如何使用 IGBT 模块简化电机驱动装置和逆变器的设计

电机和逆变器的使用在工业自动化、机器人、电动汽车、太阳能、白色家电和电动工具等应用中持续增长。伴随着这种增长是对提高效率、降低成本、缩小封装和简化整体设计的需求。虽然使用分立式绝缘栅双极型晶体管 (IGBT) 设计定制电机和逆变器功率电子器件以满足特定要求很有诱惑力，但从长远来看，这样做的成本很高，而且会延误设计进度。
 
相反，设计人员可以使用现成的 IGBT 模块，将多个功率器件组合到一个封装中。此类模块支持设计人员以最少的互连来开发紧凑的系统，从而简化组装，缩短上市所需时间，降低成本，并提高整体性能。配套使用合适的 IGBT 驱动器，使用 IGBT 模块就可以开发出高效、低成本的电机驱动装置和逆变器。
 
本文先简要介绍电机和逆变器以及相关驱动电路和性能要求，然后回顾使用 IGBT 模块的优点和各种模块封装标准，最后介绍基于 NXP Semiconductors、Infineon Technologies、Texas Instruments、STMicroelectronics 和 ON Semiconductor 等厂商的 IGBT 模块和驱动器 IC 的电机驱动和逆变器设计方案，以及如何应用这些方案，包括评估板的使用。
 
电机类型和效率标准

IEC/EN 60034-30 将电机效率分为 IE1 至 IE5 五个等级。美国电气制造商协会 (NEMA) 从“标准效率”到“超高效率”都有相应的评级标准（图 1）。为了达到更高的效率标准，使用电子驱动是必要的。采用电子驱动的交流感应电机可以满足 IE3 和 IE4 的要求。为了达到 IE5 的效率水平，需要组合使用成本较高的永磁电机和电子驱动。

低成本微控制器 (MCU) 的发展能够让设计人员使用上矢量控制技术——亦称磁场定向控制 (FOC)。这是一种变频驱动 (VFD) 控制方法，其中三相交流电机的定子电流被视为两个正交分量，可以用矢量可视化。比例积分 (PI) 控制器可用于将被测电流分量保持在其所需要的值。VFD 的脉宽调制根据作为 PI 电流控制器输出的定子电压基准来定义晶体管的开关。
 
FOC 最初是为高性能系统而开发的，但由于 FOC 的电机尺寸较小、成本较低和功耗较低，因此对低成本应用也越来越有吸引力。由于低成本高性能 MCU 的不断推出，FOC 不断取代性能较低的单变量标量每赫兹伏特 (V/f) 控制。
 
目前使用的永磁电机主要有两种，即无刷直流 (BLDC) 和永磁同步电机 (PMSM)。这两种先进的电机设计都需要电力电子装置进行驱动和控制。
 
无刷直流电机耐用、高效、成本低。PMSM 电机具有无刷直流电机的特性，但噪音更低，效率更高。这两种类型的电机通常与霍尔传感器一起使用，但也可用于无传感器设计。PMSM 电机用于要求最高性能级别的应用，而 BLDC 电机则用于对成本更敏感的设计。
 
BLDC 电机

更容易控制（6 步），且只需要直流电流。
换向时有转矩波动
成本较低，性能较低（与 PMSM 相比）
PMSM 电机
常用于带集成轴编码器的伺服驱动
控制更复杂（需要三相正弦 PWM）
换向时无转矩波动
效率更高，扭矩更大
成本更高，性能更强（与 BLDC 相比）

逆变器概述

逆变器的效率表示输出端有多少直流输入功率转换为交流功率。优质正弦波逆变器可提供 90-95% 的效率。质量较低的修正正弦波逆变器比较简单，价格较低，效率也较低，一般为 75-85%。高频逆变器通常比低频设计更有效率。逆变器的效率还取决于逆变器负载（图 2）。所有逆变器都需要电力电子驱动和控制。
 
以光伏逆变器为例，有三种效率评级类型：

一、峰值效率，表示逆变器在最佳功率输出时的性能。它显示了某一特定逆变器性能曲线的最高点，可以作为其质量评判标准使用（图 2）。

二、欧洲效率，考虑逆变器在不同功率输出下使用频繁程度的加权数字。它有时比峰值效率更有用，因为它显示了逆变器在太阳日期间不同输出水平的表现。

三、加州能源委员会 (CEC) 效率，这也是一种加权效率，类似于欧洲效率，但它使用的加权系数假设不同。
 
欧洲效率和 CEC 效率的主要区别在于，前者是基于中欧的数据，后者是基于加州的数据。对于特定逆变器来说，每个功率水平的重要性假设是不同的。

IGBT 基础知识

IGBT 的基本功能是以尽可能低的损耗最快地切换电流。IGBT 是绝缘栅双极晶体管的英文编写。顾名思义，IGBT 是一种具有绝缘栅结构的双极型晶体管，栅极本身基本上就是一个 MOSFET。因此，IGBT 结合了双极型晶体管的高载流能力和高阻断电压的优点，以及 MOSFET 的电容、低功耗控制的优点。图 3 描述了 MOSFET 和双极型晶体管如何组合成 IGBT。

IGBT 的基本操作很简单：从栅极（图 3 中的 G）到发射极 (E) 施加正电压 UGE 接通 MOSFET。然后，连接到集电极 (C) 的电压就可以驱动基极电流通过双极型晶体管和 MOSFET；双极型晶体管导通，然后负载电流就可以流动。电压 UGE ≤0 伏时关闭 MOSFET，基极电流中断，双极晶体管同时关闭。
 
虽然概念上很简单，但由于实际器件和电路中存在许多性能上的细微差别，开发控制 IGBT 的硬件（栅极驱动器）可能是一项复杂的任务。大多数时候是没有必要的。半导体制造商提供了许多合适的栅极驱动器，作为集成解决方案，具有多种功能和能力。因此，为 IGBT 模块配套合适的栅极驱动器非常重要。
 
IGBT 模块有多种封装类型（图 4）。最大规格的额定电压为 3,300 伏或以上，设计用于兆瓦级装置，如可再生能源系统、不间断电源和超大型电机驱动。中型模块的额定电压通常为 600 至 1700 伏，适用于各种应用，包括电动汽车、工业电机驱动和太阳能逆变器。

最小的器件被称为集成功率模块，额定电压为 600 伏，可包括内置栅极驱动器和其他组件，用于小型工业系统和消费类白色家电中的电机驱动。与其他类型的功率开关元件相比，IGBT 实现了更高的功率水平和更低的开关频率（图 5）。

用于牵引逆变器的 IGBT 模块评估板

针对高压牵引逆变器设计人员，NXP Semiconductors 提供了采用其 MC33GD3100A3EK 半桥栅极驱动器 IC 的 FRDMGD3100HBIEVM 栅极驱动器电源管理评估板。该评估板是专门为配套使用 Infineon 的 FS820R08A6P2BBPSA1 IGBT 模块而设计的（图 6）。它是一个完全的解决方案，包括半桥栅极驱动 IC、DC Link 电容器和用于连接提供控制信号的 PC 的转换器板。目标应用包括：

电动汽车牵引电机和高压 DC/DC 转换器
电动汽车车载充电器和外部充电器
其他高压交流电机控制应用

用于 150 mm x 62 mm x 17 mm IGBT 模块的驱动器

针对电机驱动器、太阳能逆变器、HEV 和 EV 充电器、风力涡轮机、运输和不间断电源系统的设计人员，Texas Instruments 开发了 ISO5852SDWEVM-017（图 7）。它是一款紧凑的双通道隔离栅极驱动器板，为采用标准 150 mm × 62 mm × 17 mm 封装的通用半桥碳化硅 (SiC) MOSFET 和硅 IGBT 模块提供所需的驱动、偏置电压、保护和诊断功能。TI 的这款 EVM 基于 ISO5852SDW 5,700 Vrms 增强型隔离驱动器 IC，采用 SOIC-16DW 封装，具有 8.0 mm 的爬电距离和间隙。该 EVM 包括基于 SN6505B 的隔离式 DC/DC 变压器偏置电源。

智能电源模块评估板

STMicroelectronics 提供的 STEVAL-IHM028V2 2,000 瓦三相电机控制评估板（图 8）采用了 STGIPS20C60 IGBT 智能电源模块。该评估板是一款 DC/AC 逆变器，可产生用于驱动 HVAC（空调）、白色家电和高端单相电动工具中的感应电机或 PMSM 电机等三相电机的波形，最大功率可达 2000 瓦。设计人员可以使用该 EVB 来实现三相交流电机的 FOC 设计。
 
该 EVM 的主要部分是一个通用、经过充分评估的密集型设计，由一个采用 SDIP 25L 封装的基于 600 伏 IGBT 智能电源模块的三相逆变器桥组成，安装在散热器上。该智能电源模块将所有功率 IGBT 开关与续流二极管和高压栅极驱动器集成在一起。这种集成度可以节省 PCB 空间和装配成本，并有助于提高可靠性。该板设计成兼容单相电源，从 90 至 285 伏交流电供电，也兼容 125 至 400 伏的直流输入。

可处理多种电机类型的 850 瓦评估板

On Semiconductor 提供的 SECO-1KW-MCTRL-GEVB 评估板能够让设计人员通过使用包括 FOC 在内的各种控制算法来控制不同类型的电机（交流感应电机、PMSM、BLDC），具体是通过 Arduino Due 针座连接的微控制器来实现的（图 9）。该板旨在与 Arduino DUE（兼容针座）或带有 MCU 的类似控制器板一起使用。该板带有集成功率模块和功率因数校正，推出的目的是为了在设计应用的第一步就给开发人员提供支持，供工业泵和风机、工业自动化系统和消费电器的设计人员使用。

该评估板基于 NFAQ1060L36T（图 10），是由一个高压驱动器、六个 IGBT 和一个热敏电阻组成的集成逆变器功率级，适用于驱动 PMSM、BLDC 和交流感应电机。其中 IGBT 采用三相桥式配置，发射极连接与下管脚分开，在控制算法选择上具有最大的灵活性。该功率级具有全方位的保护功能，包括交叉传导保护、外部关断和欠压锁定功能。连接到过流保护电路的内部比较器和基准允许设计人员设置其保护级别。

NFAQ1060L36T 功率集成模块特性汇总：

三相 10 安培 /600 伏 IGBT 模块，带集成驱动器
紧凑的 29.6 mm x 18.2 mm 双直列封装
内置欠压保护
交叉传导保护
ITRIP 输入关断所有 IGBT
集成自举二极管和电阻器
基底温度测量热敏电阻
关断引脚
UL1557 认证

结语

使用分立式 IGBT 设计定制电机和逆变器功率电子器件可以满足特定要求，但从长远来看，成本很高且会延误设计进度。相反，设计人员可以使用现成的 IGBT 模块，将多个功率器件组合到一个封装中。此类模块支持设计人员以最少的互连来开发紧凑的系统，从而简化组装，缩短上市所需时间，降低成本，并提高整体性能。
 
如上所示，设计人员可以将 IGBT 模块与合适的 IGBT 驱动器一起使用，来开发符合性能和效率标准的低成本、紧凑型电机驱动装置和逆变器。