22も同様に信号から絶縁されています。 2つのトリガー信号は逆並列サイリスタ回路の正と負の導通をトリガーし、1チャンネル以上はサイリスタ回路全体の電圧に接続され、サイリスタ導通では0になり、2、3チャンネルはサイリスタ回路の上下に接続されます。ロードトリガー信号の場合、4 チャンネルはサイリスタ電流全体の流れによって測定されます。

2 チャンネルは正のトリガー信号を測定し、サイリスタの導通を超えてトリガーされ、電流は正です。 3 チャンネルは、サイリスタ導通の下側回路をトリガーする逆トリガー信号を測定し、電流は負です。

3.セミナーのIGBT駆動回路 IGBT駆動回路には多くの特別なリクエストがあり、要約すると次のようになります。

(1) 電圧パルスの上昇率と下降率を十分に大きくする必要があります。 igbt ターンオンでは、急峻なゲート電圧のリーディングエッジがゲート G とゲート間のエミッタ E に加えられるため、素早くターンオンして最短ターンオン時間に達し、ターンオン損失を低減します。 IGBT のシャットダウンでは、ゲート駆動回路は IGBT のランディングエッジが非常に急峻なシャットダウン電圧を提供し、IGBT のゲート G とエミッタ E の間に適切な逆バイアス電圧を提供する必要があります。これにより、IGBT の高速シャットダウンが実現し、シャットダウン時間が短縮され、シャットダウン時間が短縮されます。シャットダウン損失。

(2) IGBT の導通後、IGBT の電力出力が常に飽和状態になるように、ゲート駆動回路によって提供される駆動電圧と電流は、IGBT の駆動電圧と電流に対して十分な振幅でなければなりません。過渡過負荷が発生した場合、ゲート駆動回路によって提供される駆動電力は、IGBT が飽和領域を抜け出して損傷しないようにするのに十分である必要があります。

(3) IGBT ゲート駆動回路は、適切な値になるように IGBT 正の駆動電圧を提供する必要があります。特に IGBT で使用される機器の短絡動作プロセスでは、正の駆動電圧は必要な最小値に選択する必要があります。 IGBT のゲート電圧のスイッチング印加は 10V ～ 15V が最適です。

(4) IGBT シャットダウンプロセス。ゲート - エミッタ間に印加される負のバイアス電圧は、IGBT の急速なシャットダウンに役立ちますが、あまり大きくしすぎないでください。通常は -2V ～ -10V です。

(5) 大きな誘導負荷の場合、速すぎるスイッチングは有害です。IGBT の大きな誘導負荷は急速なターンオンとターンオフを行い、高周波、高振幅、狭い幅のスパイク電圧 Ldi / dt を生成します。、スパイクは吸収しにくく、デバイスの損傷を形成しやすいです。

(6) IGBT は高電圧箇所で使用されるため、駆動回路は制御回路全体との間で、通常の高速光結合絶縁やトランス結合絶縁などの厳しい絶縁電位で使用してください。

駆動回路の状態

集積技術の発展に伴い、現在の IGBT ゲート駆動回路は主に集積チップによって制御されています。制御モードは依然として主に 3 種類です。

(1) ダイレクトトリガタイプ入力信号と出力信号の間に電気的絶縁がありません。

(2) パルストランス絶縁を使用して入力信号と出力信号の間をトランス絶縁駆動し、絶縁電圧レベルは最大 4000 V です。

アプローチとしては以下の3つがあります

パッシブアプローチ: 二次トランスの出力は IGBT を直接駆動するために使用されます。ボルト秒イコライゼーションの制限により、デューティサイクルがあまり変化しない場所にのみ適用されます。

アクティブ方式: トランスは絶縁信号のみを提供し、二次プラスチック増幅回路で IGBT を駆動します。駆動波形は優れていますが、別途補助電源を供給する必要があります。

自己供給方式: パルストランスは、駆動エネルギーと高周波変復調技術の両方を伝送するために使用され、ロジック信号を伝送します。変調型自己供給方式と時分割技術自己供給方式に分けられます。 -タイプの自己供給電源を整流器ブリッジに供給して必要な電源を生成し、高周波変調および復調技術を使用してロジック信号を送信します。

3. サイリスタとIGBTドライブの接触と違い

サイリスタとIGBTの駆動回路は同様の中心に違いがあります。まず、高電圧回路が制御回路に影響を与えるのを避けるために、2 つの駆動回路はスイッチングデバイスと制御回路を相互に絶縁する必要があります。次に、両方がゲート駆動信号に適用されて、スイッチングデバイスがオンになります。違いは、サイリスタ駆動には電流信号が必要であるのに対し、IGBT には電圧信号が必要であるという点です。スイッチングデバイスの導通後、サイリスタのゲートはサイリスタの使用の制御を失います。サイリスタをシャットダウンしたい場合は、サイリスタの端子に逆電圧を加える必要があります。 IGBT をシャットダウンするには、負の駆動電圧のゲートに IGBT シャットダウンを追加するだけで済みます。

4. 結論

この論文は主に物語の 2 つの部分に分かれており、最初の部分はサイリスタ駆動回路の物語を停止する要求、対応する駆動回路の設計、および回路の設計はシミュレーションを通じて実際のサイリスタ回路に適用されます。駆動回路の実現可能性を証明するための実験、問題の分析で遭遇した実験プロセスは停止して対処されました。駆動回路の要求に応じて IGBT に関する主な議論の第 2 部では、これに基づいて、現在一般的に使用されている IGBT 駆動回路と、メインのフォトカプラ絶縁駆動回路をさらに紹介し、シミュレーションと実験を停止して、駆動回路の実現可能性。