高電壓功率IC在不增加成本的前提下改善性能

　　為了縮小應用尺寸、減少元件數(shù)目，同時改善總體系統(tǒng)性能和可靠性，現(xiàn)代工業(yè)及電器應用的設計人員正面臨越來越大的壓力。同時，價格和產(chǎn)品上市時間的要求還意味著，既要實現(xiàn)上述目標，又不能導致成本顯著上升或者項目開發(fā)時間延長?，F(xiàn)在，最新的高電壓集成電路(HVIC)技術簡化了這些應用中越來越多地采用的基于換相變速電機驅動解決方案的設計，從而幫助工程師滿足上述要求。而且，同樣的集成技術也可以用于通用倒相電路、開關電源(SMPS)和不間斷電源(UPS)。

　　變速驅動的需求

　　變速電機驅動可以為空調器等家用電器、工業(yè)或商業(yè)設備帶來許多好處。這些好處包括提高機器設備的能源效率、改善可靠性、降低振動和消除電氣與聲學噪聲。之所以能夠有效地以具有成本效益的方式采用這類變速驅動，主要是因為通過IGBT和功率MOSFET等器件在功率半導體技術方面取得了進展。這些設計的關鍵是，所采用的基于IGBT或MOSFET的功率放大級免于出現(xiàn)短路、過流和接地故障。

　　逆變器級和電機相電流的感測是這類設計中的另一項關鍵要求，因為它是電流模式控制與過流保護的基礎。電流模式控制要求很高的精確度和線性度，而過流保護要求響應速度要快。實際上，電流信號可以通過與下列結點相連接而被取樣：正或負DC總線、單IGBT相位腳、或電機相位超前(圖1)。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。另外，信號內容是經(jīng)脈寬調制的基本變頻電機電流的包絡，在固定的載波頻率上。因此，必須采用相當復雜的“取樣與保持”及數(shù)字信號處理(DSP)電路，用來提取具有良好線性度和精確度的有用的電流信息。

　　在單個IGBT相位腳上對電流的取樣看起來更容易操作了，但實際上卻不能消除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，信號內容僅是基本的變頻電機電流。需要考慮的一個重要因素是，漂移在600～1200V普通模式電壓上的小差分信號在幾毫伏范圍內。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。

　　高電壓IC技術

　　高電壓IC技術(HVIC)取得了新進展，現(xiàn)在設計人員能夠采用精良、節(jié)省空間且元件較少的解決方案，從而解決了目前驅動設計中的保護與電流感測問題。例如，IR自有的HVIC技術允許將一個低側接地CMOS電路和一個高側浮動CMOS做到一起，通過N或P溝道LDMOS區(qū)域相隔離(圖2)。LDMOS的作用是位準移動，目的是在低側和高側電路之間跨過高壓柵來傳遞控制信號。HVIC技術使得人們能夠設計出單片電路解決方案用于驅動和保護MOSFET及IGBT。同時，它提供了感測一個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候。因此HVIC技術是創(chuàng)建電流感測接口IC的理想基礎。

　　通過采用自有的HVIC技術，國際整流器公司(IR)開發(fā)出一批新款可靠、高速、高電壓IGBT控制IC和傳感器IC，從而實現(xiàn)具有全面保護的小型電路。這些IC提供一系列完備的保護功能，包括接地失效保護，這是過去只有高端系統(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，設計人員能將PCB面積最多縮小50%。

　　適宜工業(yè)應用的1200VHVIC

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

　　集成退飽和功能提供了所有的過流保護模式，包括接地、穿通和相間短路保護。過流狀態(tài)可觸發(fā)軟關斷，隨即關斷所有六路輸出。器件帶有一個關斷輸入，可用來定制關斷功能。IR22381還帶有可編程死區(qū)時間，輸出驅動器帶有獨立的開通和關斷管腳，并具備兩級輸出開通，以獲得需要的IGBTdv/dt開關水平。電壓反饋提供了精確測量，自舉電源功能省卻了對輔助電源的需要。

　　IR2277和IR22771是一組用于電機驅動的高速單相電流傳感IC，帶有同步采樣功能。電流通過一個外置分流電阻檢測，用一個精密的雙斜率系統(tǒng)將模擬電壓值轉化為離散的時間序列值。該時間序列經(jīng)過電平轉換，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的非對稱PWM調制，20kHz頻率下的最大延遲為7.5微秒。器件還帶有一個雙向電平轉換噪聲免疫電路，可抗最高達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用于驅動功率開關半橋電路和三相380V交流電路，80°C時最大電流50A。與光耦方案相比，IR2214和IR22141柵極驅動器在使用中更穩(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)時間插入等。其高端靜態(tài)電流很低，并可用以啟動節(jié)省空間和成本的自舉電路。多相應用時，IGBT退飽和的錯誤反饋可自動關斷IGBT。IR2214帶有高低端退飽和檢測及內部電阻偏置，IR22141帶有有源退飽和二極管偏置。IR2214和IR22141可通過專用管腳相連，防止系統(tǒng)的相間短路。輸入和輸出管腳與3.3VCMOS閾值兼容，簡化了與微處理器的接口。獨立的電源地和信號地管腳可實現(xiàn)發(fā)射極分流器配置，簡化了對低端IGBT電流的檢測。器件采用SSOP-24封裝。

　　適宜電器應用的600VHVIC

　　考慮到電器的馬達驅動以及更廣泛的通用換向電路應用，IR還推出了1200VHVIC的600V版本。其中，IR21381為模擬三相驅動器，類似于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。