原标题：基于ir2104的单极性SPWM三相逆变模器 （原理图+PCB）

基于IR2104的单极性SPWM三相逆变器设计指南

单极性SPWM（Sine Pulse Width Modulation）三相逆变器是电力电子领域常用的一种拓扑结构，它能够将直流电高效地转换为交流电，并且通过单极性调制方式，在较低开关频率下也能获得较好的输出波形质量。本设计指南将详细探讨基于IR2104高压侧驱动芯片的三相逆变器设计，涵盖其工作原理、电路构成、关键元器件选型、PCB布局布线要点以及相关注意事项。

1. 逆变器系统概述

三相逆变器是将直流电源转换为可控的三相交流电源的装置。在光伏发电、UPS、电机驱动等领域有着广泛应用。单极性SPWM调制方式的优势在于其输出电压的谐波含量较低，尤其是在高频谐波方面，更容易通过滤波处理，从而获得接近正弦波的输出。

2. 单极性SPWM调制原理

单极性SPWM调制是通过比较一个高频三角载波和一个低频正弦调制波来生成PWM脉冲。与双极性SPWM不同，单极性SPWM在每个半周期内，逆变桥臂只进行单向开关，使得输出电压在每个载波周期内只在零电平和正电压（或负电压）之间切换，有效降低了输出谐波，尤其消除了偶次谐波，使滤波器设计更为简单。在三相系统中，通过三组相位差120度的调制波形，生成三相独立的PWM信号，驱动逆变器桥臂。

3. 基于IR2104的逆变器拓扑结构与原理图设计

本逆变器主要由以下几个部分组成：直流母线、三相逆变桥（IGBT/MOSFET）、IR2104驱动电路、控制核心（DSP/单片机）以及必要的辅助电源和保护电路。

3.1 核心拓扑：三相全桥逆变电路

三相全桥逆变电路由六个功率开关器件（通常是IGBT或MOSFET）组成，分为三相上下桥臂。每相包含一个上管和一个下管，并联一个反并联二极管。

3.2 IR2104高压侧驱动芯片

IR2104是一款半桥驱动IC，集成了高压侧和低压侧驱动器，专为驱动MOSFET和IGBT而设计。其特点包括：

• 自举供电： 高压侧驱动器采用自举电路供电，无需独立的隔离电源，简化了电路设计。

• 死区时间可调： 内置死区时间生成器，有效防止上下管直通，保护功率器件。

• 欠压锁定（UVLO）： 当供电电压低于设定阈值时，自动关闭输出，防止功率器件在驱动不足的情况下工作。

• 兼容TTL/CMOS输入： 易于与各种控制芯片接口。

为什么选择IR2104？选择IR2104的主要原因在于其高集成度、自举供电的便利性以及针对半桥驱动的优化。对于三相逆变器，只需要三颗IR2104即可驱动六个功率器件，大大简化了驱动电路的设计复杂度，同时降低了成本。相比于需要多路隔离电源的驱动方案，IR2104的自举供电方式在工程实现上具有显著优势。其内置的死区时间控制和UVLO功能也提供了额外的保护，增强了系统的可靠性。

3.2.1 IR2104的引脚功能

• VDD： 低压侧电源输入，通常为10V-20V。

• VSS： 信号地。

• IN： 逻辑输入，控制高压侧和低压侧的输出。

• SD： 关断输入（可选），用于外部关断。

• VB： 高压侧自举电源输入。

• VS： 高压侧浮动电源地，连接到高压侧功率管的源极（MOSFET）或发射极（IGBT）。

• HO： 高压侧栅极驱动输出。

• LO： 低压侧栅极驱动输出。

3.2.2 IR2104驱动电路设计

每个IR2104驱动一个半桥臂。其典型连接方式如下：

• 自举二极管和电容： D1和C1构成自举电路。当低压侧功率管导通时，自举电容C1通过D1充电。当高压侧功率管需要导通时，自举电容C1提供高压侧驱动电源VB-VS。

• 元器件型号选择： 自举二极管D1通常选择反向恢复时间短、正向压降小的快恢复二极管（FRD）或超快恢复二极管（UFRD），例如 MUR160、BYV26C 等。反向电压应高于直流母线电压。自举电容C1通常选择陶瓷电容或薄膜电容，容量一般在 0.1μF - 1μF 之间，其耐压值应高于VDD与VS之间的最大电压差。选择电容时，要考虑其ESR和ESL，以保证在开关过程中能够提供足够的瞬时电流。

• 器件作用及选择原因： 自举二极管用于阻断电流回流，确保自举电容正确充电；自举电容则储存能量，为高压侧驱动提供瞬时电流。选择低ESR/ESL的电容是为了更好地抑制高频噪声和提供快速充电/放电能力。

• 栅极电阻Rg： 用于限制栅极电流，抑制振荡，并调节开关速度。

• 元器件型号选择： Rg通常为几欧姆到几十欧姆的普通碳膜或金属膜电阻。具体阻值需要根据功率器件的栅极电荷量Q_g、开关频率以及允许的开关损耗来计算和实验确定。

• 器件作用及选择原因： 栅极电阻的作用是控制功率管的开关速度。阻值过小会导致开关速度过快，产生较大的电压尖峰和EMI；阻值过大则会增加开关损耗，甚至导致功率管无法完全导通或关断，影响效率和可靠性。

• 电源去耦电容： 在VDD和VSS之间放置一个去耦电容，用于滤除电源噪声，稳定IR2104的供电。

• 元器件型号选择： 0.1μF - 1μF的陶瓷电容，靠近IR2104的VDD引脚放置。

• 器件作用及选择原因： 去耦电容的作用是提供IR2104工作时所需的瞬时电流，并滤除电源线上的高频噪声，确保IR2104稳定可靠地工作。

3.3 功率器件选择（IGBT/MOSFET）

选择IGBT还是MOSFET？这取决于具体的应用需求和功率等级。

• MOSFET： 适用于开关频率较高（几十kHz到MHz）、低电压大电流或中等电压小电流的应用。其导通损耗主要取决于导通电阻RDS(on)。在相同电流下，MOSFET的导通损耗通常低于IGBT。

• IGBT： 适用于开关频率较低（几kHz到几十kHz）、高电压大电流的应用。其导通损耗主要取决于饱和压降VCE(sat)。在相同电压和电流下，IGBT通常比MOSFET具有更低的导通损耗和更高的耐压能力。

对于基于IR2104的三相逆变器，如果输出功率在几千瓦到几十千瓦，且开关频率在10kHz-20kHz，IGBT通常是更优的选择，因为它在高压大电流下具有更低的导通损耗。

3.3.1 功率器件选型考量

• 电压等级（Vces/Vds）： 功率器件的耐压应至少为直流母线电压的1.5-2倍，以应对开关瞬态尖峰电压。例如，对于400V直流母线，应选择600V或更高的IGBT/MOSFET。

• 电流等级（Ic/Id）： 功率器件的额定电流应高于最大输出相电流的峰值，并留有足够的裕量。

• 开关速度与损耗： 选择具有较低开关损耗（Eon, Eoff）的器件，以提高效率。

• 热特性： 封装形式、热阻（Rthjc）以及最大结温（Tjmax）都是重要的考虑因素，需要配合散热器设计。

• 栅极电荷量（Qg）： 栅极电荷量会影响驱动电路的设计和开关损耗。

优选元器件型号举例：

• IGBT： 英飞凌（Infineon）的IKW系列（如IKW40N65H5）、FUJI ELECTRIC的1MBI系列、ON Semiconductor的NGBT系列等。这些系列IGBT具有良好的开关特性和可靠性。

• MOSFET： 对于较低功率应用，可以考虑英飞凌（Infineon）的CoolMOS系列、STMicroelectronics的MDmesh系列等。

3.4 控制核心与SPWM信号生成

通常使用微控制器（MCU）或数字信号处理器（DSP）来生成SPWM信号。

• MCU（如STM32F系列、GD32系列）： 成本较低，功能强大，适合中低功率、对控制精度和实时性要求不极致的场合。

• DSP（如TI C2000系列）： 运算能力强，外设丰富（如高性能PWM模块、ADC），适合高功率、对控制精度、动态响应和实时性要求较高的场合。

优选元器件型号：

• MCU： STM32F4系列（如STM32F407VGT6）或STM32F3系列，它们具备多路高级定时器，可生成高精度的互补PWM波形，并带死区控制。

• DSP： TI的TMS320F28335或TMS320F28069等，这些DSP专为电机控制和电力电子应用设计，具备强大的PWM生成能力和丰富的ADC通道。

3.4.1 SPWM信号生成策略

控制核心通过内部定时器和比较器生成六路带有死区时间的互补PWM波形，分别送入三颗IR2104的IN引脚。需要注意设置合适的死区时间，以避免上下桥臂直通。死区时间一般在几百纳秒到几微秒之间，具体取决于功率器件的开关特性。

3.5 直流母线电容

直流母线电容用于平滑直流母线电压，提供功率器件开关所需的瞬时电流，并吸收逆变器产生的无功功率。

• 元器件型号选择： 通常选择电解电容和薄膜电容并联使用。

• 电解电容： 容量大，用于平滑直流母线电压和提供能量缓冲。耐压值应高于直流母线电压。例如，Nippon Chemi-Con（日本化工）、Rubycon（红宝石）、EPCOS（爱普科斯）等品牌的高纹波电流、长寿命电解电容。

• 薄膜电容（CBB电容）： 具有优异的高频特性，用于吸收开关瞬态尖峰，抑制高频噪声。容量较小，通常为几微法到几十微法。例如，EPCOS、Vishay、WIMA等品牌的MKP系列薄膜电容。

• 器件作用及选择原因： 电解电容提供大容量储能，稳定直流电压。薄膜电容则以其低ESR和ESL的特性，在高频开关时提供局部能量，吸收尖峰电压，保护功率器件，并降低EMI。两者的结合能够更好地满足逆变器对电源质量的要求。

3.6 辅助电源

为了给控制芯片、驱动芯片以及其他低压器件供电，需要设计辅助电源。通常包括DC-DC降压模块或线性稳压器。

• 元器件型号选择：

• 隔离DC-DC模块： 如果需要控制电路与主功率电路隔离，可以选择Mornsun（金升阳）、Recom、Mean Well等品牌的隔离DC-DC模块。

• 非隔离DC-DC芯片： 如果无需隔离，可以使用LM2596、MP1584等降压型DC-DC芯片构建。

• 器件作用及选择原因： 辅助电源为控制系统和驱动电路提供稳定的低压电源。隔离电源可以有效提高系统的抗干扰能力和安全性。

4. PCB布局布线要点

PCB设计对于逆变器的性能和可靠性至关重要。合理的布局布线可以有效降低EMI、抑制电压尖峰、提高效率。

4.1 功率回路布局

• 最小化功率环路面积： 驱动电路与功率器件之间的连接应尽可能短而宽，特别是栅极驱动回路和功率主回路。减小环路面积可以有效降低寄生电感，从而抑制开关瞬态电压尖峰。

• 大电流路径优化： 直流母线、逆变桥输出到负载的电流路径应短粗，采用宽铜皮或多层板进行电流分配，以降低寄生电阻和电感，减少I*R压降和热量产生。

• 对称性： 对于三相逆变器，各相的功率回路布局应尽可能对称，以确保各相特性的一致性。

• 散热考虑： 功率器件下方应有足够的铜皮面积作为散热路径，或直接连接到散热器。重要热源应均匀分布，避免热点集中。

4.2 驱动电路布局

• IR2104靠近功率器件： IR2104芯片应尽可能靠近所驱动的MOSFET/IGBT的栅极，缩短栅极驱动线，降低寄生电感和电阻对驱动信号的影响。

• 自举电容和二极管靠近IR2104： 自举电容和二极管应紧密靠近IR2104的VB和VS引脚，以确保自举回路的低阻抗，提供快速充电。

• 栅极电阻靠近功率器件的栅极： 栅极电阻应放置在靠近功率器件栅极引脚的位置，以更有效地抑制栅极振荡。

• VDD去耦电容： IR2104的VDD电源去耦电容应紧邻VDD引脚放置。

4.3 信号和控制回路布局

• 数字地与功率地分离： 采用单点接地或星形接地方式，将数字地与功率地在一点汇合，避免功率地电流对数字信号产生干扰。

• 避免信号线与功率线并行： 信号线应远离功率线，并避免并行走线，以减少电磁耦合干扰。

• 模拟信号处理： 如果有电流/电压采样等模拟信号，应采用差分走线，并尽量远离高频开关噪声源。

• 接地层完整性： 尽可能使用完整的地平面，提供良好的回流路径，降低EMI。

• 抗干扰措施： 在关键信号线路上可以考虑放置小容量的瓷片电容或磁珠进行滤波。

5. 保护电路设计

为了确保逆变器的长期稳定运行，必须设计完善的保护电路。

5.1 过流保护

• 硬件过流保护： 通过霍尔电流传感器或取样电阻检测输出电流或母线电流。当电流超过设定阈值时，直接由硬件电路触发关断信号，通过IR2104的SD引脚或直接关断PWM输出。

• 元器件型号： 霍尔电流传感器如LEM LTS系列、ACS712等。分流电阻则选择低感、高精度、大功率的锰铜合金电阻。

• 软件过流保护： 通过ADC采样电流，由控制芯片进行软件判断。软件保护响应速度相对较慢，通常作为硬件保护的补充。

5.2 过压/欠压保护

• 直流母线过压/欠压保护： 通过电阻分压采样直流母线电压，送入ADC进行检测。当电压异常时，控制芯片关断PWM输出。

• 交流输出过压/欠压保护： 通过互感器或分压电阻采样交流输出电压，进行检测。

5.3 过温保护

在功率器件、散热器或变压器等关键热点处放置温度传感器（如NTC热敏电阻、DS18B20、LM35），当温度超过设定阈值时，触发保护关断。

5.4 短路保护

短路保护是重中之重。除了过流保护外，某些IGBT模块自带短路保护功能。也可以通过硬件电路快速检测输出短路，并立即关断。

6. 滤波电路设计

为了获得高质量的正弦波输出，逆变器输出端通常需要连接LC滤波器。

6.1 LC滤波器设计

• 电感L： 用于平滑输出电流，抑制谐波。

• 元器件型号选择： 选择铁硅铝磁粉芯、坡莫合金磁粉芯或非晶纳米晶磁芯的电感器。需要考虑饱和电流、电感量、Q值和损耗。例如，Coilcraft、Bourns等。

• 器件作用及选择原因： 电感的主要作用是滤除PWM载波频率及其倍频谐波。选择合适的磁芯材料可以减小电感体积，降低损耗。饱和电流要大于最大输出电流。

• 电容C： 用于平滑输出电压，与电感共同构成谐振电路。

• 元器件型号选择： 通常选择交流薄膜电容（如CBB60系列、MKP系列），因为它们具有较好的高频特性、低损耗和长寿命。需要考虑耐压、容量和ESR。例如，Epcos、Vishay、WIMA等。

• 器件作用及选择原因： 电容与电感形成低通滤波器，滤除高频谐波。选择交流薄膜电容是因为其在交流电压下的介质损耗较小，能够更好地承受交流电压应力。

6.2 滤波器的设计参数

滤波器截止频率应介于开关频率和基波频率之间，通常选择为开关频率的1/10到1/5。根据所需的输出波形质量和负载特性进行优化。

7. 软启动与预充电电路

为了避免上电瞬间对功率器件和电源造成过大冲击，通常需要设计软启动和预充电电路。

• 预充电： 在主回路接触器闭合之前，通过一个限流电阻对直流母线电容进行缓慢充电，待电压接近额定值时再闭合主回路接触器。

• 软启动： PWM信号在逆变器启动时逐渐增加占空比或调制深度，使输出电压平滑上升，避免冲击。

8. 散热设计

功率器件在工作时会产生大量热量，良好的散热设计是保证逆变器稳定运行的关键。

• 散热器选择： 根据功率器件的功耗、热阻、环境温度以及允许的结温来计算并选择合适的散热器。

• 导热界面材料： 功率器件与散热器之间应涂抹导热硅脂或使用导热垫片，以减小接触热阻。

• 风扇强制风冷： 对于较高功率的逆变器，通常需要加装风扇进行强制风冷。

9. 测试与调试

在逆变器制作完成后，需要进行详细的测试和调试，以验证其功能和性能。

• 静态测试： 测量各点电压、电流，检查各路供电是否正常，驱动波形是否正确。

• 空载测试： 检查输出电压波形、频率、谐波含量。

• 带载测试： 在不同负载（阻性、感性、容性）下测试输出电压、电流波形，效率，以及温升。

• 保护功能测试： 模拟各种故障情况，验证保护电路是否能正常动作。

• EMC测试： 评估电磁兼容性，确保符合相关标准。

通过上述详细的设计和元器件选择，我们可以构建一个基于IR2104的稳定、高效的单极性SPWM三相逆变器。在实际操作中，每个环节都需要精细的设计和反复的验证，才能确保最终产品的性能和可靠性。