變頻驅動器（VFD）是工業自動化機械的重要組成部分。它們能夠高效地驅動泵、風扇、傳送帶、電腦數控機床和機器人自動化解決方案，有助於降低工廠的總能耗。若VFD發生故障會直接導致機器停機，進而造成工廠停工和生產損失。因此，VFD的可靠性和魯棒性是機器製造商和工廠業主的關鍵要求。
圖1所示的三相逆變器結構是VFD的核心，能夠將整流後的電源電壓轉換為輸出到電機的可變頻率和可變電壓。逆變器的魯棒性是確保VFD魯棒性的關鍵要素。
圖1：帶隔離柵極驅動器的三相逆變器
三相逆變器的關鍵元件是絕緣柵雙極電晶體（IGBT）電源開關（通常集成在單個IGBT模組內）和控制IGBT柵極的隔離柵極驅動器。微控制器（MCU）產生彼此互補的高側和低側脈衝寬度調製（PWM）信號，在PWM信號轉換期間插入死區時間。該死區時間確保頂部和底部IGBT柵極信號不會同時為高電平。
MCU硬體故障或電機控制軟體故障可能導致MCU的高側和低側PWM信號鎖存為高電平。結果通過頂部和底部IGBT的交叉傳導，導致直流匯流排短路。將電流感測器插入直流匯流排可檢測過流情況，並通過柵極驅動器的啟用/禁用管腳或將PWM信號驅動到柵極驅動器的緩衝器來禁用柵極驅動器。感測過流和關機之間的延遲通常為幾微秒。但是，多次重複該感測序列會降低IGBT開關的可靠性和壽命。IGBT開關為VFD內部最昂貴的半導體元件。
但如果兩個柵極驅動器都沒有回應偽PWM序列呢？無需使用額外的外部硬體，使用聯鎖法即可實現。
聯鎖高側和低側柵極驅動器
在圖2所示的這種配置中，高側驅動器模擬二極體的陽極連接到低側驅動器模擬二極體的陰極。高側驅動器模擬二極體的陰極連接到低側驅動器模擬二極體的陽極。
圖2：聯鎖電路配置
德州儀器在“具有光類比輸入柵極驅動器的200-480 VAC驅動器的三相逆變器參考設計”中測試了聯鎖電路配置的應用。
用於200-480 VAC驅動器的三相逆變器參考設計
如圖3所示，在正常工作期間，PWM脈衝是互補的，要麼正向偏置UCC23513的輸入模擬二極體，要麼反向偏置緩衝驅動電壓為-5 V的隔離柵極驅動器。高反向電壓UCC23513的模擬二極體可處理聯鎖配置中出現的反向電壓。而電流控制電容隔離柵極驅動器不具有高反向電壓處理能力，且不能聯鎖。在死區時間內，模擬二極體兩端的電壓為0 V。
圖3：帶聯鎖的正常PWM操作
有目的地插入負死區時間可讓您檢查聯鎖電路對來自MCU的故障PWM信號的響應。在圖4中，您可看到，若兩個MCU輸出均為高電平，則柵極驅動器的輸出為低電平。無論輸入PWM信號如何，高側和低側柵極驅動器的輸出都不會同時變為高電平，從而防止交叉傳導。
圖4：聯鎖電路對來自MCU的故障PWM輸入信號的響應
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MCU PWM輸出 |
柵極驅動器的輸出 |
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高側PWM |
低側PWM |
高側PWM |
低側PWM |
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0 |
0 |
0 |
0 |
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0 |
1 |
0 |
1 |
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1 |
0 |
1 |
0 |
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1 |
1 |
0 |
0 |
表1：聯鎖操作
您可將傳統的光隔離柵極驅動器聯鎖，但它們不能帶來更多的好處，比如更高的工作隔離電壓；更高的共模瞬變抗擾度；在高達150°C的結溫下工作，以及諸如較低的傳播延遲和較低的脈衝寬度失真等改進的開關參數。
UCC23513採用業界標準的六管腳小外形封裝，您無需任何額外的原理圖或印刷電路板設計更改，即可通過簡易交換輕鬆升級現有VFD中的逆變器。
其他資源
• 探索德州儀器的電機驅動器系統產品組合。
• 請參閱白皮書“交流電機驅動器中的隔離：認識IEC 61800-5-1安全標準”，瞭解有關交流電機驅動器隔離的更多資訊。
• 查看德州儀器培訓課程“高壓隔離技術的工作原理”。
• 閱讀電子書：C2000 MCU DesignDRIVE工業電機驅動解決方案
