高電壓功率IC在不增加成本的前提下改善性能

　　為了縮小應(yīng)用尺寸、減少元件數(shù)目，同時(shí)改善總體系統(tǒng)性能和可靠性，現(xiàn)代工業(yè)及電器應(yīng)用的設(shè)計(jì)人員正面臨越來(lái)越大的壓力。同時(shí)，價(jià)格和產(chǎn)品上市時(shí)間的要求還意味著，既要實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，又不能導(dǎo)致成本顯著上升或者項(xiàng)目開(kāi)發(fā)時(shí)間延長(zhǎng)?，F(xiàn)在，最新的高電壓集成電路(HVIC)技術(shù)簡(jiǎn)化了這些應(yīng)用中越來(lái)越多地采用的基于換相變速電機(jī)驅(qū)動(dòng)解決方案的設(shè)計(jì)，從而幫助工程師滿足上述要求。而且，同樣的集成技術(shù)也可以用于通用倒相電路、開(kāi)關(guān)電源(SMPS)和不間斷電源(UPS)。

　　變速驅(qū)動(dòng)的需求

　　變速電機(jī)驅(qū)動(dòng)可以為空調(diào)器等家用電器、工業(yè)或商業(yè)設(shè)備帶來(lái)許多好處。這些好處包括提高機(jī)器設(shè)備的能源效率、改善可靠性、降低振動(dòng)和消除電氣與聲學(xué)噪聲。之所以能夠有效地以具有成本效益的方式采用這類(lèi)變速驅(qū)動(dòng)，主要是因?yàn)橥ㄟ^(guò)IGBT和功率MOSFET等器件在功率半導(dǎo)體技術(shù)方面取得了進(jìn)展。這些設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是，所采用的基于IGBT或MOSFET的功率放大級(jí)免于出現(xiàn)短路、過(guò)流和接地故障。

　　逆變器級(jí)和電機(jī)相電流的感測(cè)是這類(lèi)設(shè)計(jì)中的另一項(xiàng)關(guān)鍵要求，因?yàn)樗请娏髂Ｊ娇刂婆c過(guò)流保護(hù)的基礎(chǔ)。電流模式控制要求很高的精確度和線性度，而過(guò)流保護(hù)要求響應(yīng)速度要快。實(shí)際上，電流信號(hào)可以通過(guò)與下列結(jié)點(diǎn)相連接而被取樣：正或負(fù)DC總線、單IGBT相位腳、或電機(jī)相位超前(圖1)。不管在哪個(gè)DC總線上取樣的電流信號(hào)，都是所有IGBT相位腳電流的矢量和。另外，信號(hào)內(nèi)容是經(jīng)脈寬調(diào)制的基本變頻電機(jī)電流的包絡(luò)，在固定的載波頻率上。因此，必須采用相當(dāng)復(fù)雜的“取樣與保持”及數(shù)字信號(hào)處理(DSP)電路，用來(lái)提取具有良好線性度和精確度的有用的電流信息。

　　在單個(gè)IGBT相位腳上對(duì)電流的取樣看起來(lái)更容易操作了，但實(shí)際上卻不能消除對(duì)載波頻率取樣處理的需求。到目前為止，最簡(jiǎn)單的、容易獲得的電流信號(hào)來(lái)自于電機(jī)的相位超前，信號(hào)內(nèi)容僅是基本的變頻電機(jī)電流。需要考慮的一個(gè)重要因素是，漂移在600～1200V普通模式電壓上的小差分信號(hào)在幾毫伏范圍內(nèi)。另外，由于IGBT逆變器相位的作用，普通模式電壓以最高10V/ns的dV/dt速率在-DC到+DC之間波動(dòng)。

　　高電壓IC技術(shù)

　　高電壓IC技術(shù)(HVIC)取得了新進(jìn)展，現(xiàn)在設(shè)計(jì)人員能夠采用精良、節(jié)省空間且元件較少的解決方案，從而解決了目前驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中的保護(hù)與電流感測(cè)問(wèn)題。例如，IR自有的HVIC技術(shù)允許將一個(gè)低側(cè)接地CMOS電路和一個(gè)高側(cè)浮動(dòng)CMOS做到一起，通過(guò)N或P溝道LDMOS區(qū)域相隔離(圖2)。LDMOS的作用是位準(zhǔn)移動(dòng)，目的是在低側(cè)和高側(cè)電路之間跨過(guò)高壓柵來(lái)傳遞控制信號(hào)。HVIC技術(shù)使得人們能夠設(shè)計(jì)出單片電路解決方案用于驅(qū)動(dòng)和保護(hù)MOSFET及IGBT。同時(shí)，它提供了感測(cè)一個(gè)漂移在大的普通模式電壓上的小差分電壓的能力，甚至在快速瞬變的時(shí)候。因此HVIC技術(shù)是創(chuàng)建電流感測(cè)接口IC的理想基礎(chǔ)。

　　通過(guò)采用自有的HVIC技術(shù)，國(guó)際整流器公司(IR)開(kāi)發(fā)出一批新款可靠、高速、高電壓IGBT控制IC和傳感器IC，從而實(shí)現(xiàn)具有全面保護(hù)的小型電路。這些IC提供一系列完備的保護(hù)功能，包括接地失效保護(hù)，這是過(guò)去只有高端系統(tǒng)才具有的功能。與基于光耦或變壓器的分立元件的傳統(tǒng)方案相比，新方案除了功能先進(jìn)之外，噪聲免疫力更高，并將使用元器件數(shù)減少30%，占用的電路板面積縮減一半。因此，設(shè)計(jì)人員能將PCB面積最多縮小50%。

　　適宜工業(yè)應(yīng)用的1200VHVIC

　　IR22381是一款模擬三相IGBT柵極驅(qū)動(dòng)器。死區(qū)時(shí)間僅為0.5微秒，比類(lèi)似的光耦驅(qū)動(dòng)器快十倍。IR22381還大幅減少了溫度漂移以及器件性能隨時(shí)間而發(fā)生的變化。

　　集成退飽和功能提供了所有的過(guò)流保護(hù)模式，包括接地、穿通和相間短路保護(hù)。過(guò)流狀態(tài)可觸發(fā)軟關(guān)斷，隨即關(guān)斷所有六路輸出。器件帶有一個(gè)關(guān)斷輸入，可用來(lái)定制關(guān)斷功能。IR22381還帶有可編程死區(qū)時(shí)間，輸出驅(qū)動(dòng)器帶有獨(dú)立的開(kāi)通和關(guān)斷管腳，并具備兩級(jí)輸出開(kāi)通，以獲得需要的IGBTdv/dt開(kāi)關(guān)水平。電壓反饋提供了精確測(cè)量，自舉電源功能省卻了對(duì)輔助電源的需要。

　　IR2277和IR22771是一組用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)的高速單相電流傳感IC，帶有同步采樣功能。電流通過(guò)一個(gè)外置分流電阻檢測(cè)，用一個(gè)精密的雙斜率系統(tǒng)將模擬電壓值轉(zhuǎn)化為離散的時(shí)間序列值。該時(shí)間序列經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換，毋需附加邏輯電路，即可提供適于DSP和模數(shù)接口的數(shù)字PWM輸出。最大采樣速率為每秒40k，適用于最高頻率20kHz的非對(duì)稱PWM調(diào)制，20kHz頻率下的最大延遲為7.5微秒。器件還帶有一個(gè)雙向電平轉(zhuǎn)換噪聲免疫電路，可抗最高達(dá)50V/ns的共模dv/dt噪聲。IR2277提供模擬輸出及PWM輸出，IR22771只提供PWM輸出。


　　IR2214和IR22141用于驅(qū)動(dòng)功率開(kāi)關(guān)半橋電路和三相380V交流電路，80°C時(shí)最大電流50A。與光耦方案相比，IR2214和IR22141柵極驅(qū)動(dòng)器在使用中更穩(wěn)定，并提供了參數(shù)匹配功能，如高低端通道的傳輸延遲、死區(qū)時(shí)間插入等。其高端靜態(tài)電流很低，并可用以啟動(dòng)節(jié)省空間和成本的自舉電路。多相應(yīng)用時(shí)，IGBT退飽和的錯(cuò)誤反饋可自動(dòng)關(guān)斷IGBT。IR2214帶有高低端退飽和檢測(cè)及內(nèi)部電阻偏置，IR22141帶有有源退飽和二極管偏置。IR2214和IR22141可通過(guò)專(zhuān)用管腳相連，防止系統(tǒng)的相間短路。輸入和輸出管腳與3.3VCMOS閾值兼容，簡(jiǎn)化了與微處理器的接口。獨(dú)立的電源地和信號(hào)地管腳可實(shí)現(xiàn)發(fā)射極分流器配置，簡(jiǎn)化了對(duì)低端IGBT電流的檢測(cè)。器件采用SSOP-24封裝。

　　適宜電器應(yīng)用的600VHVIC

　　考慮到電器的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)以及更廣泛的通用換向電路應(yīng)用，IR還推出了1200VHVIC的600V版本。其中，IR21381為模擬三相驅(qū)動(dòng)器，類(lèi)似于IR22381。IR2177和IR21771分別是IR2277和IR22771的600V版本。IR2114和IR21141分別是IR2214和IR22141的600V版本。