IGBT驱动与保护技术在直流调速系统中的应用
中心论题：
- IGBT集中了MOSEFT和GTR的优点，适合在大功率全桥变换中作为功率开关元器件
- 阐述IGBT 驱动器的基本要求并介绍实际IGBT驱动模块EXB841
- 介绍以AT89C51为核心的直流调速系统
解决方案：
- 以AT89C51 为核心所组成的闭环控制，能够实现速度预置、速度显示，并能够对转速进行精确的测量
- 利用电压比较器避免泵升电压过高产生的击穿现象
- 频率法和周期法相结合得到较高的测速精度
引言
随着电力电子器件的发展，快速关断器件如门极可关断晶体管GTO、功率双极型晶体管GTR、金属氧化硅晶体管MOSFET和绝缘栅双极晶体管IGBT等相继开发成功。其中IGBT是集MOSEFT和GTR优点于一身。即具有少子器件GTR的通态压降低、耐压高、可承受大电流等优点。又兼有多子器件MOSFET的开关速度快、热稳定好、无二次击穿、输入阻抗高、驱动微功耗的长处。因此倍受青睐。尤其是在电机控制、中频和开关电源以及要求快速、低损耗的领域发展迅速。在大功率全桥变换中，IGBT作为功率开关元器件是非常适合的。
IGBT 驱动器的基本要求
IGBT是一压控器件。它所需的驱动电流与驱动功率非常小，可直接与模拟或数字功能块相接，不需加任何附加接口电路而且转换功率也大大提高。IGBT的导通与关断是由栅极电压UGE来控制的。当UGE大于开启电压UGE(th)时。IGBT导通。当栅极和发射极间施加反向或不加信号时。使得IGBT关断。
IGBT的驱动
用IGBT作大功率全桥变换的功率元件时，由于工作在高速大功率开关状态。要使它安全可靠地工作，设计好驱动电路是重要环节。一个理想的IGBT驱动器应具有以下基本要求。
(1) 能提供适当的正、反向门极电压
为使IGBT稳定工作，一般要求双电源供电，所以驱动电路要求采用正反偏压的两电源形式。IGBT 导通后的管压降与所加栅极电压有关。当UGE增大时， IGBT 承受短路或过电流时间减小，对IGBT安全不利。一般选UGE要综合考虑，选取+12V -20V 为好。在IGBT关断期间，由于电路中其他部分的工作会在栅极电路中产生一些高频振荡信号，这些信号轻则会使本该截止的IGBT处于微通状态，增加管子的功耗。重则将使逆变电路处于短路直通状态，因此恰好给应处于截止状态的IGBT加一反向栅压。一般选取-5V — +15V ，使IGBT 在栅极出现开关噪声时仍能可靠截止。
(2) 信号应有足够的功率
驱动电路输入的信号作用于IGBT 的栅极和射极之间。当UGE很小或为零时，IGBT的C 和E 之间加很大的电压时IGBT才能导通。这种硬开通会导致IGBT 较大的开关损耗，影响IGBT的开关功率与输出能力，因此，为使合格元件能正常工作，驱动信号可以大于栅极规定的电压、电流，并留有一定的余量。
(3) 信号具有一定的前沿陡度和宽度
IGBT的门源特性呈电容性，与开关速度有关，因此驱动器须具有足够的瞬时电流的吞吐能力，才能使IGBT 栅、射电压建立或消失的足够快，从而使开关损耗降较低的水平。
(4) 驱动电路必须与主电路隔离
在许多电路(如桥式逆变器) 中的IGBT 的工作电位差别很大，不允许控制电路与其直接耦合，为了保证驱动电路和主电路之间信号传的畅通无阻，常采用光电耦合和变压器耦合。
(5) 输出与输入必须有很好的跟随性输入、输出信号传输无延时，一方面减小系统的响应滞后，另一方面能提高系统保护的快速性。
(6) 驱动电路简单、成本低。
(7) 驱动电路自身应有一定的保护功能。
IGBT栅极驱动实用电路最好自身对IGBT 具有保护功能，并有较强的抗干扰能力。在出现短路、过流的情况下，能迅速发出过流保护信号供控制电路进行处理。
(8) 防止同一桥臂上的IGBT误导通
IGBT驱动电路——EXB841
IGBT常用的驱动模块有许多种，其中EXB 系列应用最广。
图1 EXB841 外接电路图
EXB84 系列为日本富士公司推出的IGBT专用芯片，能驱动高达300A/1200V 的IGBT。它具有隔离强度高、反应速度快、参数一致性好、具有防擎住效应的缓关断电路等优点，并可以对IGBT实施过流保护。模块内功能较全，用+20V 直流电源供电，能产生+15V 开栅电压和-5V 关栅电压，内装TLP550 高速光耦信号隔离电路。如图1。电路的内部还集成有过流检测电路和慢速过流切断电路，其过流检测电路按驱动与集电极电压之间的关系检测过流。当流过IGBT的电流超过内部设定值时，慢速切换电路以不使IGBT 损坏的较慢速度关断IGBT。其中，为了防止IGBT集电极产生大的电压尖脉冲，在栅极串联电阻RG、47 F 电解电容器吸收由于电流源接线电阻引起的供电电压变化，而不是电源滤波器的电容器。
系统的组成
本系统采用的是以AT89C51 为核心所组成的闭环控制，能够实现速度预置、速度显示，并能够对转速进行精确的测量。测速是将固定在主轴上的光电码盘产生的脉冲送外部中断，通过计数器进行计数，从而算出转速，将这种转速与预置转速进行比较，得出差值。
图2 调速系统功率主电路原理图
以功率晶体管为开关器件组成的PWM直流调速系统如图2。该系统功率主电路为三相整流桥，H 桥功率变换电路、缓冲电路和泵升电压限制电路组成。功率器件采用电力电子器件IGBT，以提高输出容量和获得直流电动机四象限运行特性。LEM为霍尔电流传感器模块，用于电枢电流的动态检测和过流保护置于电枢回路和直流侧母线。LEM的测量精度优于1 % ，响应速度小于1μS ，满足系统的动态测试要求。四个桥臂和四个续流二极管构成H 桥。T1、T4 和T2、T3 在PWM驱动信号作用下交替导通和关断，输出宽度调制的正负脉冲电压以调节速度变化。其中R、C、D 构成过压保护电路。为了改善驱动信号前沿的陡度和防止振荡，减小IGBT 集电极大的电压尖脉冲，需要在栅极串联电阻RG。根据电流容量和电压额定及开关频率的不同，选择合适的RG，一般RG为十几欧至几十欧。在桥式变换过程中，由于IGBT是压控器件，当集射间加高压时，很容易受外界干扰使栅射间电压超过一定阀值，引起上下桥臂通侧同时导通造成短路。为了防止这种现象的发生，在栅射间并接两只反向串联的稳压二极管，对驱动电路出现的高压尖脉冲起一定抑制作用。这是从器件上采取的保护措施。同时在电路上从硬件、软件上也采取双重保护措施。硬件上采用74LS125 实现对两组脉冲的互锁，确保一组IGBT 的驱动电压为高电平时，另一组为低电平。软件上采用延时输出高电平，即在一组IGBT关断和另一组IGBT导通的驱动脉冲之间设置逻辑延时，其目的是保证关断IGBT彻底关断后开通另一组IGBT，从而防止上下桥臂同时导通。
功率转换电路输出是幅值为Ud 的正负脉冲电压，其周期T= 1/f ，f 为PWM控制信号频率。当平均电流恒大于零，电动机工作在正转电动运行状态。
泵升电压检测电路
电机停车或减速时工作在制动状态，储存在电机和负载运动部分的动能将变成电能，并通过PWM 变换器回馈给直流电源。系统有不可控的整流器供电，不能向电网回馈电能，只好对电容器C 充电而使泵升电压升高，过高的泵升电压有可能击穿变换元件。泵升电压检测电路如图3。
图3 泵升电压检测电路
设UDC为电力电容C1 两端的电压，电压比较电路直接检测该电压，与被测值超过设定允许值时，电压比较器反转， 触发制动单元VB 导通，电力电容上的电荷经R 释放，使电压降低，反之，当该电压低于设定允许值时，电压比较器翻转回原先状态，输出端为高电压，经逻辑转换后关断UB 。由于比较器为OC 门输出，该端电压近乎电源电压UC。
测速电路
固定在直流电机主轴上的光电编码盘产生周期脉冲，经过脉冲整流电路后输入89C51 的外部中断INT1 和INT0。为了在高速和低速时都能得到较高的测速精度，选用频率法和周期法综合，它结合了两种测量方法的长处，使相对误差变的很小。
结论
本系统采用快速开关器件IGBT构成了主电路，AT89C51 单片机实现整个系统的控制。通过实验验证结果表明该系统使电枢电流脉动小，运行平滑、调速范围宽、低速性能好、硬件电路简单、可靠性高。在不增加硬件的情况下可方便实现四象限运行。同时增加管子直通故障软件、硬件保护、驱动及泵升电压电路保护等措施。为整个系统的多功能智能化提供了必要的条件。
