一种新型库尔勒商用空调逆变器硬件电路方案的研究

更新时间:2022-04-11 16:21:00    来源:http://kel.xj-kt.com/news790691.html

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新疆商用空调

摘要:跟着商用空调压缩机的单机功率的不断上升,传统IPM方案遭到的约束愈加显着,包含1200V IPM可选类型有限、不同厂家的pin脚兼容性差、且价格昂贵。本文研讨规划了一种新的硬件方案,根据广泛选用的IG模块和磁隔绝驱动IC完结,通过IG模块内置NTC以及隔绝型驱动IC的技术优势,提供给系统更准确的温度保护与短路保护,前进了系统可靠性及规划自由度,下降了系统本钱,一同也为系统更大功率的途径化规划提供了新的思路。该规划中心器件选用英飞凌EconoPIM IG模块和1ED020112-F2驱动IC完结,并通过实践商用空调系统得到验证。

新疆商用空调

1 导言

按照世界通用规范,商用空调是3HP以上空调机组的总称。近年来,变频空调技术已日趋成熟。跟着永磁同步压缩机技术的发展,压缩机的单机功率出现增加趋势,与之相应的空调变频化规划也从小功率的单相220V供电的家用空调系统,向较大功率的三相380V户用中央空调与商用空调系统延伸。特别以多联机空调机组为代表,其变频率逾越了90%。跟着空调系统功率段的前进,对逆变器硬件电路的规划也提出新的要求与挑战。在中大功率的运用中,对功率器件的温度检测与系统可靠性的要求也随之前进。本文以用于10HP商用空调的压缩机逆变器为研讨方针,规划了一种新的硬件电路完结方案,的IG模块FP35R12KT4和磁隔绝型驱动IC搭建逆变电路进行验证,并与实践的商用空调软件系统进行联机,试验效果证明新的驱动电路可以前进系统可靠性,并且IG模块具有更大的结温余量,可以简化散热规划。一同,选用IG模块的主逆变方案,为空调厂家应对压缩机单机功率的前进,坚持硬件电路途径化规划,提供了更大的灵活度。

2 逆变器硬件电路规划

与典型的变频空调逆变方案相似,三相两电平逆变结构是变频商用空调逆变器的主流规划。在小功率的家用变频空调规划中(3HP以下,单相220V输入),广泛选用集成了功率IG与驱动芯片的IPM进行规划。而跟着压缩机技术的发展,商用空调压缩机的单机最大功率从10HP、12HP发展到16HP、22HP,逆变器额外输出电流也由之前的20A,前进到35A、50A,市场上可供选择的IPM现已非常有限,且价格昂贵。集成三相整流桥与逆变桥的IG模块,其标称电流才能从25A到100A,习惯于逆变器不同功率段统一途径化规划的需求,且本钱优势显着。

由于直流母线上有大电容的存在,在整流桥输入上电瞬间,电容两端相当于短路情况,且其两端电流突变,这样就需求有预充电电路,防止电源接通瞬间的浪涌电流对整流部分的冲击。本规划选用的直流母线预充电电路如图1所示,热敏电阻在上电瞬间对电容充电电流进行约束,当电容组的端电压抵达母线电压90%后,将预充电支路旁路掉。

图1 直流母线预充电电路
2.1 IG模块外围采样电路规划

2.1.1电流采样电路规划

由于空调压缩机内部的高温、腐蚀性环境无法设备方位传感器, 压缩机逆变器需求选用无方位传感器的控制方法。在无传感器控制方法中,电动机相电流有用检测是前进控制功用的重要环节。常见三种不同的采样方法,如图2所示。

图2 空调压缩机逆变器常见的电流采样方法
这三种不同的采样方法的特色别离如下:

1)线电流采样:所见即所得,无需重构,但本钱最高(需求隔绝或电平转化)。

2)桥臂电流采样:杂乱度中等,易于重构,本钱适中。但三电阻需求较大的PCB 布板面积并造成一定的电路损耗,且不适宜下桥臂不开放的智能功率模块IPM 的运用场合。

3)负母线单电阻电流采样:其基本原理是,在SVPWM 控制系统中,当运用非零的基本矢量时,根据逆变桥开关情况可以通过测量直流母线的瞬时电流来重构电动机的相电流。其时序杂乱,重构困难,本钱最低。

在变频空调系统规划中,由于系统本钱的约束,单电阻采样方法越来越遭到欢迎。在本规划中,为了习惯不同控制战略的控制板联合调试的需求,在硬件电路上,一同配备线电流采样和负母线电流采样的霍尔传感器元件,如图3所示。

图3 电流采样电路暗示
2.1.2电压采样电路规划

在空调系统规划中,一般需求进行母线过欠压保护,可以选用简单的电阻分压电路,以及进行电压信号的采样。为防止烦扰 ,选用差分方法进行采样,如图4所示。

图4 电压采样电路暗示
2.2 驱动部分电路规划

在中大功率的运用中,由于系统电流等级的前进,为完结可靠的系统硬件规划,IG驱动部分的规划非常要害。

在变频空调逆变器的运用中,如前文所述,单电阻电流采样的方法越来越遭到欢迎,由于负母线采样电阻或许电流传感器的引进,理想化的最小驱动环路在实践系统中较难完结, IG的驱动部分电路,跨过了采样电阻引进的环路,杂散电感不可忽视。空调逆变器一般选用的IPM模块中,运用热地联接的不隔绝型驱动IC,并选用0V驱动电压关断IG。在小功率系统中,由于负载电流小,通过优化电路规划,寄生效应所带来的影响一般不太显着。而在商用空调的运用中,跟着电流等级的前进,驱动信号的误动作往往不可忽视。

以一个桥臂为例,进行剖析。如图5所示,在上管T1开通过程中,D2上的续流电流向T1换向,二极管的反向恢复电流改动发生-diC2/dt,位移电流通过下管T2驱动环路的杂散电感LσE2,会发生电压vσE2=-LσE2*(diC2/dt),将E端参阅电位拉到负。当感应电压逾越IG的门极阈值电压VGEth,会有误导通的风险。

图5 杂散电感在E极上引起的感应电压
门极误导通,不但与环路的杂散电感影响有关,也与IG的米勒电容有关。相同以半桥电路为例进行剖析,在图6中,下桥臂IG开通过程中,会发生一个很高的瞬态电压改动dvCE/dt,它会引起一个位移电流iCG的活动,

iCG对上桥臂IG的门极-集电极寄生电容CCG进行充电。电容CCG和CGE构成一个容性分压器,图6示例了电流iCG流经IG米勒电容的途径。

电流iCG流经米勒电容、门极串联电阻、CGE与直流母线。这个电流在门极电阻两端发生电压差,

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

假如该电压差逾越IG的门极阈值电压VGEth, 就将引起IG的寄生导通。

图6 位移电流通过IG米勒电容的途径
图7给出了实践运用中观测到的,0V关断时或许引起的门极误触发信号的实例。

图7 0V关断或许引起的门极误触发
一般有四种方法来处理以上问题:

1)改动门极电阻:增加门极注册电阻RGon可以减少IG注册时的di/dt与dv/dt,但是会增加注册损耗。减少关断电阻RGoff,可以下降由米勒电容引起的门极误动作;但是杂散电感所带来的门极效应,需求通过增加关断电阻RGoff来下降。并且,关断电阻的减少,一同要兼顾IG关断时的电压过冲。

2)增加G-E间电容:在门极与发射极之间外加电容,可以约束米勒电流,一同由于G-E间增加电容,总输入电容增大,门极充电要抵达门极驱动的阈值电压需求更多的电荷。增加Cge后,驱动电源所需功耗增加,相同的门极驱动电阻情况下IG的开关损耗也会增加。

3)选用负压关断:IG模块的驱动电路中,选用门极负电压来安全关断,是很典型的运用。但在变频空调逆变器,一般运用的IPM,内部选用热地联接的非隔绝驱动IC,无法完结负压关断。

4)有源米勒钳位:在空调逆变规划中,从本钱考量,往往运用0V关断。为了防止Rg与Cge优化所带来的损耗折中问题,还有一种防止0V关断时门极误动作的方法是有源米勒钳位技术。其完结方法是,实时监测处于关断时序的IG的门极信号,当它抵达某个值时,通过低阻抗回路将门极拉至0V。图8所示为集成有源米勒钳位功用的驱动芯片的功用暗示图。

图8 驱动芯片有源米勒钳位功用暗示
本规划中选用隔绝型驱动芯片进行IG驱动部分的电路规划,具有负电压关断与有源米勒钳位的功用配备,提供给用户更灵活的选择,具体外围电路规划如图9所示。

图9 驱动芯片外围电路规划图
在商用空调的规划中,往往会考虑短路带来的可靠保护问题。在IPM中短路与过流保护的完结,都是根据负母线电流检测或许下桥臂电流检测,通过内部集成的驱动芯片上的一个Itrip引脚来完结,当检流电阻上的电流逾越设定阀值时,关断一切6路的驱动信号。这种保护方法只能针对整个逆变系统,但关于具体的短路方位则没有反响。由于电流检测自身有滤波加上IPM内部传输延时,这样的保护方法关于桥臂直通短路中电流的迅速改动,往往无能为力。

本规划中运用的驱动芯片1ED020I12-F2,针对每个IG在短路瞬间的退饱和情况进行实时监测,可以完结更有针对性地短路保护,并且在系统规划中,将短路与过流两种不同的保护机制分开,更有用地前进系统控制的准确性与可靠性。一同,由于1ED芯片内部还集成有Vge钳位功用,防止了一般可见的短路时门极由于di/dt影响造成的电位上漂,保证了IG有用的短路安全作业区。2.3 温度检测与保护电路规划

在中大功率运用中,功率逆变器部分的散热功用是系统规划的另一个注重要点。跟着系统功率密度的不断前进,近年来关于怎么准确地完结温度的检测与保护引起广泛的讨论。本规划所选用的IG模块FP35R12KT4,在规划初期,根据10HP压缩机额外输出电流19A以及通用的开关频率5kHz运用条件,在英飞凌的在线损耗与温度仿真途径IPOSIM下进行了仿真。仿真效果标明,该模块可以在55°C的环境温度工况下,运用典型的风冷散热条件,IG模块所抵达的最高作业结温为105°C,系统可以安全可靠的作业且留有很大的安全余量。

本规划选用的IG模块中, IG/续流二极管芯片与热敏电阻NTC设备在同一块DCB上,如图10所示。IG与二极管芯片的损耗所发生的热量一方面通过纵向的散热途径耗散,另一方面热量通过DCB与基板横向耦合影响内部热敏电阻NTC。假如在规划中可以事前测得NTC温度与芯片实践结温之间的对应联络,就可以通过测量NTC的温度,来估测IG芯片的平均结温,然后根据规划余量自行设定系统的温度保护点。

图10 IG模块中,芯片与NTC设备方位暗示
本规划中运用外接电阻与NTC分压的方法,如图11,开始设定90°C为NTC的温度保护点。当NTC检测温度高于设定值,比较器输出高电平信号,OTP点电平翻转。

图11 IG过温保护电路
需求留心的是,运用NTC做过温保护只适用于正常稳态下的温度保护,并不适宜芯片的瞬时温度改动,比方IG短路时引起的芯片温度剧烈改动,其改动时刻在us级,而NTC的热耦合时刻常数往往在分钟级或秒级,用NTC做这样的保护往往来不及。

3 系统完结与验证

根据上述剖析,的IG模块IG模块FP35R12KT4与隔绝型驱动芯片1ED020I12-F2搭建了硬件系统,为了完结方便的软件联调,辅佐供电部分也包含在同一块硬件板上,如图12所示。

图12 硬件电路功用暗示
本规划在试验室功用验证的基础上,与实践的空调整机进行软件联调,验证该硬件电路在实践系统中的可行性与温度特性。图13给出了系统验证试验设备图。

图13 系统验证试验设备
为验证本规划在实践系统中的温度表现,咱们在模块正下方的IG芯片方位处,放置热电偶进行IG壳温Tc的收集,如图14所示。在不同的负载电流下测得的Tc温度值如表1所示。根据IPOSIM核算得到的器件损耗以及规范书中的结壳热阻参数Rthjc,进行核算,可以得到表1中所示的结温Tvj。

图14 温度点暗示图表1 温度效果记载
由于是在20°C环境温度进行的,所得的最高壳温,以及核算所得的最高结温,还需求归纳考虑空调客户系统规划中实践环境温度高达55°C的要求。由效果可以看出,在55°C环境温度下,核算出的本规划中的IG最高结温约为100°C,由此可见,本规划在前进系统功率密度方面仍然有较大的改进空间,可以支持运用更高的开关频率,增加输出总功率或许有用减小散热器标准。

试验除了验证系统散热特性,还进行了母线电压保护,以及输出相间短路保护的系统验证。由图15(a)可见,当相间短路发生时,输出电流关断;图15(b),相应环路中的IG发生退饱和,对应的驱动芯片关断此路的驱动输出信号,在默许延时时刻后,输出毛病报错信号;一同,如图15(c)所示,规划板上相应的毛病指示灯被点亮。

(a)输出电流波形(b)短路时,IG驱动与保护信号波形(c)硬件电路短路指示
图15 实践相间短路,波形与指示暗示

4 带给用户的优势与规划展望

开始的硬件系统比较标明,本规划较相同输出功率的IPM规划方案,可以为空调客户节省10%以上的系统本钱。

本规划中用于验证的英飞凌IG模块为Econo2封装。跟着商用空调单体压缩机功率的不断前进,Econo3封装的IG模块更适宜于16HP-22HP商用空调逆变器部分。通过如图16所示的PCB板规划的兼容考虑,客户可以选用途径化的规划思路,进行一系列逆变器产品的开发。

图16 Econo2与Econo3封装,IG模块兼容规划
其他,在中大功率的逆变规划中,温度监测与保护遭到越来越多的注重。前文提到,咱们在开始热仿真过程中,运用的是IG模块规范书中的开关损耗参数,此参数是在模块生产厂家的途径下进行测量得到的。由于不同的功率环路、驱动环路、注册与关断电压等,都对IG开关损耗有影响。因此,愈加准确的损耗定标,用户需求在系统电气调试的过程中,在用户自己实践的功率环路、驱动电路、以及系统电压与电流条件下,进行开关损耗的实践测量,并将效果代入损耗核算与热仿真剖析,可以进一步前进系统温度点评的准确性。

一同,可以在实践系统的散热条件下,对IG结温与NTC之间的温度联络进行定标,更好的发挥NTC关于系统温度保护的效果。

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