原標題：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三相逆變器設計指南

單極性SPWM（Sine Pulse Width Modulation）三相逆變器是電力電子領域常用的一種拓撲結構，它能夠將直流電高效地轉換為交流電，并且通過單極性調制方式，在較低開關頻率下也能獲得較好的輸出波形質量。本設計指南將詳細探討基于IR2104高壓側驅動芯片的三相逆變器設計，涵蓋其工作原理、電路構成、關鍵元器件選型、PCB布局布線要點以及相關注意事項。

1. 逆變器系統概述

三相逆變器是將直流電源轉換為可控的三相交流電源的裝置。在光伏發電、UPS、電機驅動等領域有著廣泛應用。單極性SPWM調制方式的優勢在于其輸出電壓的諧波含量較低，尤其是在高頻諧波方面，更容易通過濾波處理，從而獲得接近正弦波的輸出。

2. 單極性SPWM調制原理

單極性SPWM調制是通過比較一個高頻三角載波和一個低頻正弦調制波來生成PWM脈沖。與雙極性SPWM不同，單極性SPWM在每個半周期內，逆變橋臂只進行單向開關，使得輸出電壓在每個載波周期內只在零電平和正電壓（或負電壓）之間切換，有效降低了輸出諧波，尤其消除了偶次諧波，使濾波器設計更為簡單。在三相系統中，通過三組相位差120度的調制波形，生成三相獨立的PWM信號，驅動逆變器橋臂。

3. 基于IR2104的逆變器拓撲結構與原理圖設計

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

3.1 核心拓撲：三相全橋逆變電路

三相全橋逆變電路由六個功率開關器件（通常是IGBT或MOSFET）組成，分為三相上下橋臂。每相包含一個上管和一個下管，并聯一個反并聯二極管。

3.2 IR2104高壓側驅動芯片

IR2104是一款半橋驅動IC，集成了高壓側和低壓側驅動器，專為驅動MOSFET和IGBT而設計。其特點包括：

• 自舉供電： 高壓側驅動器采用自舉電路供電，無需獨立的隔離電源，簡化了電路設計。

• 死區時間可調： 內置死區時間生成器，有效防止上下管直通，保護功率器件。

• 欠壓鎖定（UVLO）： 當供電電壓低于設定閾值時，自動關閉輸出，防止功率器件在驅動不足的情況下工作。

• 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半橋驅動的優化。對于三相逆變器，只需要三顆IR2104即可驅動六個功率器件，大大簡化了驅動電路的設計復雜度，同時降低了成本。相比于需要多路隔離電源的驅動方案，IR2104的自舉供電方式在工程實現上具有顯著優勢。其內置的死區時間控制和UVLO功能也提供了額外的保護，增強了系統的可靠性。

3.2.1 IR2104的引腳功能

• VDD： 低壓側電源輸入，通常為10V-20V。

• VSS： 信號地。

• IN： 邏輯輸入，控制高壓側和低壓側的輸出。

• SD： 關斷輸入（可選），用于外部關斷。

• VB： 高壓側自舉電源輸入。

• VS： 高壓側浮動電源地，連接到高壓側功率管的源極（MOSFET）或發射極（IGBT）。

• HO： 高壓側柵極驅動輸出。

• LO： 低壓側柵極驅動輸出。

3.2.2 IR2104驅動電路設計

每個IR2104驅動一個半橋臂。其典型連接方式如下：

• 自舉二極管和電容： D1和C1構成自舉電路。當低壓側功率管導通時，自舉電容C1通過D1充電。當高壓側功率管需要導通時，自舉電容C1提供高壓側驅動電源VB-VS。

• 元器件型號選擇： 自舉二極管D1通常選擇反向恢復時間短、正向壓降小的快恢復二極管（FRD）或超快恢復二極管（UFRD），例如 MUR160、BYV26C 等。反向電壓應高于直流母線電壓。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，其耐壓值應高于VDD與VS之間的最大電壓差。選擇電容時，要考慮其ESR和ESL，以保證在開關過程中能夠提供足夠的瞬時電流。

• 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；自舉電容則儲存能量，為高壓側驅動提供瞬時電流。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，并調節開關速度。

• 元器件型號選擇： Rg通常為幾歐姆到幾十歐姆的普通碳膜或金屬膜電阻。具體阻值需要根據功率器件的柵極電荷量Q_g、開關頻率以及允許的開關損耗來計算和實驗確定。

• 器件作用及選擇原因： 柵極電阻的作用是控制功率管的開關速度。阻值過小會導致開關速度過快，產生較大的電壓尖峰和EMI；阻值過大則會增加開關損耗，甚至導致功率管無法完全導通或關斷，影響效率和可靠性。

• 電源去耦電容： 在VDD和VSS之間放置一個去耦電容，用于濾除電源噪聲，穩定IR2104的供電。

• 元器件型號選擇： 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工作時所需的瞬時電流，并濾除電源線上的高頻噪聲，確保IR2104穩定可靠地工作。

3.3 功率器件選擇（IGBT/MOSFET）

選擇IGBT還是MOSFET？這取決于具體的應用需求和功率等級。

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

• IGBT： 適用于開關頻率較低（幾kHz到幾十kHz）、高電壓大電流的應用。其導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具有更低的導通損耗和更高的耐壓能力。

對于基于IR2104的三相逆變器，如果輸出功率在幾千瓦到幾十千瓦，且開關頻率在10kHz-20kHz，IGBT通常是更優的選擇，因為它在高壓大電流下具有更低的導通損耗。

3.3.1 功率器件選型考量

• 電壓等級（Vces/Vds）： 功率器件的耐壓應至少為直流母線電壓的1.5-2倍，以應對開關瞬態尖峰電壓。例如，對于400V直流母線，應選擇600V或更高的IGBT/MOSFET。

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

• 開關速度與損耗： 選擇具有較低開關損耗（Eon, Eoff）的器件，以提高效率。

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

• 柵極電荷量（Qg）： 柵極電荷量會影響驅動電路的設計和開關損耗。

優選元器件型號舉例：

• 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具有良好的開關特性和可靠性。

• MOSFET： 對于較低功率應用，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信號生成

通常使用微控制器（MCU）或數字信號處理器（DSP）來生成SPWM信號。

• MCU（如STM32F系列、GD32系列）： 成本較低，功能強大，適合中低功率、對控制精度和實時性要求不極致的場合。

• DSP（如TI C2000系列）： 運算能力強，外設豐富（如高性能PWM模塊、ADC），適合高功率、對控制精度、動態響應和實時性要求較高的場合。

優選元器件型號：

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

• DSP： TI的TMS320F28335或TMS320F28069等，這些DSP專為電機控制和電力電子應用設計，具備強大的PWM生成能力和豐富的ADC通道。

3.4.1 SPWM信號生成策略

控制核心通過內部定時器和比較器生成六路帶有死區時間的互補PWM波形，分別送入三顆IR2104的IN引腳。需要注意設置合適的死區時間，以避免上下橋臂直通。死區時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關特性。

3.5 直流母線電容

直流母線電容用于平滑直流母線電壓，提供功率器件開關所需的瞬時電流，并吸收逆變器產生的無功功率。

• 元器件型號選擇： 通常選擇電解電容和薄膜電容并聯使用。

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

• 薄膜電容（CBB電容）： 具有優異的高頻特性，用于吸收開關瞬態尖峰，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儲能，穩定直流電壓。薄膜電容則以其低ESR和ESL的特性，在高頻開關時提供局部能量，吸收尖峰電壓，保護功率器件，并降低EMI。兩者的結合能夠更好地滿足逆變器對電源質量的要求。

3.6 輔助電源

為了給控制芯片、驅動芯片以及其他低壓器件供電，需要設計輔助電源。通常包括DC-DC降壓模塊或線性穩壓器。

• 元器件型號選擇：

• 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）、Recom、Mean Well等品牌的隔離DC-DC模塊。

• 非隔離DC-DC芯片： 如果無需隔離，可以使用LM2596、MP1584等降壓型DC-DC芯片構建。

• 器件作用及選擇原因： 輔助電源為控制系統和驅動電路提供穩定的低壓電源。隔離電源可以有效提高系統的抗干擾能力和安全性。

4. PCB布局布線要點

PCB設計對于逆變器的性能和可靠性至關重要。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

• 最小化功率環路面積： 驅動電路與功率器件之間的連接應盡可能短而寬，特別是柵極驅動回路和功率主回路。減小環路面積可以有效降低寄生電感，從而抑制開關瞬態電壓尖峰。

• 大電流路徑優化： 直流母線、逆變橋輸出到負載的電流路徑應短粗，采用寬銅皮或多層板進行電流分配，以降低寄生電阻和電感，減少I*R壓降和熱量產生。

• 對稱性： 對于三相逆變器，各相的功率回路布局應盡可能對稱，以確保各相特性的一致性。

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

4.2 驅動電路布局

• IR2104靠近功率器件： IR2104芯片應盡可能靠近所驅動的MOSFET/IGBT的柵極，縮短柵極驅動線，降低寄生電感和電阻對驅動信號的影響。

• 自舉電容和二極管靠近IR2104： 自舉電容和二極管應緊密靠近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電源去耦電容應緊鄰VDD引腳放置。

4.3 信號和控制回路布局

• 數字地與功率地分離： 采用單點接地或星形接地方式，將數字地與功率地在一點匯合，避免功率地電流對數字信號產生干擾。

• 避免信號線與功率線并行： 信號線應遠離功率線，并避免并行走線，以減少電磁耦合干擾。

• 模擬信號處理： 如果有電流/電壓采樣等模擬信號，應采用差分走線，并盡量遠離高頻開關噪聲源。

• 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： 在關鍵信號線路上可以考慮放置小容量的瓷片電容或磁珠進行濾波。

5. 保護電路設計

為了確保逆變器的長期穩定運行，必須設計完善的保護電路。

5.1 過流保護

• 硬件過流保護： 通過霍爾電流傳感器或取樣電阻檢測輸出電流或母線電流。當電流超過設定閾值時，直接由硬件電路觸發關斷信號，通過IR2104的SD引腳或直接關斷PWM輸出。

• 元器件型號： 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。

• 軟件過流保護： 通過ADC采樣電流，由控制芯片進行軟件判斷。軟件保護響應速度相對較慢，通常作為硬件保護的補充。

5.2 過壓/欠壓保護

• 直流母線過壓/欠壓保護： 通過電阻分壓采樣直流母線電壓，送入ADC進行檢測。當電壓異常時，控制芯片關斷PWM輸出。

• 交流輸出過壓/欠壓保護： 通過互感器或分壓電阻采樣交流輸出電壓，進行檢測。

5.3 過溫保護

在功率器件、散熱器或變壓器等關鍵熱點處放置溫度傳感器（如NTC熱敏電阻、DS18B20、LM35），當溫度超過設定閾值時，觸發保護關斷。

5.4 短路保護

短路保護是重中之重。除了過流保護外，某些IGBT模塊自帶短路保護功能。也可以通過硬件電路快速檢測輸出短路，并立即關斷。

6. 濾波電路設計

為了獲得高質量的正弦波輸出，逆變器輸出端通常需要連接LC濾波器。

6.1 LC濾波器設計

• 電感L： 用于平滑輸出電流，抑制諧波。

• 元器件型號選擇： 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，與電感共同構成諧振電路。

• 元器件型號選擇： 通常選擇交流薄膜電容（如CBB60系列、MKP系列），因為它們具有較好的高頻特性、低損耗和長壽命。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為其在交流電壓下的介質損耗較小，能夠更好地承受交流電壓應力。

6.2 濾波器的設計參數

濾波器截止頻率應介于開關頻率和基波頻率之間，通常選擇為開關頻率的1/10到1/5。根據所需的輸出波形質量和負載特性進行優化。

7. 軟啟動與預充電電路

為了避免上電瞬間對功率器件和電源造成過大沖擊，通常需要設計軟啟動和預充電電路。

• 預充電： 在主回路接觸器閉合之前，通過一個限流電阻對直流母線電容進行緩慢充電，待電壓接近額定值時再閉合主回路接觸器。

• 軟啟動： PWM信號在逆變器啟動時逐漸增加占空比或調制深度，使輸出電壓平滑上升，避免沖擊。

8. 散熱設計

功率器件在工作時會產生大量熱量，良好的散熱設計是保證逆變器穩定運行的關鍵。

• 散熱器選擇： 根據功率器件的功耗、熱阻、環境溫度以及允許的結溫來計算并選擇合適的散熱器。

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

• 風扇強制風冷： 對于較高功率的逆變器，通常需要加裝風扇進行強制風冷。

9. 測試與調試

在逆變器制作完成后，需要進行詳細的測試和調試，以驗證其功能和性能。

• 靜態測試： 測量各點電壓、電流，檢查各路供電是否正常，驅動波形是否正確。

• 空載測試： 檢查輸出電壓波形、頻率、諧波含量。

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

• 保護功能測試： 模擬各種故障情況，驗證保護電路是否能正常動作。

• EMC測試： 評估電磁兼容性，確保符合相關標準。

通過上述詳細的設計和元器件選擇，我們可以構建一個基于IR2104的穩定、高效的單極性SPWM三相逆變器。在實際操作中，每個環節都需要精細的設計和反復的驗證，才能確保最終產品的性能和可靠性。