低成本，低功耗 目前小型交流電機調速驅動多選用高檔保護元件以避免IGBT出現過流損壞，并大量應用于節能型家用電器和低于5kW的工業驅動等。以高壓集成電路（HVIC）技術為關鍵手段，就能以低端產品和消費品的價格為需要高集成度的應用提供同樣特性。 　　 過流和分立保護 　　 IGBT為高能效調速電機驅動提供了可靠而便捷的應用基礎，但是過流也是這類設備潛在的致命問題。IGBT的過流狀態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，電機引線短路，或者電機相間絕緣擊穿等原因產生。對地短路故障是電機出現對地絕緣擊穿的結果。最后一種故障，即橋臂貫通過流，是IGBT誤導通的結果。 [align=center] [/align] 適用于上述所有故障態的傳統保護方案往往由分立傳感器和模擬元件等構成的硬件方法實現，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端的霍耳效應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。另外，為提供對地短路故障保護，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漏電流傳感器。保護電路可以用高速比較器實現，但是出現相間短路狀況時，由于電流方向可能為正向，也可能為負向，因此如果霍耳效應傳感器位于電機相線輸出側，則每個傳感器都需要配備兩個比較器。 　　 總之，保護電路的實際材料清單中會包含兩個霍耳效應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，電阻電容等，每個霍耳效應傳感器還各自需要一路單獨的隔離電源。用于柵極驅動的光電隔離器件和霍耳效應傳感器通常會在關斷通道中引入2ms以上的延時，設計人員在選擇IGBT的死區持續時間時，必須考慮這一延時。 　　 另外，也可以改用抗飽和電路來保護IGBT。該電路檢測IGBT完全導通時在集電極和發射極之間產生的壓降，如果壓降超過特定門限，抗飽和電路就會關斷相應的柵極驅動信號。一個由分立元件構成的抗飽和電路需要一個比較器和電壓基準，一個高壓二極管，以及電阻電容等。 　　 無論采用何種方法，如此復雜的保護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用。如果還需要可以為反向偏置安全工作區（RBSOA）提供更大安全余量的軟關斷（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斷能力的緩沖電路。 　　 HVIC：片上保護 　　 如今，高壓集成電路（HVIC）技術可以提供單芯片電流傳感解決方案，而且也可以在IGBT柵極驅動器中集成保護電路。 　　 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行電平轉換，反之亦然。這樣CMOS電路就能夠基于高壓浮動電源的電平進行高端柵極驅動和信號處理，其浮動能力允許處理共模電壓高達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柵極驅動器以及包括SSD功能的完整IGBT保護。IR22381Q是帶有泄放驅動的三相全橋驅動器，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，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柵極驅動器的dV/dt抗擾動能力可高達50V/ns，并能夠耐受瞬態負電壓。每個輸出驅動都具備高脈沖電流緩沖級，以盡可能減小驅動串擾。輸入則采用帶下拉的施密特觸發器，以獲得抗噪聲擾動能力并確保MOSFET或IGBT不出現誤導通。極低的靜態電流有利于自舉供電，此外還具有可編程死區時間。 　　 因而，該技術可以節省六個分立的光電隔離器件，兩個霍耳效應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，可以顯著減少設計難度，原材料開銷，設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的一個應用電路，其中整合了三相柵極驅動，并且每個高端和低端輸出都有IGBT抗飽和保護。圖2b也表示了該芯片中抗飽和檢測（DSD）功能的內部電路。最大高端浮動電壓可以高達600V到1200V。通過一枚外接二極管檢測IGBT導通時集電極到發射極的壓降VCE，再與一個固定的8V門限相比較，就可以實現過流檢測，檢測結果帶有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。 一旦出現過飽和狀態，輸出級立即進入高阻態，并激活SSD驅動，通過SSDH/L引腳以適當的驅動阻抗關斷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內部電阻串聯，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動共享，這樣一來，主驅動－用于短路檢測－就能通過該局部網絡與其它驅動通訊。短路信號一旦激活，將凍結其它所有驅動的輸出狀態，并忽略任何輸入狀態，主驅動也將凍結自身狀態直到產生SSD過程。 軟關斷過程結束后，SY_FLT信號失效，并通過FAULT/SD引腳向主控制器發送診斷信息。此后，主驅動拉低FAULT/SD引腳，強制產生硬關斷。通過FAULT/SD引腳，可以關斷局部網絡中的其它所有驅動，并向主控制器報告故障狀態，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）上的內部上拉電阻提供偏置，IGBT導通時，二極管也導通，其間流過的電流大小取決于內部上拉電阻值。 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，過低的阻值會導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，這正是內部上拉值。 由于IGBT導通時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關斷時控制該引腳阻抗。如果那樣，IGBT輸出端在換流過程中產生的相應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構。DSH/L引腳擁有分別對應于VB/VCC的有源上拉和分別對應于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IGBT完全導通時，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），驅動功率可高達10～15HP的交流感應電機驅動和無刷直流/交流電機驅動以及更廣泛的通用驅動提供了一種適宜的單芯片IGBT驅動解決方案。