使用非分立器件，简化 48V 至 60V 直流馈电三相逆变器设计

想象一下，我们正在设计伺服、计算机数控 (CNC) 或机器人应用的下一个功率级。在这种情况下，功率级是低压直流供电的三相逆变器，电压范围为 12 V DC至 60 V DC，额定功率小于 1 kW。该额定电压涵盖了通常用于电池供电电机系统或低压直流供电电机系统中的电池电压的范围。最重要的是，你的老板说，“顺便说一句，你需要设计它以在没有额外冷却功率级的情况下工作。它必须尽可能小以适应目标应用需求，当然还需要低成本。”

没问题吧？

好吧，在这种情况下，有一种易于使用的解决方案来设计逆变器，以满足这个假设的（尽管要求很高）老板的需求。

因此，在开始定义指定的功率级、电流检测和保护电路之前，重要的是要考虑一个非常真实且易于访问的参考设计，用于具有智能栅极驱动器伺服驱动器的 48V/500W 三相逆变器。

此参考设计使用高度集成的 IC 实现了小外形尺寸，该 IC 包括三个半桥栅极驱动器，可实现 100% 占空比操作。从 50 mA 到 2 A 的可选源/灌电流。V DS感测可实现过流保护，防止损坏功率级和电机。V GS握手功能可保护功率级免受由于错误的脉宽调制配置造成的击穿。

典型的低压直流馈电伺服驱动器功率级可以如图 1 所示进行分区，该图基于直流馈电伺服驱动器功率级模块。绿色框出的框是模块。

图 1：直流馈电伺服功率级

图 1 中低压直流馈电伺服驱动器的覆盖模块对系统性能和设计考虑因素有巨大影响。

通过将故障检测添加到半桥栅极驱动器以实现 V DS感测和软关断，可以构建强大的系统。这些功能允许栅极驱动器系统检测典型的过流或短路事件。这样做无需添加额外的电流感测或硬件电路来启用死区时间插入，从而确保 MCU 不会提供错误的驱动信号，这会因直通短路而损坏功率级或电机.

一个考虑因素是优化效率以降低散热器和辐射发射 (EMI) 与开关速度的成本。使用 100V 单桥或半桥场效应晶体管 (FET) 栅极驱动器实现这些功能需要额外的有源和无源组件，这会增加物料清单 (BOM) 成本和印刷电路板尺寸，同时通常会降低灵活性修改诸如栅极驱动强度之类的参数。在分析系统效率时，电流感测电路、具有低 R DS(on)和低栅极电荷以实现快速开关的FET 会影响系统效率性能。通常系统设计人员希望实现功率级 99% 的效率。

为了允许以最小损耗进行连续相电流检测，参考设计中使用了 1mΩ 内联分流器。选择电阻值是在精度和效率之间的折衷。考虑到本参考设计（专为 ±30Arms）中的分流满量程电压为 ±30mV，非隔离式串联放大器面临的主要挑战是用于系统的宽共模电压（0V 至 80V）。与 48V 的共模电压相比，这是一个小信号。因此，需要具有大共模电压范围和非常高的直流和交流共模抑制的电流检测放大器。由于分流阻抗低，具有额外集成固定增益和零偏移的放大器进一步有助于降低系统成本，同时确保高度准确的电流测量。

一个 100V直流降压稳压器从直流输入创建一个中间轨，为栅极驱动器和负载点供电。功率级需要以高效率工作以减少自热，这是满足行业工作环境温度（通常为 85°C）所必需的。考虑到这一点，这意味着系统中使用的 IC 需要支持更高的温度，因为电子设备总是会有一些温度升高（自热）。

伺服驱动器的参考设计使用 PMSM 电机在 0 到 500W 的输出功率范围内进行了测试，电机负载由测功机控制，如图 2 所示。 

图 2：电机驱动功率级的测试设置

结论

三相逆变器参考设计展示了如何设计具有低 BOM 数量、同相电流检测、故障诊断功能和高效率的紧凑型硬件保护功率级。该参考设计使用具有降压稳压器的德州仪器 DRV8350 100V 三相智能栅极驱动器和具有增强型脉宽调制抑制的 INA240 80V、低侧/高侧、双向零漂移电流检测放大器，这可以优化低压直流馈电功率级。