Suurnopeushilaohjain IGB-transistoreille

Abstract

Hilalta ohjattavien tehokytkimien, kuten IGBT tai MOSFET, ohjaaminen toteutetaan ohjausjännitettä muuttamalla. Hilaohjaimen tehtävä on ladata tehokytkimen hilakapasitanssia ohjattuun jännitteeseen. Hilaohjaimen siirtämän varauksen suuruuteen vaikuttaa hilakapasitanssin todellinen suuruus ja käytettävä ohjausjännite. Hilaohjaimen virrankäsittelykyky määrittää hilaohjaimen nopeuden siinä mielessä, että ohjattavan komponentin hilavaraus tulisi pystyä lataamaan ja purkamaan tietyssä suhteessa kytkentätaajuuteen. Kytkentätaajuuksien kasvaessa myös hilaohjaimen virrankäsittelykyky sekä hilaohjaimen teho joutuvat uudelleen arvioitaviksi. Työssä perehdytään IGBT:n toimintaan ja hilaohjainratkaisuihin suurilla kytkentätaajuuksilla. Työssä ontutkittu mahdollisuutta rakentaa IGBT:n hilaohjain jo markkinoilla olevista MOSFET:ien hilaohjaimista. Suurnopeushilaohjaimesta suunnitellaanja rakennetaan prototyyppi. Prototyypin suoriutumista tehtävistään tarkastellaan tekemällä mittauksia. Lopuksi arvioidaan asioita joiden tulee muuttua matkalla kohti megahertsien kytkentätaajuuksia.

Driving of the power switches, such as IGBT or MOSFET, whose state is controlled from the gate is realized by changing the driving voltage. Thepurpose of a gate driver is to charge the gate capacitance of the power switch to the driven voltage. The amount of the charge that the gate driver must transfer is influenced by the effective gate capacitance and the driven voltage. The current-handling capacity of the gate driver defines the speed of the gate driver. That is because the gate charge of the driven device must be transferred within a certain relation to the switching frequency. Both the current-handling capacity and the power-handlingcapacity of the gate driver must be re-evaluated as the switching frequency rises. In this Master's thesis, the functioning of the IGBT and the approaches to the gate drivers for high frequencies are being reviewed. The opportunity to build up a gate driver for IGBT from the commercial drivers of MOSFET has been studied. A prototype of a high-speed gate driver is designed and built. The characteristics of the prototype are analyzed by making the required measurements. Finally, the required changes while reaching the megahertz-frequencies are being evaluated.