當前位置: 主頁 > 技術&應用 >
 

通過聯鎖柵極驅動器來提高三相逆變器的魯棒性

本文作者:德州儀器       點擊: 2019-06-10 16:56
前言:
變頻驅動器(VFD)是工業自動化機械的重要組成部分。它們能夠高效地驅動泵、風扇、傳送帶、電腦數控機床和機器人自動化解決方案,有助於降低工廠的總能耗。若VFD發生故障會直接導致機器停機,進而造成工廠停工和生產損失。因此,VFD的可靠性和魯棒性是機器製造商和工廠業主的關鍵要求。

圖1所示的三相逆變器結構是VFD的核心,能夠將整流後的電源電壓轉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魯棒性的關鍵要素。
 

圖1:帶隔離柵極驅動器的三相逆變器
 
三相逆變器的關鍵元件是絕緣柵雙極電晶體(IGBT)電源開關(通常集成在單個IGBT模組內)和控制IGBT柵極的隔離柵極驅動器。微控制器(MCU)產生彼此互補的高側和低側脈衝寬度調製(PWM)信號,在PWM信號轉換期間插入死區時間。該死區時間確保頂部和底部IGBT柵極信號不會同時為高電平。
 
MCU硬體故障或電機控制軟體故障可能導致MCU的高側和低側PWM信號鎖存為高電平。結果通過頂部和底部IGBT的交叉傳導,導致直流匯流排短路。將電流感測器插入直流匯流排可檢測過流情況,並通過柵極驅動器的啟用/禁用管腳或將PWM信號驅動到柵極驅動器的緩衝器來禁用柵極驅動器。感測過流和關機之間的延遲通常為幾微秒。但是,多次重複該感測序列會降低IGBT開關的可靠性和壽命。IGBT開關為VFD內部最昂貴的半導體元件。
 
但如果兩個柵極驅動器都沒有回應偽PWM序列呢?無需使用額外的外部硬體,使用聯鎖法即可實現。
 
聯鎖高側和低側柵極驅動器
 
在圖2所示的這種配置中,高側驅動器模擬二極體的陽極連接到低側驅動器模擬二極體的陰極。高側驅動器模擬二極體的陰極連接到低側驅動器模擬二極體的陽極。
 

 
圖2:聯鎖電路配置

德州儀器在“具有光類比輸入柵極驅動器的200-480 VAC驅動器的三相逆變器參考設計”中測試了聯鎖電路配置的應用。
 
用於200-480 VAC驅動器的三相逆變器參考設計
 
如圖3所示,在正常工作期間,PWM脈衝是互補的,要麼正向偏置UCC23513的輸入模擬二極體,要麼反向偏置緩衝驅動電壓為-5 V的隔離柵極驅動器。高反向電壓UCC23513的模擬二極體可處理聯鎖配置中出現的反向電壓。而電流控制電容隔離柵極驅動器不具有高反向電壓處理能力,且不能聯鎖。在死區時間內,模擬二極體兩端的電壓為0 V。
 
圖3:帶聯鎖的正常PWM操作
 
有目的地插入負死區時間可讓您檢查聯鎖電路對來自MCU的故障PWM信號的響應。在圖4中,您可看到,若兩個MCU輸出均為高電平,則柵極驅動器的輸出為低電平。無論輸入PWM信號如何,高側和低側柵極驅動器的輸出都不會同時變為高電平,從而防止交叉傳導。
 
 

圖4:聯鎖電路對來自MCU的故障PWM輸入信號的響應
 

MCU PWM輸出

柵極驅動器的輸出

高側PWM

低側PWM

高側PWM

低側PWM

0

0

0

0

0

1

0

1

1

0

1

0

1

1

0

0

表1:聯鎖操作

您可將傳統的光隔離柵極驅動器聯鎖,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的結溫下工作,以及諸如較低的傳播延遲和較低的脈衝寬度失真等改進的開關參數。
 
UCC23513採用業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計更改,即可通過簡易交換輕鬆升級現有VFD中的逆變器。

其他資源
• 探索德州儀器的電機驅動器系統產品組合。
• 請參閱白皮書“交流電機驅動器中的隔離:認識IEC 61800-5-1安全標準”,瞭解有關交流電機驅動器隔離的更多資訊。
• 查看德州儀器培訓課程“高壓隔離技術的工作原理”。
• 閱讀電子書:C2000 MCU DesignDRIVE工業電機驅動解決方案

 

電子郵件:look@compotechasia.com

聯繫電話:886-2-27201789       分機請撥:11