摘要：隨著商用空調(diào)壓縮機(jī)的單機(jī)功率的不斷上升，傳統(tǒng)IPM方案受到的限制愈加明顯，包括1200V IPM可選型號(hào)有限、不同廠家的pin腳兼容性差、且價(jià)格昂貴。本文研究設(shè)計(jì)了一種新的硬件方案，基于廣泛采用的IGBT模塊和磁隔離驅(qū)動(dòng)IC實(shí)現(xiàn)，通過IGBT模塊內(nèi)置NTC以及隔離型驅(qū)動(dòng)IC的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，提供給系統(tǒng)更準(zhǔn)確的溫度保護(hù)與短路保護(hù)，提高了系統(tǒng)可靠性及設(shè)計(jì)自由度，降低了系統(tǒng)成本，同時(shí)也為系統(tǒng)更大功率的平臺(tái)化設(shè)計(jì)提供了新的思路。該設(shè)計(jì)核心器件采用英飛凌EconoPIM IGBT模塊和1ED020112-F2驅(qū)動(dòng)IC實(shí)現(xiàn)，并通過實(shí)際商用空調(diào)系統(tǒng)得到驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：商用空調(diào)；IGBT模塊；磁隔離驅(qū)動(dòng)IC

1 引言

按照國(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn)，商用空調(diào)是3HP以上空調(diào)機(jī)組的統(tǒng)稱。近年來，變頻空調(diào)技術(shù)已日趨成熟。隨著永磁同步壓縮機(jī)技術(shù)的發(fā)展，壓縮機(jī)的單機(jī)功率呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，與之相應(yīng)的空調(diào)變頻化設(shè)計(jì)也從小功率的單相220V供電的家用空調(diào)系統(tǒng)，向較大功率的三相380V戶用中央空調(diào)與商用空調(diào)系統(tǒng)延伸。尤其以多聯(lián)機(jī)空調(diào)機(jī)組為代表，其變頻率超過了90%。隨著空調(diào)系統(tǒng)功率段的提升，對(duì)逆變器硬件電路的設(shè)計(jì)也提出新的要求與挑戰(zhàn)。在中大功率的應(yīng)用中，對(duì)功率器件的溫度檢測(cè)與系統(tǒng)可靠性的要求也隨之提高。本文以用于10HP商用空調(diào)的壓縮機(jī)逆變器為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了一種新的硬件電路實(shí)現(xiàn)方案，采用英飛凌公司的IGBT模塊FP35R12KT4和磁隔離型驅(qū)動(dòng)IC搭建逆變電路進(jìn)行驗(yàn)證，并與實(shí)際的商用空調(diào)軟件系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)機(jī)測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果證明新的驅(qū)動(dòng)電路可以提高系統(tǒng)可靠性，并且IGBT模塊具有更大的結(jié)溫余量，可以簡(jiǎn)化散熱設(shè)計(jì)。同時(shí)，采用IGBT模塊的主逆變方案，為空調(diào)廠家應(yīng)對(duì)壓縮機(jī)單機(jī)功率的提升，保持硬件電路平臺(tái)化設(shè)計(jì)，提供了更大的靈活度。

2 逆變器硬件電路設(shè)計(jì)

與典型的變頻空調(diào)逆變方案類似，三相兩電平逆變結(jié)構(gòu)是變頻商用空調(diào)逆變器的主流設(shè)計(jì)。在小功率的家用變頻空調(diào)設(shè)計(jì)中（3HP以下，單相220V輸入），普遍采用集成了功率IGBT與驅(qū)動(dòng)芯片的IPM進(jìn)行設(shè)計(jì)。而隨著壓縮機(jī)技術(shù)的發(fā)展，商用空調(diào)壓縮機(jī)的單機(jī)最大功率從10HP、12HP發(fā)展到16HP、22HP，逆變器額定輸出電流也由之前的20A，提高到35A、50A，市場(chǎng)上可供選擇的IPM已經(jīng)非常有限，且價(jià)格昂貴。集成三相整流橋與逆變橋的IGBT模塊，其標(biāo)稱電流能力從25A到100A，適應(yīng)于逆變器不同功率段統(tǒng)一平臺(tái)化設(shè)計(jì)的需求，且成本優(yōu)勢(shì)明顯。

由于直流母線上有大電容的存在，在整流橋輸入上電瞬間，電容兩端相當(dāng)于短路狀態(tài)，且其兩端電流突變，這樣就需要有預(yù)充電電路，防止電源接通瞬間的浪涌電流對(duì)整流部分的沖擊。本設(shè)計(jì)采用的直流母線預(yù)充電電路如圖1所示，熱敏電阻在上電瞬間對(duì)電容充電電流進(jìn)行限制，當(dāng)電容組的端電壓達(dá)到母線電壓90%后，將預(yù)充電支路旁路掉。

圖1 直流母線預(yù)充電電路

2.1 IGBT模塊外圍采樣電路設(shè)計(jì)

2.1.1電流采樣電路設(shè)計(jì)

由于空調(diào)壓縮機(jī)內(nèi)部的高溫、腐蝕性環(huán)境無法安裝位置傳感器， 壓縮機(jī)逆變器需要采用無位置傳感器的控制方法。在無傳感器控制方法中，電動(dòng)機(jī)相電流有效檢測(cè)是提高控制性能的重要環(huán)節(jié)。常見三種不同的采樣方式，如圖2所示。

圖2 空調(diào)壓縮機(jī)逆變器常見的電流采樣方式

這三種不同的采樣方式的特點(diǎn)分別如下：

1）線電流采樣：所見即所得，無需重構(gòu)，但成本最高（需要隔離或電平轉(zhuǎn)換）。

2）橋臂電流采樣：復(fù)雜度中等，易于重構(gòu)，成本適中。但三電阻需要較大的PCB 布板面積并造成一定的電路損耗，且不適合下橋臂不開放的智能功率模塊IPM 的應(yīng)用場(chǎng)合。

3）負(fù)母線單電阻電流采樣：其基本原理是，在SVPWM 控制系統(tǒng)中，當(dāng)使用非零的基本矢量時(shí)，根據(jù)逆變橋開關(guān)狀態(tài)可以通過測(cè)量直流母線的瞬時(shí)電流來重構(gòu)電動(dòng)機(jī)的相電流。其時(shí)序復(fù)雜，重構(gòu)困難，成本最低。

在變頻空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，由于系統(tǒng)成本的限制，單電阻采樣方式越來越受到歡迎。在本設(shè)計(jì)中，為了適應(yīng)不同控制策略的控制板聯(lián)合調(diào)試的需要，在硬件電路上，同時(shí)配置線電流采樣和負(fù)母線電流采樣的霍爾傳感器元件，如圖3所示。

圖3 電流采樣電路示意

2.1.2電壓采樣電路設(shè)計(jì)

在空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，通常需要進(jìn)行母線過欠壓保護(hù)，可以采用簡(jiǎn)單的電阻分壓電路，以及進(jìn)行電壓信號(hào)的采樣。為防止干擾 ，采用差分方式進(jìn)行采樣，如圖4所示。

圖4 電壓采樣電路示意

2.2 驅(qū)動(dòng)部分電路設(shè)計(jì)

在中大功率的應(yīng)用中，由于系統(tǒng)電流等級(jí)的提高，為實(shí)現(xiàn)可靠的系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，IGBT驅(qū)動(dòng)部分的設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵。

在變頻空調(diào)逆變器的應(yīng)用中，如前文所述，單電阻電流采樣的方式越來越受到歡迎，由于負(fù)母線采樣電阻或者電流傳感器的引入，理想化的最小驅(qū)動(dòng)環(huán)路在實(shí)際系統(tǒng)中較難實(shí)現(xiàn)， IGBT的驅(qū)動(dòng)部分電路，跨過了采樣電阻引入的環(huán)路，雜散電感不可忽視。空調(diào)逆變器通常采用的IPM模塊中，使用熱地連接的不隔離型驅(qū)動(dòng)IC，并采用0V驅(qū)動(dòng)電壓關(guān)斷IGBT。在小功率系統(tǒng)中，由于負(fù)載電流小，通過優(yōu)化電路設(shè)計(jì)，寄生效應(yīng)所帶來的影響通常不太明顯。而在商用空調(diào)的應(yīng)用中，隨著電流等級(jí)的提高，驅(qū)動(dòng)信號(hào)的誤動(dòng)作往往不可忽視。

以一個(gè)橋臂為例，進(jìn)行分析。如圖5所示，在上管T1開通過程中，D2上的續(xù)流電流向T1換向，二極管的反向恢復(fù)電流變化產(chǎn)生－diC2/dt，位移電流通過下管T2驅(qū)動(dòng)環(huán)路的雜散電感LσE2，會(huì)產(chǎn)生電壓vσE2=－LσE2*(diC2/dt)，將E端參考電位拉到負(fù)。當(dāng)感應(yīng)電壓超過IGBT的門極閾值電壓VGEth，會(huì)有誤導(dǎo)通的風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 雜散電感在E極上引起的感應(yīng)電壓

門極誤導(dǎo)通，不光與環(huán)路的雜散電感影響有關(guān)，也與IGBT的米勒電容有關(guān)。同樣以半橋電路為例進(jìn)行分析，在圖6中，下橋臂IGBT開通過程中，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很高的瞬態(tài)電壓變化dvCE/dt，它會(huì)引起一個(gè)位移電流iCG的流動(dòng)，

iCG對(duì)上橋臂IGBT的門極-集電極寄生電容CCG進(jìn)行充電。電容CCG和CGE形成一個(gè)容性分壓器，圖6示例了電流iCG流經(jīng)IGBT米勒電容的路徑。

電流iCG流經(jīng)米勒電容、門極串聯(lián)電阻、CGE與直流母線。這個(gè)電流在門極電阻兩端產(chǎn)生電壓差，

VGE=(RDriver+Rgon/off+RGint)*iCG

如果該電壓差超過IGBT的門極閾值電壓VGEth, 就將引起IGBT的寄生導(dǎo)通。

圖6 位移電流經(jīng)過IGBT米勒電容的路徑

圖7給出了實(shí)際應(yīng)用中觀測(cè)到的，0V關(guān)斷時(shí)可能引起的門極誤觸發(fā)信號(hào)的實(shí)例。

圖7 0V關(guān)斷可能引起的門極誤觸發(fā)

通常有四種方法來解決以上問題：

1）改變門極電阻：增加門極開通電阻RGon可以減少IGBT開通時(shí)的di/dt與dv/dt，但是會(huì)增加開通損耗。減少關(guān)斷電阻RGoff，可以降低由米勒電容引起的門極誤動(dòng)作；但是雜散電感所帶來的門極效應(yīng)，需要通過增加關(guān)斷電阻RGoff來降低。并且，關(guān)斷電阻的減少，同時(shí)要兼顧IGBT關(guān)斷時(shí)的電壓過沖。

2）增加G-E間電容：在門極與發(fā)射極之間外加電容，可以限制米勒電流，同時(shí)因?yàn)镚-E間增加電容，總輸入電容增大，門極充電要達(dá)到門極驅(qū)動(dòng)的閾值電壓需要更多的電荷。增加Cge后，驅(qū)動(dòng)電源所需功耗增加，相同的門極驅(qū)動(dòng)電阻情況下IGBT的開關(guān)損耗也會(huì)增加。

3）采用負(fù)壓關(guān)斷：IGBT模塊的驅(qū)動(dòng)電路中，采用門極負(fù)電壓來安全關(guān)斷，是很典型的運(yùn)用。但在變頻空調(diào)逆變器，通常使用的IPM，內(nèi)部采用熱地連接的非隔離驅(qū)動(dòng)IC，無法實(shí)現(xiàn)負(fù)壓關(guān)斷。

4）有源米勒鉗位：在空調(diào)逆變?cè)O(shè)計(jì)中，從成本考量，往往使用0V關(guān)斷。為了避免Rg與Cge優(yōu)化所帶來的損耗折中問題，還有一種防止0V關(guān)斷時(shí)門極誤動(dòng)作的方法是有源米勒鉗位技術(shù)。其實(shí)現(xiàn)方法是，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)處于關(guān)斷時(shí)序的IGBT的門極信號(hào)，當(dāng)它達(dá)到某個(gè)值時(shí)，通過低阻抗回路將門極拉至0V。圖8所示為集成有源米勒鉗位功能的驅(qū)動(dòng)芯片的功能示意圖。

圖8 驅(qū)動(dòng)芯片有源米勒鉗位功能示意

本設(shè)計(jì)中采用隔離型驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行IGBT驅(qū)動(dòng)部分的電路設(shè)計(jì)，具有負(fù)電壓關(guān)斷與有源米勒鉗位的功能配置，提供給用戶更靈活的選擇，具體外圍電路設(shè)計(jì)如圖9所示。

圖9 驅(qū)動(dòng)芯片外圍電路設(shè)計(jì)圖

在商用空調(diào)的設(shè)計(jì)中，往往會(huì)考慮短路帶來的可靠保護(hù)問題。在IPM中短路與過流保護(hù)的實(shí)現(xiàn)，都是根據(jù)負(fù)母線電流檢測(cè)或者下橋臂電流檢測(cè)，通過內(nèi)部集成的驅(qū)動(dòng)芯片上的一個(gè)Itrip引腳來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)檢流電阻上的電流超過設(shè)定閥值時(shí)，關(guān)斷所有6路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。這種保護(hù)方式只能針對(duì)整個(gè)逆變系統(tǒng)，但對(duì)于具體的短路位置則沒有反饋。由于電流檢測(cè)本身有濾波加上IPM內(nèi)部傳輸延時(shí)，這樣的保護(hù)方式對(duì)于橋臂直通短路中電流的迅速變化，往往無能為力。

本設(shè)計(jì)中使用的驅(qū)動(dòng)芯片1ED020I12-F2，針對(duì)每個(gè)IGBT在短路瞬間的退飽和狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)更有針對(duì)性地短路保護(hù)，并且在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，將短路與過流兩種不同的保護(hù)機(jī)制分開，更有效地提高系統(tǒng)控制的準(zhǔn)確性與可靠性。同時(shí)，由于1ED芯片內(nèi)部還集成有Vge鉗位功能，避免了通常可見的短路時(shí)門極由于di/dt影響造成的電位上漂，保證了IGBT有效的短路安全工作區(qū)。

2.3 溫度檢測(cè)與保護(hù)電路設(shè)計(jì)

在中大功率應(yīng)用中，功率逆變器部分的散熱性能是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的另一個(gè)關(guān)注重點(diǎn)。隨著系統(tǒng)功率密度的不斷提高，近年來對(duì)于如何準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)溫度的檢測(cè)與保護(hù)引起廣泛的探討。本設(shè)計(jì)所選用的IGBT模塊FP35R12KT4，在設(shè)計(jì)初期，根據(jù)10HP壓縮機(jī)額定輸出電流19A以及通用的開關(guān)頻率5kHz應(yīng)用條件，在英飛凌的在線損耗與溫度仿真平臺(tái)IPOSIM下進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明，該模塊可以在55°C的環(huán)境溫度工況下，使用典型的風(fēng)冷散熱條件，IGBT模塊所達(dá)到的最高工作結(jié)溫為105°C，系統(tǒng)可以安全可靠的工作且留有很大的安全余量。

本設(shè)計(jì)采用的IGBT模塊中， IGBT/續(xù)流二極管芯片與熱敏電阻NTC安裝在同一塊DCB上，如圖10所示。IGBT與二極管芯片的損耗所產(chǎn)生的熱量一方面通過縱向的散熱路徑耗散，另一方面熱量通過DCB與基板橫向耦合影響內(nèi)部熱敏電阻NTC。如果在設(shè)計(jì)中能夠事先測(cè)得NTC溫度與芯片實(shí)際結(jié)溫之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，就能夠通過測(cè)量NTC的溫度，來推測(cè)IGBT芯片的平均結(jié)溫，從而根據(jù)設(shè)計(jì)余量自行設(shè)定系統(tǒng)的溫度保護(hù)點(diǎn)。

圖10 IGBT模塊中，芯片與NTC安裝位置示意

本設(shè)計(jì)中使用外接電阻與NTC分壓的方式，如圖11，初步設(shè)定90°C為NTC的溫度保護(hù)點(diǎn)。當(dāng)NTC檢測(cè)溫度高于設(shè)定值，比較器輸出高電平信號(hào)，OTP點(diǎn)電平翻轉(zhuǎn)。

圖11 IGBT過溫保護(hù)電路

需要注意的是，使用NTC做過溫保護(hù)只適用于正常穩(wěn)態(tài)下的溫度保護(hù)，并不適合芯片的瞬時(shí)溫度變化，比如IGBT短路時(shí)引起的芯片溫度劇烈變化，其變化時(shí)間在us級(jí)，而NTC的熱耦合時(shí)間常數(shù)往往在分鐘級(jí)或秒級(jí)，用NTC做這樣的保護(hù)往往來不及。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與測(cè)試驗(yàn)證

基于上述分析，采用英飛凌公司的IGBT模塊IGBT模塊FP35R12KT4與隔離型驅(qū)動(dòng)芯片1ED020I12-F2搭建了硬件系統(tǒng)，為了實(shí)現(xiàn)方便的軟件聯(lián)調(diào)，輔助供電部分也包含在同一塊硬件板上，如圖12所示。

圖12 硬件電路功能示意

本設(shè)計(jì)在實(shí)驗(yàn)室功能驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，與實(shí)際的空調(diào)整機(jī)進(jìn)行軟件聯(lián)調(diào)，驗(yàn)證該硬件電路在實(shí)際系統(tǒng)中的可行性與溫度特性。圖13給出了系統(tǒng)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)裝置圖。

圖13 系統(tǒng)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)裝置

為驗(yàn)證本設(shè)計(jì)在實(shí)際系統(tǒng)中的溫度表現(xiàn)，我們?cè)谀K正下方的IGBT芯片位置處，放置熱電偶進(jìn)行IGBT殼溫Tc的采集，如圖14所示。在不同的負(fù)載電流下測(cè)得的Tc溫度值如表1所示。根據(jù)IPOSIM計(jì)算得到的器件損耗以及規(guī)格書中的結(jié)殼熱阻參數(shù)Rthjc，進(jìn)行推算，可以得到表1中所示的結(jié)溫Tvj。

圖14 溫度測(cè)試點(diǎn)示意圖

表1 溫度測(cè)試結(jié)果記錄

由于測(cè)試是在20°C環(huán)境溫度進(jìn)行的，測(cè)試所得的最高殼溫，以及推算所得的最高結(jié)溫，還需要綜合考慮空調(diào)客戶系統(tǒng)設(shè)計(jì)中實(shí)際環(huán)境溫度高達(dá)55°C的要求。由測(cè)試結(jié)果可以看出，在55°C環(huán)境溫度下，推算出的本設(shè)計(jì)中的IGBT最高結(jié)溫約為100°C，由此可見，本設(shè)計(jì)在提升系統(tǒng)功率密度方面依然有較大的改善空間，可以支持使用更高的開關(guān)頻率，增加輸出總功率或者有效減小散熱器尺寸。

測(cè)試實(shí)驗(yàn)除了驗(yàn)證系統(tǒng)散熱特性，還進(jìn)行了母線電壓保護(hù)，以及輸出相間短路保護(hù)的系統(tǒng)驗(yàn)證測(cè)試。由圖15（a）可見，當(dāng)相間短路發(fā)生時(shí)，輸出電流關(guān)斷；圖15（b），相應(yīng)環(huán)路中的IGBT發(fā)生退飽和，對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)芯片關(guān)斷此路的驅(qū)動(dòng)輸出信號(hào)，在默認(rèn)延時(shí)時(shí)間后，輸出故障報(bào)錯(cuò)信號(hào)；同時(shí)，如圖15（c）所示，設(shè)計(jì)板上相應(yīng)的故障指示燈被點(diǎn)亮。

(a)輸出電流波形

(b)短路時(shí)，IGBT驅(qū)動(dòng)與保護(hù)信號(hào)波形

（c）硬件電路短路指示

圖15 實(shí)際相間短路測(cè)試，波形與指示示意

4 帶給用戶的優(yōu)勢(shì)與設(shè)計(jì)展望

初步的硬件系統(tǒng)比較表明，本設(shè)計(jì)較相同輸出功率的IPM設(shè)計(jì)方案，可以為空調(diào)客戶節(jié)省10%以上的系統(tǒng)成本。

本設(shè)計(jì)中用于驗(yàn)證的英飛凌IGBT模塊為Econo2封裝。隨著商用空調(diào)單體壓縮機(jī)功率的不斷提升，Econo3封裝的IGBT模塊更適合于16HP-22HP商用空調(diào)逆變器部分。通過如圖16所示的PCB板設(shè)計(jì)的兼容考慮，客戶可以采用平臺(tái)化的設(shè)計(jì)思路，進(jìn)行一系列逆變器產(chǎn)品的開發(fā)。

圖16 Econo2與Econo3封裝，IGBT模塊兼容設(shè)計(jì)

另外，在中大功率的逆變?cè)O(shè)計(jì)中，溫度監(jiān)測(cè)與保護(hù)受到越來越多的重視。前文提到，我們?cè)诔醪綗岱抡孢^程中，使用的是IGBT模塊規(guī)格書中的開關(guān)損耗參數(shù)，此參數(shù)是在模塊生產(chǎn)廠家的測(cè)試平臺(tái)下進(jìn)行測(cè)量得到的。由于不同的功率環(huán)路、驅(qū)動(dòng)環(huán)路、開通與關(guān)斷電壓等，都對(duì)IGBT開關(guān)損耗有影響。因此，更加準(zhǔn)確的損耗定標(biāo)，用戶需要在系統(tǒng)電氣調(diào)試的過程中，在用戶自己實(shí)際的功率環(huán)路、驅(qū)動(dòng)電路、以及系統(tǒng)電壓與電流條件下，進(jìn)行開關(guān)損耗的實(shí)際測(cè)量，并將測(cè)試結(jié)果代入損耗計(jì)算與熱仿真分析，可以進(jìn)一步提升系統(tǒng)溫度評(píng)估的精確性。

同時(shí)，可以在實(shí)際系統(tǒng)的散熱條件下，對(duì)IGBT結(jié)溫與NTC之間的溫度關(guān)系進(jìn)行定標(biāo)，更好的發(fā)揮NTC對(duì)于系統(tǒng)溫度保護(hù)的作用。

5 結(jié)論

本文中，采用IGBT模塊與隔離型驅(qū)動(dòng)芯片設(shè)計(jì)的新型變頻商用空調(diào)硬件系統(tǒng)，相比傳統(tǒng)IPM方案，大大提高了系統(tǒng)可靠性，有效降低了系統(tǒng)成本，并提供了更方便準(zhǔn)確的溫度保護(hù)。同時(shí)，應(yīng)對(duì)空調(diào)壓縮機(jī)的單機(jī)功率提升的新趨勢(shì)，空調(diào)廠商可以參考本設(shè)計(jì)，進(jìn)行平臺(tái)化的系列產(chǎn)品開發(fā)，大大縮短其研發(fā)周期。