想象一下，我們正在設(shè)計伺服、計算機數(shù)控 (CNC) 或機器人應(yīng)用的下一個功率級。在這種情況下，功率級是低壓直流供電的三相逆變器，電壓范圍為 12 V DC至 60 V DC，額定功率小于 1 kW。該額定電壓涵蓋了通常用于電池供電電機系統(tǒng)或低壓直流供電電機系統(tǒng)中的電池電壓的范圍。最重要的是，你的老板說，“順便說一句，你需要設(shè)計它以在沒有額外冷卻功率級的情況下工作。它必須盡可能小以適應(yīng)目標(biāo)應(yīng)用需求，當(dāng)然還需要低成本?！?/p>

沒問題吧？

好吧，在這種情況下，有一種易于使用的解決方案來設(shè)計逆變器，以滿足這個假設(shè)的（盡管要求很高）老板的需求。

因此，在開始定義指定的功率級、電流檢測和保護電路之前，重要的是要考慮一個非常真實且易于訪問的參考設(shè)計，用于具有智能柵極驅(qū)動器伺服驅(qū)動器的 48V/500W 三相逆變器。

此參考設(shè)計使用高度集成的 IC 實現(xiàn)了小外形尺寸，該 IC 包括三個半橋柵極驅(qū)動器，可實現(xiàn) 100% 占空比操作。從 50 mA 到 2 A 的可選源/灌電流。V DS感測可實現(xiàn)過流保護，防止損壞功率級和電機。V GS握手功能可保護功率級免受由于錯誤的脈寬調(diào)制配置造成的擊穿。

典型的低壓直流饋電伺服驅(qū)動器功率級可以如圖 1 所示進行分區(qū)，該圖基于直流饋電伺服驅(qū)動器功率級模塊。綠色框出的框是模塊。

圖 1：直流饋電伺服功率級

圖 1 中低壓直流饋電伺服驅(qū)動器的覆蓋模塊對系統(tǒng)性能和設(shè)計考慮因素有巨大影響。

通過將故障檢測添加到半橋柵極驅(qū)動器以實現(xiàn) V DS感測和軟關(guān)斷，可以構(gòu)建強大的系統(tǒng)。這些功能允許柵極驅(qū)動器系統(tǒng)檢測典型的過流或短路事件。這樣做無需添加額外的電流感測或硬件電路來啟用死區(qū)時間插入，從而確保 MCU 不會提供錯誤的驅(qū)動信號，這會因直通短路而損壞功率級或電機.

一個考慮因素是優(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。使用 100V 單橋或半橋場效應(yīng)晶體管 (FET) 柵極驅(qū)動器實現(xiàn)這些功能需要額外的有源和無源組件，這會增加物料清單 (BOM) 成本和印刷電路板尺寸，同時通常會降低靈活性修改諸如柵極驅(qū)動強度之類的參數(shù)。在分析系統(tǒng)效率時，電流感測電路、具有低 R DS(on)和低柵極電荷以實現(xiàn)快速開關(guān)的FET 會影響系統(tǒng)效率性能。通常系統(tǒng)設(shè)計人員希望實現(xiàn)功率級 99% 的效率。

為了允許以最小損耗進行連續(xù)相電流檢測，參考設(shè)計中使用了 1mΩ 內(nèi)聯(lián)分流器。選擇電阻值是在精度和效率之間的折衷?？紤]到本參考設(shè)計（專為 ±30Arms）中的分流滿量程電壓為 ±30mV，非隔離式串聯(lián)放大器面臨的主要挑戰(zhàn)是用于系統(tǒng)的寬共模電壓（0V 至 80V）。與 48V 的共模電壓相比，這是一個小信號。因此，需要具有大共模電壓范圍和非常高的直流和交流共模抑制的電流檢測放大器。由于分流阻抗低，具有額外集成固定增益和零偏移的放大器進一步有助于降低系統(tǒng)成本，同時確保高度準(zhǔn)確的電流測量。

一個 100V直流降壓穩(wěn)壓器從直流輸入創(chuàng)建一個中間軌，為柵極驅(qū)動器和負(fù)載點供電。功率級需要以高效率工作以減少自熱，這是滿足行業(yè)工作環(huán)境溫度（通常為 85°C）所必需的?？紤]到這一點，這意味著系統(tǒng)中使用的 IC 需要支持更高的溫度，因為電子設(shè)備總是會有一些溫度升高（自熱）。

伺服驅(qū)動器的參考設(shè)計使用 PMSM 電機在 0 到 500W 的輸出功率范圍內(nèi)進行了測試，電機負(fù)載由測功機控制，如圖 2 所示。 

圖 2：電機驅(qū)動功率級的測試設(shè)置

結(jié)論

三相逆變器參考設(shè)計展示了如何設(shè)計具有低 BOM 數(shù)量、同相電流檢測、故障診斷功能和高效率的緊湊型硬件保護功率級。該參考設(shè)計使用具有降壓穩(wěn)壓器的德州儀器 DRV8350 100V 三相智能柵極驅(qū)動器和具有增強型脈寬調(diào)制抑制的 INA240 80V、低側(cè)/高側(cè)、雙向零漂移電流檢測放大器，這可以優(yōu)化低壓直流饋電功率級。