| ---能源效率是個熱門話題,全世界都知道我們需要節(jié)約能源以保護(hù)環(huán)境,同時還要控制成本,這就要求從政府到消費(fèi)者的每一個人承擔(dān)各自的職責(zé)。由于現(xiàn)在工業(yè)設(shè)備、家用電器和其他許多應(yīng)用中都包含大量小尺寸和中尺寸電機(jī),出于節(jié)省能源的考慮,制造商不得不更加認(rèn)真地審視功率電子的作用。這門技術(shù)對于開發(fā)低成本、高效率的電機(jī)驅(qū)動和電機(jī)控制系統(tǒng)起著至關(guān)重要的作用,而這些系統(tǒng)會大大節(jié)省能源。然而很久以來,對于非專業(yè)的設(shè)計者來說,設(shè)計優(yōu)化、高性能和可調(diào)速的電機(jī)驅(qū)動一直是件很困難的事。
---國際整流器公司的解決方案iMOTION包括一個軟硬件集成設(shè)計平臺和混合信號芯片組,可以使設(shè)計者很快完成復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計。設(shè)計者擁有了這些工具后,就可以在更短的時間內(nèi),以更低的成本、更低的風(fēng)險來設(shè)計更高性能的產(chǎn)品。 iMOTION：一個完全集成的設(shè)計平臺
---iMOTION綜合了國際整流器公司領(lǐng)先的功率半導(dǎo)體技術(shù)、在電機(jī)控制算法開發(fā)和混合信號設(shè)計領(lǐng)域的豐富經(jīng)驗,完全可以滿足高性能電機(jī)控制應(yīng)用的需要。該平臺包括了由“無感應(yīng)器”控制算法驅(qū)動的數(shù)字控制IC、混合信號高壓IC、高性能電源管理器件和創(chuàng)新的封裝,同時提供了一個強(qiáng)大的、可配置的控制引擎,這樣工程師們就可以簡單、方便地通過硬件邏輯來調(diào)整控制算法和一些具體應(yīng)用參數(shù)。另外,該開發(fā)系統(tǒng)還配備了PC控制板、電機(jī)和編程接口,以加速和簡化設(shè)計周期。
---采用這個集成設(shè)計平臺,設(shè)計者可以降低40%的開發(fā)費(fèi)用,減少50%的開發(fā)時間。也就是說,通過這個系統(tǒng),全球用于驅(qū)動電機(jī)的能量可以節(jié)省一半左右。
---iMOTION包括以下幾個部分,如圖1所示。
● 一個用來配置和開發(fā)編程接口的軟件配置工具
● 一個內(nèi)嵌算法和特殊運(yùn)動外設(shè)的數(shù)字控制器
● 一個集成所有數(shù)字、模擬和高壓電路的混合信號控制器
● 一個包括最新硅工藝和封裝工藝的功率級 數(shù)字控制器
 
---借助Accelerator技術(shù),國際整流器公司開發(fā)了采用完全不同結(jié)構(gòu)的專有電機(jī)控制處理器。新處理器采用了專有FOC和與應(yīng)用層低成本微處理器內(nèi)核集成在了一起的無感應(yīng)器控制引擎。圖2是一個方塊圖,展示了專有電機(jī)控制處理器和同步設(shè)計的模擬混合信號控制芯片組。
---FOC、無感應(yīng)器和PFC/EMI控制引擎在實現(xiàn)過程中并沒有采用基于指令的算法,而是采用了可配置的硬件邏輯。平行處理比那些基于指令和執(zhí)行的算法快很多,在時鐘頻率為33MHz時,執(zhí)行時間只需8μs。
---為保證靈活性,在基于硬件的控制引擎中設(shè)計了可配置參數(shù)。這些可配置參數(shù)可通過片上的微處理器內(nèi)核或者外部寄存器接口,用寄存器映射的方法進(jìn)行存取。另外,專有特殊運(yùn)動外設(shè)在設(shè)計時就考慮到了與控制引擎的適配問題,帶有一個與高壓IC的接口。
---整個解決方案是完全無縫集成的。控制引擎、運(yùn)動設(shè)備和混合信號控制用的外部高壓IC是做為一個單獨(dú)的芯片組來設(shè)計的。這樣做的好處就是沒有浪費(fèi)的接口,也沒有額外的延遲,而延遲會降低運(yùn)算速度或?qū)е滦枰~外的數(shù)字濾波器來糾正的誤差。 混合信號運(yùn)動控制
 ---iMOTION芯片組中混合信號控制部分包含很多功能,包括：
● 三相IGBT輸出級高壓門驅(qū)動
● 電流偵測電路,通過同相腳或相位輸出
● 用于DC總線、有時也用于相位輸出的電壓偵測電路
● 不同類型傳感器用的信號處理電路
● 與數(shù)字控制器接口的模數(shù)轉(zhuǎn)換器
● 電源控制器,通常為反激拓?fù)銹WM型
● 功率因素控制器,一般是升壓或降壓升壓拓?fù)銹WM型
● 其他模擬和數(shù)字電路,主要用途是保護(hù)和接口功能
---電路種類其實是個挑戰(zhàn),不僅僅因為其種類繁多,而且因為在應(yīng)用過程中,這些電路會趨向于要求采用那些沒有針對特定應(yīng)用進(jìn)行內(nèi)部操作優(yōu)化的的分立器件。結(jié)果就是,電路在性能、設(shè)計時間和成本上不斷變化。
---在600V或1200V量級,國際整流器公司的高電壓IC(HVIC)技術(shù)集成了所有的模擬控制功能,參見圖3。其實,600V HVIC半橋門驅(qū)動現(xiàn)在是IGBT門驅(qū)動事實上的標(biāo)準(zhǔn),正在大量取代電器和一些低功率工業(yè)應(yīng)用中的光耦合器。舉例來說,對于一個工程師來講,在自舉配置中采用HVIC設(shè)計電源遠(yuǎn)比用光耦合器來得簡單。
---將門驅(qū)動集成到三相式單芯片的設(shè)計體現(xiàn)了節(jié)省空間和降低成本的發(fā)展方向。HVIC也可以提供包括電流偵測、電壓偵測、電源控制和功率因素控制等在內(nèi)的其他功能,并且是作為分立產(chǎn)品形式出現(xiàn)的。
---國際整流器公司正在開發(fā)新一代HVIC,它把亞微米特性和設(shè)計原則結(jié)合到了一起,可以把低壓和高壓器件集成到同一個芯片上。例如,同一塊芯片上可以有高速3.3V的CMOS電路、20V模擬CMOS、600V N溝道和P溝道LDMOS電路。
---采用了這些器件后,所有的模擬控制功能就可以集成到一個芯片上了。另外,高集成度CMOS電路可被用來設(shè)計串行通訊接口,這個接口可以連接到同步設(shè)計芯片組上的數(shù)字控制器。 功率硅片和封裝
---在選擇用在運(yùn)動控制應(yīng)用中的功率半導(dǎo)體時,工程師們的選擇結(jié)果一般是IGBT和超快速FRED。由于現(xiàn)在的IGBT提供很低的Vce(on),并提供在高達(dá)20kHz的通常頻率范圍內(nèi)可接受的開關(guān)性能,它們很適合被用在低功率電器驅(qū)動上,比如冰箱壓縮機(jī)和小型風(fēng)扇。工業(yè)逆變器通常要求IGBT工作在600V和1200V范圍內(nèi),電器設(shè)備中的逆變器大多數(shù)用600V。
---國際整流器公司最新的研究成果進(jìn)一步減少了傳導(dǎo)損失,不僅如此,這么做的同時并沒有以增加開關(guān)損耗為代價,而這種損耗會降低開關(guān)速度并增加能耗。為做到這一點(diǎn),對漂移區(qū)的少數(shù)載流子密度分布進(jìn)行了優(yōu)化,與之相對的則是漂移區(qū)本身的厚度則被最小化了。隨著進(jìn)一步的成果,包括advanced-planar或溝道柵(trench gate)(目標(biāo)都是使表面幾何密度最大化),這些特性將繼續(xù)以每年8%的速度提高IGBT的Vce(on)。
---進(jìn)一步的益處包括可以以更小的模塊來處理一個給定的輸出電流級別。如一個1.5kW的應(yīng)用,早先的擊穿型600V IGBT技術(shù)在開關(guān)頻率為8Hz時,要求的模塊尺寸為25mm2。應(yīng)用最新的NPT(non-punch-through,非擊穿)IGBT技術(shù),在開關(guān)頻率為12kHz時,所用的模塊尺寸只有13mm2。更進(jìn)一步的話,采用損耗阻滯溝塹(depletion stop trench)IGBT工藝,開關(guān)速度為16kHz時的模塊尺寸只需9.5mm2,減少了超過60%。
---iMOTION集成設(shè)計平臺家族的部分產(chǎn)品,比如國際整流器公司的新型600V NPT IGBT(安裝在TO－220完全絕緣的封裝內(nèi)),最小的絕緣電壓為2kV。這些IGBT和國際整流器公司的新一代超快速、軟恢復(fù)二極管一同封裝,并采用國際整流器公司的薄片技術(shù),就擁有了更好的電熱性能和更低的傳導(dǎo)損耗,開關(guān)損耗也并沒有增加。
---IGBT不像半導(dǎo)體閘流管、MCT或其他閉鎖器件,可被設(shè)計用來通過門驅(qū)動電壓來限制電流,這樣就可以安全經(jīng)受長達(dá)10～20μs的短路。當(dāng)和獨(dú)立的優(yōu)化二極管一起工作時,IGBT是個高性能的解決方案,甚至可以滿足未來幾年的運(yùn)動控制需求。
---對于綜合的驅(qū)動來講,超快速二極管的性能其實和IGBT一樣重要。通過少數(shù)載流子注入,這些二極管可以取得很低的截止頻率,但現(xiàn)在工程師們的主要任務(wù)是降低恢復(fù)性充電,恢復(fù)性的充電必須由同相腳的對應(yīng)IGBT來去除。
---壽命控制也很重要,不只可以提高性能,還可以加快速度、降低損耗,并實現(xiàn)軟恢復(fù)特性。在靠近陰極重要區(qū)域的局部壽命控制特別有效,可以和大多數(shù)壽命降低技術(shù)一起使用(如電子輻射或涂鉑)。
---一個分級漂移區(qū)(graded-drift region)也可以幫助實現(xiàn)軟恢復(fù)和快恢復(fù)。為了得到最好的應(yīng)用參數(shù)組合,還需要進(jìn)行更多細(xì)致的調(diào)整。
---封裝方面的未來趨勢是把所有的分立IGBT和二極管集成到一個單獨(dú)的電源封裝內(nèi)的逆變器應(yīng)用。一些客戶也喜歡將模擬控制電路也集成進(jìn)去。圖5顯示了國際整流器公司的PlugNDrive集成電源模塊工藝,將功率模塊和高壓IC集成在一起,在絕緣單列直插(SIP)封裝內(nèi)實現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊、高性能的三相逆變器輸出級。PlugNDrive將低成本的絕緣金屬基板工藝(IMST)和超模高導(dǎo)熱率塑料工藝融合到了一起,使得模塊中的模板能夠快速散熱并保持在合理的溫度范圍內(nèi)。
---采用這種技術(shù),可以將很多元器件組裝到一起,包括功率模板、三相門驅(qū)動控制芯片和所有的表面貼裝無源和有源分立器件。
---國際整流器公司16A額定IRAMX16UP60A模塊是PlugNDrive集成功率模塊家族的最新成員,專為750W～1.2kW變速電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用而設(shè)計,如室內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)、商用冷藏柜及大容量洗衣機(jī)。它將低損耗NPT短路額定IGBT和三相、高壓、高速驅(qū)動IC和超過20個零部件結(jié)合到了一個封裝內(nèi)。
---iMOTION集成硬軟件設(shè)計平臺,代表了在數(shù)字控制、混合信號IC工藝和封裝領(lǐng)域的領(lǐng)先技術(shù)水平,包括：數(shù)字控制方面的專有電機(jī)控制處理器;模擬控制方面的高壓IC;更低損耗的IGBT工藝;超模功率封裝的多芯片集成。 |
