中心議題：

• 變速電機的驅動設計
• 變速電機的保護
• 變速電機的完善控製方案

解決方案：

• 電機電流感測方法
• HVIC的線性相電流感測
• 采用IGBT過流保護

可變速電機驅動可以提高機器設備的能源效率
，但為了降低成本
、提高市場響應速度和提高效率，還要在幾個方麵對可變速驅動設計進行改進。其中包括對IGBT很關鍵的線性電流反饋和過流保護特性，這兩個功能傳統上都是通過采用體積大
、昂貴和難以組裝的元器件來實現的。

最新的HVIC(高壓集成電路)技術使得大多數必需的反饋和保護器件可以製作在一個基片上，這樣就可以在範圍更大的市場和應用裏
，來實現成本低廉
、結構緊湊的可變速驅動。

電機電流感測方法

變bian換huan器qi級ji和he電dian機ji相xiang電dian流liu的de感gan測ce對dui電dian流liu模mo式shi控kong製zhi是shi至zhi關guan重zhong要yao的de
，這zhe種zhong模mo式shi要yao求qiu很hen高gao的de精jing確que度du和he線xian性xing度du。這zhe種zhong感gan測ce對dui過guo流liu保bao護hu同tong樣yang重zhong要yao，因yin為wei過guo流liu保bao護hu要yao求qiu響xiang應ying速su度du要yao快kuai。要yao同tong時shi滿man足zu上shang述shu要yao求qiu，加jia上shang獨du特te的de電dian流liu信xin號hao取qu樣yang位wei置zhi，就jiu要yao求qiu複fu雜za的de電dian路lu設she計ji和he信xin號hao處chu理li。

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
，如圖1所示。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。


圖1電路感測方法

在單個IGBT相位腳上對電流的取樣看起來更容易操作了
，但實際上卻不能降低對載波頻率取樣處理的需求。到目前為止，最簡單的
、容(rong)易(yi)獲(huo)得(de)的(de)電(dian)流(liu)信(xin)號(hao)來(lai)自(zi)於(yu)電(dian)機(ji)的(de)相(xiang)位(wei)超(chao)前(qian)，信(xin)號(hao)內(nei)容(rong)僅(jin)是(shi)基(ji)本(ben)的(de)變(bian)頻(pin)電(dian)機(ji)電(dian)流(liu)。需(xu)要(yao)考(kao)慮(lv)的(de)一(yi)個(ge)重(zhong)要(yao)因(yin)素(su)是(shi)，小(xiao)的(de)差(cha)分(fen)信(xin)號(hao)在(zai)幾(ji)毫(hao)伏(fu)範(fan)圍(wei)內(nei)
，在(zai)600～1200V電壓間變動。另外
，由於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。

HVIC：位準移動(Levelshifting)

HVICjishushideweizhunyidongchengweikeneng
，jiganceyigepiaoyizaidadeputongmoshidianyashangdexiaochafendianya
，shenzhizaikuaisushunbiandeshihou。yinci，kuaisuerzhunquededianliugancezaidianjidexiangweichaoqianjiukeshixian
，congerkeyijianshaoyingjianshejihexinhaochulidegongzuo。jutideshixianfangfashijiangyigedicejiediCMOS電路和一個高側浮動CMOS製作到一起，通過N或P溝道LDMOS區域相隔離。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製信號。位準移動電路不受高達50V/ns的快速瞬變的影響，同樣也不受來自於IGBT變換器典型的10V/ns噪聲的幹擾。
[page]
HVIC的線性相電流感測

電機電流是通過使用一個外部分流晶體管來感測的，HVIC可將小的差分電壓(±250mV)tongguoyigejingmidianluzhuanhuanweishijianjiange
，zhegejingmidianludewenboquchugongnengyouzhuyuxianshixiaodequnyanchi。shijianjiangeshikuaisushunbiande
，huibeidaidaoshuchuduan。zheyangjiukeyihuodeyuceliangdianliuxiangduiyingdemonishuchudianya，yibianyuwaibucankaodianyaxiangbijiao，zuidacaiyanglvwei40kSPS。對於頻率高達20kHz的非對稱PWM調製來講，這個采樣速率富富有餘。20kHz時的最大延遲小於7.5s
，對於被用來IGBT保護的電流感測信號來說也夠快了。圖2是電流感測電路。


圖2HVIC應用中線性相電流感測電路

IGBT保護

IGBT過流情況基本來說分三種模式：線間短路
、故障接地和開關擊穿。在考慮過流保護方案時，必須對兩個重要因素作出評估：第一個是提供的過流保護的模式以及如何關斷，另外一個就是控製架構。控製架構很大程度上影響著過流保護的方式和實施。

IGBT保bao護hu一yi般ban在zai硬ying件jian電dian路lu裏li實shi現xian

，根gen據ju要yao保bao護hu的de過guo流liu條tiao件jian的de模mo式shi，具ju體ti電dian路lu和he過guo流liu感gan測ce器qi件jian的de類lei型xing會hui有you所suo不bu同tong。其qi原yuan因yin在zai於yu，在zai每mei個ge過guo流liu模mo式shi中zhong的de路lu徑jing和he電dian流liu流liu動dong是shi不bu一yi樣yang的de。圖tu3a至3c顯xian示shi了le每mei個ge過guo流liu條tiao件jian模mo式shi的de典dian型xing電dian流liu流liu動dong
，在zai主zhu要yao功gong率lv電dian路lu裏li的de電dian流liu流liu動dong及ji其qi路lu徑jing取qu決jue於yu過guo流liu的de模mo式shi。在zai開kai關guan擊ji穿chuan和he線xian間jian短duan路lu條tiao件jian下xia的de短duan路lu電dian流liu總zong是shi流liu向xiang直zhi流liu總zong線xian上shang的de電dian容rong器qi。然ran而er
，故gu障zhang接jie地di電dian流liu通tong常chang從cong交jiao流liu線xian輸shu入ru，通tong過guo正zheng直zhi流liu總zong線xian和he高gao側ceIGBT，流向故障發生的接地點。沒有電流流過總線電容器。


圖3IGBT過流保護的三種方式

保護電路也取決於控製架構。對於開關擊穿和線間短路過流保護來說，常規的
、非HVIC解決方案探測過流的方式是
，跨過分路晶體管插入一個霍爾傳感器或huo線xian性xing光guang隔ge器qi件jian，與yu負fu直zhi流liu總zong線xian相xiang連lian。如ru果guo也ye需xu要yao故gu障zhang接jie地di保bao護hu的de話hua
，在zai交jiao流liu線xian輸shu入ru端duan或huo正zheng直zhi流liu總zong線xian必bi須xu放fang上shang另ling外wai一yi個ge霍huo爾er效xiao應ying漏lou電dian傳chuan感gan器qi。通tong過guo使shi用yong快kuai速su比bi較jiao器qi可ke以yi實shi現xian保bao護hu電dian路lu。
[page]
如ru果guo霍huo爾er傳chuan感gan器qi位wei於yu電dian機ji的de相xiang輸shu出chu，因yin為wei在zai線xian間jian短duan路lu條tiao件jian下xia電dian流liu流liu動dong的de正zheng負fu極ji都dou存cun在zai
，所suo以yi每mei個ge霍huo爾er傳chuan感gan器qi都dou需xu要yao兩liang個ge比bi較jiao器qi。為wei了le保bao護huIGBT不受過流損害，必須考慮總的關斷傳輸延遲。在門驅動裏裝有光隔離器件，與光隔離器件和霍爾傳感器有關的延遲時間一般大於2μs。所以，不管保護電路如何設計，這個延遲時間都必須要加到電路延遲裏去，才能滿足IGBT短路時長的要求。

不用HVIC而用分立器件的替代方案是，在光門驅動第二側裝一個IGBT高端降飽和(de-saturation)電dian路lu。這zhe樣yang，當dang器qi件jian處chu於yu全quan開kai的de狀zhuang態tai時shi，就jiu可ke以yi探tan測ce到dao收shou集ji器qi和he發fa射she器qi的de電dian壓ya累lei加jia，如ru果guo這zhe個ge電dian壓ya超chao過guo限xian製zhi就jiu會hui關guan斷duan有you關guan的de閘zha信xin號hao。分fen立li方fang案an要yao求qiu必bi須xu有you帶dai參can考kao電dian壓ya的de比bi較jiao器qi，還hai要yao有you高gao壓ya二er極ji管guan、晶體管和電容器。

IGBT保護架構裏還可以增加電路，在探測到過流時進行軟關斷SSD(SoftShutDown)。SSD可以避免電路寄生電感在IGBT收集器和發射器間產生高峰值電壓
，這樣也就可以保證短路時在RBSOA允許範圍內更大的安全空間。在較小的驅動裏
，設計者可能會需要一個緩衝器電路，這樣在接近IGBT峰值時，跨過直流總線的一個高頻電容器就會起作用。如果設計得好，SSD電路可以減少甚至取消對緩衝器。然而，這需要另外一個快速光隔離器件，每個IGBT門驅動電路還需要帶圖騰柱(TotemPole)緩衝器晶體管的軟關斷電路。

概括來講，傳統的IGBTbaohujishuxuyaotijidayixiedehuoerchuanganqiheguanggeliqi，zheyangwufajiangdixitongdetijihechengben，erqiehuoerchuanganqihaixuyaoshougongzhuangpei。lingwai，ruguoxitongxuyaoSSD，為(wei)了(le)配(pei)套(tao)，也(ye)就(jiu)會(hui)再(zai)額(e)外(wai)需(xu)要(yao)六(liu)個(ge)光(guang)隔(ge)離(li)器(qi)和(he)六(liu)個(ge)能(neng)軟(ruan)關(guan)機(ji)的(de)緩(huan)衝(chong)器(qi)電(dian)路(lu)。這(zhe)個(ge)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)十(shi)分(fen)複(fu)雜(za)
，也(ye)妨(fang)礙(ai)門(men)驅(qu)動(dong)和(he)保(bao)護(hu)電(dian)路(lu)的(de)進(jin)一(yi)步(bu)集(ji)成(cheng)。

三相門驅動的實現

一個單獨的HVIC器件可以集成一個三相門驅動方案所需要的所有6個IGBT門驅動
，同時還可將每個高側和低側輸出端的IGBT高端降飽和保護和軟關斷特性集成到一起。表1對HVIC方案和傳統的分立方案進行了比較。


表1HVIC方案和傳統的分立方案對比

圖4顯示了帶IGBT保護的一個HVIC三相門驅動的輸出。在ON狀態時，通過一個外部二極管感測IGBT收集器-發射器電壓，可以探測到過流的發生。然後將Vce與一個8V的臨界電壓進行比較，作為結果的信號會被過濾1μs。這裏還采用一個3μs消隱濾波器(blankingfilter)，目的是移除IGBT開啟時的末端電流。當探測到高端降飽和條件時，輸出級立刻就進入高阻抗狀態
，SSD被激活，通過SSD的H/L針腳上的75Ω的內部阻抗就可關斷IGBT。SSD驅動保持該狀態7μs，使得IGBT可以平穩地放電，也可加一個外部電阻來進一步控製放電速率。


圖4帶IGBT高端降飽和保護和軟關斷功能的輸出

通過SY_FLTI/O針zhen腳jiao，短duan路lu信xin息xi可ke以yi與yu其qi他ta的de高gao側ce或huo低di側ce驅qu動dong共gong享xiang。一yi旦dan處chu於yu有you效xiao狀zhuang態tai，這zhe個ge信xin號hao就jiu會hui凍dong結jie所suo有you其qi他ta驅qu動dong的de輸shu出chu狀zhuang態tai，而er不bu管guan其qi輸shu入ru情qing況kuang如ru何he。主zhu驅qu動dong器qi也ye會hui凍dong結jie自zi己ji的de狀zhuang態tai，直zhi至zhi發fa生sheng軟ruan關guan斷duan。

當軟關斷完成時，SY_FLT信號就不再起作用，診斷信息就會通過FAULT/SD針腳被送到主MCU。主驅動器這時就會將FAULT/SD線切斷，強迫關掉該區域內所有其他的驅動器，從而實現硬關斷。故障信息就會送到主控製器進行診斷。

IGBT高端降飽和由一個監測收集器電壓的外部高壓二極管感測。該二極管一般由一個內部上拉電阻(PUR)加偏壓
，這個電阻與附近的電源線相連(VB或VCC)。當晶體管處於ON時，二極管導通

，電路裏的電流由內部上拉電阻決定，上拉電阻一般都在100kΩ左右。

在DSH/L針腳提供主動式偏壓結構，目的是降低IGBT處於OFF時流過二極管寄生電容和內部上拉電阻電流的噪聲效應。DSH/L給VB/VCC提供相應的主動式上拉，給VS/COM提供相應的下拉。當電壓超過VDESAT臨界電壓的時候
，專用偏壓電路可以降低DSH/L針腳的阻抗。當IGBT處於完全開啟的時候
，感測二極管變為順偏
，DSH/L針腳上的電壓就下降了。這時，偏壓電路不再起作用，目的是降低二極管的偏壓電流。

完善控製方案

因此，不管是IGBT保護，還是ACPWM電機驅動的電機電流感測電路，都可以通過使用HVIC技術將門驅動、保護
、感測功能集成到一起，從而得以大大簡化。

為完善控製解決方案，在BiCMOS技術條件下
，HVIC器件也可以在同一個矽片上實現模數功率變換控製功能，包括：脈寬調節器(PWM)、電壓控製振蕩器(VCO)、精準感測放大器和快速誤差比較器功能。

奇數和偶數次諧波會影響效率
、可靠性和性能
，通過HVIC也(ye)可(ke)以(yi)實(shi)現(xian)濾(lv)波(bo)功(gong)能(neng)。共(gong)有(you)兩(liang)個(ge)級(ji)進(jin)行(xing)濾(lv)波(bo)，通(tong)過(guo)置(zhi)入(ru)傳(chuan)輸(shu)零(ling)點(dian)去(qu)除(chu)偶(ou)次(ci)諧(xie)波(bo)，然(ran)後(hou)以(yi)兩(liang)倍(bei)同(tong)步(bu)頻(pin)率(lv)對(dui)第(di)一(yi)級(ji)結(jie)果(guo)進(jin)行(xing)取(qu)樣(yang)，從(cong)而(er)去(qu)除(chu)奇(qi)次(ci)諧(xie)波(bo)。接(jie)下(xia)來(lai)的(de)第(di)三(san)級(ji)
，會(hui)產(chan)生(sheng)PWM輸出信號。最後
，模擬重建使得可以與MCU或者DSP的轉矩控製回路進行直接接口。