原標(biāo)題：基于ir2104的單極性SPWM三相逆變模器 （原理圖+PCB）

基于IR2104的單極性SPWM三相逆變器設(shè)計(jì)指南

單極性SPWM（Sine Pulse Width Modulation）三相逆變器是電力電子領(lǐng)域常用的一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它能夠?qū)⒅绷麟姼咝У剞D(zhuǎn)換為交流電，并且通過(guò)單極性調(diào)制方式，在較低開(kāi)關(guān)頻率下也能獲得較好的輸出波形質(zhì)量。本設(shè)計(jì)指南將詳細(xì)探討基于IR2104高壓側(cè)驅(qū)動(dòng)芯片的三相逆變器設(shè)計(jì)，涵蓋其工作原理、電路構(gòu)成、關(guān)鍵元器件選型、PCB布局布線要點(diǎn)以及相關(guān)注意事項(xiàng)。

1. 逆變器系統(tǒng)概述

三相逆變器是將直流電源轉(zhuǎn)換為可控的三相交流電源的裝置。在光伏發(fā)電、UPS、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。單極性SPWM調(diào)制方式的優(yōu)勢(shì)在于其輸出電壓的諧波含量較低，尤其是在高頻諧波方面，更容易通過(guò)濾波處理，從而獲得接近正弦波的輸出。

2. 單極性SPWM調(diào)制原理

單極性SPWM調(diào)制是通過(guò)比較一個(gè)高頻三角載波和一個(gè)低頻正弦調(diào)制波來(lái)生成PWM脈沖。與雙極性SPWM不同，單極性SPWM在每個(gè)半周期內(nèi)，逆變橋臂只進(jìn)行單向開(kāi)關(guān)，使得輸出電壓在每個(gè)載波周期內(nèi)只在零電平和正電壓（或負(fù)電壓）之間切換，有效降低了輸出諧波，尤其消除了偶次諧波，使濾波器設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)單。在三相系統(tǒng)中，通過(guò)三組相位差120度的調(diào)制波形，生成三相獨(dú)立的PWM信號(hào)，驅(qū)動(dòng)逆變器橋臂。

3. 基于IR2104的逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與原理圖設(shè)計(jì)

本逆變器主要由以下幾個(gè)部分組成：直流母線、三相逆變橋（IGBT/MOSFET）、IR2104驅(qū)動(dòng)電路、控制核心（DSP/單片機(jī)）以及必要的輔助電源和保護(hù)電路。

3.1 核心拓?fù)洌喝嗳珮蚰孀冸娐?/span>

三相全橋逆變電路由六個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件（通常是IGBT或MOSFET）組成，分為三相上下橋臂。每相包含一個(gè)上管和一個(gè)下管，并聯(lián)一個(gè)反并聯(lián)二極管。

3.2 IR2104高壓側(cè)驅(qū)動(dòng)芯片

IR2104是一款半橋驅(qū)動(dòng)IC，集成了高壓側(cè)和低壓側(cè)驅(qū)動(dòng)器，專為驅(qū)動(dòng)MOSFET和IGBT而設(shè)計(jì)。其特點(diǎn)包括：

• 自舉供電： 高壓側(cè)驅(qū)動(dòng)器采用自舉電路供電，無(wú)需獨(dú)立的隔離電源，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。

• 死區(qū)時(shí)間可調(diào)： 內(nèi)置死區(qū)時(shí)間生成器，有效防止上下管直通，保護(hù)功率器件。

• 欠壓鎖定（UVLO）： 當(dāng)供電電壓低于設(shè)定閾值時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉輸出，防止功率器件在驅(qū)動(dòng)不足的情況下工作。

• 兼容TTL/CMOS輸入： 易于與各種控制芯片接口。

為什么選擇IR2104？選擇IR2104的主要原因在于其高集成度、自舉供電的便利性以及針對(duì)半橋驅(qū)動(dòng)的優(yōu)化。對(duì)于三相逆變器，只需要三顆IR2104即可驅(qū)動(dòng)六個(gè)功率器件，大大簡(jiǎn)化了驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)復(fù)雜度，同時(shí)降低了成本。相比于需要多路隔離電源的驅(qū)動(dòng)方案，IR2104的自舉供電方式在工程實(shí)現(xiàn)上具有顯著優(yōu)勢(shì)。其內(nèi)置的死區(qū)時(shí)間控制和UVLO功能也提供了額外的保護(hù)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。

3.2.1 IR2104的引腳功能

• VDD： 低壓側(cè)電源輸入，通常為10V-20V。

• VSS： 信號(hào)地。

• IN： 邏輯輸入，控制高壓側(cè)和低壓側(cè)的輸出。

• SD： 關(guān)斷輸入（可選），用于外部關(guān)斷。

• VB： 高壓側(cè)自舉電源輸入。

• VS： 高壓側(cè)浮動(dòng)電源地，連接到高壓側(cè)功率管的源極（MOSFET）或發(fā)射極（IGBT）。

• HO： 高壓側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)輸出。

• LO： 低壓側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)輸出。

3.2.2 IR2104驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

每個(gè)IR2104驅(qū)動(dòng)一個(gè)半橋臂。其典型連接方式如下：

• 自舉二極管和電容： D1和C1構(gòu)成自舉電路。當(dāng)?shù)蛪簜?cè)功率管導(dǎo)通時(shí)，自舉電容C1通過(guò)D1充電。當(dāng)高壓側(cè)功率管需要導(dǎo)通時(shí)，自舉電容C1提供高壓側(cè)驅(qū)動(dòng)電源VB-VS。

• 元器件型號(hào)選擇： 自舉二極管D1通常選擇反向恢復(fù)時(shí)間短、正向壓降小的快恢復(fù)二極管（FRD）或超快恢復(fù)二極管（UFRD），例如 MUR160、BYV26C 等。反向電壓應(yīng)高于直流母線電壓。自舉電容C1通常選擇陶瓷電容或薄膜電容，容量一般在 0.1μF - 1μF 之間，其耐壓值應(yīng)高于VDD與VS之間的最大電壓差。選擇電容時(shí)，要考慮其ESR和ESL，以保證在開(kāi)關(guān)過(guò)程中能夠提供足夠的瞬時(shí)電流。

• 器件作用及選擇原因： 自舉二極管用于阻斷電流回流，確保自舉電容正確充電；自舉電容則儲(chǔ)存能量，為高壓側(cè)驅(qū)動(dòng)提供瞬時(shí)電流。選擇低ESR/ESL的電容是為了更好地抑制高頻噪聲和提供快速充電/放電能力。

• 柵極電阻Rg： 用于限制柵極電流，抑制振蕩，并調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)速度。

• 元器件型號(hào)選擇： Rg通常為幾歐姆到幾十歐姆的普通碳膜或金屬膜電阻。具體阻值需要根據(jù)功率器件的柵極電荷量Q_g、開(kāi)關(guān)頻率以及允許的開(kāi)關(guān)損耗來(lái)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)確定。

• 器件作用及選擇原因： 柵極電阻的作用是控制功率管的開(kāi)關(guān)速度。阻值過(guò)小會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)速度過(guò)快，產(chǎn)生較大的電壓尖峰和EMI；阻值過(guò)大則會(huì)增加開(kāi)關(guān)損耗，甚至導(dǎo)致功率管無(wú)法完全導(dǎo)通或關(guān)斷，影響效率和可靠性。

• 電源去耦電容： 在VDD和VSS之間放置一個(gè)去耦電容，用于濾除電源噪聲，穩(wěn)定IR2104的供電。

• 元器件型號(hào)選擇： 0.1μF - 1μF的陶瓷電容，靠近IR2104的VDD引腳放置。

• 器件作用及選擇原因： 去耦電容的作用是提供IR2104工作時(shí)所需的瞬時(shí)電流，并濾除電源線上的高頻噪聲，確保IR2104穩(wěn)定可靠地工作。

3.3 功率器件選擇（IGBT/MOSFET）

選擇IGBT還是MOSFET？這取決于具體的應(yīng)用需求和功率等級(jí)。

• MOSFET： 適用于開(kāi)關(guān)頻率較高（幾十kHz到MHz）、低電壓大電流或中等電壓小電流的應(yīng)用。其導(dǎo)通損耗主要取決于導(dǎo)通電阻RDS(on)。在相同電流下，MOSFET的導(dǎo)通損耗通常低于IGBT。

• IGBT： 適用于開(kāi)關(guān)頻率較低（幾kHz到幾十kHz）、高電壓大電流的應(yīng)用。其導(dǎo)通損耗主要取決于飽和壓降VCE(sat)。在相同電壓和電流下，IGBT通常比MOSFET具有更低的導(dǎo)通損耗和更高的耐壓能力。

對(duì)于基于IR2104的三相逆變器，如果輸出功率在幾千瓦到幾十千瓦，且開(kāi)關(guān)頻率在10kHz-20kHz，IGBT通常是更優(yōu)的選擇，因?yàn)樗诟邏捍箅娏飨戮哂懈偷膶?dǎo)通損耗。

3.3.1 功率器件選型考量

• 電壓等級(jí)（Vces/Vds）： 功率器件的耐壓應(yīng)至少為直流母線電壓的1.5-2倍，以應(yīng)對(duì)開(kāi)關(guān)瞬態(tài)尖峰電壓。例如，對(duì)于400V直流母線，應(yīng)選擇600V或更高的IGBT/MOSFET。

• 電流等級(jí)（Ic/Id）： 功率器件的額定電流應(yīng)高于最大輸出相電流的峰值，并留有足夠的裕量。

• 開(kāi)關(guān)速度與損耗： 選擇具有較低開(kāi)關(guān)損耗（Eon, Eoff）的器件，以提高效率。

• 熱特性： 封裝形式、熱阻（Rthjc）以及最大結(jié)溫（Tjmax）都是重要的考慮因素，需要配合散熱器設(shè)計(jì)。

• 柵極電荷量（Qg）： 柵極電荷量會(huì)影響驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)和開(kāi)關(guān)損耗。

優(yōu)選元器件型號(hào)舉例：

• IGBT： 英飛凌（Infineon）的IKW系列（如IKW40N65H5）、FUJI ELECTRIC的1MBI系列、ON Semiconductor的NGBT系列等。這些系列IGBT具有良好的開(kāi)關(guān)特性和可靠性。

• MOSFET： 對(duì)于較低功率應(yīng)用，可以考慮英飛凌（Infineon）的CoolMOS系列、STMicroelectronics的MDmesh系列等。

3.4 控制核心與SPWM信號(hào)生成

通常使用微控制器（MCU）或數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）來(lái)生成SPWM信號(hào)。

• MCU（如STM32F系列、GD32系列）： 成本較低，功能強(qiáng)大，適合中低功率、對(duì)控制精度和實(shí)時(shí)性要求不極致的場(chǎng)合。

• DSP（如TI C2000系列）： 運(yùn)算能力強(qiáng)，外設(shè)豐富（如高性能PWM模塊、ADC），適合高功率、對(duì)控制精度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)和實(shí)時(shí)性要求較高的場(chǎng)合。

優(yōu)選元器件型號(hào)：

• MCU： STM32F4系列（如STM32F407VGT6）或STM32F3系列，它們具備多路高級(jí)定時(shí)器，可生成高精度的互補(bǔ)PWM波形，并帶死區(qū)控制。

• DSP： TI的TMS320F28335或TMS320F28069等，這些DSP專為電機(jī)控制和電力電子應(yīng)用設(shè)計(jì)，具備強(qiáng)大的PWM生成能力和豐富的ADC通道。

3.4.1 SPWM信號(hào)生成策略

控制核心通過(guò)內(nèi)部定時(shí)器和比較器生成六路帶有死區(qū)時(shí)間的互補(bǔ)PWM波形，分別送入三顆IR2104的IN引腳。需要注意設(shè)置合適的死區(qū)時(shí)間，以避免上下橋臂直通。死區(qū)時(shí)間一般在幾百納秒到幾微秒之間，具體取決于功率器件的開(kāi)關(guān)特性。

3.5 直流母線電容

直流母線電容用于平滑直流母線電壓，提供功率器件開(kāi)關(guān)所需的瞬時(shí)電流，并吸收逆變器產(chǎn)生的無(wú)功功率。

• 元器件型號(hào)選擇： 通常選擇電解電容和薄膜電容并聯(lián)使用。

• 電解電容： 容量大，用于平滑直流母線電壓和提供能量緩沖。耐壓值應(yīng)高于直流母線電壓。例如，Nippon Chemi-Con（日本化工）、Rubycon（紅寶石）、EPCOS（愛(ài)普科斯）等品牌的高紋波電流、長(zhǎng)壽命電解電容。

• 薄膜電容（CBB電容）： 具有優(yōu)異的高頻特性，用于吸收開(kāi)關(guān)瞬態(tài)尖峰，抑制高頻噪聲。容量較小，通常為幾微法到幾十微法。例如，EPCOS、Vishay、WIMA等品牌的MKP系列薄膜電容。

• 器件作用及選擇原因： 電解電容提供大容量?jī)?chǔ)能，穩(wěn)定直流電壓。薄膜電容則以其低ESR和ESL的特性，在高頻開(kāi)關(guān)時(shí)提供局部能量，吸收尖峰電壓，保護(hù)功率器件，并降低EMI。兩者的結(jié)合能夠更好地滿足逆變器對(duì)電源質(zhì)量的要求。

3.6 輔助電源

為了給控制芯片、驅(qū)動(dòng)芯片以及其他低壓器件供電，需要設(shè)計(jì)輔助電源。通常包括DC-DC降壓模塊或線性穩(wěn)壓器。

• 元器件型號(hào)選擇：

• 隔離DC-DC模塊： 如果需要控制電路與主功率電路隔離，可以選擇Mornsun（金升陽(yáng)）、Recom、Mean Well等品牌的隔離DC-DC模塊。

• 非隔離DC-DC芯片： 如果無(wú)需隔離，可以使用LM2596、MP1584等降壓型DC-DC芯片構(gòu)建。

• 器件作用及選擇原因： 輔助電源為控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)電路提供穩(wěn)定的低壓電源。隔離電源可以有效提高系統(tǒng)的抗干擾能力和安全性。

4. PCB布局布線要點(diǎn)

PCB設(shè)計(jì)對(duì)于逆變器的性能和可靠性至關(guān)重要。合理的布局布線可以有效降低EMI、抑制電壓尖峰、提高效率。

4.1 功率回路布局

• 最小化功率環(huán)路面積： 驅(qū)動(dòng)電路與功率器件之間的連接應(yīng)盡可能短而寬，特別是柵極驅(qū)動(dòng)回路和功率主回路。減小環(huán)路面積可以有效降低寄生電感，從而抑制開(kāi)關(guān)瞬態(tài)電壓尖峰。

• 大電流路徑優(yōu)化： 直流母線、逆變橋輸出到負(fù)載的電流路徑應(yīng)短粗，采用寬銅皮或多層板進(jìn)行電流分配，以降低寄生電阻和電感，減少I(mǎi)*R壓降和熱量產(chǎn)生。

• 對(duì)稱性： 對(duì)于三相逆變器，各相的功率回路布局應(yīng)盡可能對(duì)稱，以確保各相特性的一致性。

• 散熱考慮： 功率器件下方應(yīng)有足夠的銅皮面積作為散熱路徑，或直接連接到散熱器。重要熱源應(yīng)均勻分布，避免熱點(diǎn)集中。

4.2 驅(qū)動(dòng)電路布局

• IR2104靠近功率器件： IR2104芯片應(yīng)盡可能靠近所驅(qū)動(dòng)的MOSFET/IGBT的柵極，縮短?hào)艠O驅(qū)動(dòng)線，降低寄生電感和電阻對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的影響。

• 自舉電容和二極管靠近IR2104： 自舉電容和二極管應(yīng)緊密靠近IR2104的VB和VS引腳，以確保自舉回路的低阻抗，提供快速充電。

• 柵極電阻靠近功率器件的柵極： 柵極電阻應(yīng)放置在靠近功率器件柵極引腳的位置，以更有效地抑制柵極振蕩。

• VDD去耦電容： IR2104的VDD電源去耦電容應(yīng)緊鄰VDD引腳放置。

4.3 信號(hào)和控制回路布局

• 數(shù)字地與功率地分離： 采用單點(diǎn)接地或星形接地方式，將數(shù)字地與功率地在一點(diǎn)匯合，避免功率地電流對(duì)數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生干擾。

• 避免信號(hào)線與功率線并行： 信號(hào)線應(yīng)遠(yuǎn)離功率線，并避免并行走線，以減少電磁耦合干擾。

• 模擬信號(hào)處理： 如果有電流/電壓采樣等模擬信號(hào)，應(yīng)采用差分走線，并盡量遠(yuǎn)離高頻開(kāi)關(guān)噪聲源。

• 接地層完整性： 盡可能使用完整的地平面，提供良好的回流路徑，降低EMI。

• 抗干擾措施： 在關(guān)鍵信號(hào)線路上可以考慮放置小容量的瓷片電容或磁珠進(jìn)行濾波。

5. 保護(hù)電路設(shè)計(jì)

為了確保逆變器的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，必須設(shè)計(jì)完善的保護(hù)電路。

5.1 過(guò)流保護(hù)

• 硬件過(guò)流保護(hù)： 通過(guò)霍爾電流傳感器或取樣電阻檢測(cè)輸出電流或母線電流。當(dāng)電流超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)，直接由硬件電路觸發(fā)關(guān)斷信號(hào)，通過(guò)IR2104的SD引腳或直接關(guān)斷PWM輸出。

• 元器件型號(hào)： 霍爾電流傳感器如LEM LTS系列、ACS712等。分流電阻則選擇低感、高精度、大功率的錳銅合金電阻。

• 軟件過(guò)流保護(hù)： 通過(guò)ADC采樣電流，由控制芯片進(jìn)行軟件判斷。軟件保護(hù)響應(yīng)速度相對(duì)較慢，通常作為硬件保護(hù)的補(bǔ)充。

5.2 過(guò)壓/欠壓保護(hù)

• 直流母線過(guò)壓/欠壓保護(hù)： 通過(guò)電阻分壓采樣直流母線電壓，送入ADC進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)電壓異常時(shí)，控制芯片關(guān)斷PWM輸出。

• 交流輸出過(guò)壓/欠壓保護(hù)： 通過(guò)互感器或分壓電阻采樣交流輸出電壓，進(jìn)行檢測(cè)。

5.3 過(guò)溫保護(hù)

在功率器件、散熱器或變壓器等關(guān)鍵熱點(diǎn)處放置溫度傳感器（如NTC熱敏電阻、DS18B20、LM35），當(dāng)溫度超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)，觸發(fā)保護(hù)關(guān)斷。

5.4 短路保護(hù)

短路保護(hù)是重中之重。除了過(guò)流保護(hù)外，某些IGBT模塊自帶短路保護(hù)功能。也可以通過(guò)硬件電路快速檢測(cè)輸出短路，并立即關(guān)斷。

6. 濾波電路設(shè)計(jì)

為了獲得高質(zhì)量的正弦波輸出，逆變器輸出端通常需要連接LC濾波器。

6.1 LC濾波器設(shè)計(jì)

• 電感L： 用于平滑輸出電流，抑制諧波。

• 元器件型號(hào)選擇： 選擇鐵硅鋁磁粉芯、坡莫合金磁粉芯或非晶納米晶磁芯的電感器。需要考慮飽和電流、電感量、Q值和損耗。例如，Coilcraft、Bourns等。

• 器件作用及選擇原因： 電感的主要作用是濾除PWM載波頻率及其倍頻諧波。選擇合適的磁芯材料可以減小電感體積，降低損耗。飽和電流要大于最大輸出電流。

• 電容C： 用于平滑輸出電壓，與電感共同構(gòu)成諧振電路。

• 元器件型號(hào)選擇： 通常選擇交流薄膜電容（如CBB60系列、MKP系列），因?yàn)樗鼈兙哂休^好的高頻特性、低損耗和長(zhǎng)壽命。需要考慮耐壓、容量和ESR。例如，Epcos、Vishay、WIMA等。

• 器件作用及選擇原因： 電容與電感形成低通濾波器，濾除高頻諧波。選擇交流薄膜電容是因?yàn)槠湓诮涣麟妷合碌慕橘|(zhì)損耗較小，能夠更好地承受交流電壓應(yīng)力。

6.2 濾波器的設(shè)計(jì)參數(shù)

濾波器截止頻率應(yīng)介于開(kāi)關(guān)頻率和基波頻率之間，通常選擇為開(kāi)關(guān)頻率的1/10到1/5。根據(jù)所需的輸出波形質(zhì)量和負(fù)載特性進(jìn)行優(yōu)化。

7. 軟啟動(dòng)與預(yù)充電電路

為了避免上電瞬間對(duì)功率器件和電源造成過(guò)大沖擊，通常需要設(shè)計(jì)軟啟動(dòng)和預(yù)充電電路。

• 預(yù)充電： 在主回路接觸器閉合之前，通過(guò)一個(gè)限流電阻對(duì)直流母線電容進(jìn)行緩慢充電，待電壓接近額定值時(shí)再閉合主回路接觸器。

• 軟啟動(dòng)： PWM信號(hào)在逆變器啟動(dòng)時(shí)逐漸增加占空比或調(diào)制深度，使輸出電壓平滑上升，避免沖擊。

8. 散熱設(shè)計(jì)

功率器件在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量熱量，良好的散熱設(shè)計(jì)是保證逆變器穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。

• 散熱器選擇： 根據(jù)功率器件的功耗、熱阻、環(huán)境溫度以及允許的結(jié)溫來(lái)計(jì)算并選擇合適的散熱器。

• 導(dǎo)熱界面材料： 功率器件與散熱器之間應(yīng)涂抹導(dǎo)熱硅脂或使用導(dǎo)熱墊片，以減小接觸熱阻。

• 風(fēng)扇強(qiáng)制風(fēng)冷： 對(duì)于較高功率的逆變器，通常需要加裝風(fēng)扇進(jìn)行強(qiáng)制風(fēng)冷。

9. 測(cè)試與調(diào)試

在逆變器制作完成后，需要進(jìn)行詳細(xì)的測(cè)試和調(diào)試，以驗(yàn)證其功能和性能。

• 靜態(tài)測(cè)試： 測(cè)量各點(diǎn)電壓、電流，檢查各路供電是否正常，驅(qū)動(dòng)波形是否正確。

• 空載測(cè)試： 檢查輸出電壓波形、頻率、諧波含量。

• 帶載測(cè)試： 在不同負(fù)載（阻性、感性、容性）下測(cè)試輸出電壓、電流波形，效率，以及溫升。

• 保護(hù)功能測(cè)試： 模擬各種故障情況，驗(yàn)證保護(hù)電路是否能正常動(dòng)作。

• EMC測(cè)試： 評(píng)估電磁兼容性，確保符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

通過(guò)上述詳細(xì)的設(shè)計(jì)和元器件選擇，我們可以構(gòu)建一個(gè)基于IR2104的穩(wěn)定、高效的單極性SPWM三相逆變器。在實(shí)際操作中，每個(gè)環(huán)節(jié)都需要精細(xì)的設(shè)計(jì)和反復(fù)的驗(yàn)證，才能確保最終產(chǎn)品的性能和可靠性。