功率半导体器件和智能功率集成电路

电力电子技术、功率半导体器件的发展对电机控制技术的发 展影响极大，它们是密切相关、相互促进的。近30年来，电力电  子技术的迅猛发展，带动和改变着电机控制的面貌和应用。50年  代末期出现的晶闸管器件，取代了原先的电动机-发电机组、交磁  电机扩大机、磁放大器、电子管放大器。在这以后，这种半控型  功率器件一直主宰着电机控制市场。到70和80年代才先后出现  了全控型功率器件GTO  晶闸管、GTR、P-MOSFET 、IGBT   和  MCT 等。利用这种有自关断能力的器件，取消了原来普通晶闸管  系统所必需的换相电路，简化了电路结构，提高了效率，提高了  工作频率，降低了噪声，也缩小了电力电子装置的体积和重量。谐  波成分大、功率因数差的相控变流器逐步由斩波器或PWM 变流  器所代替，明显地扩大了电机控制的调速范围，提高了调速精度， 改善了快速性、效率和功率因数。利用GTR  的直流PWM 调速装  置与直流宽调速电动机配合，其调速范围可达1:10000。而普通  晶闸管装置的调速范围约为1:(100～150)。新一代功率器件的  出现，大大促进了中小功率交流异步电动机变频调速技术的发展。 大批基于GTR  或 IGBT 功率模块的VVVF  变频器商品推向市

场，使交流电动机的变速控制成为易事。

而今，电流控制型GTR  又要让位给场控型的功率场效应晶 体管 (P-MOSFET)   和绝缘栅双极晶体管 (IGBT),   取 代GTO  晶 闸管的场控器件MCT  正在加紧开发。功率集成电路已崭露头角， 并取得触目成就

电力电子器件的发展

①SCR 是硅可控整流器(即可控硅)的英文缩写字，为美国早期的产品名，后 IEC 正式定名为晶阐管 (thyristor)。但为方便起见，普通晶闸管仍沿用SCR 来表示。

为了适应电子机械高性能、小型化、低成本和高可靠性的要 求，从80年代初开始，各国半导体厂商不断开发各种功率集成电 路，并已在许多领域得到越来越广泛的应用。功率集成电路是电 力电子技术和微电子集成技术的结合。它将半导体功率器件与驱 动、逻辑、控制、检测、自诊断、保护电路集成在同一个芯片上 或一个混合模块里，从而使功率器件注入了智能，故又称为智能 功率集成电路(Snart  Power  IC或 Intelligent  Power  IC)。有专家 预言，功率集成电路的出现，表明科技发展步入第二次电子革命 的边缘。

各国当前生产的功率集成电路，按输出耐压和电流能力，可 分为三大类(见图1-1)。

(1)低耐压、大电流IC, 如汽车电子驱动高侧功率开关、稳 压器电源IC 、步进电动机驱动用IC、打印机电动机驱动用IC。

(2)高耐压、低电流IC, 如电子照明光源、等离子显示屏、真 空荧光显示等平板显示屏驱动用IC,   程控交换机电路用IC 等。

(3)高耐压、大电流IC, 如开关电源IC、家用电器和电动机 驱动用IC 、汽车点火器用JC等。

其中以第三类发展最快。其代表产品是：

源 高赚电源用700V、3A、30W 的功率开关IC。它是为开关电 功率开关耐型化而设计的。它的最高工作频率达400kHz,输 出 还包含栅极驱动电路；开通时间为7.5ns,关断时间为13ns。它

电路。               ‘控制、限流控制、欠电压和过热保护 用于汽车发动机点火的600V、4

驱动和保护，过电压、限流、短路等保功率开关IC, 包括栅极 用于家用电器无刷直流电动机驱动的550V、

功率果成电路，米用高速横向IGBT 功率器件，PW三i相逆变器 20kHz, 包括有电流限制、过热和输出短路保护功能的电率。达

耐压100V 以下的低压功率集成电路，常采用双极型功率器 件结构，可采用廉价的DIP (双列直插式封装)。而100V以上的 必须采用高压器件，注意解决好电气和热绝缘问题，使用较大功 率的封装方式，如TO-220 、TO-218 或SIP  (单列塑料封装),或其他专门的封装方式。

与分立功率器件组成的驱动控制电路相比，智能功率集成电 路有如下优点：

(1)以较小的体积和重量，包含更多的功能。对电机控制来 说，有可能将整个控制驱动器装入电机内部，形成一个真正的电 子电机。

(2)由于控制电路和功率电路同在一个芯片上或一个封装内， 电流检测和温度检测与监控更易实现。

(3)同样，特别是在采用高频调制控制时，由于单片结构，外 连接线大大减少，减少了信号传输时延，消除了分布电容和分布 电感的影响，也降低了电磁干扰。

(4)使制造商可以经济地附加较多的功能，如过电流、过电 压、欠电压、过热的保护功能，内部定时、基准信号、电平移动 等功能。如果这些功能用分立元器件完成，系统成本增加要大得

多。

(5)芯片内部设置自诊断电路，报警、标志电路，有程大 靠性的提高。大量分立单元器件由集成电路代替，示

幅度减少，明显提高控制系统的可靠性。,有利于降低成本。

(6)采用集成制作工艺，可大批量栅极)驱动电路集成，使

(7)采用优化了的控制电路，对普及新型控制技术，加快新产品开发，

为各种大功率开关器件专门开发不同容量规格的触发和驱动 集成电路，包括单片的和厚膜集成的。它们的应用简化了电路设 计，提高了系统的可靠性，有利于生产和维护。