新型電力電子技術(shù)功率模塊特征與應(yīng)用

2.2關(guān)于智能功率模塊的驅(qū)動(dòng)器IC

由于成本效益的原因，高壓IC (HVIC)和低壓IC (LVIC)設(shè)計(jì)具有最好的必要功能，特別適合于消費(fèi)電器的逆變器驅(qū)動(dòng)。在設(shè)計(jì)方面的考慮：包括借助精細(xì)工藝技術(shù)減小芯片尺寸；由3V饋入微控制器直接驅(qū)動(dòng)有效的“高電平”接口；低功耗；更高的抗噪聲能力；抗溫度變化的更好穩(wěn)定性等等。

HVIC的一個(gè)特性是內(nèi)置高電平偏移功能，如圖2所示. 能夠?qū)?lái)自微控制器的PWM輸入直接轉(zhuǎn)換至高邊功率器件。此外，使用外部充電反向電容CBS，可以采用單一控制電源VB驅(qū)動(dòng)智能功率模塊。

圖2 高邊驅(qū)動(dòng)器配置

另一方面，HVIC對(duì)于外部噪聲敏感，因?yàn)槠湫盘?hào)是通過(guò)脈沖信號(hào)和SR鎖存器進(jìn)行轉(zhuǎn)換的。對(duì)于這種脈沖驅(qū)動(dòng)HVIC，高dv/dt開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)IGBT是最危險(xiǎn)的開(kāi)關(guān)類型。假設(shè)從漏極看LDMOS寄生電容是CM，高邊IGBT的導(dǎo)通dv/dt是dVS/dt，CM必須采用大電流充電，才能使LDMOS漏極電壓跟隨快速變化的VB電壓，該電壓通過(guò)自舉電容CBS與VS耦合。大充電電流在R1和R2上引起過(guò)大的壓降，從而誤觸發(fā)SR鎖存器。

為了克服噪聲敏感性，開(kāi)發(fā)了具有獨(dú)特拓?fù)涞脑肼曄?，如圖2所示。V/I轉(zhuǎn)換器將電平變換器的輸出轉(zhuǎn)換成電流信息。對(duì)于具有高dv/dt的共模噪聲，V/I轉(zhuǎn)換器會(huì)給出相同的輸出。但是，對(duì)于正常運(yùn)作，V/I轉(zhuǎn)換器輸出是互不相同的，因?yàn)閮蓚€(gè)LDMOS中只有一個(gè)工作于正常的電平轉(zhuǎn)換器運(yùn)作狀態(tài)。這樣可以方便地確定V/I轉(zhuǎn)換器的輸出是否是由于噪聲引起。一旦噪聲消除器識(shí)別出有共模噪聲侵入，它便吸收V/I轉(zhuǎn)換器的電流輸出。然后，V/I轉(zhuǎn)換器重建電壓信號(hào).這個(gè)信號(hào)來(lái)自V/I轉(zhuǎn)換器的電流輸出，在VB和VS電源軌之間擺動(dòng)。最后，經(jīng)放大的信號(hào)送到SR鎖存器。

V/I和I/V轉(zhuǎn)換的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是允許負(fù)VS電壓不再受電路的閾值電壓支配。由于其獨(dú)特的拓?fù)?，HVIC展示了出色的噪聲免疫能力，能夠耐受高達(dá)50V/ns的高dv/dt噪聲，并且擴(kuò)展負(fù)電壓運(yùn)作范圍，在VB=15V左右達(dá)到VS=-10V。

LVIC負(fù)責(zé)所有的保護(hù)功能及其向微控制器的反饋。它的保護(hù)電路檢測(cè)控制電源電壓、LVIC溫度以及帶外部并聯(lián)電阻的IGBT集電極電流，并在錯(cuò)誤狀態(tài)中斷IGBT的操作。有關(guān)的保護(hù)應(yīng)該不受溫度和電源電壓的影響。

而錯(cuò)誤信號(hào)是用于通知系統(tǒng)控制器保護(hù)功能是否已經(jīng)激活。錯(cuò)誤信號(hào)輸出是低電平有效的集電極開(kāi)路配置。它一般通過(guò)上拉電阻被拉升至3.3V到15V。當(dāng)錯(cuò)誤發(fā)生時(shí)，錯(cuò)誤線拉低，低邊IGBT的所有柵極被中斷。如果錯(cuò)誤是過(guò)電流引起的，輸出則出現(xiàn)一個(gè)脈沖，然后自動(dòng)復(fù)位。首選的低信號(hào)持續(xù)時(shí)間取決于它的應(yīng)用，例如，對(duì)于家電首選幾毫秒，但是在工業(yè)應(yīng)用中首選低信號(hào)持續(xù)時(shí)間為(1～2)倍的IGBT開(kāi)關(guān)頻率。
具有新IBGT技術(shù)智能功率模塊的舉例見(jiàn)圖3所示。

圖3 具有新IBGT技術(shù)智能功率模塊圖

這個(gè)系統(tǒng)由一個(gè)功率板和一個(gè)控制板組成，兩塊板通過(guò)一個(gè)6線接口相連，確保電源與信號(hào)之間噪聲的干擾很低．功率板直接使用市電電源(因?yàn)榘迳涎b有倍壓器，可以連接120V或220V市電)或使用外部直流電源，低壓輔助電源也安裝在功率板上，配合額定電壓高于50VDC的應(yīng)用工作。

而帶輸入整流半橋選件的三相逆變器，更低的通態(tài)電壓降(VCE(sat))和CRES/CIES比，超軟超快恢復(fù)反向并聯(lián)二極管工作頻率高達(dá)70kHz，新一代產(chǎn)品的參數(shù)分布公差小，單螺釘組裝，芯片上無(wú)熱點(diǎn)，大電流模塊可選擇負(fù)溫度系數(shù)電阻。

這些電路板十分適合那些需要六步通信或六個(gè)信號(hào)PWM(正弦調(diào)制)輸出的應(yīng)用領(lǐng)域，如3相交流永磁電機(jī)或無(wú)刷電機(jī)(正弦曲線驅(qū)動(dòng))控制；單相和三相UPS。

2.3智能功率模塊的自舉二極管技術(shù)

因?yàn)槌嘶镜娜嗄孀兤魍負(fù)?，更多的集成是面臨的挑戰(zhàn)之一。值此自舉二極管似乎成為集成的合適器件。實(shí)際上，市場(chǎng)上已出現(xiàn)了數(shù)種內(nèi)置自舉二極管的產(chǎn)品，但是從技術(shù)角度來(lái)看，其方式略有不同。其中之一是使用HVIC上的高壓連結(jié)終端區(qū)域作為自舉二極管。其應(yīng)用局限于額定值在100W以下的低功率應(yīng)用，因?yàn)檫@種方式具有較大的正向壓降和較差的動(dòng)態(tài)特性。功率在400W左右時(shí)，采用分立FRD作為自舉二極管，但是由于其封裝尺寸有限，沒(méi)有串聯(lián)電阻(RBS)，因此需要對(duì)大充電流進(jìn)行特殊處理，尤其在初始的充電期間。在高于400W的應(yīng)用中，最常見(jiàn)的應(yīng)用是將分立FRD和分立電阻進(jìn)行組合(見(jiàn)圖2所示)。這種方式的唯一缺點(diǎn)是占用空間較大和相應(yīng)的成本增高。