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通過聯鎖柵極驅動器來提高三相逆變器的魯棒性


作者:    時間:2019/6/10 20:59:26  來源:   

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、計算機數控機床和機器人自動化解決方案,有助于降低工廠的總能耗。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制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,能夠將整流后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

 

三相逆變器的關鍵組件是絕緣柵雙極晶體管(IGBT)電源開關(通常集成在單個IGBT模塊內)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沖寬度調制(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硬件故障或電機控制軟件故障可能導致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,導致直流總線短路。將電流傳感器插入直流總線可檢測過流情況,并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沖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,多次重復該感測序列會降低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響應偽PWM序列呢?無需使用額外的外部硬件,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,高側驅動器仿真二極管的陽極連接到低側驅動器仿真二極管的陰極。高側驅動器仿真二極管的陰極連接到低側驅動器仿真二極管的陽極。

圖2:聯鎖電路配置

德州儀器在“具有光模擬輸入柵極驅動器的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。


用于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脈沖是互補的,要么正向偏置UCC23513的輸入仿真二極管,要么反向偏置緩沖驅動電壓為-5 V的隔離柵極驅動器。高反向電壓UCC23513的仿真二極管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,仿真二極管兩端的電壓為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沖寬度失真等改進的開關參數。

 

UCC23513采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松升級現有VFD中的逆變器。

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