利用集成功率模塊加快電機高效變速驅動的實現

電子設計應用2004年第9期

在工業應用和家用電器的運動控制方面，越來越多的設計人員開始使用變速電機。與普通的電機相比，變速電機的效率較高，費用較低，音頻噪音也較低，產生的電氣噪音較小，振動較弱，因而長期可靠性較高。
在用于驅動電機的半導體器件方面，設計人員現在有很多方案可以選擇，綜合性的解決方案有利于簡化電路板的設計，縮短開發時間。
國家整流器公司(IR)正是考慮到這些問題，研制了綜合性的硬件和軟件設計平臺iMOTION。該平臺可以設計各種用于大功率和控制的半導體解決方案，而且作為開發工具，可以讓工程師實現高效率的電機變速驅動系統。iMOTION系列集成功率模塊是該平臺的關鍵部件，開發速度快、設計風險小、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分立元器件，為工程師提供一個全面的功率驅動級，用于在照明工業和家用電器領域越來越多使用變速電機的產品。這些結構緊湊的部件被稱作IRAM系列，采用新穎的單列直插封裝(SIP)，對于功率從400W到2500W的電機驅動系統，這是理想的解決方案。
在IRAM系列中，最近增加了三種先進的新型集成器件：IRAMS06UP60A、IRAMS06UP60B和IRAMS10UP60B。表1列出了這三種新型器件的主要技術指標和規格。
所有新的集成功率模塊都由三相功率逆變器、柵極驅動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、三相驅動集成電路，其絕緣電壓為200V(有效值，施加一秒鐘時間)。同時新器件還集成了柵極驅動器和自舉二極管，且各路均有電壓過低監測電路(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信號。 使用這些部件組成完整的電機驅動解決方案時，所需要的只是幾個外部元件以及一個主微控制器、微處理器或者數字信號處理器。所以元件數量的減少將節省大量的板上空間。同時，由于連線的長度縮短了，對元件的布置進行了優化，且在內部使用了屏蔽，因而電磁干擾 (EMI)也降低了。
額定電流為6A的IRAMS06UP60A和 IRAMS06UP60B是針對家用電器和小型工業產品中的電機驅動系統而設計的，例如洗衣機、電冰箱中的壓縮機或者暖通系統中功率高達400W的風機控制器。其中，IRAMS06UP60A 的發射極是開路的，可以實現多個電流并聯反饋，用于復雜的矢量控制環路。
而IRAMS10UP60B內含電流并聯反饋，是針對空調機和功率高達750W的節能型洗衣機等電器而設計的。非常適合于采用簡化V/Hz控制的電機驅動器，對電路的布置沒有限制。
此外，新型IRAMS06 UP60A的引腳與現有的 IRAMS10UP60A及 IRAMX16UP60A兼容，因而便于運動控制設計人員將現有的設計升級，或者增大現有設計的功率。
以上器件均內置有溫度過高保護電路和電流過載保護電路，且高壓側驅動器中包含自舉二極管，結合單極電源大大簡化了電路。另外，所有新的集成功率模塊中都設有溫度監測器并有同步關斷功能。

開發工具
新型IRAM除了本身有很多功能，可以大量地縮短開發時間外，利用IR公司的開發工具以及支持服務，還可以進一步縮短開發時間。其中參考設計中包括三相電機驅動系統和用戶圖形界面(GUI)軟件。在 IRADK10電機參考設計采用了IRAM模塊，包括一塊演示版，這是一個115~230V的三相變速電機驅動系統，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，并且看到驅動器的工作狀態、設定各種參數，其中包括電機的工作頻率、IGBT導通的死區時間、電機的加速度、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模塊工作狀態下全面評估其性能，并且加速應用這些模塊的產品設計。■