一種新型商用空調(diào)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(diào)是3HP以上空調(diào)機組的統(tǒng)稱。近年來，變頻空調(diào)技術已日趨成熟。隨著永磁同步壓縮機技術的發(fā)展，壓縮機的單機功率呈現(xiàn)增長趨勢，與之相應的空調(diào)變頻化設計也從小功率的單相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)機空調(diào)機組為代表，其變頻率超過了90%。隨著空調(diào)系統(tǒng)功率段的提升，對逆變器硬件電路的設計也提出新的要求與挑戰(zhàn)。在中大功率的應用中，對功率器件的溫度檢測與系統(tǒng)可靠性的要求也隨之提高。本文以用于10HP商用空調(diào)的壓縮機逆變器為研究對象，設計了一種新的硬件電路實現(xiàn)方案，采用英飛凌公司的IGBT模塊FP35R12KT4和磁隔離型驅(qū)動IC搭建逆變電路進行驗證，并與實際的商用空調(diào)軟件系統(tǒng)進行聯(lián)機測試，試驗結(jié)果證明新的驅(qū)動電路可以提高系統(tǒng)可靠性，并且IGBT模塊具有更大的結(jié)溫余量，可以簡化散熱設計。同時，采用IGBT模塊的主逆變方案，為空調(diào)廠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(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)逆變器的主流設計。在小功率的家用變頻空調(diào)設計中（3HP以下，單相220V輸入），普遍采用集成了功率IGBT與驅(qū)動芯片的IPM進行設計。而隨著壓縮機技術的發(fā)展，商用空調(diào)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，市場上可供選擇的IPM已經(jīng)非常有限，且價格昂貴。集成三相整流橋與逆變橋的IGBT模塊，其標稱電流能力從25A到100A，適應于逆變器不同功率段統(tǒng)一平臺化設計的需求，且成本優(yōu)勢明顯。

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行限制，當電容組的端電壓達到母線電壓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(diào)壓縮機內(nèi)部的高溫、腐蝕性環(huán)境無法安裝位置傳感器， 壓縮機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，電動機相電流有效檢測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。

這三種不同的采樣方式的特點分別如下：

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 的應用場合。

3）負母線單電阻電流采樣：其基本原理是，在SVPWM 控制系統(tǒng)中，當使用非零的基本矢量時，根據(jù)逆變橋開關狀態(tài)可以通過測量直流母線的瞬時電流來重構(gòu)電動機的相電流。其時序復雜，重構(gòu)困難，成本最低。

在變頻空調(diào)系統(tǒng)設計中，由于系統(tǒng)成本的限制，單電阻采樣方式越來越受到歡迎。在本設計中，為了適應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，同時配置線電流采樣和負母線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(diào)系統(tǒng)設計中，通常需要進行母線過欠壓保護，可以采用簡單的電阻分壓電路，以及進行電壓信號的采樣。為防止干擾 ，采用差分方式進行采樣，如圖4所示。

2.2 驅(qū)動部分電路設計

在中大功率的應用中，由于系統(tǒng)電流等級的提高，為實現(xiàn)可靠的系統(tǒng)硬件設計，IGBT驅(qū)動部分的設計非常關鍵。

在變頻空調(diào)逆變器的應用中，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)動環(huán)路在實際系統(tǒng)中較難實現(xiàn)， IGBT的驅(qū)動部分電路，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IC，并采用0V驅(qū)動電壓關斷IGBT。在小功率系統(tǒng)中，由于負載電流小，通過優(yōu)化電路設計，寄生效應所帶來的影響通常不太明顯。而在商用空調(diào)的應用中，隨著電流等級的提高，驅(qū)動信號的誤動作往往不可忽視。

以一個橋臂為例，進行分析。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，二極管的反向恢復電流變化產(chǎn)生－diC2/dt，位移電流通過下管T2驅(qū)動環(huán)路的雜散電感LσE2，會產(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IGBT的門極閾值電壓VGEth，會有誤導通的風險。

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

iCG對上橋臂IGBT的門極-集電極寄生電容CCG進行充電。電容CCG和CGE形成一個容性分壓器，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的寄生導通。

圖7給出了實際應用中觀測到的，0V關斷時可能引起的門極誤觸發(fā)信號的實例。

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開通時的di/dt與dv/dt，但是會增加開通損耗。減少關斷電阻RGoff，可以降低由米勒電容引起的門極誤動作；但是雜散電感所帶來的門極效應，需要通過增加關斷電阻RGoff來降低。并且，關斷電阻的減少，同時要兼顧IGBT關斷時的電壓過沖。

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，同時因為G-E間增加電容，總輸入電容增大，門極充電要達到門極驅(qū)動的閾值電壓需要更多的電荷。增加Cge后，驅(qū)動電源所需功耗增加，相同的門極驅(qū)動電阻情況下IGBT的開關損耗也會增加。

3）采用負壓關斷：IGBT模塊的驅(qū)動電路中，采用門極負電壓來安全關斷，是很典型的運用。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IC，無法實現(xiàn)負壓關斷。

4）有源米勒鉗位：在空調(diào)逆變設計中，從成本考量，往往使用0V關斷。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關斷時門極誤動作的方法是有源米勒鉗位技術。其實現(xiàn)方法是，實時監(jiān)測處于關斷時序的IGBT的門極信號，當它達到某個值時，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)動芯片的功能示意圖。

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

在商用空調(diào)的設計中，往往會考慮短路帶來的可靠保護問題。在IPM中短路與過流保護的實現(xiàn)，都是根據(jù)負母線電流檢測或者下橋臂電流檢測，通過內(nèi)部集成的驅(qū)動芯片上的一個Itrip引腳來實現(xiàn)，當檢流電阻上的電流超過設定閥值時，關斷所有6路的驅(qū)動信號。這種保護方式只能針對整個逆變系統(tǒng)，但對于具體的短路位置則沒有反饋。由于電流檢測本身有濾波加上IPM內(nèi)部傳輸延時，這樣的保護方式對于橋臂直通短路中電流的迅速變化，往往無能為力。

本設計中使用的驅(qū)動芯片1ED020I12-F2，針對每個IGBT在短路瞬間的退飽和狀態(tài)進行實時監(jiān)測，可以實現(xiàn)更有針對性地短路保護，并且在系統(tǒng)設計中，將短路與過流兩種不同的保護機制分開，更有效地提高系統(tǒng)控制的準確性與可靠性。同時，由于1ED芯片內(nèi)部還集成有Vge鉗位功能，避免了通?？梢姷亩搪窌r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(tǒng)設計的另一個關注重點。隨著系統(tǒng)功率密度的不斷提高，近年來對于如何準確地實現(xiàn)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(jù)10HP壓縮機額定輸出電流19A以及通用的開關頻率5kHz應用條件，在英飛凌的在線損耗與溫度仿真平臺IPOSIM下進行了仿真。仿真結(jié)果表明，該模塊可以在55°C的環(huán)境溫度工況下，使用典型的風冷散熱條件，IGBT模塊所達到的最高工作結(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。

本設計采用的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。如果在設計中能夠事先測得NTC溫度與芯片實際結(jié)溫之間的對應關系，就能夠通過測量NTC的溫度，來推測IGBT芯片的平均結(jié)溫，從而根據(jù)設計余量自行設定系統(tǒng)的溫度保護點。

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。當NTC檢測溫度高于設定值，比較器輸出高電平信號，OTP點電平翻轉(zhuǎn)。

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

3 系統(tǒng)實現(xiàn)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(qū)動芯片1ED020I12-F2搭建了硬件系統(tǒng)，為了實現(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。

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

為驗證本設計在實際系統(tǒng)中的溫度表現(xiàn)，我們在模塊正下方的IGBT芯片位置處，放置熱電偶進行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(jù)IPOSIM計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，進行推算，可以得到表1中所示的結(jié)溫Tvj。

由于測試是在20°C環(huán)境溫度進行的，測試所得的最高殼溫，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)設計中實際環(huán)境溫度高達55°C的要求。由測試結(jié)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(jié)溫約為100°C，由此可見，本設計在提升系統(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頻率，增加輸出總功率或者有效減小散熱器尺寸。

測試實驗除了驗證系統(tǒng)散熱特性，還進行了母線電壓保護，以及輸出相間短路保護的系統(tǒng)驗證測試。由圖15（a）可見，當相間短路發(fā)生時，輸出電流關斷；圖15（b），相應環(huán)路中的IGBT發(fā)生退飽和，對應的驅(qū)動芯片關斷此路的驅(qū)動輸出信號，在默認延時時間后，輸出故障報錯信號；同時，如圖15（c）所示，設計板上相應的故障指示燈被點亮。

圖15 實際相間短路測試，波形與指示示意

4 帶給用戶的優(yōu)勢與設計展望

初步的硬件系統(tǒng)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(diào)客戶節(jié)省10%以上的系統(tǒng)成本。

本設計中用于驗證的英飛凌IGBT模塊為Econo2封裝。隨著商用空調(diào)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(diào)逆變器部分。通過如圖16所示的PCB板設計的兼容考慮，客戶可以采用平臺化的設計思路，進行一系列逆變器產(chǎn)品的開發(fā)。

另外，在中大功率的逆變設計中，溫度監(jiān)測與保護受到越來越多的重視。前文提到，我們在初步熱仿真過程中，使用的是IGBT模塊規(guī)格書中的開關損耗參數(shù)，此參數(shù)是在模塊生產(chǎn)廠家的測試平臺下進行測量得到的。由于不同的功率環(huán)路、驅(qū)動環(huán)路、開通與關斷電壓等，都對IGBT開關損耗有影響。因此，更加準確的損耗定標，用戶需要在系統(tǒng)電氣調(diào)試的過程中，在用戶自己實際的功率環(huán)路、驅(qū)動電路、以及系統(tǒng)電壓與電流條件下，進行開關損耗的實際測量，并將測試結(jié)果代入損耗計算與熱仿真分析，可以進一步提升系統(tǒng)溫度評估的精確性。

同時，可以在實際系統(tǒng)的散熱條件下，對IGBT結(jié)溫與NTC之間的溫度關系進行定標，更好的發(fā)揮NTC對于系統(tǒng)溫度保護的作用。

5 結(jié)論

本文中，采用IGBT模塊與隔離型驅(qū)動芯片設計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，并提供了更方便準確的溫度保護。同時，應對空調(diào)壓縮機的單機功率提升的新趨勢，空調(diào)廠商可以參考本設計，進行平臺化的系列產(chǎn)品開發(fā)，大大縮短其研發(fā)周期。

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