分立元件成就一切：如何簡(jiǎn)化48V至60V直流饋電三相逆變器設計

　　想象一下，您正在設計伺服、計算機數控(CNC)或機器人應用的下一個(gè)功率級。這種情況下，功率級是低壓直流饋電三相逆變器，電壓范圍為12 VDC到60 VDC ，額定功率小于1 kW。該額定電壓涵蓋通常用于電池供電馬達系統或低壓直流饋電馬達系統中的電池電壓的范圍。另外，您可能還要滿(mǎn)足這樣的要求：在無(wú)需額外冷卻功率級的情況下設計這個(gè)產(chǎn)品。它必須盡可能小，以滿(mǎn)足目標應用程序的需求，當然它需要低成本。

　　那么，在這種情況下，想出一個(gè)可接受的解決方案來(lái)設計一個(gè)滿(mǎn)足這個(gè)假設(雖然要求很高)的逆變器，從而滿(mǎn)足以上要求。

　　因此，在開(kāi)始定義指定的功率級、電流檢測和保護電路之前，考慮采用智能柵極驅動(dòng)器伺服驅動(dòng)器的48V/500W三相逆變器參考設計非常重要，該參考設計極其實(shí)用且易于理解。

　　該參考設計采用高度集成的IC實(shí)現了小尺寸要求，包括三個(gè)具有100%占空比工作的半橋柵極驅動(dòng)器?？蛇x的源/匯電流從50 mA到2 A不等。VDS傳感可實(shí)現過(guò)流保護，防止損壞功率級和馬達。由于錯誤的脈沖寬度調制配置，VGS握手功能可保護功率級免受射穿。

　　圖 1：直流饋電伺服功率級

　　圖1中低壓直流饋電伺服驅動(dòng)器的涵蓋模塊對系統性能有很大影響，并影響設計考慮因素。

　　通過(guò)將故障檢測添加到半橋柵極驅動(dòng)器以實(shí)現VDS傳感和軟關(guān)斷，可以構建穩健的系統。這些功能允許柵極驅動(dòng)器系統檢測典型的過(guò)流或短路事件。這樣做可在不增加額外的電流傳感或硬件電路的情況下實(shí)現死區時(shí)間插入，從而確保MCU無(wú)法提供錯誤的驅動(dòng)信號，這可能會(huì )導致功率級或馬達因短路而導致?lián)p壞。

　　一個(gè)考慮因素是優(yōu)化效率，以降低散熱器和輻射發(fā)射(EMI)與開(kāi)關(guān)速度的成本。通過(guò)100 V單橋或半橋場(chǎng)效應晶體管(FET)柵極驅動(dòng)器實(shí)現這些功能需要額外的有源和無(wú)源元件，這會(huì )增加物料清單(BOM)成本和印刷電路板尺寸，同時(shí)通常會(huì )降低修改柵極驅動(dòng)強度等參數的靈活性。在分析系統效率時(shí)，電流傳感電路、具有低DS(on)和低柵極電荷的FET能夠實(shí)現快速切換，從而影響系統效率性能。通常，系統設計人員希望實(shí)現功率級99%的效率。

　　為實(shí)現損耗最小的連續相電流檢測，參考設計中使用了1mΩ的在線(xiàn)分流器。選擇電阻值作為精度和效率之間的折衷。非隔離式在線(xiàn)放大器面臨的主要挑戰是系統使用的寬共模電壓(0V至80V)，這考慮到該參考設計中的分流滿(mǎn)量程電壓為±30mV(設計為±30Arms)。與48V的共模電壓相比，這是一個(gè)小型信號。因此，需要具有大共模電壓范圍和極高DC和AC共模抑制的電流傳感放大器。由于低并聯(lián)阻抗，具有額外集成固定增益和零偏移的放大器進(jìn)一步有助于降低系統成本，同時(shí)確保高度精確的電流測量。

　　100-VDC降壓穩壓器可從直流輸入產(chǎn)生中間軌，為柵極驅動(dòng)器和負載點(diǎn)供電。功率級需要高效工作以減少自熱，這樣才能滿(mǎn)足工業(yè)環(huán)境溫度(通常為85°C)?？紤]到這一點(diǎn)，這意味著(zhù)系統中使用的集成電路需要支持更高的溫度，因為電子設備總是會(huì )出現一些溫升(自熱)情況。

　　伺服驅動(dòng)器的參考設計使用PMSM馬達在0至500W輸出功率下進(jìn)行測試。馬達負載由測功器控制，如圖2所示。

　　圖 2：馬達驅動(dòng)功率級的測試設置

　　結論

　　具有智能柵極驅動(dòng)器參考設計的48V/500W三相逆變器用于伺服驅動(dòng)器，展示了如何設計具有低BOM數、同相電流檢測、故障診斷功能和高效率的緊湊型硬件保護功率級。這是通過(guò)德州儀器的DRV8530100V三相智能柵極驅動(dòng)器實(shí)現的，該驅動(dòng)器具有降壓穩壓器和INA240具有增強的PWM抑制性能的80V、低/高側、雙向、零漂移、電流傳感放大器，這可實(shí)現低電平優(yōu)化 - 電壓直流饋電功率級。有關(guān)系統性能和IC使用的更多詳細信息，請參閱參考設計指南。