智能型電源模塊加速三相電器電機(jī)驅(qū)動(dòng)器開發(fā)

摘要： 目前隨著設(shè)計(jì)開發(fā)進(jìn)程的加快，一些家電（高效洗衣機(jī)、冰箱、空調(diào)和其他家用電器）要求用更先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法來設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。文中詳細(xì)地介紹了其中的智能型電源部分，以進(jìn)一步加速電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的開發(fā)，從而減少產(chǎn)品的開發(fā)成本和時(shí)間。在文章的最后，給出了相關(guān)產(chǎn)品的演示板。

關(guān)鍵詞：智能型電源；電機(jī)驅(qū)動(dòng)器；高壓驅(qū)動(dòng)器；IGBT

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

要在合適的相位上產(chǎn)生適量的功率以驅(qū)動(dòng)這些變速電機(jī)，就必需對電機(jī)及其關(guān)聯(lián)驅(qū)動(dòng)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(biāo)符合國際標(biāo)準(zhǔn) EMC 限定值也是設(shè)計(jì)人員所面臨的挑戰(zhàn)。這需要電機(jī)驅(qū)動(dòng)電子技術(shù)方面的相關(guān)知識(shí)。

圖 1：顯示 IPM 內(nèi)部構(gòu)造的截面圖

與此同時(shí)，市場要求在占位面積更小、成本更低的情況下實(shí)現(xiàn)更高的性能和耐用性。另外，新設(shè)計(jì)贏得市場成功機(jī)會(huì)的時(shí)間不斷縮短，使得產(chǎn)品的面市時(shí)間成為了至關(guān)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(jìn)程并及時(shí)向市場投放最終產(chǎn)品。最終產(chǎn)品推出過程中的任何延誤都有可能導(dǎo)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(shè)計(jì)的復(fù)雜性并延長了開發(fā)時(shí)間。此外，元件數(shù)量的增加也使得庫存量上升以應(yīng)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(shí)縮短總體開發(fā)時(shí)間并降低風(fēng)險(xiǎn)。為了解決這些難題，人們開發(fā)出了采用先進(jìn)封裝工藝的功率半導(dǎo)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(shè)計(jì)師能夠簡化諸如洗衣機(jī)和冰箱等家用電器中的三相 AC 感應(yīng)和無刷 DC 電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

這款針對電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的先進(jìn) IPM 匯集了低損耗型高壓 IGBT 和驅(qū)動(dòng)器 IC 方面的最新改進(jìn)以及封裝工藝的新成果，從而為所需的應(yīng)用提供一種省位型電子電機(jī)驅(qū)動(dòng)解決方案。 IRAMS10UP60 PlugNDrive 集成電源模塊（IPM）是IR 公司iMOTION 集成設(shè)計(jì)平臺(tái)系列的產(chǎn)品，它除了將所有的高壓功率晶體管和關(guān)聯(lián)驅(qū)動(dòng)器電子線路集成在一個(gè)小型絕緣封裝外，還具有保護(hù)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(gè)+15Vdc 電源來提供工作電壓，以便進(jìn)一步簡化其在電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中的使用，并由此加速最終產(chǎn)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(nèi)部互連線長度以及減少布線數(shù)量加強(qiáng)抑制 EMI（電磁干擾）。由于裸露的半導(dǎo)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(jié)構(gòu)還確保了不會(huì)因接地反跳或串?dāng)_而引發(fā)故障。簡而言之，一個(gè)現(xiàn)成的 IPM 有助電器工程師開發(fā)完整電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，并減輕所有既單調(diào)乏味又勞心費(fèi)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(shè) 15 個(gè)以上的元件，但 IPM 能夠?qū)⒐ぷ髁繙p少為只需布設(shè)一個(gè)模塊和三個(gè)相關(guān)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(diǎn)。該 IMS 采用具有高熱導(dǎo)率的全模制塑料以方便多種元件（包括電源芯片、驅(qū)動(dòng)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(dāng)?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(shù)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(gè)最小絕緣電壓為 2000Vrms 的 23引腳 SIP 封裝中內(nèi)置了 6 個(gè)額定電壓為 600V 的低導(dǎo)通電壓、非穿通（NPT）IGBT 芯片以及 3 個(gè)集成自舉二極管和 1 個(gè)三相高速、高壓驅(qū)動(dòng)器 IC（圖2）。

該模塊采用了一個(gè)集成熱敏電阻溫度傳感器（用于提供過熱和過流保護(hù)）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(jìn)電流檢測技術(shù)的低側(cè)發(fā)射極輸出引腳，該技術(shù)利用每個(gè)電機(jī)相位上的外部分流來對電流進(jìn)行連續(xù)監(jiān)視并實(shí)現(xiàn)短路檢測和保護(hù)?？傊?，該 IPM 提供了一個(gè)支持安全操作的高保護(hù)級。

用于高側(cè)驅(qū)動(dòng)器部分的集成自舉二極管加上一個(gè)用于晶體管和驅(qū)動(dòng)器 IC 的單 +15V 電源進(jìn)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(fù)電源來完全關(guān)斷器件的正柵極驅(qū)動(dòng)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(dǎo)損耗特性結(jié)合在一起。近期NPT 技術(shù)的實(shí)現(xiàn)大大改善了這種器件在電壓低至600V 條件下的開關(guān)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(shè)計(jì)的青睞。事實(shí)上，該設(shè)計(jì)中所使用的 IGBT 芯片能夠在滿額定電流條件下實(shí)現(xiàn)高達(dá) 25kHz 的開關(guān)頻率。它們是穩(wěn)定性極佳的開關(guān)，并具有一個(gè)矩形反偏壓工作區(qū)（RBSOA）。它們能夠承受至少 10祍 的短路時(shí)間。

該模塊所用 IGBT 的另一個(gè)頗具吸引力的特點(diǎn)是對于器件接通及關(guān)斷提供更加優(yōu)良的柵極控制。 NPT技術(shù)確保了對諸如接通和關(guān)斷時(shí)間等器件參數(shù)更為嚴(yán)格的控制。同樣地，為了保持高效率，IGBT 開關(guān)能耗也被維持在最低狀態(tài)。當(dāng)IC=5A，VCC=400V 和溫度為25℃時(shí)，逆變器的總開關(guān)能耗（接通和關(guān)斷損耗之和）為225礘。在相似的條件下，溫度為100℃時(shí)的開關(guān)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(dá) 600V 的電壓。它采用了一個(gè)單片高壓驅(qū)動(dòng)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(nèi)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(jìn)一步提升了三相逆變器的效率。簡而言之，它造就了一個(gè)能夠簡化 AC 感應(yīng)和無刷 DC 電機(jī)用三相逆變器結(jié)構(gòu)的 IPM。

該高壓三相驅(qū)動(dòng)器 IC 的一些突出的優(yōu)點(diǎn)如下：

※

用于自舉操作的可變通道

※

容許負(fù)瞬變電壓

※

dV/dt 抗擾性

※

寬柵極驅(qū)動(dòng)電壓范圍（10～20V）

※

用于所有通道的欠壓閉鎖（UVLO）功能

※

用于全部 6 個(gè)驅(qū)動(dòng)器的過流關(guān)斷功能

※

所有的通道都具有匹配的傳播延遲 圖 2：用于 6 個(gè) IGBT 功率級的三相高速、高壓驅(qū)動(dòng)器 IC

※

交叉?zhèn)鲗?dǎo)保護(hù)邏輯電路

※

旨在實(shí)現(xiàn)抗噪聲的低 di/dt柵極驅(qū)動(dòng)器

※

備有可編程外部延遲以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)故障清除

它具有由一個(gè)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(gè)輸出。而且，為了實(shí)現(xiàn)高頻開關(guān)，柵極驅(qū)動(dòng)器確保了一個(gè) 200ns 的死區(qū)時(shí)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(jìn)行電流檢測，但是，引腳 12（VRU）、13（VRV）和14（VRW）與對應(yīng)的并聯(lián)電阻器之間的印制線長度還是應(yīng)當(dāng)盡可能短。這些引腳示于圖 2。

IR 提供了一個(gè)演示電路板及應(yīng)用軟件作為參考設(shè)計(jì)套件（IRADK10）的一部分，以對該 IPM 進(jìn)行評估。該電路板基于一個(gè)用于實(shí)現(xiàn) IPM 控制環(huán)路的 8 位微控制器，負(fù)責(zé)提供用于電機(jī)的脈寬調(diào)制（PWM）輸出電流。位于該電路板上的電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器模塊是一個(gè)三相、230V 輸入、0.5 馬力（350W）的交流PWM 驅(qū)動(dòng)器。除此之外，該電路板上還備有一個(gè)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(hù)功能、高頻輸入 EMI 濾波器、接通/關(guān)斷開關(guān)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