高电压功率IC在不增加成本的前提下改善性能

上网时间: 2005年11月30日? 作者:Naresh Shetty? 我来评论 【字号: ? ?小】

关键字:高电压IC? 电机控制? 功率?

现代工业及电器应用的设计人员正面临越来越大的压力,需要面对缩小应用尺寸、减少元件数目,同时改善总体系统性能和可靠性的挑战,还要兼顾价格和产品上市时间,如何解决这些挑战?本文介绍了最新的高电压IC(HVIC)技术,可帮助电机控制和功率应用设计人员节省空间、减少元件数目和改善可靠性,同时提供得到增强的保护功能。

为了缩小应用尺寸、减少元件数目,同时改善总体系统性能和可靠性,现代工业及电器应用的设计人员正面临越来越大的压力。同时,价格和产品上市时间的要求还意味着,既要实现上述目标,又不能导致成本显著上升或者项目开发时间延长。现在,最新的高电压集成电路(HVIC)技术简化了这些应用中越来越多地采用的基于换相变速电机驱动解决方案的设计,从而帮助工程师满足上述要求。而且,同样的集成技术也可以用于通用倒相电路、开关电源(SMPS)和不间断电源(UPS)。

变速驱动的需求

变速电机驱动可以为空调器等家用电器、工业或商业设备带来许多好处。这些好处包括提高机器设备的能源效率、改善可靠性、降低振动和消除电气与声学噪声。之所以能够有效地以具有成本效益的方式采用这类变速驱动,主要是因为通过IGBT和功率MOSFET等器件在功率半导体技术方面取得了进展。这些设计的关键是,所采用的基于IGBT或MOSFET的功率放大级免于出现短路、过流和接地故障。

高电压功率IC在不增加成本的前提下改善性能_ESMCOL_1

采用IR HVIC 技术开发的1200V栅极驱动器集成电路。

高电压功率IC在不增加成本的前提下改善性能_ESMCOL_2

采用IR HVIC 技术开发的600V栅极驱动器集成电路。

逆变器级和电机相电流的感测是这类设计中的另一项关键要求,因为它是电流模式控制与过流保护的基础。电流模式控制要求很高的精确度和线性度,而过流保护要求响应速度要快。实际上,电流信号可以通过与下列结点相连接而被取样:正或负DC总线、单IGBT相位脚、或电机相位超前(图1)。不管在哪个DC总线上取样的电流信号,都是所有IGBT相位脚电流的矢量和。另外,信号内容是经脉宽调制的基本变频电机电流的包络,在固定的载波频率上。因此,必须采用相当复杂的“取样与保持”及数字信号处理(DSP)电路,用来提取具有良好线性度和精确度的有用的电流信息。

在单个IGBT相位脚上对电流的取样看起来更容易操作了,但实际上却不能消除对载波频率取样处理的需求。到目前为止,最简单的、容易获得的电流信号来自于电机的相位超前,信号内容仅是基本的变频电机电流。需要考虑的一个重要因素是,漂移在600~1200V普通模式电压上的小差分信号在几毫伏范围内。另外,由于IGBT逆变器相位的作用,普通模式电压以最高10V/ns的dV/dt速率在-DC到+DC之间波动。

高电压IC技术

高电压IC技术(HVIC)取得了新进展,现在设计人员能够采用精良、节省空间且元件较少的解决方案,从而解决了目前驱动设计中的保护与电流感测问题。例如,IR自有的HVIC技术允许将一个低侧接地CMOS电路和一个高侧浮动CMOS做到一起,通过N或P沟道LDMOS区域相隔离(图2)。LDMOS的作用是位准移动,目的是在低侧和高侧电路之间跨过高压栅来传递控制信号。HVIC技术使得人们能够设计出单片电路解决方案用于驱动和保护MOSFET及IGBT。同时,它提供了感测一个漂移在大的普通模式电压上的小差分电压的能力,甚至在快速瞬变的时候。因此HVIC技术是创建电流感测接口IC的理想基础。

高电压功率IC在不增加成本的前提下改善性能_ESMCOL_3

HVIC器件的横截面

通过采用自有的HVIC技术,国际整流器公司(IR)开发出一批新款可靠、高速、高电压IGBT控制IC和传感器IC,从而实现具有全面保护的小型电路。这些IC提供一系列完备的保护功能,包括接地失效保护,这是过去只有高端系统才具有的功能。与基于光耦或变压器的分立元件的传统方案相比,新方案除了功能先进之外,噪声免疫力更高,并将使用元器件数减少30%,占用的电路板面积缩减一半。因此,设计人员能将PCB面积最多缩小50%。

适宜工业应用的1200V HVIC

IR22381是一款模拟三相IGBT栅极驱动器。死区时间仅为0.5微秒,比类似的光耦驱动器快十倍。IR22381还大幅减少了温度漂移以及器件性能随时间而发生的变化。

集成退饱和功能提供了所有的过流保护模式,包括接地、穿通和相间短路保护。过流状态可触发软关断,随即关断所有六路输出。器件带有一个关断输入,可用来定制关断功能。IR22381还带有可编程死区时间,输出驱动器带有独立的开通和关断管脚,并具备两级输出开通,以获得需要的IGBT dv/dt开关水平。电压反馈提供了精确测量,自举电源功能省却了对辅助电源的需要。

IR2277和IR22771是一组用于电机驱动的高速单相电流传感IC,带有同步采样功能。电流通过一个外置分流电阻检测,用一个精密的双斜率系统将模拟电压值转化为离散的时间序列值。该时间序列经过电平转换,毋需附加逻辑电路,即可提供适于DSP和模数接口的数字PWM输出。最大采样速率为每秒40k,适用于最高频率20kHz的非对称PWM调制,20kHz频率下的最大延迟为7.5微秒。器件还带有一个双向电平转换噪声免疫电路,可抗最高达50V/ns的共模dv/dt噪声。IR2277提供模拟输出及PWM输出,IR22771只提供PWM输出。

高电压功率IC在不增加成本的前提下改善性能_ESMCOL_4

电流感测方法

IR2214和IR22141用于驱动功率开关半桥电路和三相380V交流电路,80°C时最大电流50A。与光耦方案相比,IR2214和IR22141栅极驱动器在使用中更稳定,并提供了参数匹配功能,如高低端通道的传输延迟、死区时间插入等。其高端静态电流很低,并可用以启动节省空间和成本的自举电路。多相应用时,IGBT退饱和的错误反馈可自动关断IGBT。IR2214带有高低端退饱和检测及内部电阻偏置, IR22141带有有源退饱和二极管偏置。IR2214和IR22141可通过专用管脚相连,防止系统的相间短路。输入和输出管脚与3.3V CMOS阈值兼容,简化了与微处理器的接口。独立的电源地和信号地管脚可实现发射极分流器配置,简化了对低端IGBT电流的检测。器件采用SSOP-24封装。

适宜电器应用的600V HVIC

考虑到电器的马达驱动以及更广泛的通用换向电路应用,IR还推出了1200V HVIC的600V版本。其中,IR21381为模拟三相驱动器,类似于IR22381。IR2177和IR21771分别是IR2277和IR22771的600V版本。IR2114和IR21141分别是IR2214和IR22141的600V版本。

作者:Naresh Shetty,IR消费及工业部门运动控制产品经理


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