電動機驅動與控制用半導體技術
王季秩 （上海微電機研究所）
（摘要）長期以來，電動機驅動與控制所用電器和電真空器件，具有體積大、重量重、功耗大、運行可靠性差、維修儲存運輸較復雜等缺點。隨著電子學、計算機及電機等學科的發展，利用半導體元器件，電機工程就能與電子工程緊密相結合。文中從電動機應用角度，介紹半導體元器件特別是專用集成電路的概況，以便對微特電機實行組件化、系統化有較全面的認識。
（敘詞）電動機，驅動，控制，半導體元器件，應用
機電一體化技術已被現代工農業、商業、日常生活和國防等領域廣泛應用。隨著電子與計算機等技術的發展，半導體技術和器件產生了極大的變化。近來，半導體元器件更新十分頻繁，周期大大縮短。同時，半導體技術已與電動機驅動和控制的技術緊緊連在一起（圖1）。為了深入了解半導體元器件，必須將半導體元器件和電動機的應用結合起來考慮。
1 電動機驅動與控制
電動機驅動與控制是當前學術界的熱門話題，其范圍十分廣闊。從圖1系統框圖可知，電動機的電路可大致劃分為控制與驅動兩部分。電動機的驅動電路是控制系統的能量傳遞部分。它將電能道過半導體元器件組成開關或模擬電路，直接輸給電動機線圈。經過電動機內部電磁作用產生電磁力矩，帶動負載運動。電動機的控制電路是實現電動機各種控制功能的電路�？刂乒δ懿粌H要滿足用戶對系統的不同要求，還要實現電動機正常工作和最合理的應用所必要的保證。上述驅動控制的電路是不能用圖1系統框圖所能全部表示的，因為實際系統中還包括電源、保護、顯示和操作等部分。上面談的只是硬件部分，軟件部分本文從略。
2 電動機用半導體元器件
常用半導體元器件有
2.1 集成電路
在電動機中應用集成電路歷史較長。60年代電動機只能用簡單集成電路。例如， 式錄音機用電動機的穩速集成塊便是一種。它可省去速度反饋部分，利用反電勢傳感 度信號，通過橋路平衡原理，實現電動機的穩速運行。經30年的發展，音響、視聽、辦公自動化、工廠自動化和計算機外設等電 子裝備用電動機實現半導體化和集成化。電 動機本身也以系統面貌出現。這就是說，’電動機不單是電磁作用的電機部分，還包括驅動器和控制器在內的完整系統，組成一體。因此，集成電路對電動機的電子裝備的發展起著很大作用。
電動機用集成電路有多種分類方法。習慣上按功能可分為控制用和驅動用兩類。電動機用集成電路有通用集成塊(IC)和專用集成塊(ASIC)兩種。
控制用集成電路往往是根據控制功能而定的電路，它不隨電動機類型不同而變。例如，鎖相電路起系統的相位與頻率鎖定作用，既可用在直流電動機上，也可用在交流電動機上。近來，國外新型控制器具有更通用控制功能，集脈寬調制、鎖相、伺服、保護等功能于一體。
針對電動機的不同門類和功能，專用的控制集成塊(ASIC)發展很快。例如，彩色錄象機的主導軸和磁鼓用電動機、磁盤驅動器的磁盤和取數機構用電動機，均要用伺服控制器、鎖相控制器、頻率電壓轉換器、頻率相位比較器等，從早期多種集成塊組成控制系統變成單塊集成塊電路，并已成批生產。
驅動用集成電路均是功率型電路，即帶有功率晶體管的輸出部分。目前，輸出極限功率是50—60V、2—3A。若需要更大輸出功率的電路，應在驅動電路的輸出端接上大功率晶體管或功率模塊。驅動電路一般均是專用形式。
最近，單塊集成電路具有控制和驅動兩種綜合功能，使用方便、可靠，將為集成電路在電機領域的應用大大開拓。微特電機常用集成電路如附表所示附表微特電機常周集成電路及功率變換等。它有下列四種形式
2.2大功率晶休管
a．雙極型晶體管(BJT)；大功率晶體管在電動機驅動電路中主要是用作功率驅動、多相倒相、正反轉驅動以電動機驅動與控制用半導體技術
b．場效應晶體管(MOSFET)、場效應晶閘管(MCT)；
c．絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)；
d．靜電感應晶體管(SIT)、靜電感應雙極型晶體管(SIBT)、靜電感應晶閘管。
雙極形晶體管飽和壓降低、使用方便、價格低，目前大量應用。它常常做成達林頓管形式，提高功率。為了方便使用，幾套管子做成單塊模塊，可直接用在輸出電路。
(a)額定輸出
(b)輸出功率與開關頻率
(c)飽和壓降
圖2 BJT、MOSFET與IGBT三種管子的特性特性差，基極功耗大，限制了它的應用范圍。
場效應管有獨特優點，已開始廣泛應用。絕緣柵雙極形晶體管是結合雙極形晶體管和場效應晶體管的優點而出現，受到人們極大關注。圖2示出上述三類晶體管的使用范圍。
應該指出，大功率晶體管是與電機的高電感線圈相連的，其性能往往受到負載限制。為了使管子性能充分發揮，負載的匹配和管子的附加電路顯得十分重要。
近來，出現一種功率場控半導體，即靜電感應晶體管、靜電感應雙極形晶體管和靜電感應晶閘管。該半導體器件具有更大功率輸出和更高的工作頻率，已在某些電力電子裝置中應用，如美國GE公司高頻、高功率MCT器件，功率達90V、150A、壓降僅1V。
上述三種場控器件( MOSFET．IGBT、SIT)若使用不當，極易造成靜電擊穿，且價貴，所以還沒有大量使用。
2.3晶閘管
晶體管是一種三層pnp或npn半導體器件，而晶閘管是四層pnpn半導體開關器件。后者只能在導通或開斷狀態下工作，其突出優點是器件功率可以做得較大，近期可關斷晶閘管GTO的容量為4.SkV、4000A，一般晶閘管要更大。但是，晶閘管也有不少弱點，僅在強電驅動中用得較多。
晶閘管門類較多，常用有可控硅SCR、可關斷可控硅GTO、其它器件GTR、TRIAC、DIAC等。
由于晶閘管特性差、附加電路復雜，在微特電機驅動與控制中用得不多。
2.4傳感器
控制系統常采用閉環系統，在閉環系統中，一定要用傳感器來檢測反饋量。反饋量雙極形晶體管容易產生二次擊穿，高速除了位置、轉速、轉矩、加速度等機械量外，還有電流、功率等電量。以往機械量是采用機械或機電式傳感器為多。目前，半導體式傳感器已取代部分機電式或機械式傳感器，并已大量應用。常用的有
a．霍爾傳感器和霍爾元件
霍爾傳感器是利用霍爾元件將位置量轉換成電量的傳感器�；魻栐抢没魻栃诎雽w片上感生霍爾電勢。若通過半導體片電流及磁場大小不變，霍爾電勢與電流及磁場的方向成比例。過去，采用鍺元件為主。當今大量應用銻化銦(InSb)和砷化鎵(GaAs)元件，特性好、使用方便、價廉�；魻杺鞲衅骺芍瞥删�性和開關兩種。
b．光電傳感器
光電傳感器是利用光敏元器件來傳感各種機械量。光敏元件是指發光元件和接收元件兩種，包括發光二極管、光敏二極管、光敏晶體管、光敏可控硅和光敏雙向可控制等器件。在電動機控制電路中常常將兩種器件成對組裝在一起，使用十分方便。
光電傳感器還有光學元件，它放在發光與接收元件中間，直接與被測機械連在一起。
光電傳感器的頻率高、特性好，用途十分廣泛。
c．電流傳感器
電流傳感器是根據磁場補償原理，用以測量交直流、脈動電流的裝置。副端的測量電流正比于原端電流，愿副端兩方電路是相互絕緣的。交流和脈動頻率可高達幾十kHz。
d．熱保護器
為了防止電機發生過熱故障，采取保護裝置來切斷電源。早期是用熔斷器、熱繼電器作保護裝置。近來，控制系統要求熱保護器體積小、保護準確，熱敏電阻和多功能電子式已被認為較理想的元件。
熱敏電阻保護器是將熱敏電阻埋人發熱體內敏感發熱體的溫度，通過電阻變化控制電源的關閉與導通�，F在使用****泛的壓敏電阻是正溫度特性的電阻(PTC)。它采用半導體材料制成。
二極管
用于電機驅動電路中的二極管，除用作電源整流外，在旁路中亦大量使用。為了提高驅動電路的效率和改善其特性，它所用二極管與普通電路二極管是不一樣的。一般說來：它應有快速恢復特性、正向壓降低、開關時間短。常用有快速恢復二極管(FRD)、高效二極管(HED)、肖脫基二極管快速二極管(SUD)。
3新型半導體元器件及其應用
隨著機電一體化技術不斷地提高，電氣工業進入電子化時期，對電機的驅動與控制技術提出更高的要求，半導體技術一定要適應上述要求，必然產生新一代元器件。從當前幾個代表性的集成電路技術領域來看，確使機電系統產生了質的交化。
3.1 復合半導體技術
復合半導體技術是將線性集成電路和數字集成電路復合在單塊集成片上的技術。從電路構成來說，主要有功率集成(PIC)、雙極場效應集成( BICMOS)和集層注入式邏輯(12L)三類。BICMOS電路是將CMOS電路構成邏輯門，BI電路構成放大器、比較器、脈寬調制器、基準電源以及采用雙極型或DMOS型或FET型的功率驅動等復合一起。采用上述技術制成T1793集成電路已用于微步距驅動裝置中(圖3)。
I2L電路是屬雙極形，已用于軟盤驅動器的主軸電機上電動機驅動與控制用半導體技術
3.2 功率集成技術(PlC)
功率集成技術是復合元器件技術的一種類型。由于功率大、電壓高，它非常適用于電氣工程和電動機的控制系統。圖4示出較簡單功率集成電路的應用原理。該圖采用L6230功率集成電路的直流無刷電機系統。單片電路輸出100V、1A驅動無刷電機三相繞組。該系統采用霍爾傳感器檢測電機位置信號實現閉環控制。采用單片功率集成電路的系統不僅簡單可靠，并且性能好（頻率高、效率高、抗干擾強）體積小重量輕。近來，美國、日本一些公司及研究機構已在航空航天設備、車輛裝置、電源、防衛武器和家用電器中應用功率集成電路。
3.3混合集成技術和模塊技術
混合集成技術是指在氧化鋁或其它基板上，把集成電路、晶體管、二極管等半導體器件以及電阻、電容、電感等片狀元件，用表面組裝技術，集成在一起，．組成模塊的技術。電路實現模塊化后優點很多，突出有
a．用高密度組裝法，可大大節省電路空間，使電路變成輕、薄、短、�。�
b．減少電路連接點，可提高電路耐高溫、沖擊、振動等性能，大大提高可靠性；
c．維修、保管、儲存、運輸鄆采購等均極為方便；
模塊電路門類特多。******模塊是二極管、晶體管和附加電阻組成單塊功率驅動單元，它適用電動機的驅動電路的輸出級。
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