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목차
각종 전력 소자와 IGBT
2
IGBT 모듈의 회로 구성
4
IGBT 모듈의 정격 및 특성
6
IGBT의 모듈 손실과 방열
10
IGBT 모듈의 게이트 구동
20
상부 구동
24
3상 브리지 인버터
26
단락 및 과전압 보호
30
스너버 회로
33
병렬 접속
일본 인터 주식 회사
36
1
July, 2005 橋詰伸一/S.Hashizume Rev. 1.01
각종 전력 소자와 IGBT
전력 소자로 가장 간단한 것은 다이오드입니다. 이것을 기본으로 해서 사이리스터, 트랜지
스터, MOSFET, 그리고 IGBT의 스위칭 특성을 정리합니다.
다이오드
i
i
E
v
vF
어노드
i
i
캐소드
E
-E
v
vF
-E
사이리스터 (SCR)
i
i
어노드
E
v
게이트
캐소드
E
vT
iG
DC 또는 펄스 게이트 전류로 온 상태로 할 수 있습
니다. 그러나 게이트 신호로 오프 상태로 할 수는
없습니다.
iG
트랜지스터 (NPN)
컬렉터
E
베이스
iC
iC
vCE
E
iB
vCE(sat)
에미터
iB
베이스 전류가 흐르는 동안만 온 상태로 할 수 있
습니다.
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2
POWER DEVICES and IGBT
MOSFET (Nch)
iD
iD
E
드레인
E
vDS(on)
vGS
vDS
iG
vGS
게이트
iG
소스
iD
-E
iD (=-IS)
iS
게이트 전압을 가하는 동안만 온 상태로 할 수 있습니다. 게이트 전류가 흐르는 것
은 온 오프 시의 짧은 시간 동안뿐입니다. 드레인-소스간에는 드레인 전류와 역방
향으로 전류를 흐르게 하는 다이오드가 칩에 내장되어 있습니다.
IGBT
컬렉터
iC
iC
E
게이트
에미터
vGE
vCE
E
vCE(sat)
iG
vGE
１５V
등가 회로
iG
게이트 전압을 가하는 동안만 온 상태로 할 수 있습니다. 게이트
전류가 흐르는 것은 온 오프 시의 짧은 시간 동안뿐입니다. 칩 안
에는 다이오드가 내장되어 있지 않습니다. 모듈 안에 다이오드가
있는 것은 다이오드 칩을 별도로 추가하고 있습니다.
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3
IGBT 모듈의 회로 구성
PHMB
예 : PHMB400B12
싱글
PDMB
예 : PDMB100B12C
더블러, 2 in 1
PBMB
예 : PBMB100B12C
단상 브리지, 4 in 1
PTMB
예 : PTMB100B12C
3상 브리지, 6 in 1
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4
IGBT 모듈의 회로 구성
PCHMB
Suffix –A
예 : PCHMB100B12
PRHMB(
PRHMB(--A), PRFMB
Suffix –A *1
예 : PRHMB400B12
*1 : 600V E 시리즈에서는 PRFMB입니다.
PVD
예 : PVD150-12
예 : PVD30-8
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5
IGBT 모듈의 정격 및 특성
IGBT의 정격 및 특성을 PDMB100B12의 예를 들어 설명합니다.
최대 정격 Tc=25℃
Item
컬렉터-에미터간 전압
게이트-에미터간 전압
Symbol
VCES
Rated Value
1200
Unit
V
VGES
±20
V
정격을 초과한 스트레스가 가해지면 즉시 소자가 파괴되거나 신뢰성을 상실하는 경우
가 있습니다. 설계 시에는 다음의 정격을 준수하여 주십시오.
C
게이트-에미터 단락 시의 컬렉터-에미터간 전압
G
E
C
게이트-에미터 단락 시의 게이트-에미터간 전압
G
E
컬렉터 전류
컬렉터 손실
DC
IC
100
A
1ms
ICP
200
A
PC
500
W
컬렉터 전극에 흘리는 DC 또는 펄스 전류
구성하는 1 IGBT당 컬렉터 손실. 이 모듈은 2 개의 IGBT
로 구성되어 있으므로 각각의 정격치입니다.
접합 온도
Tj
－40～ ＋150
℃
보존 온도
Tstg
－40～ ＋125
℃
IGBT 칩이 연속 동작할 수 있는 온도
전기적 부하가 걸리지 않은 상태에서 보존 또는 수송할 수 있는 온도
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6
IGBT 모듈의 정격 및 특성
절연 내압 (Terminal to Base, AC, 1minute)
Module Base to Heatsink
조임 토크
VISO
2,500
V
Ftor
3 (30.6)
N・m
(kgf ・
cm)
Busbar to Main Terminal
2 (20.4)
전극을 전부 단락해서 전극-베이스간에 걸리는 전압
소정의 나사를 사용한 조임 토크
전기적 특성 （1IGBT당） Tc=25℃
Characteristics
Symbol
Test Condition
Min.
Typ.
Max.
Unit
컬렉터 차단 전류
ICES
VCE=1200V, VGS=0V
2.0
mA
게이트 누출 전류
IGES
VGS=±20V, VCE=0V
1.0
µA
C
게이트-에미터 단락 시의 컬렉터-에미터간 누출 전류
G
E
C
컬렉터-에미터 단락 시의 게이트-에미터간 누출 전류
G
E
컬렉터-에미터간 포화 전압
VCE(sat)
IC=100A, VGS=15V
게이트 문턱치 전압
VGE(th)
VCE=5V, IC=100mA
1.9
4.0
2.4
V
8.0
V
C
G
100A
IGBT 정상 손실의 척도. 다이오드의 순방향 전압, SCR
의 온 전압 및 MOSFET의 온 저항에 대응합니다.
15V
E
C
G
100mA
5V
IGBT가 온 상태로 되기 시작하는 게이트 전압
E
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7
IGBT 모듈의 정격 및 특성
Cies
VCE=10V, VGE=0V, f=1MHz
8,300
상승 시간
tr
VCE=600V, RL=6Ω, RG=10Ω
VGE=±15V
0.25
0.45
턴 온 시간
ton
0.40
0.70
하강 시간
tf
0.25
0.35
턴 오프 시간
toff
0.80
1.10
입력 용량
pF
게이트-에미터간 용량
스위칭 시간
µs
스위칭 시간의 정의
6Ω
C
+15V
G
－15V
600V
E
PDMB100B12 Maximum
td(on)
tr
ton
td(off)
tf
toff
(0.25µs)
0.45µs
0.70µs
(0.75µs)
0.35µs
1.1µs
프리휠링 다이오드의 최대 정격 및 전기적 특성 （1 다이오드당） Tc=25℃
순방향 전류
DC
IF
100
A
1ms
IFM
200
A
내장 프리휠링 다이오드에 흘리는 DC 또는 펄스 전류
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8
IGBT 모듈의 정격 및 특성
Characteristics
Symbol
Test Condition
Min.
Typ.
Max.
Unit
순방향 전압
VF
IF=100A, VGE=0V
1.9
2.4
V
역방향 회복 시간
trr
IF=100A, VGE=－10V
－di/dt = 200A/µs
0.2
0.3
µs
조건이 있는 순방향 전류를 흘렸을 때의 내장 다이오드의 순방향 전압
내장 다이오드가 역방향의 고저항 상태로 회복하는데 필요한 시간
역방향 (저지) 전류
IRM을
정점으로 하고trr을 저변으로 하는 삼
각형의 면적이 역방향회복전하입니다.
역방향 회복 시간의 정의
열적 특성
Characteristics
열 저항
Symbol
IGBT
Min.
Condition
Typ.
Rth(j-c) Junction to Case
Diode
Max.
Unit
0.24
℃/W
0.42
내장되어 있는 각 IGBT 또는 다이오드의 열 저항
케이스 온도 측정점
IGBT
Diode
접합 온도
0.24℃/W
0.24℃/W
0.42℃/W
케이스 온도
접촉 열 저항
Cu 베이스 길이 방향 중앙에
직경 1mm, 깊이 5mm의 구멍
을 뚫어서 열전대로 측정
히트 싱크 온도
히트 싱크 열 저항
사양치는 칩 바로 아래의 금속
베이스의 온도입니다.
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주위 온도
9
0.42℃/W
IGBT의 모듈 손실과 방열
IGBT의 손실은 정상 손실과 스위칭 손실의 합입니다. 스위칭 손실은 턴 온 손실 (EON)과 턴
오프 손실 (EOFF)의 합입니다. 또한 내장 다이오드의 손실은 정상 손실과 스위칭 (역방향 회
복) 손실 (ERR)의 합입니다. EON, EOFF, ERR에 스위칭 주파수를 곱하면 평균 손실이 됩니다.
IGBT의 손실
컬렉터 전류
IC
컬렉터-에미터 전압
VCE(sat)
턴 온 손실 EON
정상 손실
컬렉터 손실
IC×VCE(sat)
다이오드의 역방향 회복 손실
전류
전압
역방향 회복 손실 ERR
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10
턴 오프 손실 EOFF
IGBT의 모듈 손실과 방열
스위칭 특성의 측정
RG
－15V
iC
VCC
iC
RG
+15V
－15V
시간
900
30
2
250
750
20
1
200
600
10
0
150
VGE (V)
300
VCE (V)
3
IC (A)
IG (A)
PDMB100B12 턴 온 손실 EON 측정 예
450
Turn-On / 100A/1.2kV/SPT
at VCC=600V, IC=100A, RG=10Ω, VGE=±15V, TC=125℃
VGE
0
-IG
IC
-1
100
300
-10
-2
50
150
-20
-3
0
0
-30
VCE
5.4x10
-5
-5
5.6x10
t : 2 . 0μ s/ DIV
5.8x10
-5
6x10
-5
6.2x10
-5
0.02
1.0x10
5
0.015
7.5x10
4
5.0x10
4
2.5x10
4
0.0x10
0
P (W)
ESW (J)
Time (s)
0.01
0.005
0
P
EON
t : 2 . 0μ s/ DIV
5.4x10
-5
5.6x10
-5
5.8x10
2
250
750
20
1
200
600
10
0
150
450
VGE (V)
30
VCE (V)
900
IC (A)
IG (A)
300
100
300
-10
-2
50
150
-20
-3
0
0
-30
-2x10
-5
6.2x10
Turn-Off / 100A /1.2kV /SPT
at VCC=600V, IC=100A, RG=10Ω, VGE=±15V, TC=125℃
VCE
-IG
0
-1
6x10
Time (s)
PDMB100B12 턴 오프 손실 EOFF 측정 예
3
-5
VGE
IC
-6
-1x10
-6
0x10
-6
t : 1 . 0μ s/ DIV
-6
1x10
2x10
-6
3x10
-6
4x10
-6
5x10
-6
0.02
1.0x10
5
0.015
7.5x10
4
5.0x10
4
2.5x10
4
0.01
0.005
0
P (W)
ESW (J)
Time (s)
P
EOFF
t : 1 . 0μ s/ DIV
0.0
-2x10
-6
-1x10
-6
0x10
-6
1x10
-6
2x10
Time (s)
일본 인터 주식 회사
11
-6
3x10
-6
4x10
-6
5x10
-6
-5
IGBT의 모듈 손실과 방열
1200V B 시리즈 턴 온 손실 EON （Tj= 125℃）
게이트 직렬 저항 RG는 사양서를 참조하여 주십시오
VCC=600V
Tj=125℃
VGE=±15V
Half Bridge
1200V B 시리즈 턴 오프 손실 EOFF （Tj= 125℃）
게이트 직렬 저항 RG는 사양서를 참조하여 주십시오
VCC=600V
Tj=125℃
VGE=±15V
Half Bridge
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12
IGBT의 모듈 손실과 방열
1200V B 시리즈 EON의 게이트 직렬 저항 RG 의존성 （Tj= 125℃）
VCC=600V
IC=Rated IC
Tj=125℃
VGE=±15V
Half Bridge
1200V B 시리즈 EOFF의 게이트 직렬 저항 RG 의존성 （Tj= 125℃）
VCC=600V
IC=Rated IC
Tj=125℃
VGE=±15V
Half Bridge
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13
IGBT의 모듈 손실과 방열
1200V B 시리즈 다이오드 역방향 회복 손실 ERR （Tj= 125℃）
게이트 직렬 저항 RG는 사양서를 참조하여 주십시오.
VCC=600V
Tj=125℃
VGE=±15V
Half Bridge
1200V B 시리즈 ERR의 게이트 직렬 저항 RG 의존성 （Tj= 125℃）
VCC=600V
IC=Rated IC
Tj=125℃
VGE=±15V
Half Bridge
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14
IGBT의 모듈 손실과 방열
IGBT 모듈 손실
IGBT
IGBT
FWD
정상 손실
스위칭 손실 (턴 온 손실 EON, 턴 오프 손실 EOFF)
FWD
정상 손실
스위칭 (역방향 회복) 손실
ERR
초퍼 회로 평균 손실의 계산
IGBT
IGBT
Vcc
RG
3:
FWD
FWD
1:
평균 손실 계산 예
PRHMB100B12、Vcc=600V、Ic=100A、RG=10Ω、VGE=±15V、f=10kHz、도통비:3:1
IGBT 정상 손실 : 100(A)×2.2*1(V)×3/4＝160(W)
턴 온 손실 : 9.5(mJ)×10(kHz)＝95(W)
턴 오프 손실: 9.5(mJ)×10(kHz)＝95(W)
총 IGBT 손실 : 350(W)
FWD 정상 손실 : 100(A)×1.9*2(V)×1/4＝47.5(W)
스위칭 (역방향 회복) 손실 : 8.5(mJ)×10(kHz)＝85(W)
총 FWD 손실 : 132.5(W)
총 모듈 손실 482.5(W)
*1 Ic=100A、TJ=125℃에서의 컬렉터-에미터간 포화 전압
*2 IF=100A、TJ=125℃에서의 FWD 순방향 전압
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15
IGBT의 모듈 손실과 방열
케이스 온도에 대한 접합 온도 상승
앞 페이지에서 손실을 계산한 PRHMB100B12 초퍼 동작 시
FWD
Rth(j-c)=0.42℃/W
IGBT
케이스 온도 Tc와 접합 온도 Tj와의 차이
Rth(j-c)=0.24℃/W
IGBT
FWD
84℃
(350×0.24)
55.65℃
(132.5×0.42)
케이스 온도 Tc
주위 온도, 핀 온도에 대한 케이스 온도 상승
앞 페이지에서 손실을 계산한 PRHMB100B12 초퍼 동작 시
접촉 열 저항 Rth(c-f)
핀 열 저항 Rth(f-a)
케이스 온도 Tc
5mm
핀 온도 Tf
주위 온도 Ta
케이스 온도와 핀/주위 온도와의 차이
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16
Tc－Tf
Rth(c-f)×482.5
Tf－Ta
Rth(f-a)×482.5
IGBT의 모듈 손실과 방열
3상 인버터에서의 손실 및 온도 상승
PWM 제어 등 손실의 발생이 단순하지 않은 경우에는 IGBT나 FWD의 손실을 계산하는
것이 곤란합니다. 실제 동작에서 연산 기능을갖춘 DSO (디지털 스토리지 오실로스코프)
등을 사용한 측정을 권합니다. (Tektronix에는 TDSPWR3라고 하는 전력 해석 소프트웨
어가 준비되어 있습니다.)
히트 싱크 선정에는 개략의 손실을 알아야 할 필요가 있으므로 계산 예를 소개합니다.
예
PTMB75B12C 사용, 인버터 출력 전류 (IOP) 75A, 제어율 (m) 1, 스위칭 주파수 (f)
15kHz, 역률 cosφ 0.85
IGBT
FWD
IGBT
FWD
IGBT
FWD
IGBT
FWD
IGBT
FWD
IGBT
FWD
IGBT의 손실은 정상 손실 Psat, 턴 온 손실 PON, 턴 오프 손실 POFF의 합이고 FWD의
손실은 정상 손실 PF와 역방향 회복 손실 PRR의 합입니다.
Psat＝
1
π
∫ ｛IOP sinθ×VCE(sat) sinθ×(1－m sin(θ + φ)/2｝ dθ
2π
0
1
＝IOP VCE(sat)
（
8
＋
m
3π
cosφ
）
IOP＝75A, VCE(sat) ＝2.2V (125℃), m＝1, cosφ＝0.85부터
Psat＝35.5(W)
1
2π
∫ ｛(-IOP sinθ)×(VF sinθ)×(1－m sin(θ + φ)/2｝ dθ
2π
PF=
0
= IOP VF
1
（
8
－
m
3π
cosφ
）
VF는 75A, 125℃에서 FWD 순방향 전압으로 1.8V입니다.
PF=4.7W
75A에서 1 펄스당 턴 온, 턴 오프 및 역방향 회복 에너지는 그래프에서 읽으면 각각
7.5 mJ, 7 mJ, 6 mJ입니다. 이것을 주파수 (15kHz)를 곱해서 평균 손실로 하기 위해
1/π을*1 곱합니다.
EON＝35.8(W)、EOFF＝33.4(W)、ERR＝28.6(W)됩니다.
*1
1
π
∫ sinθ dθ
2π
0
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17
IGBT의 모듈 손실과 방열
3상 인버터에서의 손실 및 온도 상승 (계속)
IGBT, FWD 1 개당 손실
IGBT 1 개당 평균
손실 예
FWD 1 개당 평균
손실 예
104.7W
33.3W
(Psat+PON+POFF)
(PF+PRR)
각 IGBT, FWD의 손실
모듈 전체의 손실
828 W
각 IGBT, FWD의 온도 상승
IGBT
Rth(j-c)=0.3℃/W
∆T(j-c)＝31.4℃
FWD
Rth(j-c)=0.6℃/W
∆T(j-c)＝20.0℃
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18
IGBT의 모듈 손실과 방열
케이스 온도에 대한 과도 접합 온도 상승
앞 페이지에서 계산한 온도 상승은 평균치 내지는 정상치입니다. 필요에 따라 과도 열
저항을 사용하면 온도 상승의 피크치를 계산할 수 있습니다.
P
t1
t2
t3
∆T(j-c) = P×(t1/t3)×{Rth(j-c)－rth(t3+t1)}＋P×(rth(t3+t1)－rth(t3)＋rth(t1)}
rth (t)는 시간 t에서의 과도 열 저항
복수의 IGBT가 내장되어 있는 모듈에서는 가장 손실이 큰 (온도 상승이 높은)
IGBT에주목해서 위의 온도 리플 분을 더해 주십시오.
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19
IGBT 모듈의 게이트 구동
정격 게이트 구동 전압
게이트
n+
에미터
p
n+
게이트 구동 전압은 ±20V 이내
SiO2
이 값을 초과한 전압이 걸리면 게이트-에미터
간 산화막 (SiO2)이 절연 파괴를 일으키거나 신
뢰성의 저하를 초래할 위험이 있습니다.
n
n+
p+
보호용 제너 다이
오드 (18V 정도)
컬렉터
온 게이트 구동 전압
IC=100A (VCE=600V) 에서는
VGE
8V
10V
12V
15V
VCE(on)
(600V)
2.25V
2.05V
1.95V
PC
(60,000W)
225W
205W
195W
12V, 10V의 낮은 게이트 구동 전압에서는 컬렉터 손
실이 증가합니다. 6V에서는 IGBT가 거의 온 상태로
되지 않고 컬렉터. 에미터에는 전원 전압이 그대로 걸
립니다. 이와 같이 낮은 게이트 전압이 걸리면 과도 손
실에 의해 소자가 파괴될 우려가 있습니다.
온 게이트 구동 전압은 표준 +15V입니다.
오프 시의 게이트 역 바이어스 전압 (－VGE)
＋VGE
노이즈에 의한 오동작을 방지하기 위해
오프 시의 게이트 역 바이어스 전압
(-5V)에서 －15V를 걸어 주십시오.
RG
－VGE
(－5V) ～ －15V
표준은 : －15V
일본 인터 주식 회사
20
IGBT 모듈의 게이트 구동
온 게이트 전압, 오프 시 게이트 역 바이어스 전압 대 스위칭 속도 및 노이즈
온 게이트 전압 +VGE를 올리면 턴 온 속도가 올라
가고 턴 온 손실은 낮아집니다. 반면에 턴 온 시의
노이즈가 증가합니다.
마찬가지로 오프 게이트 전압 －VGE를 올리면 턴
온 속도가 올라가고 턴 온 손실이 낮아집니다. 반
면에 턴 오프 시의 서지 전압 및 노이즈가 증가합
니다.
다음 항목의 RG와 함께 +VGE와 －VGE는 스위칭
속도에 영향을 미치는 중요한 요소입니다.
＋VGE
RG
－VGE
게이트 저항 RG와 스위칭 특성
RG
용량
게이트
컬렉터
에미터
CGC
CCE
게이트
CGE
CGE
CGC
에미터
CCE
Input Capacitance
Cies = Cge + Cgc
Reverse Transfer Capacitance Cres = Cgc
Output Capacitance
Coes = Cce + Cgc
컬렉터
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21
IGBT 모듈의 게이트 구동
에미터-게이트 역 바이어스와 게이트-에미터간 저항 RGE
RG
－15V
변위 전류
+15V
RG
고 dv/dt
－15V
높은 dv/dt에 의해 변위 전류
가 흘러서 게이트 전위를 상
승시킵니다.
바이패스 저항 RGE
10kΩ 정도
FWD 역방향 회복 전
류와 높은 dv/dt에
의한 돌입 전류
IC
게이트 역 바이어스와 바이패스 저항이 돌
입 전류 (IGBT 손실) 저하에 유효
게이트 배선
유해한 발진을 방지하기 위해 다음과 같은 점에 유의하여 주십시오.
트위스트
루프 면적을 최소로 합니다
●
●
●
●
게이트 배선과 주 회로 배선은 가능한 한 멀리 떨어뜨려 평행이 되지 않도록 합니다.
교차하는 경우에는 직교되도록 합니다.
복수 상의 게이트 배선은 하나로 묶지 않습니다.
공통 모드 초크나 페라이트 비드의 추가도 효과를 기대할 수 있습니다.
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22
IGBT 모듈의 게이트 구동
게이트 차지와 구동 전류 및 전압
RL
＋VGE
15V
CGC
CGE+CGC
RG
VCE
CGC
iG
－VGE
CGE
CGE
게이트 구동 손실 PG, 피크 게이트 구동
전류 iGP의 계산 예
（+VGE=15V、-VGE=-15V、f=10kHz）
690nC
500 ns로 턴 온 시키려면
PG=｛（+VGE）-（-VGE)｝×Qg×f
＝30×690×10-9×104
＝0.207 (W)
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iGP = Qg / ton
＝690×10-9 / 500×10-9
＝1.4 (A)
23
상부 구동
상부와 하부
V+
IGBT는 에미터 전압을 기준 전위로 구동
됩니다. 스위칭 동작 시에는 상부 IGBT의
에미터 전위 VE는 0 볼트와 버스 전압
V+로 변화합니다. AC200V 회로에서 상
부 IGBT를 온 상태로 하려면 버스 전압
300V 플러스 15V로 315V를 게이트에 걸
어야만 합니다. 스위칭 노이즈에 영향을
받지 않는 상부 구동 회로가 필요합니다.
상부 구동에는 포토 커플러 또는 구동 IC
가 사용됩니다.
상부
VE
하부
LOAD
상부
에미터 전압 VE
V+
상부
게이트 전압
V+ 플러스 15V
상부 구동에는 포토 커플러 또는 구동 IC가 사용됩니다.
포토 커플러를 사용한 상부 구동
+VGE
대용량 회로에서는 포토 커플
러로 절연을 취하고 여기에 이
산 버퍼 출력 단이 더해집니다.
중간 용량 이하에서는 이들을
1 패키지에 수용한 하이브리드
IC가 사용됩니다. 그림은 후자
의 예를 보여줍니다.
IN
-VGE
●
●
●
●
높은 공통 모드 전압 제거 타입을 사용합니다.
데드 타임을 가능한 한 짧게 해서 손실을 줄이기 위해 전달 지연 시간 tPLH과 tPHL이 작
은 것을 사용합니다. tPLH과 tPHL은 입력 신호에 대해 출력이 L-H, H-L로 천이하는 지
연 시간의 차입니다.
주요 공급 업체는 Toshiba, Agilent Technologies, Sharp, NEC 등
Agilent Technologies 자료에 의하면 AC200V 계 (600V의 IGBT 사용)에서는 30kW
까지, AC400V 계 (1,200V의 IGBT 사용)에서는 15kW까지 IC화된 포토 커플러가 준
비되어 있습니다. (그 이상의 용량에서는 포토 커플러 버퍼를 사용한 구동이 됩니다.)
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24
상부 구동
구동 IC를 사용한 상부 구동
부트스트랩
다이오드
부트스트랩
컨덴서
구동 IC에는
상부용
하프 브리지용
상하부용
3상 브리지용
등이 제품화되어 있습니다. 600V 내
압이 주된 제품이지만 1200V 내압
의 제품도 있습니다.
Vcc
IN
COM
●
●
●
부트스트랩 다이오드는 고속의 제품을 사용하며 내압은 IGBT와 동등합니다.
부트스트랩 컨덴서에는 고주파 특성이 좋은 제품을 사용하거나 필름 또는 세
라믹 컨덴서를 병렬 접속해서 사용합니다.
전원 (Vcc) 임피던스를 낮춥니다.
포토 커플러와 구동 IC의 비교
양자의 일반적인 특징은 다음과 같습니다.
포토 커플러
구동 IC
사용 편의성
비교적 용이
비교적 난이
구성
하이브리드
모놀리식
AC400V 회로
난이도가 높음
소비 전류의 예
10mA
2mA 이하
데드 타임의 예
2 μs 이상
1 μs 이하 가능
실장 면적
대
소
보호 기능
일부 내장
일부 내장, 전류 센스 IC와
연동 가능
기기 용량에 대해
성능의 향상
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3상으로 2.2에서 3.7 kW
까지에서 특히 이점이 클
가능성이 있습니다.
구동 성능 향상, 보호 기능 내장, 내노이즈성 향상, 특성 변
동 감소, 전류 센스 IC와의 연동 등
25
3상 브리지 인버터
3상 유도 모터 드라이버 구성과 출력 타이밍
돌입 전류 제어
TrV
TrU
R
S
T
TrW
U
V M
TrX
TrY
W
TrZ
과전류 검출
DC-DC
컨버터
U
V
W
X,Y,Z
게이트 구동 회로
보호 회로
CPU 및 로직
TrU
TrV
TrW
TrX
TrY
TrZ
0
일본 인터 주식 회사
120
240
0
120
240
26
0
120
240
0
120
240
0
3상 브리지 인버터
AC 라인 전압 및 IGBT 정격 전압 VCES
AC 라인 전압
200
～240V
200～
400
～480V
400～
575, 690V
IGBT 정격 VCES
600V
1200V
1700V
모터 출력과 IGBT 정격 컬렉터 전류 IC (3상 브리지)
IAC=P / (√3×VAC×cosθ×η)
IAC : 구동 전류 (ARMS)
P ： 3상 모터 출력 (W)
VAC ： 정격 전압 (VRMS)
cosθ ：역률
η : 효율
역률을 0.8, 효율을 70%로 하면
IAC=P / (0.970VAC)
IC = √2×IAC×1.1×1.1×Kg×1.3
온도 경감
단시간의 과부하 상태를 고려해서 경
감 계수를 1.2로 합니다.
출력 전류의 왜곡을 고려한 경감 계
수
라인 전압 변동을 고려한 경감 계수
AC200V에서는
AC400V에서는
IC = 0.0138P
IC = 0.00688P
3상 모터 출력
AC200V
600V 내압 IGBT IC
AC400V
1,200V 내압 IGBT IC
3.7kW
50A (51.0A)
25A (25.5A)
5.5kW
75A (75.9A)
7.5kW
100A (103.5A)
50A (51.0A)
15kW
200A (207A)
100A (103.5A)
30kW
400A (414A)
200A (207A)
45kW
600A (621A)
300A (309.6A)
55kW
400A (379.5A)
()는 계산치
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27
3상 브리지 인버터
AC200V 3상 2.2kW 인버터 참고 회로
설계 방식을 이해하기 위한 회로 예로 실사용을 목적으로 한 것은 아닙니다. 트랜지스터 기술
1999년 3월호 게재 기사를 저자 조시다니 하지메（丁子谷一）씨의 승낙을 얻어서 게재한 것입
니다. 원 회로는 0.75kW 출력입니다만 2.2kW 출력으로 하기 위해 일부를 변경하였습니다.
+5V
91Ω
0.022µF
74HC14
4
CPU에
100p
3
910Ω
91Ω
PGH508
TLP620
1
2
PTMB50E6(C)
0.1µF
0.1Ω 10W
3병렬 접속
20Ω
TrU
20Ω
TrV
1ZB18
15kΩ
15kΩ
C*
C*
560µF×2 (3)
400WV
20Ω
TrW
1ZB18
1ZB18
R
S
T
20Ω
TrX
20Ω
TrY
1ZB18
15kΩ
C*
20Ω
TrZ
1ZB18
1ZB18
15kΩ
15kΩ
15kΩ
U
V
W
C* : 0.1～0.22µF 630V
+15V
절연형
DC-DC
컨버터
+15V
+15V
+15V
10µ 0.1µ
47kΩ×6
100µ
0.1µ
U
CPU
360
74HC04
74HC06
일본 인터 주식 회사
28
1
2
3
4
TLP250
360
1
2
3
4
TLP250
360
1
2
3
4
TLP250
X
Y
Z
1
2
3
4
TLP250
360
V
W
1
2
3
4
TLP250
360
1
2
3
4
TLP250
360
+5V
8
7
6
5
8
7
6
5
8
7
6
5
8
7
6
5
8
7
6
5
8
7
6
5
0.1µ
게이트
에미터
TrU
0.1µ
게이트
에미터
TrV
0.1µ
게이트
에미터
TrW
0.1µ
게이트
에미터
TrX
0.1µ
게이트
에미터
TrY
0.1µ
게이트
에미터
TrZ
3상 브리지 인버터
게이트 구동 IC에 의한 3상 인버터 설계 예
600V 내압 3상 게이트 구동 IC IR2137와 전류 검출 IC IR2171를 사용한 2.2kW 인버터
설계 시의 요점 및 방식이 고 내압 모놀리식 IC로 실현하는 최신 모터 인버터의 회로 설계
http://www.irf-japan.com/technical-info/designtp/jpmotorinv.pdf
에 해설되어 있습니다. 뿐만 아니라 이 자료를 토대로 한 디자인 키트 IRMDAC4를 구입할
수도 있습니다.
http://www.irf.com/technical-info/designtp/irmdac4.pdf
구동 IC를 사용하는데 참고가 됩니다.
Capacitor
Noise Filter
IR2137
IGBT 모듈
IR2171
게이트 드라이버 IC IR2137와 전류 검출 IC IR2171를 사용
한 디자인 키트 (International Rectifier사)
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29
단락 및 과전압 보호
단락 및 과전압의 보호에 관한 흐름
이상 발생
이상 발생 원인은?
설계치를 초과한 전류가 흐른다
전류를 감시한다
(어디를 무엇으로 측정하는가?)
C-E간 전압을 측정한다 .
설계치를 초과하였는가?
10 μs 이내에 IGBT를 오프상태로 한다
(오프시키지 않으면 IGBT가 파손됨)
통상적인 값보다 큰 전류를 오프상태로 하므
로 C-E간 전압과 턴 오프 손실 증가
소프트 턴 오프 등의 오프 동작 및 적절한 스
너버 회로 필요
Short Circuit　1.2kV/ 100A /SPT　VCC=900V, t=10μs, TC=125℃, RG=24Ω, Lσ=50nH
30
4x10 6
1250
1250
20
3.2x10
6
1000
1000
10
2.4x10
6
1.6x10
6
500
500
-10
8x10 5
250
250
-20
0x10 0
0
0
-30
P (W)
750
750
VGE (V)
1500
VCE (V)
1500
IC (A)
6
4.8x10
VCE
0
IC
VGE
-5x10 -6
PC
0x10 -6
5x10 -6
10x10 -6
Time (s)
추가 보호 장치 없이 10μs 단락 SOA
일본 인터 주식 회사
30
15x10 -6
20x10 -6
단락 및 과전압 보호
단락 (과부하) 원인 및 전류 검출
원인
전류 센서
인버터 측
소자 파괴, 제어 회로 이상, 케이스 접지 불량
부하 측
부하 이상, 상간 단락, 접지 불량
전류 트랜스 CT
(AC, DC, 고주파용을 나눠서 사용)
분기 저항
전류 검출 IC
소자 파괴, 제어 회로 이상 (데드 타임 부족)으로 인한 암 단락 전류 예
①
TrU
R
S
T
TrV
TrW
U
④
TrX
V M
TrY
TrZ
W
③
②
상간 단락에 의한 단락 전류 예
①
TrU
R
S
T
TrV
TrW
U
④
TrX
V M
TrY
TrZ
W
③
②
접지 불량으로 인한 단락 전류 예 (① 또는 ②에 전류가 흐름)
①
TrU
R
S
T
TrW
U
④
TrX
②
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TrV
31
TrY
V M
TrZ
W
③
단락 및 과전압 보호
단락 전류 턴 오프 시의 C-E간 과전압
RG
잔류 임피던스 Ls
10～
15kΩ
18V ZD
상간 (부하) 단락 시에는 전원 컨덴서의 ESR와 IGBT의 이득으로 결정되는 대 전류가 흐
르게 됩니다. 발생하는 전력이 크므로 10μs 이내에 오프 상태로 하지 않으면 IGBT가 파
괴됩니다. 이 때 컬렉터 및 에미터의 잔류 인덕턴스 Ls와 -di/dt를 곱한 크기의 서지 전압
이 발생합니다. Ls를 0.1μH로 하더라도 -di/dt가 2,000A/μs라면 이 전압은 200V가 됩
니다. -di/dt를 낮추기 위해 IGBT를 완만하게 오프 하는 것 (소프트 차단)이 필요합니다.
말할 것도 없이 잔류 인덕턴스는 최소가 되도록 배선하여 주십시오.
또한 IGBT가 포화 상태로부터 불포화 상태로 이행함에 따라 컬렉터 전위가 상승합니다.
게이트도 귀환 용량을 통해 게이트 전위를 상승시킵니다. 이것은 컬렉터 전류를 한층 더
증가시키는 작용을 하여 게이트 파괴가 일어날 위험이 있으므로 게이트-에미터간에는 제
너 다이오드와 저항을 삽입하는 것이 바람직합니다.
컬렉터 전류 IC
-dic/dt
IC
∆V＝Ls×-dic/dt
이 전압이 정격을 초과하면
IGBT가 파괴됩니다.
컬렉터-에미터 전압 VCE
일본 인터 주식 회사
32
단락 및 과전압 보호
스너버 회로
IGBT 오프 시에는 인덕턴스에 축적된 에너지에 의해 컬렉터-에미터간에 서지 전압이
발생합니다. 스너버는 IGBT에 걸리는 과전압과 턴 오프 손실의 증가를 억제합니다. 이
것은 스너버 컨덴서가 턴 오프 시의 에너지의 일부를 분담하기 때문입니다. 컨덴서에 흡
수된 에너지는 적절하게 처리해야 합니다.
RCD 스너버
스위치 오프 시에 축적되는 에너지：
1/2・LiC2
L
E
e+＝ L・diC/dt
iC
e
IGBT
－ L +
diC/dt
iC
E
iS
∆e
iC
E
IGBT
Cs e
1/2・L・iC2＝1/2・Cs・∆e2
iC
E
iS
방전 전류
－ L +
E
iton
IGBT
제한 저항
Cs의 방전 전류
iC
iC
Cs
Cs 충전 (IGBT 턴 오프) 시
Cs 방전 (IGBT 턴 온) 시
일본 인터 주식 회사
L의 에너지를 Cs가 전부
흡수하면
33
가 성립되어
∆e＝ i0×√L/Cs
단락 및 과전압 보호
RCD 스너버의 손실
L
vs
∆e
iC
Rs
vCE
Ds
diC/dt
Cs
스너버는 DC 버스와 그라운드간 보다는 각각의 IGBT에 연결하는 것이 효과적입니다. 단, 문제
는 Rs에서의 손실이 크다는 것입니다. Rs에서의 손실은 Lic2에 스위칭 주파수를 곱한 값으로 L
이 0.2μH, ic가 100A, 스위칭 주파수가 10kHz라면 20W가 됩니다. 이 경우에 3상 브리지 회로
에서는 스너버 손실만 120W가 됩니다. 주파수를 낮춰서 손실을 낮추거나 전원에 회생시키는
방법을 택해야 합니다.
Δe를 낮게 억제하기 위해서는 먼저 L, 즉 주 회로 잔류 인덕턴스를 작게 하는 것이 중요합니다.
인덕턴스에 대응해서 Cs도 작게 할 수 있습니다.
vS는 (배선 인덕턴스)×-dic/dt, Ds의 순방향회복 전압 (Cs의 잔류 인덕턴스)×-dic/dt의 합입
니다.
스너버 회로를 효과적으로 하기 위한 요점은 다음과 같습니다.
●
-dic/dt를 낮추도록 구동 조건을 설정합니다. (IGBT의 오프 속도를 낮춥니다.)
●
주 회로 배선 인덕턴스를 작게 합니다. 이를 위해 전원 (전해) 컨덴서는 가능한 한 IGBT
모듈의 옆에 배치하고 배선은 동판을 사용하여 적층 배치 하는 등의 방안을 구상합니다.
●
스너버 회로도 모듈의 가까이에 배치하고 Cs는 필름 컨덴서 등과 같이 주파수 특성이 좋
은 것을 사용합니다.
●
Ds는 순방향 회복 전압이 낮고 역방향 회복이 소프트하면서 빠른 것을 사용합니다.
실제 스너버 회로
상별 스너버의 예입니다.
스너버 1
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스너버 2
스너버 3
34
단락 및 과전압 보호
스너버 컨덴서 용량의 지침
앞 페이지의 스너버 회로 1은 덤핑 저항을 생략하고 있으므로 전원 라인에 진동 노
이즈가 타기 쉬워서 비교적 소 용량의 응용에 적합합니다.
스너버 1에서 3의 사용과 상별 스너버 컨덴서 용량의 지침은 다음과 같습니다.
IGBT별 스너버 용량은 이것의 1/2입니다.
IGBT IC
10A
50A
100A
200A
300A
400A
0.47µF
3.3～4.7µF
1.5～2µF
사용 예
스너버 1 또는 2
스너버 3과 1
스너버 3 또는 2
대 전력 응용에서는 동 막대를 사용한 적층 배선 등에 의해 배선 인덕
턴스를 낮추지 않으면 스너버 회로의 소자 파괴나 잡음에 의한 오동작
을 피할 수 없는 경우가 있습니다.
방전 저지형 스너버 회로 (스너버 3)
L
Cs
Rs
Cs
Rs
L의 에너지를 Cs가 전부 흡수하면
1/2・L・iC2＝1/2・Cs・∆e2
그러므로
Cs＝L×(iC/∆e)2
Cs의 전하는 다음 턴 오프까지 방전되어야 할 필요가 있으며 여기에는 (Cs×Rs)의
시정수가 작용합니다. 90% 방전하기 위해서는
Rs≦1/(2.3・Cs ・f)
f : 스위칭 주파수
가 되어 Rs의 최소치가 결정됩니다. 단, Rs가 너무 작으면 턴 온 시에 유해한 진동
이 발생하는 경우가 있으므로 높은 값으로 설정하여 주십시오.
Rs에서의 손실 P (Rs)는 Rs의 값과 관계 없이
P(Rs)＝1/2・L・iC2
가 됩니다.
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35
병렬 접속
병렬 접속 시의 전류 균형
600V 시리즈에서는 1,200A까지, 1,200V 시리즈에서는 800A까지를 제품화하고 있습
니다. 이들은 3상 인버터 출력에 있어서 100kW 근처까지 커버하고 있습니다. 그러므
로 병력 접속의 필요도는 여겨집니다만 3상 동작 등에도 참고가 되는 점이 있으므로
요점을 설명합니다.
Ic1
Ic2
Lc2
Lc1
게이트 회로
RG
IGBT-1
RG
IGBT-2
L E2
L E1
병렬 접속 시의 전류 균형은 사용자 측의 사용 방법 (설계) 및 소자의 특성에 관계
됩니다.
게이트-에미터 배선 인덕턴스 LG, RG 및 Cies의 관계로 인해 게이트 구동 루프 내
에 진동이 발생하면 오동작이나 불포화 동작에 의한 소자 파괴의 우려가 있습니다.
공진을 일으키지 않는 RG의 최소치는 √LG에 비례해서 커집니다. 그러므로 인덕턴
스를 가능한 한 작게 함과 동시에 RG는 권장치 이상으로 설정하여 주십시오.
Ic2
Ic1
(Lc1＋LE1)＞
(Lc2＋LE2)
턴 온 시간
●
●
●
VCE(sat)1＞VCE(sat)2
정상 시간
턴 오프 시간
배선 인덕턴스의 차는 턴 온 시나 턴 오프 시의 과도적 전류 불균형으로 이어
집니다. IGBT간 컬렉터와 에미터 배선은 가능한 한 동일하게 최소로 설정하
여 주십시오.
IGBT 소자마다 게이트 저항을 삽입하고 각 게이트 배선 인덕턴스는 동일하
게 최소로 설정하여 주십시오. 에미터에의 게이트 배선은 주 단자가 아닌 전
용 (보조) 단자에 접속하여 주십시오.
IGBT의 포화 전압 VCE (sat) 등은 온도에 영향을 받습니다. 모듈간 온도 상승
의 차를 가능한 한 작게 하여 주십시오.
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36
병렬 접속
병렬 동작용 VCE
(sat)
랭크 분류
병렬 동작에서는 어느 정도의 전류 불균형이 불가피하므로 1 소자당의 전류는 대
략 80% 정도가 됩니다. 예를 들어 300A 모듈 4 병렬에서는 300×0.8×4로 960A
정도가 됩니다.
600V에서 1,200A, 1200V에서 800A를 초과하는 요구가 있을 때는 VCE (sat) 랭크
분류도 가능합니다. 자세한 사항은 문의하여 주십시오.
고장 등으로 인한 보수품에 관해서는 특정 랭크 제품이 아니라 병렬 수를 동일 랭
크로 하여 대응합니다.
일본 인터 주식 회사
37