德州儀器通過聯(lián)鎖柵極驅(qū)動器來提高三相逆變器的魯棒性

變頻驅(qū)動器（VFD）是工業(yè)自動化機械的重要組成部分。它們能夠高效地驅(qū)動泵、風扇、傳送帶、計算機數(shù)控機床和機器人自動化解決方案，有助于降低工廠的總能耗。若VFD發(fā)生故障會直接導致機器停機，進而造成工廠停工和生產(chǎn)損失。因此，VFD的可靠性和魯棒性是機器制造商和工廠業(yè)主的關(guān)鍵要求。

圖1所示的三相逆變器結(jié)構(gòu)是VFD的核心，能夠?qū)⒄骱蟮?a target="_blank">電源電壓轉(zhuǎn)換為輸出到電機的可變頻率和可變電壓。逆變器的魯棒性是確保VFD魯棒性的關(guān)鍵要素。該項技術(shù)由德州儀器研發(fā)。

帶隔離柵極驅(qū)動器的三相逆變器

三相逆變器的關(guān)鍵組件是絕緣柵雙極晶體管（IGBT）電源開關(guān)（通常集成在單個IGBT模塊內(nèi)）和控制IGBT柵極的隔離柵極驅(qū)動器。微控制器（MCU）產(chǎn)生彼此互補的高側(cè)和低側(cè)脈沖寬度調(diào)制（PWM）信號，在PWM信號轉(zhuǎn)換期間插入死區(qū)時間。該死區(qū)時間確保頂部和底部IGBT柵極信號不會同時為高電平。

MCU硬件故障或電機控制軟件故障可能導致MCU的高側(cè)和低側(cè)PWM信號鎖存為高電平。結(jié)果通過頂部和底部IGBT的交叉?zhèn)鲗?，導致直流總線短路。將電流傳感器插入直流總線可檢測過流情況，并通過柵極驅(qū)動器的啟用/禁用管腳或?qū)WM信號驅(qū)動到柵極驅(qū)動器的緩沖器來禁用柵極驅(qū)動器。感測過流和關(guān)機之間的延遲通常為幾微秒。但是，多次重復該感測序列會降低IGBT開關(guān)的可靠性和壽命。IGBT開關(guān)為VFD內(nèi)部最昂貴的半導體元件。

但如果兩個柵極驅(qū)動器都沒有響應偽PWM序列呢？無需使用額外的外部硬件，使用聯(lián)鎖法即可實現(xiàn)。

聯(lián)鎖高側(cè)和低側(cè)柵極驅(qū)動器

在圖2所示的這種配置中，高側(cè)驅(qū)動器仿真二極管的陽極連接到低側(cè)驅(qū)動器仿真二極管的陰極。高側(cè)驅(qū)動器仿真二極管的陰極連接到低側(cè)驅(qū)動器仿真二極管的陽極。

聯(lián)鎖電路配置

德州儀器在“具有光模擬輸入柵極驅(qū)動器的200-480 VAC驅(qū)動器的三相逆變器參考設(shè)計”中測試了聯(lián)鎖電路配置的應用。

用于200-480 VAC驅(qū)動器的三相逆變器參考設(shè)計

立即下載設(shè)計

如圖3所示，在正常工作期間，PWM脈沖是互補的，要么正向偏置UCC23513的輸入仿真二極管，要么反向偏置緩沖驅(qū)動電壓為-5 V的隔離柵極驅(qū)動器。高反向電壓UCC23513的仿真二極管可處理聯(lián)鎖配置中出現(xiàn)的反向電壓。而電流控制電容隔離柵極驅(qū)動器不具有高反向電壓處理能力，且不能聯(lián)鎖。在死區(qū)時間內(nèi)，仿真二極管兩端的電壓為0 V。

帶聯(lián)鎖的正常PWM操作

有目的地插入負死區(qū)時間可讓您檢查聯(lián)鎖電路對來自MCU的故障PWM信號的響應。若兩個MCU輸出均為高電平，則柵極驅(qū)動器的輸出為低電平。無論輸入PWM信號如何，高側(cè)和低側(cè)柵極驅(qū)動器的輸出都不會同時變?yōu)楦唠娖?，從而防止交叉?zhèn)鲗А?/p>

表1：聯(lián)鎖操作

您可將傳統(tǒng)的光隔離柵極驅(qū)動器聯(lián)鎖，但它們不能帶來更多的好處，比如更高的工作隔離電壓；更高的共模瞬變抗擾度；在高達150°C的結(jié)溫下工作，以及諸如較低的傳播延遲和較低的脈沖寬度失真等改進的開關(guān)參數(shù)。

UCC23513采用業(yè)界標準的六管腳小外形封裝，您無需任何額外的原理圖或印刷電路板設(shè)計更改，即可通過簡易交換輕松升級現(xiàn)有VFD中的逆變器。

審核編輯：湯梓紅