低成本，低功耗 目前小型交流電機(jī)調(diào)速驅(qū)動多選用高檔保護(hù)元件以避免IGBT出現(xiàn)過流損壞，并大量應(yīng)用于節(jié)能型家用電器和低于5kW的工業(yè)驅(qū)動等。以高壓集成電路（HVIC）技術(shù)為關(guān)鍵手段，就能以低端產(chǎn)品和消費品的價格為需要高集成度的應(yīng)用提供同樣特性。 　　 過流和分立保護(hù) 　　 IGBT為高能效調(diào)速電機(jī)驅(qū)動提供了可靠而便捷的應(yīng)用基礎(chǔ)，但是過流也是這類設(shè)備潛在的致命問題。IGBT的過流狀態(tài)大致源于以下三種故障，即相間短路，對地短路和橋臂貫通，如圖1a，1b，1c所示。相間短路可能由接線錯誤，電機(jī)引線短路，或者電機(jī)相間絕緣擊穿等原因產(chǎn)生。對地短路故障是電機(jī)出現(xiàn)對地絕緣擊穿的結(jié)果。最后一種故障，即橋臂貫通過流，是IGBT誤導(dǎo)通的結(jié)果。 [align=center] [/align] 適用于上述所有故障態(tài)的傳統(tǒng)保護(hù)方案往往由分立傳感器和模擬元件等構(gòu)成的硬件方法實現(xiàn)，例如，為防止相間短路和橋臂貫通，通常會利用串入直流母線負(fù)端的霍耳效應(yīng)傳感器或者接有線性光電隔離器件的分流電阻等檢測過流狀態(tài)。另外，為提供對地短路故障保護(hù)，需要在交流輸入線或者直流母線正端放置一個額外的霍耳效應(yīng)漏電流傳感器。保護(hù)電路可以用高速比較器實現(xiàn)，但是出現(xiàn)相間短路狀況時，由于電流方向可能為正向，也可能為負(fù)向，因此如果霍耳效應(yīng)傳感器位于電機(jī)相線輸出側(cè)，則每個傳感器都需要配備兩個比較器。 　　 總之，保護(hù)電路的實際材料清單中會包含兩個霍耳效應(yīng)傳感器或者線性光電隔離器件，外加兩個比較器，以及電壓基準(zhǔn)，電阻電容等，每個霍耳效應(yīng)傳感器還各自需要一路單獨的隔離電源。用于柵極驅(qū)動的光電隔離器件和霍耳效應(yīng)傳感器通常會在關(guān)斷通道中引入2ms以上的延時，設(shè)計人員在選擇IGBT的死區(qū)持續(xù)時間時，必須考慮這一延時。 　　 另外，也可以改用抗飽和電路來保護(hù)IGBT。該電路檢測IGBT完全導(dǎo)通時在集電極和發(fā)射極之間產(chǎn)生的壓降，如果壓降超過特定門限，抗飽和電路就會關(guān)斷相應(yīng)的柵極驅(qū)動信號。一個由分立元件構(gòu)成的抗飽和電路需要一個比較器和電壓基準(zhǔn)，一個高壓二極管，以及電阻電容等。 　　 無論采用何種方法，如此復(fù)雜的保護(hù)功能所需的材料消耗和裝配成本已注定其不適于成本敏感的應(yīng)用。如果還需要可以為反向偏置安全工作區(qū)（RBSOA）提供更大安全余量的軟關(guān)斷（SSD）功能，則要額外增加六個光電隔離器件和六個具備延緩關(guān)斷能力的緩沖電路。 　　 HVIC：片上保護(hù) 　　 如今，高壓集成電路（HVIC）技術(shù)可以提供單芯片電流傳感解決方案，而且也可以在IGBT柵極驅(qū)動器中集成保護(hù)電路。 　　 例如，IR公司最近推出的一系列的單芯片HVIC器件，將CMOS電路與600V或1200V的N溝道和P溝道LDMOS組合在一起，從而可以從低電壓向高電壓進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，反之亦然。這樣CMOS電路就能夠基于高壓浮動電源的電平進(jìn)行高端柵極驅(qū)動和信號處理，其浮動能力允許處理共模電壓高達(dá)600V或1200V的差模信號。 　　 作為這類HVIC的一員，IR22381Q集成了全部六個IGBT柵極驅(qū)動器以及包括SSD功能的完整IGBT保護(hù)。IR22381Q是帶有泄放驅(qū)動的三相全橋驅(qū)動器，其特性包括滿度為200mA/300mA的軌到軌輸出級，所有電源線都具有欠壓鎖定功能，可以在上電和下電時提供片上保護(hù)，以避免橋臂貫通電流和器件失效。并且所有六個通道都具有可處理相間短路狀況的抗飽和檢測功能。SSD功能可通過一個專用引腳支持自定義關(guān)斷模式。 　　 軟開通功能可以限制電壓和電流尖峰，降低電磁干擾，且IR所有HVIC柵極驅(qū)動器的dV/dt抗擾動能力可高達(dá)50V/ns，并能夠耐受瞬態(tài)負(fù)電壓。每個輸出驅(qū)動都具備高脈沖電流緩沖級，以盡可能減小驅(qū)動串?dāng)_。輸入則采用帶下拉的施密特觸發(fā)器，以獲得抗噪聲擾動能力并確保MOSFET或IGBT不出現(xiàn)誤導(dǎo)通。極低的靜態(tài)電流有利于自舉供電，此外還具有可編程死區(qū)時間。 　　 因而，該技術(shù)可以節(jié)省六個分立的光電隔離器件，兩個霍耳效應(yīng)傳感器和兩個比較器，以及其它附加電路，包括分立的緩沖電路或SSD電路及泄放IGBT驅(qū)動電路等。實施分立方案時，泄放電路通常還需要一個附加的光電隔離器件。由于IR22381Q允許自舉供電，因而該方法也可以省去四組浮動電源。HVIC技術(shù)將所有這些功能都固化于一片單一的單片器件中，可以顯著減少設(shè)計難度，原材料開銷，設(shè)備外形尺寸和制造時間，并能提高可靠性。 　　 圖2a表示了這種HVIC的一個應(yīng)用電路，其中整合了三相柵極驅(qū)動，并且每個高端和低端輸出都有IGBT抗飽和保護(hù)。圖2b也表示了該芯片中抗飽和檢測（DSD）功能的內(nèi)部電路。最大高端浮動電壓可以高達(dá)600V到1200V。通過一枚外接二極管檢測IGBT導(dǎo)通時集電極到發(fā)射極的壓降VCE，再與一個固定的8V門限相比較，就可以實現(xiàn)過流檢測，檢測結(jié)果帶有1ms延時，此外，3ms的閉鎖延時也可以避免IGBT開通延遲對過流檢測的影響。 一旦出現(xiàn)過飽和狀態(tài)，輸出級立即進(jìn)入高阻態(tài)，并激活SSD驅(qū)動，通過SSDH/L引腳以適當(dāng)?shù)尿?qū)動阻抗關(guān)斷IGBT。SSD過程會保持7ms，以便在高集電極電流水平下，平滑釋放IGBT柵極電荷。外接一枚電阻至SSD專用引腳，與75Ω內(nèi)部電阻串聯(lián)，可控制放電阻抗。 短路信息可以通過輸入輸出引腳SY_FLT與其它高端或低端驅(qū)動共享，這樣一來，主驅(qū)動－用于短路檢測－就能通過該局部網(wǎng)絡(luò)與其它驅(qū)動通訊。短路信號一旦激活，將凍結(jié)其它所有驅(qū)動的輸出狀態(tài)，并忽略任何輸入狀態(tài)，主驅(qū)動也將凍結(jié)自身狀態(tài)直到產(chǎn)生SSD過程。 軟關(guān)斷過程結(jié)束后，SY_FLT信號失效，并通過FAULT/SD引腳向主控制器發(fā)送診斷信息。此后，主驅(qū)動拉低FAULT/SD引腳，強(qiáng)制產(chǎn)生硬關(guān)斷。通過FAULT/SD引腳，可以關(guān)斷局部網(wǎng)絡(luò)中的其它所有驅(qū)動，并向主控制器報告故障狀態(tài)，以利于故障診斷。 　　 要檢測IGBT過飽和，通過一枚外接高壓二極管讀取集電極電壓，該二極管通常由接在局部電源線（VB或VCC）上的內(nèi)部上拉電阻提供偏置，IGBT導(dǎo)通時，二極管也導(dǎo)通，其間流過的電流大小取決于內(nèi)部上拉電阻值。 在高端電路中，抗飽和電路的偏置電流可能與自舉電容的大小有關(guān)，過低的阻值會導(dǎo)致高電流并加劇自舉電容放電，為此，典型上拉電阻在100kΩ左右，這正是內(nèi)部上拉值。 由于IGBT導(dǎo)通時DSH/DSL引腳阻抗很低（由外接二極管到IGBT為低阻抗通道），因而上拉電阻只能在IGBT關(guān)斷時控制該引腳阻抗。如果那樣，IGBT輸出端在換流過程中產(chǎn)生的相應(yīng)dV/dt會通過二極管的雜散電容，向抗飽和檢測引腳（DSH/L）注入相當(dāng)可觀的電流。為檢測二極管提供有源偏置，有可能大大降低這種耦合噪聲。 　　 DSH/L引腳具備有源偏置結(jié)構(gòu)。DSH/L引腳擁有分別對應(yīng)于VB/VCC的有源上拉和分別對應(yīng)于VS/COM的有源下拉。這種專用偏置電路能夠在電壓超過VDESAT門限時降低DSH/L引腳阻抗，低阻抗有利于抑制噪聲，避免通過寄生電容注入電流。當(dāng)IGBT完全導(dǎo)通時，檢測二極管為正向偏置，DSH/L引腳電壓降低。就這一點而言，鈍化偏置電路可以達(dá)到降低二極管偏置電流的目的。 　　 IR22318Q為采用400V三相交流供電（550V直流母線），驅(qū)動功率可高達(dá)10～15HP的交流感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動和無刷直流/交流電機(jī)驅(qū)動以及更廣泛的通用驅(qū)動提供了一種適宜的單芯片IGBT驅(qū)動解決方案。