如何在基于三相 IGBT 的逆變器設(shè)計中降低系統(tǒng)成本

電機(jī)和逆變器的使用在工業(yè)自動化、機(jī)器人、電動汽車、太陽能、白色家電和電動工具等應(yīng)用中持續(xù)增長。伴隨著這種增長是對提高效率、降低成本、縮小封裝和簡化整體設(shè)計的需求。雖然使用分立式絕緣柵雙極型晶體管 (IGBT) 設(shè)計定制電機(jī)和逆變器功率電子器件以滿足特定要求很有誘惑力，但從長遠(yuǎn)來看，這樣做的成本很高，而且會延誤設(shè)計進(jìn)度。

相反，設(shè)計人員可以使用現(xiàn)成的 IGBT 模塊，將多個功率器件組合到一個封裝中。此類模塊支持設(shè)計人員以最少的互連來開發(fā)緊湊的系統(tǒng)，從而簡化組裝，縮短上市所需時間，降低成本，并提高整體性能。配套使用合適的 IGBT 驅(qū)動器，使用 IGBT 模塊就可以開發(fā)出高效、低成本的電機(jī)驅(qū)動裝置和逆變器。

大多數(shù)三相逆變器在變頻驅(qū)動器、不間斷電源、太陽能逆變器和其他類似逆變器應(yīng)用等應(yīng)用中使用絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 。三相逆變器的每一相都使用一個高側(cè)和低側(cè) IGBT 向電機(jī)線圈施加交替的正負(fù)電壓。電機(jī)的脈寬調(diào)制 (PWM) 控制輸出電壓。

三相逆變器還使用六個隔離柵極驅(qū)動器來驅(qū)動 IGBT。除了 IGBT 和隔離式柵極驅(qū)動器外，三相逆變器還包括直流母線電壓檢測、逆變器電流檢測和 IGBT 保護(hù)，如過熱、過載和接地故障。

在供暖、通風(fēng)和空調(diào) (HVAC)、太陽能泵和電器等許多終端應(yīng)用中，成本和性能是具有挑戰(zhàn)性的權(quán)衡取舍。

那么在不影響系統(tǒng)性能的情況下節(jié)省物料清單 (BOM) 成本的最佳方法是什么？這里有一些戰(zhàn)術(shù)：

· 將高側(cè)和低側(cè)驅(qū)動器組合到一個封裝中。三相逆變器需要六個 IGBT 柵極驅(qū)動器。我們可以為每個 IGBT 使用單獨(dú)的柵極驅(qū)動器，但雙通道柵極驅(qū)動器有助于提高設(shè)計靈活性并降低 BOM 成本。

· 使用自舉為柵極驅(qū)動器供電。不用說，任何高壓逆變器應(yīng)用都需要在柵極驅(qū)動器的初級側(cè)和次級側(cè)之間進(jìn)行隔離，以實(shí)現(xiàn)可靠運(yùn)行。隔離式柵極驅(qū)動器的高端和低端可能需要不同的電源。自舉電源不再為三相逆變器使用六個不同的隔離電源，而是將電源需求減少到只有一個，從而降低了總 BOM 成本和電路板空間。

· 使用簡單的比較器保護(hù) IGBT。我們可以通過檢測電流和使用窗口比較器來實(shí)現(xiàn)簡單的過載和短路檢測。比較器輸出可以通過 DISABLE 功能禁用 IGBT 柵極驅(qū)動器。

TI 新發(fā)布的 UCC21520 是一款增強(qiáng)型隔離式雙通道柵極驅(qū)動器。具有 19ns（典型值）的同類最佳傳播延遲、可編程死區(qū)時間和寬電壓范圍使其真正適合此類逆變器應(yīng)用。

除 IGBT 外，IGBT 柵極驅(qū)動器和電流檢測在確定三相逆變器級的成本和性能方面發(fā)揮著重要作用。考慮以下策略在電流檢測電路中節(jié)省 BOM：

· 分流器。分流器取代了笨重且昂貴的霍爾和磁通門電流傳感器模塊，優(yōu)化了傳感電路的成本和空間。電流互感器也被考慮在內(nèi)，但與分流器相比存在線性和性能問題。

· 同相電流感應(yīng)可提供更好的感應(yīng)性能（與支路電流感應(yīng)相比）。同相電流檢測意味著有恒定的電機(jī)電流流過分流器（與支路電流檢測中的噪聲開關(guān)電流相比），無論哪個 IGBT 正在開關(guān)。此外，很容易檢測端子到端子短路和端子到 GND 短路。我們還可以使用兩個分流器進(jìn)行成本優(yōu)化，并使用來自其他兩個傳感電路的數(shù)據(jù)在軟件中計算第三相的電流。

· 考慮使用隔離放大器和分流器，而不是霍爾電流傳感器。使用隔離式 Σ-Δ 調(diào)制器進(jìn)行電流檢測需要在軟件或硬件中實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波器。隔離放大器可與具有內(nèi)置 SAR ADC 的低成本微控制器連接。

· 簡單的過流保護(hù)。具有快速響應(yīng)時間（<5 至 6μs）的高帶寬隔離放大器和比較器可為逆變器提供快速過流保護(hù)，從而允許我們在系統(tǒng)中使用具有成本效益的柵極驅(qū)動器。

AMC1301 是 TI 新發(fā)布的精密增強(qiáng)型隔離放大器。它針對與分流電阻器的直接連接進(jìn)行了優(yōu)化，并支持精確的電流控制。AMC1301 的高線性度和低溫度漂移的失調(diào)和增益誤差可節(jié)省系統(tǒng)級功耗并降低轉(zhuǎn)矩脈動。具有 3μs 延遲和高側(cè)電源丟失檢測功能，適用于電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用。

新的TI Designs 具有電流、電壓和溫度保護(hù)的增強(qiáng)型隔離三相逆變器參考設(shè)計 (TIDA-00366)為額定功率高達(dá) 10kW 的三相逆變器提供了參考解決方案。圖 1 是高級框圖。

圖1 ：TIDA-00366 的高級框圖

該設(shè)計包括 UCC21520 增強(qiáng)型隔離式雙 IGBT 柵極驅(qū)動器、AMC1301 增強(qiáng)型隔離放大器和 TMS320F28027 MCU。通過使用 AMC1301 測量電機(jī)電流（與 MCU 的內(nèi)部 ADC 接口）以及用于 IGBT 柵極驅(qū)動器的自舉電源，可以降低系統(tǒng)成本。逆變器的設(shè)計具有過載、短路、接地故障、直流母線欠壓和過壓以及 IGBT 模塊過溫保護(hù)。