IGBT를 이용한 스위칭은 모터 드라이브 및 전력 인버터 응용 분야에서 널리 이용되고 있다. 특히 드라이브
전자공학 분야에서는 모터 또는 전력 시스템의 규모에 따라 넓은 범위의 전류를 제어해야 한다. 여러 드라이브
컨트롤 카드를 구축하는 것은 비효율적이므로 여러 크기의 모터를 수용하도록 쉽게 확장 가능하며 신뢰도와
안정성이 유지되는 모터 드라이브 시스템을 구축하는 것이 좋다.
MOSFET 버퍼 구동 기능, 광학 절연 및 통합 안전 기능이 탑재된 게이트 드라이브 옵토커플러가 모터 드라이브와 인버터 시스템의 필요 조건들을 어떻게 충족하는지 살펴본다.
통합성이 뛰어난 게이트 드라이브
옵토커플러로 효율적인 설계 실현
ACPL-339J는 사용하기 쉬운 첨단 1.0A 이중 출력 지능형 IGBT 게이트 드라이브 옵토커플러이다. ACPL-339J는 시스템에서 중대한 광학 절연 기능을 제공하면서도 전류 정격이 다양한 MOSFET 버퍼를 지원하도록 특별히 설계되어 있다. 따라서 시스템 엔지니어는 MOSFET 버퍼와 전력 IGBT/MOSFET 스위치를 교환하는 방식으로 하나의 하드웨어 플랫폼을 사용하여 다양한 시스템 전력 정격을 지원할 수 있다.
이와 같은 개념은 낮은 전력 규격부터 높은 전력 규격에 이르기까지 다양한 모터 컨트롤 및 전력 변환 응용 분야에 맞도록 게이트 드라이브 설계 확장성을 극대화시킨다는 이점이 있다.
또한 ACPL-339J는 설계 유연성과 회로 보호 기능을 최대한 제공하도록 내장 단락 보호 기능, 저전압 차단(Under Voltage Lockout, UVLO), ‘소프트’ IGBT 턴오프, 절연된 장애 피드백 등의 기능을 함께 제공한다.
다양한 IGBT 드라이브 레벨을 위한
스케일링 설계
게이트 드라이브 옵토커플러가 가져야 할 핵심 요건 중 하나는 스위칭 손실을 방지하기 위해 IGBT의 게이트를 신속하게 충전 및 방전시킬 수 있도록 높은 피크 출력 전류를 제공하는 역량이다.
아바고의 게이트 드라이브 옵토커플러는 출력 전류 정격이 0.4A에서 최대 5A에 달해 소형 IGBT를 직접 구동하도록 사용할 수 있다.
정격이 더 높은 IGBT의 경우, 별도의 PNP/NPN 바이폴라 버퍼 스테이지를 사용하는 것이 좋다. 버퍼 스테이지를 MOSFET 드라이버로 바꾸면 게이트 드라이브 설계의 확장성과 전력 변환 효율성이 극대화될 수 있다.
그림 2는 50A에서 600A에 이르기까지 다양한 IGBT 클래스를 구동하는 데 있어서 여러 바이폴라 버퍼가 어떻게 사용되는지 나타낸 것이다. IGBT크기가 점점 커지는 추세이므로, 효율성이 보장되려면 IGBT의 게이트에서 더 높은 피크 전류가 필요하다.
바이폴라 출력 전류의 크기는 베이스 전류, IB 및 트랜지스터 전류 게인 β이다. 즉, 피크 출력 전류가 다양한 게이트 드라이버와 그에 맞는 바이폴라 버퍼가 있어야 여러 클래스의 IGBT에 필요한 피크 게이트 전류를 확보할 수 있는 것이다.
이와 달리 MOSFET 버퍼는 전류를 제어하는 장치이며, 여기서의 전류 증폭은 이전의 게이트 드라이버 단계와 분리되어 있다.
그림 3에는 여러 클래스의 IGBT에 필요한 피크 게이트 전류를 공급하기 위해 내부 턴온 저항 RDSON이 서로 다른 MOSFET 버퍼가 나와 있다. ACPL-339J의 출력은 1A로 지정되어 있지만, ACPL-339J의 출력 전압이 MOSFET 버퍼의 입력 임계값을 넘나드는 한 MOSFET 버퍼의 스위칭 작동이 계속 발생한다.
ACPL-339J를 사용하면 MOSFET 버퍼와 전력 IGBT/MOSFET 스위치를 교환하는 방식으로 하나의 하드웨어 플랫폼을 사용하여 다양한 시스템 전력 정격을 쉽게 지원할 수 있다.
이러한 모든 변경 사항은 임계 회로 절연과 단락 보호를 다시 설계하지 않아도 가능하다.
전력 손실을 감소시키는 MOSFET 버퍼
바이폴라 버퍼는 높은 전류 게인을 얻기 위해 2개 이상의 트랜지스터가 순차 단계로 구성된 혼합 구조를 사용한다. 여기서의 문제점은, 포화 전압인 VCESAT가 증가한다는 것과 출력을 레일까지 끌어올릴 수 없다는 것이다. 따라서 바이폴라 버퍼가 IGBT의 게이트에 높은 피크 출력 전류를 공급하면 전력 손실량이 커진다.
IGBT의 게이트에서는 더 높은 피크 전류를 필요로 하게 되므로 바이폴라 버퍼에 의한 전력 손실이 상당한 규모로 증가하게 된다. MOSFET 버퍼는 레일-레일 출력 기능을 제공하고 있는데, 더 높은 피크 전류를 공급하면 내부 턴온 저항 RDSON이 감소한다.
그림 4의 MOSFET 버퍼는 동일한 피크 전류를 제공하는 바이폴라 버퍼와 비교할 때 전력이 현저히 감소한다는 것을 보여준다.
IGBT 보호
IGBT가 정상 작동할 때에는 IGBT의 컬렉터-이미터 전압을 ACPL-339J DESAT 핀으로 모니터링할 수 있다. 단락이 발생하면 높은 전류가 IGBT를 통해 흐르며, 포화 상태로 출력되어 DESAT 모드로 진입한다. 이로 인해 IGBT의 컬렉터 및 이미터 전압이 2V인 포화 전압에서 빠르게 증가한다. 이 전압은 ACPL-339J의 임계값이 8V를 초과하면 단락 장애가 등록되어 소프트 셧다운이 작동된다.
ACPL-339J의 VGMOS 핀은 외부 트랜지스터를 켜고 IGBT의 게이트를 느린 속도로 방전시켜 저속 정지 효과를 달성한다. 저속 정지 작업 속도는 외부 트랜지스터의 크기와 IGBT에서의 오버슈트를 최소화하기 위한 레지스터로 조정할 수 있다. DESAT의 전체 작동은 내장된 절연 피드백 경로를 통해 컨트롤러로 장애를 보고하는 것으로 완성된다. 이 단락 보호 과정을 그림 5에 나타낸다.
MOSFET 버퍼를 구동하는 아바고 테크놀로지스의 ACPL-339J 게이트 드라이브 옵토커플러를 사용하여 모터 드라이브 또는 인버터 시스템을 구축하면, 낮은 전력 시스템에서 높은 전력 시스템에 이르기까지 IGBT 게이트 드라이브 설계의 확장성을 극대화하는 데 도움을 받을 수 있다. 이로 인해 설계 주기가 단축되고, 다양한 모터 드라이브 또는 인버터 응용 분야 전반에서 하나의 설계를 두루 활용할 수 있게 된다.
이 소자는 단락 보호 및 피드백 기능을 내장하고 있으므로 PCB 공간을 덜 차지하여 비용을 절감시키며 뛰어난 보호 신뢰도로 인해 게이트 드라이브 설계를 간소화한다.
Chun Keong Tee 아바고 테크놀로지스
