電機和逆變器的使用在工業(yè)自動(dòng)化、機器人、電動(dòng)汽車(chē)、太陽(yáng)能、白色家電和電動(dòng)工具等應用中日漸增長(cháng)。隨著(zhù)這種增長(cháng)是對提高效率、降低成本、縮小封裝和簡(jiǎn)化整體設計的需求。雖然使用分立式絕緣柵雙極型晶體管 (IGBT) 設計定制電機和逆變器功率電子器件以滿(mǎn)足特定要求很有誘惑力，但從長(cháng)遠來(lái)看，這樣做的成本很高，而且會(huì )延誤設計進(jìn)度。

 

相反，設計人員可以使用現成的 IGBT 模塊，將多個(gè)功率器件組合到一個(gè)封裝中。此類(lèi)模塊支持設計人員以最少的互連來(lái)開(kāi)發(fā)緊湊的系統，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 驅動(dòng)器，使用 IGBT 模塊就可以開(kāi)發(fā)出高效、低成本的電機驅動(dòng)裝置和逆變器。

 

本文先簡(jiǎn)要介紹電機和逆變器以及相關(guān)驅動(dòng)電路和性能要求，然后回顧使用 IGBT 模塊的優(yōu)點(diǎn)和各種模塊封裝標準，最后介紹基于 NXP Semiconductors、Infineon Technologies、Texas Instruments、STMicroelectronics 和 ON Semiconductor 等廠(chǎng)商的 IGBT 模塊和驅動(dòng)器 IC 的電機驅動(dòng)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(lèi)型和效率標準

 

IEC/EN 60034-30 將電機效率分為 IE1 至 IE5 五個(gè)等級。美國電氣制造商協(xié)會(huì ) (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(dòng)是必要的。采用電子驅動(dòng)的交流感應電機可以滿(mǎn)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(dòng)。

低成本微控制器 (MCU) 的發(fā)展能夠讓設計人員使用上矢量控制技術(shù)——亦稱(chēng)磁場(chǎng)定向控制 (FOC)。這是一種變頻驅動(dòng) (VFD) 控制方法，其中三相交流電機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電流分量保持在其所需要的值。VFD 的脈寬調制根據作為 PI 電流控制器輸出的定子電壓基準來(lái)定義晶體管的開(kāi)關(guān)。

 

FOC 最初是為高性能系統而開(kāi)發(fā)的，但由于 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(lái)越有吸引力。由于低成本高性能 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(wú)刷直流 (BLDC) 和永磁同步電機 (PMSM)。這兩種先進(jìn)的電機設計都需要電力電子裝置進(jìn)行驅動(dòng)和控制。

 

無(wú)刷直流電機耐用、高效、成本低。PMSM 電機具有無(wú)刷直流電機的特性，但噪音更低，效率更高。這兩種類(lèi)型的電機通常與霍爾傳感器一起使用，但也可用于無(wú)傳感器設計。PMSM 電機用于要求最高性能級別的應用，而 BLDC 電機則用于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(shí)有轉矩波動(dòng)

成本較低，性能較低（與 PMSM 相比）

PMSM 電機

常用于帶集成軸編碼器的伺服驅動(dòng)

控制更復雜（需要三相正弦 PWM）

換向時(shí)無(wú)轉矩波動(dòng)

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(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計更有效率。逆變器的效率還取決于逆變器負載（圖 2）。所有逆變器都需要電力電子驅動(dòng)和控制。

 

以光伏逆變器為例，有三種效率評級類(lèi)型：

一、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(xiàn)的最高點(diǎn)，可以作為其質(zhì)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(shí)比峰值效率更有用，因為它顯示了逆變器在太陽(yáng)日期間不同輸出水平的表現。

三、加州能源委員會(huì ) (CEC) 效率，這也是一種加權效率，類(lèi)似于歐洲效率，但它使用的加權系數假設不同。

 

歐洲效率和 CEC 效率的主要區別在于，前者是基于中歐的數據，后者是基于加州的數據。對于特定逆變器來(lái)說(shuō)，每個(gè)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構的雙極型晶體管，柵極本身基本上就是一個(gè) MOSFET。因此，IGBT 結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。

 

 

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) 的電壓就可以驅動(dòng)基極電流通過(guò)雙極型晶體管和 MOSFET；雙極型晶體管導通，然后負載電流就可以流動(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微差別，開(kāi)發(fā)控制 IGBT 的硬件（柵極驅動(dòng)器）可能是一項復雜的任務(wù)。大多數時(shí)候是沒(méi)有必要的。半導體制造商提供了許多合適的柵極驅動(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動(dòng)器非常重要。

 

IGBT 模塊有多種封裝類(lèi)型（圖 4）。最大規格的額定電壓為 3,300 伏或以上，設計用于兆瓦級裝置，如可再生能源系統、不間斷電源和超大型電機驅動(dòng)。中型模塊的額定電壓通常為 600 至 1700 伏，適用于各種應用，包括電動(dòng)汽車(chē)、工業(yè)電機驅動(dòng)和太陽(yáng)能逆變器。

 

 

最小的器件被稱(chēng)為集成功率模塊，額定電壓為 600 伏，可包括內置柵極驅動(dòng)器和其他組件，用于小型工業(yè)系統和消費類(lèi)白色家電中的電機驅動(dòng)。與其他類(lèi)型的功率開(kāi)關(guān)元件相比，IGBT 實(shí)現了更高的功率水平和更低的開(kāi)關(guān)頻率（圖 5）。

 

 

用于牽引逆變器的 IGBT 模塊評估板

 

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

電動(dòng)汽車(chē)牽引電機和高壓 DC/DC 轉換器

電動(dòng)汽車(chē)車(chē)載充電器和外部充電器

其他高壓交流電機控制應用

 

 

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

 

針對電機驅動(dòng)器、太陽(yáng)能逆變器、HEV 和 EV 充電器、風(fēng)力渦輪機、運輸和不間斷電源系統的設計人員，Texas Instruments 開(kāi)發(fā)了 ISO5852SDWEVM-017（圖 7）。它是一款緊湊的雙通道隔離柵極驅動(dòng)器板，為采用標準 150 mm × 62 mm × 17 mm 封裝的通用半橋碳化硅 (SiC) MOSFET 和硅 IGBT 模塊提供所需的驅動(dòng)、偏置電壓、保護和診斷功能。TI 的這款 EVM 基于 ISO5852SDW 5,700 Vrms 增強型隔離驅動(dòng)器 IC，采用 SOIC-16DW 封裝，具有 8.0 mm 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。

 

 

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）采用了 STGIPS20C60 IGBT 智能電源模塊。該評估板是一款 DC/AC 逆變器，可產(chǎn)生用于驅動(dòng) HVAC（空調）、白色家電和高端單相電動(dòng)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(lái)實(shí)現三相交流電機的 FOC 設計。

 

該 EVM 的主要部分是一個(gè)通用、經(jīng)過(guò)充分評估的密集型設計，由一個(gè)采用 SDIP 25L 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)與續流二極管和高壓柵極驅動(dòng)器集成在一起。這種集成度可以節省 PCB 空間和裝配成本，并有助于提高可靠性。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(lèi)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(guò)使用包括 FOC 在內的各種控制算法來(lái)控制不同類(lèi)型的電機（交流感應電機、PMSM、BLDC），具體是通過(guò) Arduino Due 針座連接的微控制器來(lái)實(shí)現的（圖 9）。該板旨在與 Arduino DUE（兼容針座）或帶有 MCU 的類(lèi)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(kāi)發(fā)人員提供支持，供工業(yè)泵和風(fēng)機、工業(yè)自動(dòng)化系統和消費電器的設計人員使用。

 

 

該評估板基于 NFAQ1060L36T（圖 10），是由一個(gè)高壓驅動(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，適用于驅動(dòng) PMSM、BLDC 和交流感應電機。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。該功率級具有全方位的保護功能，包括交叉傳導保護、外部關(guān)斷和欠壓鎖定功能。連接到過(guò)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(dòng)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(guān)斷所有 IGBT

集成自舉二極管和電阻器

基底溫度測量熱敏電阻

關(guān)斷引腳

UL1557 認證

 

結語(yǔ)

 

使用分立式 IGBT 設計定制電機和逆變器功率電子器件可以滿(mǎn)足特定要求，但從長(cháng)遠來(lái)看，成本很高且會(huì )延誤設計進(jìn)度。相反，設計人員可以使用現成的 IGBT 模塊，將多個(gè)功率器件組合到一個(gè)封裝中。此類(lèi)模塊支持設計人員以最少的互連來(lái)開(kāi)發(fā)緊湊的系統，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，設計人員可以將 IGBT 模塊與合適的 IGBT 驅動(dòng)器一起使用，來(lái)開(kāi)發(fā)符合性能和效率標準的低成本、緊湊型電機驅動(dòng)裝置和逆變器。

（來(lái)源：Digi-Key，作者：Jeff Shepard）