德州儀器通過聯(lián)鎖柵極驅(qū)動(dòng)器來提高三相逆變器的魯棒性
2019-6-10 來源：- 作者：-
變頻驅(qū)動(dòng)器（VFD）是工業(yè)自動(dòng)化機(jī)械的重要組成部分。它們能夠高效地驅(qū)動(dòng)泵、風(fēng)扇、傳送帶、計(jì)算機(jī)數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人自動(dòng)化解決方案，有助于降低工廠的總能耗。若VFD發(fā)生故障會(huì)直接導(dǎo)致機(jī)器停機(jī)，進(jìn)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(jī)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骱蟮碾娫措妷恨D(zhuǎn)換為輸出到電機(jī)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(xiàng)技術(shù)由德州儀器研發(fā)。
帶隔離柵極驅(qū)動(dòng)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(gè)IGBT模塊內(nèi)）和控制IGBT柵極的隔離柵極驅(qū)動(dòng)器。微控制器（MCU）產(chǎn)生彼此互補(bǔ)的高側(cè)和低側(cè)脈沖寬度調(diào)制（PWM）信號(hào)，在PWM信號(hào)轉(zhuǎn)換期間插入死區(qū)時(shí)間。該死區(qū)時(shí)間確保頂部和底部IGBT柵極信號(hào)不會(huì)同時(shí)為高電平。
MCU硬件故障或電機(jī)控制軟件故障可能導(dǎo)致MCU的高側(cè)和低側(cè)PWM信號(hào)鎖存為高電平。結(jié)果通過頂部和底部IGBT的交叉?zhèn)鲗?dǎo)，導(dǎo)致直流總線短路。將電流傳感器插入直流總線可檢測(cè)過流情況，并通過柵極驅(qū)動(dòng)器的啟用/禁用管腳或?qū)WM信號(hào)驅(qū)動(dòng)到柵極驅(qū)動(dòng)器的緩沖器來禁用柵極驅(qū)動(dòng)器。感測(cè)過流和關(guān)機(jī)之間的延遲通常為幾微秒。但是，多次重復(fù)該感測(cè)序列會(huì)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(dǎo)體元件。
但如果兩個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器都沒有響應(yīng)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(shí)現(xiàn)。
聯(lián)鎖高側(cè)和低側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器
在圖2所示的這種配置中，高側(cè)驅(qū)動(dòng)器仿真二極管的陽(yáng)極連接到低側(cè)驅(qū)動(dòng)器仿真二極管的陰極。高側(cè)驅(qū)動(dòng)器仿真二極管的陰極連接到低側(cè)驅(qū)動(dòng)器仿真二極管的陽(yáng)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(dòng)器的200-480 VAC驅(qū)動(dòng)器的三相逆變器參考設(shè)計(jì)”中測(cè)試了聯(lián)鎖電路配置的應(yīng)用。
用于200-480 VAC驅(qū)動(dòng)器的三相逆變器參考設(shè)計(jì)
立即下載設(shè)計(jì)
如圖3所示，在正常工作期間，PWM脈沖是互補(bǔ)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(dòng)電壓為-5 V的隔離柵極驅(qū)動(dòng)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(dòng)器不具有高反向電壓處理能力，且不能聯(lián)鎖。在死區(qū)時(shí)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(fù)死區(qū)時(shí)間可讓您檢查聯(lián)鎖電路對(duì)來自MCU的故障PWM信號(hào)的響應(yīng)。若兩個(gè)MCU輸出均為高電平，則柵極驅(qū)動(dòng)器的輸出為低電平。無論輸入PWM信號(hào)如何，高側(cè)和低側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器的輸出都不會(huì)同時(shí)變?yōu)楦唠娖剑瑥亩乐菇徊鎮(zhèn)鲗?dǎo)。
您可將傳統(tǒng)的光隔離柵極驅(qū)動(dòng)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(dá)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(jìn)的開關(guān)參數(shù)。
UCC23513采用業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)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(jì)更改，即可通過簡(jiǎn)易交換輕松升級(jí)現(xiàn)有VFD中的逆變器。
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