電機(jī)和逆變器的使用在工業(yè)自動化、機(jī)器人、電動汽車、太陽能、白色家電和電動工具等應(yīng)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(shè)計(jì)的需求。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，但從長遠(yuǎn)來看，這樣做的成本很高，而且會延誤設(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，將多個功率器件組合到一個封裝中。此類模塊支持設(shè)計(jì)人員以最少的互連來開發(fā)緊湊的系統(tǒng)，從而簡化組裝，縮短上市所需時間，降低成本，并提高整體性能。配套使用合適的 IGBT 驅(qū)動器，使用 IGBT 模塊就可以開發(fā)出高效、低成本的電機(jī)驅(qū)動裝置和逆變器。

 

本文先簡要介紹電機(jī)和逆變器以及相關(guān)驅(qū)動電路和性能要求，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)動器 IC 的電機(jī)驅(qū)動和逆變器設(shè)計(jì)方案，以及如何應(yīng)用這些方案，包括評估板的使用。

 

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 五個等級。美國電氣制造商協(xié)會 (NEMA) 從“標(biāo)準(zhǔn)效率”到“超高效率”都有相應(yīng)的評級標(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)動是必要的。采用電子驅(qū)動的交流感應(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。

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)——亦稱磁場定向控制 (FOC)。這是一種變頻驅(qū)動 (VFD) 控制方法，其中三相交流電機(jī)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) 控制器可用于將被測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)來定義晶體管的開關(guān)。

 

FOC 最初是為高性能系統(tǒng)而開發(fā)的，但由于 FOC 的電機(jī)尺寸較小、成本較低和功耗較低，因此對低成本應(yīng)用也越來越有吸引力。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)動和控制。

 

無刷直流電機(jī)耐用、高效、成本低。PMSM 電機(jī)具有無刷直流電機(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，但也可用于無傳感器設(shè)計(jì)。PMSM 電機(jī)用于要求最高性能級別的應(yīng)用，而 BLDC 電機(jī)則用于對成本更敏感的設(shè)計(jì)。

 

BLDC 電機(jī)

更容易控制（6 步），且只需要直流電流。

換向時有轉(zhuǎn)矩波動

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

控制更復(fù)雜（需要三相正弦 PWM）

換向時無轉(zhuǎn)矩波動

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(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(diǎn)，可以作為其質(zhì)量評判標(biāo)準(zhǔn)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(quán)數(shù)字。它有時比峰值效率更有用，因?yàn)樗@示了逆變器在太陽日期間不同輸出水平的表現(xiàn)。

三、加州能源委員會 (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)。對于特定逆變器來說，每個功率水平的重要性假設(shè)是不同的。

 

 

IGBT 基礎(chǔ)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。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 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。

 

 

IGBT 的基本操作很簡單：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)動基極電流通過雙極型晶體管和 MOSFET；雙極型晶體管導(dǎo)通，然后負(fù)載電流就可以流動。電壓 UGE ≤0 伏時關(guān)閉 MOSFET，基極電流中斷，雙極晶體管同時關(guān)閉。

 

雖然概念上很簡單，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，開發(fā)控制 IGBT 的硬件（柵極驅(qū)動器）可能是一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)。大多數(shù)時候是沒有必要的。半導(dǎo)體制造商提供了許多合適的柵極驅(qū)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(qū)動器非常重要。

 

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。中型模塊的額定電壓通常為 600 至 1700 伏，適用于各種應(yīng)用，包括電動汽車、工業(yè)電機(jī)驅(qū)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(nèi)置柵極驅(qū)動器和其他組件，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。與其他類型的功率開關(guān)元件相比，IGBT 實(shí)現(xiàn)了更高的功率水平和更低的開關(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(shè)計(jì)人員，NXP Semiconductors 提供了采用其 MC33GD3100A3EK 半橋柵極驅(qū)動器 IC 的 FRDMGD3100HBIEVM 柵極驅(qū)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(shè)計(jì)的（圖 6）。它是一個完全的解決方案，包括半橋柵極驅(qū)動 IC、DC Link 電容器和用于連接提供控制信號的 PC 的轉(zhuǎn)換器板。目標(biāo)應(yīng)用包括：

電動汽車牽引電機(jī)和高壓 DC/DC 轉(zhuǎn)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(jī)控制應(yīng)用

 

 

用于 150 mm x 62 mm x 17 mm IGBT 模塊的驅(qū)動器

 

針對電機(jī)驅(qū)動器、太陽能逆變器、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，Texas Instruments 開發(fā)了 ISO5852SDWEVM-017（圖 7）。它是一款緊湊的雙通道隔離柵極驅(qū)動器板，為采用標(biāo)準(zhǔn) 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(qū)動、偏置電壓、保護(hù)和診斷功能。TI 的這款 EVM 基于 ISO5852SDW 5,700 Vrms 增強(qiáng)型隔離驅(qū)動器 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(jī)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(qū)動 HVAC（空調(diào)）、白色家電和高端單相電動工具中的感應(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 的主要部分是一個通用、經(jīng)過充分評估的密集型設(shè)計(jì)，由一個采用 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 開關(guān)與續(xù)流二極管和高壓柵極驅(qū)動器集成在一起。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。

 

 

可處理多種電機(jī)類型的 850 瓦評估板

 

On Semiconductor 提供的 SECO-1KW-MCTRL-GEVB 評估板能夠讓設(shè)計(jì)人員通過使用包括 FOC 在內(nèi)的各種控制算法來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 Arduino Due 針座連接的微控制器來實(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)用的第一步就給開發(fā)人員提供支持，供工業(yè)泵和風(fēng)機(jī)、工業(yè)自動化系統(tǒng)和消費(fèi)電器的設(shè)計(jì)人員使用。

 

 

該評估板基于 NFAQ1060L36T（圖 10），是由一個高壓驅(qū)動器、六個 IGBT 和一個熱敏電阻組成的集成逆變器功率級，適用于驅(qū)動 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，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(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(qū)動器

緊湊的 29.6 mm x 18.2 mm 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

基底溫度測量熱敏電阻

關(guān)斷引腳

UL1557 認(rèn)證

 

結(jié)語

 

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，但從長遠(yuǎn)來看，成本很高且會延誤設(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，將多個功率器件組合到一個封裝中。此類模塊支持設(shè)計(jì)人員以最少的互連來開發(fā)緊湊的系統(tǒng)，從而簡化組裝，縮短上市所需時間，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)動器一起使用，來開發(fā)符合性能和效率標(biāo)準(zhǔn)的低成本、緊湊型電機(jī)驅(qū)動裝置和逆變器。

（來源：Digi-Key，作者：Jeff Shepard）