基於IGBT模塊和驅動器IC的電機驅動和逆變器設計方案

基於IGBT模塊和驅動器IC的電機驅動和逆變器設計方案

Jeff Shepard 發表於 2020-12-28 11:39:09

電機和逆變器的使用在工業自動化、機器人、電動汽車、太陽能、白色家電和電動工具等應用中日漸增長。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計的需求。雖然使用分立式絕緣柵雙極型電晶體 (IGBT) 設計定製電機和逆變器功率電子器件以滿足特定要求很有誘惑力，但從長遠來看，這樣做的成本很高，而且會延誤設計進度。

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

本文先簡要介紹電機和逆變器以及相關驅動電路和性能要求，然後回顧使用 IGBT 模塊的優點和各種模塊封裝標準，最後介紹基於 NXP Semiconductors、Infineon Technologies、Texas Instruments、STMicroelectronics 和 ON Semiconductor 等廠商的 IGBT 模塊和驅動器 IC 的電機驅動和逆變器設計方案，以及如何應用這些方案，包括評估板的使用。

電機類型和效率標準

IEC/EN 60034-30 將電機效率分為 IE1 至 IE5 五個等級。美國電氣製造商協會 (NEMA) 從「標準效率」到「超高效率」都有相應的評級標準（圖 1）。為了達到更高的效率標準，使用電子驅動是必要的。採用電子驅動的交流感應電機可以滿足 IE3 和 IE4 的要求。為了達到 IE5 的效率水平，需要組合使用成本較高的永磁電機和電子驅動。

低成本微控制器 (MCU) 的發展能夠讓設計人員使用上矢量控制技術——亦稱磁場定向控制 (FOC)。這是一種變頻驅動 (VFD) 控制方法，其中三相交流電機的定子電流被視為兩個正交分量，可以用矢量可視化。比例積分 (PI) 控制器可用於將被測電流分量保持在其所需要的值。VFD 的脈寬調製根據作為 PI 電流控制器輸出的定子電壓基準來定義電晶體的開關。

FOC 最初是為高性能系統而開發的，但由於 FOC 的電機尺寸較小、成本較低和功耗較低，因此對低成本應用也越來越有吸引力。由於低成本高性能 MCU 的不斷推出，FOC 不斷取代性能較低的單變量標量每赫茲伏特 (V/f) 控制。

目前使用的永磁電機主要有兩種，即無刷直流 (BLDC) 和永磁同步電機 (PMSM)。這兩種先進的電機設計都需要電力電子裝置進行驅動和控制。

無刷直流電機耐用、高效、成本低。PMSM 電機具有無刷直流電機的特性，但噪音更低，效率更高。這兩種類型的電機通常與霍爾傳感器一起使用，但也可用於無傳感器設計。PMSM 電機用於要求最高性能級別的應用，而 BLDC 電機則用於對成本更敏感的設計。

• BLDC 電機
• 更容易控制（6 步），且只需要直流電流。
• 換向時有轉矩波動
• 成本較低，性能較低（與 PMSM 相比）
• PMSM 電機
• 常用於帶集成軸編碼器的伺服驅動
• 控制更複雜（需要三相正弦 PWM）
• 換向時無轉矩波動
• 效率更高，扭矩更大
• 成本更高，性能更強（與 BLDC 相比）

逆變器概述

逆變器的效率表示輸出端有多少直流輸入功率轉換為交流功率。優質正弦波逆變器可提供 90-95% 的效率。質量較低的修正正弦波逆變器比較簡單，價格較低，效率也較低，一般為 75-85%。高頻逆變器通常比低頻設計更有效率。逆變器的效率還取決於逆變器負載（圖 2）。所有逆變器都需要電力電子驅動和控制。

以光伏逆變器為例，有三種效率評級類型：

一、峰值效率，表示逆變器在最佳功率輸出時的性能。它顯示了某一特定逆變器性能曲線的最高點，可以作為其質量評判標準使用（圖 2）。

二、歐洲效率，考慮逆變器在不同功率輸出下使用頻繁程度的加權數字。它有時比峰值效率更有用，因為它顯示了逆變器在太陽日期間不同輸出水平的表現。

三、加州能源委員會 (CEC) 效率，這也是一種加權效率，類似於歐洲效率，但它使用的加權係數假設不同。

歐洲效率和 CEC 效率的主要區別在於，前者是基於中歐的數據，後者是基於加州的數據。對於特定逆變器來說，每個功率水平的重要性假設是不同的。

IGBT 基礎知識

IGBT 的基本功能是以儘可能低的損耗最快地切換電流。IGBT 是絕緣柵雙極電晶體的英文編寫。顧名思義，IGBT 是一種具有絕緣柵結構的雙極型電晶體，柵極本身基本上就是一個 MOSFET。因此，IGBT 結合了雙極型電晶體的高載流能力和高阻斷電壓的優點，以及 MOSFET 的電容、低功耗控制的優點。圖 3 描述了 MOSFET 和雙極型電晶體如何組合成 IGBT。

IGBT 的基本操作很簡單：從柵極（圖 3 中的 G）到發射極 (E) 施加正電壓 UGE 接通 MOSFET。然後，連接到集電極 (C) 的電壓就可以驅動基極電流通過雙極型電晶體和 MOSFET；雙極型電晶體導通，然後負載電流就可以流動。電壓 UGE ≤0 伏時關閉 MOSFET，基極電流中斷，雙極電晶體同時關閉。

雖然概念上很簡單，但由於實際器件和電路中存在許多性能上的細微差別，開發控制 IGBT 的硬體（柵極驅動器）可能是一項複雜的任務。大多數時候是沒有必要的。半導體製造商提供了許多合適的柵極驅動器，作為集成解決方案，具有多種功能和能力。因此，為 IGBT 模塊配套合適的柵極驅動器非常重要。

IGBT 模塊有多種封裝類型（圖 4）。最大規格的額定電壓為 3,300 伏或以上，設計用於兆瓦級裝置，如可再生能源系統、不間斷電源和超大型電機驅動。中型模塊的額定電壓通常為 600 至 1700 伏，適用於各種應用，包括電動汽車、工業電機驅動和太陽能逆變器。

最小的器件被稱為集成功率模塊，額定電壓為 600 伏，可包括內置柵極驅動器和其他組件，用於小型工業系統和消費類白色家電中的電機驅動。與其他類型的功率開關元件相比，IGBT 實現了更高的功率水平和更低的開關頻率（圖 5）。

用於牽引逆變器的 IGBT 模塊評估板

針對高壓牽引逆變器設計人員，NXP Semiconductors 提供了採用其 MC33GD3100A3EK 半橋柵極驅動器 IC 的 FRDMGD3100HBIEVM 柵極驅動器電源管理評估板。該評估板是專門為配套使用 Infineon 的 FS820R08A6P2BBPSA1 IGBT 模塊而設計的（圖 6）。它是一個完全的解決方案，包括半橋柵極驅動 IC、DC Link 電容器和用於連接提供控制信號的 PC 的轉換器板。目標應用包括：

• 電動汽車牽引電機和高壓 DC/DC 轉換器
• 電動汽車車載充電器和外部充電器
• 其他高壓交流電機控制應用

用於 150 mm x 62 mm x 17 mm IGBT 模塊的驅動器

針對電機驅動器、太陽能逆變器、HEV 和 EV 充電器、風力渦輪機、運輸和不間斷電源系統的設計人員，Texas Instruments 開發了 ISO5852SDWEVM-017（圖 7）。它是一款緊湊的雙通道隔離柵極驅動器板，為採用標準 150 mm × 62 mm × 17 mm 封裝的通用半橋碳化矽 (SiC) MOSFET 和矽 IGBT 模塊提供所需的驅動、偏置電壓、保護和診斷功能。TI 的這款 EVM 基於 ISO5852SDW 5,700 Vrms 增強型隔離驅動器 IC，採用 SOIC-16DW 封裝，具有 8.0 mm 的爬電距離和間隙。該 EVM 包括基於 SN6505B 的隔離式 DC/DC 變壓器偏置電源。

智能電源模塊評估板

STMicroelectronics 提供的 STEVAL-IHM028V2 2,000 瓦三相電機控制評估板（圖 8）採用了 STGIPS20C60 IGBT 智能電源模塊。該評估板是一款 DC/AC 逆變器，可產生用於驅動 HVAC（空調）、白色家電和高端單相電動工具中的感應電機或 PMSM 電機等三相電機的波形，最大功率可達 2000 瓦。設計人員可以使用該 EVB 來實現三相交流電機的 FOC 設計。

該 EVM 的主要部分是一個通用、經過充分評估的密集型設計，由一個採用 SDIP 25L 封裝的基於 600 伏 IGBT 智能電源模塊的三相逆變器橋組成，安裝在散熱器上。該智能電源模塊將所有功率 IGBT 開關與續流二極體和高壓柵極驅動器集成在一起。這種集成度可以節省 PCB 空間和裝配成本，並有助於提高可靠性。該板設計成兼容單相電源，從 90 至 285 伏交流電供電，也兼容 125 至 400 伏的直流輸入。

可處理多種電機類型的 850 瓦評估板

On Semiconductor 提供的 SECO-1KW-MCTRL-GEVB 評估板能夠讓設計人員通過使用包括 FOC 在內的各種控制算法來控制不同類型的電機（交流感應電機、PMSM、BLDC），具體是通過 Arduino Due 針座連接的微控制器來實現的（圖 9）。該板旨在與 Arduino DUE（兼容針座）或帶有 MCU 的類似控制器板一起使用。該板帶有集成功率模塊和功率因數校正，推出的目的是為了在設計應用的第一步就給開發人員提供支持，供工業泵和風機、工業自動化系統和消費電器的設計人員使用。

該評估板基於 NFAQ1060L36T（圖 10），是由一個高壓驅動器、六個 IGBT 和一個熱敏電阻組成的集成逆變器功率級，適用於驅動 PMSM、BLDC 和交流感應電機。其中 IGBT 採用三相橋式配置，發射極連接與下管腳分開，在控制算法選擇上具有最大的靈活性。該功率級具有全方位的保護功能，包括交叉傳導保護、外部關斷和欠壓鎖定功能。連接到過流保護電路的內部比較器和基準允許設計人員設置其保護級別。

NFAQ1060L36T 功率集成模塊特性匯總：

• 三相 10 安培/600 伏 IGBT 模塊，帶集成驅動器
• 緊湊的 29.6 mm x 18.2 mm 雙直列封裝
• 內置欠壓保護
• 交叉傳導保護
• ITRIP 輸入關斷所有 IGBT
• 集成自舉二極體和電阻器
• 基底溫度測量熱敏電阻
• 關斷引腳
• UL1557 認證

結語

使用分立式 IGBT 設計定製電機和逆變器功率電子器件可以滿足特定要求，但從長遠來看，成本很高且會延誤設計進度。相反，設計人員可以使用現成的 IGBT 模塊，將多個功率器件組合到一個封裝中。此類模塊支持設計人員以最少的互連來開發緊湊的系統，從而簡化組裝，縮短上市所需時間，降低成本，並提高整體性能。

如上所示，設計人員可以將 IGBT 模塊與合適的 IGBT 驅動器一起使用，來開發符合性能和效率標準的低成本、緊湊型電機驅動裝置和逆變器。

（來源：Digi-Key，作者：Jeff Shepard）

 

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