基于IGBT模塊和驅(qū)動(dòng)器IC的電機(jī)驅(qū)動(dòng)和逆變器設(shè)計(jì)方案

電機(jī)和逆變器的使用在工業(yè)自動(dòng)化、機(jī)器人、電動(dòng)汽車、太陽(yáng)能、白色家電和電動(dòng)工具等應(yīng)用中持續(xù)增長(zhǎng)。伴隨著這種增長(zhǎng)，對(duì)提高效率、降低成本、縮小封裝和簡(jiǎn)化整體設(shè)計(jì)的需求也在增加。雖然使用分立式絕緣柵雙極型晶體管 (IGBT) 設(shè)計(jì)定制電機(jī)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(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，這樣做的成本很高，而且會(huì)延誤設(shè)計(jì)進(jìn)度。

相反，設(shè)計(jì)人員可以使用現(xiàn)成的IGBT模塊，將多個(gè)功率器件組合到一個(gè)封裝中。此類模塊支持設(shè)計(jì)人員以最少的互連來(lái)開(kāi)發(fā)緊湊的系統(tǒng)，從而簡(jiǎn)化組裝，縮短上市所需時(shí)間，降低成本，并提高整體性能。配套使用合適的IGBT驅(qū)動(dòng)器，使用IGBT模塊就可以開(kāi)發(fā)出高效、低成本的電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置和逆變器。

本文先簡(jiǎn)要介紹電機(jī)和逆變器以及相關(guān)驅(qū)動(dòng)電路和性能要求，然后回顧使用IGBT模塊的優(yōu)點(diǎn)和各種模塊封裝標(biāo)準(zhǔn)，最后介紹基于NXP Semiconductors 、Infineon Technologies、 Texas Instruments、 STMicroelectronics 和 ON Semiconductor等廠商的IGBT模塊和驅(qū)動(dòng)器IC的電機(jī)驅(qū)動(dòng)和逆變器設(shè)計(jì)方案，以及如何應(yīng)用這些方案，包括評(píng)估板的使用。

電機(jī)類型和效率標(biāo)準(zhǔn)

IEC/EN 60034-30將電機(jī)效率分為IE1至IE5五個(gè)等級(jí)。美國(guó)電氣制造商協(xié)會(huì)(NEMA) 從“標(biāo)準(zhǔn)效率”到“超高效率”都有相應(yīng)的評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(圖1)。為了達(dá)到更高的效率標(biāo)準(zhǔn)，使用電子驅(qū)動(dòng)是必要的。采用電子驅(qū)動(dòng)的交流感應(yīng)電機(jī)可以滿足IE3和IE4的要求。為了達(dá)到IE5的效率水平，需要組合使用成本較高的永磁電機(jī)和電子驅(qū)動(dòng)。

圖 1：根據(jù) IEC/EN 60034-30(IE1至IE5)的電機(jī)效率等級(jí)和相應(yīng)的NEMA等級(jí)(標(biāo)準(zhǔn)效率至超高效率)。采用FOC和電子驅(qū)動(dòng)的交流感應(yīng)電機(jī)可以滿足IE3和IE4級(jí)要求。要滿足IE5級(jí)效率水平需要使用永磁電機(jī)。(圖片來(lái)源：ECN)

低成本微控制器 (MCU) 的發(fā)展能夠讓設(shè)計(jì)人員使用上矢量控制技術(shù)——亦稱磁場(chǎng)定向控制(FOC)。這是一種變頻驅(qū)動(dòng) (VFD) 控制方法，其中三相交流電機(jī)的定子電流被視為兩個(gè)正交分量，可以用矢量可視化。比例積分(PI) 控制器可用于將被測(cè)電流分量保持在其所需要的值。VFD的脈寬調(diào)制根據(jù)作為PI電流控制器輸出的定子電壓基準(zhǔn)來(lái)定義晶體管的開(kāi)關(guān)。

FOC最初是為高性能系統(tǒng)而開(kāi)發(fā)的，但由于FOC的電機(jī)尺寸較小、成本較低和功耗較低，因此對(duì)低成本應(yīng)用也越來(lái)越有吸引力。由于低成本高性能MCU的不斷推出，F(xiàn)OC不斷取代性能較低的單變量標(biāo)量每赫茲伏特 (V/f) 控制。

目前使用的永磁電機(jī)主要有兩種，即無(wú)刷直流 (BLDC) 和永磁同步電機(jī)(PMSM)。這兩種先進(jìn)的電機(jī)設(shè)計(jì)都需要電力電子裝置進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和控制。

無(wú)刷直流電機(jī)耐用、高效、成本低。PMSM電機(jī)具有無(wú)刷直流電機(jī)的特性，但噪音更低，效率更高。這兩種類型的電機(jī)通常與霍爾傳感器一起使用，但也可用于無(wú)傳感器設(shè)計(jì)。PMSM電機(jī)用于要求最高性能級(jí)別的應(yīng)用，而B(niǎo)LDC電機(jī)則用于對(duì)成本更敏感的設(shè)計(jì)。

BLDC電機(jī)

更容易控制(6步)，且只需要直流電流

換向時(shí)有轉(zhuǎn)矩波動(dòng)

成本較低，性能較低(與PMSM相比)

PMSM電機(jī)

常用于帶集成軸編碼器的伺服驅(qū)動(dòng)

控制更復(fù)雜(需要三相正弦PWM)

換向時(shí)無(wú)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)

效率更高，扭矩更大

成本更高，性能更強(qiáng)(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(zhuǎn)換為交流功率。優(yōu)質(zhì)正弦波逆變器可提供90-95%的效率。質(zhì)量較低的修正正弦波逆變器比較簡(jiǎn)單，價(jià)格較低，效率也較低，一般為75-85%。高頻逆變器通常比低頻設(shè)計(jì)更有效率。逆變器的效率還取決于逆變器負(fù)載(圖2)。所有逆變器都需要電力電子驅(qū)動(dòng)和控制。

以光伏逆變器為例，有三種效率評(píng)級(jí)類型：

NO.1 峰值效率

表示逆變器在最佳功率輸出時(shí)的性能。它顯示了某一特定逆變器性能曲線的最高點(diǎn)，可以作為其質(zhì)量評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)使用(圖2)。

NO.2 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(quán)數(shù)字。它有時(shí)比峰值效率更有用，因?yàn)樗@示了逆變器在太陽(yáng)日期間不同輸出水平的表現(xiàn)。

NO.3 加州能源委員會(huì)(CEC)效率

這也是一種加權(quán)效率，類似于歐洲效率，但它使用的加權(quán)系數(shù)假設(shè)不同。

歐洲效率和CEC效率的主要區(qū)別在于，前者是基于中歐的數(shù)據(jù)，后者是基于加州的數(shù)據(jù)。對(duì)于特定逆變器來(lái)說(shuō)，每個(gè)功率水平的重要性假設(shè)是不同的。

圖2：顯示峰值效率點(diǎn)的典型逆變器效率曲線。(圖片來(lái)源：賓夕法尼亞州立大學(xué))

IGBT基礎(chǔ)知識(shí)

IGBT的基本功能是以盡可能低的損耗最快地切換電流。IGBT是絕緣柵雙極晶體管的英文編寫(xiě)。顧名思義，IGBT是一種具有絕緣柵結(jié)構(gòu)的雙極型晶體管，柵極本身基本上就是一個(gè)MOSFET。因此，IGBT結(jié)合了雙極型晶體管的高載流能力和高阻斷電壓的優(yōu)點(diǎn)，以及MOSFET的電容、低功耗控制的優(yōu)點(diǎn)。圖3描述了MOSFET和雙極型晶體管如何組合成IGBT。

圖3：IGBT的概念結(jié)構(gòu)展示了構(gòu)成絕緣柵的MOSFET和作為功率處理部分的雙極晶體管結(jié)構(gòu)。(圖片來(lái)源：Infineon Technologies)

IGBT的基本操作很簡(jiǎn)單：從柵極(圖3中的G)到發(fā)射極 (E) 施加正電壓UGE接通 MOSFET。然后，連接到集電極 (C) 的電壓就可以驅(qū)動(dòng)基極電流通過(guò)雙極型晶體管和 MOSFET;雙極型晶體管導(dǎo)通，然后負(fù)載電流就可以流動(dòng)。電壓UGE≤0伏時(shí)關(guān)閉MOSFET，基極電流中斷，雙極晶體管同時(shí)關(guān)閉。

雖然概念上很簡(jiǎn)單，但由于實(shí)際器件和電路中存在許多性能上的細(xì)微差別，開(kāi)發(fā)控制IGBT的硬件(柵極驅(qū)動(dòng)器)可能是一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)。大多數(shù)時(shí)候是沒(méi)有必要的。半導(dǎo)體制造商提供了許多合適的柵極驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)器非常重要。

IGBT模塊有多種封裝類型(圖4)。最大規(guī)格的額定電壓為3,300伏或以上，設(shè)計(jì)用于兆瓦級(jí)裝置，如可再生能源系統(tǒng)、不間斷電源和超大型電機(jī)驅(qū)動(dòng)。中型模塊的額定電壓通常為600至1700伏，適用于各種應(yīng)用，包括電動(dòng)汽車、工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和太陽(yáng)能逆變器。

圖4：IGBT模塊提供多種封裝。典型額定電壓范圍為600伏至3300伏。(圖片來(lái)源：Fuji Electric)

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(nèi)置柵極驅(qū)動(dòng)器和其他組件，用于小型工業(yè)系統(tǒng)和消費(fèi)類白色家電中的電機(jī)驅(qū)動(dòng)。與其他類型的功率開(kāi)關(guān)元件相比，IGBT實(shí)現(xiàn)了更高的功率水平和更低的開(kāi)關(guān)頻率(圖5)。

圖5：常用功率開(kāi)關(guān)器件的功率范圍與開(kāi)關(guān)頻率對(duì)照(圖片來(lái)源：Infineon Technologies)

用于牽引逆變器的IGBT模塊評(píng)估板

針對(duì)高壓牽引逆變器設(shè)計(jì)人員，NXP Semiconductors提供了采用其MC33GD3100A3EK半橋柵極驅(qū)動(dòng)器IC的FRDMGD3100HBIEVM柵極驅(qū)動(dòng)器電源管理評(píng)估板。該評(píng)估板是專門(mén)為配套使用Infineon的FS820R08A6P2BBPSA1 IGBT模塊而設(shè)計(jì)的(圖6)。它是一個(gè)完全的解決方案，包括半橋柵極驅(qū)動(dòng)IC、DC Link電容器和用于連接提供控制信號(hào)的PC的轉(zhuǎn)換器板。目標(biāo)應(yīng)用包括：

電動(dòng)汽車牽引電機(jī)和高壓DC/DC轉(zhuǎn)換器

電動(dòng)汽車車載充電器和外部充電器

其他高壓交流電機(jī)控制應(yīng)用

圖6：NXP的FRDMGD3100HBIEVM柵極驅(qū)動(dòng)器電源管理評(píng)估板連接到了Infineon的FS820R08A6P2BBPSA1 IGBT模塊，同時(shí)顯示了MC33GD3100A3EK、半橋柵極驅(qū)動(dòng)器IC、DC Link電容器和用于連接提供控制信號(hào)的PC的轉(zhuǎn)換器板的位置。(圖片來(lái)源：NXP Semiconductors)

用于150mm x 62mm x 17mm IGBT模塊的驅(qū)動(dòng)器

針對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、太陽(yáng)能逆變器、HEV和EV充電器、風(fēng)力渦輪機(jī)、運(yùn)輸和不間斷電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員，TexasInstruments開(kāi)發(fā)了ISO5852SDWEVM-017(圖7)。它是一款緊湊的雙通道隔離柵極驅(qū)動(dòng)器板，為采用標(biāo)準(zhǔn)150mm × 62mm × 17mm 封裝的通用半橋碳化硅 (SiC) MOSFET和硅IGBT模塊提供所需的驅(qū)動(dòng)、偏置電壓、保護(hù)和診斷功能。TI的這款EVM基于ISO5852SDW5,700Vrms增強(qiáng)型隔離驅(qū)動(dòng)器IC，采用SOIC-16DW封裝，具有8.0mm的爬電距離和間隙。該EVM包括基于SN6505B的隔離式DC/DC變壓器偏置電源。

圖7：安裝在150mm × 62mm IGBT模塊頂部的TexasInstruments ISO5852SDWEVM-017雙通道隔離柵極驅(qū)動(dòng)器板。(圖片來(lái)源：TexasInstruments)

智能電源模塊評(píng)估板

STMicroelectronics提供的STEVAL-IHM028V2 2,000瓦三相電機(jī)控制評(píng)估板(圖8)采用了STGIPS20C60 IGBT智能電源模塊。該評(píng)估板是一款DC/AC逆變器，可產(chǎn)生用于驅(qū)動(dòng)HVAC(空調(diào))、白色家電和高端單相電動(dòng)工具中的感應(yīng)電機(jī)或PMSM電機(jī)等三相電機(jī)的波形，最大功率可達(dá)2000瓦。設(shè)計(jì)人員可以使用該EVB來(lái)實(shí)現(xiàn)三相交流電機(jī)的FOC設(shè)計(jì)。

該EVM的主要部分是一個(gè)通用、經(jīng)過(guò)充分評(píng)估的密集型設(shè)計(jì)，由一個(gè)采用SDIP25L封裝的基于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(kāi)關(guān)與續(xù)流二極管和高壓柵極驅(qū)動(dòng)器集成在一起。這種集成度可以節(jié)省PCB空間和裝配成本，并有助于提高可靠性。該板設(shè)計(jì)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。

圖8：帶FOC的STMicroelectronicsSTEVAL-IHM028V2產(chǎn)品評(píng)估板。該板可用于評(píng)估如HVAC(空調(diào))、白色家電和高端單相電動(dòng)工具等廣泛的應(yīng)用。(圖片來(lái)源：STMicroelectronics)

可處理多種電機(jī)類型的850瓦評(píng)估板

On Semiconductor提供的SECO-1KW-MCTRL-GEVB評(píng)估板能夠讓設(shè)計(jì)人員通過(guò)使用包括FOC在內(nèi)的各種控制算法來(lái)控制不同類型的電機(jī)(交流感應(yīng)電機(jī)、PMSM、BLDC)，具體是通過(guò)Arduino Due針座連接的微控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)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(shù)校正，推出的目的是為了在設(shè)計(jì)應(yīng)用的第一步就給開(kāi)發(fā)人員提供支持，供工業(yè)泵和風(fēng)機(jī)、工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)和消費(fèi)電器的設(shè)計(jì)人員使用。

圖9：On Semiconductor SECO?1KW?MCTRL?GEVB評(píng)估板框圖(圖片來(lái)源：On Semiconductor)

該評(píng)估板基于NFAQ1060L36T(圖10)，是由一個(gè)高壓驅(qū)動(dòng)器、六個(gè)IGBT和一個(gè)熱敏電阻組成的集成逆變器功率級(jí)，適用于驅(qū)動(dòng)PMSM、BLDC和交流感應(yīng)電機(jī)。其中IGBT采用三相橋式配置，發(fā)射極連接與下管腳分開(kāi)，在控制算法選擇上具有最大的靈活性。該功率級(jí)具有全方位的保護(hù)功能，包括交叉?zhèn)鲗?dǎo)保護(hù)、外部關(guān)斷和欠壓鎖定功能。連接到過(guò)流保護(hù)電路的內(nèi)部比較器和基準(zhǔn)允許設(shè)計(jì)人員設(shè)置其保護(hù)級(jí)別。

圖10：On Semiconductor的NFAQ1060L36T功率集成模塊功能框圖(圖片來(lái)源：On Semiconductor)

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(qū)動(dòng)器

緊湊的29.6mmx 18.2mm雙直列封裝

內(nèi)置欠壓保護(hù)

交叉?zhèn)鲗?dǎo)保護(hù)

ITRIP輸入關(guān)斷所有IGBT

集成自舉二極管和電阻器

基底溫度測(cè)量熱敏電阻

關(guān)斷引腳

UL1557認(rèn)證

本文小結(jié)

使用分立式IGBT設(shè)計(jì)定制電機(jī)和逆變器功率電子器件可以滿足特定要求，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，成本很高且會(huì)延誤設(shè)計(jì)進(jìn)度。相反，設(shè)計(jì)人員可以使用現(xiàn)成的IGBT模塊，將多個(gè)功率器件組合到一個(gè)封裝中。此類模塊支持設(shè)計(jì)人員以最少的互連來(lái)開(kāi)發(fā)緊湊的系統(tǒng)，從而簡(jiǎn)化組裝，縮短上市所需時(shí)間，降低成本，并提高整體性能。

如上所示，設(shè)計(jì)人員可以將IGBT模塊與合適的IGBT驅(qū)動(dòng)器一起使用，來(lái)開(kāi)發(fā)符合性能和效率標(biāo)準(zhǔn)的低成本、緊湊型電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置和逆變器。

審核編輯：湯梓紅