前，現(xiàn)代工業(yè)和家電設(shè)計(jì)師面臨著日益增大的壓力，他們要減小設(shè)備的體積，減少所用的元器件數(shù)量，同時(shí)還要改進(jìn)系統(tǒng)總的性能和可靠性。與此同時(shí)，價(jià)格和上市時(shí)間方面還要求上述獲益不能太多地增加成本和項(xiàng)目開發(fā)周期。目前，的高壓IC(HVIC)技術(shù)正在幫助設(shè)計(jì)師解決這些問題，其方法是利用基于逆變器的調(diào)速電機(jī)驅(qū)動解決方案，這些方案在上述這些應(yīng)用中正日益增加。此外，這種技術(shù)同樣也能使通用變換電路、開關(guān)電源(SMPS)和不間斷電源(UPS)這類的應(yīng)用獲益。

　　變速驅(qū)動需求

　　變速電機(jī)驅(qū)動為家電、工業(yè)和商用這類設(shè)備(如空調(diào))帶來許多好處。這些好處包括提高了能量效率，改進(jìn)了可靠性，減小了震動，減小了電器噪音等。目前，歸功于從功率半導(dǎo)體技術(shù)到器件(如IGBT和功率MOSFET)取得的進(jìn)展，以高效率和具有成本效益地實(shí)現(xiàn)上述變速驅(qū)動已經(jīng)不成問題。設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵問題是，如何保護(hù)所用的IGBT和MOSFET免于遭到短路、過流以及接地不良所造成的損壞。

　　在這些設(shè)計(jì)中，逆變器和電機(jī)相電流的傳感是一個(gè)關(guān)鍵要求，因?yàn)樗请娏髂Ｊ娇刂坪瓦^流保護(hù)的基礎(chǔ)。前者要求高和高線性度，而后者則要求響應(yīng)快。實(shí)際上，可以通過與DC總線的正負(fù)極、IGBT的相臂或電機(jī)的相線抽頭相串聯(lián)的方式來提取電流信號(圖1)。要提取的信號還有基本變頻電機(jī)電流的脈沖寬度調(diào)制包絡(luò)(以固定載頻)。因此，需要采用相當(dāng)復(fù)雜的采樣保持外加數(shù)字信號處理的電路來提取具有高線性度和高的有用電流信息。

　　在單個(gè)的IGBT相臂上獲取的采樣電流比較容易處理，但需要涉及到載波頻率采樣。迄今為止，為簡單的可用電流信號來自電機(jī)的相線抽頭。信號所包含的只有基本的變頻電機(jī)電流。這里復(fù)雜的是，幅度僅為毫伏級的弱差分信號浮在電壓高達(dá)600V到1200V共模電壓上面。此外，由于IGBT逆變相位的影響，共模電壓的擺幅將從-DC到+DC，擺率高達(dá)10V/ns。

　　高壓IC技術(shù)

　　目前，高壓IC技術(shù)取得的進(jìn)展使得設(shè)計(jì)師能夠采用優(yōu)良的、節(jié)省空間的和元器件較少的方案，這些方案解決了先進(jìn)驅(qū)動設(shè)計(jì)中所需的保護(hù)問題和電流傳感問題。例如，IR公司所屬的HVIC技術(shù)，制造時(shí)，將一個(gè)低端接地的CMOS電路與一個(gè)高端浮動的CMOS橫靠在一起，中間用一個(gè)N或P溝道LDMOS區(qū)隔離(圖2)。LDMOS的任務(wù)是執(zhí)行電平轉(zhuǎn)移，即將控制信號傳過位于低端和高端電路之間的高壓柵。這樣做的結(jié)果是將MOSFET和IGBT的驅(qū)動和保護(hù)電路集成到了一個(gè)單芯片中。同時(shí)，該HVIC技術(shù)還實(shí)現(xiàn)了浮動在大共模電壓的弱小差分電壓的傳感，即便是包含有快速的瞬變。因此，該HVIC技術(shù)是制造高壓傳感接口IC的理想基礎(chǔ)。

　　IR公司利用自己的這項(xiàng)技術(shù)，開發(fā)了一系列不同的、高速和高壓IGBT控制IC和傳感IC，使得小小芯片具備完善的保護(hù)功能。這些IC提供了一系列復(fù)雜的保護(hù)功能，包括接地不良保護(hù)，而該功能曾經(jīng)只有在高端系統(tǒng)中才具備。除了這些先進(jìn)的功能外，相對于分離的光耦或變壓器解決方案，這些IC具有高噪聲免疫性能，元器件數(shù)量降低了30%，占位面積則減小了一半。因而，設(shè)計(jì)師可以將PCB面積減少到50%。

　　圖1。用于提取電流信號的電流傳感方法。

　　圖2:采用HVIC技術(shù)的半導(dǎo)體器件截面圖。

　　工業(yè)用HVIC

　　IR22381是一款模擬的三相IGBT門驅(qū)動器。該器件的死區(qū)時(shí)間僅為0.5μs，比相應(yīng)的光耦驅(qū)動器快10倍。另外，該器件還將溫漂以及由此產(chǎn)生的性能變化減到了。

　　該器件含有一個(gè)去飽和功能，提供給所有模式的過流保護(hù)，包括接地不良、穿越或短路到電源軌的保護(hù)。在已開始出現(xiàn)過流條件時(shí)，器件將會軟關(guān)斷，隨后就徹底關(guān)斷所有的6個(gè)輸出。該器件有一個(gè)關(guān)斷輸入，通過該輸入用戶可以控制關(guān)斷。該器件的死區(qū)時(shí)間可編程控制，并且輸出驅(qū)動器具有分離的導(dǎo)通/關(guān)斷引腳，該引腳具有兩級導(dǎo)通輸出，以實(shí)現(xiàn)所要求的IGBT dv/dt開關(guān)電平。其電壓反饋提供了精密測量，還有一個(gè)自舉電源，從而不需要再加一個(gè)輔助電源。

　　IR2277和IR22771是高速單相電流傳感器接口IC，帶有同步采樣，可用于電機(jī)驅(qū)動方面的應(yīng)用。通過一個(gè)外部并聯(lián)電阻來傳感電流，該電阻通過一個(gè)精密的雙斜坡積分電路將模擬電壓轉(zhuǎn)換成一個(gè)時(shí)間間隔。該時(shí)間間隔的電平被轉(zhuǎn)移，提供數(shù)字PWM輸出給DSP和模數(shù)接口，而無需另外的邏輯電路。其吞吐率是40k采樣/秒(適合于頻率高達(dá)20kHz的不對稱PWM調(diào)制)，20kHz上的延遲小于7.5μs。還有一個(gè)噪聲免疫雙向電平移位電路，用來避免高達(dá)50V/ns的dV/dt噪聲。IR2277既有模擬也有PWM輸出，而IR22771只有PWM輸出。

　　IR2214和IR22141用來驅(qū)動電源開關(guān)應(yīng)用以及三相380VAC電路中單獨(dú)的半橋電路，電流高達(dá)50A，溫度高達(dá)80°C。與采用光耦的方案不一樣，IR2214和IR22141門驅(qū)動在整個(gè)壽命中提供良好的穩(wěn)定度，還包括參數(shù)匹配，例如用于高端和低端通道的傳播延遲以及死區(qū)插入。高端的低靜態(tài)電流實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)的和節(jié)省空間的自舉電源。器件中含有IGBT上的故障反饋去飽和，當(dāng)用在多相配置時(shí)自動關(guān)斷IGBT。在IR2214中，含有用于高/低雙端的去飽和檢測以及一個(gè)內(nèi)部偏置電阻，而IR22141中則包含一個(gè)額外的有源去飽和二極管偏置電路。IR2214和IR22141可以通過一個(gè)專用引腳連接在一起，來防止驅(qū)動系統(tǒng)的相間短路。輸入和輸出引腳兼容3.3V CMOS，從而簡化了微處理器連接。器件采用分離的電源地和信號地引腳，可以實(shí)現(xiàn)發(fā)射極分路配置，簡化了低端的IGBT電流傳感。這兩種器件的封裝是SSOP-24。

　　對于家電中的電機(jī)驅(qū)動和大范圍的通用逆變電路，可以將1200V HVIC設(shè)計(jì)成600V版本。詳見表。

　　表：利用HVIC技術(shù)制造的高功率驅(qū)動IC系列。