【論文摘要】在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)中，為了減小電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，功率元件通常選IGBT，逆變頻率取20KHz～40KHz。本文在介紹IGBT的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一套經(jīng)濟(jì)實(shí)用的IGBT驅(qū)動(dòng)電路，獲得了滿意的效果。 1 引 言 絕緣門(mén)極雙極型晶體管（Isolated Gate Bipolar Transistor, IGBT）的驅(qū)動(dòng)一般采用厚膜集成驅(qū)動(dòng)器EXB840（841）等。但厚膜集成電路價(jià)格昂貴，而且雖然EXB840（841）具有過(guò)流關(guān)斷功能，但它不能徹底封鎖門(mén)極脈沖，在故障不消失情況下會(huì)出現(xiàn)每周期軟關(guān)斷保護(hù)一次的情況，由此產(chǎn)生的熱積累也會(huì)造成IGBT損壞[1]。 本文在分析IGBT的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一套IGBT驅(qū)動(dòng)電路，并應(yīng)用霍爾電流傳感器實(shí)現(xiàn)過(guò)流、短路保護(hù)，同時(shí)防止了故障不消失情況下出現(xiàn)每周期軟關(guān)斷保護(hù)一次的情況。 2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 該伺服系統(tǒng)為三閉環(huán)結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)速環(huán)、位置環(huán)由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，電流環(huán)由硬件實(shí)現(xiàn)。逆變器采用IGBT構(gòu)成，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。 3 IGBT的驅(qū)動(dòng) IGBT驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)主要應(yīng)考慮如下因素：[2] （1）導(dǎo)通損耗 當(dāng)IGBT開(kāi)通時(shí)，升高基、射極電壓VGE會(huì)減小導(dǎo)通損耗，因此，工程設(shè)計(jì)中希望把VGE升高到器件手冊(cè)中最大的允許值，使導(dǎo)通損耗為最小，一般取VGE=15V。 （2）開(kāi)關(guān)損耗 當(dāng)IGBT開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗受VGE的高低和門(mén)極電阻RG的影響。增加VGE或減小RG會(huì)縮短器件的延遲時(shí)間、上升時(shí)間和下降時(shí)間，從而降低開(kāi)關(guān)損耗。降低VGE或增加RG將導(dǎo)致開(kāi)關(guān)損耗的增加，但能降低電磁輻射。選擇驅(qū)動(dòng)電路時(shí)要綜合考慮。 （3）反并聯(lián)二極管開(kāi)關(guān)損耗 減小二極管上di/dt的數(shù)值可以降低二極管的損耗，但這是以增加IGBT的損耗為代價(jià)的。在橋路結(jié)構(gòu)中，還可以通過(guò)降低VGE開(kāi)通IGBT的方法來(lái)減少反并聯(lián)二極管的損耗。 （4）驅(qū)動(dòng)電路絕緣和控制信號(hào)傳輸 為了防止強(qiáng)電串入弱電電路，IGBT驅(qū)動(dòng)電路與脈沖發(fā)生電路應(yīng)采取隔離措施，如采用光電耦合器或脈沖變壓器傳輸控制信號(hào)。 4 IGBT的保護(hù) （1）短路保護(hù) 有兩種形式的短路需要考慮：一種是器件開(kāi)通時(shí)短路情況已經(jīng)存在（典型波形如圖2所示）；另一種是器件開(kāi)通期間出現(xiàn)了短路情況（典型波形如圖3所示）。 [align=center] [/align] 短路電流能通過(guò)降低基、射極兩端電壓VGE來(lái)減小，如果在短路電流上升時(shí)降低VGE使其小于15V，電路承受短路電流的時(shí)間會(huì)增加。基、射極兩端電壓為： VGE=C＊dv/dt＊RG+VG 。為了防止VGE過(guò)高，在門(mén)極、發(fā)射極兩端直接跨接兩個(gè)反向連接的穩(wěn)壓二極管以限制VGE（如圖4所示）。 （2）過(guò)電壓保護(hù) IGBT關(guān)斷時(shí)的換相過(guò)電壓，決定于主電路的雜散電感及關(guān)斷時(shí)的di/dt，在正常工作狀態(tài)時(shí)，di/dt較低，通常不會(huì)造成IGBT損壞，但在過(guò)電流故障狀態(tài)時(shí)，di/dt迅速增大，造成較高的過(guò)電壓，為此應(yīng)盡量減小主回路的布線雜散電感。 （3）過(guò)電流保護(hù) 當(dāng)過(guò)電流的倍數(shù)小于工作電流的2倍時(shí)，可采用瞬時(shí)封鎖門(mén)極脈沖的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)保護(hù)。但當(dāng)過(guò)電流的倍數(shù)較高，加瞬時(shí)封鎖門(mén)極脈沖會(huì)因-di/dt很大（2000A/μs～3000A/μs），在回路雜散電感上感應(yīng)出較高的過(guò)電壓，造成IGBT擊穿損壞。為此應(yīng)使門(mén)極正電壓在2～5μs內(nèi)軟關(guān)斷下降至零電壓。 5 主電路 該伺服系統(tǒng)的主電路如圖5所示，其結(jié)構(gòu)為常用的交-直-交型結(jié)構(gòu)。圖中R為壓敏電阻，用于抑制浪涌電壓。C為濾波電容，其值取2200μF。 主回路中各功率IGBT按照電動(dòng)機(jī)的換相信號(hào)分別導(dǎo)通[3]，屬于120º導(dǎo)通型。 6 驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路 當(dāng)IGBT用于功率小于5KW的場(chǎng)合時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路可以不必使用價(jià)格較昂貴的厚膜驅(qū)動(dòng)電路。此外，為了避免EXB840（841）在故障不消失情況下出現(xiàn)每周期軟關(guān)斷保護(hù)一次的情況，在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中采用分立元件構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路，具體電路如圖6所示。圖中CS為霍爾電流傳感器。在門(mén)極電路失電時(shí)為了泄放掉門(mén)極和發(fā)射極之間的電荷，在門(mén)極和發(fā)射極間引入電阻R7。 電路工作原理如下： （1）當(dāng)光耦原邊有控制脈沖輸入時(shí)，光耦導(dǎo)通，V1基極電位下降，處于截止?fàn)顟B(tài)，V3導(dǎo)通，V4截止，電源通過(guò)V3、R6給IGBT提供電流，使其迅速導(dǎo)通。 （2）當(dāng)光耦原邊控制脈沖消失時(shí)，光耦截止，V1基極電位上升，處于導(dǎo)通狀態(tài)，V3截止，V4導(dǎo)通，IGBT柵極電荷通過(guò)V4、R6迅速放電，當(dāng)IGBT柵極施加－5V反壓時(shí)，它可靠關(guān)斷。 （3）當(dāng)IGBT出現(xiàn)短路故障時(shí)，霍爾電流傳感器CS流過(guò)一定的電流使V2飽和導(dǎo)通C2通過(guò)V2、R4放電，圖中A點(diǎn)電位慢慢下降，實(shí)現(xiàn)IGBT的慢關(guān)斷。只要故障存在，V2就不會(huì)退出飽和，不論有無(wú)控制脈沖IGBT都不會(huì)導(dǎo)通。故障消失時(shí)，V2恢復(fù)截止?fàn)顟B(tài)，電路仍能正常工作。 IGBT的過(guò)電壓保護(hù)利用電壓檢測(cè)元件封鎖控制脈沖的方式實(shí)現(xiàn)。 7 仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果 仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，本系統(tǒng)所采取的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)措施是有效的。驅(qū)動(dòng)電路輸出波形如圖7所示。 系統(tǒng)取得了+3脈沖/轉(zhuǎn)的控制精度（光電編碼器的分辨率為5000脈沖/轉(zhuǎn)），并且連續(xù)運(yùn)行6個(gè)月未發(fā)生IGBT損壞現(xiàn)象。 參考文獻(xiàn)： [1] 王志良. 電力電子新器件及其應(yīng)用技術(shù). 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1995 [2] Mitel Corporation. 1998 Publication No. AN4507-1 Issue No. 1.3 . 1998 [3] 郭慶鼎，王成元. 交流伺服系統(tǒng). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1994 作者簡(jiǎn)介： 侯景陽(yáng) 男，1974年生，助教，現(xiàn)為電力電子與電力傳動(dòng)專(zhuān)業(yè)研究生。 張慶范 男，1949年生，教授，中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)、電力電子學(xué)會(huì)理事，主要從事電力電子技術(shù)的教學(xué)與科研工作。