通过搭载150V MOSFET的多电平逆变器来提高效率

电机控制逆变器对于工业机器人这类应用很有必要,有助于推动工厂自动化。
本文介绍一种提高效率的方法, 通过使用150V MOSFET的多电平逆变器替代使用600V MOSFET的2电平逆变器。

  • 与使用2电平逆变器相比,使用多电平逆变器能够更好地控制输出电压
  • 150V MOSFET的导通电阻和栅极电荷低于600V MOSFET,有利于提高效率。
  • 提供可支持5电平输出的参考设计

*市场上有多种类型的多电平逆变器。二极管钳位型NPC(中性点钳位)多电平逆变器在本文中称为“多电平逆变器”。

多电平逆变器

多电平逆变器产品图片

一般的逆变器(2电平逆变器)采用一个开关器件,相比之下,多电平逆变器开关电路包含多个串联开关器件,能够精细地控制输出电压。

图1显示桥式电路的框图,它是普通2电平逆变器电路的一部分。(逆变器电路由多个这部分组成,其数量具体取决于受控电机。控制3相电机的3相逆变器由三个桥式电路组成。)本图中,两个开关器件(图中使用MOSFET)Q1和Q2位于电压源和地线之间,通过控制Q1和Q2的导通/关断,由中点输出所需电压。(电压源和中点之间以及中点和接地之间一个MOSFET所在的部分称为“桥臂”。)
2电平逆变器工作波形如图2所示,输出电压有两个电平,当Q1 导通,Q2 关断时为E(电压源电压),当Q1关断,Q2导通时为0(接地电压)。

图1:2电平逆变器框图示例
图1:2电平逆变器框图示例
图2:2电平逆变器工作波型示例
图2:2电平逆变器工作波型示例

2电平逆变器每个桥臂中有一个开关器件,而多电平逆变器每个桥臂中有多个开关器件。通过控制每个开关器件,由中点输出所需电压。我们以图3所示为例说明3电平逆变器工作原理,这种逆变器每个桥臂中有2个开关器件。
图4显示3电平逆变器工作波形示例。三个重复周期分别为Q1和Q2导通,Q2和Q3导通,Q3和Q4导通。输出电压有三个电平,Q1和Q2导通时为E,Q2和Q3导通时为E/2,Q3和Q4导通时为0。这样,3电平逆变器的优点是输出电压分辨率倍半交替,因此可以精细地控制输出电压。

图3:3电平逆变器框图示例
图3:3电平逆变器框图示例
图4:多电平逆变器工作示例
图4:多电平逆变器工作示例

现在,我们考虑当两个电压源电压都是E时,输出电压振幅和施加的到2电平逆变器或3电平逆变器每个开关器件的电压。2电平逆变器的输出电压振幅是E,因为输出电压为E和0,每个器件上施加的电压也是E。而3电平逆变器的输出电压振幅是E/2,因为输出电压为E、E/2和0,那么施加到每个器件的电压也是E/2。因此,对于3电平逆变器,每个开关器件上施加的电压变为2电平逆变器的一半,可使用耐压减半的器件。通常,由于单位面积导通电阻增加,MOSFET等开关器件的开关功耗会随着耐压的增加进一步加重。因此,使用耐压较低的器件有助于减少多电平逆变器应用的功率损耗。 

TPH9R00CQ5在多电平逆变器中的应用

最新推出的TPH9R00CQ5是一款150 V MOSFET,由于采用了最新的U-MOSX-H工艺优化单元结构,与上一代产品相比,降低开关功率损耗,并且导通电阻和电荷特性之间的平衡得到了很好的改善。这是一种高速二极管(HSD)型产品,其内部二极管速度通过寿命控制技术获得,除开关电源应用外,还适用于电机驱动时续流电流流过其内部二极管的逆变器应用。

下面看一下采用TPH9R00CQ5的多电平逆变器。假设逆变器输出为3相AC 200V至240V,则输入电压约为DC 400V。对于2电平逆变器,尽管施加到开关器件的稳态电压振幅为400V,考虑到开关操作时的浪涌电压,使用的耐压应达到600V以上。如果使用TPH9R00CQ5,5电平逆变器包含四个串联器件就足够了。

现在,我们从开关应用特性的角度,对2电平逆变器配置的开关器件与5电平逆变器使用的TPH9R00CQ5进行比较。如上所述,2电平逆变器开关器件的耐压需要达到600V以上,因此TK62N60W5(600V/DTMSOIV/HSD型)是适合2电平逆变器应用的,因为 TK62N60W5内置高速二极管以及耐压600V。采用TPH9R00CQ5的情况下,因为TPH9R00CQ5是应用于5电平逆变器,因此在将TPH9R00CQ5与TK62N60W5特性进行比较时,需要考虑4个器件的总特性。表1显示施加电流时影响导通损耗的导通电阻(RDS(ON))值,以及两个器件(TPH9R00CQ5和TK62N60W5)MOSFET导通/关断时,影响开关损耗的栅极电荷(Qg)值。如表1所示,TPH9R00CQ5(共四个器件)导通电阻和栅极电荷值均小于TK62N60W5。这表明逆变器工作状态下,采用TPH9R00CQ5的5电平逆变器功率损耗小于采用TK62N60W5的2电平逆变器。

表1:TPH9R00CQ5(共四个器件)和TK62N60W5特性比较

  5电平逆变器 (TPH9R00CQ5,共四个器件) 2电平逆变器 (TK62N60W5)
RDS(ON)(@VGS=10V) 36mΩ(9mΩ×4) 45mΩ
Qg(VGS=0~10V) 176nC(44nC×4)
205nC

参考设计概述

采用150V MOSFET替代600V MOSFET的多电平逆变器新方案

  • 输入:DC 400V(最大值)
  • 额定输出:3相AC 200V至240V,10A
  • 控制电源:DC 5V
  • 最多5电平输出
150V MOSFET代替600V MOSFET的多电平逆变器新方案

关于采用150V MOSFET的应用信息请点击以下链接
变频器/伺服器

关于可用于终端设备设计的各种参考设计请点击以下链接
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