用于可變速電機驅(qū)動設(shè)計的HVIC技術(shù)

最新的HVIC(高壓集成電路)技術(shù)使得大多數(shù)必需的反饋和保護器件可以制作在一個基片上，這樣就可以在范圍更大的市場和應(yīng)用里，來實現(xiàn)成本低廉、結(jié)構(gòu)緊湊的可變速驅(qū)動。

電機電流感測方法
變換器級和電機相電流的感測對電流模式控制是至關(guān)重要的，這種模式要求很高的精確度和線性度。這種感測對過流保護同樣重要，因為過流保護要求響應(yīng)速度要快。要同時滿足上述要求，加上獨特的電流信號取樣位置，就要求復(fù)雜的電路設(shè)計和信號處理。

實際上，電流信號可以通過與下列結(jié)點相連接而被取樣：正或負DC總線、單IGBT相位腳、或電機相位超前，如圖1所示。不管在哪個DC總線上取樣的電流信號，都是所有IGBT相位腳電流的矢量和。

圖1 電路感測方法

在單個IGBT相位腳上對電流的取樣看起來更容易操作了，但實際上卻不能降低對載波頻率取樣處理的需求。到目前為止，最簡單的、容易獲得的電流信號來自于電機的相位超前，信號內(nèi)容僅是基本的變頻電機電流。需要考慮的一個重要因素是，小的差分信號在幾毫伏范圍內(nèi)，在600～1200V電壓間變動。另外，由于IGBT變換器相的作用，普通模式電壓以最高10V/ns的dV/dt速率在-DC到+DC間變動。

HVIC：位準移動(Level shifting)
HVIC技術(shù)使得位準移動成為可能，即感測一個漂移在大的普通模式電壓上的小差分電壓，甚至在快速瞬變的時候。因此，快速而準確的電流感測在電機的相位超前就可實現(xiàn)，從而可以減少硬件設(shè)計和信號處理的工作。具體的實現(xiàn)方法是將一個低側(cè)接地CMOS電路和一個高側(cè)浮動CMOS制作到一起，通過N或P溝道LDMOS區(qū)域相隔離。LDMOS的作用是位準移動，目的是在低側(cè)和高側(cè)電路之間跨過高壓柵來傳遞控制信號。位準移動電路不受高達50V/ns的快速瞬變的影響，同樣也不受來自于IGBT變換器典型的10V/ns噪聲的干擾。

HVIC的線性相電流感測
電機電流是通過使用一個外部分流晶體管來感測的，HVIC可將小的差分電壓(250mV)通過一個精密電路轉(zhuǎn)換為時間間隔，這個精密電路的紋波去除功能有助于顯示小的群延遲。時間間隔是快速瞬變的，會被帶到輸出端。這樣就可以獲得與測量電流相對應(yīng)的模擬輸出電壓，以便與外部參考電壓相比較，最大采樣率為40kSPS。對于頻率高達20kHz的非對稱PWM調(diào)制來講，這個采樣速率富富有余。20kHz時的最大延遲小于7.5s，對于被用來IGBT保護的電流感測信號來說也夠快了。圖2是電流感測電路。

圖2 HVIC應(yīng)用中線性相電流感測電路

IGBT保護
IGBT過流情況基本來說分三種模式：線間短路、故障接地和開關(guān)擊穿。在考慮過流保護方案時，必須對兩個重要因素作出評估：第一個是提供的過流保護的模式以及如何關(guān)斷，另外一個就是控制架構(gòu)?？刂萍軜?gòu)很大程度上影響著過流保護的方式和實施。

IGBT保護一般在硬件電路里實現(xiàn)，根據(jù)要保護的過流條件的模式，具體電路和過流感測器件的類型會有所不同。其原因在于，在每個過流模式中的路徑和電流流動是不一樣的。圖3a至3c顯示了每個過流條件模式的典型電流流動，在主要功率電路里的電流流動及其路徑取決于過流的模式。在開關(guān)擊穿和線間短路條件下的短路電流總是流向直流總線上的電容器。然而，故障接地電流通常從交流線輸入，通過正直流總線和高側(cè)IGBT，流向故障發(fā)生的接地點。沒有電流流過總線電容器。

圖3 IGBT過流保護的三種方式

保護電路也取決于控制架構(gòu)。對于開關(guān)擊穿和線間短路過流保護來說，常規(guī)的、非HVIC解決方案探測過流的方式是，跨過分路晶體管插入一個霍爾傳感器或線性光隔器件，與負直流總線相連。如果也需要故障接地保護的話，在交流線輸入端或正直流總線必須放上另外一個霍爾效應(yīng)漏電傳感器。通過使用快速比較器可以實現(xiàn)保護電路。

如果霍爾傳感器位于電機的相輸出，因為在線間短路條件下電流流動的正負極都存在，所以每個霍爾傳感器都需要兩個比較器。為了保護IGBT不受過流損害，必須考慮總的關(guān)斷傳輸延遲。在門驅(qū)動里裝有光隔離器件，與光隔離器件和霍爾傳感器有關(guān)的延遲時間一般大于2μs。所以，不管保護電路如何設(shè)計，這個延遲時間都必須要加到電路延遲里去，才能滿足IGBT短路時長的要求。

不用HVIC而用分立器件的替代方案是，在光門驅(qū)動第二側(cè)裝一個IGBT高端降飽和(de-saturation)電路。這樣，當器件處于全開的狀態(tài)時，就可以探測到收集器和發(fā)射器的電壓累加，如果這個電壓超過限制就會關(guān)斷有關(guān)的閘信號。分立方案要求必須有帶參考電壓的比較器，還要有高壓二極管、晶體管和電容器。

IGBT保護架構(gòu)里還可以增加電路，在探測到過流時進行軟關(guān)斷SSD(Soft Shut Down)。SSD可以避免電路寄生電感在IGBT收集器和發(fā)射器間產(chǎn)生高峰值電壓，這樣也就可以保證短路時在RBSOA允許范圍內(nèi)更大的安全空間。在較小的驅(qū)動里，設(shè)計者可能會需要一個緩沖器電路，這樣在接近IGBT峰值時，跨過直流總線的一個高頻電容器就會起作用。如果設(shè)計得好，SSD電路可以減少甚至取消對緩沖器。然而，這需要另外一個快速光隔離器件，每個IGBT門驅(qū)動電路還需要帶圖騰柱(Totem Pole)緩沖器晶體管的軟關(guān)斷電路。

概括來講，傳統(tǒng)的IGBT保護技術(shù)需要體積大一些的霍爾傳感器和光隔離器，這樣無法降低系統(tǒng)的體積和成本，而且霍爾傳感器還需要手工裝配。另外，如果系統(tǒng)需要SSD，為了配套，也就會再額外需要六個光隔離器和六個能軟關(guān)機的緩沖器電路。這個解決方案十分復(fù)雜，也妨礙門驅(qū)動和保護電路的進一步集成。

三相門驅(qū)動的實現(xiàn)
一個單獨的HVIC器件可以集成一個三相門驅(qū)動方案所需要的所有6個IGBT門驅(qū)動，同時還可將每個高側(cè)和低側(cè)輸出端的IGBT高端降飽和保護和軟關(guān)斷特性集成到一起。表1對HVIC方案和傳統(tǒng)的分立方案進行了比較。

表1 HVIC方案和傳統(tǒng)的分立方案對比

圖4顯示了帶IGBT保護的一個HVIC三相門驅(qū)動的輸出。在ON狀態(tài)時，通過一個外部二極管感測IGBT收集器-發(fā)射器電壓，可以探測到過流的發(fā)生。然后將Vce與一個8V的臨界電壓進行比較，作為結(jié)果的信號會被過濾 1μs。這里還采用一個3μs消隱濾波器(blanking filter)，目的是移除IGBT開啟時的末端電流。當探測到高端降飽和條件時，輸出級立刻就進入高阻抗狀態(tài)，SSD被激活，通過SSD的H/L針腳上的75Ω的內(nèi)部阻抗就可關(guān)斷IGBT。SSD驅(qū)動保持該狀態(tài)7μs，使得IGBT可以平穩(wěn)地放電，也可加一個外部電阻來進一步控制放電速率。

圖4 帶IGBT高端降飽和保護和軟關(guān)斷功能的輸出

通過SY_FLT I/O針腳，短路信息可以與其他的高側(cè)或低側(cè)驅(qū)動共享。一旦處于有效狀態(tài)，這個信號就會凍結(jié)所有其他驅(qū)動的輸出狀態(tài)，而不管其輸入情況如何。主驅(qū)動器也會凍結(jié)自己的狀態(tài)，直至發(fā)生軟關(guān)斷。

當軟關(guān)斷完成時，SY_FLT信號就不再起作用，診斷信息就會通過FAULT/SD針腳被送到主MCU。主驅(qū)動器這時就會將FAULT/SD線切斷，強迫關(guān)掉該區(qū)域內(nèi)所有其他的驅(qū)動器，從而實現(xiàn)硬關(guān)斷。故障信息就會送到主控制器進行診斷。

IGBT高端降飽和由一個監(jiān)測收集器電壓的外部高壓二極管感測。該二極管一般由一個內(nèi)部上拉電阻(PUR)加偏壓，這個電阻與附近的電源線相連(VB或VCC)。當晶體管處于ON時，二極管導(dǎo)通，電路里的電流由內(nèi)部上拉電阻決定，上拉電阻一般都在100kΩ左右。

在DSH/L針腳提供主動式偏壓結(jié)構(gòu)，目的是降低IGBT處于OFF時流過二極管寄生電容和內(nèi)部上拉電阻電流的噪聲效應(yīng)。DSH/L給VB/VCC提供相應(yīng)的主動式上拉，給VS/COM提供相應(yīng)的下拉。當電壓超過VDESAT臨界電壓的時候，專用偏壓電路可以降低DSH/L針腳的阻抗。當IGBT處于完全開啟的時候，感測二極管變?yōu)轫樒珼SH/L針腳上的電壓就下降了。這時，偏壓電路不再起作用，目的是降低二極管的偏壓電流。

完善控制方案
因此，不管是IGBT保護，還是ACPWM電機驅(qū)動的電機電流感測電路，都可以通過使用HVIC技術(shù)將門驅(qū)動、保護、感測功能集成到一起，從而得以大大簡化。

為完善控制解決方案，在BiCMOS技術(shù)條件下，HVIC器件也可以在同一個硅片上實現(xiàn)模數(shù)功率變換控制功能，包括：脈寬調(diào)節(jié)器(PWM)、電壓控制振蕩器(VCO)、精準感測放大器和快速誤差比較器功能。

奇數(shù)和偶數(shù)次諧波會影響效率、可靠性和性能，通過HVIC也可以實現(xiàn)濾波功能。共有兩個級進行濾波，通過置入傳輸零點去除偶次諧波，然后以兩倍同步頻率對第一級結(jié)果進行取樣，從而去除奇次諧波。接下來的第三級，會產(chǎn)生PWM輸出信號。最后，模擬重建使得可以與MCU或者DSP的轉(zhuǎn)矩控制回路進行直接接口。