通过联锁栅极驱动器来提高三相逆变器的鲁棒性

　　变频驱动器(VFD)是工业自动化机械的重要组成部分。它们能够高效地驱动泵、风扇、传送带、计算机数控机床和机器人自动化解决方案，有助于降低工厂的总能耗。若VFD发生故障会直接导致机器停机，进而造成工厂停工和生产损失。因此，VFD的可靠性和鲁棒性是机器制造商和工厂业主的关键要求。

　　图1所示的三相逆变器结构是VFD的核心，能够将整流后的电源电压转换为输出到电机的可变频率和可变电压。逆变器的鲁棒性是确保VFD鲁棒性的关键要素。

　　图1：带隔离栅极驱动器的三相逆变器

　　三相逆变器的关键组件是绝缘栅双极晶体管(IGBT)电源开关(通常集成在单个IGBT模块内)和控制IGBT栅极的隔离栅极驱动器。微控制器(MCU)产生彼此互补的高侧和低侧脉冲宽度调制(PWM)信号，在PWM信号转换期间插入死区时间。该死区时间确保顶部和底部IGBT栅极信号不会同时为高电平。

　　MCU硬件故障或电机控制软件故障可能导致MCU的高侧和低侧PWM信号锁存为高电平。结果通过顶部和底部IGBT的交叉传导，导致直流总线短路。将电流传感器插入直流总线可检测过流情况，并通过栅极驱动器的启用/禁用管脚或将PWM信号驱动到栅极驱动器的缓冲器来禁用栅极驱动器。感测过流和关机之间的延迟通常为几微秒。但是，多次重复该感测序列会降低IGBT开关的可靠性和寿命。IGBT开关为VFD内部最昂贵的半导体元件。

　　但如果两个栅极驱动器都没有响应伪PWM序列呢?无需使用额外的外部硬件，使用联锁法即可实现。

　　联锁高侧和低侧栅极驱动器

　　在图2所示的这种配置中，高侧驱动器仿真二极管的阳极连接到低侧驱动器仿真二极管的阴极。高侧驱动器仿真二极管的阴极连接到低侧驱动器仿真二极管的阳极。

　　图2：联锁电路配置

　　德州仪器在“具有光模拟输入栅极驱动器的200-480 VAC驱动器的三相逆变器参考设计”中测试了联锁电路配置的应用。

　　用于200-480 VAC驱动器的三相逆变器参考设计

　　如图3所示，在正常工作期间，PWM脉冲是互补的，要么正向偏置UCC23513的输入仿真二极管，要么反向偏置缓冲驱动电压为-5 V的隔离栅极驱动器。高反向电压UCC23513的仿真二极管可处理联锁配置中出现的反向电压。而电流控制电容隔离栅极驱动器不具有高反向电压处理能力，且不能联锁。在死区时间内，仿真二极管两端的电压为0 V。

　　图3：带联锁的正常PWM操作

　　有目的地插入负死区时间可让您检查联锁电路对来自MCU的故障PWM信号的响应。在图4中，您可看到，若两个MCU输出均为高电平，则栅极驱动器的输出为低电平。无论输入PWM信号如何，高侧和低侧栅极驱动器的输出都不会同时变为高电平，从而防止交叉传导。

　　图4：联锁电路对来自MCU的故障PWM输入信号的响应

　　表1：联锁操作

　　您可将传统的光隔离栅极驱动器联锁，但它们不能带来更多的好处，比如更高的工作隔离电压;更高的共模瞬变抗扰度;在高达150°C的结温下工作，以及诸如较低的传播延迟和较低的脉冲宽度失真等改进的开关参数。

　　UCC23513采用业界标准的六管脚小外形封装，您无需任何额外的原理图或印刷电路板设计更改，即可通过简易交换轻松升级现有VFD中的逆变器。

　　其他资源

　　· 探索德州仪器的电机驱动器系统产品组合。

　　· 请参阅白皮书“交流电机驱动器中的隔离：认识IEC 61800-5-1安全标准”，了解有关交流电机驱动器隔离的更多信息。

　　· 查看德州仪器培训课程“高压隔离技术的工作原理”。

　　· 阅读电子书：C2000 MCU DesignDRIVE工业电机驱动解决方案

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