電機和逆變器的使用在工業自動化、機器人、電動汽車、太陽能、白色家電和電動工具等應用中持續增長。伴隨著這種增長，對提高效率、降低成本、縮小封裝和簡化整體設計的需求也在增加。雖然使用分立式絕緣柵雙極型晶體管 (IGBT) 設計定制電機和逆變器功率電子器件以滿足特定要求很有誘惑力，但從長遠來看，這樣做的成本很高，而且會延誤設計進度。

相反，設計人員可以使用現成的IGBT模塊，將多個功率器件組合到一個封裝中。此類模塊支持設計人員以最少的互連來開發緊湊的系統，從而簡化組裝，縮短上市所需時間，降低成本，并提高整體性能。配套使用合適的IGBT驅動器，使用IGBT模塊就可以開發出高效、低成本的電機驅動裝置和逆變器。

本文先簡要介紹電機和逆變器以及相關驅動電路和性能要求，然后回顧使用IGBT模塊的優點和各種模塊封裝標準，最后介紹基于NXP Semiconductors 、Infineon Technologies、 Texas Instruments、 STMicroelectronics 和 ON Semiconductor等廠商的IGBT模塊和驅動器IC的電機驅動和逆變器設計方案，以及如何應用這些方案，包括評估板的使用。

電機類型和效率標準

IEC/EN 60034-30將電機效率分為IE1至IE5五個等級。美國電氣制造商協會(NEMA) 從“標準效率”到“超高效率”都有相應的評級標準(圖1)。為了達到更高的效率標準，使用電子驅動是必要的。采用電子驅動的交流感應電機可以滿足IE3和IE4的要求。為了達到IE5的效率水平，需要組合使用成本較高的永磁電機和電子驅動。

圖 1：根據 IEC/EN 60034-30(IE1至IE5)的電機效率等級和相應的NEMA等級(標準效率至超高效率)。采用FOC和電子驅動的交流感應電機可以滿足IE3和IE4級要求。要滿足IE5級效率水平需要使用永磁電機。(圖片來源：ECN)

低成本微控制器 (MCU) 的發展能夠讓設計人員使用上矢量控制技術——亦稱磁場定向控制(FOC)。這是一種變頻驅動 (VFD) 控制方法，其中三相交流電機的定子電流被視為兩個正交分量，可以用矢量可視化。比例積分(PI) 控制器可用于將被測電流分量保持在其所需要的值。VFD的脈寬調制根據作為PI電流控制器輸出的定子電壓基準來定義晶體管的開關。

FOC最初是為高性能系統而開發的，但由于FOC的電機尺寸較小、成本較低和功耗較低，因此對低成本應用也越來越有吸引力。由于低成本高性能MCU的不斷推出，FOC不斷取代性能較低的單變量標量每赫茲伏特 (V/f) 控制。

目前使用的永磁電機主要有兩種，即無刷直流 (BLDC) 和永磁同步電機(PMSM)。這兩種先進的電機設計都需要電力電子裝置進行驅動和控制。

無刷直流電機耐用、高效、成本低。PMSM電機具有無刷直流電機的特性，但噪音更低，效率更高。這兩種類型的電機通常與霍爾傳感器一起使用，但也可用于無傳感器設計。PMSM電機用于要求最高性能級別的應用，而BLDC電機則用于對成本更敏感的設計。

BLDC電機

更容易控制(6步)，且只需要直流電流

換向時有轉矩波動

成本較低，性能較低(與PMSM相比)

PMSM電機

常用于帶集成軸編碼器的伺服驅動

控制更復雜(需要三相正弦PWM)

換向時無轉矩波動

效率更高，扭矩更大

成本更高，性能更強(與BLDC相比)

逆變器概述

逆變器的效率表示輸出端有多少直流輸入功率轉換為交流功率。優質正弦波逆變器可提供90-95%的效率。質量較低的修正正弦波逆變器比較簡單，價格較低，效率也較低，一般為75-85%。高頻逆變器通常比低頻設計更有效率。逆變器的效率還取決于逆變器負載(圖2)。所有逆變器都需要電力電子驅動和控制。

以光伏逆變器為例，有三種效率評級類型：

NO.1 峰值效率

表示逆變器在最佳功率輸出時的性能。它顯示了某一特定逆變器性能曲線的最高點，可以作為其質量評判標準使用(圖2)。

NO.2 歐洲效率

考慮逆變器在不同功率輸出下使用頻繁程度的加權數字。它有時比峰值效率更有用，因為它顯示了逆變器在太陽日期間不同輸出水平的表現。

NO.3 加州能源委員會(CEC)效率

這也是一種加權效率，類似于歐洲效率，但它使用的加權系數假設不同。

歐洲效率和CEC效率的主要區別在于，前者是基于中歐的數據，后者是基于加州的數據。對于特定逆變器來說，每個功率水平的重要性假設是不同的。

圖2：顯示峰值效率點的典型逆變器效率曲線。(圖片來源：賓夕法尼亞州立大學)

IGBT基礎知識

IGBT的基本功能是以盡可能低的損耗最快地切換電流。IGBT是絕緣柵雙極晶體管的英文編寫。顧名思義，IGBT是一種具有絕緣柵結構的雙極型晶體管，柵極本身基本上就是一個MOSFET。因此，IGBT結合了雙極型晶體管的高載流能力和高阻斷電壓的優點，以及MOSFET的電容、低功耗控制的優點。圖3描述了MOSFET和雙極型晶體管如何組合成IGBT。

圖3：IGBT的概念結構展示了構成絕緣柵的MOSFET和作為功率處理部分的雙極晶體管結構。(圖片來源：Infineon Technologies)

IGBT的基本操作很簡單：從柵極(圖3中的G)到發射極 (E) 施加正電壓UGE接通 MOSFET。然后，連接到集電極 (C) 的電壓就可以驅動基極電流通過雙極型晶體管和 MOSFET;雙極型晶體管導通，然后負載電流就可以流動。電壓UGE≤0伏時關閉MOSFET，基極電流中斷，雙極晶體管同時關閉。

雖然概念上很簡單，但由于實際器件和電路中存在許多性能上的細微差別，開發控制IGBT的硬件(柵極驅動器)可能是一項復雜的任務。大多數時候是沒有必要的。半導體制造商提供了許多合適的柵極驅動器，作為集成解決方案，具有多種功能和能力。因此，為IGBT模塊配套合適的柵極驅動器非常重要。

IGBT模塊有多種封裝類型(圖4)。最大規格的額定電壓為3,300伏或以上，設計用于兆瓦級裝置，如可再生能源系統、不間斷電源和超大型電機驅動。中型模塊的額定電壓通常為600至1700伏，適用于各種應用，包括電動汽車、工業電機驅動和太陽能逆變器。

圖4：IGBT模塊提供多種封裝。典型額定電壓范圍為600伏至3300伏。(圖片來源：Fuji Electric)

最小的器件被稱為集成功率模塊，額定電壓為600伏，可包括內置柵極驅動器和其他組件，用于小型工業系統和消費類白色家電中的電機驅動。與其他類型的功率開關元件相比，IGBT實現了更高的功率水平和更低的開關頻率(圖5)。

圖5：常用功率開關器件的功率范圍與開關頻率對照(圖片來源：Infineon Technologies)

用于牽引逆變器的IGBT模塊評估板

針對高壓牽引逆變器設計人員，NXP Semiconductors提供了采用其MC33GD3100A3EK半橋柵極驅動器IC的FRDMGD3100HBIEVM柵極驅動器電源管理評估板。該評估板是專門為配套使用Infineon的FS820R08A6P2BBPSA1 IGBT模塊而設計的(圖6)。它是一個完全的解決方案，包括半橋柵極驅動IC、DC Link電容器和用于連接提供控制信號的PC的轉換器板。目標應用包括：

電動汽車牽引電機和高壓DC/DC轉換器

電動汽車車載充電器和外部充電器

其他高壓交流電機控制應用

圖6：NXP的FRDMGD3100HBIEVM柵極驅動器電源管理評估板連接到了Infineon的FS820R08A6P2BBPSA1 IGBT模塊，同時顯示了MC33GD3100A3EK、半橋柵極驅動器IC、DC Link電容器和用于連接提供控制信號的PC的轉換器板的位置。(圖片來源：NXP Semiconductors)

用于150mm x 62mm x 17mm IGBT模塊的驅動器

針對電機驅動器、太陽能逆變器、HEV和EV充電器、風力渦輪機、運輸和不間斷電源系統的設計人員，TexasInstruments開發了ISO5852SDWEVM-017(圖7)。它是一款緊湊的雙通道隔離柵極驅動器板，為采用標準150mm × 62mm × 17mm 封裝的通用半橋碳化硅 (SiC) MOSFET和硅IGBT模塊提供所需的驅動、偏置電壓、保護和診斷功能。TI的這款EVM基于ISO5852SDW5,700Vrms增強型隔離驅動器IC，采用SOIC-16DW封裝，具有8.0mm的爬電距離和間隙。該EVM包括基于SN6505B的隔離式DC/DC變壓器偏置電源。

圖7：安裝在150mm × 62mm IGBT模塊頂部的TexasInstruments ISO5852SDWEVM-017雙通道隔離柵極驅動器板。(圖片來源：TexasInstruments)

智能電源模塊評估板

STMicroelectronics提供的STEVAL-IHM028V2 2,000瓦三相電機控制評估板(圖8)采用了STGIPS20C60 IGBT智能電源模塊。該評估板是一款DC/AC逆變器，可產生用于驅動HVAC(空調)、白色家電和高端單相電動工具中的感應電機或PMSM電機等三相電機的波形，最大功率可達2000瓦。設計人員可以使用該EVB來實現三相交流電機的FOC設計。

該EVM的主要部分是一個通用、經過充分評估的密集型設計，由一個采用SDIP25L封裝的基于600伏IGBT智能電源模塊的三相逆變器橋組成，安裝在散熱器上。該智能電源模塊將所有功率IGBT開關與續流二極管和高壓柵極驅動器集成在一起。這種集成度可以節省PCB空間和裝配成本，并有助于提高可靠性。該板設計成兼容單相電源，從90至285伏交流電供電，也兼容125至400伏的直流輸入。

圖8：帶FOC的STMicroelectronicsSTEVAL-IHM028V2產品評估板。該板可用于評估如HVAC(空調)、白色家電和高端單相電動工具等廣泛的應用。(圖片來源：STMicroelectronics)

可處理多種電機類型的850瓦評估板

On Semiconductor提供的SECO-1KW-MCTRL-GEVB評估板能夠讓設計人員通過使用包括FOC在內的各種控制算法來控制不同類型的電機(交流感應電機、PMSM、BLDC)，具體是通過Arduino Due針座連接的微控制器來實現的(圖9)。該板旨在與Arduino DUE(兼容針座)或帶有MCU的類似控制器板一起使用。該板帶有集成功率模塊和功率因數校正，推出的目的是為了在設計應用的第一步就給開發人員提供支持，供工業泵和風機、工業自動化系統和消費電器的設計人員使用。

圖9：On Semiconductor SECO?1KW?MCTRL?GEVB評估板框圖(圖片來源：On Semiconductor)

該評估板基于NFAQ1060L36T(圖10)，是由一個高壓驅動器、六個IGBT和一個熱敏電阻組成的集成逆變器功率級，適用于驅動PMSM、BLDC和交流感應電機。其中IGBT采用三相橋式配置，發射極連接與下管腳分開，在控制算法選擇上具有最大的靈活性。該功率級具有全方位的保護功能，包括交叉傳導保護、外部關斷和欠壓鎖定功能。連接到過流保護電路的內部比較器和基準允許設計人員設置其保護級別。

圖10：On Semiconductor的NFAQ1060L36T功率集成模塊功能框圖(圖片來源：On Semiconductor)

NFAQ1060L36T功率集成模塊特性匯總：

三相10安培/600伏IGBT模塊，帶集成驅動器

緊湊的29.6mmx 18.2mm雙直列封裝

內置欠壓保護

交叉傳導保護

ITRIP輸入關斷所有IGBT

集成自舉二極管和電阻器

基底溫度測量熱敏電阻

關斷引腳

UL1557認證

本文小結

使用分立式IGBT設計定制電機和逆變器功率電子器件可以滿足特定要求，但從長遠來看，成本很高且會延誤設計進度。相反，設計人員可以使用現成的IGBT模塊，將多個功率器件組合到一個封裝中。此類模塊支持設計人員以最少的互連來開發緊湊的系統，從而簡化組裝，縮短上市所需時間，降低成本，并提高整體性能。

如上所示，設計人員可以將IGBT模塊與合適的IGBT驅動器一起使用，來開發符合性能和效率標準的低成本、緊湊型電機驅動裝置和逆變器。

審核編輯：湯梓紅