如何在基于三相 IGBT 的逆变器设计中降低系统成本

电机和逆变器的使用在工业自动化、机器人、电动汽车、太阳能、白色家电和电动工具等应用中持续增长。伴随着这种增长是对提高效率、降低成本、缩小封装和简化整体设计的需求。虽然使用分立式绝缘栅双极型晶体管 (IGBT) 设计定制电机和逆变器功率电子器件以满足特定要求很有诱惑力，但从长远来看，这样做的成本很高，而且会延误设计进度。

相反，设计人员可以使用现成的 IGBT 模块，将多个功率器件组合到一个封装中。此类模块支持设计人员以最少的互连来开发紧凑的系统，从而简化组装，缩短上市所需时间，降低成本，并提高整体性能。配套使用合适的 IGBT 驱动器，使用 IGBT 模块就可以开发出高效、低成本的电机驱动装置和逆变器。

大多数三相逆变器在变频驱动器、不间断电源、太阳能逆变器和其他类似逆变器应用等应用中使用绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 。三相逆变器的每一相都使用一个高侧和低侧 IGBT 向电机线圈施加交替的正负电压。电机的脉宽调制 (PWM) 控制输出电压。

三相逆变器还使用六个隔离栅极驱动器来驱动 IGBT。除了 IGBT 和隔离式栅极驱动器外，三相逆变器还包括直流母线电压检测、逆变器电流检测和 IGBT 保护，如过热、过载和接地故障。

在供暖、通风和空调 (HVAC)、太阳能泵和电器等许多终端应用中，成本和性能是具有挑战性的权衡取舍。

那么在不影响系统性能的情况下节省物料清单 (BOM) 成本的最佳方法是什么？这里有一些战术：

· 将高侧和低侧驱动器组合到一个封装中。三相逆变器需要六个 IGBT 栅极驱动器。我们可以为每个 IGBT 使用单独的栅极驱动器，但双通道栅极驱动器有助于提高设计灵活性并降低 BOM 成本。

· 使用自举为栅极驱动器供电。不用说，任何高压逆变器应用都需要在栅极驱动器的初级侧和次级侧之间进行隔离，以实现可靠运行。隔离式栅极驱动器的高端和低端可能需要不同的电源。自举电源不再为三相逆变器使用六个不同的隔离电源，而是将电源需求减少到只有一个，从而降低了总 BOM 成本和电路板空间。

· 使用简单的比较器保护 IGBT。我们可以通过检测电流和使用窗口比较器来实现简单的过载和短路检测。比较器输出可以通过 DISABLE 功能禁用 IGBT 栅极驱动器。

TI 新发布的 UCC21520 是一款增强型隔离式双通道栅极驱动器。具有 19ns（典型值）的同类最佳传播延迟、可编程死区时间和宽电压范围使其真正适合此类逆变器应用。

除 IGBT 外，IGBT 栅极驱动器和电流检测在确定三相逆变器级的成本和性能方面发挥着重要作用。考虑以下策略在电流检测电路中节省 BOM：

· 分流器。分流器取代了笨重且昂贵的霍尔和磁通门电流传感器模块，优化了传感电路的成本和空间。电流互感器也被考虑在内，但与分流器相比存在线性和性能问题。

· 同相电流感应可提供更好的感应性能（与支路电流感应相比）。同相电流检测意味着有恒定的电机电流流过分流器（与支路电流检测中的噪声开关电流相比），无论哪个 IGBT 正在开关。此外，很容易检测端子到端子短路和端子到 GND 短路。我们还可以使用两个分流器进行成本优化，并使用来自其他两个传感电路的数据在软件中计算第三相的电流。

· 考虑使用隔离放大器和分流器，而不是霍尔电流传感器。使用隔离式 Σ-Δ 调制器进行电流检测需要在软件或硬件中实现数字滤波器。隔离放大器可与具有内置 SAR ADC 的低成本微控制器连接。

· 简单的过流保护。具有快速响应时间（<5 至 6µs）的高带宽隔离放大器和比较器可为逆变器提供快速过流保护，从而允许我们在系统中使用具有成本效益的栅极驱动器。

AMC1301 是 TI 新发布的精密增强型隔离放大器。它针对与分流电阻器的直接连接进行了优化，并支持精确的电流控制。AMC1301 的高线性度和低温度漂移的失调和增益误差可节省系统级功耗并降低转矩脉动。具有 3µs 延迟和高侧电源丢失检测功能，适用于电机驱动应用。

新的TI Designs 具有电流、电压和温度保护的增强型隔离三相逆变器参考设计 (TIDA-00366)为额定功率高达 10kW 的三相逆变器提供了参考解决方案。图 1 是高级框图。

图1 ：TIDA-00366 的高级框图

该设计包括 UCC21520 增强型隔离式双 IGBT 栅极驱动器、AMC1301 增强型隔离放大器和 TMS320F28027 MCU。通过使用 AMC1301 测量电机电流（与 MCU 的内部 ADC 接口）以及用于 IGBT 栅极驱动器的自举电源，可以降低系统成本。逆变器的设计具有过载、短路、接地故障、直流母线欠压和过压以及 IGBT 模块过温保护。