用于可變速電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的HVIC技術(shù)

  最新的HVIC(高壓集成電路)技術(shù)使得大多數(shù)必需的反饋和保護(hù)器件可以制作在一個(gè)基片上，這樣就可以在范圍更大的市場(chǎng)和應(yīng)用里，來(lái)實(shí)現(xiàn)成本低廉、結(jié)構(gòu)緊湊的可變速驅(qū)動(dòng)。

電機(jī)電流感測(cè)方法
   變換器級(jí)和電機(jī)相電流的感測(cè)對(duì)電流模式控制是至關(guān)重要的，這種模式要求很高的精確度和線性度。這種感測(cè)對(duì)過(guò)流保護(hù)同樣重要，因?yàn)檫^(guò)流保護(hù)要求響應(yīng)速度要快。要同時(shí)滿足上述要求，加上獨(dú)特的電流信號(hào)取樣位置，就要求復(fù)雜的電路設(shè)計(jì)和信號(hào)處理。 

  實(shí)際上，電流信號(hào)可以通過(guò)與下列結(jié)點(diǎn)相連接而被取樣：正或負(fù)DC總線、單IGBT相位腳、或電機(jī)相位超前，如圖1所示。不管在哪個(gè)DC總線上取樣的電流信號(hào)，都是所有IGBT相位腳電流的矢量和。  

圖1  電路感測(cè)方法

   在單個(gè)IGBT相位腳上對(duì)電流的取樣看起來(lái)更容易操作了，但實(shí)際上卻不能降低對(duì)載波頻率取樣處理的需求。到目前為止，最簡(jiǎn)單的、容易獲得的電流信號(hào)來(lái)自于電機(jī)的相位超前，信號(hào)內(nèi)容僅是基本的變頻電機(jī)電流。需要考慮的一個(gè)重要因素是，小的差分信號(hào)在幾毫伏范圍內(nèi)，在600～1200V電壓間變動(dòng)。另外，由于IGBT變換器相的作用，普通模式電壓以最高10V/ns的dV/dt速率在-DC到+DC間變動(dòng)。

HVIC：位準(zhǔn)移動(dòng)(Level shifting)
   HVIC技術(shù)使得位準(zhǔn)移動(dòng)成為可能，即感測(cè)一個(gè)漂移在大的普通模式電壓上的小差分電壓，甚至在快速瞬變的時(shí)候。因此，快速而準(zhǔn)確的電流感測(cè)在電機(jī)的相位超前就可實(shí)現(xiàn)，從而可以減少硬件設(shè)計(jì)和信號(hào)處理的工作。具體的實(shí)現(xiàn)方法是將一個(gè)低側(cè)接地CMOS電路和一個(gè)高側(cè)浮動(dòng)CMOS制作到一起，通過(guò)N或P溝道LDMOS區(qū)域相隔離。LDMOS的作用是位準(zhǔn)移動(dòng)，目的是在低側(cè)和高側(cè)電路之間跨過(guò)高壓柵來(lái)傳遞控制信號(hào)。位準(zhǔn)移動(dòng)電路不受高達(dá)50V/ns的快速瞬變的影響，同樣也不受來(lái)自于IGBT變換器典型的10V/ns噪聲的干擾。

HVIC的線性相電流感測(cè)
   電機(jī)電流是通過(guò)使用一個(gè)外部分流晶體管來(lái)感測(cè)的，HVIC可將小的差分電壓(±250mV)通過(guò)一個(gè)精密電路轉(zhuǎn)換為時(shí)間間隔，這個(gè)精密電路的紋波去除功能有助于顯示小的群延遲。時(shí)間間隔是快速瞬變的，會(huì)被帶到輸出端。這樣就可以獲得與測(cè)量電流相對(duì)應(yīng)的模擬輸出電壓，以便與外部參考電壓相比較，最大采樣率為40kSPS。對(duì)于頻率高達(dá)20kHz的非對(duì)稱PWM調(diào)制來(lái)講，這個(gè)采樣速率富富有余。20kHz時(shí)的最大延遲小于7.5s，對(duì)于被用來(lái)IGBT保護(hù)的電流感測(cè)信號(hào)來(lái)說(shuō)也夠快了。圖2是電流感測(cè)電路。

圖2  HVIC應(yīng)用中線性相電流感測(cè)電路

IGBT保護(hù)
   IGBT過(guò)流情況基本來(lái)說(shuō)分三種模式：線間短路、故障接地和開關(guān)擊穿。在考慮過(guò)流保護(hù)方案時(shí)，必須對(duì)兩個(gè)重要因素作出評(píng)估：第一個(gè)是提供的過(guò)流保護(hù)的模式以及如何關(guān)斷，另外一個(gè)就是控制架構(gòu)?？刂萍軜?gòu)很大程度上影響著過(guò)流保護(hù)的方式和實(shí)施。

   IGBT保護(hù)一般在硬件電路里實(shí)現(xiàn)，根據(jù)要保護(hù)的過(guò)流條件的模式，具體電路和過(guò)流感測(cè)器件的類型會(huì)有所不同。其原因在于，在每個(gè)過(guò)流模式中的路徑和電流流動(dòng)是不一樣的。圖3a至3c顯示了每個(gè)過(guò)流條件模式的典型電流流動(dòng)，在主要功率電路里的電流流動(dòng)及其路徑取決于過(guò)流的模式。在開關(guān)擊穿和線間短路條件下的短路電流總是流向直流總線上的電容器。然而，故障接地電流通常從交流線輸入，通過(guò)正直流總線和高側(cè)IGBT，流向故障發(fā)生的接地點(diǎn)。沒(méi)有電流流過(guò)總線電容器。  

圖3  IGBT過(guò)流保護(hù)的三種方式

   保護(hù)電路也取決于控制架構(gòu)。對(duì)于開關(guān)擊穿和線間短路過(guò)流保護(hù)來(lái)說(shuō)，常規(guī)的、非HVIC解決方案探測(cè)過(guò)流的方式是，跨過(guò)分路晶體管插入一個(gè)霍爾傳感器或線性光隔器件，與負(fù)直流總線相連。如果也需要故障接地保護(hù)的話，在交流線輸入端或正直流總線必須放上另外一個(gè)霍爾效應(yīng)漏電傳感器。通過(guò)使用快速比較器可以實(shí)現(xiàn)保護(hù)電路。

   如果霍爾傳感器位于電機(jī)的相輸出，因?yàn)樵诰€間短路條件下電流流動(dòng)的正負(fù)極都存在，所以每個(gè)霍爾傳感器都需要兩個(gè)比較器。為了保護(hù)IGBT不受過(guò)流損害，必須考慮總的關(guān)斷傳輸延遲。在門驅(qū)動(dòng)里裝有光隔離器件，與光隔離器件和霍爾傳感器有關(guān)的延遲時(shí)間一般大于2μs。所以，不管保護(hù)電路如何設(shè)計(jì)，這個(gè)延遲時(shí)間都必須要加到電路延遲里去，才能滿足IGBT短路時(shí)長(zhǎng)的要求。

   不用HVIC而用分立器件的替代方案是，在光門驅(qū)動(dòng)第二側(cè)裝一個(gè)IGBT高端降飽和(de-saturation)電路。這樣，當(dāng)器件處于全開的狀態(tài)時(shí)，就可以探測(cè)到收集器和發(fā)射器的電壓累加，如果這個(gè)電壓超過(guò)限制就會(huì)關(guān)斷有關(guān)的閘信號(hào)。分立方案要求必須有帶參考電壓的比較器，還要有高壓二極管、晶體管和電容器。

   IGBT保護(hù)架構(gòu)里還可以增加電路，在探測(cè)到過(guò)流時(shí)進(jìn)行軟關(guān)斷SSD(Soft Shut Down)。SSD可以避免電路寄生電感在IGBT收集器和發(fā)射器間產(chǎn)生高峰值電壓，這樣也就可以保證短路時(shí)在RBSOA允許范圍內(nèi)更大的安全空間。在較小的驅(qū)動(dòng)里，設(shè)計(jì)者可能會(huì)需要一個(gè)緩沖器電路，這樣在接近IGBT峰值時(shí)，跨過(guò)直流總線的一個(gè)高頻電容器就會(huì)起作用。如果設(shè)計(jì)得好，SSD電路可以減少甚至取消對(duì)緩沖器。然而，這需要另外一個(gè)快速光隔離器件，每個(gè)IGBT門驅(qū)動(dòng)電路還需要帶圖騰柱(Totem Pole)緩沖器晶體管的軟關(guān)斷電路。

   概括來(lái)講，傳統(tǒng)的IGBT保護(hù)技術(shù)需要體積大一些的霍爾傳感器和光隔離器，這樣無(wú)法降低系統(tǒng)的體積和成本，而且霍爾傳感器還需要手工裝配。另外，如果系統(tǒng)需要SSD，為了配套，也就會(huì)再額外需要六個(gè)光隔離器和六個(gè)能軟關(guān)機(jī)的緩沖器電路。這個(gè)解決方案十分復(fù)雜，也妨礙門驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路的進(jìn)一步集成。

三相門驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)
   一個(gè)單獨(dú)的HVIC器件可以集成一個(gè)三相門驅(qū)動(dòng)方案所需要的所有6個(gè)IGBT門驅(qū)動(dòng)，同時(shí)還可將每個(gè)高側(cè)和低側(cè)輸出端的IGBT高端降飽和保護(hù)和軟關(guān)斷特性集成到一起。表1對(duì)HVIC方案和傳統(tǒng)的分立方案進(jìn)行了比較。

表1  HVIC方案和傳統(tǒng)的分立方案對(duì)比

   圖4顯示了帶IGBT保護(hù)的一個(gè)HVIC三相門驅(qū)動(dòng)的輸出。在ON狀態(tài)時(shí)，通過(guò)一個(gè)外部二極管感測(cè)IGBT收集器-發(fā)射器電壓，可以探測(cè)到過(guò)流的發(fā)生。然后將Vce與一個(gè)8V的臨界電壓進(jìn)行比較，作為結(jié)果的信號(hào)會(huì)被過(guò)濾   1μs。這里還采用一個(gè)3μs消隱濾波器(blanking filter)，目的是移除IGBT開啟時(shí)的末端電流。當(dāng)探測(cè)到高端降飽和條件時(shí)，輸出級(jí)立刻就進(jìn)入高阻抗?fàn)顟B(tài)，SSD被激活，通過(guò)SSD的H/L針腳上的75Ω的內(nèi)部阻抗就可關(guān)斷IGBT。SSD驅(qū)動(dòng)保持該狀態(tài)7μs，使得IGBT可以平穩(wěn)地放電，也可加一個(gè)外部電阻來(lái)進(jìn)一步控制放電速率。

圖4  帶IGBT高端降飽和保護(hù)和軟關(guān)斷功能的輸出

    通過(guò)SY_FLT I/O針腳，短路信息可以與其他的高側(cè)或低側(cè)驅(qū)動(dòng)共享。一旦處于有效狀態(tài)，這個(gè)信號(hào)就會(huì)凍結(jié)所有其他驅(qū)動(dòng)的輸出狀態(tài)，而不管其輸入情況如何。主驅(qū)動(dòng)器也會(huì)凍結(jié)自己的狀態(tài)，直至發(fā)生軟關(guān)斷。

   當(dāng)軟關(guān)斷完成時(shí)，SY_FLT信號(hào)就不再起作用，診斷信息就會(huì)通過(guò)FAULT/SD針腳被送到主MCU。主驅(qū)動(dòng)器這時(shí)就會(huì)將FAULT/SD線切斷，強(qiáng)迫關(guān)掉該區(qū)域內(nèi)所有其他的驅(qū)動(dòng)器，從而實(shí)現(xiàn)硬關(guān)斷。故障信息就會(huì)送到主控制器進(jìn)行診斷。

   IGBT高端降飽和由一個(gè)監(jiān)測(cè)收集器電壓的外部高壓二極管感測(cè)。該二極管一般由一個(gè)內(nèi)部上拉電阻(PUR)加偏壓，這個(gè)電阻與附近的電源線相連(VB或VCC)。當(dāng)晶體管處于ON時(shí)，二極管導(dǎo)通，電路里的電流由內(nèi)部上拉電阻決定，上拉電阻一般都在100kΩ左右。

   在DSH/L針腳提供主動(dòng)式偏壓結(jié)構(gòu)，目的是降低IGBT處于OFF時(shí)流過(guò)二極管寄生電容和內(nèi)部上拉電阻電流的噪聲效應(yīng)。DSH/L給VB/VCC提供相應(yīng)的主動(dòng)式上拉，給VS/COM提供相應(yīng)的下拉。當(dāng)電壓超過(guò)VDESAT臨界電壓的時(shí)候，專用偏壓電路可以降低DSH/L針腳的阻抗。當(dāng)IGBT處于完全開啟的時(shí)候，感測(cè)二極管變?yōu)轫樒珼SH/L針腳上的電壓就下降了。這時(shí)，偏壓電路不再起作用，目的是降低二極管的偏壓電流。

完善控制方案
   因此，不管是IGBT保護(hù)，還是ACPWM電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電機(jī)電流感測(cè)電路，都可以通過(guò)使用HVIC技術(shù)將門驅(qū)動(dòng)、保護(hù)、感測(cè)功能集成到一起，從而得以大大簡(jiǎn)化。

   為完善控制解決方案，在BiCMOS技術(shù)條件下，HVIC器件也可以在同一個(gè)硅片上實(shí)現(xiàn)模數(shù)功率變換控制功能，包括：脈寬調(diào)節(jié)器(PWM)、電壓控制振蕩器(VCO)、精準(zhǔn)感測(cè)放大器和快速誤差比較器功能。

   奇數(shù)和偶數(shù)次諧波會(huì)影響效率、可靠性和性能，通過(guò)HVIC也可以實(shí)現(xiàn)濾波功能。共有兩個(gè)級(jí)進(jìn)行濾波，通過(guò)置入傳輸零點(diǎn)去除偶次諧波，然后以兩倍同步頻率對(duì)第一級(jí)結(jié)果進(jìn)行取樣，從而去除奇次諧波。接下來(lái)的第三級(jí)，會(huì)產(chǎn)生PWM輸出信號(hào)。最后，模擬重建使得可以與MCU或者DSP的轉(zhuǎn)矩控制回路進(jìn)行直接接口。