如何降低三相IGBT逆變器設(shè)計系統(tǒng)成本

在變頻驅(qū)動、不間斷電源、太陽能逆變器和其他類似應(yīng)用中，大多數(shù)三相逆變器采用絕緣柵雙極晶體管（IGBT）。三相逆變器的每個相位都使用高端和低端IGBT將交替正負電壓應(yīng)用到電機繞組上。電機脈寬調(diào)制（PWM）控制輸出電壓。

三相逆變器還使用6個隔離式柵極驅(qū)動器驅(qū)動IGBT。除了IGBT和隔離式柵極驅(qū)動器，三相逆變器還含有直流母線電壓感應(yīng)、逆變器電流感應(yīng)與過熱、過載和接地故障等IGBT保護。

在暖通空調(diào)、太陽能泵等許多終端應(yīng)用中，平衡成本與性能具有挑戰(zhàn)性。

那么，節(jié)省材料清單（BOM）而又不犧牲系統(tǒng)性能的最佳方法是什么呢？下面列舉了一些方法：

將高端和低端驅(qū)動器結(jié)合到一個封裝內(nèi)。一個三相逆變器需要六個IGBT柵極驅(qū)動器。你可以為每一個IGBT使用單獨的柵極驅(qū)動器，但是雙通道柵極驅(qū)動器可以提高設(shè)計的靈活性，降低BOM成本。

用自舉電路為柵極驅(qū)動器供電。無需贅言，任何高壓逆變器應(yīng)用為了可靠運行都需要在柵極驅(qū)動器的初級和次級之間進行隔離。隔離式柵極驅(qū)動器的高端和低端可能需要不同的供電。自舉電源將對電源的要求降到一個，而不是為三相逆變器使用6個隔離的電源，降低了整體BOM成本和電路板空間。

使用簡單的比較器保護IGBT。通過感應(yīng)電流和使用窗口比較器，可以探測出簡單的過載和短路。比較器輸出可以通過關(guān)斷功能關(guān)斷IGBT柵極驅(qū)動器。

TI新發(fā)布的UCC21520是一種增強隔離式雙通道柵極驅(qū)動器。頂級19ns（典型值）傳播延遲、可編程死區(qū)時間和寬電壓范圍使其非常適合此類逆變器應(yīng)用

除了IGBT，IGBT柵極驅(qū)動器和電流感應(yīng)對三相逆變器級的成本和性能也有重要的影響。考慮使用以下方法節(jié)省電流感應(yīng)電路的BOM：

Shunt。用Shunt代替尺寸偏大、成本較高的霍爾和磁通量門電流傳感器模塊，可以優(yōu)化感應(yīng)電路成本和空間。我們也考慮了電流變壓器，但是與Shunt相比，電流變壓器有線性和性能方面的問題。

同相位電流感應(yīng)實現(xiàn)更好的感應(yīng)性能（與支路電流感應(yīng)相比）。同相位電流感應(yīng)意味著無論哪一個IGBT在切換，Shunt中都有恒定的電機電流流過（與支路電流感應(yīng)中的噪聲切換電流相比）。另外，檢測端至端短路和端至地短路也很簡便。還可以使用兩個Shunt優(yōu)化成本，使用其他兩個感應(yīng)電路的數(shù)據(jù)計算第三個相位的電流。

考慮與Shunt一同使用隔離式放大器，而不是霍爾電流傳感器。為電流感應(yīng)使用隔離式sigma-delta模擬器需要在軟件或硬件中執(zhí)行數(shù)字濾波器。隔離式放大器可以通過內(nèi)置SAR ADC接口與低成本微控制連接。

簡單的過電流保護。高帶寬隔離式放大器和比較器的反應(yīng)時間短（＜5至6µs），可以為逆變器提供快速過電流保護，從而允許在系統(tǒng)中使用具有成本效益的柵極驅(qū)動器。

AMC1301是TI最新發(fā)布的精確增強隔離式放大器。該放大器經(jīng)過優(yōu)化，可以與Shunt電阻直接連接，支持精確電流控制。AMC1301偏移和增益誤差的高線性和低溫度漂移在系統(tǒng)級別上節(jié)省了功耗，降低了扭矩紋波。3µs延遲和高端供電缺失檢測功能使其適用于電機驅(qū)動應(yīng)用。

新TI Designs帶電流、電壓和溫度保護的增強隔離式三相逆變器參考設(shè)計(TIDA-00366)為額定功率高達10kW的三相逆變器提供了參考解決方案。圖1為高級模塊圖。

圖1：TIDA-00366高級模塊圖

該設(shè)計包括增強隔離式雙IGBT柵極驅(qū)動器UCC21520，增強隔離式放大器AMC1301與微控制單元TMS320F28027。通過使用AMC1301測量電機電流（與微控制單元的內(nèi)部ADC連接），用自舉電源為IGBT柵極驅(qū)動器供電可以降低系統(tǒng)成本。該逆變器設(shè)計具有過載、短路、接地故障、直流母線欠壓和過壓以及IGBT過熱保護。

您使用什么技術(shù)節(jié)省BOM？告訴我們您的故事！

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