中心論題：
- IGBT集中了MOSEFT和GTR的優(yōu)點(diǎn)，適合在大功率全橋變換中作為功率開(kāi)關(guān)元器件
- 闡述IGBT 驅(qū)動(dòng)器的基本要求并介紹實(shí)際IGBT驅(qū)動(dòng)模塊EXB841
- 介紹以AT89C51為核心的直流調(diào)速系統(tǒng)
解決方案：
- 以AT89C51 為核心所組成的閉環(huán)控制，能夠?qū)崿F(xiàn)速度預(yù)置、速度顯示，并能夠?qū)D(zhuǎn)速進(jìn)行精確的測(cè)量
- 利用電壓比較器避免泵升電壓過(guò)高產(chǎn)生的擊穿現(xiàn)象
- 頻率法和周期法相結(jié)合得到較高的測(cè)速精度
引言
隨著電力電子器件的發(fā)展，快速關(guān)斷器件如門極可關(guān)斷晶體管GTO、功率雙極型晶體管GTR、金屬氧化硅晶體管MOSFET和絕緣柵雙極晶體管IGBT等相繼開(kāi)發(fā)成功。其中IGBT是集MOSEFT和GTR優(yōu)點(diǎn)于一身。即具有少子器件GTR的通態(tài)壓降低、耐壓高、可承受大電流等優(yōu)點(diǎn)。又兼有多子器件MOSFET的開(kāi)關(guān)速度快、熱穩(wěn)定好、無(wú)二次擊穿、輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)微功耗的長(zhǎng)處。因此倍受青睞。尤其是在電機(jī)控制、中頻和開(kāi)關(guān)電源以及要求快速、低損耗的領(lǐng)域發(fā)展迅速。在大功率全橋變換中，IGBT作為功率開(kāi)關(guān)元器件是非常適合的。
IGBT 驅(qū)動(dòng)器的基本要求
IGBT是一壓控器件。它所需的驅(qū)動(dòng)電流與驅(qū)動(dòng)功率非常小，可直接與模擬或數(shù)字功能塊相接，不需加任何附加接口電路而且轉(zhuǎn)換功率也大大提高。IGBT的導(dǎo)通與關(guān)斷是由柵極電壓UGE來(lái)控制的。當(dāng)UGE大于開(kāi)啟電壓UGE(th)時(shí)。IGBT導(dǎo)通。當(dāng)柵極和發(fā)射極間施加反向或不加信號(hào)時(shí)。使得IGBT關(guān)斷。
IGBT的驅(qū)動(dòng)
用IGBT作大功率全橋變換的功率元件時(shí)，由于工作在高速大功率開(kāi)關(guān)狀態(tài)。要使它安全可靠地工作，設(shè)計(jì)好驅(qū)動(dòng)電路是重要環(huán)節(jié)。一個(gè)理想的IGBT驅(qū)動(dòng)器應(yīng)具有以下基本要求。
(1) 能提供適當(dāng)?shù)恼⒎聪蜷T極電壓
為使IGBT穩(wěn)定工作，一般要求雙電源供電，所以驅(qū)動(dòng)電路要求采用正反偏壓的兩電源形式。IGBT 導(dǎo)通后的管壓降與所加?xùn)艠O電壓有關(guān)。當(dāng)UGE增大時(shí)， IGBT 承受短路或過(guò)電流時(shí)間減小，對(duì)IGBT安全不利。一般選UGE要綜合考慮，選取+12V -20V 為好。在IGBT關(guān)斷期間，由于電路中其他部分的工作會(huì)在柵極電路中產(chǎn)生一些高頻振蕩信號(hào)，這些信號(hào)輕則會(huì)使本該截止的IGBT處于微通狀態(tài)，增加管子的功耗。重則將使逆變電路處于短路直通狀態(tài)，因此恰好給應(yīng)處于截止?fàn)顟B(tài)的IGBT加一反向柵壓。一般選取-5V — +15V ，使IGBT 在柵極出現(xiàn)開(kāi)關(guān)噪聲時(shí)仍能可靠截止。
(2) 信號(hào)應(yīng)有足夠的功率
驅(qū)動(dòng)電路輸入的信號(hào)作用于IGBT 的柵極和射極之間。當(dāng)UGE很小或?yàn)榱銜r(shí)，IGBT的C 和E 之間加很大的電壓時(shí)IGBT才能導(dǎo)通。這種硬開(kāi)通會(huì)導(dǎo)致IGBT 較大的開(kāi)關(guān)損耗，影響IGBT的開(kāi)關(guān)功率與輸出能力，因此，為使合格元件能正常工作，驅(qū)動(dòng)信號(hào)可以大于柵極規(guī)定的電壓、電流，并留有一定的余量。
(3) 信號(hào)具有一定的前沿陡度和寬度
IGBT的門源特性呈電容性，與開(kāi)關(guān)速度有關(guān)，因此驅(qū)動(dòng)器須具有足夠的瞬時(shí)電流的吞吐能力，才能使IGBT 柵、射電壓建立或消失的足夠快，從而使開(kāi)關(guān)損耗降較低的水平。
(4) 驅(qū)動(dòng)電路必須與主電路隔離
在許多電路(如橋式逆變器) 中的IGBT 的工作電位差別很大，不允許控制電路與其直接耦合，為了保證驅(qū)動(dòng)電路和主電路之間信號(hào)傳的暢通無(wú)阻，常采用光電耦合和變壓器耦合。
(5) 輸出與輸入必須有很好的跟隨性輸入、輸出信號(hào)傳輸無(wú)延時(shí)，一方面減小系統(tǒng)的響應(yīng)滯后，另一方面能提高系統(tǒng)保護(hù)的快速性。
(6) 驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、成本低。
(7) 驅(qū)動(dòng)電路自身應(yīng)有一定的保護(hù)功能。
IGBT柵極驅(qū)動(dòng)實(shí)用電路最好自身對(duì)IGBT 具有保護(hù)功能，并有較強(qiáng)的抗干擾能力。在出現(xiàn)短路、過(guò)流的情況下，能迅速發(fā)出過(guò)流保護(hù)信號(hào)供控制電路進(jìn)行處理。
(8) 防止同一橋臂上的IGBT誤導(dǎo)通
IGBT驅(qū)動(dòng)電路——EXB841
IGBT常用的驅(qū)動(dòng)模塊有許多種，其中EXB 系列應(yīng)用最廣。
圖1 EXB841 外接電路圖
EXB84 系列為日本富士公司推出的IGBT專用芯片，能驅(qū)動(dòng)高達(dá)300A/1200V 的IGBT。它具有隔離強(qiáng)度高、反應(yīng)速度快、參數(shù)一致性好、具有防擎住效應(yīng)的緩關(guān)斷電路等優(yōu)點(diǎn)，并可以對(duì)IGBT實(shí)施過(guò)流保護(hù)。模塊內(nèi)功能較全，用+20V 直流電源供電，能產(chǎn)生+15V 開(kāi)柵電壓和-5V 關(guān)柵電壓，內(nèi)裝TLP550 高速光耦信號(hào)隔離電路。如圖1。電路的內(nèi)部還集成有過(guò)流檢測(cè)電路和慢速過(guò)流切斷電路，其過(guò)流檢測(cè)電路按驅(qū)動(dòng)與集電極電壓之間的關(guān)系檢測(cè)過(guò)流。當(dāng)流過(guò)IGBT的電流超過(guò)內(nèi)部設(shè)定值時(shí)，慢速切換電路以不使IGBT 損壞的較慢速度關(guān)斷IGBT。其中，為了防止IGBT集電極產(chǎn)生大的電壓尖脈沖，在柵極串聯(lián)電阻RG、47 F 電解電容器吸收由于電流源接線電阻引起的供電電壓變化，而不是電源濾波器的電容器。
系統(tǒng)的組成
本系統(tǒng)采用的是以AT89C51 為核心所組成的閉環(huán)控制，能夠?qū)崿F(xiàn)速度預(yù)置、速度顯示，并能夠?qū)D(zhuǎn)速進(jìn)行精確的測(cè)量。測(cè)速是將固定在主軸上的光電碼盤產(chǎn)生的脈沖送外部中斷，通過(guò)計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而算出轉(zhuǎn)速，將這種轉(zhuǎn)速與預(yù)置轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較，得出差值。
圖2 調(diào)速系統(tǒng)功率主電路原理圖
以功率晶體管為開(kāi)關(guān)器件組成的PWM直流調(diào)速系統(tǒng)如圖2。該系統(tǒng)功率主電路為三相整流橋，H 橋功率變換電路、緩沖電路和泵升電壓限制電路組成。功率器件采用電力電子器件IGBT，以提高輸出容量和獲得直流電動(dòng)機(jī)四象限運(yùn)行特性。LEM為霍爾電流傳感器模塊，用于電樞電流的動(dòng)態(tài)檢測(cè)和過(guò)流保護(hù)置于電樞回路和直流側(cè)母線。LEM的測(cè)量精度優(yōu)于1 % ，響應(yīng)速度小于1μS ，滿足系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)測(cè)試要求。四個(gè)橋臂和四個(gè)續(xù)流二極管構(gòu)成H 橋。T1、T4 和T2、T3 在PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)作用下交替導(dǎo)通和關(guān)斷，輸出寬度調(diào)制的正負(fù)脈沖電壓以調(diào)節(jié)速度變化。其中R、C、D 構(gòu)成過(guò)壓保護(hù)電路。為了改善驅(qū)動(dòng)信號(hào)前沿的陡度和防止振蕩，減小IGBT 集電極大的電壓尖脈沖，需要在柵極串聯(lián)電阻RG。根據(jù)電流容量和電壓額定及開(kāi)關(guān)頻率的不同，選擇合適的RG，一般RG為十幾歐至幾十歐。在橋式變換過(guò)程中，由于IGBT是壓控器件，當(dāng)集射間加高壓時(shí)，很容易受外界干擾使柵射間電壓超過(guò)一定閥值，引起上下橋臂通側(cè)同時(shí)導(dǎo)通造成短路。為了防止這種現(xiàn)象的發(fā)生，在柵射間并接兩只反向串聯(lián)的穩(wěn)壓二極管，對(duì)驅(qū)動(dòng)電路出現(xiàn)的高壓尖脈沖起一定抑制作用。這是從器件上采取的保護(hù)措施。同時(shí)在電路上從硬件、軟件上也采取雙重保護(hù)措施。硬件上采用74LS125 實(shí)現(xiàn)對(duì)兩組脈沖的互鎖，確保一組IGBT 的驅(qū)動(dòng)電壓為高電平時(shí)，另一組為低電平。軟件上采用延時(shí)輸出高電平，即在一組IGBT關(guān)斷和另一組IGBT導(dǎo)通的驅(qū)動(dòng)脈沖之間設(shè)置邏輯延時(shí)，其目的是保證關(guān)斷IGBT徹底關(guān)斷后開(kāi)通另一組IGBT，從而防止上下橋臂同時(shí)導(dǎo)通。
功率轉(zhuǎn)換電路輸出是幅值為Ud 的正負(fù)脈沖電壓，其周期T= 1/f ，f 為PWM控制信號(hào)頻率。當(dāng)平均電流恒大于零，電動(dòng)機(jī)工作在正轉(zhuǎn)電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。
泵升電壓檢測(cè)電路
電機(jī)停車或減速時(shí)工作在制動(dòng)狀態(tài)，儲(chǔ)存在電機(jī)和負(fù)載運(yùn)動(dòng)部分的動(dòng)能將變成電能，并通過(guò)PWM 變換器回饋給直流電源。系統(tǒng)有不可控的整流器供電，不能向電網(wǎng)回饋電能，只好對(duì)電容器C 充電而使泵升電壓升高，過(guò)高的泵升電壓有可能擊穿變換元件。泵升電壓檢測(cè)電路如圖3。
圖3 泵升電壓檢測(cè)電路
設(shè)UDC為電力電容C1 兩端的電壓，電壓比較電路直接檢測(cè)該電壓，與被測(cè)值超過(guò)設(shè)定允許值時(shí)，電壓比較器反轉(zhuǎn)， 觸發(fā)制動(dòng)單元VB 導(dǎo)通，電力電容上的電荷經(jīng)R 釋放，使電壓降低，反之，當(dāng)該電壓低于設(shè)定允許值時(shí)，電壓比較器翻轉(zhuǎn)回原先狀態(tài)，輸出端為高電壓，經(jīng)邏輯轉(zhuǎn)換后關(guān)斷UB 。由于比較器為OC 門輸出，該端電壓近乎電源電壓UC。
測(cè)速電路
固定在直流電機(jī)主軸上的光電編碼盤產(chǎn)生周期脈沖，經(jīng)過(guò)脈沖整流電路后輸入89C51 的外部中斷INT1 和INT0。為了在高速和低速時(shí)都能得到較高的測(cè)速精度，選用頻率法和周期法綜合，它結(jié)合了兩種測(cè)量方法的長(zhǎng)處，使相對(duì)誤差變的很小。
結(jié)論
本系統(tǒng)采用快速開(kāi)關(guān)器件IGBT構(gòu)成了主電路，AT89C51 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的控制。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明該系統(tǒng)使電樞電流脈動(dòng)小，運(yùn)行平滑、調(diào)速范圍寬、低速性能好、硬件電路簡(jiǎn)單、可靠性高。在不增加硬件的情況下可方便實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行。同時(shí)增加管子直通故障軟件、硬件保護(hù)、驅(qū)動(dòng)及泵升電壓電路保護(hù)等措施。為整個(gè)系統(tǒng)的多功能智能化提供了必要的條件。
