作者：德州儀器 Kristen Mogensen
想象一下，您正在設(shè)計(jì)伺服、計(jì)算機(jī)數(shù)控(CNC)或機(jī)器人應(yīng)用的下一個(gè)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(dá)系統(tǒng)或低壓直流饋電馬達(dá)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(jì)這個(gè)產(chǎn)品。它必須盡可能小，以滿足目標(biāo)應(yīng)用程序的需求，當(dāng)然它需要低成本。
那么，在這種情況下，想出一個(gè)可接受的解決方案來設(shè)計(jì)一個(gè)滿足這個(gè)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(hù)電路之前，考慮采用智能柵極驅(qū)動(dòng)器伺服驅(qū)動(dòng)器的48V/500W三相逆變器參考設(shè)計(jì)非常重要，該參考設(shè)計(jì)極其實(shí)用且易于理解。
該參考設(shè)計(jì)采用高度集成的IC實(shí)現(xiàn)了小尺寸要求，包括三個(gè)具有100%占空比工作的半橋柵極驅(qū)動(dòng)器。可選的源/匯電流從50 mA到2 A不等。VDS傳感可實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)，防止損壞功率級和馬達(dá)。由于錯(cuò)誤的脈沖寬度調(diào)制配置，VGS握手功能可保護(hù)功率級免受射穿。
下載具有智能柵極驅(qū)動(dòng)器的48V、500W三相逆變器參考設(shè)計(jì)
了解為什么效率、保護(hù)和集成是高達(dá)60VDC的緊湊型直流饋電驅(qū)動(dòng)器的重要設(shè)計(jì)因素。
典型的低壓直流饋電伺服驅(qū)動(dòng)功率級可如圖1所示進(jìn)行分區(qū)。圖1基于直流饋電伺服驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)器的涵蓋模塊對系統(tǒng)性能有很大影響，并影響設(shè)計(jì)考慮因素。
通過將故障檢測添加到半橋柵極驅(qū)動(dòng)器以實(shí)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(dòng)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(shí)現(xiàn)死區(qū)時(shí)間插入，從而確保MCU無法提供錯(cuò)誤的驅(qū)動(dòng)信號，這可能會導(dǎo)致功率級或馬達(dá)因短路而導(dǎo)致?lián)p壞。
一個(gè)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(dòng)器實(shí)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(shí)通常會降低修改柵極驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度等參數(shù)的靈活性。在分析系統(tǒng)效率時(shí)，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(jì)人員希望實(shí)現(xiàn)功率級99%的效率。
為實(shí)現(xiàn)損耗最小的連續(xù)相電流檢測，參考設(shè)計(jì)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(jì)中的分流滿量程電壓為±30mV(設(shè)計(jì)為±30Arms)。與48V的共模電壓相比，這是一個(gè)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(jìn)一步有助于降低系統(tǒng)成本，同時(shí)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(dòng)器和負(fù)載點(diǎn)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)。考慮到這一點(diǎn)，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?yàn)殡娮釉O(shè)備總是會出現(xiàn)一些溫升(自熱)情況。
伺服驅(qū)動(dòng)器的參考設(shè)計(jì)使用PMSM馬達(dá)在0至500W輸出功率下進(jìn)行測試。馬達(dá)負(fù)載由測功器控制，如圖2所示。
圖 2：馬達(dá)驅(qū)動(dòng)功率級的測試設(shè)置
結(jié)論
具有智能柵極驅(qū)動(dòng)器參考設(shè)計(jì)的48V/500W三相逆變器用于伺服驅(qū)動(dòng)器，展示了如何設(shè)計(jì)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(hù)功率級。這是通過德州儀器的DRV8530100V三相智能柵極驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)的，該驅(qū)動(dòng)器具有降壓穩(wěn)壓器和INA240具有增強(qiáng)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(shí)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(xì)信息，請參閱參考設(shè)計(jì)指南。
