三相逆變器的寬輸入隔離型igbt柵極驅(qū)動fly-buck電源參考指南

TI參考設(shè) TI參考設(shè) TI參考設(shè)計為您提供了所需的原理、測試和設(shè)計文件， 適用于絕緣柵雙極型晶體管( )柵極驅(qū)動的以便您快速評估和定制系統(tǒng)。TI參考設(shè)計可幫助您縮短 支持六個適用于3相逆變器（每個橋臂采用半橋TIDA- 產(chǎn)品文

置）的柵極驅(qū)動 置輸出：15V和-8V 工具文件 C2000 工具文件請咨請咨詢我們的E2E專家WEBENCH?計算器工

的多輸出式電源解決方案輸出功率：每個極驅(qū)動器ISO5500驅(qū)動基于的高壓DC(HVDC)系該TI參考設(shè)計末尾的重要表述了使用、知識問題和其他重要的免責(zé)和信息AlltrademarksarethepropertyoftheirrespectiveZHCU106AZHCU106A–December2014–RevisedJanuary適用于三相逆變器的寬輸 柵極驅(qū)動Fly-Buck?電1TIDA-00199參考設(shè)計為絕緣柵雙極晶體管()柵極驅(qū)動器提供所需的正負(fù)電壓軌。在變頻驅(qū)動器的三相逆變器中，用于控制交流電機的轉(zhuǎn)速。此參考設(shè)計采用Fly-Buck拓?fù)?，額定輸入工作電壓為非穩(wěn)壓24VDC。Fly-Buck轉(zhuǎn)換器電路可視為一次側(cè)降壓轉(zhuǎn)換器與類似反激轉(zhuǎn)換器的二次側(cè)的組合。式輸出通過變壓器的耦合繞組生成。Fly-Buck具有一次側(cè)穩(wěn)壓功能，無需光電耦合器反饋或輔助繞組即可獲得良好的交叉穩(wěn)壓效果。此參考設(shè)計通過寬輸入恒定導(dǎo)通時間(COT)同步降壓穩(wěn)壓器LM5160實現(xiàn)。此參考24VDC15V–8V輸出，適合為六個柵極驅(qū)動器供而所有底部的電壓軌則組合在一起。便在交替模式下將正負(fù)高壓直流脈沖施加于電機線圈。高功率的運行需要由柵極驅(qū)動器進行控制。每個由單一柵極驅(qū)動器進行驅(qū)動，驅(qū)動器將高壓輸出與低壓控制輸入加以電流。頂部的發(fā)射極浮動，因而必須使用柵極驅(qū)動器。為將高壓電路與低壓控制電路，應(yīng)使用柵極驅(qū)動器來控制底部。 圖1.采用柵極驅(qū)動的3相逆變?yōu)榻档蛯?dǎo)通損耗，15V的電壓，以降低VCE(on) 性非常相似。假設(shè)在完全相同的條件下，當(dāng) 和MOSFET均導(dǎo)通且具有相似的流升與壓降時間時，兩者功能完全相同。但兩者在關(guān)斷狀態(tài)下具有不同的開關(guān)電流波形。開關(guān)結(jié)束時，會有尾電流，而MOSFET則沒有。尾電流由陷入雙極輸出部分基極的少數(shù)22適用于三相逆變器的寬輸 柵極驅(qū)動Fly-Buck?電ZHCU106A–December2014–RevisedJanuary柵極施加負(fù)電壓（–5V至–10V）。壓尖峰。電壓尖峰可能觸發(fā)底部的虛假導(dǎo)通。柵極的負(fù)電壓有助于避免觸發(fā)虛假導(dǎo)通。 所需的功耗非常重要。1中詳細(xì)說明了如何為不同額定功率的變速驅(qū)動器計算柵極驅(qū)動+15+如上文所述，柵極驅(qū)動器用于導(dǎo)通和關(guān)斷 。在這一過程中，驅(qū)動器IC、 路徑中的所有RC+15+-Pgate=Pdriver+(Qgate×fsw×ΔVgate)+(Cge×fsw×ΔV Fsw請注意，1中的第二項代表 柵極電容的功率要求，第三項則表示另一個外部電容（如圖2所 模塊的各項參數(shù)為：1200V、200A（適用于<100kW的器件）、Qgate=1.65開關(guān)頻率 16kHz，位于典型高功率驅(qū)動器的高柵極電壓擺動范圍為–15V至+15V（這些值均為情況下的值， 通常使用15V和–5V/–8V電Cge20nF（1nF20nF之間Pdriver=約600mW（使用柵極驅(qū)動器的典型數(shù)據(jù)表估算所得Pgate=0.6W+0.792W+0.288W= 考慮降額，2中的功率必須向上舍入為 ZHCU106AZHCU106A–December2014–RevisedJanuary適用于三相逆變器的寬輸 柵極驅(qū)動Fly-Buck?電3此參考設(shè)計的主要目的是提供一種能在非穩(wěn)壓輸入電源下工作的電源。此參考設(shè)計提供四組的(15V,–8V)偏置電壓。此電路板設(shè)計用于為三相配置中的六個 提供驅(qū)動器偏置電源：為三個頂部提供三組輸出，輸出電流為100mA，并為所有底部提供一組300mA輸出。每組正負(fù)輸出均由齊納二壓器的尺寸和引腳數(shù)，獲得緊湊的解決方案尺寸(62x62mm)。受齊納二極管鉗制的正電源軌穩(wěn)壓容差很小，可確?？焖賹?dǎo)通。負(fù)電源軌則使柵極-發(fā)射極電壓保持負(fù)電勢，確保 安全關(guān)斷。負(fù)電源軌可防止高功率電機驅(qū)動中的高電壓電流擺幅引起虛假導(dǎo)通。此項設(shè)計采用配置為Fly-Buck穩(wěn)壓器的穩(wěn)壓輸出。LM5160器件集成有高側(cè)和低側(cè)MOSFET，具有4.5V至65V的寬VN范圍及1.5A的輸出電流能力。此設(shè)計可在松散穩(wěn)壓的輸入電壓下工作，并已在20V至30V的輸入電壓范圍內(nèi)通過測試?？稍谒缮⒎€(wěn)壓的直流輸入電壓下工作并有助于調(diào)節(jié)輸出功率的脈寬調(diào)制( 功率 于輔助繞組反饋方式，多個輸出之間的交叉穩(wěn)壓無法獲得最佳效果；而Fly-Buck拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具備固有的一次側(cè)穩(wěn)壓功能，可輕松實現(xiàn)式輸出穩(wěn)壓。整體來說，輸出之間的交叉穩(wěn)壓性能更好。從成本的角度看，通過一個變壓器產(chǎn)生所有軌來為柵極驅(qū)動器饋電，這種方式也大有益處。節(jié)2.2.1和節(jié)2.2.2列出了控制器和變壓器的要求。 適用于三相逆變器的寬輸入式柵極驅(qū)動Fly-Buck?電 ZHCU106A–December2014–RevisedJanuary060023V300060023V3002323V10023V10023V1003TIDA-00199Fly-Buck2504可重新設(shè)計變壓器。較低的電氣間隙和爬電距離值可顯著縮小變壓器的尺寸。ZHCU106AZHCU106A–December2014–RevisedJanuary適用于三相逆變器的寬輸 柵極驅(qū)動Fly-Buck?電5框該驅(qū)動器在滿足所有設(shè)計要求的同時幫助顯著縮短設(shè)計時間。設(shè)計文件包括原理圖、物料(BOM)、層圖、Altium文件、Gerber文件和。圖4所示為框圖。15V1008V15V1008V10015V300UVW8V300MFly24VFly4Fly-Buck轉(zhuǎn)換器），根據(jù)設(shè)計要求和器件規(guī)格進行選型。信息，請參見產(chǎn)品文件夾LM5160±1的輸出電壓調(diào)節(jié)度。導(dǎo)通時間與輸入電壓成反比，從而使開關(guān)頻率接近恒定。66適用于三相逆變器的寬輸 柵極驅(qū)動Fly-Buck?電ZHCU106A–December2014–RevisedJanuaryFly-Buck轉(zhuǎn)換器工

此參考設(shè)計的主要目的是為柵極驅(qū)動偏置電源提供一個高性能、經(jīng)濟高效且易于設(shè)計的式電源解決方案。從根本上說，F(xiàn)ly-Buck是一款在電感上增加耦合繞組的降壓穩(wěn)壓器。耦合繞組可以產(chǎn)生式輸Fly-Buck的工作可分為導(dǎo)通時間和關(guān)斷時間，如圖6所示。+-

Fly-

N=1N=1

N1N

1Na)During b)During

壓器一次側(cè)電流線性上升。一次側(cè)輸出電壓為Vpri=D×VinTOFF期間，二極管處于正向偏置和導(dǎo)通狀組電流的組合，其計算見3：im=ipri+N× ZHCU106AZHCU106A–December2014–RevisedJanuary適用于三相逆變器的寬輸 柵極驅(qū)動Fly-Buck?7t

-n(VIN-

7Fly-Buck基于上述分析，可根據(jù)4得出磁化電流紋波

Vpri1mLm

f LpriDTON/(TONTOFFfswim(peak)=im+?Δim=iopri+(N×iosec)+ 如果涉及多個輸出，則必須通過乘以相應(yīng)的匝數(shù)比，將每個二次側(cè)輸出轉(zhuǎn)換為一次側(cè)輸出-5仍然適88適用于三相逆變器的寬輸 柵極驅(qū)動Fly-Buck?ZHCU106A–December2014–RevisedJanuary

設(shè)置一次側(cè)輸出電一次側(cè)穩(wěn)壓(PSR)。設(shè)置一次側(cè)輸出是Fly-Buck轉(zhuǎn)換器設(shè)計的第一步。最理想的狀態(tài)是占空比低于×VIN，在開始時將一次側(cè)輸出電壓設(shè)置為10V，使得在最小VN=20V時D為50%。然后可以根據(jù)N=VSEC/VPRI=2.3估算變壓器二次側(cè)與一次側(cè)的匝數(shù)比，考慮總共六個 驅(qū)動器，每個驅(qū)動器100mA偏最終的設(shè)計中，一次側(cè)輸出電壓穩(wěn)定在10.5V。87568LM5160變壓器設(shè)和繞組記錄(DCR)壓降；因此，匝數(shù)比應(yīng)略高于2.3。匝數(shù)比也存在受實際繞組匝數(shù)影響的粒度限制。為考慮這種粒度限制，需相應(yīng)調(diào)整一次側(cè)輸出電壓。算在最大VN條件下所需的最小電感，得出Lpri>32μH。(WurthElektronikPQ2020數(shù)相同。一次側(cè)電感為36.5μH。檢查后，峰值電流約為1.74A（根據(jù)5），低于2.1A電流限值。ZHCU106AZHCU106A–December2014–RevisedJanuary適用于三相逆變器的寬輸 柵極驅(qū)動Fly-Buck?電9關(guān)斷功LM5160具有可實現(xiàn)低壓關(guān)斷的欠壓閉鎖(UVLO)引腳，可用作使能功能引腳?？墒褂猛獠侩娐穼⑸蓶艠O驅(qū)動器的正負(fù)偏置電15V–8V15V15V-8V15V輸出還需要mAIC511Ω15V–8V電壓軌高大約15mA。 的導(dǎo)通速度而言非常重要。對于–8V電源軌，免在電機驅(qū)動和高壓逆變器應(yīng)用中由高dv/dt引起的 以保持安全導(dǎo)通。分壓方案的另一個優(yōu)勢在于，能夠靈活設(shè)置正負(fù)電壓電平。與單獨繞組的方法不 適用于三相逆變器的寬輸入式柵極驅(qū)動Fly-Buck?電 ZHCU106A–December2014–RevisedJanuary-8V,100-8V,10021-8V,100

-8V,300ZHCU106A–December2014–RevisedJanuary 適用于三相逆變器的寬輸入式柵極驅(qū)動Fly-Buck?電 單個變壓器為全部三個橋臂供Fly-Buck設(shè)計僅使用一個變壓器為三相逆變器的全部三個橋臂供電（U、V和W）。每個頂部均需要一個驅(qū)動器式偏置電源，而三個底部由于具有公共地電勢，因此可以共用同一偏置電源。因此，需要四對正負(fù)電源軌（總共八個輸出）為三相橋臂的六個供電。表1所示為輸出配置。表1.用于頂部和底部的輸出（全部三個橋臂相UVW 適用于三相逆變器的寬輸入式柵極驅(qū)動Fly-Buck?電 ZHCU106A–December2014–RevisedJanuary測試設(shè)置和24V因此，此處僅顯VCC_BVEE_BVCC_U_TVEE_U_T103C3)代表從VCC_BVEE_B的總電壓，以綠色顯示的通道4(C4)代表從VCC_U_TVEE_U_T的總電壓。VCC_U_TVCC_U_TtoVCC_BtoVCC_U_TtoVCC_Bto1024VIN無負(fù)載啟動（左圖）24VIN滿載啟動（右圖色）為VEE_B（–8V電源軌）。1124VIN無負(fù)載啟動（左圖）24VIN滿載啟動（右圖）VCC_BZHCU106AZHCU106A–December2014–RevisedJanuary適用于三相逆變器的寬輸 柵極驅(qū)動Fly-Buck?電1224VIN無負(fù)載（左圖）24VIN滿載（右圖）圖13.30VIN滿載條件下的U_T輸出二極管電 圖14.30VIN滿載條件下的底部輸出二極管電適用于三相逆變器的寬輸 柵極驅(qū)動Fly-Buck?電ZHCU106A–December2014–RevisedJanuary效效率達到約82%。VV=20VV=24VV=30EE0 .

況。由于U_T、V_TW_T三組輸出彼此對稱，因此僅顯示U_T輸出的穩(wěn)壓狀況。VCCVEE23V16所示，當(dāng)線路和負(fù)載變化時，23V輸出的情況變動低于±4%。15V齊納二極管會鉗制VCC(15V)輸出；因此，在0----

ZHCU106AZHCU106A–December2014–RevisedJanuary適用于三相逆變器的寬輸 柵極驅(qū)動Fly-Buck?24VU_T、V_TW_T為對稱結(jié)構(gòu)，因此這些輸出具有一致的紋波，因此僅顯示U_T17181920中的示波器圖形是交適用于三相逆變器的寬輸 柵極驅(qū)動Fly-Buck?電ZHCU106A–December2014–RevisedJanuary使用ISO5500和進12600E為模擬實際的驅(qū)動測試，在對此參考設(shè)計進試時使用了TI的ISO5500評估模塊(EVM)和1200V。使用TI的PiccoloLaunchPAD?生成驅(qū)動?xùn)艠O的六個16kHz互補信號。這些信號饋送至六個ISO5500（每個均與一個1200V 相連接）。如圖21所示，以半橋形式連接，其輸出處連接有1kΩ負(fù)載。圖22展示了所有電路板的設(shè)置。12600EOnlyonephase

ISO5500-

TIDA-

ISO5500-

圖21.利用TIISO5500和進行TIDA-00199設(shè)計測試所用的設(shè)TIDA-0019922電路板設(shè)置ZHCU106AZHCU106A–December2014–RevisedJanuary適用于三相逆變器的寬輸 柵極驅(qū)動Fly-Buck?電對橋臂施加600V電壓，并由此參考設(shè)計電路板為ISO5500電路板供電，同時測量電壓紋波。圖圖23.15V輸出的紋波（在輸出負(fù)載上dv/dt=5.6×E9 圖24.–8V輸出的紋波（在輸出負(fù)載上dv/dt=5.6×E9 適用于三相逆變器的寬輸 柵極驅(qū)動Fly-Buck?電ZHCU106A–December2014–RevisedJanuary使用電流升壓晶體管（NPN和PNP）為ISO5500的輸出電流升壓，以驅(qū)動。在為內(nèi)部電容充6AVCCVEE2526展示了兩個輸出的相同紋CgCgchargingl5VRipple圖25.(A)6A峰值負(fù)載電流條件下15V輸出上的紋波(B)放大的波CgCgchargingRippleon-lV圖26.(A)6A峰值負(fù)載電流條件下–8V輸出上的紋波(B)放大的波ZHCU106AZHCU106A–December2014–RevisedJanuary適用于三相逆變器的寬輸 柵極驅(qū)動Fly-Buck?電 VCCUSBR1U200P1VCCUSBR1U200P1200V115V01 REFU10i 22 01VEEUVCCVSBR1U200P1200V115V01REFVi5112201VEEVVCCW200V115V22 01 REFW105112201VEEWVCC-8V,100+15V,100-8V,100+15V,100

20V-30 Fsw=250

-8V,100

453

RONUVLO

001 205

001

10.5

SBR1U200P1200V1 BZX84J

+15V,30010 01

845

001

866

15

22

22

01REFii

i

16V14V

1

511 22 22 01

VEE -8V,3002msSoft

Donotpopulate

27TIDA-001992020適用于三相逆變器的寬輸 柵極驅(qū)動Fly-Buck?電ZHCU106A–December2014–RevisedJanuary物要物料(BOM)，請參見TIDA-00199的設(shè)計文件

2.

數(shù)基制造制造商器件型備1印刷電任何一家制造TIDA-已安5C1,C10,C16,C21,已安9C2,C9,C13,C15,C18,C20,C23,C25,C28電容器已安2C3,已安C4,C7,C8,C11,C12,C14,C17,C19,C22,C24,C27,C42已安1已安1已安1已安4D1,D3,D5,BZX84J-SOD-已安4D2,D4,D6,DiodesSBR1U200P1-已安1二極管DiodesSDM10U45-7-SOD-已安2引腳1502-Keystone1502-已安4JB,JUT,JVT,TERM_BLK_ED555-已安1已安ZHCU106AZHCU106A–December2014–RevisedJanuary適用于三相逆變器的寬輸 柵極驅(qū)Fly-Buck電源表2.BOM 數(shù)基制造制造商器件型備1威世達勒(Vishay- 已安10603ERJ-已安4R4,R5,R6,威世達勒(Vishay- 已安2Rfbb,威世達勒(Vishay-已安1威世達勒(Vishay-已安1測試點，微型，紅色已安1Wurth已安1器德州已安1測試點，TH，微型，紅梯形失已安0FID1,FID2,不可不可Fiducial10-未安2222適用于三相逆變器的寬輸 柵極驅(qū)動Fly-Buck?電ZHCU106A–December2014–RevisedJanuaryLM5160由輸入電容、VN引腳和PGND引腳組成的環(huán)路將承載開關(guān)電流。因此，輸入電容必須靠近IC放置，直接跨接在VNPGND引腳的兩端。個引腳必須直接連接，以最大限度減小回路面積。通常情況下，不可能將所有輸入電容都靠近IC放置?？扇〉淖龇ㄊ牵褂?.1μF到LM5160PCB布圖28.頂部覆蓋 圖29.頂部焊接掩ZHCU106AZHCU106A–December2014–RevisedJanuary適用于三相逆變器的寬輸 柵極驅(qū)動Fly-Buck?電圖30.頂 圖31.中間層圖32.中間層 圖33.底圖34.底部焊接掩 圖35.底部覆蓋適用于三相逆變器的寬輸 柵極驅(qū)動Fly-Buck?電ZHCU106A–December2014–RevisedJanuary圖36.頂 圖37.中間層圖38.中間層 圖39.底ZHCU106AZHCU106A–December2014–RevisedJanuary適用于三相逆變器的寬輸 柵極驅(qū)動Fly-Buck?電 402626適用于三相逆變器的寬輸 柵極驅(qū)動Fly-Buck?電ZHCU106A–December2014–RevisedJanuaryTIDU670— ?2014–2015,TexasInstrumentsIncorporated裝配 .asp?doc。德州儀器(TI)，《ISO5500EVM用戶指南》（文獻編號：SLLU136）德州儀器(TI)，《具有4輸出的型 Xiang2012年獲得了中佛羅里達大學(xué)的電力電子博士。SANJAYPITHADIA是德州儀器的系統(tǒng)工程師，負(fù)責(zé)開發(fā)面向工業(yè)電機驅(qū)動領(lǐng)域的子系統(tǒng)設(shè)計解決方案。Sanjay2008TISanjay在模擬設(shè)計、混合信號設(shè)計、工業(yè)接口和電源領(lǐng)域擁有豐富經(jīng)驗。Sanjay擁有孟買VJTI電子工程學(xué)士。ZHCU106AZHCU106A–December2014–RevisedJanuary適用于三相逆變器的寬輸 柵極驅(qū)動Fly-Buck?電修訂歷ChangesfromOriginal(December2014)toA 已更改對1的..........................................................................................................................................................................已更改計算2的...................................................................................................................................................................... Revision ZHCU106A–December2014–RevisedJanuary試。TI也許會對它的參考設(shè)計進行修正、提高、改進和其它改變。客戶被使用具有每個特定參考設(shè)計中確認(rèn)的TI組件的TI參考設(shè)計，并且在他們的終端產(chǎn)品開發(fā)中修改參考設(shè)計。然而，在這里不授予任何其它TI知識的直接或隱含，默許或其它方式的，和任何第技術(shù)或知識的，其中包括但不只限于任何專利權(quán)、版權(quán)、作品權(quán)、或者與采用了TI產(chǎn)品或服務(wù)的任何集成、機器或工藝相關(guān)的知識 。TI所發(fā)布的與第 或與其相關(guān)的保證或認(rèn)可。使用此類信息可能需要獲得第 方面的，或是TI的專 TI參考設(shè)計按“原樣”于參考設(shè)計或者包括精度和完整性在內(nèi)的直接、隱含或者法律規(guī)定的參考設(shè)計的使用，TI不作出任何保證或聲明。TI不對任何隱含的適銷性、針對特定用途的適用性、平靜受益權(quán)、無干擾權(quán)，以及與TI參考設(shè)計或其使用相關(guān)的任何第知識產(chǎn)任何使用或TI參考設(shè)計的客戶使用所造成的此類損壞的可能性，TI都不應(yīng)對此負(fù)責(zé)。TI保留根據(jù)JESD46標(biāo)準(zhǔn),對所提供的半導(dǎo)體產(chǎn)品和服務(wù)進行更正、增強、改進或其它更改的權(quán)限，并根據(jù)JESD48標(biāo)準(zhǔn)中止提供的TI銷售條款與條件。TI保證其所銷售的組件的性能符合產(chǎn)品銷售時TI半導(dǎo)體產(chǎn)品銷售條件與條款的適用TI保證的范圍內(nèi)TI認(rèn)為有必要時才會使用測試或其它質(zhì)量控制技術(shù)。除非適用法律做出了硬性規(guī)定，否則沒有必要對每種產(chǎn)品的所有參數(shù)進試。對于TI、數(shù)據(jù)表或參考設(shè)計中的TI信息，僅在沒有對內(nèi)容進行任何篡改且?guī)в邢嚓P(guān)、條件、限制和的情況下才允許進行復(fù)制。TI對此類篡改過的文件不承擔(dān)任何責(zé)任。第信息可能受到其它限制條件的制約。客戶認(rèn)可并同意，盡管任何應(yīng)用相關(guān)信息或支持仍可能由TI提供，但他們將獨力負(fù)責(zé)滿足與其產(chǎn)品及在其應(yīng)用中使用TI產(chǎn)品相關(guān)的所有法 和安全相關(guān)要求?？蛻? 對TI及其造成的任何損失。足適用的功能安全性標(biāo)準(zhǔn)和要求的終端產(chǎn)品解決方案。盡管如此，此類組件仍然服從這些條款。TI組件未獲得用于FDAClassIII（或類似的生命攸關(guān)醫(yī)療設(shè)備）的，除非各方已經(jīng)達成了專門管控此類使用的特別協(xié)議面向軍事或航空航天TI組件進行軍事或航空航天方面的應(yīng)用，其風(fēng)險由客戶單獨承擔(dān)，并且由客戶獨力負(fù)責(zé)滿足與此類使用相關(guān)的所求，TI將不承擔(dān)任何責(zé)任。MailingAddress:TexasInstr