IGBT 보호 기능 - Desaturation (1)

모터에 UVW상을 제어하는 IGBT의 보호 기능에 대해 알아본다.

HCPL-316J 라는 IGBT의 데이터 시트를 기반으로 글을 작성한다.

사양 요약본을 참고하면 고전압, 대전류에 사용되는 것을 알 수 있다.

또한, FAULT 및 Desaturation 기능이 포함되어 있다.

이 중 Desaturation 기능에 대해 알아볼 것이다.

 

Desaturation 기능을 사용하는 이유??
IGBT를 통해 공급되는 전류의 크기를 제한하기 위해 사용한다.

 

 

<그림 1. HCPL-316J의 사양 요약>

 

먼저 회로를 보자.

주의해서 봐야 할 점은 자칫 잘못 보면 IGBT의 Low-Side에만 Desaturaion 기능을 넣어야 하는 것처럼 보인다는 것이다.

그림 2에서는 Emitter에 그라운드가 붙어 있지만 무시하고 보면 된다.

 

회로 구성에서 보아야 할 소자는 3개이다.

보호해야 할 IGBT의 Collector와 HCPL-316J의 DESAT(Pin14) 사이에 100Ω 저항과 다이오드이고,

VE와 DESAT핀 사이에 100pF 커패시터(데이터시트에서는 Cblank라 부름)이다.

 

1. 다이오드의 순방향 전압의 크기를 조절하여 Desaturation 기능을 검출하기 위한 전압 레벨을 결정한다.
2. Cblank의 크기를 조절하여 검출 시간을 조절한다.

 

위의 2개의 소자만 선정하면 Desaturation 기능을 구현하는 것은 끝난다.

 

<그림 2. Desaturation 회로 구성 예시>

 

자, 그럼 소자의 사양을 선정하는 방법에 대해 알아보자.

 

 

1. 다이오드의 순방향 전압 사양 선정

 

그림 3은 HCPL-316J의 내부 회로를 나타낸다. 이 중 빨간 점선 상자만 보도록 하자.

Desaturation 핀에는 내부 전류원이 있다.

그리고 이 핀에 걸리는 전압이 7V가 넘게 되면, FAULT 신호를 내보내게 된다.

 

<그림 3. HCPL-316J의 내부 회로 구성>

 

그림 2와 3을 조합하여 등가회로로 나타내면 그림 4이 된다.

이 때, IGBT의 VCE를 2V로 표현한 이유를 그림 5를 통해 알아보자.

 

<그림 4. Desaturation 기능 확인을 위한 등가 회로>

 

그림 5를 보면, IGBT가 Turn-On 되었을 때, Ic 크기 및 IGBT 온도 변화에 따른 Vce의 크기 변화를 나타낸다.

예를 들면, IGBT의 온도가 25도이고 Ic의 크기가 50A라면 Vce는 2V가 되는 것이다.

 

25도에서 Ic를 50A로 제한하기 위해서, 그림 4의 등가 회로의 Vce를 2V로 선정하고 다른 소자의 사양을 정하면 되된다.

 

그래서 그림 4의 Vce를 2V로 선정한 것이다.

 

<그림 5. IGBT의 Ic-Vce 특성 곡선>

 

다시 그림 4를 보자.

원래 목적인 다이오드의 순방향 전압을 정해야 하는데, 보통 다이오드는 순방향 전압이 5V보다 낮은 경우가 많다.

그래서 다이오드를 여러 개 직렬로 연결하기도 한다.

또는 제너다이오드를 사용하여 1개의 소자만 사용할 수도 있다.

 

<그림 4. Desaturation 기능 확인을 위한 등가 회로>

 

 

 

다음 글에서 시뮬레이션까지 진행해본다.

 

IGBT 보호 기능 - Desaturation (2)