【经验】IGBT模块应用于小功率电机驱动系统时需考虑的因素

时间： 2019-05-10 来源：Vincotech

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VINCOTECH的IGBT模块在许多功率等级的变频器中都有应用，由于变频器输出端产生的电压快速变化会对电机电缆和电机本身产生一些影响，并且对于小功率电机驱动系统来说，它往往对逆变器的开关频率有着更高的要求，因此为了更好地将Vincotech的IGBT模块应用于小功率电机驱动系统，有一些需要考虑的设计因素。

1、开关频率和死区时间

为了防止IGBT模块的上下管同时导通导致逆变器出现短路，需要设置一定的死区时间，保正IGBT模块每个桥臂的其中一个IGBT可靠关断后，另一个才会导通，这在保证安全性的同时，会引起输出电压的偏差，引起电机电流畸变，增大THD，并且随着死区时间的增大，这一效应会更加明显。同时，死区时间带来的影响也会随着开关频率的提高而增大，考虑到小功率电机驱动系统往往采用较高的开关频率，因此，IGBT模块应用于小功率电机驱动系统时，在保证IGBT模块安全工作的同时，要尽量减小死区时间，以减小电流的畸变，提高系统工作性能。

死区时间T_dead可以用下图中的公式进行近似计算，

从公式可以看出，IGBT的关断延迟时间和开通延迟时间的大小，直接影响死区时间的大小；而Vincotech推出的IGBT模块，其开通延迟可低至100ns左右，关断延迟可低至200ns左右，有利于减小死区时间，从而可以提高逆变器的工作频率。同时，还需要注意IGBT模块前级器件的选择，在小功率电机驱动系统中，尽量选择信号传递延迟时间短的器件。

2、电缆和电机阻抗匹配问题

当供电电缆和电机的浪涌阻抗不匹配时，也会对驱动系统产生影响。对于功率等级越小的电机，其浪涌阻抗会越大，浪涌阻抗与电机功率等级的近似关系如图1所示。由于电缆的浪涌阻抗较小，所以随着电机功率的减小，阻抗不匹配的程度会变大，对PWM信号的反射作用增强，所以在设计小功率的电机驱动系统时，阻抗匹配是一个需要关注的问题。

图1 电机浪涌阻抗与电机功率等级的关系

3、电机端电压

电缆和电机的阻抗不匹配会造成信号的反射，导致电机端电压峰值高于逆变器输出电压，如图2所示，此时对线路的绝缘能力和电机绕组的绝缘能力的要求升高，并且通常电机额定电压最高为1000V，过高的电机端电压会造成电机损坏。为了解决该问题，除了对阻抗匹配问题进行关注外，还可以换用低电压等级的的设备（例如230V的电机和逆变器），从而降低对绝缘的要求。

图2 逆变器输出电压（左图）与电机端电压（右图）

4、逆变器损耗

由于连接电机的电缆含有寄生电容，在逆变器工作时，需要不断地对电缆的寄生电容进行充放电，在小功率驱动系统中，逆变器开关频率较高，由于电缆寄生电容而产生的浪涌电流很大，这些浪涌电流会增大逆变器的损耗，同时还会使逆变器发热，影响逆变器的正常工作，适当降低系统电压等级可以减小这一现象的影响。

5、反向偏压安全工作区域

反向偏压安全工作区曲线（RBSOA）给出了IGBT在关断期间可以同时处理的最大电流和电压，在电缆完全充电之前，也可能出现关闭脉冲，在这种情况下，IGBT必须能够安全地切断电流，此时RBSOA非常重要，由于大多数供应商将RBSOA的最大电流指定为IGBT额定电流的两倍，因此要选择RBSOA合适的器件或者限制电缆的长度以保障IGBT的正常工作。

6、总结

本文对Vincotech的IGBT模块应用于小功率电机驱动系统时需要考虑的一些设计因素做了介绍，从以上的分析中可以看出，在设计小功率电机驱动系统时，需要考虑以下几点，一是IGBT模块的载流能力，因为电机所接的电缆过长或者载波频率较高时会出现较大的浪涌电流，引起损耗的同时也对器件的载流能力提出一定要求。二是考虑电缆和电机的绝缘能力，由于电缆和电机之间的阻抗不匹配，瞬态电压可能会达到甚至超过电缆和电机绝缘所能承受的最大电压。三是THD，由于开关频率高，死区时间占载波周期的比例很大，会增加电机电流的谐波含量。最后，必须考虑IGBT的关断能力，其RBSOA允许的最大电流通常为额定电流的两倍。