利用集成功率模塊加快電機(jī)高效變速驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)

電子設(shè)計(jì)應(yīng)用2004年第9期

在工業(yè)應(yīng)用和家用電器的運(yùn)動(dòng)控制方面，越來(lái)越多的設(shè)計(jì)人員開始使用變速電機(jī)。與普通的電機(jī)相比，變速電機(jī)的效率較高，費(fèi)用較低，音頻噪音也較低，產(chǎn)生的電氣噪音較小，振動(dòng)較弱，因而長(zhǎng)期可靠性較高。
在用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的半導(dǎo)體器件方面，設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在有很多方案可以選擇，綜合性的解決方案有利于簡(jiǎn)化電路板的設(shè)計(jì)，縮短開發(fā)時(shí)間。
國(guó)家整流器公司(IR)正是考慮到這些問(wèn)題，研制了綜合性的硬件和軟件設(shè)計(jì)平臺(tái)iMOTION。該平臺(tái)可以設(shè)計(jì)各種用于大功率和控制的半導(dǎo)體解決方案，而且作為開發(fā)工具，可以讓工程師實(shí)現(xiàn)高效率的電機(jī)變速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。iMOTION系列集成功率模塊是該平臺(tái)的關(guān)鍵部件，開發(fā)速度快、設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)小、性能較好、材料成本低。

集成功率模塊
該iIMOTION集成功率模塊可以取代二十多個(gè)分立元器件，為工程師提供一個(gè)全面的功率驅(qū)動(dòng)級(jí)，用于在照明工業(yè)和家用電器領(lǐng)域越來(lái)越多使用變速電機(jī)的產(chǎn)品。這些結(jié)構(gòu)緊湊的部件被稱作IRAM系列，采用新穎的單列直插封裝(SIP)，對(duì)于功率從400W到2500W的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，這是理想的解決方案。
在IRAM系列中，最近增加了三種先進(jìn)的新型集成器件：IRAMS06UP60A、IRAMS06UP60B和IRAMS10UP60B。表1列出了這三種新型器件的主要技術(shù)指標(biāo)和規(guī)格。
所有新的集成功率模塊都由三相功率逆變器、柵極驅(qū)動(dòng)器以及輔助電路組成，整合了IR公司的低損耗IGBT電路與高壓、高速、三相驅(qū)動(dòng)集成電路，其絕緣電壓為200V(有效值，施加一秒鐘時(shí)間)。同時(shí)新器件還集成了柵極驅(qū)動(dòng)器和自舉二極管，且各路均有電壓過(guò)低監(jiān)測(cè)電路(UVLO)。另外，各路的傳播延遲都是一樣的，并且提供施密特輸入觸發(fā)信號(hào)。 使用這些部件組成完整的電機(jī)驅(qū)動(dòng)解決方案時(shí)，所需要的只是幾個(gè)外部元件以及一個(gè)主微控制器、微處理器或者數(shù)字信號(hào)處理器。所以元件數(shù)量的減少將節(jié)省大量的板上空間。同時(shí)，由于連線的長(zhǎng)度縮短了，對(duì)元件的布置進(jìn)行了優(yōu)化，且在內(nèi)部使用了屏蔽，因而電磁干擾 (EMI)也降低了。
額定電流為6A的IRAMS06UP60A和 IRAMS06UP60B是針對(duì)家用電器和小型工業(yè)產(chǎn)品中的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的，例如洗衣機(jī)、電冰箱中的壓縮機(jī)或者暖通系統(tǒng)中功率高達(dá)400W的風(fēng)機(jī)控制器。其中，IRAMS06UP60A 的發(fā)射極是開路的，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)電流并聯(lián)反饋，用于復(fù)雜的矢量控制環(huán)路。
而IRAMS10UP60B內(nèi)含電流并聯(lián)反饋，是針對(duì)空調(diào)機(jī)和功率高達(dá)750W的節(jié)能型洗衣機(jī)等電器而設(shè)計(jì)的。非常適合于采用簡(jiǎn)化V/Hz控制的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，對(duì)電路的布置沒(méi)有限制。
此外，新型IRAMS06 UP60A的引腳與現(xiàn)有的 IRAMS10UP60A及 IRAMX16UP60A兼容，因而便于運(yùn)動(dòng)控制設(shè)計(jì)人員將現(xiàn)有的設(shè)計(jì)升級(jí)，或者增大現(xiàn)有設(shè)計(jì)的功率。
以上器件均內(nèi)置有溫度過(guò)高保護(hù)電路和電流過(guò)載保護(hù)電路，且高壓側(cè)驅(qū)動(dòng)器中包含自舉二極管，結(jié)合單極電源大大簡(jiǎn)化了電路。另外，所有新的集成功率模塊中都設(shè)有溫度監(jiān)測(cè)器并有同步關(guān)斷功能。

開發(fā)工具
新型IRAM除了本身有很多功能，可以大量地縮短開發(fā)時(shí)間外，利用IR公司的開發(fā)工具以及支持服務(wù)，還可以進(jìn)一步縮短開發(fā)時(shí)間。其中參考設(shè)計(jì)中包括三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和用戶圖形界面(GUI)軟件。在 IRADK10電機(jī)參考設(shè)計(jì)采用了IRAM模塊，包括一塊演示版，這是一個(gè)115~230V的三相變速電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，用戶可以利用 GUI控制軟件顯示DC電流以及功率模塊和散熱器的溫度，并且看到驅(qū)動(dòng)器的工作狀態(tài)、設(shè)定各種參數(shù)，其中包括電機(jī)的工作頻率、IGBT導(dǎo)通的死區(qū)時(shí)間、電機(jī)的加速度、PWM的頻率，并可限制 IGBT的溫度。利用這些工具，工程師可以在新型IRAM模塊工作狀態(tài)下全面評(píng)估其性能，并且加速應(yīng)用這些模塊的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。■