Active gate switching control of IGBT to improve efficiency in high power density converters
Thesis submitted in partial fulfilment of the requirement for the PhD degree issued by the Universitat Politècnica de Catalunya, in its Electronic Engineering Program
BY Hamidreza Ghorbani
Director: Dr. Prof. Jose Luis Romeral Martinez
Co-Director: Dr. Eng. Vicent Sala -May 2019
Abstract
Insulated gate bipolar transistor (IGBT) power semiconductors are widely employed in industrial applications. This power switch capability in high voltage blocking and high current-carrying has expanded its use in power electronics. However, efficiency improvement and reducing the size of products is one of main tasks of engineers in recent years. In order to achieve high-density power converters, attentions are focused on the use of fast IGBTs. Therefore, for achieving this desire the trend is designing more effective IGBT gate drivers. In gate drive (GD) controlling, the main issue is maintaining transient behavior of the MOS-channel switch in well condition; when it switches fast to reduce losses. It is well known that fast switching has a direct effect on the efficiency improvement; meanwhile, it is the major reason of appearing electromagnetic interference (EMI) problems in switched-mode power converters. Nowadays the most expectant of an active gate driver (AGD) is actively adjusting the switching transient through simple circuit implementation. Usually its performance is compared with the conventional gate driver (CGD) with fixed driving profile. As a result a proposed AGD has the capability of increasing the switching speed while minimizing the switching stress. Different novel active gate drivers (as feed-forward and closed-loop topologies) have been designed and analysed in this study. To improve the exist trade-off between switching losses and EMI problem, all effective factors on this trade-off are evaluated and considered in proposed solutions. Theoretical developments include proposed controlling methods and simulated efficiency of IGBTs switching control. The efficiency improvement has been pursued with considering EMI study in the proposed active gate controller. Experimental tests have been conducted to verify the design and validate the results. Beside technical aspects, cost study has also considered in the closed-loop GD. The proposed gate drivers are simple enough to allow its use in real industrial applications.
RESUMEN
Los semiconductores de potencia (IGBT) se emplean ampliamente en aplicaciones industriales. La capacidad de este interruptor de bloqueo en alta tensión y conducción de alta corriente ha ampliado su uso en la electrónica de potencia. Sin embargo, la mejora de la eficiencia y la reducción del tamaño de los convertidores de potencia es una de las tareas principales de los ingenieros de diseño. Para lograr convertidores de potencia de alta densidad y eficiencia, se requiere el uso de IGBT rápidos. Por lo tanto, la tendencia es diseñar controladores de puerta para IGBT más efectivos. En el control de la unidad de puerta (GD), el problema principal es mantener el comportamiento transitorio del conmutador del canal MOS bajo control, cuando conmuta a lata frecuencia para reducir las pérdidas. Es bien sabido que la conmutación rápida tiene un efecto directo en la mejora de la eficiencia; Sin embargo, la alta frecuencia de conmutación es la razón principal de la aparición de problemas de interferencia electromagnética (EMI) en los convertidores de potencia de modo conmutado. En la actualidad, la acción más directa para un controlador de puerta activo (AGD) consiste en el ajuste activo del transitorio de conmutación a través de la implementación de un circuito simple. Para evaluar su eficiencia, su rendimiento se compara con el controlador de puerta convencional (CGD) con perfil de conducción fijo. Los resultados muestran que la propuesta de AGD tiene la capacidad de aumentar la velocidad de conmutación mientras minimiza el stress. En este estudio se han diseñado y analizado diferentes controladores de puerta activa novedosos (como topologías de control en avance y de bucle cerrado). Para mejorar el balance existente entre la reducción de pérdidas y los problemas de EMI, todos los factores que afectan a las pérdidas y la EMI se evalúan y se consideran en las soluciones propuestas. Los desarrollos teóricos incluyen el análisis y desarrollo de los métodos de control propuestos, la simulación de la operación del control de conmutación del IGBT, y la validación experimental. Además de los aspectos técnicos de eficiencia y emisiones electromagnéticas, el estudio de costes también se ha considerado en los análisis de AGD. Los resultados muestran que los controladores de puerta propuestos son lo suficientemente eficientes y económicos como para permitir su uso en aplicaciones industriales reales [-]
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