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目前,现代工业和家电设计师面临着日益增大的压力,他们要减小设备的体积,减少所用的元器件数量,同时还要改进系统总的性能和可靠性。与此同时,价格和上市时间方面还要求上述获益不能太多地增加成本和项目开发周期。目前,最新的高压IC(HVIC)技术正在帮助设计师解决这些问题,其方法是利用基于逆变器的调速电机驱动解决方案,这些方案在上述这些应用中正日益增加。此外,这种技术同样也能使通用变换电路、开关电源(SMPS)和不间断电源(UPS)这类的应用获益。

变速驱动需求

变速电机驱动为家电、工业和商用这类设备(如空调)带来许多好处。这些好处包括提高了能量效率,改进了可靠性,减小了震动,减小了电器噪音等。目前,归功于从功率半导体技术到器件(如IGBT和功率MOSFET)取得的进展,以高效率和具有成本效益地实现上述变速驱动已经不成问题。设计中的一个关键问题是,如何保护所用的IGBT和MOSFET免于遭到短路、过流以及接地不良所造成的损坏。

在这些设计中,逆变器和电机相电流的传感是一个关键要求,因为它是电流模式控制和过流保护的基础。前者要求高精度和高线性度,而后者则要求响应快。实际上,可以通过与DC总线的正负极、IGBT的相臂或电机的相线抽头相串联的方式来提取电流信号(图1)。要提取的信号还有基本变频电机电流的脉冲宽度调制包络(以固定载频)。因此,需要采用相当复杂的采样保持外加数字信号处理的电路来提取具有高线性度和高精度的有用电流信息。

在单个的IGBT相臂上获取的采样电流比较容易处理,但需要涉及到载波频率采样。迄今为止,最为简单的可用电流信号来自电机的相线抽头。信号所包含的只有基本的变频电机电流。这里最复杂的是,幅度仅为毫伏级的弱差分信号浮在电压高达600V到1200V共模电压上面。此外,由于IGBT逆变相位的影响,共模电压的摆幅将从-DC到 DC,摆率高达10V/ns。

高压IC技术

目前,高压IC技术取得的进展使得设计师能够采用优良的、节省空间的和元器件较少的方案,这些方案解决了先进驱动设计中所需的保护问题和电流传感问题。例如,IR公司所属的HVIC技术,制造时,将一个低端接地的CMOS电路与一个高端浮动的CMOS横靠在一起,中间用一个N或P沟道LDMOS区隔离(图2)。LDMOS的任务是执行电平转移,即将控制信号传过位于低端和高端电路之间的高压栅。这样做的结果是将MOSFET和IGBT的驱动和保护电路集成到了一个单芯片中。同时,该HVIC技术还实现了浮动在大共模电压的弱小差分电压的传感,即便是包含有快速的瞬变。因此,该HVIC技术是制造高压传感接口IC的理想基础。

IR公司利用自己的这项技术,开发了一系列不同的、高速和高压IGBT控制IC和传感IC,使得小小芯片具备完善的保护功能。这些IC提供了一系列复杂的保护功能,包括接地不良保护,而该功能曾经只有在高端系统中才具备。除了这些先进的功能外,相对于分离的光耦或变压器解决方案,这些IC具有高噪声免疫性能,元器件数量降低了30%,占位面积则减小了一半。因而,设计师可以将PCB面积减少到50%。

 

图1。用于提取电流信号的电流传感方法。

工业用HVIC

IR22381是一款模拟的三相IGBT门驱动器。该器件的死区时间仅为0.5μs,比相应的光耦驱动器快10倍。另外,该器件还将温漂以及由此产生的性能变化减到了最小。

该器件含有一个去饱和功能,提供给所有模式的过流保护,包括接地不良、穿越或短路到电源轨的保护。在已开始出现过流条件时,器件将会软关断,随后就彻底关断所有的6个输出。该器件有一个关断输入,通过该输入用户可以控制关断。该器件的死区时间可编程控制,并且输出驱动器具有分离的导通/关断引脚,该引脚具有两级导通输出,以实现所要求的IGBT dv/dt开关电平。其电压反馈提供了精密测量,还有一个自举电源,从而不需要再加一个辅助电源。

IR2277和IR22771是高速单相电流传感器接口IC,带有同步采样,可用于电机驱动方面的应用。通过一个外部并联电阻来传感电流,该电阻通过一个精密的双斜坡积分电路将模拟电压转换成一个时间间隔。该时间间隔的电平被转移,提供数字PWM输出给DSP和模数接口,而无需另外的逻辑电路。其最大吞吐率是40k采样/秒(适合于频率高达20kHz的不对称PWM调制),20kHz上的最大延迟小于7.5μs。还有一个噪声免疫双向电平移位电路,用来避免高达50V/ns的dV/dt噪声。IR2277既有模拟也有PWM输出,而IR22771只有PWM输出。

IR2214和IR22141用来驱动电源开关应用以及三相380VAC电路中单独的半桥电路,电流高达50A,温度高达80°C。与采用光耦的方案不一样,IR2214和IR22141门驱动在整个寿命中提供良好的稳定度,还包括参数匹配,例如用于高端和低端通道的传播延迟以及死区插入。高端的低静态电流实现了经济的和节省空间的自举电源。器件中含有IGBT上的故障反馈去饱和,当用在多相配置时自动关断IGBT。在IR2214中,含有用于高/低双端的去饱和检测以及一个内部偏置电阻,而IR22141中则包含一个额外的有源去饱和二极管偏置电路。IR2214和IR22141可以通过一个专用引脚连接在一起,来防止驱动系统的相间短路。输入和输出引脚兼容3.3V CMOS,从而简化了微处理器连接。器件采用分离的电源地和信号地引脚,可以实现发射极分路配置,简化了低端的IGBT电流传感。这两种器件的封装是SSOP-24。

对于家电中的电机驱动和大范围的通用逆变电路,可以将1200V HVIC设计成600V版本。。

 

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