一種新型商用空調(diào)逆變器硬件電路方案的研究

1. 引言

按照國際通用標(biāo)準(zhǔn)，商用空調(diào)是3HP以上空調(diào)機(jī)組的統(tǒng)稱。近年來，變頻空調(diào)技術(shù)已日趨成熟。隨著永磁同步壓縮機(jī)技術(shù)的發(fā)展，壓縮機(jī)的單機(jī)功率呈現(xiàn)增長趨勢，與之相應(yīng)的空調(diào)變頻化設(shè)計也從小功率的單相220V供電的家用空調(diào)系統(tǒng)，向較大功率的三相380V戶用中央空調(diào)與商用空調(diào)系統(tǒng)延伸。尤其以多聯(lián)機(jī)空調(diào)機(jī)組為代表，其變頻率超過了90%。隨著空調(diào)系統(tǒng)功率段的提升，對逆變器硬件電路的設(shè)計也提出新的要求與挑戰(zhàn)。在中大功率的應(yīng)用中，對功率器件的溫度檢測與系統(tǒng)可靠性的要求也隨之提高。本文以用于10HP商用空調(diào)的壓縮機(jī)逆變器為研究對象，設(shè)計了一種新的硬件電路實現(xiàn)方案，采用英飛凌公司的IGBT模塊FP35R12KT4和磁隔離型驅(qū)動IC搭建逆變電路進(jìn)行驗證，并與實際的商用空調(diào)軟件系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)機(jī)測試，試驗結(jié)果證明新的驅(qū)動電路可以提高系統(tǒng)可靠性，并且IGBT模塊具有更大的結(jié)溫余量，可以簡化散熱設(shè)計。同時，采用IGBT模塊的主逆變方案，為空調(diào)廠家應(yīng)對壓縮機(jī)單機(jī)功率的提升，保持硬件電路平臺化設(shè)計，提供了更大的靈活度。

2. 逆變器硬件電路設(shè)計

與典型的變頻空調(diào)逆變方案類似，三相兩電平逆變結(jié)構(gòu)是變頻商用空調(diào)逆變器的主流設(shè)計。在小功率的家用變頻空調(diào)設(shè)計中(3HP以下，單相220V輸入)，普遍采用集成了功率IGBT與驅(qū)動芯片的IPM進(jìn)行設(shè)計。而隨著壓縮機(jī)技術(shù)的發(fā)展，商用空調(diào)壓縮機(jī)的單機(jī)最大功率從10HP、12HP發(fā)展到16HP、22HP，逆變器額定輸出電流也由之前的20A，提高到35A、50A，市場上可供選擇的IPM已經(jīng)非常有限，且價格昂貴。集成三相整流橋與逆變橋的IGBT模塊，其標(biāo)稱電流能力從25A到100A，適應(yīng)于逆變器不同功率段統(tǒng)一平臺化設(shè)計的需求，且成本優(yōu)勢明顯。

由于直流母線上有大電容的存在，在整流橋輸入上電瞬間，電容兩端相當(dāng)于短路狀態(tài)，且其兩端電流突變，這樣就需要有預(yù)充電電路，防止電源接通瞬間的浪涌電流對整流部分的沖擊。本設(shè)計采用的直流母線預(yù)充電電路如圖1所示，熱敏電阻在上電瞬間對電容充電電流進(jìn)行限制，當(dāng)電容組的端電壓達(dá)到母線電壓90%后，將預(yù)充電支路旁路掉。

圖1：直流母線預(yù)充電電路

2.1 IGBT模塊外圍采樣電路設(shè)計

2.1.1電流采樣電路設(shè)計

由于空調(diào)壓縮機(jī)內(nèi)部的高溫、腐蝕性環(huán)境無法安裝位置傳感器， 壓縮機(jī)逆變器需要采用無位置傳感器的控制方法。在無傳感器控制方法中，電動機(jī)相電流有效檢測是提高控制性能的重要環(huán)節(jié)。常見三種不同的采樣方式，如圖2所示。

圖2：空調(diào)壓縮機(jī)逆變器常見的電流采樣方式

這三種不同的采樣方式的特點(diǎn)分別如下：

1) 線電流采樣：所見即所得，無需重構(gòu)，但成本最高(需要隔離或電平轉(zhuǎn)換)。

2) 橋臂電流采樣：復(fù)雜度中等，易于重構(gòu)，成本適中。但三電阻需要較大的PCB 布板面積并造成一定的電路損耗，且不適合下橋臂不開放的智能功率模塊IPM 的應(yīng)用場合。

3) 負(fù)母線單電阻電流采樣：其基本原理是，在SVPWM 控制系統(tǒng)中，當(dāng)使用非零的基本矢量時，根據(jù)逆變橋開關(guān)狀態(tài)可以通過測量直流母線的瞬時電流來重構(gòu)電動機(jī)的相電流。其時序復(fù)雜，重構(gòu)困難，成本最低。

在變頻空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計中，由于系統(tǒng)成本的限制，單電阻采樣方式越來越受到歡迎。在本設(shè)計中，為了適應(yīng)不同控制策略的控制板聯(lián)合調(diào)試的需要，在硬件電路上，同時配置線電流采樣和負(fù)母線電流采樣的霍爾傳感器元件，如圖3所示。

圖3：電流采樣電路示意

2.1.2電壓采樣電路設(shè)計

在空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計中，通常需要進(jìn)行母線過欠壓保護(hù)，可以采用簡單的電阻分壓電路，以及進(jìn)行電壓信號的采樣。為防止干擾，采用差分方式進(jìn)行采樣，如圖4所示。

圖4：電壓采樣電路示意

2.2 驅(qū)動部分電路設(shè)計

在中大功率的應(yīng)用中，由于系統(tǒng)電流等級的提高，為實現(xiàn)可靠的系統(tǒng)硬件設(shè)計，IGBT驅(qū)動部分的設(shè)計非常關(guān)鍵。

在變頻空調(diào)逆變器的應(yīng)用中，如前文所述，單電阻電流采樣的方式越來越受到歡迎，由于負(fù)母線采樣電阻或者電流傳感器的引入，理想化的最小驅(qū)動環(huán)路在實際系統(tǒng)中較難實現(xiàn)， IGBT的驅(qū)動部分電路，跨過了采樣電阻引入的環(huán)路，雜散電感不可忽視?？照{(diào)逆變器通常采用的IPM模塊中，使用熱地連接的不隔離型驅(qū)動IC，并采用0V驅(qū)動電壓關(guān)斷IGBT。在小功率系統(tǒng)中，由于負(fù)載電流小，通過優(yōu)化電路設(shè)計，寄生效應(yīng)所帶來的影響通常不太明顯。而在商用空調(diào)的應(yīng)用中，隨著電流等級的提高，驅(qū)動信號的誤動作往往不可忽視。

以一個橋臂為例，進(jìn)行分析。如圖5所示，在上管T1開通過程中，D2上的續(xù)流電流向T1換向，二極管的反向恢復(fù)電流變化產(chǎn)生-diC2/dt，位移電流通過下管T2驅(qū)動環(huán)路的雜散電感LσE2，會產(chǎn)生電壓vσE2=-LσE2 ，將E端參考電位拉到負(fù)。當(dāng)感應(yīng)電壓超過IGBT的門極閾值電壓VGEth，會有誤導(dǎo)通的風(fēng)險。

圖5：雜散電感在E極上引起的感應(yīng)電壓

門極誤導(dǎo)通，不光與環(huán)路的雜散電感影響有關(guān)，也與IGBT的米勒電容有關(guān)。同樣以半橋電路為例進(jìn)行分析，在圖6中，下橋臂IGBT開通過程中，會產(chǎn)生一個很高的瞬態(tài)電壓變化dvCE/dt，它會引起一個位移電流 的流動，從而對上橋臂IGBT的門極-集電極寄生電容CCG進(jìn)行充電。電容CCG和CGE形成一個容性分壓器，圖6示例了電流iCG流經(jīng)IGBT米勒電容的路徑。

電流iCG流經(jīng)米勒電容、門極串聯(lián)電阻、CGE與直流母線。這個電流在門極電阻兩端產(chǎn)生電壓差 ，如果該電壓差超過IGBT的門極閾值電壓VGEth，就將引起IGBT的寄生導(dǎo)通。

圖6：位移電流經(jīng)過IGBT米勒電容的路徑

圖7給出了實際應(yīng)用中觀測到的，0V關(guān)斷時可能引起的門極誤觸發(fā)信號的實例。

圖7：0V關(guān)斷可能引起的門極誤觸發(fā)

通常有四種方法來解決以上問題：

1)改變門極電阻：增加門極開通電阻RGon可以減少IGBT開通時的di/dt與dv/dt，，但是會增加開通損耗。減少關(guān)斷電阻RGoff，可以降低由米勒電容引起的門極誤動作;但是雜散電感所帶來的門極效應(yīng)，需要通過增加關(guān)斷電阻RGoff來降低。并且，關(guān)斷電阻的減少，同時要兼顧IGBT關(guān)斷時的電壓過沖。

2)增加G-E間電容：在門極與發(fā)射極之間外加電容，可以限制米勒電流，同時因為G-E間增加電容，總輸入電容增大，門極充電要達(dá)到門極驅(qū)動的閾值電壓需要更多的電荷。增加Cge后，驅(qū)動電源所需功耗增加，相同的門極驅(qū)動電阻情況下IGBT的開關(guān)損耗也會增加。

3)采用負(fù)壓關(guān)斷：IGBT模塊的驅(qū)動電路中，采用門極負(fù)電壓來安全關(guān)斷，是很典型的運(yùn)用。但在變頻空調(diào)逆變器，通常使用的IPM，內(nèi)部采用熱地連接的非隔離驅(qū)動IC，無法實現(xiàn)負(fù)壓關(guān)斷。

4)有源米勒鉗位：在空調(diào)逆變設(shè)計中，從成本考量，往往使用0V關(guān)斷。為了避免Rg與Cge優(yōu)化所帶來的損耗折中問題，還有一種防止0V關(guān)斷時門極誤動作的方法是有源米勒鉗位技術(shù)。其實現(xiàn)方法是，實時監(jiān)測處于關(guān)斷時序的IGBT的門極信號，當(dāng)它達(dá)到某個值時，通過低阻抗回路將門極拉至0V。圖8所示為集成有源米勒鉗位功能的驅(qū)動芯片的功能示意圖。

圖8：驅(qū)動芯片有源米勒鉗位功能示意

本設(shè)計中采用隔離型驅(qū)動芯片進(jìn)行IGBT驅(qū)動部分的電路設(shè)計，具有負(fù)電壓關(guān)斷與有源米勒鉗位的功能配置，提供給用戶更靈活的選擇，具體外圍電路設(shè)計如圖9所示。

圖9：驅(qū)動芯片外圍電路設(shè)計圖

在商用空調(diào)的設(shè)計中，往往會考慮短路帶來的可靠保護(hù)問題。在IPM中短路與過流保護(hù)的實現(xiàn)，都是根據(jù)負(fù)母線電流檢測或者下橋臂電流檢測，通過內(nèi)部集成的驅(qū)動芯片上的一個Itrip引腳來實現(xiàn)，當(dāng)檢流電阻上的電流超過設(shè)定閥值時，關(guān)斷所有6路的驅(qū)動信號。這種保護(hù)方式只能針對整個逆變系統(tǒng)，但對于具體的短路位置則沒有反饋。由于電流檢測本身有濾波加上IPM內(nèi)部傳輸延時，這樣的保護(hù)方式對于橋臂直通短路中電流的迅速變化，往往無能為力。

本設(shè)計中使用的驅(qū)動芯片1ED020I12-F2，針對每個IGBT在短路瞬間的退飽和狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測，可以實現(xiàn)更有針對性地短路保護(hù)，并且在系統(tǒng)設(shè)計中，將短路與過流兩種不同的保護(hù)機(jī)制分開，更有效地提高系統(tǒng)控制的準(zhǔn)確性與可靠性。同時，由于1ED芯片內(nèi)部還集成有Vge鉗位功能，避免了通?？梢姷亩搪窌r門極由于di/dt影響造成的電位上漂，保證了IGBT有效的短路安全工作區(qū)。

2.3 溫度檢測與保護(hù)電路設(shè)計

在中大功率應(yīng)用中，功率逆變器部分的散熱性能是系統(tǒng)設(shè)計的另一個關(guān)注重點(diǎn)。隨著系統(tǒng)功率密度的不斷提高，近年來對于如何準(zhǔn)確地實現(xiàn)溫度的檢測與保護(hù)引起廣泛的探討。本設(shè)計所選用的IGBT模塊FP35R12KT4，在設(shè)計初期，根據(jù)10HP壓縮機(jī)額定輸出電流19A以及通用的開關(guān)頻率5kHz應(yīng)用條件，在英飛凌的在線損耗與溫度仿真平臺IPOSIM下進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明，該模塊可以在55°C的環(huán)境溫度工況下，使用典型的風(fēng)冷散熱條件，IGBT模塊所達(dá)到的最高工作結(jié)溫為105°C，系統(tǒng)可以安全可靠的工作且留有很大的安全余量。

本設(shè)計采用的IGBT模塊中，IGBT/續(xù)流二極管芯片與熱敏電阻NTC安裝在同一塊DCB上，如圖10所示。IGBT與二極管芯片的損耗所產(chǎn)生的熱量一方面通過縱向的散熱路徑耗散，另一方面熱量通過DCB與基板橫向耦合影響內(nèi)部熱敏電阻NTC。如果在設(shè)計中能夠事先測得NTC溫度與芯片實際結(jié)溫之間的對應(yīng)關(guān)系，就能夠通過測量NTC的溫度，來推測IGBT芯片的平均結(jié)溫，從而根據(jù)設(shè)計余量自行設(shè)定系統(tǒng)的溫度保護(hù)點(diǎn)。

圖10：IGBT模塊中，芯片與NTC安裝位置示意

本設(shè)計中使用外接電阻與NTC分壓的方式，如圖11，初步設(shè)定90°C為NTC的溫度保護(hù)點(diǎn)。當(dāng)NTC檢測溫度高于設(shè)定值，比較器輸出高電平信號，OTP點(diǎn)電平翻轉(zhuǎn)。

圖11：IGBT過溫保護(hù)電路

需要注意的是，使用NTC做過溫保護(hù)只適用于正常穩(wěn)態(tài)下的溫度保護(hù)，并不適合芯片的瞬時溫度變化，比如IGBT短路時引起的芯片溫度劇烈變化，其變化時間在us級，而NTC的熱耦合時間常數(shù)往往在分鐘級或秒級，用NTC做這樣的保護(hù)往往來不及。

3. 系統(tǒng)實現(xiàn)與測試驗證

基于上述分析，采用英飛凌公司的IGBT模塊IGBT模塊FP35R12KT4與隔離型驅(qū)動芯片1ED020I12-F2搭建了硬件系統(tǒng)，為了實現(xiàn)方便的軟件聯(lián)調(diào)，輔助供電部分也包含在同一塊硬件板上，如圖12所示。

圖12：硬件電路功能示意

本設(shè)計在實驗室功能驗證的基礎(chǔ)上，與實際的空調(diào)整機(jī)進(jìn)行軟件聯(lián)調(diào)，驗證該硬件電路在實際系統(tǒng)中的可行性與溫度特性。圖13給出了系統(tǒng)驗證實驗裝置圖。

圖13：系統(tǒng)驗證實驗裝置

為驗證本設(shè)計在實際系統(tǒng)中的溫度表現(xiàn)，我們在模塊正下方的IGBT芯片位置處，放置熱電偶進(jìn)行IGBT殼溫Tc的采集，如圖14所示。在不同的負(fù)載電流下測得的Tc溫度值如表1所示。根據(jù)IPOSIM計算得到的器件損耗以及規(guī)格書中的結(jié)殼熱阻參數(shù)Rthjc，進(jìn)行推算，可以得到表1中所示的結(jié)溫Tvj。

圖14：溫度測試點(diǎn)示意圖

測試條件fsw=5kHz，Ta=20°C，Vbus=540V

輸出電流 (RMS值)12.3A13.8A15.9A16.4A17A

輸出功率3.12kW7.27kW8.9kW10.2kW11.2kW

輸出頻率20Hz61Hz65Hz83Hz94Hz

單個IGBT芯片總損耗 (W)9.73W11.49W14.07W14.33W15.19W

測量所得IGBT殼溫Tc ( °C)3540424648

IGBT結(jié)溫Tvj( °C)

(基于規(guī)格書Rthjc 推算)4552576264

表1：溫度測試結(jié)果記錄

由于測試是在20°C環(huán)境溫度進(jìn)行的，測試所得的最高殼溫，以及推算所得的最高結(jié)溫，還需要綜合考慮空調(diào)客戶系統(tǒng)設(shè)計中實際環(huán)境溫度高達(dá)55°C的要求。由測試結(jié)果可以看出，在55°C環(huán)境溫度下，推算出的本設(shè)計中的IGBT最高結(jié)溫約為100°C，由此可見，本設(shè)計在提升系統(tǒng)功率密度方面依然有較大的改善空間，可以支持使用更高的開關(guān)頻率，增加輸出總功率或者有效減小散熱器尺寸。

測試實驗除了驗證系統(tǒng)散熱特性，還進(jìn)行了母線電壓保護(hù)，以及輸出相間短路保護(hù)的系統(tǒng)驗證測試。由圖15(a)可見，當(dāng)相間短路發(fā)生時，輸出電流關(guān)斷;圖15(b)，相應(yīng)環(huán)路中的IGBT發(fā)生退飽和，對應(yīng)的驅(qū)動芯片關(guān)斷此路的驅(qū)動輸出信號，在默認(rèn)延時時間后，輸出故障報錯信號;同時，如圖15(c)所示，設(shè)計板上相應(yīng)的故障指示燈被點(diǎn)亮。

圖15 (a)輸出電流波形

圖15(b)短路時，IGBT驅(qū)動與保護(hù)信號波形

圖15(c)硬件電路短路指示

圖15：實際相間短路測試，波形與指示示意

4. 帶給用戶的優(yōu)勢與設(shè)計展望

初步的硬件系統(tǒng)比較表明，本設(shè)計較相同輸出功率的IPM設(shè)計方案，可以為空調(diào)客戶節(jié)省10%以上的系統(tǒng)成本。

本設(shè)計中用于驗證的英飛凌IGBT模塊為Econo2封裝。隨著商用空調(diào)單體壓縮機(jī)功率的不斷提升，Econo3封裝的IGBT模塊更適合于16HP-22HP商用空調(diào)逆變器部分。通過如圖16所示的PCB板設(shè)計的兼容考慮，客戶可以采用平臺化的設(shè)計思路，進(jìn)行一系列逆變器產(chǎn)品的開發(fā)。

圖16：Econo2與Econo3封裝，IGBT模塊兼容設(shè)計

另外，在中大功率的逆變設(shè)計中，溫度監(jiān)測與保護(hù)受到越來越多的重視。前文提到，我們在初步熱仿真過程中，使用的是IGBT模塊規(guī)格書中的開關(guān)損耗參數(shù)，此參數(shù)是在模塊生產(chǎn)廠家的測試平臺下進(jìn)行測量得到的。由于不同的功率環(huán)路、驅(qū)動環(huán)路、開通與關(guān)斷電壓等，都對IGBT開關(guān)損耗有影響。因此，更加準(zhǔn)確的損耗定標(biāo)，用戶需要在系統(tǒng)電氣調(diào)試的過程中，在用戶自己實際的功率環(huán)路、驅(qū)動電路、以及系統(tǒng)電壓與電流條件下，進(jìn)行開關(guān)損耗的實際測量，并將測試結(jié)果代入損耗計算與熱仿真分析，可以進(jìn)一步提升系統(tǒng)溫度評估的精確性。

同時，可以在實際系統(tǒng)的散熱條件下，對IGBT結(jié)溫與NTC之間的溫度關(guān)系進(jìn)行定標(biāo)，更好的發(fā)揮NTC對于系統(tǒng)溫度保護(hù)的作用。

5. 電流檢測方案的選擇

在逆變電路中，需要對電流進(jìn)行檢測，需要選擇合適的電流傳感器。我們可以把電流檢測分為幾個范圍。

5.1 檢測5A到70A的直流或交流電流

檢測5A到50A的直流或交流電一般選用芯片式的霍爾電流傳感器，比如

CH701電流傳感器IC，是工業(yè)、汽車、商業(yè)和通信系統(tǒng)中交流或直流電流傳感的經(jīng)濟(jì)而精確的解決方案。小封裝是空間受限應(yīng)用的理想選擇，同時由于減少了電路板面積而節(jié)省了成本。典型應(yīng)用包括電機(jī)控制、負(fù)載檢測和管理、開關(guān)電源和過電流故障保護(hù)。

CH701可以檢測到50A峰值的電流。

如果需要檢測更大電流，需要更高的隔離電壓，可以選擇更大電流范圍的產(chǎn)品，比如16腳的CH701W系列，電流范圍可以到70A，絕緣耐壓可以到4800Vrms：

5.2，檢測50A到200A的直流或交流電流

可以選用直插型的電流傳感器

CH704 是專為大電流檢測應(yīng)用開發(fā)的隔離集成式電流傳感芯片。CH704 內(nèi)置 0.1 mΩ 的初級導(dǎo)體電阻，有效降低芯片發(fā)熱支持大電流檢測：±50A, ±100A, ±150A, ±200A。其內(nèi)部集成獨(dú)特的溫度補(bǔ)償電路以實現(xiàn)芯片在 -40 到150度全溫范圍內(nèi)良好的一致性。出廠前芯片已做好靈敏度和靜態(tài)（零電流）輸出電壓的校準(zhǔn)，在全溫度范圍內(nèi)提供 ±2% 的典型準(zhǔn)確性。

參考文章：250A隔離集成式霍爾電流傳感器芯片--CH704介紹

5.3 檢測200A到1000A以上的直流或交流電流

可以選用線性霍爾加磁環(huán)的方式，使用可編程的霍爾傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)高達(dá)1500A的電流檢測。

例如：CHI612 可編程線性霍爾芯片，支持 5V 單電源供電。120 kHz帶寬，< 3us 響應(yīng)時間，0.8 – 24 mV/G 可編程，全溫-40到150度范圍內(nèi)可實現(xiàn) 2% 精度。芯片出廠前完成靜態(tài)（零電流）輸出電壓的校準(zhǔn)。

參考文章：國產(chǎn)汽車級和工業(yè)級可編程線性霍爾傳感器芯片--CHA611/CHI612,解決芯片缺貨難題

6. 結(jié)論

本文中，采用IGBT模塊與隔離型驅(qū)動芯片設(shè)計的新型變頻商用空調(diào)硬件系統(tǒng)，相比傳統(tǒng)IPM方案，大大提高了系統(tǒng)可靠性，有效降低了系統(tǒng)成本，并提供了更方便準(zhǔn)確的溫度保護(hù)。同時，應(yīng)對空調(diào)壓縮機(jī)的單機(jī)功率提升的新趨勢，空調(diào)廠商可以參考本設(shè)計，進(jìn)行平臺化的系列產(chǎn)品開發(fā)，大大縮短其研發(fā)周期。

審核編輯：湯梓紅