如何使用 IGBT 模組來簡化馬達驅動器和逆變器的設計

在工業自動化、機器人、電動車、太陽能、白色家電和電動工具等應用中，馬達和逆變器的應用持續成長。隨著此類應用的成長，提高效率、降低成本、縮小覆蓋區和簡化整體設計等需求也隨之而來。在設計客製化馬達和逆變器電力電子元件時，設計人員可能傾向使用離散式絕緣閘雙極電晶體 (IGBT) 來滿足特定需求，但這可能會增加長期成本並導致設計時程延宕。

設計人員可改用現成的 IGBT 模組，其能將多個電源裝置合併至單一封裝中。此類模組能以最少的互連元件來滿足設計人員開發小巧系統的需求，藉此簡化組裝作業，同時加速上巿、降低成本以及提升整體效能。IGBT 模組結合適合的 IGBT 驅動器後，即可用來開發高效率且符合成本效益的馬達驅動器和逆變器。

本文簡短介紹電動馬達和逆變器，以及相關的驅動電路和效能要求。接著會探討使用 IGBT 模組和各種模組封裝標準的優點；然後再介紹馬達驅動器和逆變器的設計選項，這些選項可搭載 NXP Semiconductors、Infineon Technologies、Texas Instruments、STMicroelectronics、ON Semiconductor 等廠商提供的 IGBT 模組和驅動器 IC；最後介紹如何運用這些產品，包括評估板的使用。

馬達類型和效率標準

IEC/EN 60034-30 將馬達效率分成 IE1 至 IE5 五種等級。美國電氣製造商協會 (NEMA) 的對應等級從「標準效率」至「超高級」效率 (圖 1)。為了符合較高的效率標準，必須使用電子驅動器；使用電子驅動器的 AC 感應馬達能達到 IE3 和 IE4 要求。若想達到 IE5 效率水準，則需使用較昂貴的永磁馬達和電子驅動器。

圖 1：符合 IEC/EN 60034-30 (IE1 至 IE5) 及對應 NEMA 等級 (標準效率至超高效率) 的馬達效率等級。使用 FOC 和電子驅動器的 AC 感應馬達能達到 IE3 和 IE4 要求。若想達到 IE5 效率水準，則需使用永磁馬達。(圖片來源：ECN)

由於低成本微控制器 (MCU) 的開發，設計人員能夠使用向量控制，亦稱為磁場導向控制 (FOC)。這是一種變頻器 (VFD) 控制方法，可將三相 AC 馬達的定子電流視作兩個正交的分量，並能使用向量加以視覺化。若想讓測量的電流分量維持在所需的值，可以使用比例積分 (PI) 控制器。根據定子參考電壓 (即 PI 電流控制器的輸出)，VFD 的脈寬調變可定義電晶體切換。

FOC 最初是針對高效能系統所開發，但由於 FOC 的馬達尺寸、較低成本和較小功耗，也逐漸成為低成本應用的最佳選擇。隨著低成本高效能的 MCU 越來越容易取得，FOC 逐漸取代低效能的單變數標量 V/f 控制。

目前使用的永磁馬達有無刷 DC (BLDC) 和永磁同步馬達 (PMSM) 兩種主要類型。這些高級馬達設計均須使用電力電子來提供驅動和控制功能。

BLDC 馬達堅固耐用、效率高，而且符合成本效益。PMSM 馬達具有 BLDC 馬達的屬性，但雜訊較低且效率稍高。這兩種類型的馬達通常會搭配霍爾感測器使用，但也可用於無感測器設計。PMSM 馬達適用於要求最高效能等級的應用，而 BLDC 馬達則適用於較注重成本的設計。

• BLDC 馬達
  • 更容易控制 (6 步)，且只需要 DC 電流
  • 換向的轉矩漣波
  • 成本和效能較低 (相較於 PMSM)
• PMSM 馬達
  • 通常用於具有整合式軸編碼器的伺服驅動器
  • 控制較為複雜 (需要三相正弦 PWM)
  • 換向的非轉矩漣波
  • 效率和轉矩較高
  • 成本和效能較高 (相較於 BLDC)

逆變器概覽

逆變器效率指示有多少 DC 輸入功率在輸出端轉換成 AC 功率。高品質正弦波逆變器的效率高達 90% 至 95%。較低品質的仿正弦波逆變器較為簡單，成本和效率也較低，通常在 75% 至 85%。高頻逆變器的效率一般高於低頻設計。此外，逆變器效率也取決於逆變器負載 (圖 2)。所有逆變器都需要電力電子驅動器和控制。

以光電逆變器為例，效率有三種評定標準：

• 峰值效率指示逆變器在最佳功率輸出下的效能。此值可顯示特定逆變器的最高點，並可作為品質標準 (圖 2)。
• 歐洲效率是加權數值，並會考量逆變器在不同功率輸出下的操作頻率。此值能顯示逆變器在太陽日期間不同輸出位準的效能，因此有時比峰值效率更有用。
• 美國加州能源委員會 (CEC) 效率也是一種加權效率，與歐洲效率類似，只不過對加權因數使用不同的假設。

歐洲和 CEC 效率間的主要差異在於對特定逆變器每個功率位準的重要性假設，前者是基於中歐資料，後者則基於美國加州資料。

圖 2：顯示峰值效率點的典型逆變器效率曲線。(圖片來源：美國賓州大學)

IGBT 基礎知識

IGBT 的基本功能是以儘可能最低的損耗，進行儘可能最快的電流切換。顧名思義，IGBT 係採用隔離式閘極結構的雙極電晶體；閘極本身基本上就是個 MOSFET。因此，IGBT 兼具雙極電晶體的高載流能力和高阻斷電壓，以及 MOSFET 的低功率電容性控制等優點。圖 3 描繪出 MOSFET 和雙極電晶體相結合後如何產生 IGBT。

圖 3：IGBT 概念結構顯示此 MOSFET 包括絕緣閘極，以及作為功率處理區段的雙極電晶體結構。(圖片來源：Infineon Technologies)

IGBT 的基本操作相當簡單：從閘極 (圖 3 中的 G) 至射極 (E) 的正電壓 U_GE 啟動 MOSFET。接著，接至集極 (C) 的電壓驅動基極電流流過雙極電晶體和 MOSFET；雙極電晶體啟動，負載電流即可流動。電壓 U_GE ≤ 0 V 時，會關閉 MOSFET，基極電流中斷，且雙極電晶體也關閉。

儘管概念簡單，但由於實際元件和電路中存在許多細微的效能差別，因此針對控制 IGBT (閘極驅動器) 而開發硬體的工作會變得複雜。多數情況下不必這麼做。半導體製造商可提供合適的閘極驅動器，並作為整合式解決方案推出各種不同的功能和能力。因此，將 IGBT 搭配合適的閘極驅動器相當重要。

IGBT 模組可提供多種封裝類型 (圖 4)。最大型模組的額定電壓為 3300 V 或更高，而且專門設計用於再生能源系統、不斷電系統和超大型馬達驅動器等兆瓦級安裝。中型模組的額定電壓通常為 600 V 至 1700 V，適用範圍包括電動車、工業馬達驅動器和太陽能逆變器等各種應用。

圖 4：IGBT 模組提供多種封裝類型。典型的電壓額定值範圍為 600 V 至 3300 V。(圖片來源：Fuji Electric)

最小型元件稱為整合式電源模組，額定值為 600 V，可包含內建型閘極驅動器和其他馬達驅動器元件，適用於小型工業系統和消費型白色家電。相較於其他類型的電源切換元件，IGBT 需要在更高的功率位準和更低的切換頻率下運作 (圖 5)。

圖 5：一般電源切換元件的功率範圍和切換頻率比較 (圖片來源：Infineon Technologies)

牽引逆變器的 IGBT 模組評估板

針對高電壓牽引逆變器的設計人員，NXP Semiconductors 推出 FRDMGD3100HBIEVM 閘極驅動器電源管理評估板，其中採用自家生產的 MC33GD3100A3EK 半橋閘極驅動器 IC。此評估板專門設計用於搭配 Infineon 的 FS820R08A6P2BBPSA1 IGBT 模組使用 (圖 6)。這是一套完整的解決方案，其中含有半橋閘極驅動器 IC、直流鏈電容和轉換電路板；後者用於連接至提供控制訊號的 PC。目標應用包括：

• 電動車牽引馬達和高電壓 DC/DC 轉換器
• 電動車板載充電器和外接式充電器
• 其他高電壓 AC 馬達控制應用

圖 6：NXP 的 FRDMGD3100HBIEVM 閘極驅動器電源管理評估板安裝至 Infineon 的 FS820R08A6P2BBPSA1 IGBT 模組，其中顯示 MC33GD3100A3EK、半橋閘極驅動器 IC、直流鏈電容和轉換電路板 (用於連接至提供控制訊號的 PC) 的位置。(圖片來源：NXP Semiconductors)

150 mm x 62 mm x 17 mm IGBT 模組的驅動器

針對馬達驅動器、太陽能逆變器、HEV 與 EV 充電器、風力渦輪機、運輸系統和不斷電系統的設計人員，Texas Instruments 開發 ISO5852SDWEVM-017 (圖 7)。這是一款小巧的雙通道隔離式閘極驅動器板，可提供通用型半橋碳化矽 (SiC) MOSFET 和矽質 IGBT 模組 (150 mm × 62 mm × 17 mm 標準封裝) 所需的驅動、偏置電壓、保護和診斷功能。此 TI EVM 以 ISO5852SDW 5700 V rms 強化型隔離驅動器 IC 為基礎，並採用沿面距離和間隙為 8.0 mm 的 SOIC-16DW 封裝。EVM 包含 SN6505B 型隔離式 DC/DC 變壓器偏壓電源。

圖 7：Texas Instruments 的 ISO5852SDWEVM-017 雙通道隔離式閘極驅動器電路板安裝在 150 mm × 62 mm IGBT 模組的頂部。(圖片來源：Texas Instruments)

智慧型電源模組評估板

STMicroelectronics 提供 STEVAL-IHM028V2 2000 W 三相馬達控制評估板 (圖 8)，其中配備 STGIPS20C60 IGBT 智慧型電源模組。此評估板是一種 DC/AC 逆變器，所產生的波形可用來驅動空調 (HVAC)、白色家電和高端單相電動工具中高達 2000 W 的三相馬達，例如電感馬達或 PMSM 馬達。設計人員可以使用此 EVB 實作含有三相 AC 馬達的 FOC 設計。

此 EVM 的主要部分是經過完整評估和裝載的通用設計，所含的三相逆變橋以 600 V IGBT 智慧型電源模組為基礎，並採用 SDIP 25L 封裝固定在散熱片上。此智慧型電源模組將具備飛輪二極體的所有功率 IGBT 開關，與高電壓閘極驅動器整合在一起。這種整合度可節省 PCB 空間和組裝成本，而且有助於提高可靠性。評估板在設計上與單相主電源相容，可供應 90 V 至 285 V 的 AC 電壓，並且也相容於 125 V 至 400 V 的 DC 輸入。

圖 8：STMicroelectronics 的 STEVAL-IHM028V2 產品評估板 (含 FOC)。此板可用來評估相當廣泛的應用，例如空調 (HVAC)、白色家電和高端單相電動工具。(圖片來源：STMicroelectronics)

850 W 評估板可處理多種馬達類型

ON Semiconductor 提供的 SECO-1KW-MCTRL-GEVB 評估板，能讓設計人員利用各種控制演算法來控制 AC 電感馬達、PMSM 和 BLDC 等不同類型的馬達，並且包含 FOC，其可藉由 Arduino Due 排針座連接的微控制器進行實作 (圖 9)。此板經過專門設計，可用於 Arduino DUE (相容排針座) 或配備 MCU 的類似控制器板。此板的推出目的，是為了支援開發人員在設計應用初期使用整合式電源模組和功率因數校正功能。產品專供工業泵與風扇、工業自動化系統和家用電器的設計人員使用。

圖 9：ON Semiconductor 的 SECO−1KW−MCTRL−GEVB 評估板方塊圖 (圖片來源：ON Semiconductor)

此評估板採用 NFAQ1060L36T (圖10) 這款整合式逆變器功率級，其中包含高電壓驅動器、六個 IGBT 和一個熱敏電阻，適合用來驅動 PMSM、BLDC 和 AC 電感馬達。IGBT 採用三相橋接配置，搭配個別的射極連接較低的引腳，可達到控制演算法的最高選擇靈活性。功率級具有全方位的保護功能，包括交越導通保護、外部關斷以及欠壓鎖定功能。內部比較器和參考連接至過流保護電路，可允許設計人員設定保護等級。

圖 10：ON Semiconductor 的 NFAQ1060L36T 電源整合式模組功能方塊圖 (圖片來源：ON Semiconductor)

NFAQ1060L36T 電源整合式模組功能摘要：

• 含整合式驅動器的三相 10 A/600 V IGBT 模組
• 小巧的雙列直插式封裝 (29.6 mm x 18.2 mm)
• 內建欠壓保護
• 交叉導通保護
• 可關閉所有 IGBT 的 ITRIP 輸入
• 整合式靴帶二極體和電阻
• 用於測量基板溫度的熱敏電阻
• 關閉引腳
• UL1557 認證

結論

在設計客製化馬達和逆變器電力電子元件時，使用離散式 IGBT 來滿足特定需求，這可能會增加長期成本並導致設計時程延宕。設計人員可改用現成的 IGBT 模組，其能將多個電源裝置合併至單一封裝中。此類模組能以最少的互連元件來滿足設計人員開發小巧系統的需求，藉此簡化組裝作業，同時加速上巿時間、降低成本以及提升整體效能。

如本文所示，設計人員可以使用含適當 IGBT 驅動器的 IGBT 模組，來開發符合成本效益的小巧型馬達驅動器和逆變器，達成所需的效能和效率標準。

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