德州仪器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。该项技术由德州仪器研发。

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。

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

立即下载设计

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。

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。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。

MCU PWM输出		栅极驱动器的输出
高侧PWM	低侧PWM	高侧PWM	低侧PWM
0	0	0	0
0	1	0	1
1	0	1	0
1	1	0	0

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。

审核编辑：汤梓红