igbt电机驱动电路（igbt驱动原理）

电机和逆变器在工业自动化、机器人、电动汽车、太阳能、白色家电和电动工具等应用中的使用不断增长。伴随这种增长的是提高效率、降低成本、缩小封装和简化整体设计的需求。虽然使用分立绝缘栅双极晶体管(IGBT) 来设计定制电机和逆变器电力电子器件以满足特定要求很诱人，但这样做成本高昂，并且从长远来看会延迟设计。

相反，设计人员可以使用现成的IGBT 模块将多个功率器件组合到一个封装中。这些模块使设计人员能够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、降低成本并提高整体性能。当与合适的IGBT 驱动器配合使用时，IGBT 模块可用于开发高效、低成本的电机驱动器和逆变器。

本文首先简单介绍了电机和逆变器，以及相关的驱动电路和性能要求，然后回顾了使用IGBT 模块的优势和各种模块封装标准，最后介绍了基于NXP Semiconductors、Infineon Technologies、Texas Instruments 等厂商的解决方案、意法半导体和安森美半导体。 IGBT 模块和驱动器IC 的电机驱动和逆变器设计解决方案，以及如何应用它们，包括评估板的使用。

电机类型和效率标准

IEC/EN 60034-30将电机效率分为IE1至IE5五个等级。美国电气制造商协会(NEMA) 的评级范围从“标准效率”到“超高效率”（图1）。为了达到更高的效率标准，需要使用电子驱动器。电子驱动交流感应电机满足IE3 和IE4 的要求。要达到IE5 效率水平，需要结合更昂贵的永磁电机和电子驱动器。

低成本微控制器(MCU) 的发展使设计人员能够使用矢量控制技术——，也称为磁场定向控制(FOC)。这是一种变频驱动(VFD) 控制方法，其中三相交流电机的定子电流被视为两个可以用矢量可视化的正交分量。比例积分(PI) 控制器可用于将测量的电流分量保持在其所需值。 VFD 的脉宽调制根据定子电压参考（PI 电流控制器的输出）定义晶体管的开关。

FOC 最初是为高性能系统开发的，但由于其电机尺寸更小、成本更低、功耗更低，对低成本应用越来越有吸引力。由于低成本、高性能MCU 的不断推出，FOC 不断取代性能较低的单变量标量伏特/赫兹(V/f) 控制。

目前使用的永磁电机主要有两种类型，即无刷直流电机(BLDC) 和永磁同步电机(PMSM)。这两种先进的电机设计都需要电力电子设备来进行驱动和控制。

无刷直流电机耐用、高效且成本低。 PMSM 电机具有无刷直流电机的特点，但更安静、更高效。两种类型的电机通常都与霍尔传感器一起使用，但也可用于无传感器设计。 PMSM 电机用于需要最高性能水平的应用，而BLDC 电机用于对成本更加敏感的设计。

BLDC 电机更易于控制（6 个步骤）并且仅需要直流电流。换向期间的扭矩脉动成本较低，性能较低（与PMSM 相比） PMSM 电机通常用于带有集成轴编码器的伺服驱动器控制更复杂（需要三相正弦PWM） 换向期间无扭矩脉动效率更高，扭矩更大成本更高，更好的性能（与BLDC 相比） 逆变器概述

逆变器的效率表示有多少直流输入功率在输出处转换为交流功率。优质的正弦波逆变器可以提供90-95% 的效率。质量较低的修正正弦波逆变器更简单、更便宜且效率较低，通常为75-85%。高频逆变器通常比低频设计更高效。逆变器的效率还取决于逆变器负载（图2）。所有逆变器都需要电力电子驱动和控制。

以光伏逆变器为例，效率等级分为三种：

1. 峰值效率表示逆变器在最佳功率输出时的性能。它显示了特定逆变器性能曲线的最高点，可以作为判断其质量的标准（图2）。

2. 欧洲效率，一个考虑逆变器在不同功率输出下使用频率的加权数字。它有时比峰值效率更有用，因为它显示了逆变器在太阳日期间在不同输出水平下的表现。

第三，加州能源委员会（CEC）效率，也是一种加权效率，与欧洲效率类似，但采用不同的加权系数假设。

欧洲效率和CEC效率之间的主要区别在于，前者基于中欧的数据，后者基于加利福尼亚的数据。对于特定逆变器，每个功率级别的重要性假设是不同的。

IGBT 基础知识

IGBT 的基本功能是以尽可能低的损耗尽可能快地切换电流。 IGBT是绝缘栅双极晶体管的英文写作。顾名思义，IGBT 是一种具有绝缘栅结构的双极晶体管，其中栅极本身基本上是一个MOSFET。因此，IGBT结合了双极晶体管的高载流能力和高阻断电压的优点以及MOSFET的电容性、低功耗控制的优点。图3 描述了如何将MOSFET 和双极晶体管组合成IGBT。

IGBT 的基本操作很简单：从栅极（图3 中的G）到发射极(E) 施加正电压UGE，打开MOSFET。连接到集电极(C) 的电压随后驱动基极电流流过双极晶体管和MOSFET；双极晶体管导通并且负载电流可以流动。当电压UGE0伏时，MOSFET关断，基极电流中断，双极晶体管同时关断。

尽管概念上很简单，但开发控制IGBT 的硬件（栅极驱动器）可能是一项复杂的任务，因为实际设备和电路中存在许多性能细微差别。大多数时候没有必要。半导体制造商提供许多合适的栅极驱动器作为具有各种功能和能力的集成解决方案。因此，为IGBT模块匹配合适的栅极驱动器非常重要。

IGBT 模块有多种封装类型（图4）。最大尺寸的额定电压为3,300 伏或以上，设计用于兆瓦级装置，例如可再生能源系统、不间断电源和超大型电机驱动器。中型模块的额定电压通常为600 至1700 伏，适用于各种应用，包括电动汽车、工业电机驱动和太阳能逆变器。

最小的设备称为集成电源模块，额定电压为600 伏，可包括内置栅极驱动器和其他用于小型工业系统和消费类白色家电中电机驱动的组件。与其他类型的功率开关元件相比，IGBT 可实现更高的功率水平和更低的开关频率（图5）。

牵引逆变器IGBT 模块评估板

对于高压牵引逆变器设计人员，NXP Semiconductors 提供了使用其MC33GD3100A3EK 半桥栅极驱动器IC 的FRDMGD3100HBIEVM 栅极驱动器电源管理评估板。该评估板设计用于与Infineon 的FS820R08A6P2BBPSA1 IGBT 模块配合使用（图6）。它是一个完整的解决方案，包括半桥栅极驱动器IC、直流链路电容器以及用于连接到提供控制信号的PC 的转换器板。目标应用包括：

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部充电器其他高压交流电机控制应用

适用于150 mm x 62 mm x 17 mm IGBT 模块的驱动器

Texas Instruments 针对电机驱动、太阳能逆变器、HEV 和EV 充电器、风力涡轮机、交通和不间断电源系统的设计人员开发了ISO5852SDWEVM-017（图7）。它是一款紧凑型双通道隔离式栅极驱动板，可提供所需的驱动、偏置电压、保护和诊断功能。 TI 的EVM 基于ISO5852SDW 5,700 Vrms 增强型隔离驱动器IC，采用爬电距离和间隙为8.0 mm 的SOIC-16DW 封装。该EVM 包括基于SN6505B 的隔离式DC/DC 变压器偏置电源。

智能功率模块评估板

STMicroElectronics 的STEVAL-IHM028V2 2,000 瓦三相电机控制评估板（图8）使用STGIPS20C60 IGBT 智能功率模块。该评估板是一款DC/AC 逆变器，可生成用于驱动HVAC（空调）、白色家电和高端单相电动工具中的感应电机或PMSM 电机等三相电机的波形，最大功率为2000瓦。设计人员可以使用该EVB 来实现三相交流电机的FOC 设计。

EVM 的主要部分是一种多功能、经过充分评估的紧凑型设计，由安装在散热器上、基于SDIP 25L 封装中的600 伏IGBT 智能功率模块的三相逆变桥组成。智能功率模块集成了所有功率IGBT 开关、续流二极管和高压栅极驱动器。这种集成度可节省PCB 空间和组装成本，并有助于提高可靠性。该板设计兼容90 至285 伏交流单相电源，也兼容125 至400 伏直流输入。

可处理多种电机类型的850 瓦评估板

安森美半导体提供的SECO-1KW-MCTRL-GEVB 评估板允许设计人员通过使用包括FOC 在内的各种控制算法来控制不同类型的电机（AC 感应电机、PMSM、BLDC），具体是通过Arduino Due 引脚连接来实现的将微控制器连接到插座（图9）。该板设计用于与Arduino DUE（兼容接头）或带有MCU 的类似控制器板一起使用。该板具有集成电源模块和功率因数校正功能，旨在为工业泵和风扇、工业自动化系统和消费电器设计人员设计应用的第一步提供支持。

该评估板基于NFAQ1060L36T（图10），这是一个集成逆变器功率级，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。其中，IGBT采用三相桥式配置，发射极连接与下引脚分离，使得控制算法选择具有最大的灵活性。该功率级具有全面的保护功能，包括跨导保护、外部关断和欠压锁定。连接到过流保护电路的内部比较器和基准允许设计人员设置其保护级别。

NFAQ1060L36T电源集成模块特性总结：

带集成驱动器的三相10 安培/600 伏IGBT 模块紧凑型29.6 mm x 18.2 mm 双列直插式封装内置欠压保护跨导保护ITRIP 输入关断所有IGBT 集成自举二极管和电阻基板温度测量热敏电阻关断断路引脚UL1557认证结论

使用分立IGBT 设计定制电机和逆变器电力电子器件可以满足特定要求，但成本高昂，从长远来看会延迟设计进度。相反，设计人员可以使用现成的IGBT 模块将多个功率器件组合到一个封装中。这些模块使设计人员能够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、降低成本并提高整体性能。

如上所示，设计人员可以使用具有合适IGBT 驱动器的IGBT 模块来开发满足性能和效率标准的低成本、紧凑型电机驱动器和逆变器。

（来源：Digi-Key，作者：Jeff Shepard）