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。
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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
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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。
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