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(shè)計

　　想象一下，您正在設(shè)計伺服、計算機數(shù)控(CNC)或機器人應(yīng)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(tǒng)或低壓直流饋電馬達系統(tǒng)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(shè)計這個產(chǎn)品。它必須盡可能小，以滿足目標應(yīng)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(shè)計一個滿足這個假設(shè)(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(qū)動器伺服驅(qū)動器的48V/500W三相逆變器參考設(shè)計非常重要，該參考設(shè)計極其實用且易于理解。

　　該參考設(shè)計采用高度集成的IC實現(xiàn)了小尺寸要求，包括三個具有100%占空比工作的半橋柵極驅(qū)動器。可選的源/匯電流從50 mA到2 A不等。VDS傳感可實現(xiàn)過流保護，防止損壞功率級和馬達。由于錯誤的脈沖寬度調(diào)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(qū)動器的涵蓋模塊對系統(tǒng)性能有很大影響，并影響設(shè)計考慮因素。

　　通過將故障檢測添加到半橋柵極驅(qū)動器以實現(xiàn)VDS傳感和軟關(guān)斷，可以構(gòu)建穩(wěn)健的系統(tǒng)。這些功能允許柵極驅(qū)動器系統(tǒng)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(xiàn)死區(qū)時間插入，從而確保MCU無法提供錯誤的驅(qū)動信號，這可能會導(dǎo)致功率級或馬達因短路而導(dǎo)致?lián)p壞。

　　一個考慮因素是優(yōu)化效率，以降低散熱器和輻射發(fā)射(EMI)與開關(guān)速度的成本。通過100 V單橋或半橋場效應(yīng)晶體管(FET)柵極驅(qū)動器實現(xiàn)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(qū)動強度等參數(shù)的靈活性。在分析系統(tǒng)效率時，電流傳感電路、具有低DS(on)和低柵極電荷的FET能夠?qū)崿F(xiàn)快速切換，從而影響系統(tǒng)效率性能。通常，系統(tǒng)設(shè)計人員希望實現(xiàn)功率級99%的效率。

　　為實現(xiàn)損耗最小的連續(xù)相電流檢測，參考設(shè)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(zhàn)是系統(tǒng)使用的寬共模電壓(0V至80V)，這考慮到該參考設(shè)計中的分流滿量程電壓為±30mV(設(shè)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(lián)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(tǒng)成本，同時確保高度精確的電流測量。

　　100-VDC降壓穩(wěn)壓器可從直流輸入產(chǎn)生中間軌，為柵極驅(qū)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(yè)環(huán)境溫度(通常為85°C)?？紤]到這一點，這意味著系統(tǒng)中使用的集成電路需要支持更高的溫度，因為電子設(shè)備總是會出現(xiàn)一些溫升(自熱)情況。

　　伺服驅(qū)動器的參考設(shè)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(qū)動功率級的測試設(shè)置

　　結(jié)論

　　具有智能柵極驅(qū)動器參考設(shè)計的48V/500W三相逆變器用于伺服驅(qū)動器，展示了如何設(shè)計具有低BOM數(shù)、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(qū)動器實現(xiàn)的，該驅(qū)動器具有降壓穩(wěn)壓器和INA240具有增強的PWM抑制性能的80V、低/高側(cè)、雙向、零漂移、電流傳感放大器，這可實現(xiàn)低電平優(yōu)化 - 電壓直流饋電功率級。有關(guān)系統(tǒng)性能和IC使用的更多詳細信息，請參閱參考設(shè)計指南。