如何简化48V至60V直流馈电三相逆变器设计？

想象一下，您正在设计伺服、计算机数控（CNC）或机器人应用的下一个功率级。这种情况下，功率级是低压直流馈电三相逆变器，电压范围为12 VDC到60 VDC ，额定功率小于1 kW。该额定电压涵盖通常用于电池供电马达系统或低压直流馈电马达系统中的电池电压的范围。另外，您可能还要满足这样的要求：在无需额外冷却功率级的情况下设计这个产品。它必须尽可能小，以满足目标应用程序的需求，当然它需要低成本。

那么，在这种情况下，想出一个可接受的解决方案来设计一个满足这个假设（虽然要求很高）的逆变器，从而满足以上要求。

因此，在开始定义指定的功率级、电流检测和保护电路之前，考虑采用智能栅极驱动器伺服驱动器的48V/500W三相逆变器参考设计非常重要，该参考设计极其实用且易于理解。

该参考设计采用高度集成的IC实现了小尺寸要求，包括三个具有100％占空比工作的半桥栅极驱动器。可选的源/汇电流从50 mA到2 A不等。VDS传感可实现过流保护，防止损坏功率级和马达。由于错误的脉冲宽度调制配置，VGS握手功能可保护功率级免受射穿。

典型的低压直流馈电伺服驱动功率级可如图1所示进行分区。图1基于直流馈电伺服驱动功率级模块。绿框所示为模块。

图 1：直流馈电伺服功率级

图1中低压直流馈电伺服驱动器的涵盖模块对系统性能有很大影响，并影响设计考虑因素。

通过将故障检测添加到半桥栅极驱动器以实现VDS传感和软关断，可以构建稳健的系统。这些功能允许栅极驱动器系统检测典型的过流或短路事件。这样做可在不增加额外的电流传感或硬件电路的情况下实现死区时间插入，从而确保MCU无法提供错误的驱动信号，这可能会导致功率级或马达因短路而导致损坏。

一个考虑因素是优化效率，以降低散热器和辐射发射（EMI）与开关速度的成本。通过100 V单桥或半桥场效应晶体管（FET）栅极驱动器实现这些功能需要额外的有源和无源元件，这会增加物料清单（BOM）成本和印刷电路板尺寸，同时通常会降低修改栅极驱动强度等参数的灵活性。在分析系统效率时，电流传感电路、具有低DS(on)和低栅极电荷的FET能够实现快速切换，从而影响系统效率性能。通常，系统设计人员希望实现功率级99%的效率。

为实现损耗最小的连续相电流检测，参考设计中使用了1mΩ的在线分流器。选择电阻值作为精度和效率之间的折衷。非隔离式在线放大器面临的主要挑战是系统使用的宽共模电压（0V至80V），这考虑到该参考设计中的分流满量程电压为±30mV（设计为±30Arms）。与48V的共模电压相比，这是一个小型信号。因此，需要具有大共模电压范围和极高DC和AC共模抑制的电流传感放大器。由于低并联阻抗，具有额外集成固定增益和零偏移的放大器进一步有助于降低系统成本，同时确保高度精确的电流测量。

100-VDC降压稳压器可从直流输入产生中间轨，为栅极驱动器和负载点供电。功率级需要高效工作以减少自热，这样才能满足工业环境温度（通常为85°C）。考虑到这一点，这意味着系统中使用的集成电路需要支持更高的温度，因为电子设备总是会出现一些温升（自热）情况。

伺服驱动器的参考设计使用PMSM马达在0至500W输出功率下进行测试。马达负载由测功器控制，如图2所示。

图 2：马达驱动功率级的测试设置

结论

具有智能栅极驱动器参考设计的48V/500W三相逆变器用于伺服驱动器，展示了如何设计具有低BOM数、同相电流检测、故障诊断功能和高效率的紧凑型硬件保护功率级。这是通过德州仪器的DRV8530100V三相智能栅极驱动器实现的，该驱动器具有降压稳压器和INA240具有增强的PWM抑制性能的80V、低/高侧、双向、零漂移、电流传感放大器，这可实现低电平优化 - 电压直流馈电功率级。