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變速電機(jī)驅(qū)動設(shè)計的HVIC技術(shù)

發(fā)布時間:2010-11-04

中心議題:
  • 變速電機(jī)的驅(qū)動設(shè)計
  • 變速電機(jī)的保護(hù)
  • 變速電機(jī)的完善控制方案
解決方案:
  • 電機(jī)電流感測方法
  • HVIC的線性相電流感測
  • 采用IGBT過流保護(hù)

可變速電機(jī)驅(qū)動可以提高機(jī)器設(shè)備的能源效率,但為了降低成本、提高市場響應(yīng)速度和提高效率,還要在幾個方面對可變速驅(qū)動設(shè)計進(jìn)行改進(jìn)。其中包括對IGBT很關(guān)鍵的線性電流反饋和過流保護(hù)特性,這兩個功能傳統(tǒng)上都是通過采用體積大、昂貴和難以組裝的元器件來實現(xiàn)的。

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基片上,這樣就可以在范圍更大的市場和應(yīng)用里,來實現(xiàn)成本低廉、結(jié)構(gòu)緊湊的可變速驅(qū)動。

電機(jī)電流感測方法

變換器級和電機(jī)相電流的感測對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。這種感測對過流保護(hù)同樣重要,因為過流保護(hù)要求響應(yīng)速度要快。要同時滿足上述要求,加上獨特的電流信號取樣位置,就要求復(fù)雜的電路設(shè)計和信號處理。

實際上,電流信號可以通過與下列結(jié)點相連接而被取樣: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、容易獲得的電流信號來自于電機(jī)的相位超前,信號內(nèi)容僅是基本的變頻電機(jī)電流。需要考慮的一個重要因素是,小的差分信號在幾毫伏范圍內(nèi),在600~1200V電壓間變動。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。

HVIC:位準(zhǔn)移動(Levelshifting)

HVIC技術(shù)使得位準(zhǔn)移動成為可能,即感測一個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候。因此,快速而準(zhǔn)確的電流感測在電機(jī)的相位超前就可實現(xiàn),從而可以減少硬件設(shè)計和信號處理的工作。具體的實現(xiàn)方法是將一個低側(cè)接地CMOS電路和一個高側(cè)浮動CMOS制作到一起,通過N或P溝道LDMOS區(qū)域相隔離。LDMOS的作用是位準(zhǔn)移動,目的是在低側(cè)和高側(cè)電路之間跨過高壓柵來傳遞控制信號。位準(zhǔn)移動電路不受高達(dá)50V/ns的快速瞬變的影響,同樣也不受來自于IGBT變換器典型的10V/ns噪聲的干擾。
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HVIC的線性相電流感測

電機(jī)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)通過一個精密電路轉(zhuǎn)換為時間間隔,這個精密電路的紋波去除功能有助于顯示小的群延遲。時間間隔是快速瞬變的,會被帶到輸出端。這樣就可以獲得與測量電流相對應(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。對于頻率高達(dá)20kHz的非對稱PWM調(diào)制來講,這個采樣速率富富有余。20kHz時的最大延遲小于7.5s,對于被用來IGBT保護(hù)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(yīng)用中線性相電流感測電路

IGBT保護(hù)

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(guān)擊穿。在考慮過流保護(hù)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(hù)的模式以及如何關(guān)斷,另外一個就是控制架構(gòu)。控制架構(gòu)很大程度上影響著過流保護(hù)的方式和實施。

IGBT保護(hù)一般在硬件電路里實現(xiàn),根據(jù)要保護(hù)的過流條件的模式,具體電路和過流感測器件的類型會有所不同。其原因在于,在每個過流模式中的路徑和電流流動是不一樣的。圖3a至3c顯示了每個過流條件模式的典型電流流動,在主要功率電路里的電流流動及其路徑取決于過流的模式。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,通過正直流總線和高側(cè)IGBT,流向故障發(fā)生的接地點。沒有電流流過總線電容器。


圖3IGBT過流保護(hù)的三種方式

保護(hù)電路也取決于控制架構(gòu)。對于開關(guān)擊穿和線間短路過流保護(hù)來說,常規(guī)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霍爾效應(yīng)漏電傳感器。通過使用快速比較器可以實現(xiàn)保護(hù)電路。
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如果霍爾傳感器位于電機(jī)的相輸出,因為在線間短路條件下電流流動的正負(fù)極都存在,所以每個霍爾傳感器都需要兩個比較器。為了保護(hù)IGBT不受過流損害,必須考慮總的關(guān)斷傳輸延遲。在門驅(qū)動里裝有光隔離器件,與光隔離器件和霍爾傳感器有關(guān)的延遲時間一般大于2μs。所以,不管保護(hù)電路如何設(shè)計,這個延遲時間都必須要加到電路延遲里去,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(qū)動第二側(cè)裝一個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,就可以探測到收集器和發(fā)射器的電壓累加,如果這個電壓超過限制就會關(guān)斷有關(guān)的閘信號。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,在探測到過流時進(jìn)行軟關(guān)斷SSD(SoftShutDown)。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在RBSOA允許范圍內(nèi)更大的安全空間。在較小的驅(qū)動里,設(shè)計者可能會需要一個緩沖器電路,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(shè)計得好,SSD電路可以減少甚至取消對緩沖器。然而,這需要另外一個快速光隔離器件,每個IGBT門驅(qū)動電路還需要帶圖騰柱(TotemPole)緩沖器晶體管的軟關(guān)斷電路。

概括來講,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,也就會再額外需要六個光隔離器和六個能軟關(guān)機(jī)的緩沖器電路。這個解決方案十分復(fù)雜,也妨礙門驅(qū)動和保護(hù)電路的進(jìn)一步集成。

三相門驅(qū)動的實現(xiàn)

一個單獨的HVIC器件可以集成一個三相門驅(qū)動方案所需要的所有6個IGBT門驅(qū)動,同時還可將每個高側(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HVIC方案和傳統(tǒng)的分立方案進(jìn)行了比較。


表1HVIC方案和傳統(tǒng)的分立方案對比

圖4顯示了帶IGBT保護(hù)的一個HVIC三相門驅(qū)動的輸出。在ON狀態(tài)時,通過一個外部二極管感測IGBT收集器-發(fā)射器電壓,可以探測到過流的發(fā)生。然后將Vce與一個8V的臨界電壓進(jìn)行比較,作為結(jié)果的信號會被過濾1μs。這里還采用一個3μs消隱濾波器(blankingfilter),目的是移除IGBT開啟時的末端電流。當(dāng)探測到高端降飽和條件時,輸出級立刻就進(jìn)入高阻抗?fàn)顟B(tài),SSD被激活,通過SSD的H/L針腳上的75Ω的內(nèi)部阻抗就可關(guān)斷IGBT。SSD驅(qū)動保持該狀態(tài)7μs,使得IGBT可以平穩(wěn)地放電,也可加一個外部電阻來進(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SY_FLTI/O針腳,短路信息可以與其他的高側(cè)或低側(cè)驅(qū)動共享。一旦處于有效狀態(tài),這個信號就會凍結(jié)所有其他驅(qū)動的輸出狀態(tài),而不管其輸入情況如何。主驅(qū)動器也會凍結(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,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(qū)動器這時就會將FAULT/SD線切斷,強(qiáng)迫關(guān)掉該區(qū)域內(nèi)所有其他的驅(qū)動器,從而實現(xiàn)硬關(guān)斷。故障信息就會送到主控制器進(jìn)行診斷。

IGBT高端降飽和由一個監(jiān)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(nèi)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(dāng)晶體管處于ON時,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針腳提供主動式偏壓結(jié)構(gòu),目的是降低IGBT處于OFF時流過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)的主動式上拉,給VS/COM提供相應(yīng)的下拉。當(dāng)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(dāng)IGBT處于完全開啟的時候,感測二極管變?yōu)轫樒?,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。

完善控制方案

因此,不管是IGBT保護(hù),還是ACPWM電機(jī)驅(qū)動的電機(jī)電流感測電路,都可以通過使用HVIC技術(shù)將門驅(qū)動、保護(hù)、感測功能集成到一起,從而得以大大簡化。

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硅片上實現(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)感測放大器和快速誤差比較器功能。

奇數(shù)和偶數(shù)次諧波會影響效率、可靠性和性能,通過HVIC也可以實現(xiàn)濾波功能。共有兩個級進(jìn)行濾波,通過置入傳輸零點去除偶次諧波,然后以兩倍同步頻率對第一級結(jié)果進(jìn)行取樣,從而去除奇次諧波。接下來的第三級,會產(chǎn)生PWM輸出信號。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。
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