變頻器的設(shè)計(jì)技巧

現(xiàn)今的可調(diào)速驅(qū)動(dòng)電路都采用變頻器來(lái)調(diào)整輸出電流，以滿足三相馬達(dá)的要求。變頻器的形狀大小通常會(huì)受到應(yīng)用的限制。在許多情況下，電路板與馬達(dá)靠得很近，而馬達(dá)構(gòu)造的高度也會(huì)受限。另外，所用高功率半導(dǎo)體器件的物理性質(zhì)和所選封裝的形狀，也要求電路板上有足夠的位置空間。功率半導(dǎo)體開關(guān)工作期間產(chǎn)生的電壓、電流交疊會(huì)造成損耗，必須將其消除。雖然功率耗散問(wèn)題可以通過(guò)加設(shè)散熱片而得到改善，但這也會(huì)限制半導(dǎo)體器件在電路板上的布局安排。

變頻器是達(dá)到EcoDesign節(jié)能要求的關(guān)鍵技術(shù)。美國(guó)電力科學(xué)研究院（Electric Power Research Institute）的研究表明，采用變頻器的馬達(dá)比無(wú)變頻器的馬達(dá)節(jié)能多達(dá)40%。無(wú)論是感應(yīng)馬達(dá)、永磁同步馬達(dá)，還是無(wú)刷直流馬達(dá)，都可由變頻器為其產(chǎn)生正弦電流。為此，開關(guān)頻率必須比變頻器的可調(diào)輸出頻率高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。而經(jīng)脈沖寬度調(diào)制的輸出電壓則會(huì)施加在電感性負(fù)載上。因此，輸出電流與電壓的平均值成正比。開關(guān)頻率越高，對(duì)變頻器越有利；而驅(qū)動(dòng)的扭矩波動(dòng)越小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能便更高，噪聲也會(huì)變得更低。這就要求開關(guān)速率快，而開關(guān)速率快意味著di/dt和dv/dt的變化率通常都很高。因此，電路寄生就成為一個(gè)大問(wèn)題，設(shè)計(jì)人員必須努力解決這個(gè)問(wèn)題，才能滿足目前和未來(lái)的EMC標(biāo)準(zhǔn)要求。

成本是電路布局必須考慮的另一個(gè)約束因素。許多情況下，都采用雙面電路板。而電路板上的不同區(qū)域常常只能使用一種焊接工藝。因此，就提高成本效益而言，表面貼裝半導(dǎo)體器件是越來(lái)越受歡迎的解決方案。

設(shè)計(jì)考慮因素

目前，大功率半導(dǎo)體器件(如IGBT和MOSFET)的發(fā)展趨勢(shì)是在提升性能的前提下不斷縮小芯片尺寸。減小芯片尺寸能減少器件的寄生電容，從而提高開關(guān)速率。因此，深入研究電路板上的關(guān)鍵回路越來(lái)越重要。圖1為電壓源變頻器(voltage source inverter，VSI)的兩種典型開關(guān)工作方式的簡(jiǎn)化示意電路。在開關(guān)頻率受限的大電流應(yīng)用中，IGBT是最受歡迎的器件。上圖所示為從高壓側(cè)(HS)續(xù)流二極管到低壓側(cè)IGBT的換流。電流最初是在高壓側(cè)二極管和相應(yīng)反相半橋的IGBT形成的續(xù)流通道中。

圖1 簡(jiǎn)化的換向電路

一旦低壓側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)電路導(dǎo)通了IGBT，就會(huì)有短路電流經(jīng)過(guò)高壓側(cè)二極管和低壓側(cè)IGBT。其結(jié)果是二極管電流降低，IGBT電流相應(yīng)增加(自然換相：1?2)，在開關(guān)期間，電感性負(fù)載的電流可視為常數(shù)。因此，雜散部件與該通道無(wú)關(guān)。開關(guān)速率由低壓側(cè)IGBT的導(dǎo)通和半橋的雜散電感來(lái)決定。要實(shí)現(xiàn)從低壓側(cè)IGBT到高壓側(cè)續(xù)流二極管的反向換流，低壓側(cè)IGBT上的壓降必須大于直流總線電壓，以導(dǎo)通續(xù)流二極管。因此，IGBT在與二極管換流(強(qiáng)制換相：2?1)之前必須能同時(shí)承受高電壓和大電流。

在圖1中，電壓源變頻器的臨界電流路徑被標(biāo)為紅色陰影，其特征是di/dt變化率高，這個(gè)特征也表現(xiàn)在對(duì)應(yīng)的柵極驅(qū)動(dòng)電路上。要保證柵極驅(qū)動(dòng)電路安全的工作，就要最大限度地減小雜散電感。尤其是高壓側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)電路，存在一個(gè)由低壓側(cè)二極管和電流通道上的阻性和感性壓降所引起的，且幅度超過(guò)VS最小允許電壓的負(fù)壓，會(huì)導(dǎo)致電路工作異常。
其中一個(gè)解決方法是通過(guò)增加?xùn)艠O電阻來(lái)降低開關(guān)速率，然而這卻會(huì)大幅增加開關(guān)損耗。在這情況下，便需要優(yōu)化電路板布局，充分利用電壓源變頻器的整體性能。為了去除功率區(qū)和信號(hào)區(qū)的耦合，兩個(gè)區(qū)域的接地應(yīng)當(dāng)分開。柵極驅(qū)動(dòng)器應(yīng)盡可能靠近IGBT，且不要有任何回路或偏差。微控制器和柵極驅(qū)動(dòng)之間的信號(hào)通道不是非常關(guān)鍵的。分立的IGBT管腳引線應(yīng)盡可能短，以最大限度地減少寄生電容和電感。封裝在一起的6個(gè)IGBT和柵極驅(qū)動(dòng)器的安排需要周密考慮。此外，散熱片上的器件需要配備適當(dāng)?shù)慕^緣片。許多情況下，電路板的邊沿都需要有大塊的散熱片。

為了克服以上約束，最好采用智能功率模塊(intelligent power module (IPM)，也稱為Smart Power Module(SPM?))。圖2所示為一個(gè)典型的全封閉模塊，它包含一個(gè)完整的三相電壓源變頻器，以及相應(yīng)的柵極驅(qū)動(dòng)器和保護(hù)電路。采用這種模塊比分立元件方案節(jié)省電路板空間多達(dá)50%。尤其是這種模塊需要的外接部件極少，在設(shè)計(jì)上就考慮了EMC的要求。其峰值和平均EMC干擾強(qiáng)度比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)低很多。

圖2 智能功率模塊

與電壓源變頻器的分立元件方案類似，采用智能功率模塊時(shí)也要注意外部元件的布局安排。圖3所示為針對(duì)Motion-SPMTM應(yīng)用的一些建議。由于電壓源變頻器的開關(guān)速率很快，信號(hào)接地和功率接地必須分開。兩種接地在15V Vcc電容處互接。Vcc電容和功率接地之間的通道要狹窄，以去除耦合。為防止電涌造成破壞，引腳P與功率接地之間應(yīng)當(dāng)有一個(gè)低電感電容。另外，由于電壓源變頻器和馬達(dá)之間的長(zhǎng)引線會(huì)造成高壓反射，因此一些SPM產(chǎn)品配備了外接?xùn)艠O電阻來(lái)調(diào)節(jié)開關(guān)速率和最大限度地減少反射。

圖3 布局建議

圖4 模塊安裝翹曲的夸大示意圖

元件安裝考慮因素

除TinyDIP/SMD外，SPM的表面都會(huì)有一定的翹曲。圖4為這種翹曲的一個(gè)夸張示意。模塊是用一些從表面中間穿出的螺絲緊固在散熱片上。如果安裝恰當(dāng)，這種凸?fàn)畋砻婺鼙ＷC有足夠的熱量從模塊傳遞到散熱片。如果緊固螺絲用力不均，就可能在模塊內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力，導(dǎo)致模塊破損或性能下降。建議采用圖4所示的螺絲緊固順序(先按1?2的順序預(yù)緊固，再按2?1的順序最終緊固)。通常，預(yù)緊固扭矩為最大額定緊固扭矩的25%。只要散熱片與器件緊貼好了，就可通過(guò)SPM的內(nèi)置熱敏電阻獲取散熱片的溫度，從而簡(jiǎn)化電路板的設(shè)計(jì)。