如何降低三相IGBT逆变器设计系统成本

变频驱动、不间断电源、太阳能逆变器和其他类似应用中,大多数三相逆变器采用绝缘栅双极晶体管(IGBT)。三相逆变器的每个相位都使用高端和低端IGBT将交替正负电压应用到电机绕组上。电机脉宽调制(PWM)控制输出电压。

三相逆变器还使用6个隔离式栅极驱动器驱动IGBT。除了IGBT和隔离式栅极驱动器,三相逆变器还含有直流母线电压感应、逆变器电流感应与过热、过载和接地故障等IGBT保护。

在暖通空调、太阳能泵等许多终端应用中,平衡成本与性能具有挑战性。

那么,节省材料清单(BOM)而又不牺牲系统性能的最佳方法是什么呢?下面列举了一些方法:

  • 将高端和低端驱动器结合到一个封装内。一个三相逆变器需要六个IGBT栅极驱动器。你可以为每一个IGBT使用单独的栅极驱动器,但是双通道栅极驱动器可以提高设计的灵活性,降低BOM成本。
  • 用自举电路为栅极驱动器供电。无需赘言,任何高压逆变器应用为了可靠运行都需要在栅极驱动器的初级和次级之间进行隔离。隔离式栅极驱动器的高端和低端可能需要不同的供电。自举电源将对电源的要求降到一个,而不是为三相逆变器使用6个隔离的电源,降低了整体BOM成本和电路板空间。
  • 使用简单的比较器保护IGBT。通过感应电流和使用窗口比较器,可以探测出简单的过载和短路。比较器输出可以通过关断功能关断IGBT栅极驱动器。

  TI新发布的UCC21520是一种增强隔离式双通道栅极驱动器。顶级19ns(典型值)传播延迟、可编程死区时间和宽电压范围使其非常适合此类逆变器应用

除了IGBT,IGBT栅极驱动器和电流感应对三相逆变器级的成本和性能也有重要的影响。考虑使用以下方法节省电流感应电路的BOM:

  • Shunt。用Shunt代替尺寸偏大、成本较高的霍尔和磁通量门电流传感器模块,可以优化感应电路成本和空间。我们也考虑了电流变压器,但是与Shunt相比,电流变压器有线性和性能方面的问题。
  • 同相位电流感应实现更好的感应性能(与支路电流感应相比)。同相位电流感应意味着无论哪一个IGBT在切换,Shunt中都有恒定的电机电流流过(与支路电流感应中的噪声切换电流相比)。另外,检测端至端短路和端至地短路也很简便。还可以使用两个Shunt优化成本,使用其他两个感应电路的数据计算第三个相位的电流。
  • 考虑与Shunt一同使用隔离式放大器,而不是霍尔电流传感器。为电流感应使用隔离式sigma-delta模拟器需要在软件或硬件中执行数字滤波器。隔离式放大器可以通过内置SAR ADC接口与低成本微控制连接。
  • 简单的过电流保护。高带宽隔离式放大器和比较器的反应时间短(<5至6µs),可以为逆变器提供快速过电流保护,从而允许在系统中使用具有成本效益的栅极驱动器。

  AMC1301是TI最新发布的精确增强隔离式放大器。该放大器经过优化,可以与Shunt电阻直接连接,支持精确电流控制。AMC1301偏移和增益误差的高线性和低温度漂移在系统级别上节省了功耗,降低了扭矩纹波。3µs延迟和高端供电缺失检测功能使其适用于电机驱动应用。

  新TI Designs带电流、电压和温度保护的增强隔离式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为高级模块图。

 

1TIDA-00366高级模块图

 

  该设计包括增强隔离式双IGBT栅极驱动器UCC21520,增强隔离式放大器AMC1301与微控制单元TMS320F28027。通过使用AMC1301测量电机电流(与微控制单元的内部ADC连接),用自举电源为IGBT栅极驱动器供电可以降低系统成本。该逆变器设计具有过载、短路、接地故障、直流母线欠压和过压以及IGBT过热保护。

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