小型电动机变频调速系统集成技术研究

张晓仙

（忻州职业技术学院，忻州 034000）

小型电动机变频调速系统集成技术研究

张晓仙

（忻州职业技术学院，忻州 034000）

本文论述微电子工艺集成电机变频调速系统对小型电动机变频调速系统集成技术，每个角度分别从问题解决方案和可行性问题进行论述，希望对有关理论研究和实践提供一些理论参考依据。

微电子工艺 封装工艺 集成

引言

作为一种电力变换器，变频调速系统主电路（整流和逆变电路）是功率电路，在通常情形下，其电路中的电压会达到百伏甚至更高，电流会达到几安培甚至更高。变频调速系统集成度逐渐变大、集成体积逐渐变小、功能逐渐变强、性能逐渐稳定化。

1 微电子工艺集成电机变频调速系统

1.1 问题解决方案

应用微电子工艺集成电机变频调速系统的过程中存在耐压和隔离、控制电路与功率主电路接口、热效应、磁技术和电路的集成检测等问题，以下分别介绍应用微电子工艺集成电机变频调速系统的技术方案。

1.1.1 耐压和隔离

在变频调速系统中，电路既有高压部分也有低压部分，但在半导体集成电路中，硅具有导电性，因此为防止出现器件之间电连接现象，须将其与各电路器件隔离，若不隔离，会有微小的附加电流产生，使功率集成芯片的功耗大大增加；与此同时，高电压也会向低压电路传递，传递过程中有可能击穿电压电路的器件。为避免上述情况的发生，在功率集成电路中可以选择NP结隔离技术、电荷控制隔离技术、介质隔离技术、微细晶体群隔离技术和腐蚀—填充隔离技术等实现电隔离。

1.1.2 控制电路与功率主电路接口

在通用的电机变频调速系统中，控制电路与功率主电路接口由专用的驱动电路芯片或由变压器隔离驱动电路组成，驱动电源大部分采用多路相互隔离的电源供电。而在应用微电子技术集成化的变频调速系统中，目前无法将电感器件集成到芯片中，无法提供多路的相互隔离的电源，必须采用其他类型的驱动电路。

1.1.3 热效应

变频调速系统集成过程中应用微电子技术需解决的关键问题是热效应问题。不仅由于其主电路中会发生开关和导通损耗，而且由于芯片封装之后具有热阻，封装热阻对于由功率损耗导致的热量散失十分不利。在芯片温度升高的情况下，将会导致电路性能参数变坏，最终降低可靠性。若要有效解决热效应问题，应从各个方面，例如电路拓扑设计、版图设计、封装工艺入手。

1.1.4 磁技术和电路的集成检测

（1）MOS功率集成电路。MOS集成技术又可划分为高压CMOS和D/CMOS技术，前者通常运用于开关制作过程中，如图1、图2所示分别为双深陷和浅陷高压CMOS剖面图。其中前者可以与CMOS双极技术兼容，后者中高压和低压MOS制作过程中可运用标准相同的CMOS技术。DMOS技术通常有自隔离D/CMOS、结隔离D/CMOS和隔离互补D/CMOS集成技术。

图1 双深陷高压CMOS剖面图

图2 浅陷高压CMOS剖面图

（2）BIMOS集成技术。在功率集成过程中，BIMOS集成技术运用比较普遍，按照结隔离运用实际情况，可分为厚外延和薄外延BIMOS集成技术。前者制作厚外延层，高压输出管通常为LDMOS或VDMOS，通过这种技术能够集成高压LDMOS、高压VDMOS、低压NPN和低压PNP、低压CMOS；后者制作于薄外延层上，高压输出管为RESURF器件，BIMOS集成技术能获得较高的电压。

（3）SMART功率集成技术。SMAR功率集成技术通过平面技术，对功率集成电路具有针对性的集成技术。在现阶段，功率集成器件运用较为普遍。其名称为SMART功率集成器件，本质上是一种实现了智能化的功率/高压集成电路。MOTOLA公司SMART功率集成器件的输出通过外延基区纵向PNP晶体管，集电极装置位置为芯片背部，衬底运用低电阻率p+，使15A时RCE是70MW；逻辑电路选择吕珊CMOS，制作于n-外延层上，CMOS无须纵向和横向隔离，能够实现自隔离。开关选择PNP晶体管极电结在开态状态下处于正偏并且产生注入，因此高压PNP管和低电路之间的隔离必不可少，通过p+隔离扩散实现n-外延层的穿透。

在T-MOS功率管、T-MOS可挂硅整流器、大电流稳压器等领域SMART功率集成器均可使用。

1.2 应用微电子工艺的可行性问题

在小功率范围值内，电机变频调速运用微电子工艺进行集成通常能够实现。受制于目前微电子工艺水平和这项工艺的自身特点，现阶段在集成电机变频调速系统中应用微电子工艺功率仅局限于很小范围内。

2 结语

近几年受到电子信息行业迅猛发展的推动，微电子技术发展变化翻天覆地，各种不同类型的控制芯片不断涌现，系统芯片步入集成的阶段。与此同时，高压集成芯片也会随着微电子技术的发展逐渐成熟和发展起来。

[1]徐兵.采用蓄能器的液压电梯变频节能控制系统研究[D].杭州：浙江大学，2011.

[2]胡长生.小型电动机变频调速系统集成技术研究[D].杭州：浙江大学，2012.

[3]崔博文.电动机变频调速系统故障检测与诊断技术研究[D].西安：西北工业大学，2012.

[4]程思学.基于PLC及变频器的集成控制方法研究及其应用[D].沈阳：沈阳工业大学，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