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變頻器的設計技巧
發布時間:2012-06-29 點擊次數:1266次

變頻器的設計技巧

  • 關鍵字:變頻器 設計技巧

            現今的可調速驅動電路都采用變頻器來調整輸出電流,以滿足三相馬達的要求。變頻器的形狀大小通常會受到應用的限制。在許多情況下,電路板與馬達靠得很近,而馬達構造的高度也會受限。另外,所用高功率半導體器件的物理性質和所選封裝的形狀,也要求電路板上有足夠的位置空間。功率半導體開關工作期間產生的電壓、電流交疊會造成損耗,必須將其消除。雖然功率耗散問題可以通過加設散熱片而得到改善,但這也會限制半導體器件在電路板上的布局安排。


             變頻器是達到EcoDesign節能要求的關鍵技術。美國電力科學研究院(Electric Power Research Institute)的研究表明,采用變頻器的馬達比無變頻器的馬達節能多達40%。無論是感應馬達、永磁同步馬達,還是無刷直流馬達,都可由變頻器為其產生正弦電流。為此,開關頻率必須比變頻器的可調輸出頻率高幾個數量級。而經脈沖寬度調制的輸出電壓則會施加在電感性負載上。因此,輸出電流與電壓的平均值成正比。開關頻率越高,對變頻器越有利;而驅動的扭矩波動越小,動態響應性能便更高,噪聲也會變得更低。這就要求開關速率快,而開關速率快意味著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大問題,設計人員必須努力解決這個問題,才能滿足目前和未來的EMC標準要求。


            成本是電路布局必須考慮的另一個約束因素。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,表面貼裝半導體器件是越來越受歡迎的解決方案。

    設計考慮因素


             目前,大功率半導體器件(如IGBT和MOSFET)的發展趨勢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,從而提高開關速率。因此,深入研究電路板上的關鍵回路越來越重要。圖1為電壓源變頻器(voltage source inverter,VSI)的兩種典型開關工作方式的簡化示意電路。在開關頻率受限的大電流應用中,IGBT是最受歡迎的器件。上圖所示為從高壓側(HS)續流二極管到低壓側IGBT的換流。電流最初是在高壓側二極管和相應反相半橋的IGBT形成的續流通道中。

     


    圖1   簡化的換向電路


            一旦低壓側柵極驅動電路導通了IGBT,就會有短路電流經過高壓側二極管和低壓側IGBT。其結果是二極管電流降低,IGBT電流相應增加(自然換相:1〜2),在開關期間,電感性負載的電流可視為常數。因此,雜散部件與該通道無關。開關速率由低壓側IGBT的導通和半橋的雜散電感來決定。要實現從低壓側IGBT到高壓側續流二極管的反向換流,低壓側IGBT上的壓降必須大于直流總線電壓,以導通續流二極管。因此,IGBT在與二極管換流(強制換相:2〜1)之前必須能同時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為紅色陰影,其特征是di/dt變化率高,這個特征也表現在對應的柵極驅動電路上。要保證柵極驅動電路安全的工作,就要最大限度地減小雜散電感。尤其是高壓側柵極驅動電路,存在一個由低壓側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VS最小允許電壓的負壓,會導致電路工作異常。

            其中一個解決方法是通過增加柵極電阻來降低開關速率,然而這卻會大幅增加開關損耗。在這情況下,便需要優化電路板布局,充分利用電壓源變頻器的整體性能。為了去除功率區和信號區的耦合,兩個區域的接地應當分開。柵極驅動器應盡可能靠近IGBT,且不要有任何回路或偏差。微控制器和柵極驅動之間的信號通道不是非常關鍵的。分立的IGBT管腳引線應盡可能短,以最大限度地減少寄生電容和電感。封裝在一起的6個IGBT和柵極驅動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的絕緣片。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所示為一個典型的全封閉模塊,它包含一個完整的三相電壓源變頻器,以及相應的柵極驅動器和保護電路。采用這種模塊比分立元件方案節省電路板空間多達50%。尤其是這種模塊需要的外接部件極少,在設計上就考慮了EMC的要求。其峰值和平均EMC干擾強度比傳統設計低很多。

     


    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也要注意外部元件的布局安排。圖3所示為針對Motion-SPMTM應用的一些建議。由于電壓源變頻器的開關速率很快,信號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與功率接地之間應當有一個低電感電容。另外,由于電壓源變頻器和馬達之間的長引線會造成高壓反射,因此一些SPM產品配備了外接柵極電阻來調節開關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的表面都會有一定的翹曲。圖4為這種翹曲的一個夸張示意。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,這種凸狀表面能保證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,就可能在模塊內產生應力,導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的順序預緊固,再按2〜1的順序最終緊固)。通常,預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SPM的內置熱敏電阻獲取散熱片的溫度,從而簡化電路板的設計。



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