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-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)和绝缘橱双极晶体管(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，见表1-1。

表1-1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正式定名为晶闸管(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(SmartPowerIC或IntelligentPowerIC)。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[C、汽车点火器用IC等。

其中以第三类发展最快。其代表产品是：

源高频电源用700V、3A、30W的功率开关IC。它是为开关电功率开关耐压化而设计的。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、短路等保护功率开关IC,包括栅极用于家用电器无刷直流电动机驱动的550V、

三相逆变器

对来电路：木用商速横问IGBT功率器件，PW达20kHz,包括有电流限制、过热和输出短路保护功能的电路。

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，有種大靠性的提高。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。

(7)采用优化了的控制电路，对普及新型控制技术，加快用户免去电路设计及参数益。将大功半导体功产器件恢复二极管复合，或多个功率开关器件复合，组成半全桥、三相桥等复合器件或模块，甚至将基极、栅极驱动电路，保护电路集成进去或组成混合模块，称之为智能功率模块。

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。