시작하며...

대개 IPM(Intelligent Power Modules)은 사용하기 쉬운 걸로 인식되고 있습니다. 출력전력회로, 게이트 드라이브 회로, 보호 로직(단락회로, 과전류, 과열, 부족전압)이

내장되어 있어 따로 그런 것들을 신경 쓰지 않아도 되니까 쉽다고 여겨지는가 봅니다. 모든 소자들이 그러하듯이, 그 기능이나 특성을 정확히 알지 못하고 사용하다보면

생각지도 못했던 사고나 실수를 하게 됩니다. 소자에 대한 데이터시트가 제공되고

있지만, 데이터 시트만 보고 그 소자의 특성을 잘 알 수 있다면, 얼마나 좋겠습니까. 하지만, IPM 도 그렇게 만만치는 않습니다. 저는 IPM 을 잘 알아서 모든 문제를 해결할

만큼의 그런 경험을 가지고 있지 못합니다. 다만, 제가 여러분들에게 IPM 을

사용하는데 있어서 조금이나마 도움이 될 수 있다면 그것으로 족합니다. 제가 이 글을 쓰는데 "MITSUBISHI SEMICONDUCTOR Data Book 1998 년

판, 파워모듈 MOS 편"을 참조하였습니다. 사실 저는 이런 글을 올릴 때 좀 걱정이

되요. 혹시, 초심자들한테 오개념(誤槪念)을 심어주면 어떻게 하나 하는 그런 거요. 하지만, 제가 이렇게 약간 무리를 하는 것은 아주 기본적인 기술적 자료도 무슨 큰

비밀인양 취급하여 정보의 유통이 가로막는 다면 이것 보다 더 큰 손실이 어디 있겠는가

하는데 있습니다. 윤덕용 교수님은 이러한 점을 간파하시고 이런 정보 네트워크를 만들어 놓으셨습니다. 저는 그 중 작은 부분을 담당하는 일원으로 활동할 수 있는 것을 영광으로 생각합니다. 저는 가능하다면, 몇 명이라도 좋으니 오프라인 모임도 가졌으면 하는 생각도

가진답니다. 과대망상인가요. 어쨌든, “사람이 상상할 수 있는 것은 실현

가능하다”는 말을 믿습니다. 첫 번째 글의 개정판(?)을 쓰며...

2001 년 1 월 6 일

정종호

우리가 앞으로 공부할 IPM 부터 구경할까요. 이렇게 생긴거 공부할려고 해요. 아래 있는 그림은 미쯔비시 IPM 모델 PM30RSF060 에 대한 것입니다. 잠깐, IGBT 와 IPM 모델표기법에 대해서 한번 봐두는 것도 좋을 듯합니다. 앞으로 언급되는 모델에 대한 약어 표시에도 도움이 될 것입니다.

1) 소자 : CM = IGBT 모듈, PM = IPM2) 정격전류 IC [A]3) IPM : H = Single, D = Dual, C = Six 팩, R = Seven 팩4) IGBT : H = Single, D = Dual, T = Six, E3 = Brake

5) 전압 IPM : VCES Volts(×10), IGBT : VCES Volts(×50)

PM30RSF 060 → PM : IPM, 30 : 정격전류, RSF : Seven 팩, 60 : VCES (×10)600V

IPM 사용법

에러회로는 저속 포토커플러의 2 차측 콜렉터 공통으로 한 회로에 사용하여도 문제는 없다. 간단한 에러 회로에는 다음과 같다.

그림 1 에러

회로예

P 측 Fo 를 사용하지 않는 경우Upper Arm(P 측) Fo 를 사용하지 않는 경우는 (예를 들어 P 측만을 경유하는 지락 등에 대해서) 시스템 측에서 이상을 검출하지 못하기 때문에 보호협조가 이루어지지 않는다. IPM 의 보호동작은 반복되지 않는 이상만을 고려하기 때문에 이상상태를 반복하는 IPM 에 인가되면 IPM 을 파괴할 가능성이 있다. 반복되어 발생하는 이상에 대해서는 시스템 측에서의 보호협조가 필요하다.

Fo 중의 동작에 대해서각각의 IPM 에는 제어 IC 가 다르기 때문에 tFo 출력 타이밍 시간폭, Fo 출력의 재동작이 서로 다르다.

PWM 주파수에 대해서IGBT chip 의 접합온도 Tj 의 최대정격은 150℃이다. 이것 이상에서는 열파괴가 된다. 추천하는 인버터 정격(kVA)에서 IPM 을 동작시킬 때 Tj 는 115～125℃정도가 되도록 설계한다. 또한 이때 IPM 의 기판온도 Tc 는 100℃이하가 되도록 규정하고 있다. 최대주파수를 결정하는 중요한 항목은 이들의 정격이내가 되도록 손실 및 HeatSink 를 설계하는 것이다.IGBT 의 스위칭 특성과 정상손실, 및 DeadTime 으로 사용 가능한 최대 주파수를 구한다. IPM의 사양에 포함된 IGBT 특성 및 게이트 구동회로를 최적으로 설계하기 위한 turn-on/off 및 최대 주파수 등의 값이 다르므로 각 데이터 시트 값에 주의해야 한다.

제어 입력단자제어입력 단자에 노이즈가 침입하지 않도록 패턴 레이아웃에 주의해야 한다.

제어전원전압범위는 사양서의 규격 내로 하면 된다.

제어전압 [V] 내 용

～ 12.5 전원전압 저하보호(UV)가 동작한다.제어입력신호를 가해도 스위칭 동작을 정지시킨다.

12.5 ～ 13.5 스위칭동작한다. 단, 추천범위외로 Vce(sat), 스위칭 시간 모두

규격치를 넘어 콜렉터 손실, 접합온도가 증가한다.13.5 ～ 16.5 정상동작, 추천전압범위

16.5 ～ 20 스위칭 동작함. 단, 스위칭시간이 고속으로 되어서 단락내량이 부족해지면 서지-전압이 과대해져 파괴될 수 있다.

20 ～ IPM 의 제어회로가 파괴된다.

< “게이팅 전원” 관련 기술자료실 85 번 의 윤덕용 교수님 코멘트 >

제가 옛날부터 인버터를 만들다 보면 수많은 기술적인 어려움과 선택의 문제에 부딛히지만, 그중에 상당히 결정하기 어려운 문제중의 하나가 게이트 드라이브 문제였지요. 누구나 그럴 것입니다.석사과정때 우리는 게이트 전원을 6 개의 변압기를 거쳐 정류하여 만들었습니다.(그때는 인버터하면 항상 다이리스터를 사용했죠.) 그러나, 부피가 커지는 것이 가장 큰 문제라, 나중에는 변압기 1 개에 6 개의 2 차측 독립 권선을 갖는 것을 주문 제작하여 사용했습니다. 부피는 작아졌지만, 이러한 리니어 전원은 노이즈 차단기능이 전혀 없어서 매우 고생을 했죠.그러나, 당시에는 SMPS 가 매우 귀하고 비싸며 신뢰성도 낮아서 사용할 엄두를 내지 못했습니다. 한 5 년동안 전력전자 분야를 떠났다가 다시 벡터제어 인버터를 개발할 때 저는 이 문제로 또 고민을 했습니다. 이때는 SMPS 가 매우 흔하고 성능도 좋아지기는 했지만, 이것을 게이트 드라이브용으로 최대 6 개, 최소 4 개 사용한다는 것은 장난이 아니었죠.이때는 미쓰비시 등에서 IGBT 나 MOSFET 를 드라이브하는 하이브리드 IC 를 출시할 때였는데, 매우 비싸고 구하기가 어려우며 사용해 보니 잘 터져서 쓸만한 형편이 아니었습니다.결국 저는 SMPS 를 스스로 만들어 사용하기로 하였습니다. 매우 용기가 필요했지만, 다행히 이때 저는 서울대학교 전력전자 연구실과 공동 세미나를 수행하면서 프로젝트에 들어가는 회로를 공동으로 작업하였습니다. 그들로부터 상당히 실험이 진행된 상태의 SMPS 기술자료를 도움받았습니다. 사실, 제가 만든 인버터에서 많은 부분은 그때 서울대 전력전자실(설승기 교수님)과의 공동연구 산물입니다. 지금도 감사하고 있죠.서울대의 도움을 받아 시작하기는 했지만, 저는 SMPS 기술을 확립하는데만 약 6 개월 이상을 몰두했습니다. 그 결과 주제어 전원 및 게이트 드라이브 전원을 1 개의 SMPS 로 모두 커버하는 시스템을 완성하여 오늘날까지 사용하고 있죠. 인버터라면 어차피 SMPS 는 들어가는 것이고, 이를 조금만 신경쓰면 게이트 드라이브 전원이 해결되니 문제될 것이 없죠. 게다가 이를 잘 설계하면 노이즈 차단기능이 강해서 전체 인버터 시스템이 매우 안정적으로 됩니다.

저같이 다출력 전압형의 SMPS 를 사용하여 게이트 드라이브 회로를 독립전원으로 구동하는 방법도 있고, 앞에서 말씀드린 드라이브 전용의 하이브리드 IC 를 사용하는 방법도 있습니다. 그러나, 후자는 역시 아직도 그리 구하기 쉽거나 값싼 소자는 아니기 때문에 실험용은 몰라도 양산용으로는 크게 적합하지 않습니다. 게다가 많이 좋아지기는 했다지만 저는 아직도 그런 소자들의 성능을 믿지 못합니다. 대부분의 경우에 보면 시스템 한개를 만드는데 그런 소자 수십개씩을 날려버리더군요. 이러한 소자에는 Semikron 에서 나오는 것도 있는데 내부적으로 독립전원을 만들어 사용하는 장점이 있기는 하지만 값이 장난이 아닙니다. 드라이브하려는 전력용 소자보다 몇배나 비싸죠.오히려 제가 권하고 싶은 또하나의 방법은 부트 스트랩 기능을 이용하여 1 개의 전원 및 1 개의 IC 로 상하 1쌍의 스위칭 소자를 드라이브하는 IR 사의 IR21XX 소자를 사용하는 방법입니다.

결국 1 개의 전원으로 1 개의 arm 을 구동한다는 것은 3 개의 arm 즉, 6 개의 스위칭 소자를 모두 구동할 수 있다는 이야기입니다. 4 개의 전원이 1 개의 전원으로 줄어들며, 더구나 이것은 주제어 전원 +5V 와 common ground 로 되죠. 소자도 좀 비싸기는 하지만 구하기는 쉬워요. 이 방법은 유일한 단점은 스위칭 주파수나 매우 낮으면 사용하기 어렵다는 것입니다. 바로 부트 스트랩이란 녀석의 특징이죠.저는 이 소자들을 인버터에는 적용해 보지 않았지만 대용량의 DC-DC 컨버터에 적용하여 보았고, 꽤 신뢰성이 있다는 것을 확인했습니다. 이번 전력전자학술대회에서 발표된 논문중에서도 소형 모터 드라이브용 인버터에서 이를 사용한 예가 있었습니다.저는 일반적으로는 3 번째 방법이 가장 무난하다고 생각됩니다. 그러나, 저처럼 SMPS 를 자유자재로 설계할 수 있는 경우에는 당연히 첫번째 방법이 가장 좋을 것입니다. 2 번째 방법은 권하고 싶지 않군요.

“ 정종호 코멘트”요즘 전력전자소자들은 모듈화, 소형화되고 있습니다. 우리가 지금 공부하고 있는 IPM만 해도 모듈화 되어 여러가지 기능을 내장하고 있습니다. 저는 ‘윤덕용 교수님의 코멘트“에 대해서 개인적으로 이렇게 생각하고 있습니다. 물론, 전용 소자를 쓰면 그에 따른 어려움이 있습니다. 가격이라든가 소자의 한계라든가 등등 하지만, 우리는 이런 것들을 익숙하게 자유자재로 쓸 수 있는 기술을 가져야 합니다. 현재, PEBB(Power Electronics Building Block)라는 개념이 도입되고 있습니다. 지난해(2000 년) 가을 베이징에서 열린 IPEMC 2000 의 Plenary Lectures 의 제 1 주제가 PEBB 였습니다. PEBB 는 왠만한 파워 소자들을 이제 각 제조회사마다 다르게 만들지 말고 표준화하고, 모듈화해서 생산하자는 그런 겁니다. 이에 대해서는 다음에 더 자세한 설명을 드릴 기회가 있을 것입니다.

리플 노이즈고주파의 노이즈가 중첩되면 IC 가 오동작하기 때문에 전압 리플 이하값으로 되도록 설계해야 한다.

노이즈 내량미쯔비시사에서는 IPM 개발시에 평가항목의 하나로 노이즈 내량을 시험한다. 단, 노이즈는 세트 내의 기생 캐패시터와 노이즈 필터의 특성 등에 따라서 변하기 때문에 IPM 의 사양으로서는 노이즈 내량을 규정하지는 않는다.

단자기호 설명

No 명칭 기호 등 가 회 로 동작·(기능설명)

1 전원

VDVUP1VVP1VWP1

·제어 IC 의 전원단자이다.·N 측(Lower arm), P 측(Upper arm)에는 개별적으로 절연된 전원을 인가한다.·6 소자, 7 소자 형에는 N 측 공통으로 4 개의 독립된 전원이 필요하다.·DC13.5V 이하에서는 UV Lock-Out 이 동작한다.Fo 를 출력한다.·DC16.5V 이상에서는 IGBT 의 게이트특성에 의해 과전류·단락시의 동작을 보증하지 않는다.·표준치는 DC15V 이고, 노이즈와 전원리플에 의한 오동작을 억제하기 위해 주파수특성이 좋은 평활 콘덴서를 IC 의 단자 부근에 접속한다.

2 그라운드

VNC·N 측의 기준전원용 그라운드이다. 6 소자·7소자에서는 3 상 모두 공통이다.·제어전원의 그라운드로 되기 때문에 노이즈의 영향을 피하기 위해 모선전류는 흐르지 않도록 해야 한다.·이 단자와 N 을 기판상에 패턴 접속하지 않도록 해야 한다(사용상의 주의 참조)·내부에는 인버터 그라운드의 N 과 접속되어 있다.·그러나, 패턴의 기생 인덕턴스에 의해 실동작(實動作)시에는 N-VNC 사이에 전위차가 생긴다.

VUPCVVPCVWPC

·각 상 P 측의 기준 전원용 그라운드이다.·노이즈 내량을 향상시키기 위해 전원 임피던스는 가능한 한 낮게 해야 한다.·U, V, W 의 각 상은 절연해야 한다.

3 제어신호

UPVPWPUNVNWN

전압구동형 ·IPM 의 스위칭을 제어하는 입력단자이다.·전압입력으로 동작한다.·내부는 컴퍼레이터에 접속되어 있다.·보통 외부 제어전원에 풀업저항과 절연용 포토커플러를 접속하여 사용한다.

·노이즈에 민감하기 때문에 패턴은 최대한 짧게 해야 한다. 또한, 전원-GND 사이의 주파수 특성이 좋은 콘덴서를 부착한다.

UPVPWPUNVNWN

전류구동형·IPM 의 스위칭을 제어하는 입력단자이다.·전력입력으로 동작한다.·내부는 트랜지스터 베이스로 접속한다.·풀다운 저항을 접속한다.·보통 외부 제어전원에 풀업저항과 절연용 포토커플러를 접속하여 사용한다.·노이즈에 민감하기 때문에 패턴은 최대한 짧게 해야 한다. 또한, 전원-GND 사이의 주파수 특성이 좋은 콘덴서를 부착한다.

4 브레이크제어

Br

·RXX 형에 사용한다.·AC 모터 감속시의 회생전류에 의해 PN 간 전압이 상승하는 것을 방지할 목적으로 사용한다.·보통 외부에 제어전원의 풀업 저항과 절연용 포토 커플러를 접속한다.·제어신호단자와 같은 구조이고 노이즈에 민감하기 때문에 배선을 짧게 해야 한다.

5 에러|

출력

FO

·IPM 의 이상상태를 나타내는 출력이다.·이상 모드는 과열, 과전류, 부하(arm)단락, 제어 전원전압 저하보호(UV)가 있다.단, 이들 종류는 구별하지 않는다.·단자는 저항을 직렬로 접속한 open collector 로 되어 있다.·이 단자와 VD 사이에 포토커플러(또는, LED)를 직렬접속할 수 있다.

6 인버터전원

P ·인버터의 단자전원이다.·교류를 정류한 후 (+)측을 접속한다.·내부에는 P 측 IGBT 의 콜렉터에 접속한다.·패턴의 임피던스 성분에 의한 서지-전압을 억제하기 위한 평활콘덴서는 P, N 단자 가까이 배치한다. 또한, 주파수 특성이 좋은 필름 콘덴서를 추가하면 효과적이다.

7 인버터그라운

N ·인버터의 전원 그라운드이다.·교류 정류 후 그라운드(-)측을 접속한다.·모선전류는 이 단자를 흐르도록 접속한다.·내부에는 N 측 IGBT 의 에미터를 접속한다.·기준용 제어 그라운드 VNC 와 접속시킨다. 그러나, IPM 내부의 기생 임피던스에 의해

드 실동작 에서는 VNC-N 사이에 전위차가 생긴다.

8 출력

UVW

·인버터 출력용 단자이다.·교류모터등의 부하를 접속한다.·서지-전압의 발생에 주의한다.·내부에는 half-bridge 로 구성된 IGBT 의 중점에 접속되어 있다.

9 브레이크

출력

B ·RXX형에 사용한다.·교류모터 감속시의 회생전류에 의해 PN 사이 전압이 상승하는 것을 방지 할 목적으로 사용한다. P 측과의 사이에 전력 소비용 저항(브레이크 저항)을 접속한다.

10 출력전원

SR

―

·제어입력신호의 절연에 사용하는 포토커플러용 전원이다.·xxA 의 DC 전류를 공급한다.·노이즈내성을 올리기 위해서 IPM 에서 출력한다.

<두 번째 글 후기>두 번째 글은 IPM 단자에 관한 설명이었습니다.현재 시간이 2001 년 1 월 7 일 새벽 2 시 35 분이군요. 두 번째 글을 올립니다.세 번째 IPM 사용법(3)은 최대정격, 특성 용어설명을 예정으로 하고 있습니다.작업이 끝나는 대로 올리겠습니다.

<참고> 첫 번째 글은 약간의 수정을 해서 다시 올렸습니다.

최대 정격·특성 용어설명

대표적인 정격·특성에 대한 용어는 다음과 같다.

V〖CC〗 : 전원전압

IPM 에 내장된 IGBT 가 인버터 동작 중 스위칭하지 않는 상태에서 PN(C1-E2)사이에 인가하여 얻는 최대 직류전원 정격전압. 이 전압을 초과하는 경우 브레이크 IGBT 등에 의해서 전압을 저감시켜야 한다.

V〖CC (surge)〗 : 전원전압(서-지)

IPM 에 내장된 IGBT 가 스위칭 하는 상태에서 PN(C1-E2)사이에 나타나는 서지전압의 최대치. 이 전압을 초과하지 않게 모선 임피던스를 저감하는 스너버 회로를 접속해야 한다.

V〖CC (PROT )〗 : 전원전압범위 자기보호

IPM 에 내장된 IGBT 가 arm 단락과 과전류상태로 된 경우에 IPM 에 내장된 보호기능에 의해서 IPM 에 내장된 IGBT 의 차단을 안전하게 하는 최대전원전압의 최대치. 이 조건을 초과하는 전압에서 단락된 경우는 보호할 수 있지만 소자를 파괴 할 가능성이 높다.

V〖CES〗 : 콜렉터-에미터 사이의 전압

IPM 에 내장된 IGBT 의 C-E 사이에 인가하여 얻는 절대 최대전압정격.

ID : 회로전류

IPM 에 내장된 IGBT 가 스위칭하지 않는 상태에서 IPM 에 내장된 제어 IC 가 소비하는 회로전류. 제어전류의 전류용량의 설정은 실동작시 IGBT 의 게이트 충전전류를 포함한 형태로 해야 한다.

f〖PWM〗 : PWM 제어 입력주파수

IPM 을 PWM 제어로 응요한 경우의 추천 PWM 캐리어 주파수. 방열조건과 인버터 용량에 대한 적용소자 정격에 따라 다르다. 추천사용 조건으로 최소치를 기재하였지만, 이것 이하에서의 사용에도 문제는 발생하지 않는다. (입력로직이 고속 스위칭용과 저속 스위칭용에 차이가 있기 때문에 기재한다.)T C : 동작 모듈기판 온도

IPM별의 추천정격 인버터로 사용한 경우의 인버터 정격출력 내에서의 정상연속운전 시의 최대허용 베이스판 온도.

t〖dead〗 : Upper, Lower arm휴지 시간

IPM 의 최대(최소) 스위칭 시간에 기초해 규정된 최소 Upper, Lower arm 사이의 휴지기간. 인버터 마이콘 등에 의해 밖에 붙은 부품에 설정가능한 것과는 다르며 IPM 내부에 자동적으로 생성하는 것은 없으며 IPM 의 입력신호에 설정할 필요가 있다.IPM 의 각 arm 단 입력에서 Upper, Lower arm휴지시간은 스위칭 시간의 특성치에 의해 turn-off 시간의 최대치(turn-off(max))와 turn-on 시간의 최소치(turn-on(min))차로서 정의한다.각 arm 단 입력 : t〖dead (min)〗=t〖off (max)〗−t〖on (min)〗포토커플러의 1 차측에서의 Upper, Lower arm휴지시간은 전달 지연시간(L→H)의

최대치(t pLH(max))와 turn-off 시간의 최대치 (t〖off (max)〗)의 합과 전달지연시간

(H→L)의 최소치(t pHL(min))과 turn-on 시간의 최소치(t〖on(min)〗)의 합의 차로

된다. 데이터 시트에 기재된 값은 표준적인 포토커플러의 최대치를 사용한 것이다.포트커플러 1 차측 입력 : t〖dead〗(min) = (t〖off 〗(max)+t pLH(max))-(t〖on〗(min)+t pHL(min))

OC : 과전류보호 trip levelt〖off (OC )〗기간 이상 계속해서 IGBT 통전이 된 경우에 제어신호입력을 금지하여

게이트 차단에 이르는 전류치, 에러-출력은 래치되지 않는다. 최소치는 정격 콜렉터전류의 약 1.3배이다.SC : 단락보호 trip levelIGBT 통전된 경우에 즉, 제어신호입력을 금지하여 게이트 차단에 이르는 전류치. 에러-추력은 래치되지 않는다. 최소치는 정격 콜렉터 전류의 약 1.5배이다.

t〖off (OC )〗 : 과전류차단 지연시간

FWDi 의 회복(recovery)전류에 OC 가 기능하지 않도록 하기 위해 설정된 지연시간. 이 기간내의 SC레벨 미만의 피크전류에는 보호기능을 하지 않는다. 역으로 전류가 흐르는 경우 chip 의 접합부와 chip 주변만 급격한 온도 상승이 생겨 OT 보호가 기능하지 않아서 소자가 파괴되는 경우가 있다.

OT : 과열보호열적으로 포화된 베이스 기판 온도가 서미스터와 트랜지스터에 의해 검지된 온도를 넘어선 경우, 제어 IC 의 입력을 차단하여 에러-신호를 출력한다. reset-level 이하로 내려갈 때까지 에러-출력을 계속 낸다. 세트로서의 방열핀(인버터)과열보호를 보증하는 기능은 없다.

UV, UV r : 제어전원전압 저하보호 trip, reset level제어 IC 에 인가되는 전원전압이 일정치 이하로 된 경우에 게이트 차단 및 자기복귀하는 전원전압치. 제어 IC 의 입력을 차단하여 에러-신호를 출력한다. 리세 레벨 이상으로 흐를 때까지 에러-출력을 한다.고 리플(안정도가 낮은 변압기 출력을 직접 평활함으로써) 전원을 사용한 경우, 이 보호가 기능하는 세트가 운전되지 않도록 하기 위해 제어전원은 충분히 안정된 전원(SW 전원, 3 단자 레귤레이터)를 사용해야 한다.

그림 2 단락 휴지시간

<세 번째 글 후기>세 번째 글은 IPM 정격과 특성에 대한 용어입니다. 오늘은 참! 눈이 많이 내리는 군요.온세상이 하얀날입니다. 네 번째 글에서는 ‘IPM 사용상 주의점’에 대한 글을 올릴 예정입니다.

IPM 사용상 주의점

1. 노이즈내량에 대해서

IPM 의 노이즈 내량은 주로 인버터 실장에서 동작시의 노이즈 시뮬레이터 시험으로

확인한다. 조건은 AC 입력측에 의해 Common mode 에서 2kV, 램덤 위상에서 12시간 인가하여 오동작하지 않는 것이다.이외에 과전압, 과부하, 저온, 고온에서의 동작시험 등을 실기부하에서 평가한다.

2. 제어전원에 대해서

대용량 IPM 시리즈는 1-arm 당 제어전원을 1 개 사용하도록 설계되어 있다. IPM 에서

대전류를 고속으로 스위칭한다면, IPM 의 에미터 주배선에 spike 전압이 발생하기

때문에 N 측 3-arm 의 IGBT 의 에미터의 전위가 손시적으로 변동한다. 이때, 제어전원을 일괄한다면, IGBT 의 제어에 다른 상의 스위칭 영향이 나타나서 오동작하게

된다. 또한, 그라운드-루프 형성에 의해 주전류의 일부가 제어 그라운드 배선으로

돌아서 제어 그라운드에 노이즈를 중첩한다면 동작시의 노이즈마진이 저하한다. 이처럼 문제는 대전류에서 에미터의 주배선이 독립되는 2 소자 입력 및 1 소자 입력의

기종 모두이기 때문에 안전을 위해 6 전원의 개별 공급을 추천한다.소용량의 6 소자(six pack) 또는 7 소자(seven pack)에 대해서는 에미터 주배선이

내부에 공통되어 있기 때문에 N 측의 제어전원은 공통하여도 문제없다. V〖NC〗와 N 과의 접속에 대해서는 외부에 패턴 접속하는 것이 불가능하다. 이

양쪽의 단자는 IPM 내부에는 접속되어 있지만, V〖NC〗에는 제어부의 회로전류가

흐르고 N 에는 모선전류가 흐르도록 설계되어 있다. V〖NC〗는 기준 GND 로 되기

때문에 N 을 통하는 모선전류가 흐르면 GND레벨이 변동하여 오동작을 일으킨다. 노이즈의 영향을 받기 쉽기 때문에 제어부의 회로전류 루프와 모선전류 루프는(노이즈

내량)을 만족한다면 접속은 가능하다.

그림 3. 접속도

보호기능에 대해서

OC 는 과전류이상, SC 는 단락이상에 대응한다. IPM 은 전류를 제어하는 소자이기

때문에 배선의 기생용량등에 의한 스위칭시에 서-지 모양의 회복전류가 발생한다. 이

회복전류에 의한 오동작을 방지하기 위해서 IPM 은 이상검출회로로 low-pass filter(5～10us)를 가지고 있다. 보통 과전류에는 이 회로에서 확실히 회복전류를 소거하여

보호동작 한다. 단락 시에는 대전류가 흐르기 때문에 접합온도가 급격하게 상승하여

외부배선패턴

SOA 영역을 일탈하여 열파괴 된다.그래서 단락시에는 검출시간을 짧게(약 1usec)로 고속으로 보호한다. 또 동시에 IGBT에 과대한 부담이 가지 않도록 빠르게 차단시켜준다. 또한 과전류와 단락을 구별하기

위해 단락검출레벨을 높게 설정하여 오검출을 방지한다. 이처럼 발생원인이 겹쳐져서

적응적으로 2계통의 검출·보호회로를 사용하여 IPM 의 파괴되지 않도록 한다. 검출시간·레벨은 그림 4 를 참조한다.* V-시리즈는 OC 보호기능이 없다.

그림 4. 보호 레벨·타이밍도

단락하는 곳은 IPM(이상상태에서 제어신호를 동시에 ON 시켜 Upper, Lower arm 을

강제적으로 단락시킬 때)·배선코드(피복열화로 선간접촉된 때)·모터내부(절연열화로

지락이 발생한 때)가 상정된다. 이 중 최악의 조건에도 보호할 수 있도록 설정하기

때문에 완화한 조건에서는 보다 안전하게 정지할 수 있다.

① IPM 의 OC레벨, SC레벨은 그림 5 과 같으며, 각각 10us 및 2us 정도의

통전시간에서 보호하도록 설정한다.

그림 5. OC레벨, SC레벨

보호동작하면 OC SC

SCOC

150%100%

그림 6

② 그림 6 에서와 같이 100% 모터정격 전류는 T c=100℃에서 연속운전할 수 있다. 그

뒤에 150% 모터 정격전류를 60s 통전시키는 것은 불가능하다. ① 의 경우에 대해서는

보호기능이 동작하지만, ② 의 경우 정상시에는 보호기능(OC, SC, OT 등)이 동작하지

않는다. 그러나, 취부 등에서 문제가 있는 경우(예를 들면, 소자와 발연핀 사이에

접촉성이 나쁜 경우등)에 베이스판-주변 사이의 열저항이 커져서 OT 가 동작한다. 또한, 노이즈등에 의한 OC레벨을 넘는 10us 이하의 전류와 SC레벨을 넘는 2us이하의 전류가 연속으로 발생한 경우, OT 가 동작하기 전에 T j가 상승하여 chip 이

열파괴 된다.

FO 출력파형과 타이밍에 대해서

① OC 동작 과정 설명

a1. 정상동작 = IGBT ON = 출력전류 있음

a2. 과전류검출(OC trigger) <--- 10us 노이즈 제거 포함

a3. IGBT gate 차단

a4. IGBT ONa5. FO 타이머 - 동작개시 ---> 펄스 폭 고정(=TA), 연장시키지 못함

a6. 입력 = "H" = OFFa7. 입력 = "L" = ONa8. IGBT 는 OFF 마다 <--- (a6～a7) 이 TA 보다 짧은 시간에 일어날 때

인버터정격

인버터정격

제어입력

보호회로상태

출력전류I(A)

에러출력Fo

② SC 동작 과정 설명

a1. 정상동작 = IGBT ON = 출력전류 있음 <--- 1us 노이즈 제거포함

a2. 과전류검출(SC trigger)a3. IGBT gate 를 soft 차단

a4. IGBT 천천히 OFFa5. FO 타이머 - 동작개시 ---> 펄스 폭 고정(=TA 에), 연장시키지 못함

a6. 입력 = "H" = OFFa7. 입력 = "L" = ONa8. IGBT 는 OFF 마다 <--- (a6～a7)이 TA 보다 짧은 시간에 일어날 때

내부 IGBT게이트전압

Fo신호가 해제되어 제어입력가 OFF("H")신호로 리셋시킨다.

이 시점에서 재동작 한다.

제어입력

보호회로상태

출력전류I(A)

에러출력Fo

③ OT 동작 과정 설명

a1. 정상상태 = IGBT ON = 출력전류 있음

a2. 과열검출(OT) <--- 10us 노이즈 제거포함

a3. IGBT OFF <--- 제어입력의 형태에 관련하여, OFFa4. 과열검출 reset(OTr) <--- 10us 노이즈 제거포함

a5. 정상동작 = IGBT ON = 출력전류 있음

OC 와 같은 형태, FO

해제후 자동적으로 리셋되어 재동작한다.

내부 IGBT게이트전압

제어입력

보호회로상태

출력전류I(A)

에러출력Fo

케이스 온도 Tb

제어입력

보호회로상태

출력전류I(A)

에러출력Fo

제어전원 전압 VD

④ UV 동작 과정 설명

a1. 정상동작 = IGBT ON = 출력전류 있음

a2. 제어전원 전압저하(UVt) <--- 10us 노이즈 제거포함

a3. IGBT OFF <--- 제어입력의 상태에 관련하여, OFFa4. 제어전원전압저하(UVr) <--- 10us 노이즈 제거포함

a5. 정상동작 = IGBT ON = 출력전류 있음

IPM 은 최대정격 이내에서 사용할 때만, 동작을 보증한다. 반복적이지 않은 이상에

대해서, 과전류보호(OC), 단락보호(SC)가 동작하도록 설계하기 때문에 최대정격을

넘는 정상적인 스트레스를 인가하지 않아야 한다.

IPM 에서 FO 가 출력되면, 시스템측에 이상처리 모드로 이행하여 IPM 을

정지시키도록 한다.

에러-출력될 때, IPM 의 보호동작에 만 의존하는 것은 위험하다.에러-출력되어 제어신호를 정지시켜서 동작을 정지시키지 않도록 해야 한다.

그렇지 않으면, 이상상태를 반복하여 스트레스를 가하게 되어 IPM 을 파괴한다.

◎ OC 에 대해서

과전류에는 OC 검출 >> 보호 >> 차단에서 정지하면 정지시간은 일정하고

래치시키지는 못한다. 이 때문에 PWM 동작 모드에서 계속 입력신호를 받으면 타이머-종료(FO 해제) 후의 제어입력신호로 리셋시켜서 다시 스위칭한다. OC 조건이 계속되면

반복하여 보호 >> 정지 >> 재동작 >> 보호 >> 재동작 ... 으로 된다.이것은 IGBT chip 의 한계 부근에서의 사용법이고, 과도 chip온도 상승, 즉, 열파괴하는 원인이 된다.

◎ SC 에 대해서

과전류와 같게 보호정지시간은 일정하고 래치 시키지 않아야 한다. 또한 단락은

시스템측에서 동작모드를 변경하여도 해결되지 않는다. 안전하게 사용하려면 원인을

제거하고 재기동 시켜야 한다.주) 단락일 가능성은 인버터의 제품수명 중에 수회 정도로 상정하고 있다. 단락회수에

대해서는 품질을 보증하지 않지만 IPM 의 단락내량은 100 회 이상이다.

◎ OT 에 대해서

과열보호가 동작하는 원인은 과부하 또는 주변환경의 이상이다. 동작모드를 변경하여

전력손실(발열)을 낮추어야 한다. 과도한 과부하(예를들면, IPM 을 사용한 범용

인버터가 모터 Lock-mode 로 되어 대전류가 흘러서 IGBT chip 의 접합온도가

급변하여 상승할 때) 등에는 대응할 수 없다. 이처럼 과부하도 포함하는 열설계를

확실히 해야 한다.

◎ UV 에 대해서

제어전원에 급준한 리플이 가해지면 내부의 제어 IC 가 오동작하여 전원전압저하

보호가 동작한다. 따라서, 노이즈가 적은 안정한 전원을 공급해야 한다.

IGBT 의 게이트부는 MOS 구조이기 때문에 정상상태에는 모든 전류는 흐르지 않는다. 그러나, 게이트 용량(QG)을 가지기 때문에 ON/OFF 시에는 충방전 전류가 흐른다. ② 이 전류를 공급하기 위해 IPM 의 제어전류에도 ③처럼 전류를 흘린다. 제어전원은 이

리플전류를 흡수할 수 있는 회로구성을 해야 한다.

<네 번째 글 후기>이번에는 IPM 사용상의 유의점에 대해서 다루었습니다. 각종 보호동작의 시퀀스를 상세히 설명한 것이므로 좋은 참고자료가 되리라

생각됩니다. 여러분께 얼나마 도움이 되고 있는지 모르겠습니다. 큰 도움이 되지

않는다 해도 그래도, 평소에 갖는 자그마한 의문들이 해결되었길 바랍니다. 다음에는

“IPM 인터페이스와 스위칭 손실, 열설계”에 관한 내용을 다루려고 합니다. 많은 성원

부탁드립니다.

2001 년 1 월 8 일

정종호

입

IGBTgate

(1～5A) 정도

피크(1～5A) 평균(10～50mA회로전류

인터페이스 회로 예

a. 중용량 IPM 인터페이스 회로 예중용량 IPM 시리즈의 포토커플러 인터페이스 회로의 실장 예를 참조한다.중용량 IPM 시리즈에는 제어전원은 P 측 3 회로 독립, N 측은 회로로 공급한다. 4층기판등에 의한 정전 실드를 사용하는 등 노이즈 대책에는 충분한 배려를 해야 한다.

2. 중용량 V 시리즈

b. 대용량 IPM 인터페이스 회로 예대용량 IPM 시리즈의 포토커플러 인터페이스 회로의 실장 예를 참조한다.대용량 IPM 시리즈에는 제어전원은 6 회로 독립으로 공급한다. 포토커플러를 도는 노이즈 대책에는 4층 기판등에 의한 정전실드가 효과적이다. 절연거리에 주의하여 패턴을 검토해야 한다.

가이드 핀

실드

포토커플

가이드핀

저속 포토커플러

고속

콘넥 포토커플러

소용량 IPM 용 인터페이스 회로 예

인터페이스 회로

디지탈GND中層 실드

제어

실드 VNC(W)에 접지

포토커플러실드 실드 실드

반대면

부품면

IPM(Intelligent Power Modules)은 제어입력과 사고(fault)출력 인터페이스에

포토커플러를 사용하여 설계한다. 대부분 포토커플러는 시스템 제어기와 간단하고

저비용으로 절연하여 인터페이스를 하도록 해 준다.여기에서는 두 종류의 포토커플러를 사용하여 회로 구성 예를 보이고자 한다. 제어

입력 on/off 신호는 고속 포토커플러를 사용하여 시스템 제어기로 부터 전송한다. 보통

고속 포토커플러는 0.1uF 필름 또는 세라믹 절연 캐패시터를 VCC와 GND 가까이에

접속한다. 제어입력 풀업 저항값은 고임피던스 입력에 의한 노이즈를 피하기 위해

충분히 낮은 것을 선택해야 하며 낮은 전류 전송비를 가지는 고속 포토커플러를 위해서

충분히 높아야 입력 low 를 끌어서 확실히 trun on 되도록 할 수 있다. 회로에는 HCPL-4504 포토커플러를 사용하였다. 이 포토커플러는 주로 15,000V/us 의 고속 공통모드

과도특성에 대해 주로 사용된다. IGBT 전력회로 포토커플러의 신뢰성 있는 동작을

위해서 최소한 10,000V/us 의 공통 모드 노이즈 특성을 가져야 한다. 저속

포토커플러는 fault 출력과 brake 입력을 위해 사용할 수 있다. 저속 포토커플러는

저비용과 높은 전류 전송비의 장점이 있다. 인터페이스 회로에는 brake 와 fault 신호를 전송하기 위해서 저속 포토커플러는 Sharp PC817 을 사용하였다. 스위칭

노이즈는 포토커플러를 통해 전달된다. 약 10ms 의 시정수를 가지는 RC 필터를 이

노이즈 제거를 위해 포토커플러의 출력에 추가한다. 1.5ms 의 긴 fault 출력신호는 이

필터를 추가함으로써 거의 영향을 주지 않는다. 인터페이스 회로를 레이아웃 할 때는

항상 인터페이스 회로 레이아웃 가이드라인을 따른다.

P 측 인터페이스 회로 예

N 측 인터페이스 회로 예

인터페이스 회로 레이아웃 가이드 라인

1. 최대 인터페이스 절연유지.

IPM 에서 게이팅 전원은 P 측은 각상에 대해서 절연(isolation)해주어야 하고, N측은 같은 게이팅 전원을 사용할 수 있습니다.

P 측 인터페이스 회로예는 각 상의 전원이 각각 공급되고 있으며, fault 신호관련 포토커플러는 저속(PC917)을 상 스위칭에 관련된 포토커플러는 고속(HCPL4503, HCPL4504)등이 사용됩니다. 물론, 고속포토커플러 기준을 만족하면 다른 소자를 사용할 수 도 있습니다. 다음 장에서 다룰 “인터페이스 레이아웃 가이드라인”을 만족하면 됩니다.

위 회로와 같음

위 회로와 같음

<참고> 포토커플러 입력단에 보면 신호가 들어가고 나머지 하나는 어떻게 해야하나 고민하시는 분 있으신가요. 또, 무대뽀로 GND 에 연결하지 뭐 하고 사고내시는 분은 없겠죠. 이 부분은 Sink Driver(트랜지스터 어레이)를 사용하면 됩니다요. 자료실에도 데이터 시트가 있습니다요. ULN2803 요.

2. 최대 제어 전력 전원 절연유지

3. IPM 과 인터페이스 회로 간의 거리를 짧게 한다.

4. 전원과 포토커플러에 대해서 디커플링 캐패시터 사용한다. - Fast switching IGBT 전력회로는 dv/dt 와 di/dt 노이즈를 발생시킨다.

5. 실드(shielding) 사용

- PCB 보드 실드 층은 제어 coupled dv/dt 노이즈에 도움이 된다.

6. High common mode rejection(CMR)을 가지는 고속 포토커플러는 신호입력을

위해 사용된다.tPLH , tPHL < 0.8usCMR > 10kV/us@VCM = 1500V적당한 포토커플러는 HCPL4503, HCPL4504(Hewlett Packard), PS2041(NEC). 보통 고속 포토커플러는 포토 가까이에 0.1uF 의 디커플링 캐패시터를 붙인다.

7. 제어 입력 풀업 저항은 고 임피던스의 IPM 입력에 의한 노이즈를 피하기 위해서

충분히 낮아야 하며 고속 포토커플러가 요구되는 최대 VCIN(ON)이하로 안전하게 끌어

내도록 충분히 커야 한다.

8. IPM 스위치가 실제 응용에 사용되지 않는다면 제어전원을 적용해야 한다. 사용되지

않는 스위치를 안전하게 off-state 를 유지하기 위해서 관련된 신호 입력단자는

제어전원(VD 또는 VSXR)으로 저항으로 풀업한다.

9. 사용되지 않는 fault output 은 노이즈를 피하고 원하지 않는 내부 보호회로의

동작을 막기 위해서 high 로 묶어두어야 한다. 사용되지 않는 fault 출력은 절연 제어

전원의 +15V 에 직접 접속한다.

<다섯 번째 글 후기>

지난번에 “스위칭 손실과 열설계”까지 예정했었는데, 이번 회에는 IPM 인터페이스에

대해서만 다루었습니다. 스위칭 손실과 열설계에 대해서는 다음 회에 다루겠습니다. 참고로 제가 내일(1 월 9 일과 10 일)부터는 ‘교원연수’를 받으러 갑니다 한마디로 한 2～3 일 정도 후에나 다시 글을 올리겠다 이거죠.

2001 년 1 월 8 일

정종호