신재생에너지 번역

신재생에너지 번역(한국어 번역)

신재생에너지 게이트 드라이버
비절연 게이트 드라이버 싱글-채널 UCC27531은 소형이기 때문에 앞서 설명한 환경에 매우 적합하다. IC의 입력 신호는 옵토커플러나 디지털 절연기를 통해 공급된다. 공급/출력 드라이버의 전압이 10-35 V로 높아 IGBT/Sic FET 애플리케이션뿐만 아니라 12-V Si MOSFET 애플리케이션에도 이상적이다. 잘못된 턴온으로부터 전력 스위치를 보호하는 데에는 차단 시 음성 전압 풀다운뿐만 아니라 더 높은 양성 게이트 드라이브가 일반적이다. 일반적으로 SIC FETs는 에너지원에 따라 +20/-5-V 게이트 드라이버를 통해 구동된다. 이와 유사하게 IGBTs의 경우, 시스템 설계자들은 예를 들어, +18/-13-V를 이용할 수 있다 (그림 3).
UCC27531은 rail-to-rail 드라이버이므로 OUTH가 에미터(emitter)에 따라 전력 스위치 게이트를 18 V VDD로 끌어 올린다. OUTL은 에미터에 따라 게이트를 드라이버의 –13V GND로 떨어뜨린다. 드라이버는 GND에 따라 VDD에서 31 V 또는 +18에서 –13 V이 효율적으로 보인다. 또한 35-V 정격은 노이즈와 링잉(ringing)으로 인한 IC 과전압 장애를 예방할 수 있는 마진을 제공한다.
OUTH와 OUTL가 모두 있는 스플릿(split) 출력은 사용자가 턴온 전류 (소싱)와 턴오프 (싱킹) 전류를 따로따로 관리할 수 있게 해준다. 이는 노이즈와 전자파 간섭에 대한 요건에 부합하도록 스위칭 시간을 제어하고, 효율성을 최대화하는데 도움이 된다. 또한 스플릿 출력의 경우에도 싱글 게이트 드라이버는 출력단의 인덕턴스를 최소한으로 유지해 과도한 링잉과 오버슈트(overshoot)를 막아준다. 비대칭 드라이브 (2.5-A 턴온과 5-A 턴오프)가 있으므로 UCC27531은 고전력 신재생에너지 애플리케이션의 평균 스위치 타이밍에 최적화된다. 또한 풀다운 임피던스가 낮아 게이트가 컬렉터와 IGBTs 게이트 사이의 그리고 FETs 게이트와 드레인(drain) 사이의 밀러효과 와류 용량(parasitic Miller-effect capacitance)으로 인해 잘못된 턴온이 발생할 수 있는 전압 스파이크(spike)를 겪지 않으므로 이 드라이버의 신뢰도가 증대된다. 스위치가 턴 오프되면서 컬렉터/드레인 전압이 급격하게 상승하는 경우, 이러한 내부 정전용량은 게이트에서의 풀업으로 인해 턴온 문턱 전압을 초과하게 되는 원인이 될 수 있다.
UCC27531의 입력단 또한 신재생에너지와 같이 신뢰도가 높은 시스템을 위해 설계된다. 이는 공급 전압과 상관없이 TTL/CMOS 입력이라고도 하며, 표준 TTL-레벨 신호와 호환이 가능하다. 이는 전통적인 TTL에서 나타나는 일반적인 0.5-V 히스테리시스(hysteresis)에 비해 약 1 V라는 더 높은 히스테리시스를 제공한다. 어떠한 이유로 입력 신호가 소실되고 플로팅(floating)되면, 출력이 풀 로우(pull low)된다. 또한 드라이버 IC의 GND 전압이 크게 변하고, 에지 스위칭을 하는 동안 GND가 크게 변동하면 입력 신호가 음성으로 나타날 수 있다. 이 드라이버는 이러한 사건이 발생하는 동안 입력 (IN)이나 인에이블 (enable, EN)에서 지속적으로 최대 –5 V로 전압을 조정해 이러한 문제를 처리한다.
UCC27531은 3×3-mm 산업용 표준 SOT-23 패키지로 제공되며, 이는 음극성 입력 기능이 없는 이산 레벨 시프터(shifter)가 있거나 보호 장치가 추가되어 있는 이산 2-트랜지스터 솔루션과 치열한 경쟁을 벌이고 있다. 공간이 절약되는 것은 물론이고 UCC27531의 기능이 싱글 IC 패키지에 통합되어 있어 시스템의 전반적인 신뢰도가 증대된다.
이 싱글 채널 드라이버는 전력 스위치 게이트에서 매우 가까운 위치에 배치할 수 있기 때문에 매력적인 옵션이다. 배치는 싱글 IC의 하이 사이드/로우 사이드 게이트 드라이버 조합보다 유연하다. 이러한 유연성은 드라이버와 전력 스위치 사이의 인덕턴스를 최소화하고, 설계자가 스위치의 게이트를 효율적으로 제어하는데 도움이 된다. 그림 2는 얼마나 많은 고전력 스위치가 DC-to-AC 스테이지의 단상(single phase)에 있는지를 보여준다. DC와 AC 간의 그리고 AC와 DC 간의 변환이 여러 번 일어나고, 일부 애플리케이션에 필요한 DC-to-DC 변환 부스트 스테이지가 있는 3상 완전 시스템에는 다수의 게이트 드라이버가 필요하다. 각각은 반드시 적합한 설계가 보장되도록 PCB에 전략적으로 배치되어야 한다.

결론

신재생에너지 애플리케이션에서, 시스템 설계자에게 고유한 과제는 태양광 집열판과 풍력 터빈으로 생산된 전력을 변환시키는 것이다. 이러한 과제들에는 안전성과 신뢰도 요건에 부합하는 고전압과 전력 수준 그리고 완전히 상호 연결된 시스템의 총체적인 복잡성이 포함된다. 전력 스위치용 게이트 드라이버는 전체 시스템 제어와 전력 흐름에 있어 미미한 부분으로 보일지라도, 사실상 전체적인 설계 성능에 있어 매우 중요하다.

신재생에너지 번역(영어 번역본)

Gate drivers in renewable energy
As a small, non-isolated gate driver, the singlechannel UCC27531 is a good fit for the environment described. Its input signals to the IC are provided by an optocoupler or digital isolator. Its high supply/outputdrive voltage range of 10 to 35 V makes it ideal for 12-V Si MOSFET applications as well as for IGBT/SiC FET applications. Here, a higher positive gate drive is typical, as well as a negative voltage pull-down on shutoff to prevent the power switch from false turn-on. Typically, SiC FETs are driven by a +20/–5-V gate driver relative to the source. Similarly, for IGBTs, system designers may use a +18/–13-V gate drive, for example (see Figure 3).

Since the UCC27531 is a rail-to-rail driver, OUTH pulls up the power-switch gate to its VDD of 18 V relative to the emitter. OUTL pulls down the gate to the driver’s GND of –13 V relative to the emitter. The driver effectively sees +18 to –13 V, or 31 V from VDD relative to its own GND. Further, the 35-V rating provides a margin to prevent overvoltage failure of the IC due to noise and ringing. The split output with both OUTH and OUTL permits the user to control the turn-on (sourcing) current and turn-off (sinking) current separately. This helps to maximize efficiency and maintain control of the switching times to comply with requirements for noise and electromagnetic interference. Further, even with a split output, the singlegate driver maintains a minimum inductance on the output stage, preventing excessive ringing and overshoot. By having an asymmetrical drive (2.5-A turn-on and 5-A turn-off), the UCC27531 is optimized for average switch timing in high-power renewable-energy applications. Further, with the low pull-down impedance, this driver increases reliability by ensuring that the gate does not experience voltage spikes that could lead to false turn-on from the parasitic Miller-effect capacitance between the collector and gate for IGBTs and between the drain and gate for FETs. This internal capacitance can lead the gate to exceed the turn-on threshold voltage by pulling up on the gate when the collector/drain voltage rapidly increases during turn-off of the switch.

The input stage of the UCC27531 is also designed for high-reliability systems like renewable energy. It has a socalled TTL/CMOS input that is independent of the supply voltage, allowing for compatibility with standard TTL-level signals. It provides a higher hysteresis of about 1 V when compared to the usual 0.5-V hysteresis seen in classic TTL. If the input signal is lost and becomes floating for any reason, the output is pulled low. Also, with the large changes in voltage on the GND of the driver IC, it is possible for the input signals to appear negative if the GND bounces high during a switching edge. This driver addresses this concern by handling up to –5 V continuously on the input (IN) or enable (EN) during these events. The UCC27531 comes in a 3 x 3-mm, industry-standard SOT-23 package, which is very competitive with a discrete two-transistor solution that has a discrete level shifter without negative-input capability or added protections. Beyond the obvious space savings, integrating the UCC27531’s functions into a single IC package increases the system’s overall reliability. This single-channel driver is an attractive option because it can be located very close to the power-switch gate. Placement is more flexible than for a combination high-side/low-side gate driver in a single IC. This flexibility helps minimize the inductance between the driver and power switch and gives the designer better control of the switch’s gate. Figure 2 shows how many high-power switches are in just a single phase of a DC-to-AC stage. Over a complete three-phase system with multiple conversions between DC and AC and back, and with boost stages of DC-to-DC conversion also needed in some applications, there becomes a need for many gate drivers. Each one must be strategically placed on the PCB to ensure a proper design.

Conclusion
In renewable-energy applications, conversion of power generated from solar arrays and wind turbines presents unique challenges to the system designer. These challenges include high voltages and power levels, meeting safety and reliability requirements, and the overall complexity of the completely interconnected system. Although gate drivers for power switches seem like a small part of the total system control and power flow, they are actually very important to the overall design performance.