想象一下，我們正在設(shè)計(jì)伺服、計(jì)算機(jī)數(shù)控 (CNC) 或機(jī)器人應(yīng)用的下一個(gè)功率級(jí)。在這種情況下，功率級(jí)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(jī)系統(tǒng)或低壓直流供電電機(jī)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(jì)它以在沒有額外冷卻功率級(jí)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(jì)逆變器，以滿足這個(gè)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(jí)、電流檢測(cè)和保護(hù)電路之前，重要的是要考慮一個(gè)非常真實(shí)且易于訪問的參考設(shè)計(jì)，用于具有智能柵極驅(qū)動(dòng)器伺服驅(qū)動(dòng)器的 48V/500W 三相逆變器。

此參考設(shè)計(jì)使用高度集成的 IC 實(shí)現(xiàn)了小外形尺寸，該 IC 包括三個(gè)半橋柵極驅(qū)動(dòng)器，可實(shí)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(cè)可實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)，防止損壞功率級(jí)和電機(jī)。V GS握手功能可保護(hù)功率級(jí)免受由于錯(cuò)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(dòng)器功率級(jí)可以如圖 1 所示進(jìn)行分區(qū)，該圖基于直流饋電伺服驅(qū)動(dòng)器功率級(jí)模塊。綠色框出的框是模塊。

圖 1：直流饋電伺服功率級(jí)

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

通過將故障檢測(cè)添加到半橋柵極驅(qū)動(dòng)器以實(shí)現(xiàn) V DS感測(cè)和軟關(guān)斷，可以構(gòu)建強(qiáng)大的系統(tǒng)。這些功能允許柵極驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)檢測(cè)典型的過流或短路事件。這樣做無需添加額外的電流感測(cè)或硬件電路來啟用死區(qū)時(shí)間插入，從而確保 MCU 不會(huì)提供錯(cuò)誤的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，這會(huì)因直通短路而損壞功率級(jí)或電機(jī).

一個(gè)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(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET) 柵極驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)這些功能需要額外的有源和無源組件，這會(huì)增加物料清單 (BOM) 成本和印刷電路板尺寸，同時(shí)通常會(huì)降低靈活性修改諸如柵極驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度之類的參數(shù)。在分析系統(tǒng)效率時(shí)，電流感測(cè)電路、具有低 R DS(on)和低柵極電荷以實(shí)現(xiàn)快速開關(guān)的FET 會(huì)影響系統(tǒng)效率性能。通常系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員希望實(shí)現(xiàn)功率級(jí) 99% 的效率。

為了允許以最小損耗進(jìn)行連續(xù)相電流檢測(cè)，參考設(shè)計(jì)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(jì)（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(gè)小信號(hào)。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(cè)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(jìn)一步有助于降低系統(tǒng)成本，同時(shí)確保高度準(zhǔn)確的電流測(cè)量。

一個(gè) 100V直流降壓穩(wěn)壓器從直流輸入創(chuàng)建一個(gè)中間軌，為柵極驅(qū)動(dòng)器和負(fù)載點(diǎn)供電。功率級(jí)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(diǎn)，這意味著系統(tǒng)中使用的 IC 需要支持更高的溫度，因?yàn)殡娮釉O(shè)備總是會(huì)有一些溫度升高（自熱）。

伺服驅(qū)動(dòng)器的參考設(shè)計(jì)使用 PMSM 電機(jī)在 0 到 500W 的輸出功率范圍內(nèi)進(jìn)行了測(cè)試，電機(jī)負(fù)載由測(cè)功機(jī)控制，如圖 2 所示。 

圖 2：電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率級(jí)的測(cè)試設(shè)置

結(jié)論

三相逆變器參考設(shè)計(jì)展示了如何設(shè)計(jì)具有低 BOM 數(shù)量、同相電流檢測(cè)、故障診斷功能和高效率的緊湊型硬件保護(hù)功率級(jí)。該參考設(shè)計(jì)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(dòng)器和具有增強(qiáng)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(cè)放大器，這可以優(yōu)化低壓直流饋電功率級(jí)。