小型電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)集成技術(shù)研究

張曉仙

（忻州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，忻州 034000）

小型電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)集成技術(shù)研究

張曉仙

（忻州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，忻州 034000）

本文論述微電子工藝集成電機變頻調(diào)速系統(tǒng)對小型電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)集成技術(shù)，每個角度分別從問題解決方案和可行性問題進行論述，希望對有關(guān)理論研究和實踐提供一些理論參考依據(jù)。

微電子工藝 封裝工藝 集成

引言

作為一種電力變換器，變頻調(diào)速系統(tǒng)主電路（整流和逆變電路）是功率電路，在通常情形下，其電路中的電壓會達到百伏甚至更高，電流會達到幾安培甚至更高。變頻調(diào)速系統(tǒng)集成度逐漸變大、集成體積逐漸變小、功能逐漸變強、性能逐漸穩(wěn)定化。

1 微電子工藝集成電機變頻調(diào)速系統(tǒng)

1.1 問題解決方案

應(yīng)用微電子工藝集成電機變頻調(diào)速系統(tǒng)的過程中存在耐壓和隔離、控制電路與功率主電路接口、熱效應(yīng)、磁技術(shù)和電路的集成檢測等問題，以下分別介紹應(yīng)用微電子工藝集成電機變頻調(diào)速系統(tǒng)的技術(shù)方案。

1.1.1 耐壓和隔離

在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，電路既有高壓部分也有低壓部分，但在半導(dǎo)體集成電路中，硅具有導(dǎo)電性，因此為防止出現(xiàn)器件之間電連接現(xiàn)象，須將其與各電路器件隔離，若不隔離，會有微小的附加電流產(chǎn)生，使功率集成芯片的功耗大大增加；與此同時，高電壓也會向低壓電路傳遞，傳遞過程中有可能擊穿電壓電路的器件。為避免上述情況的發(fā)生，在功率集成電路中可以選擇NP結(jié)隔離技術(shù)、電荷控制隔離技術(shù)、介質(zhì)隔離技術(shù)、微細晶體群隔離技術(shù)和腐蝕—填充隔離技術(shù)等實現(xiàn)電隔離。

1.1.2 控制電路與功率主電路接口

在通用的電機變頻調(diào)速系統(tǒng)中，控制電路與功率主電路接口由專用的驅(qū)動電路芯片或由變壓器隔離驅(qū)動電路組成，驅(qū)動電源大部分采用多路相互隔離的電源供電。而在應(yīng)用微電子技術(shù)集成化的變頻調(diào)速系統(tǒng)中，目前無法將電感器件集成到芯片中，無法提供多路的相互隔離的電源，必須采用其他類型的驅(qū)動電路。

1.1.3 熱效應(yīng)

變頻調(diào)速系統(tǒng)集成過程中應(yīng)用微電子技術(shù)需解決的關(guān)鍵問題是熱效應(yīng)問題。不僅由于其主電路中會發(fā)生開關(guān)和導(dǎo)通損耗，而且由于芯片封裝之后具有熱阻，封裝熱阻對于由功率損耗導(dǎo)致的熱量散失十分不利。在芯片溫度升高的情況下，將會導(dǎo)致電路性能參數(shù)變壞，最終降低可靠性。若要有效解決熱效應(yīng)問題，應(yīng)從各個方面，例如電路拓撲設(shè)計、版圖設(shè)計、封裝工藝入手。

1.1.4 磁技術(shù)和電路的集成檢測

（1）MOS功率集成電路。MOS集成技術(shù)又可劃分為高壓CMOS和D/CMOS技術(shù)，前者通常運用于開關(guān)制作過程中，如圖1、圖2所示分別為雙深陷和淺陷高壓CMOS剖面圖。其中前者可以與CMOS雙極技術(shù)兼容，后者中高壓和低壓MOS制作過程中可運用標(biāo)準(zhǔn)相同的CMOS技術(shù)。DMOS技術(shù)通常有自隔離D/CMOS、結(jié)隔離D/CMOS和隔離互補D/CMOS集成技術(shù)。

圖1 雙深陷高壓CMOS剖面圖

圖2 淺陷高壓CMOS剖面圖

（2）BIMOS集成技術(shù)。在功率集成過程中，BIMOS集成技術(shù)運用比較普遍，按照結(jié)隔離運用實際情況，可分為厚外延和薄外延BIMOS集成技術(shù)。前者制作厚外延層，高壓輸出管通常為LDMOS或VDMOS，通過這種技術(shù)能夠集成高壓LDMOS、高壓VDMOS、低壓NPN和低壓PNP、低壓CMOS；后者制作于薄外延層上，高壓輸出管為RESURF器件，BIMOS集成技術(shù)能獲得較高的電壓。

（3）SMART功率集成技術(shù)。SMAR功率集成技術(shù)通過平面技術(shù)，對功率集成電路具有針對性的集成技術(shù)。在現(xiàn)階段，功率集成器件運用較為普遍。其名稱為SMART功率集成器件，本質(zhì)上是一種實現(xiàn)了智能化的功率/高壓集成電路。MOTOLA公司SMART功率集成器件的輸出通過外延基區(qū)縱向PNP晶體管，集電極裝置位置為芯片背部，襯底運用低電阻率p+，使15A時RCE是70MW；邏輯電路選擇呂珊CMOS，制作于n-外延層上，CMOS無須縱向和橫向隔離，能夠?qū)崿F(xiàn)自隔離。開關(guān)選擇PNP晶體管極電結(jié)在開態(tài)狀態(tài)下處于正偏并且產(chǎn)生注入，因此高壓PNP管和低電路之間的隔離必不可少，通過p+隔離擴散實現(xiàn)n-外延層的穿透。

在T-MOS功率管、T-MOS可掛硅整流器、大電流穩(wěn)壓器等領(lǐng)域SMART功率集成器均可使用。

1.2 應(yīng)用微電子工藝的可行性問題

在小功率范圍值內(nèi)，電機變頻調(diào)速運用微電子工藝進行集成通常能夠?qū)崿F(xiàn)。受制于目前微電子工藝水平和這項工藝的自身特點，現(xiàn)階段在集成電機變頻調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用微電子工藝功率僅局限于很小范圍內(nèi)。

2 結(jié)語

近幾年受到電子信息行業(yè)迅猛發(fā)展的推動，微電子技術(shù)發(fā)展變化翻天覆地，各種不同類型的控制芯片不斷涌現(xiàn)，系統(tǒng)芯片步入集成的階段。與此同時，高壓集成芯片也會隨著微電子技術(shù)的發(fā)展逐漸成熟和發(fā)展起來。

[1]徐兵.采用蓄能器的液壓電梯變頻節(jié)能控制系統(tǒng)研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2011.

[2]胡長生.小型電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)集成技術(shù)研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2012.

[3]崔博文.電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)故障檢測與診斷技術(shù)研究[D].西安：西北工業(yè)大學(xué)，2012.

[4]程思學(xué).基于PLC及變頻器的集成控制方法研究及其應(yīng)用[D].沈陽：沈陽工業(yè)大學(xué)，2015.

Research on the Integration Technology of Variable Frequency Speed Regulation System for Small Motor

ZHANG Xiaoxian
(Xinzhou Vocational and Technical College, Xinzhou 034000)

This paper discusses the microelectronics technology integrated motor frequency control system of integrated technology of small motor frequency control system, each angle respectively from the solutions and feasibility are discussed, hoping to provide some theoretical basis for the theoretical research and practice.

microelectronic process, packaging, technology, integration