變速驅動需求

變速電機驅動為家電、工業和商用這類設備(如空調)帶來許多好處。這些好處包括提高了能量效率,改進了可靠性,減小了震動,減小了電器噪音等。目前,歸功于從功率半導體技術到器件(如IGBT和功率MOSFET)取得的進展,以高效率和具有成本效益地實現上述變速驅動已經不成問題。設計中的一個關鍵問題是,如何保護所用的IGBT和MOSFET免于遭到短路、過流以及接地不良所造成的損壞。

在這些設計中,逆變器和電機相電流的傳感是一個關鍵要求,因為它是電流模式控制和過流保護的基礎。前者要求高精度和高線性度,而后者則要求響應快。實際上,可以通過與DC總線的正負極、IGBT的相臂或電機的相線抽頭相串聯的方式來提取電流信號(圖1)。要提取的信號還有基本變頻電機電流的脈沖寬度調制包絡(以固定載頻)。因此,需要采用相當復雜的采樣保持外加數字信號處理的電路來提取具有高線性度和高精度的有用電流信息。

在單個的IGBT相臂上獲取的采樣電流比較容易處理,但需要涉及到載波頻率采樣。迄今為止,最為簡單的可用電流信號來自電機的相線抽頭。信號所包含的只有基本的變頻電機電流。這里最復雜的是,幅度僅為毫伏級的弱差分信號浮在電壓高達600V到1200V共模電壓上面。此外,由于IGBT逆變相位的影響,共模電壓的擺幅將從-DC到+DC,擺率高達10V/ns。

高壓IC技術

目前,高壓IC技術取得的進展使得設計師能夠采用優良的、節省空間的和元器件較少的方案,這些方案解決了先進驅動設計中所需的保護問題和電流傳感問題。例如,IR公司所屬的HVIC技術,制造時,將一個低端接地的CMOS電路與一個高端浮動的CMOS橫靠在一起,中間用一個N或P溝道LDMOS區隔離(圖2)。LDMOS的任務是執行電平轉移,即將控制信號傳過位于低端和高端電路之間的高壓柵。這樣做的結果是將MOSFET和IGBT的驅動和保護電路集成到了一個單芯片中。同時,該HVIC技術還實現了浮動在大共模電壓的弱小差分電壓的傳感,即便是包含有快速的瞬變。因此,該HVIC技術是制造高壓傳感接口IC的理想基礎。

IR公司利用自己的這項技術,開發了一系列不同的、高速和高壓IGBT控制IC和傳感IC,使得小小芯片具備完善的保護功能。這些IC提供了一系列復雜的保護功能,包括接地不良保護,而該功能曾經只有在高端系統中才具備。除了這些先進的功能外,相對于分離的光耦或變壓器解決方案,這些IC具有高噪聲免疫性能,元器件數量降低了30%,占位面積則減小了一半。因而,設計師可以將PCB面積減少到50%。

圖1。用于提取電流信號的電流傳感方法。

圖2:采用HVIC技術的半導體器件截面圖。

工業用HVIC

IR22381是一款模擬的三相IGBT門驅動器。該器件的死區時間僅為0.5μs,比相應的光耦驅動器快10倍。另外,該器件還將溫漂以及由此產生的性能變化減到了最小。

該器件含有一個去飽和功能,提供給所有模式的過流保護,包括接地不良、穿越或短路到電源軌的保護。在已開始出現過流條件時,器件將會軟關斷,隨后就徹底關斷所有的6個輸出。該器件有一個關斷輸入,通過該輸入用戶可以控制關斷。該器件的死區時間可編程控制,并且輸出驅動器具有分離的導通/關斷引腳,該引腳具有兩級導通輸出,以實現所要求的IGBT dv/dt開關電平。其電壓反饋提供了精密測量,還有一個自舉電源,從而不需要再加一個輔助電源。

IR2277和IR22771是高速單相電流傳感器接口IC,帶有同步采樣,可用于電機驅動方面的應用。通過一個外部并聯電阻來傳感電流,該電阻通過一個精密的雙斜坡積分電路將模擬電壓轉換成一個時間間隔。該時間間隔的電平被轉移,提供數字PWM輸出給DSP和模數接口,而無需另外的邏輯電路。其最大吞吐率是40k采樣/秒(適合于頻率高達20kHz的不對稱PWM調制),20kHz上的最大延遲小于7.5μs。還有一個噪聲免疫雙向電平移位電路,用來避免高達50V/ns的dV/dt噪聲。IR2277既有模擬也有PWM輸出,而IR22771只有PWM輸出。

IR2214和IR22141用來驅動電源開關應用以及三相380VAC電路中單獨的半橋電路,電流高達50A,溫度高達80°C。與采用光耦的方案不一樣,IR2214和IR22141門驅動在整個壽命中提供良好的穩定度,還包括參數匹配,例如用于高端和低端通道的傳播延遲以及死區插入。高端的低靜態電流實現了經濟的和節省空間的自舉電源。器件中含有IGBT上的故障反饋去飽和,當用在多相配置時自動關斷IGBT。在IR2214中,含有用于高/低雙端的去飽和檢測以及一個內部偏置電阻,而IR22141中則包含一個額外的有源去飽和二極管偏置電路。IR2214和IR22141可以通過一個專用引腳連接在一起,來防止驅動系統的相間短路。輸入和輸出引腳兼容 CMOS,從而簡化了微處理器連接。器件采用分離的電源地和信號地引腳,可以實現發射極分路配置,簡化了低端的IGBT電流傳感。這兩種器件的封裝是SSOP-24。

對于家電中的電機驅動和大范圍的通用逆變電路,可以將1200V HVIC設計成600V版本。詳見表。

表:利用HVIC技術制造的高功率驅動IC系列。

作者:David Tam

IR公司