可變速電機(jī)驅(qū)動(dòng)可以提高機(jī)器設(shè)備的能源效率，但為了降低成本、提高市場響應(yīng)速度和提高效率，還要在幾個(gè)方面對可變速驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)。其中包括對IGBT很關(guān)鍵的線性電流反饋和過流保護(hù)特性，這兩個(gè)功能傳統(tǒng)上都是通過采用體積大、昂貴和難以組裝的元器件來實(shí)現(xiàn)的。
最新的HVIC(高壓集成電路)技術(shù)使得大多數(shù)必需的反饋和保護(hù)器件可以制作在一個(gè)基片上，這樣就可以在范圍更大的市場和應(yīng)用里，來實(shí)現(xiàn)成本低廉、結(jié)構(gòu)緊湊的可變速驅(qū)動(dòng)。
電機(jī)電流感測方法
變換器級(jí)和電機(jī)相電流的感測對電流模式控制是至關(guān)重要的，這種模式要求很高的精確度和線性度。這種感測對過流保護(hù)同樣重要，因?yàn)檫^流保護(hù)要求響應(yīng)速度要快。要同時(shí)滿足上述要求，加上獨(dú)特的電流信號(hào)取樣位置，就要求復(fù)雜的電路設(shè)計(jì)和信號(hào)處理。
實(shí)際上，電流信號(hào)可以通過與下列結(jié)點(diǎn)相連接而被取樣：正或負(fù)DC總線、單IGBT相位腳、或電機(jī)相位超前，如圖1所示。不管在哪個(gè)DC總線上取樣的電流信號(hào)，都是所有IGBT相位腳電流的矢量和。

圖1 電路感測方法

在單個(gè)IGBT相位腳上對電流的取樣看起來更容易操作了，但實(shí)際上卻不能降低對載波頻率取樣處理的需求。到目前為止，最簡單的、容易獲得的電流信號(hào)來自于電機(jī)的相位超前，信號(hào)內(nèi)容僅是基本的變頻電機(jī)電流。需要考慮的一個(gè)重要因素是，小的差分信號(hào)在幾毫伏范圍內(nèi)，在600～1200V電壓間變動(dòng)。另外，由于IGBT變換器相的作用，普通模式電壓以最高10V/ns的dV/dt速率在-DC到+DC間變動(dòng)。
HVIC：位準(zhǔn)移動(dòng)(Level shifting)
HVIC技術(shù)使得位準(zhǔn)移動(dòng)成為可能，即感測一個(gè)漂移在大的普通模式電壓上的小差分電壓，甚至在快速瞬變的時(shí)候。因此，快速而準(zhǔn)確的電流感測在電機(jī)的相位超前就可實(shí)現(xiàn)，從而可以減少硬件設(shè)計(jì)和信號(hào)處理的工作。具體的實(shí)現(xiàn)方法是將一個(gè)低側(cè)接地CMOS電路和一個(gè)高側(cè)浮動(dòng)CMOS制作到一起，通過N或P溝道LDMOS區(qū)域相隔離。LDMOS的作用是位準(zhǔn)移動(dòng)，目的是在低側(cè)和高側(cè)電路之間跨過高壓柵來傳遞控制信號(hào)。位準(zhǔn)移動(dòng)電路不受高達(dá)50V/ns的快速瞬變的影響，同樣也不受來自于IGBT變換器典型的10V/ns噪聲的干擾。
HVIC的線性相電流感測
電機(jī)電流是通過使用一個(gè)外部分流晶體管來感測的，HVIC可將小的差分電壓(±250mV)通過一個(gè)精密電路轉(zhuǎn)換為時(shí)間間隔，這個(gè)精密電路的紋波去除功能有助于顯示小的群延遲。時(shí)間間隔是快速瞬變的，會(huì)被帶到輸出端。這樣就可以獲得與測量電流相對應(yīng)的模擬輸出電壓，以便與外部參考電壓相比較，最大采樣率為40kSPS。對于頻率高達(dá)20kHz的非對稱PWM調(diào)制來講，這個(gè)采樣速率富富有余。20kHz時(shí)的最大延遲小于7.5s，對于被用來IGBT保護(hù)的電流感測信號(hào)來說也夠快了。圖2是電流感測電路。

圖2 HVIC應(yīng)用中線性相電流感測電路
IGBT保護(hù)
IGBT過流情況基本來說分三種模式：線間短路、故障接地和開關(guān)擊穿。在考慮過流保護(hù)方案時(shí)，必須對兩個(gè)重要因素作出評(píng)估：第一個(gè)是提供的過流保護(hù)的模式以及如何關(guān)斷，另外一個(gè)就是控制架構(gòu)�？刂萍軜�(gòu)很大程度上影響著過流保護(hù)的方式和實(shí)施。
IGBT保護(hù)一般在硬件電路里實(shí)現(xiàn)，根據(jù)要保護(hù)的過流條件的模式，具體電路和過流感測器件的類型會(huì)有所不同。其原因在于，在每個(gè)過流模式中的路徑和電流流動(dòng)是不一樣的。圖3a至3c顯示了每個(gè)過流條件模式的典型電流流動(dòng)，在主要功率電路里的電流流動(dòng)及其路徑取決于過流的模式。在開關(guān)擊穿和線間短路條件下的短路電流總是流向直流總線上的電容器。然而，故障接地電流通常從交流線輸入，通過正直流總線和高側(cè)IGBT，流向故障發(fā)生的接地點(diǎn)。沒有電流流過總線電容器。

圖3 IGBT過流保護(hù)的三種方式
保護(hù)電路也取決于控制架構(gòu)。對于開關(guān)擊穿和線間短路過流保護(hù)來說，常規(guī)的、非HVIC解決方案探測過流的方式是，跨過分路晶體管插入一個(gè)霍爾傳感器或線性光隔器件，與負(fù)直流總線相連。如果也需要故障接地保護(hù)的話，在交流線輸入端或正直流總線必須放上另外一個(gè)霍爾效應(yīng)漏電傳感器。通過使用快速比較器可以實(shí)現(xiàn)保護(hù)電路。
如果霍爾傳感器位于電機(jī)的相輸出，因?yàn)樵诰�間短路條件下電流流動(dòng)的正負(fù)極都存在，所以每個(gè)霍爾傳感器都需要兩個(gè)比較器。為了保護(hù)IGBT不受過流損害，必須考慮總的關(guān)斷傳輸延遲。在門驅(qū)動(dòng)里裝有光隔離器件，與光隔離器件和霍爾傳感器有關(guān)的延遲時(shí)間一般大于2μs。所以，不管保護(hù)電路如何設(shè)計(jì)，這個(gè)延遲時(shí)間都必須要加到電路延遲里去，才能滿足IGBT短路時(shí)長的要求。
不用HVIC而用分立器件的替代方案是，在光門驅(qū)動(dòng)第二側(cè)裝一個(gè)IGBT高端降飽和(de-saturation)電路。這樣，當(dāng)器件處于全開的狀態(tài)時(shí)，就可以探測到收集器和發(fā)射器的電壓累加，如果這個(gè)電壓超過限制就會(huì)關(guān)斷