Dual Level Gate Driver: an Energy Saving System for Motor Drive

Inverter technology for motor driving is becoming more and more widespread over the most various application thanks to the cost-effective and power-saving approach it has introduced. While new power switches are starting to enter the market, most of the motor driving systems are still using IGBTs. In order to optimize motor driving performances and efficiency, transition time and switching energy have to be reduced as much as possible. In doing so, either energy can be saved and/or operating frequency increased. One of the most critical topics in motor drive is the dV/dt control, i.e. the tuning of motor phase (VS) slope during transients. In fact, a too quick VS would affect the EMI spectrum, while a slow one would impact switching frequency and energy. Furthermore, power switches are well known for the non-linearity of their Miller capacitance, Cres, which can vary of more than one order of magnitude over VCE. By standard driving techniques, feeding a constant current to a variable capacitance, VS will result in a waveform with two different slopes, a faster one for high VCE and a slower one when VCE decreases and the Cres increases. This slower part will be referred to as tail region. In this work a solution to erase the tail region, and thus saving switching energy is presented, the Dual Level Gate Driver (DLGD), which, by sensing the IGBT's VCE and activating a current boost can effectively improve the switching transient. The solution feasibility will be explored via two test chips and results presented, highlighting both improved features and possible future improvements.

L’inverterizzazione dei sistemi a motore sta diventando sempre più diffusa sulle più varie applicazioni grazie al risparmio energetico ed economico che questa ha introdotto. Nonostante gli switch di nuova generazione stiano cominciando a entrare in questo mercato, la maggior parte dei sistemi sfrutta ancora gli IGBT. Per poter ulteriormente ottimizare le prestazioni energetiche dei sistemi inverter, i tempi di transitorio devono essere ridotti e l’energia del singolo evento di switch diminuita. In questo modo sarebbe possibile a parità di frequenza di switch usare meno energia o, a parità di energia, aumentare la frequenza di switch. Uno dei problemi più diffusi legati al driving di motore è il controllo del dV/dt sulla fase del motore stesso (VS). Infatti, un transitorio troppo veloce porterebbe a sforare i limiti EMI, mentre un trnaistorio troppo lento a sprecare energia. Questo si combina con la nota non linearità della capacità di Miller, Cres, dei transistor ad alta potenza: essendo una capacità dipendente dalla tensione applicata tra collettore ed emettitore (VCE) dell’IGBT, su alti intervalli di tensione questa può variare di oltre un ordine di grandezza. Se il driving viene effetuato con un metodo standard, il risultato è la formazione di due diverse pendenze sulla VS: una più veloce per alte VCE, una più lente per VCE basse, quando Cres è più grande. Questa parte più lenta è chiamata “regione di coda”. In questo lavoro viene proposta una soluzione per tagliare la regione di coda in modo da ridurre l’energia implicata nel transitorio: il Dual Level Gate Driver. Tramite un sensig della VCE dell’IGBT, un boost di corrente viene attivato quando la VS entra nella regione di coda, così da compensare il cambio nella capacità di carico e migliorare le performance di transitorio. La fattibilità della soluzione totalmente integrata viene esplorata tramite due test chip, i cui risultati vengono presentati sottolinenado il miglioramento nelle prestazioni e gli sviluppi futuri per questo progetto.