一种新型商用空调逆变器硬件电路方案的研究

1. 引言

按照国际通用标准，商用空调是3HP以上空调机组的统称。近年来，变频空调技术已日趋成熟。随着永磁同步压缩机技术的发展，压缩机的单机功率呈现增长趋势，与之相应的空调变频化设计也从小功率的单相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。尤其以多联机空调机组为代表，其变频率超过了90%。随着空调系统功率段的提升，对逆变器硬件电路的设计也提出新的要求与挑战。在中大功率的应用中，对功率器件的温度检测与系统可靠性的要求也随之提高。本文以用于10HP商用空调的压缩机逆变器为研究对象，设计了一种新的硬件电路实现方案，采用英飞凌公司的IGBT模块FP35R12KT4和磁隔离型驱动IC搭建逆变电路进行验证，并与实际的商用空调软件系统进行联机测试，试验结果证明新的驱动电路可以提高系统可靠性，并且IGBT模块具有更大的结温余量，可以简化散热设计。同时，采用IGBT模块的主逆变方案，为空调厂家应对压缩机单机功率的提升，保持硬件电路平台化设计，提供了更大的灵活度。

2. 逆变器硬件电路设计

与典型的变频空调逆变方案类似，三相两电平逆变结构是变频商用空调逆变器的主流设计。在小功率的家用变频空调设计中(3HP以下，单相220V输入)，普遍采用集成了功率IGBT与驱动芯片的IPM进行设计。而随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，逆变器额定输出电流也由之前的20A，提高到35A、50A，市场上可供选择的IPM已经非常有限，且价格昂贵。集成三相整流桥与逆变桥的IGBT模块，其标称电流能力从25A到100A，适应于逆变器不同功率段统一平台化设计的需求，且成本优势明显。

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状态，且其两端电流突变，这样就需要有预充电电路，防止电源接通瞬间的浪涌电流对整流部分的冲击。本设计采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限制，当电容组的端电压达到母线电压90%后，将预充电支路旁路掉。

图1：直流母线预充电电路

2.1 IGBT模块外围采样电路设计

2.1.1电流采样电路设计

由于空调压缩机内部的高温、腐蚀性环境无法安装位置传感器， 压缩机逆变器需要采用无位置传感器的控制方法。在无传感器控制方法中，电动机相电流有效检测是提高控制性能的重要环节。常见三种不同的采样方式，如图2所示。

图2：空调压缩机逆变器常见的电流采样方式

这三种不同的采样方式的特点分别如下：

1) 线电流采样：所见即所得，无需重构，但成本最高(需要隔离或电平转换)。

2) 桥臂电流采样：复杂度中等，易于重构，成本适中。但三电阻需要较大的PCB 布板面积并造成一定的电路损耗，且不适合下桥臂不开放的智能功率模块IPM 的应用场合。

3) 负母线单电阻电流采样：其基本原理是，在SVPWM 控制系统中，当使用非零的基本矢量时，根据逆变桥开关状态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。其时序复杂，重构困难，成本最低。

在变频空调系统设计中，由于系统成本的限制，单电阻采样方式越来越受到欢迎。在本设计中，为了适应不同控制策略的控制板联合调试的需要，在硬件电路上，同时配置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：电流采样电路示意

2.1.2电压采样电路设计

在空调系统设计中，通常需要进行母线过欠压保护，可以采用简单的电阻分压电路，以及进行电压信号的采样。为防止干扰，采用差分方式进行采样，如图4所示。

图4：电压采样电路示意

2.2 驱动部分电路设计

在中大功率的应用中，由于系统电流等级的提高，为实现可靠的系统硬件设计，IGBT驱动部分的设计非常关键。

在变频空调逆变器的应用中，如前文所述，单电阻电流采样的方式越来越受到欢迎，由于负母线采样电阻或者电流传感器的引入，理想化的最小驱动环路在实际系统中较难实现， IGBT的驱动部分电路，跨过了采样电阻引入的环路，杂散电感不可忽视。空调逆变器通常采用的IPM模块中，使用热地连接的不隔离型驱动IC，并采用0V驱动电压关断IGBT。在小功率系统中，由于负载电流小，通过优化电路设计，寄生效应所带来的影响通常不太明显。而在商用空调的应用中，随着电流等级的提高，驱动信号的误动作往往不可忽视。

以一个桥臂为例，进行分析。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变化产生-diC2/dt，位移电流通过下管T2驱动环路的杂散电感LσE2，会产生电压vσE2=-LσE2 ，将E端参考电位拉到负。当感应电压超过IGBT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，不光与环路的杂散电感影响有关，也与IGBT的米勒电容有关。同样以半桥电路为例进行分析，在图6中，下桥臂IGBT开通过程中，会产生一个很高的瞬态电压变化dvCE/dt，它会引起一个位移电流 的流动，从而对上桥臂IGBT的门极-集电极寄生电容CCG进行充电。电容CCG和CGE形成一个容性分压器，图6示例了电流iCG流经IGBT米勒电容的路径。

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产生电压差 ，如果该电压差超过IGBT的门极阈值电压VGEth，就将引起IGBT的寄生导通。

图6：位移电流经过IGBT米勒电容的路径

图7给出了实际应用中观测到的，0V关断时可能引起的门极误触发信号的实例。

图7：0V关断可能引起的门极误触发

通常有四种方法来解决以上问题：

1)改变门极电阻：增加门极开通电阻RGon可以减少IGBT开通时的di/dt与dv/dt，，但是会增加开通损耗。减少关断电阻RGoff，可以降低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，需要通过增加关断电阻RGoff来降低。并且，关断电阻的减少，同时要兼顾IGBT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，可以限制米勒电流，同时因为G-E间增加电容，总输入电容增大，门极充电要达到门极驱动的阈值电压需要更多的电荷。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IGBT的开关损耗也会增加。

3)采用负压关断： IGBT模块的驱动电路中，采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，通常使用的IPM，内部采用热地连接的非隔离驱动IC，无法实现负压关断。

4)有源米勒钳位：在空调逆变设计中，从成本考量，往往使用0V关断。为了避免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。其实现方法是，实时监测处于关断时序的IGBT的门极信号，当它达到某个值时，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能的驱动芯片的功能示意图。

图8：驱动芯片有源米勒钳位功能示意

本设计中采用隔离型驱动芯片进行IGBT驱动部分的电路设计，具有负电压关断与有源米勒钳位的功能配置，提供给用户更灵活的选择，具体外围电路设计如图9所示。

图9：驱动芯片外围电路设计图

在商用空调的设计中，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实现，都是根据负母线电流检测或者下桥臂电流检测，通过内部集成的驱动芯片上的一个Itrip引脚来实现，当检流电阻上的电流超过设定阀值时，关断所有6路的驱动信号。这种保护方式只能针对整个逆变系统，但对于具体的短路位置则没有反馈。由于电流检测本身有滤波加上IPM内部传输延时，这样的保护方式对于桥臂直通短路中电流的迅速变化，往往无能为力。

本设计中使用的驱动芯片1ED020I12-F2，针对每个IGBT在短路瞬间的退饱和状态进行实时监测，可以实现更有针对性地短路保护，并且在系统设计中，将短路与过流两种不同的保护机制分开，更有效地提高系统控制的准确性与可靠性。同时，由于1ED芯片内部还集成有Vge钳位功能，避免了通常可见的短路时门极由于di/dt影响造成的电位上漂，保证了IGBT有效的短路安全工作区。