电机和逆变器的使用在工业自动化、机器人、电动汽车、太阳能、白色家电和电动工具等应用领域持续增长。与此同时，还需要提高效率、降低成本、缩小占地面积和简化整体设计。虽然使用离散绝缘栅双极晶体管(igbt)来设计定制的电机和逆变电源电子器件是诱人的，但从长远来看，这可能是昂贵的和延迟的设计时间表。相反，设计师可以使用现成的IGBT模块，将多个电源设备组合成一个单一的包。这些模块支持设计者开发具有最少互连的紧凑系统，从而简化组装，缩短上市时间和成本，并提高整体性能。结合合适的IGBT驱动器，IGBT模块可以开发出高效且具有成本效益的电机驱动器和逆变器。
相反，设计师可以使用现成的IGBT模块，将多个电源设备组合成一个单一的包。这样的模块支持设计者开发具有最少互连的紧凑系统的需求，从而简化组装，缩短上市时间和成本，并提高整体性能。结合合适的IGBT驱动器，IGBT模块可以开发出高效且具有成本效益的电机驱动器和逆变器。
本文简要介绍了电动机和逆变器及其相关的驱动电路和性能要求。它会审查使用IGBT模块的好处和各种模块包装标准之前介绍电动机和变频器的设计选择基于IGBT模块和驱动电路等供应商NXP半导体,英飞凌科技,德州仪器,意法半导体,半导体,以及如何应用它们,包括使用评估板。
电机类型和效率标准
IEC/EN 60034-30将电机效率分为IE1到IE5 5级。美国电气制造商协会(NEMA)有一个相应的评级等级，从“标准效率”到“超优质”效率(图1)。使用电子驱动器是必要的，以满足更高的效率标准。带电子驱动的交流异步电动机可以满足IE3和IE4的要求。要达到IE5的效率水平，就需要更昂贵的永磁电机和电子驱动器。
图1:电机效率等级根据IEC/EN 60034-30 (IE1到IE5)和相应的NEMA等级(标准效率到超优质效率)。带有FOC和电子驱动的交流异步电动机可以满足IE3和IE4的要求。永磁电机需要满足IE5效率水平。(图片来源:ECN)
低成本的微控制器(mcu)的发展也使得设计师使用矢量控制,也称为磁场定向控制(FOC),变频驱动器(VFD)控制方法中,定子电流的三相交流电动机被确定为两个正交组件,可以用一个向量。比例积分(PI)控制器可用于保持被测电流分量在它们的期望值。VFD的脉宽调制根据作为PI电流控制器输出的定子电压参考来定义晶体管开关。FOC最初是为高性能系统开发的，由于FOC的电机尺寸、更低的成本和更低的功耗，FOC在低成本应用中也变得越来越有吸引力。由于低成本高性能mcu的日益普及，FOC正逐渐取代性能较低的单变量标量赫兹(V/f)控制。目前使用的永磁电机主要有两种类型，无刷直流电机(BLDC)和永磁同步电机(PMSM)。这两个先进的电机设计需要电力电子驱动和控制。无刷直流电机经久耐用，效率高，成本低。永磁同步电动机具有无刷直流电机的特点，具有低噪声和较高效率。这两种类型的电机通常与霍尔传感器一起使用，但也可用于无传感器设计。永磁同步电机用于要求最高水平的性能的应用，而无刷直流电机用于更敏感的成本设计。
*刷电机
*更容易控制(6步)，只需要直流电流
*在换向时的转矩波动
*更低的成本和性能(与PMSM相比)
*永磁同步电动机马达
*通常用于带有集成轴编码器的伺服驱动器
*更复杂的控制(需要3相正弦PWM)
*换相时无转矩脉动
*更高的效率，更高的扭矩
*更高的成本和更高的性能(与BLDC相比)
逆变器的效率表明有多少直流输入功率转换为交流输出功率。高质量的正弦波逆变器提供90-95%的效率。低质量改进的正弦波逆变器更简单，更便宜，效率更低，通常为75-85%。高频逆变器通常比低频设计更有效。逆变器效率也取决于逆变器负载(图2)。所有逆变器都需要电力电子驱动和控制。就光伏逆变器而言，效率排名有三种类型:峰值效率表示逆变器在最优功率输出时的性能。它显示了一个特定的逆变器的最大点，可以用作其质量的一个标准(图2)。欧洲效率是加权数，考虑了逆变器在不同功率输出下运行的频率。它有时比峰值效率更有用，因为它显示了如何逆变器在不同的输出水平在一个太阳能日。加州能源委员会(CEC)的效率也是一种加权效率，与欧洲的效率相似，但它对权重因子的假设不同。欧洲和CEC效率之间的主要区别是，对于特定逆变器的每个功率级别的重要性的假设是基于中欧的数据，而加州的数据在后者的情况下。
图2:典型的逆变器效率曲线显示效率峰值点。(图片来源:宾夕法尼亚州立大学)
IGBT基础
IGBT的基本功能是在可能损耗最小的情况下，以最快的速度转换电流。顾名思义，IGBT是一种具有隔离栅结构的双极晶体管;门本身基本上是一个场效应晶体管。因此，IGBT结合了双极晶体管的高载流能力和高阻塞电压与MOSFET的容性、低功率控制的优点。图3描述了MOSFET和双极晶体管如何结合导致IGBT。
图3:IGBT的概念结构，显示了构成绝缘栅的MOSFET和功率处理部分的双极晶体管结构。(图片来源:英飞凌科技)
IGBT的基本工作很简单:从栅极(G，图3)到发射极(E)的正电压UGE打开MOSFET。然后，连接到集电极(C)的电压可以驱动基极电流通过双极晶体管和MOSFET;双极晶体管打开，负载电流可以流动。电压UGE≤0伏关闭MOSFET，基极电流中断，双极晶体管也关闭。
虽然在概念上很简单，但开发控制IGBT(门驱动器)的硬件可能是一项复杂的任务，因为在真实的devi中存在许多性能细微差别
图4:IGBT模块有各种各样的封装。典型的额定电压范围从600伏特到3300伏特。(图片来源:富士电机)
最小的设备被称为集成电源模块，额定电压为600伏特，可以包括内置的栅极驱动器和其他用于小型工业系统和家用白色家电的电机驱动器的组件。与其他类型的功率开关元件相比，igbt工作在更高的功率电平和更低的开关频率(图5)。
图5:普通功率开关设备的功率范围与开关频率(图片来源:英飞凌技术)
牵引逆变器IGBT模块评估板
高压牵引逆变器的设计师,NXP半导体提供FRDMGD3100HBIEVM门驱动器电源管理评估板使用其MC33GD3100A3EK网格状的门驱动器集成电路。该评估板是专门设计用于与英飞凌FS820R08A6P2BBPSA1 IGBT模块(图6)。这是一个完整的解决方案,包括网格状的门驱动集成电路,直流环节电容,译者板连接到PC提供控制信号。目标应用程序包括:
电动汽车牵引电机和高压DC/DC转换器
电动汽车车载充电器和外置充电器
其他高压交流电机控制应用
图6:NXP的FRDMGD3100HBIEVM门驱动器电源管理评估板连接到FS820R08A6P2BBPSA1 IGBT模块从英飞凌MC33GD3100A3EK的位置,网格状的门驱动器集成电路,直流环节电容,译者板连接到PC提供控制信号。(图片来源:NXP Semiconductors)
司机为150 mm x 62 mm x 17毫米IGBT模块为设计师的马达驱动器,太阳能逆变器、戊肝病毒和电动车充电器、风力涡轮机、运输、和不间断电源系统,德州仪器公司开发了iso5852sdwevm - 017(图7)。这是一个紧凑,双通道绝缘栅驱动板提供驱动,偏置电压,通用半桥碳化硅(SiC) MOSFET和标准150毫米62毫米17毫米封装的硅IGBT模块需要的保护和诊断。TI EVM基于ISO5852SDW 5700伏rms增强隔离驱动IC，采用SOIC-16DW封装，爬电和间隙8.0 mm。EVM包括基于sn6505b的隔离DC/DC变压器偏置电源。
图7:美国德州仪器公司ISO5852SDWEVM-017双通道隔离栅驱动板安装在150 mm×62 mm IGBT模块顶部。(图片来源:德州仪器)
意法半导体提供STGIPS20C60 IGBT智能电源模块STEVAL-IHM028V2 2000瓦三相电机控制评估板(图8)。评估板是一款DC/AC逆变器，可产生波形驱动3相电机，如HVAC(空调)、白色家电和高端单相电动工具中的感应电机或PMSM电机，功率达2000瓦。设计者可以使用这个EVB实现与三相交流电机的FOC设计。该EVM的主要部分是一个通用的、全面评估的和人口密集的设计，包括一个基于600伏IGBT智能电源模块的三相逆变桥，该模块位于安装在散热片上的SDIP 25L封装中。智能电源模块集成了所有具有自由旋转二极管的IGBT开关和高压栅极驱动器。这种级别的集成节省了PCB空间和装配成本，有助于提高可靠性。该板被设计成与单相电源兼容，提供90至285伏交流电，也与125至400伏直流输入兼容。
图8:意法半导体STEVAL-IHM028V2产品评估板。该板可用于评估广泛的应用，如HVAC(空调)，白色家电和高端单相电动工具。(图片来源:意法半导体)
850瓦eval董事会处理多个电动机类型
半导体提供SECO-1KW-MCTRL-GEVB评估板,使设计师能够控制不同类型的电机(交流感应电动机、永磁同步电动机、刷)通过使用各种控制算法,包括船,用单片机可以实现通过Arduino由于连接头(图9)。该委员会旨在用于Arduino由于(兼容头)或类似的控制器板单片机。该板的引入是为了支持开发人员在他们的第一步设计应用程序与集成功率模块和功率因数校正。它适用于工业泵和风扇、工业自动化系统和消费电器的设计者。
图9:ON Semiconductor SECO−1KW−MCTRL−GEVB eval board框图(图片来源:ON Semiconductor)
该eval板基于NFAQ1060L36T(图10)，这是一个集成的逆变电源级，由一个高压驱动器，六个igbt和一个热敏电阻组成，适用于驱动PMSM, BLDC和交流感应电机。igbt被配置在一个三相桥架中，有单独的发射极连接到下支腿，以便在控制算法的选择上具有最大的灵活性。电源级具有交叉导通保护、外部关机、欠压闭锁等全系列保护功能。内部比较器和参考器连接过流保护电路，设计人员可以设置其保护级别。
图10:ON Semiconductor NFAQ1060L36T电源集成模块功能框图(图片来源:ON Semiconductor)
译文：
NFAQ1060L36T电源集成模块
三相10安培/600伏IGBT模块，带有集成驱动器
紧凑的29.6毫米x 18.2毫米双直列封装
内装欠压保护装置
交叉传导保护
ITRIP输入关闭所有IGBT的
集成自举二极管和电阻
衬底温度测量用热敏电阻
关闭销
UL1557认证
结论:使用离散igbt设计定制电机和逆变电源电子器件以适应特定的要求，在长期内成本高昂，并且会延迟设计时间表。相反，设计师可以使用现成的IGBT模块，将多个电源设备组合成一个单一的包。这些模块支持设计者开发具有最少互连的紧凑系统，从而简化组装，缩短上市时间和成本，并提高整体性能。如图所示，设计人员可以使用带有适当IGBT驱动器的IGBT模块来开发符合性能和效率标准的低成本、紧凑的电机驱动器和逆变器。
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