고전력 절연 게이트 소자의 구동 및 보호용 파워 IC에 관한 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Recently, the insulated-gate bipolar transistor (IGBT) is widely used for various applications because of its improvement in reduction of on-resistance and fast switching. IGBT has a variety of uses, from home appliances to industrial applications. For instance, demand for high power and voltage IGBT in high power servo-motor, air conditioners, UPS, high speed trains, and Hybrid Electric Cars has been increased due to increasing use of the inverter applications.
As the power capacity of power devices increases, the size of parasitic capacitance in the device to increase as well. The switching speed of power devices is directly related to the size of input capacitance. In order to drive high power devices adequately, a high gate-drive current is required. Also, protection circuits are required to protect the device from its fault conditions such as over-current, short-circuit current, overvoltage and low gate-drive voltage. In particular, IGBT's SOA(Safe Operation Area), must be ensured under the short circuit condition by the soft shutdown protection.
This dissertation provides design and experimental results of gate drive and protection IC for high power devices. It has the high drive current capability of 4 Amp maximum sourcing current and 8 Amp maximum sinking current with various protection schemes. The process used for the gate drive IC is 0.35um BCDMOS of Dongbu-HiTek. The designed IC has been tested and verified with high power IGBTs under both half-bridge and inverter systems.

국문 초록 (Abstract)

최근 IGBT의 지속적인 턴온 저항의 감소와 스위칭 성능 향상으로 다양한 어플리케이션에서 IGBT가 널리 사용되고 있다. 고속 대전력용 서보모터, 에어컨, UPS 등에 폭넓게 이용되고 있으며, 고속 전철 및 하이브리드 카(Hybrid Electric Car) 등 산업용에서부터 일반 가정용에까지 인버터 응용이 확대됨에 따라 고전력·고내압 IGBT의 수요가 높아지고 있다.
IGBT의 용량이 커짐에 따라 소자내의 기생 커패시턴스가 커지고, 게이트의 충·방전을 위한 전하 요구량이 증가한다. 따라서 고전력 소자의 스위칭 속도를 높이기 위해서는, 큰 전류를 구동할 수 있는 회로가 요구된다. 또한 고전력 소자의 과전류나 단락전류와 같은 이상 현상은 소자에 치명적이기 때문에 이를 보호하기 위한 보호회로를 필요로 한다. 특히 단락 조건하에서 IGBT의 SOA(Safe operation area)를 확보하기 위해 Soft-shutdown 기능을 추가하여야한다.
본 논문에서는 고전력 절연 게이트 소자의 빠른 스위칭 속도를 위한 큰 구동전류(최대 Sourcing 전류 4A, 최대 Sinking 전류 8A)를 제공하고, 과전류 보호회로 및 Soft shutdown 기능을 내장하는 파워 IC를 설계하고 특성을 검증하였다. 제품설계에 사용한 공정은 동부하이텍의 0.35um BD350BA 공정이며 구동IC와 고전력 IGBT를 사용하여 Half-Bridge를 구성하고 특성검증을 실시하여 설계된 IC의 유용성을 입증하였다.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 = 1
• 2. IGBT의 게이트 구동 및 보호 요구조건에 관한 이론 = 3
• 2.1 IGBT의 스위칭 동작 = 5
• 2.1.1 IGBT의 Turn-on = 5
• 2.1.2 IGBT의 Turn-off = 7
• 2.1.3 IGBT의 게이트 구동 특성 파라미터 = 9
• 2.1.4 IGBT의 SOA(Safe Operation Area) = 10
• 2.2 플로팅 게이트 구동 = 12
• 2.2.1 레벨 시프트 방법 = 13
• 2.2.2 플로팅(Floating) 전원 = 15
• 2.3 단락 검출 및 보호 방법 = 19
• 2.3.1 콜렉터-에미터 전압 검출에 의한 방법 = 20
• 2.3.2 전류 미러를 이용한 콜렉터 전류 검출 방법 = 21
• 2.3.3 전류 트랜스(CT)에 의한 방법 = 22
• 2.3.4 저항에 의한 방법 = 24
• 2.3.5 게이트 전압 검출에 의한 방법 = 25
• 3. 제안된 고전력 절연 게이트 구동 IC의 설계 및 시뮬레이션 = 26
• 3.1 고전력 소자의 게이트 구동을 위한 요구조건 = 26
• 3.2 고전력 절연 게이트 구동 IC의 설계 및 시뮬레이션 = 29
• 3.2.1 UVLO (Under Voltage Lock-Out) = 30
• 3.2.2 바이어스 = 32
• 3.2.3 Desaturation detector = 37
• 3.2.4 7us Filtering = 39
• 3.2.5 Soft-shutdown = 40
• 3.2.6 Output stage = 41
• 4. 실험 결과 및 검토 = 43
• 4.1 시스템 구성 = 43
• 4.2 전류 용량 테스트 = 46
• 4.3 단품 테스트 = 47
• 4.4 인덕터 부하 스위칭 테스트 = 50
• 4.5 단락 테스트 = 52
• 5. 결론 = 54
• 참고문헌 = 55
• 표 목차 = 58
• 그림 목차 = 58
• (Abstract) = 61