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分立元件成就一切:如何簡化48V至60V直流饋電三相逆變器設計

  2019年03月18日  

  作者:德州儀器 Kristen Mogensen

  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,您可能還要滿足這樣的要求:在無需額外冷卻功率級的情況下設計這個產品。它必須盡可能小,以滿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,想出一個可接受的解決方案來設計一個滿足這個假設(雖然要求很高)的逆變器,從而滿足以上要求。

  因此,在開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器伺服驅動器的48V/500W三相逆變器參考設計非常重要,該參考設計極其實用且易于理解。

  該參考設計采用高度集成的IC實現了小尺寸要求,包括三個具有100%占空比工作的半橋柵極驅動器。可選的源/匯電流從50 mA到2 A不等。VDS傳感可實現過流保護,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。

  下載具有智能柵極驅動器的48V、500W三相逆變器參考設計

  了解為什么效率、保護和集成是高達60VDC的緊湊型直流饋電驅動器的重要設計因素。

  典型的低壓直流饋電伺服驅動功率級可如圖1所示進行分區。圖1基于直流饋電伺服驅動功率級模塊。綠框所示為模塊。

  圖 1:直流饋電伺服功率級

  圖1中低壓直流饋電伺服驅動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。

  通過將故障檢測添加到半橋柵極驅動器以實現VDS傳感和軟關斷,可以構建穩健的系統。這些功能允許柵極驅動器系統檢測典型的過流或短路事件。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現死區時間插入,從而確保MCU無法提供錯誤的驅動信號,這可能會導致功率級或馬達因短路而導致損壞。

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

  為實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量程電壓為±30mV(設計為±30Arms)。與48V??的共模電壓相比,這是一個小型信號。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。由于低并聯阻抗,具有額外集成固定增益和零偏移的放大器進一步有助于降低系統成本,同時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生中間軌,為柵極驅動器和負載點供電。功率級需要高效工作以減少自熱,這樣才能滿足工業環境溫度(通常為85°C)。考慮到這一點,這意味著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出現一些溫升(自熱)情況。

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

  圖 2:馬達驅動功率級的測試設置

  結論

  具有智能柵極驅動器參考設計的48V/500W三相逆變器用于伺服驅動器,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。這是通過德州儀器的DRV8530100V三相智能柵極驅動器實現的,該驅動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,這可實現低電平優化 - 電壓直流饋電功率級。有關系統性能和IC使用的更多詳細信息,請參閱參考設計指南。

標簽:德州儀器 IC我要反饋
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