一種新型商用空調逆變器硬件電路方案的研究

1 引言

按照國際通用標準，商用空調是3HP以上空調機組的統稱(chēng)。近年來(lái)，變頻空調技術(shù)已日趨成熟。隨著(zhù)永磁同步壓縮機技術(shù)的發(fā)展，壓縮機的單機功率呈現增長(cháng)趨勢，與之相應的空調變頻化設計也從小功率的單相220V供電的家用空調系統，向較大功率的三相380V戶(hù)用中央空調與商用空調系統延伸。尤其以多聯(lián)機空調機組為代表，其變頻率超過(guò)了90%。隨著(zhù)空調系統功率段的提升，對逆變器硬件電路的設計也提出新的要求與挑戰。在中大功率的應用中，對功率器件的溫度檢測與系統可靠性的要求也隨之提高。本文以用于10HP商用空調的壓縮機逆變器為研究對象，設計了一種新的硬件電路實(shí)現方案，采用英飛凌公司的IGBT模塊FP35R12KT4和磁隔離型驅動(dòng)IC搭建逆變電路進(jìn)行驗證，并與實(shí)際的商用空調軟件系統進(jìn)行聯(lián)機測試，試驗結果證明新的驅動(dòng)電路可以提高系統可靠性，并且IGBT模塊具有更大的結溫余量，可以簡(jiǎn)化散熱設計。同時(shí)，采用IGBT模塊的主逆變方案，為空調廠(chǎng)家應對壓縮機單機功率的提升，保持硬件電路平臺化設計，提供了更大的靈活度。

2 逆變器硬件電路設計

與典型的變頻空調逆變方案類(lèi)似，三相兩電平逆變結構是變頻商用空調逆變器的主流設計。在小功率的家用變頻空調設計中（3HP以下，單相220V輸入），普遍采用集成了功率IGBT與驅動(dòng)芯片的IPM進(jìn)行設計。而隨著(zhù)壓縮機技術(shù)的發(fā)展，商用空調壓縮機的單機最大功率從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，其標稱(chēng)電流能力從25A到100A，適應于逆變器不同功率段統一平臺化設計的需求，且成本優(yōu)勢明顯。

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

2.1 IGBT模塊外圍采樣電路設計

2.1.1電流采樣電路設計

由于空調壓縮機內部的高溫、腐蝕性環(huán)境無(wú)法安裝位置傳感器， 壓縮機逆變器需要采用無(wú)位置傳感器的控制方法。在無(wú)傳感器控制方法中，電動(dòng)機相電流有效檢測是提高控制性能的重要環(huán)節。常見(jiàn)三種不同的采樣方式，如圖2所示。

這三種不同的采樣方式的特點(diǎn)分別如下：

1）線(xiàn)電流采樣：所見(jiàn)即所得，無(wú)需重構，但成本最高（需要隔離或電平轉換）。

2）橋臂電流采樣：復雜度中等，易于重構，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(kāi)放的智能功率模塊IPM 的應用場(chǎng)合。

3）負母線(xiàn)單電阻電流采樣：其基本原理是，在SVPWM 控制系統中，當使用非零的基本矢量時(shí)，根據逆變橋開(kāi)關(guān)狀態(tài)可以通過(guò)測量直流母線(xiàn)的瞬時(shí)電流來(lái)重構電動(dòng)機的相電流。其時(shí)序復雜，重構困難，成本最低。

在變頻空調系統設計中，由于系統成本的限制，單電阻采樣方式越來(lái)越受到歡迎。在本設計中，為了適應不同控制策略的控制板聯(lián)合調試的需要，在硬件電路上，同時(shí)配置線(xiàn)電流采樣和負母線(xiàn)電流采樣的霍爾傳感器元件，如圖3所示。

2.1.2電壓采樣電路設計

在空調系統設計中，通常需要進(jìn)行母線(xiàn)過(guò)欠壓保護，可以采用簡(jiǎn)單的電阻分壓電路，以及進(jìn)行電壓信號的采樣。為防止干擾 ，采用差分方式進(jìn)行采樣，如圖4所示。

2.2 驅動(dòng)部分電路設計

在中大功率的應用中，由于系統電流等級的提高，為實(shí)現可靠的系統硬件設計，IGBT驅動(dòng)部分的設計非常關(guān)鍵。

在變頻空調逆變器的應用中，如前文所述，單電阻電流采樣的方式越來(lái)越受到歡迎，由于負母線(xiàn)采樣電阻或者電流傳感器的引入，理想化的最小驅動(dòng)環(huán)路在實(shí)際系統中較難實(shí)現， IGBT的驅動(dòng)部分電路，跨過(guò)了采樣電阻引入的環(huán)路，雜散電感不可忽視?？照{逆變器通常采用的IPM模塊中，使用熱地連接的不隔離型驅動(dòng)IC，并采用0V驅動(dòng)電壓關(guān)斷IGBT。在小功率系統中，由于負載電流小，通過(guò)優(yōu)化電路設計，寄生效應所帶來(lái)的影響通常不太明顯。而在商用空調的應用中，隨著(zhù)電流等級的提高，驅動(dòng)信號的誤動(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(kāi)通過(guò)程中，D2上的續流電流向T1換向，二極管的反向恢復電流變化產(chǎn)生－diC2/dt，位移電流通過(guò)下管T2驅動(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。當感應電壓超過(guò)IGBT的門(mén)極閾值電壓VGEth，會(huì )有誤導通的風(fēng)險。

門(mén)極誤導通，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(kāi)通過(guò)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對上橋臂IGBT的門(mén)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(mén)極串聯(lián)電阻、CGE與直流母線(xiàn)。這個(gè)電流在門(mén)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(guò)IGBT的門(mén)極閾值電壓VGEth, 就將引起IGBT的寄生導通。

圖7給出了實(shí)際應用中觀(guān)測到的，0V關(guān)斷時(shí)可能引起的門(mén)極誤觸發(fā)信號的實(shí)例。

通常有四種方法來(lái)解決以上問(wèn)題：

1）改變門(mén)極電阻：增加門(mén)極開(kāi)通電阻RGon可以減少I(mǎi)GBT開(kāi)通時(shí)的di/dt與dv/dt，但是會(huì )增加開(kāi)通損耗。減少關(guān)斷電阻RGoff，可以降低由米勒電容引起的門(mén)極誤動(dòng)作；但是雜散電感所帶來(lái)的門(mén)極效應，需要通過(guò)增加關(guān)斷電阻RGoff來(lái)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(guò)沖。

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

3）采用負壓關(guān)斷：IGBT模塊的驅動(dòng)電路中，采用門(mén)極負電壓來(lái)安全關(guān)斷，是很典型的運用。但在變頻空調逆變器，通常使用的IPM，內部采用熱地連接的非隔離驅動(dòng)IC，無(wú)法實(shí)現負壓關(guān)斷。

4）有源米勒鉗位：在空調逆變設計中，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(lái)的損耗折中問(wèn)題，還有一種防止0V關(guān)斷時(shí)門(mén)極誤動(dòng)作的方法是有源米勒鉗位技術(shù)。其實(shí)現方法是，實(shí)時(shí)監測處于關(guān)斷時(shí)序的IGBT的門(mén)極信號，當它達到某個(gè)值時(shí)，通過(guò)低阻抗回路將門(mén)極拉至0V。圖8所示為集成有源米勒鉗位功能的驅動(dòng)芯片的功能示意圖。

本設計中采用隔離型驅動(dòng)芯片進(jìn)行IGBT驅動(dòng)部分的電路設計，具有負電壓關(guān)斷與有源米勒鉗位的功能配置，提供給用戶(hù)更靈活的選擇，具體外圍電路設計如圖9所示。

在商用空調的設計中，往往會(huì )考慮短路帶來(lái)的可靠保護問(wèn)題。在IPM中短路與過(guò)流保護的實(shí)現，都是根據負母線(xiàn)電流檢測或者下橋臂電流檢測，通過(guò)內部集成的驅動(dòng)芯片上的一個(gè)Itrip引腳來(lái)實(shí)現，當檢流電阻上的電流超過(guò)設定閥值時(shí)，關(guān)斷所有6路的驅動(dòng)信號。這種保護方式只能針對整個(gè)逆變系統，但對于具體的短路位置則沒(méi)有反饋。由于電流檢測本身有濾波加上IPM內部傳輸延時(shí)，這樣的保護方式對于橋臂直通短路中電流的迅速變化，往往無(wú)能為力。

本設計中使用的驅動(dòng)芯片1ED020I12-F2，針對每個(gè)IGBT在短路瞬間的退飽和狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，可以實(shí)現更有針對性地短路保護，并且在系統設計中，將短路與過(guò)流兩種不同的保護機制分開(kāi)，更有效地提高系統控制的準確性與可靠性。同時(shí)，由于1ED芯片內部還集成有Vge鉗位功能，避免了通?？梢?jiàn)的短路時(shí)門(mén)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。
2.3 溫度檢測與保護電路設計

在中大功率應用中，功率逆變器部分的散熱性能是系統設計的另一個(gè)關(guān)注重點(diǎn)。隨著(zhù)系統功率密度的不斷提高，近年來(lái)對于如何準確地實(shí)現溫度的檢測與保護引起廣泛的探討。本設計所選用的IGBT模塊FP35R12KT4，在設計初期，根據10HP壓縮機額定輸出電流19A以及通用的開(kāi)關(guān)頻率5kHz應用條件，在英飛凌的在線(xiàn)損耗與溫度仿真平臺IPOSIM下進(jìn)行了仿真。仿真結果表明，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模塊所達到的最高工作結溫為105°C，系統可以安全可靠的工作且留有很大的安全余量。

本設計采用的IGBT模塊中， IGBT/續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(guò)縱向的散熱路徑耗散，另一方面熱量通過(guò)DCB與基板橫向耦合影響內部熱敏電阻NTC。如果在設計中能夠事先測得NTC溫度與芯片實(shí)際結溫之間的對應關(guān)系，就能夠通過(guò)測量NTC的溫度，來(lái)推測IGBT芯片的平均結溫，從而根據設計余量自行設定系統的溫度保護點(diǎn)。

本設計中使用外接電阻與NTC分壓的方式，如圖11，初步設定90°C為NTC的溫度保護點(diǎn)。當NTC檢測溫度高于設定值，比較器輸出高電平信號，OTP點(diǎn)電平翻轉。

需要注意的是，使用NTC做過(guò)溫保護只適用于正常穩態(tài)下的溫度保護，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，而NTC的熱耦合時(shí)間常數往往在分鐘級或秒級，用NTC做這樣的保護往往來(lái)不及。

3 系統實(shí)現與測試驗證

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

本設計在實(shí)驗室功能驗證的基礎上，與實(shí)際的空調整機進(jìn)行軟件聯(lián)調，驗證該硬件電路在實(shí)際系統中的可行性與溫度特性。圖13給出了系統驗證實(shí)驗裝置圖。

為驗證本設計在實(shí)際系統中的溫度表現，我們在模塊正下方的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。在不同的負載電流下測得的Tc溫度值如表1所示。根據IPOSIM計算得到的器件損耗以及規格書(shū)中的結殼熱阻參數Rthjc，進(jìn)行推算，可以得到表1中所示的結溫Tvj。

由于測試是在20°C環(huán)境溫度進(jìn)行的，測試所得的最高殼溫，以及推算所得的最高結溫，還需要綜合考慮空調客戶(hù)系統設計中實(shí)際環(huán)境溫度高達55°C的要求。由測試結果可以看出，在55°C環(huán)境溫度下，推算出的本設計中的IGBT最高結溫約為100°C，由此可見(jiàn)，本設計在提升系統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(kāi)關(guān)頻率，增加輸出總功率或者有效減小散熱器尺寸。

測試實(shí)驗除了驗證系統散熱特性，還進(jìn)行了母線(xiàn)電壓保護，以及輸出相間短路保護的系統驗證測試。由圖15（a）可見(jiàn)，當相間短路發(fā)生時(shí)，輸出電流關(guān)斷；圖15（b），相應環(huán)路中的IGBT發(fā)生退飽和，對應的驅動(dòng)芯片關(guān)斷此路的驅動(dòng)輸出信號，在默認延時(shí)時(shí)間后，輸出故障報錯信號；同時(shí)，如圖15（c）所示，設計板上相應的故障指示燈被點(diǎn)亮。

圖15 實(shí)際相間短路測試，波形與指示示意

4 帶給用戶(hù)的優(yōu)勢與設計展望

初步的硬件系統比較表明，本設計較相同輸出功率的IPM設計方案，可以為空調客戶(hù)節省10%以上的系統成本。

本設計中用于驗證的英飛凌IGBT模塊為Econo2封裝。隨著(zhù)商用空調單體壓縮機功率的不斷提升，Econo3封裝的IGBT模塊更適合于16HP-22HP商用空調逆變器部分。通過(guò)如圖16所示的PCB板設計的兼容考慮，客戶(hù)可以采用平臺化的設計思路，進(jìn)行一系列逆變器產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。

另外，在中大功率的逆變設計中，溫度監測與保護受到越來(lái)越多的重視。前文提到，我們在初步熱仿真過(guò)程中，使用的是IGBT模塊規格書(shū)中的開(kāi)關(guān)損耗參數，此參數是在模塊生產(chǎn)廠(chǎng)家的測試平臺下進(jìn)行測量得到的。由于不同的功率環(huán)路、驅動(dòng)環(huán)路、開(kāi)通與關(guān)斷電壓等，都對IGBT開(kāi)關(guān)損耗有影響。因此，更加準確的損耗定標，用戶(hù)需要在系統電氣調試的過(guò)程中，在用戶(hù)自己實(shí)際的功率環(huán)路、驅動(dòng)電路、以及系統電壓與電流條件下，進(jìn)行開(kāi)關(guān)損耗的實(shí)際測量，并將測試結果代入損耗計算與熱仿真分析，可以進(jìn)一步提升系統溫度評估的精確性。

同時(shí)，可以在實(shí)際系統的散熱條件下，對IGBT結溫與NTC之間的溫度關(guān)系進(jìn)行定標，更好的發(fā)揮NTC對于系統溫度保護的作用。

5 結論

本文中，采用IGBT模塊與隔離型驅動(dòng)芯片設計的新型變頻商用空調硬件系統，相比傳統IPM方案，大大提高了系統可靠性，有效降低了系統成本，并提供了更方便準確的溫度保護。同時(shí)，應對空調壓縮機的單機功率提升的新趨勢，空調廠(chǎng)商可以參考本設計，進(jìn)行平臺化的系列產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，大大縮短其研發(fā)周期。

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