FI105508B

FI105508B - Control circuit

Info

Publication number: FI105508B
Application number: FI981740A
Authority: FI
Inventors: Erkki Miettinen
Original assignee: Abb Industry Oy
Priority date: 1998-08-12
Filing date: 1998-08-12
Publication date: 2000-08-31
Also published as: FI981740A0; FI981740A

Description

1 1055081 105508

OhjainpiiriThe driver circuit

Keksinnön tausta Tämän keksinnön kohteena on ohjainpiiri puolijohdekomponentin ohjaamiseen, joka puolijohdekomponentti käsittää emitterin, kollektorin ja hi-5 lan, ohjainpiirin käsittäessä hilaohjaimen, jonka ulostulo on kytketty ohjattavan puolijohdekomponentin hilalle.BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to a control circuit for controlling a semiconductor component, the semiconductor component comprising an emitter, a collector and a hi-lane, the control circuit comprising a gate driver whose output is coupled to a gate of a controlled semiconductor component.

Nykyisin käytettävät tehopuolijohteet, kuten esimerkiksi IGB-transistorit, ovat sytytyksen ja sammutuksen osalta niin nopeita komponentteja, että esimerkiksi pulssinleveysmoduloiduissa taajuusmuuttajakäytöissä taa-10 juusmuuttajan ulostulojännitteessä saattaa esiintyä jännitteen muutosnopeuksia, joiden arvo ylittää 10 volttia nanosekunnissa. Tällainen muutosnopeus rasittaa taajuusmuuttajan kuormaa merkittävissä määrin. Taajuusmuuttajan kuormana on tyypillisesti moottori, jolloin suuret jännitteenmuutosnopeudet rasittavat moottorin käämieristyksiä ja aiheuttavat moottorikaapeleissa voimak-15 kaita jänniteheijastuksia. Lisäksi suuret muutosnopeudet saavat aikaan ympäristöön leviävää sähkömagneettista häiriösäteilyä.Current power semiconductors, such as IGB transistors, are components so fast in ignition and shutdown that, for example, in pulse-width modulated drive drives, the output voltage of the rear-10 drive may exhibit voltage change rates greater than 10 volts. Such a rate of change places a significant strain on the drive load. The drive is typically loaded with a motor, whereby high voltage change rates exert a load on the motor winding and cause strong voltage reflections in the motor cables. In addition, high rates of change cause electromagnetic interference radiation to be transmitted to the environment.

Aikaisemmin on tunnettua rajoittaa tehopuolijohteiden jännitteiden muutosnopeuksia puolijohdekomponenttia ohjaavan hilaohjaimen ulostulon ja ohjattavan puolijohdekomponentin hilan välille kytketyn hilavastuksen resis-20 tanssia kasvattamalla. Näin hidastetaan tehokomponentin hilavarauksen kas-vunopeutta, jolloin hilajännitekin kasvaa hitaammin. Kytkennän haittapuolenaIt has previously been known to limit the voltage change rates of power semiconductors by increasing the resistance of the gate resistor coupled between the output of the gate driver controlling the semiconductor component and the gate resistor controlled by the semiconductor component. This slows the growth rate of the lattice charge of the power component, whereby the gate voltage also grows slower. The drawback is the drawback

Ml on menetelmän riippuvuus tehokomponentin ominaisuuksista ja niiden hajon-nasta, jolloin lopputuloksen tarkkuus on huonohko. Lisäksi kytkennän resis- • Il ' _ . tanssi kasvattaa häviöitä tarpeettomasti.M1 is the dependence of the method on the properties of the power component and their dispersion, which results in poor accuracy of the final result. In addition, the connection resistor • Il '_. dance unnecessarily increases losses.

25 Keksinnön lyhyt selostus • · · ________ : Tämän keksinnön tarkoituksena on aikaansaada ohjainpiiri, joka välttää edellä mainitut epäkohdat, ja mahdollistaa puolijohdekomponentin oh-jäämisen luotettavalla ja korhponenttiriippumattomalla tavalla, ja käyttäen ai- • · · , f; noastaan yksinkertaisia ja edullisia passiivisia komponentteja. Tämä tarkoitus 30 saavutetaan keksinnön mukaisella ohjainpiirillä, jolle on tunnusomaista, että • · · ________ .BRIEF DESCRIPTION OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a controller circuit that avoids the above drawbacks and enables the semiconductor component to be controlled in a reliable and non-corresponder manner, using a-· ·, f; simple and inexpensive passive components. This object 30 is achieved by a controller circuit according to the invention, characterized in that • · · ________.

: ohjainpiiri käsittää lisäksi puolijohdekomponentin emitterin ja hilaohjaimen nollapotentiaalin välille kytketyn resistanssikytkennän, jossa kaksi diodin ja vastuksen sarjakyt- .·. : kentää on vastarinnankytkettynä, ja • · 2 105508 takaisinkytkentäkondensaattorin, joka on kytketty puolijohdekomponentin kollektorin ja resistanssikytkennän hilaohjaimen nollapotentiaaliin kytketyn pään välille.: The control circuit further comprises a resistor coupling between the emitter of the semiconductor component and the neutral potential of the gate driver, with two diodes and a resistor in series connected. : A field is connected in reverse, and · · 2 105508 a feedback capacitor connected between the semiconductor component collector and the zero potential end of the resistance gate controller.

Keksintö perustuu siihen, että puolijohdekomponentin kollektori-5 emitterijännitteen muutos saa aikaan takaisinkytkentäkondensaattorin C1 kautta kulkevan virran, joka kulkee myös emitterille kytkettyjen vastusten läpi. Jännitteen muutoksen suunnasta riippuu, kumman vastuksen kautta virta kulkee. Kummassakin tapauksessa virta saa aikaan vastuksissa jännitehäviön, joka vähentää puolijohdekomponentin positiivista h ilajä n n itettä sytytettäessä, 10 eli silloin, kun kollektori-emitterijännite pienenee, ja negatiivista hilajännitettä sammutettaessa, eli silloin, kun kollektori-emitterijännite suurenee. Keksinnön mukaisen ohjainpiiri on rakenteeltaan varsin yksinkertainen, ja siten myös kustannuksiltaan edullinen. Lisäksi rakenteen yksinkertaisuuden vuoksi ohjainpiiri on helposti toteutettavissa ja varmatoiminen. Oikein mitoitettuna oh-15 jainpiiri on lisäksi huomattavan pienihäviöinen, joten keksinnön mukaista ohjainpiiriä hyödyntävän laitteen hyötysuhde ei laske merkittävästi piirin myötä aikaansaatavan jännitteen nousunopeuden rajoituksen vuoksi.The invention is based on the fact that the change in the emitter voltage of the collector-5 of the semiconductor component causes a current flowing through the feedback capacitor C1, which also passes through the resistors connected to the emitter. The direction of voltage change depends on which resistor the current passes through. In either case, the current causes a voltage drop in the resistors that reduces the positive lag of the semiconductor component when ignited, i.e. when the collector-emitter voltage is reduced, and when the negative gate voltage is turned off, i.e. when the collector-emitter voltage is increased. The control circuitry according to the invention is quite simple in construction and hence inexpensive. In addition, because of the simplicity of the construction, the control circuit is easy to implement and reliable. In addition, when properly dimensioned, the control circuit of the control-15 is remarkably small, so that the efficiency of the device utilizing the control circuit of the invention does not significantly decrease due to the limitation of the voltage rise caused by the circuit.

Kuvioiden lyhyt selostusBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Keksintöä selostetaan nyt lähemmin edullisten suoritusmuotojen 20 yhteydessä, viitaten oheisiin piirrokseen, jossa: '"; Kuvio 1 esittää keksinnön mukaista ohjainpiiriä.The invention will now be described in more detail in connection with the preferred embodiments 20, with reference to the accompanying drawing, in which: FIG. 1 illustrates a controller circuit according to the invention.

< r r I i i<r r I i i

Keksinnön yksityiskohtainen selostusDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Kuvion 1 mukaisesti puolijohdekomponenttia, joka kuvion esittä- ; * mässä tapauksessa on IGB-transistori (IGBT, insulated gate bipolar transis- • · \v 25 tor), ohjataan siihen kytketyllä hilaohjaimella. Yleisesti käytettävät hilaohjaimet • · · : ovat valmiita kaupallisia piirikomponentteja, mutta hilaohjain voidaan muo dostaa myös käyttämällä tarkoitukseen sopivia erilliskomponentteja. Hilaoh-jaimen pääasiallisena tehtävänä on puolijohdekytkimen kytkeminen johtavaan m .··*. tilaan ja vastaavasti pois johtavasta tilasta. Lisäksi ohjaimen tulee säilyttää 30 kytkennän jälkeen komponentti luotettavasti siinä tilassa, johon komponentti « * · : ; on kytketty. Tehonkulutuksen kannalta on edullisinta, että kytkennät tilasta toi- seen suoritetaan mahdollisimman nopeasti, sillä puolijohdekomponentin, kuten IGBT, häviöteho on suurimmillaan juuri kytkentähetkien aikana. Kuvion 1 esit-: tämä hilaohjain käyttää kaksipuoleista apujännitettä Vcc+, Vcc-. Tällöin kom- 35 ponentin ohjaaminen johtamattomaan tilaan voidaan suorittaa nopeasti ja li- i 3 105508 saksi hilalle yhdistetty negatiivinen jännite verrattuna IGBT:n emitteriin pitää komponentin luotettavalla tavalla johtamattomassa tilassa ja siten estää komponentin syttymisen mahdollisten indusoituvien jännite- ja virtapulssien vaikutuksesta.1, a semiconductor component illustrating FIG. * in this case is an IGB transistor (IGBT, insulated gate bipolar transistor), controlled by a gate driver connected to it. Commonly Used Gate Controllers • · ·: are ready-made commercial circuit components, but the gate controller can also be configured using dedicated components. The main function of the gate driver is to connect a semiconductor switch to a conductive m. ·· *. into and out of the lead, respectively. In addition, after 30 connections, the controller should reliably store the component in the state to which the component «* ·:; is connected. From the point of view of power consumption, it is most advantageous that switching from one space to another is carried out as quickly as possible, since the loss of power of a semiconductor component such as IGBT is greatest at the moment of switching. Fig. 1 illustrates: this gate driver uses auxiliary auxiliary voltage Vcc +, Vcc-. In this case, the control of the component to the nonconducting state can be carried out quickly and the negative voltage connected to the Saxon gate relative to the IGBT emitter keeps the component reliably in the nonconducting state and thus prevents the component from igniting by possible induced voltage and current pulses.

5 Hilaohjaimen apujännitteiden Vcc+, Vcc- ja niiden välisen nollapo- tentiaalin Corn avulla voidaan hilaohjaimen logiikkatasoiset ohjaussignaalit On/Off vahvistaa sen suuruisiksi, että puolijohdekomponentin ohjaaminen on mahdollista. IGBT saadaan johtavaan tilaan tuottamalla sen hilalle G positiivinen jännite emitteriin E verrattuna. Hilaohjaimen nollapotentiaali onkin yhdis-10 tetty IGBT:n emitteriin, jolloin hilaohjain voi tuottaa hilalle sytytykseen ja sammutukseen tarvittavat positiivisen ja negatiivisen jännitteen apujännitteistä Vcc+, Vcc-.5 With the auxiliary voltages Vcc +, Vcc-, and the zero potential Corn between the gate driver, the logic level control signals On / Off of the gate driver can be amplified to control the semiconductor component. IGBT is obtained in a conductive state by applying a positive voltage to its lattice G relative to emitter E. The zero potential of the gate driver is thus combined with the emitter of the IGBT, whereby the gate driver can provide the positive and negative voltages Vcc +, Vcc- required for ignition and shutdown of the gate.

Keksinnön mukaisesti hilaohjaimen GD nollapotentiaalinavan ja puolijohdekomponentin emitterin E välille on kytketty vastus R1 ja sen kanssa 15 sarjaan diodi V1 ja näiden kanssa rinnan vastus R2 ja sen kanssa sarjaan diodi V2. Lisäksi hilaohjaimen GD nollapotentiaalinavan ja puolijohdekomponentin kollektorin välille on kytketty takaisinkytkentäkondensaattori C1. Keksinnön mukaisesti diodien V1 ja V2 napaisuudet ovat sellaiset, että puolijohdekomponentin kollektori-emitterijännitteen muutoksen kondensaattorin C1 20 kautta aiheuttama virta pääsee kulkemaan virran suunnasta riippuen vain yhden vastuksen kautta kerrallaan.According to the invention, a resistor R1 is connected between the zero potential terminal of the gate driver GD and the emitter E of the semiconductor component in series 15 with diode V1 and with them in parallel resistor R2 and with series diode V2. In addition, a feedback capacitor C1 is coupled between the zero potential terminal of the gate driver GD and the semiconductor component collector. According to the invention, the poles of the diodes V1 and V2 are such that the current caused by the change in the collector-emitter voltage of the semiconductor component through capacitor C120 can pass through only one resistor at a time, depending on the direction of the current.

Sytytettäessä hilaohjain antaa lähtöönsä positiivisen apujännitteen Vcc+ suuruisen jännitteen, joka on tyypillisesti +15 voltin suuruinen, jonka ai-When ignited, the gate driver will output a positive auxiliary voltage of Vcc +, typically +15 volts, with

I I MI I M

heuttaman hilavirran vaikutuksesta IGBT:n hilajännite alkaa nousta sammu-...,: 25 tustilanteen tyypillisestä noin -7 voltin negatiivisesta apujännitteestä Vcc- kohti komponentin tyypillisesti noin 1Ό voltin kynnysjännitettä. Kun tämä taso saa- « · · ....the gate current of the IGBT causes the gate voltage of the IGBT to start to drop from -...,: from a typical auxiliary negative voltage of about -7 volts Vcc to the threshold voltage of a component typically about 1Ό volts. When this level gets- «· · ....

l.lm vutetaan, siirtyy IGBT johtavaan tilaan, jolloin sen kollektorijännite alkaa pu dota. Tämä puolestaan saa aikaan kondensaattorin C1, vastuksen R1 ja diodin V1 kautta kulkevan virran, jonka vastuksessa R1 ja diodissa V1 aiheutta-30 ma jännitehäviö aiheuttaa hilaohjaimen nollapotentiaalinavan Corn siirtymisen • · · negatiiviseen suuntaan emitteriin E nähden. Kun efektiivinen hilajännite refe-roituna emitteripotentiaaliin alittaa kynnysjännitteen, alkaa hilavaraus pienen-tyä, joka puolestaan merkitsee kollektorijännitteen muutosnopeuden pienen-''' tyrnistä. Tämä merkitsee kondensaattorin C1 kautta kulkevan virran ja R1:n 35 jännitehäviön pienenemistäTUännltehäviön suuruus riippuu kondensaattorin :.’*i C1 kapasitanssista, vastuksen R1 resistanssista ja kollektorijännitteen muu- 4 105508 tosnopeudesta. Sopivilla komponenttiarvoilla lopputuloksena on likimain koko kytkentätilanteen ajan vakiona pysyvä kollektorijännitteen muutosnopeus.l.lm is driven, enters the IGBT conductive state, whereupon its collector voltage begins to drop. This, in turn, causes a current flowing through capacitor C1, resistor R1 and diode V1, where a voltage loss of -30 ma caused by resistor R1 and diode V1 causes the gate driver's zero potential pole to shift to negative emitter E. When the effective gate voltage, reflexed to the emitter potential, falls below the threshold voltage, the gate charge begins to decrease, which in turn signifies a decrease in the rate of change of the collector voltage from the bucket. This means that the current flowing through capacitor C1 and the voltage loss of R1 35 are reduced. The magnitude of the voltage loss depends on the capacitance of the capacitor, the resistance of the resistor R1 and the variation in the collector voltage 4 105508. Suitable component values result in a constant collector voltage change rate for approximately the entire switching situation.

Sammutettaessa toiminta on analoginen. Kun hilajännite laskee kynnysjännitteen tasolle, alkaa kollektorijännite kasvaa. C1:n kautta kulkeva 5 virta ohjautuu nyt vastuksen R2 ja diodin V2 kautta, ja sen vastuksessa R2 ja diodissa V2 aiheuttama jännitehäviö aiheuttaa hilaohjaimen nollapotentiaali-navan siirtymisen positiiviseen suuntaan emitteriin E nähden. Tyypillisesti R2:n resistanssi on kaksin- kolminkertainen R1:n resistanssiin verrattuna, joten saman virran synnyttämä jännitehäviö on myös vastaavasti suurempi. Suurempi 10 jännitehäviö tarvitaan, sillä kynnysjännitteen ero negatiivisen sammutusjän-nitteeseen on suurempi kuin positiiviseen sytytysjännitteeseen.When shut down, the operation is analogous. As the gate voltage drops to the threshold voltage, the collector voltage begins to increase. The current 5 through C1 is now directed through resistor R2 and diode V2, and the voltage drop caused by resistor R2 and diode V2 causes the gate driver's zero potential pole to shift in a positive direction to emitter E. Typically, the resistance of R2 is two to three times that of R1, so that the voltage drop caused by the same current is also correspondingly greater. A larger voltage drop is required because the difference between the threshold voltage and the negative cut-off voltage is greater than the positive ignition voltage.

Kuviossa 1 esitetyn keksinnön mukaisen kytkennän mukaisesti re-sistanssikytkentä 1 käsittää kaksi vastarinnankytkettyä vastuksen R1, R2 ja diodin V1, V2 sarjakytkentää. Tällaisen järjestelyn avulla saadaan erikseen 15 valittua puolijohdekomponentin sytytyksen ja sammutuksen aikaiset hilajän-nitteen muutokset. Kahden erillisen vastuksen käyttäminen yhdessä diodien kanssa on hyödyllistä, sillä sytytys- ja sammutustilanteissa optimaaliseen toimintaan tarvittavat jännitteen muutokset ovat tyypillisesti erisuuret. Sytytyksessä hilajännitettä pienennetään siten, että jännite putoaa hetkellisesti alle 20 komponentin syttymiseen tarvittavan kynnysjännitteen ennen kuin hilajännite nousee täyteen hilaohjaimen positiiviseen apujännitteeseen Vcc+, jonka tyypillinen arvo on +15 volttia. Sytytystilanteessa virta kulkee vastuksen R1 ja diodin V1 läpi, jolloin diodin V1 katodi on kytketty takaisinkytkentäkondensaattoriin C1.In accordance with the circuit according to the invention shown in Fig. 1, the resistor circuit 1 comprises two resistor-connected resistor R1, R2 and diode V1, V2 in series. By such an arrangement, changes in the gate voltage during ignition and shutdown of the semiconductor component can be separately selected. The use of two separate resistors in combination with the diodes is advantageous since the voltage changes required for optimum operation in ignition and shutdown situations are typically different. In the ignition, the gate voltage is reduced such that the voltage drops momentarily below the threshold voltage required to ignite the component before the gate voltage rises to the full positive auxiliary voltage Vcc + of the gate driver, typically +15 volts. In the ignition situation, the current flows through resistor R1 and diode V1, whereby the cathode of diode V1 is connected to feedback capacitor C1.

25 Sammutustilanteessa puolijohdekomponentin hilaa pyritään pitä- mään vastuksessa R2 tapahtuvan jännitehäviön vaikutuksella hetkellisesti • · · kynnysjännitteen yläpuolella, jolloin komponentin sammuminen voidaan saada * tapahtumaan vaaditulla muutosnopeudella. Hilajännite sammutuksessa saatetaan lopuksi hilaohjaimen negatiiviseen apujännitteeseen Vcc-, joka on tyy- 30 pillisesti -7 volttia. Sammutustilanteessa takaisinkytkentäkondensaattorin virta • · · on erisuuntainen kuin sytytystilanteessa, joten diodeja V1, V2 käyttämällä voi-daan määrätä erisuuntaisen virran aikaansaama hilajännitteen muutos.25 In the case of a shutdown, the semiconductor component lattice is intended to be held momentarily above the threshold voltage by a · · · voltage drop across the resistor R2, whereby the component shutdown can be achieved at the required rate of change. The gate voltage in the shutdown is finally brought to the negative auxiliary voltage Vcc- of the gate driver, which is typically -7 volts. In the case of a shut-off, the feedback capacitor current • · · is different from that of the ignition state, so that the change in the gate voltage caused by the diurnal current can be determined using diodes V1, V2.

, Keksintö on esitetty kaksipuolisen apujännitteen käsittävän hila- '·' ohjaimen yhteydessä, mutta yhtä hyvin keksintöä voidaan toteuttaa myös yk- :: 35 sipuoleisen apujännitteen käsittävän hilaohjaimen yhteydessä.The invention is disclosed in connection with a gate driver with a two-sided auxiliary voltage, but the invention can also be implemented with a gate driver having a single-auxiliary auxiliary voltage.

« ·« « * 5 105508«·« «* 5 105508

Alan ammattilaiselle on ilmeistä, että tekniikan kehittyessä keksinnön perusajatus voidaan toteuttaa monin eri tavoin. Keksintö ja sen suoritusmuodot eivät siten rajoitu yllä kuvattuihin esimerkkeihin vaan ne voivat vaihdella patenttivaatimusten puitteissa.It will be obvious to one skilled in the art that as technology advances, the basic idea of the invention can be implemented in many different ways. The invention and its embodiments are thus not limited to the examples described above, but may vary within the scope of the claims.

« I · « • · • « • · • · · • · • ·· I I I • · · « • « • · • · · »*» • · • I ♦ · · • · · • f · I f I f f«I ·« • • • • • • • • • • • I I I • • • • • • • • • • • • • • • • I f I f I f f

Claims

Controller circuit for controlling a semiconductor component (2) comprising an emitter (E), a manifold (C) and a gate (G), the controller circuit comprising a gate driver (GD), the output of which is connected to a gate (G) of the controllable semiconductor component. that the control circuit further comprises a resistor coupling (1) coupled between the emitter (E) of the semiconductor component (2) and the neutral potential (Corn) of the gate driver (GD), wherein two diode (V1, V2) and resistor (R1, R2) series resistors are connected; and a feedback capacitor (C1) coupled between the collector (C) of the semiconductor-10 component (2) and the zero-potential (Corn) end of the gate driver of the resistor circuit (1).

Controller circuit according to claim 1, characterized in that the semiconductor component (2) is an IGB transistor. • «4 · · 4 4 {4 (I • · •« • · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 1 1 · · · «• · · • ·« «rt f« «1 *« t II «1 105508