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聯(lián)鎖高側(cè)和低側(cè)柵極驅(qū)動器

發(fā)布時間:2022-02-24 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】變頻驅(qū)動器(VFD)是工業(yè)自動化機(jī)械的重要組成部分。它們能夠高效地驅(qū)動泵、風(fēng)扇、傳送帶、計(jì)算機(jī)數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人自動化解決方案,有助于降低工廠的總能耗。若VFD發(fā)生故障會直接導(dǎo)致機(jī)器停機(jī),進(jìn)而造成工廠停工和生產(chǎn)損失。因此,VFD的可靠性和魯棒性是機(jī)器制造商和工廠業(yè)主的關(guān)鍵要求。


變頻驅(qū)動器(VFD)是工業(yè)自動化機(jī)械的重要組成部分。它們能夠高效地驅(qū)動泵、風(fēng)扇、傳送帶、計(jì)算機(jī)數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人自動化解決方案,有助于降低工廠的總能耗。若VFD發(fā)生故障會直接導(dǎo)致機(jī)器停機(jī),進(jìn)而造成工廠停工和生產(chǎn)損失。因此,VFD的可靠性和魯棒性是機(jī)器制造商和工廠業(yè)主的關(guān)鍵要求。


圖1所示的三相逆變器結(jié)構(gòu)是VFD的核心,能夠?qū)⒄骱蟮碾娫措妷恨D(zhuǎn)換為輸出到電機(jī)的可變頻率和可變電壓。逆變器的魯棒性是確保VFD魯棒性的關(guān)鍵要素。

三相逆變器的關(guān)鍵組件是絕緣柵雙極晶體管(IGBT)電源開關(guān)(通常集成在單個IGBT模塊內(nèi))和控制IGBT柵極的隔離柵極驅(qū)動器。微控制器(MCU)產(chǎn)生彼此互補(bǔ)的高側(cè)和低側(cè)脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號,在PWM信號轉(zhuǎn)換期間插入死區(qū)時間。該死區(qū)時間確保頂部和底部IGBT柵極信號不會同時為高電平。


MCU硬件故障或電機(jī)控制軟件故障可能導(dǎo)致MCU的高側(cè)和低側(cè)PWM信號鎖存為高電平。結(jié)果通過頂部和底部IGBT的交叉?zhèn)鲗?dǎo),導(dǎo)致直流總線短路。將電流傳感器插入直流總線可檢測過流情況,并通過柵極驅(qū)動器的啟用/禁用管腳或?qū)WM信號驅(qū)動到柵極驅(qū)動器的緩沖器來禁用柵極驅(qū)動器。感測過流和關(guān)機(jī)之間的延遲通常為幾微秒。但是,多次重復(fù)該感測序列會降低IGBT開關(guān)的可靠性和壽命。IGBT開關(guān)為VFD內(nèi)部最昂貴的半導(dǎo)體元件。


但如果兩個柵極驅(qū)動器都沒有響應(yīng)偽PWM序列呢?無需使用額外的外部硬件,使用聯(lián)鎖法即可實(shí)現(xiàn)。


聯(lián)鎖高側(cè)和低側(cè)柵極驅(qū)動器


在圖2所示的這種配置中,高側(cè)驅(qū)動器仿真二極管的陽極連接到低側(cè)驅(qū)動器仿真二極管的陰極。高側(cè)驅(qū)動器仿真二極管的陰極連接到低側(cè)驅(qū)動器仿真二極管的陽極。


聯(lián)鎖高側(cè)和低側(cè)柵極驅(qū)動器

圖2:聯(lián)鎖電路配置


德州儀器在“具有光模擬輸入柵極驅(qū)動器的200-480 VAC驅(qū)動器的三相逆變器參考設(shè)計(jì)”中測試了聯(lián)鎖電路配置的應(yīng)用。


如圖3所示,在正常工作期間,PWM脈沖是互補(bǔ)的,要么正向偏置UCC23513的輸入仿真二極管,要么反向偏置緩沖驅(qū)動電壓為-5 V的隔離柵極驅(qū)動器。高反向電壓UCC23513的仿真二極管可處理聯(lián)鎖配置中出現(xiàn)的反向電壓。而電流控制電容隔離柵極驅(qū)動器不具有高反向電壓處理能力,且不能聯(lián)鎖。在死區(qū)時間內(nèi),仿真二極管兩端的電壓為 0 V。


有目的地插入負(fù)死區(qū)時間可讓您檢查聯(lián)鎖電路對來自MCU的故障PWM信號的響應(yīng)。在圖4中,您可看到,若兩個MCU輸出均為高電平,則柵極驅(qū)動器的輸出為低電平。無論輸入PWM信號如何,高側(cè)和低側(cè)柵極驅(qū)動器的輸出都不會同時變?yōu)楦唠娖?,從而防止交叉?zhèn)鲗?dǎo)。


聯(lián)鎖高側(cè)和低側(cè)柵極驅(qū)動器

表1:聯(lián)鎖操作


您可將傳統(tǒng)的光隔離柵極驅(qū)動器聯(lián)鎖,但它們不能帶來更多的好處,比如更高的工作隔離電壓;更高的共模瞬變抗擾度;在高達(dá)150°C的結(jié)溫下工作,以及諸如較低的傳播延遲和較低的脈沖寬度失真等改進(jìn)的開關(guān)參數(shù)。


UCC23513采用業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的六管腳小外形封裝,您無需任何額外的原理圖或印刷電路板設(shè)計(jì)更改,即可通過簡易交換輕松升級現(xiàn)有VFD中的逆變器。


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