| ---能源效率是個熱門話題,全世界都知道我們需要節(jié)約能源以保護環(huán)境,同時還要控制成本,這就要求從政府到消費者的每一個人承擔各自的職責。由于現(xiàn)在工業(yè)設備、家用電器和其他許多應用中都包含大量小尺寸和中尺寸電機,出于節(jié)省能源的考慮,制造商不得不更加認真地審視功率電子的作用。這門技術(shù)對于開發(fā)低成本、高效率的電機驅(qū)動和電機控制系統(tǒng)起著至關重要的作用,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)的設計者來說,設計優(yōu)化、高性能和可調(diào)速的電機驅(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計平臺和混合信號芯片組,可以使設計者很快完成復雜系統(tǒng)的設計。設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、更低的風險來設計更高性能的產(chǎn)品。 iMOTION：一個完全集成的設計平臺
---iMOTION綜合了國際整流器公司領先的功率半導體技術(shù)、在電機控制算法開發(fā)和混合信號設計領域的豐富經(jīng)驗,完全可以滿足高性能電機控制應用的需要。該平臺包括了由“無感應器”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用參數(shù)。另外,該開發(fā)系統(tǒng)還配備了PC控制板、電機和編程接口,以加速和簡化設計周期。
---采用這個集成設計平臺,設計者可以降低40%的開發(fā)費用,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)嵌算法和特殊運動外設的數(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)的專有電機控制處理器。新處理器采用了專有FOC和與應用層低成本微處理器內(nèi)核集成在了一起的無感應器控制引擎。圖2是一個方塊圖,展示了專有電機控制處理器和同步設計的模擬混合信號控制芯片組。
---FOC、無感應器和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行存取。另外,專有特殊運動外設在設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�？刂埔�、運動設備和混合信號控制用的外部高壓IC是做為一個單獨的芯片組來設計的。這樣做的好處就是沒有浪費的接口,也沒有額外的延遲,而延遲會降低運算速度或?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,通常為反激拓撲PWM型
● 功率因素控制器,一般是升壓或降壓升壓拓撲PWM型
● 其他模擬和數(shù)字電路,主要用途是保護和接口功能
---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用進行內(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)動事實上的標準,正在大量取代電器和一些低功率工業(yè)應用中的光耦合器。舉例來說,對于一個工程師來講,在自舉配置中采用HVIC設計電源遠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電路可被用來設計串行通訊接口,這個接口可以連接到同步設計芯片組上的數(shù)字控制器。 功率硅片和封裝
---在選擇用在運動控制應用中的功率半導體時,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20kHz的通常頻率范圍內(nèi)可接受的開關性能,它們很適合被用在低功率電器驅(qū)動上,比如冰箱壓縮機和小型風扇。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一步減少了傳導損失,不僅如此,這么做的同時并沒有以增加開關損耗為代價,而這種損耗會降低開關速度并增加能耗。為做到這一點,對漂移區(qū)的少數(shù)載流子密度分布進行了優(yōu)化,與之相對的則是漂移區(qū)本身的厚度則被最小化了。隨著進一步的成果,包括advanced-planar或溝道柵(trench gate)(目標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的應用,早先的擊穿型600V IGBT技術(shù)在開關頻率為8Hz時,要求的模塊尺寸為25mm2。應用最新的NPT(non-punch-through,非擊穿)IGBT技術(shù),在開關頻率為12kHz時,所用的模塊尺寸只有13mm2。更進一步的話,采用損耗阻滯溝塹(depletion stop trench)IGBT工藝,開關速度為16kHz時的模塊尺寸只需9.5mm2,減少了超過60%。
---iMOTION集成設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損耗,開關損耗也并沒有增加。
---IGBT不像半導體閘流管、MCT或其他閉鎖器件,可被設計用來通過門驅(qū)動電壓來限制電流,這樣就可以安全經(jīng)受長達10～20μs的短路。當和獨立的優(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是降低恢復性充電,恢復性的充電必須由同相腳的對應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)軟恢復和快恢復。為了得到最好的應用參數(shù)組合,還需要進行更多細致的調(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的電源封裝內(nèi)的逆變器應用。一些客戶也喜歡將模擬控制電路也集成進去。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變速電機驅(qū)動應用而設計,如室內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)、商用冷藏柜及大容量洗衣機。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集成硬軟件設計平臺,代表了在數(shù)字控制、混合信號IC工藝和封裝領域的領先技術(shù)水平,包括：數(shù)字控制方面的專有電機控制處理器;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。 |
