看起來，用HVIC來設計變頻器似乎非常直接和簡單，透過閘極驅動器可簡單選取絕緣柵雙極電晶體(IGBT)或金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)，再調節閘極電阻達到電壓變化、控制切換速度及功率損耗的標準，並在有限的空間中設計印刷電路板(PCB)以控制這些功能。然而，有不少工程人員發現，在進行一些原本以為非常簡單直接的設計時，會突然出現出乎意料的狀況，且往往超出原先估計的範圍，導致其設計部分或全部出現錯誤，有時甚至要將有關設備或PCB原型本身全數銷毀。
因此能明確避免上述情況絕對是每一位設計師的主要工作。這個問題主要源自短暫的負壓現象的產生，或者將其稱之為Vs負壓事件。電力PCB設計人員則須要經常處理空間與連接的壓迫，對於大部分設計而言，為眾多組件擺放會有妥協的現象，而這些妥協則可以使一些微不足道的寄生感應器出現在相關的設計之中。反過來說，有關設計可以因此而造成一些微不足道的電壓暫態變化。
圖1顯示寄生電感與變頻器接腳的組合。基於負載感應的特性，在上方IGBT關上時，負載電流就會即時流向下方的飛輪二極管之中，相關的瞬間電流變化將會引起電壓下降至寄生的電感系統、LD1、LS1及推動變頻器輸出Vs略低於共地點(COM)。同時，飛輪二極管的特性影響負電壓波幅，相對於共地點，二極管的正向回復電壓和啟動時間延遲，導致Vs節點的電壓下衝，在短路、過載關機或瞬間電流較平常操作高的環境下，負電壓的情況都會變得更壞。
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| 圖1 寄生電感與變頻器接腳組合 |
馬達轉動速度影響負電壓波幅
在一個典型的馬達驅動系統中，所需電壓變化大約為3k～5kV/μs，這個範圍能協助應付基本需求，且同時解決電磁干擾和降低功率損失，最終的轉動速度是影響負電壓波幅的主要因素，而設計人員並不能採用其他方式減低寄生現象。
究竟Vs負電壓情況對HVIC所帶來的影響為何？要製作有關的晶片，方法是採用一塊完整的矽，而這種IC是由單片矽製成，高壓側驅動器元素則透過PN接面逆向偏壓從餘下的電路被隔離開來，每當一個負壓事件將高端電路拉低至共地點，則須採用倒逆向偏壓隔離予以妥協，高端元素可影響其他電路，形成內部寄生二極體結構。
圖2顯示一個典型的HVIC裝置的結構圖，包括epi基板二極管(D7)及NPN晶體管(Q7)，是最重要的兩個寄生元素。在負Vs尖峰的情況下，D7與Q7兩者都可以打開，因此可能影響電路的運作情況，形成一個鎖住情況，結果可能造成操作不穩定，甚至使反相器完全失效。
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| 圖2 典型的HVIC裝置結構圖 |
NTSOA確保驅動器運作安全
為避免出現以上問題，工程人員首要任務就是要了解應該如何選擇HVIC處理Vs負壓事件。基於這個原因，已有廠商製作一套綜合的方法，來顯示閘門驅動器處理負極瞬變的能力，並引進負極瞬變安全操作區域(NTSOA)的觀念，而NTSOA是一個由負脈衝寬度及振幅所定義的管理區域，讓驅動器可安全運作。
圖3為電路的閘道驅動器提供NTSOA圖。如圖中顯示，此設備為確保當遇上任何負壓情況，以及脈衝寬度與波幅仍處於NTSOA曲線的灰色區域之內，仍然能夠繼續操作。舉例來說，此零件會繼續正常操作直至遇到電壓高達-40伏特電壓的100奈秒(ns)脈衝才會停止。
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| 圖3 電路閘道驅動器NTSOA圖 |
就廠商的HVIC而言，每個新的閘驅動器都是通過專門的測試進行特性化，以承受NTSOA的限制。零件利用可變振幅及寬度的負脈衝加壓，以保證在灰色SOA區域內安全操作。此外，亦會評估失效極限以保證零件有足夠的安全邊際。與NTSOA驗證一樣，每個新零件會在變頻器組裝中經過測試，並且會在變頻器短路操作下加壓。變頻器PCB是專門設計複製真實變頻器組裝寄生的最懷情形，而該驅動器也已經過測試，針對變頻器輸出至接地短路，利用多種IGBT類型及額定電流進行測試。
新HVIC技術可減少元件數目
測試閘驅動器IC針對負壓情況提供其行為特性只是一部分。同樣重要的是，有關開發過程確保IC在提供高度整合功能的同時，能盡量造得堅固耐用，最新的HVIC便是一個好例子，說明這個方法如何能幫助工程師在符合其設計要求的同時，又能盡量減少元件的數目，還有進一步減少連接、減少寄生電感及壓低電磁干擾(EMI)等額外好處。
以馬達驅動器應用包括空調、風扇及抽水機，還有微型、迷你及一般用途變頻驅動器等，以使用的單相HVIC為例，這些高速電源MOSFET及IGBT驅動器需要箝位二極管或限流電阻，並且提供任選的從屬或獨立的高壓側及低壓側參照輸出頻道，配備供電範圍為10～20伏特的閘驅動器。輸出驅動器具備一個專為最小值驅動器交越傳導而設計的高脈衝電流緩衝階段，當浮動的頻道操作在高達600伏特的高壓側配置中，用於驅動N-頻道電源MOSFET或IGBT。該裝置為兩種頻道提供相配的傳道延遲及一個先進的輸入過濾器，在負壓尖峰訊號(Vs)抗擾性以外，再提升雜訊抗擾性，從而保護系統在高電流開關及短路狀態期間不會發生災難事件。
高壓側驅動器 供電須考量欠壓保護等問題
在任何閘驅動器HVIC中，供電至高壓、閘驅動器浮動通道都是相當重要的部分。各種要求如穩定供電、欠壓保護、絕緣及總功率要求等都是在設計高壓側驅動器供電的解決方案時必須考慮的問題，幾乎所有閘驅動器都會提供欠壓鎖定功能，此外，全新的運動控制導向系列特別具有非常低的靜態電流，讓升壓電源使用滿足大部分的應用，包括梯形、六步及PWM調制技術，並需要一支變頻器接腳，以在關鍵時期維持高水平供電。
再者，為減少元件的數目，並使設計更容易和更可靠，新的馬達控制閘驅動器均具備整合式升壓功能，這個功能是透過一個內部高電壓MOSFET執行，而MOSFET的偏壓狀態正好透過低壓側供電網(模仿外部升壓二極管)傳遞電流至高壓側電路。
值得一提的是，現代變頻器設計的過濾要求也十分重要。在所有高速交換應用面對的各種問題中，雜訊抗擾性是首要解決的問題，當涉及到連接控制器與閘門之間的低電壓時，尤其如此。利用簡單的RC過濾器在閘道驅動電路前直接將訊號過濾，是提升雜訊抗擾性最常用的方法，現在有越來越多的IC將這種功能整合到裝置中，然而，在脈波週期接近上下限0%或100%時，RC過濾器可導致大量訊號失真，這可能會影響由主控制器傳遞至驅動器的訊號。
為了解決此問題，廠商便將一個低失真輸入過濾器整合到其最新的3.3伏特相容IC中。即使在極端的過濾時間，過濾器都能確保精確的脈衝寬度傳輸，同時保證脈衝長度不致改變輸出的狀態，不會到達變頻器電源部分。
(本文作者為國際整流器汽車、家庭電器及工業動態產品市場部副總裁)
