智能型電源模塊加速三相電器電機驅動器開發(fā)

摘要： 目前隨著設計開發(fā)進程的加快，一些家電（高效洗衣機、冰箱、空調和其他家用電器）要求用更先進的設計方法來設計和實現(xiàn)。文中詳細地介紹了其中的智能型電源部分，以進一步加速電機驅動器的開發(fā)，從而減少產品的開發(fā)成本和時間。在文章的最后，給出了相關產品的演示板。

關鍵詞：智能型電源；電機驅動器；高壓驅動器；IGBT

電器工程師需要一種設計方法，能夠簡化高效洗衣機、冰箱、空調和其他家用電器的三相變速電機驅動器的開發(fā)過程。變速電機驅動器采用電子線路來改變電機的轉速，而不是舊式電器中所使用的較低可靠性機械變速法。而且，利用電子控制法來進行變速還能夠在不需要更高速度，及低電機轉速的情況下，實現(xiàn)節(jié)能。相對高速而言，低速條件下的功耗較少。一個集成電源模塊（IPM）可提供該功能。

要在合適的相位上產生適量的功率以驅動這些變速電機，就必需對電機及其關聯(lián)驅動器有所了解。除此之外，如何在苛刻的工作條件下獲得高可靠性以及操作的安全性，并使輻射指標符合國際標準 EMC 限定值也是設計人員所面臨的挑戰(zhàn)。這需要電機驅動電子技術方面的相關知識。

圖 1：顯示 IPM 內部構造的截面圖

與此同時，市場要求在占位面積更小、成本更低的情況下實現(xiàn)更高的性能和耐用性。另外，新設計贏得市場成功機會的時間不斷縮短，使得產品的面市時間成為了至關重要的因素。于是，電器系統(tǒng)開發(fā)人員正承受著壓力，需要加速開發(fā)進程并及時向市場投放最終產品。最終產品推出過程中的任何延誤都有可能導致在競爭中落伍。

采用分立元件和 IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）的傳統(tǒng)方法能夠滿足功率要求，但需要占用大量的印刷電路板空間。而且，這種采用分立元件的傳統(tǒng)方法需要的元件也更多，因而增加了設計的復雜性并延長了開發(fā)時間。此外，元件數(shù)量的增加也使得庫存量上升以應付硬件的需求。

集成電源模塊

電器系統(tǒng)開發(fā)人員需要一些更加新穎的方法，以便在減少工作量的同時縮短總體開發(fā)時間并降低風險。為了解決這些難題，人們開發(fā)出了采用先進封裝工藝的功率半導體器件，用于制成集成電源模塊，藉以克服采用分立元件的舊式三相逆變器解決方案的局限性。該新型集成電源模塊使得設計師能夠簡化諸如洗衣機和冰箱等家用電器中的三相 AC 感應和無刷 DC 電機驅動。

這款針對電機驅動應用的先進 IPM 匯集了低損耗型高壓 IGBT 和驅動器 IC 方面的最新改進以及封裝工藝的新成果，從而為所需的應用提供一種省位型電子電機驅動解決方案。 IRAMS10UP60 PlugNDrive 集成電源模塊（IPM）是IR 公司iMOTION 集成設計平臺系列的產品，它除了將所有的高壓功率晶體管和關聯(lián)驅動器電子線路集成在一個小型絕緣封裝外，還具有保護功能，以確保操作安全以及系統(tǒng)可靠。此外，它還能夠由一個+15Vdc 電源來提供工作電壓，以便進一步簡化其在電機驅動應用中的使用，并由此加速最終產品的開發(fā)。

電磁兼容性（EMC）是很重要的，因此，該 IPM 電源模塊需要重視電路板布局和屏蔽，并通過縮短模塊內部互連線長度以及減少布線數(shù)量加強抑制 EMI（電磁干擾）。由于裸露的半導體芯片在最接近的位置安裝，并且采用了高集成度的 IC，因此，互連線被大大縮短了，而且用于將芯片連接至襯墊及 I/O 端口，連接至外部引腳所需的配線也大為減少。不僅如此，其結構還確保了不會因接地反跳或串擾而引發(fā)故障。簡而言之，一個現(xiàn)成的 IPM 有助電器工程師開發(fā)完整電機驅動系統(tǒng)，并減輕所有既單調乏味又勞心費力的工作。如果采用分立型方案，工程師需要在電路板上布設 15 個以上的元件，但 IPM 能夠將工作量減少為只需布設一個模塊和三個相關聯(lián)的自舉電容器。

為了提供單一絕緣單列直插式封裝（SIP）的省位型高性能三相逆變器，該IPM利用了一種低成本絕緣金屬襯底（IMS）的優(yōu)點。該 IMS 采用具有高熱導率的全模制塑料以方便多種元件（包括電源芯片、驅動器芯片以及所有其他可采用表面貼裝的無源和有源分立元件）的緊密裝配（圖 1）。為了提供適當?shù)钠帘尾⒆畲笙薅鹊販p少 EMI，該組件中的鋁板被保持在地電位。這種新型專有技術使得模塊中的芯片能夠均勻地分布熱量以維持安全的額定溫度。

該模塊在一個最小絕緣電壓為 2000Vrms 的 23引腳 SIP 封裝中內置了 6 個額定電壓為 600V 的低導通電壓、非穿通（NPT）IGBT 芯片以及 3 個集成自舉二極管和 1 個三相高速、高壓驅動器 IC（圖2）。

該模塊采用了一個集成熱敏電阻溫度傳感器（用于提供過熱和過流保護）并具有集成欠壓閉鎖功能（UVLO）。此外，該模塊還具有適合于先進電流檢測技術的低側發(fā)射極輸出引腳，該技術利用每個電機相位上的外部分流來對電流進行連續(xù)監(jiān)視并實現(xiàn)短路檢測和保護。總之，該 IPM 提供了一個支持安全操作的高保護級。

用于高側驅動器部分的集成自舉二極管加上一個用于晶體管和驅動器 IC 的單 +15V 電源進一步簡化了該電源模塊的使用。由于該 IPM 采用的是不需要負電源來完全關斷器件的正柵極驅動型 IGBT，所以只需采用單極性電源便足夠了。

NPT IGBT

這些IGBT 將MOSFET 的高輸入阻抗特性與雙極型晶體管的低通態(tài)傳導損耗特性結合在一起。近期NPT 技術的實現(xiàn)大大改善了這種器件在電壓低至600V 條件下的開關特性并降低了制造成本，從而使其深受工作頻率為 25kHz（或更低）的 600V 設計的青睞。事實上，該設計中所使用的 IGBT 芯片能夠在滿額定電流條件下實現(xiàn)高達 25kHz 的開關頻率。它們是穩(wěn)定性極佳的開關，并具有一個矩形反偏壓工作區(qū)（RBSOA）。它們能夠承受至少 10祍 的短路時間。

該模塊所用 IGBT 的另一個頗具吸引力的特點是對于器件接通及關斷提供更加優(yōu)良的柵極控制。 NPT技術確保了對諸如接通和關斷時間等器件參數(shù)更為嚴格的控制。同樣地，為了保持高效率，IGBT 開關能耗也被維持在最低狀態(tài)。當IC=5A，VCC=400V 和溫度為25℃時，逆變器的總開關能耗（接通和關斷損耗之和）為225礘。在相似的條件下，溫度為100℃時的開關能耗被維持在低至310礘的水平上。

該省位型模塊能夠承受高達 600V 的電壓。它采用了一個單片高壓驅動器 IC，從而使得所需的外部元件大為減少。這種片上集成度顯著減少了模塊內部的布線及互連通路的數(shù)量，從而大大地降低了寄生損耗并進一步提升了三相逆變器的效率。簡而言之，它造就了一個能夠簡化 AC 感應和無刷 DC 電機用三相逆變器結構的 IPM。

該高壓三相驅動器 IC 的一些突出的優(yōu)點如下：

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用于自舉操作的可變通道

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容許負瞬變電壓

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dV/dt 抗擾性

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寬柵極驅動電壓范圍（10～20V）

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用于所有通道的欠壓閉鎖（UVLO）功能

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用于全部 6 個驅動器的過流關斷功能

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所有的通道都具有匹配的傳播延遲 圖 2：用于 6 個 IGBT 功率級的三相高速、高壓驅動器 IC

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交叉?zhèn)鲗ПＷo邏輯電路

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旨在實現(xiàn)抗噪聲的低 di/dt柵極驅動器

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備有可編程外部延遲以實現(xiàn)自動故障清除

它具有由一個外部電流檢測電阻器獲得的電流跳變功能，可終止全部 6 個輸出。而且，為了實現(xiàn)高頻開關，柵極驅動器確保了一個 200ns 的死區(qū)時間。

為優(yōu)化性能，電容器（不管是自舉型還是 DC 總線型）必須安裝在盡可能靠近模塊引腳的地方，以減輕振鈴和EMI 問題。雖然必須采用低電感并聯(lián)電阻器來對三相系統(tǒng)的每一相進行電流檢測，但是，引腳 12（VRU）、13（VRV）和14（VRW）與對應的并聯(lián)電阻器之間的印制線長度還是應當盡可能短。這些引腳示于圖 2。

IR 提供了一個演示電路板及應用軟件作為參考設計套件（IRADK10）的一部分，以對該 IPM 進行評估。該電路板基于一個用于實現(xiàn) IPM 控制環(huán)路的 8 位微控制器，負責提供用于電機的脈寬調制（PWM）輸出電流。位于該電路板上的電機驅動逆變器模塊是一個三相、230V 輸入、0.5 馬力（350W）的交流PWM 驅動器。除此之外，該電路板上還備有一個通過RS-232 與 GUI（圖形用戶接口）相連接的光隔離型串行鏈路接口，以及對短路、故障和過熱保護功能、高頻輸入 EMI 濾波器、接通/關斷開關以及+15V 和+5V 電源。圖 3 示出了該演示板的功能框圖。

圖 3：演示板的功能框圖