200W三相逆变器设计：BridgeSwitch与LinkSwitch-TN2的完美结合

在电力电子领域，高效、可靠的逆变器设计一直是工程师们追求的目标。本次为大家带来一款由Power Integrations设计的200W三相逆变器，它采用了BridgeSwitch BRD1263C和LinkSwitch - TN2 LNK3204D，适用于高压无刷直流（BLDC）电机驱动，具有诸多卓越特性。

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设计概述

这款逆变器以340VDC为输入，能够提供200W的连续三相逆变器输出功率，连续电机相电流RMS值达0.62A。它运用了无传感器磁场定向控制（FOC）方法，结合空间矢量调制（SVM）方案，实现了高效稳定的电机驱动。

关键组件特性

BridgeSwitch BRD1263C

这是一款高压半桥电机驱动器，集成了600V FREDFET和超软、快速恢复二极管，无需散热片。它采用完全自偏置操作，简化了辅助电源设计，同时也支持外部偏置操作。具备高低侧逐周期电流限制、两级设备过温保护、高压总线监测以及系统级温度监测等功能。通过单总线状态更新通信，它能支持任何微控制器进行无传感器FOC控制，并提供瞬时相电流输出信号和故障报告。

LinkSwitch - TN2 LNK3204D

该器件在高压降压转换器配置中，为BridgeSwitch设备提供可选的+17V电源（外部偏置），同时为+5V线性稳压器提供输入直流电压，进而为电流检测放大器电路供电。

电路设计详解

三相逆变器结构

由三个BridgeSwitch设备U1、U2和U3组成三相逆变器，其输出通过连接器J1、J2和J3连接到三相BLDC电机。

输入级

输入级由端子J6和J7、输入二极管D6和大容量电容器C27组成。J6和J7作为高压直流总线的连接器，C27用于最小化高压直流输入从电源到电路板的路径，D6则防止直流输入连接反接时的反向电压。

BridgeSwitch偏置电源

内部高压电流源为电容充电，C19、C21和C23为集成低侧控制器和栅极驱动器提供自供电去耦；C18、C20和C22为集成高侧控制器和栅极驱动器提供自供电去耦。

PWM输入

系统微控制器提供PWM信号，控制集成高低侧功率FREDFET的开关状态。

逐周期电流限制

通过电阻R28、R34、R41、R27、R33和R40设置集成高低侧功率FREDFET的逐周期电流限制水平。

系统欠压（UV）和过压（OV）保护

BridgeSwitch设备U1通过电阻R21、R22和R23监测直流总线电压，设置多个欠压阈值和一个过压阈值，通过FAULT引脚报告检测到的总线电压故障。

系统级温度和监测

BridgeSwitch设备U3通过热敏电阻RT1监测系统温度，电阻R36调整系统级故障阈值为90°C，通过FAULT引脚报告系统温度状态变化。

故障总线

BridgeSwitch设备通过连接器J4的引脚8报告内部和系统状态变化，微控制器可根据报告采取相应行动。

微控制器（MCU）接口

连接器J4和J5作为系统微控制器与三相逆变器的接口，包含FAULT_BUS、GND、PWMH_U、PWML_U等多个信号。

外部电源

组件R43 - R48和二极管D3 - D5为BridgeSwitch BPL/BPH引脚提供外部电源，外部电源操作可选。

三相电机接口

连接器J1、J2和J3直接将三相逆变器连接到BLDC电机。

辅助电源电路

LNK3204D提供可选的+17V电源和+5V线性稳压器，直接将高输入直流电压降压到所需的低输出电压。

+5V线性稳压器

MCP1804T为电流检测放大器电路提供直流电源，也可用于为外部微控制器供电。

电流检测放大器

组件U6B、U6C和U6D接收来自检测电阻R29、R35和R42的数据，将电流信息偏移到2.5VDC电平，并将其发送到微控制器。

性能测试分析

启动操作

展示了不同条件下BPL和BPH的启动波形，以及电机启动波形，包括轻载和50W负载条件下的情况。

稳态操作

• 相电压：在不同负载下，测量了BridgeSwitch三相逆变器的相电压（漏源电压），随着负载增加，最大峰值电压有所变化。
• 高侧漏源电压转换速率：在100W和200W负载条件下，测量了高侧BridgeSwitch FREDFET的开启和关闭转换时的电压转换速率。
• 相电流：从轻载到200W负载，测量了三相逆变器的相电流RMS值，随着负载增加，相电流RMS值相应增大。
• INL和/INH信号：展示了轻载和满载条件下低侧（INL）和高侧（/INH）输入PWM信号的波形。
• BPL和BPH信号：展示了从轻载到满载条件下BPL和BPH（低侧和高侧自供电偏置电平）的信号波形。

热性能

在不同负载（30W、100W和200W）下，分别测试了自供电模式和外部供电模式下BridgeSwitch设备的外壳温度。结果表明，外部供电模式下设备的温度相对较低。

空载输入功率消耗

测量了不同输入电压下三相逆变器的空载输入功率。

效率

在340VDC输入、10kHz PWM开关频率、5000 RPM恒定电机速度和28°C平均环境温度下，测试了自供电模式和外部供电模式下的逆变器效率。外部供电模式下的效率略高于自供电模式。

设备和系统级保护/监测

• 过流保护（OCP）：通过调整电流设置电阻，测试了BridgeSwitch设备的电流限制触发和故障清除情况。
• 热警告：在不同负载下，通过施加局部外部热源，测试了低侧FREDFET的过温警告。
• 热关断：在100W负载条件下，对单个BridgeSwitch设备施加局部外部热源，测试了低侧FREDFET的过温关断。
• 欠压（UV）：测试了集成总线UV监测功能和状态报告，通过不同的总线电压变化，展示了FAULT引脚的标志读取。
• 过压（OV）：测试了总线OV监测功能，当总线电压超过OV阈值时，BridgeSwitch设备停止开关并报告故障，电压下降后恢复开关。
• 系统热故障：通过对热敏电阻施加局部外部热源，模拟系统温度故障，测试了BridgeSwitch设备的系统热警告标志。

异常电机操作测试

• 电机堵转条件：在100W和200W负载下，模拟电机堵转情况，测试了BridgeSwitch的保护功能。
• 一个电机相/绕组断开：在100W和200W负载下，断开一个电机绕组，测试了电机相电流和故障标志，以及重新连接相后的情况。
• 运行过载测试：逐渐增加电机负载，测试了BridgeSwitch的保护功能，在过载条件下，电机停止旋转，但设备和电机无损坏。

总结

这款200W三相逆变器设计充分展示了BridgeSwitch和LinkSwitch - TN2的强大性能和可靠性。其集成化的设计、丰富的保护功能以及良好的热性能和效率，为高压BLDC电机驱动提供了优秀的解决方案。在实际应用中，工程师可以根据具体需求选择合适的供电模式和参数设置，以实现最佳的系统性能。你在实际设计中是否也遇到过类似的挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验和想法。