【文章內(nèi)容簡介】 靠關(guān)斷后再給與其同一橋臂上的功率開關(guān)管加高電平信號(hào)，可以避免其同時(shí)導(dǎo)通。 圖31邏輯延時(shí)電路原理圖、參數(shù)描述整個(gè)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電路采用兩片的IR2110驅(qū)動(dòng)四片的IGBT管（FGA25N120）構(gòu)成的H橋電路。如下圖32： 圖32 驅(qū)動(dòng)主電路原理圖IR2110驅(qū)動(dòng)IGBT構(gòu)成的H橋電路的特點(diǎn)顯著，具有調(diào)速性能好，調(diào)速頻帶寬，可以工作在1~100 kHz范圍內(nèi)工作[12]。所要求的控制信號(hào)簡單，只需要加入PWM信號(hào)即可。IR2110設(shè)計(jì)保護(hù)電路性能良好，安全性高，無控制信號(hào)時(shí)，電機(jī)處于剎車狀態(tài)，可用于很多工業(yè)領(lǐng)域。在本設(shè)計(jì)中（圖32），IR2110的自舉電容采用了另個(gè)不同大小的電容并聯(lián)使用。在頻率為20 kHz左右的工作狀態(tài)下。并聯(lián)高頻小電容可吸收高頻毛刺干擾電壓。電路中為了防止QQ3導(dǎo)通時(shí)高電壓串入端損壞芯片，在設(shè)計(jì)采用快恢復(fù)二極管FR107，其快速恢復(fù)時(shí)間為500ns[13] 可有效地隔斷高壓信號(hào)串入IR2110。由于VB高于VS電壓的最大值為20 V，為了避免VB過電壓，電路中增加了10V穩(wěn)壓二極管DD17控制VB端電壓在10V左右防止VB過壓。由于密勒效應(yīng)的作用，在開通與關(guān)斷時(shí)，集電極與柵極間電容上的充放電電流很容易在柵極上產(chǎn)生干擾[14]。針對(duì)這中現(xiàn)象，本設(shè)計(jì)在輸出驅(qū)動(dòng)電路中的功率管柵極限流電阻RR2R2R26上反向并聯(lián)了二極管DDD1D16。為改善PWM控制脈沖的前后沿陡度并防止振蕩，減小IGBT集電極的電壓尖脈沖，一般應(yīng)在柵極串聯(lián)十幾歐到幾百歐的限流電阻[15]。在正常狀態(tài)下，IGBT開通的時(shí)間越短，開通損耗也越小。但在開通過程中，因存在續(xù)流二極管DDD1D16的反向恢復(fù)電流和吸收電容的放電電流，當(dāng)IGBT的開通的時(shí)間越短，IGBT所承受的峰值電流也就越大，導(dǎo)致IGBT或續(xù)流二極管損耗。為了防止IGBT或二極管的損壞，就必須有目的地降低柵極驅(qū)動(dòng)脈沖的上升速率，即增加?xùn)艠O串聯(lián)電阻的阻值[2]，控制該電流的峰值。雖然柵極串聯(lián)電阻小，有利于加快關(guān)斷速度和減小關(guān)斷損耗，也有利于避免關(guān)斷時(shí)集射極間電壓的過小造成IGBT誤開通[16]。但是如果柵極串聯(lián)電阻過小，會(huì)由于集電極電流下降的過大，產(chǎn)生較大的集電極電壓峰值[2]。綜合上述因素在設(shè)計(jì)柵極串聯(lián)電阻RR2R2R26時(shí)選取1K電阻為柵極串聯(lián)電阻。IGBT的快速開通和關(guān)斷提高工作頻率，減小開關(guān)損耗，但由于開關(guān)過程中主回路電流的突變，其引線電感將產(chǎn)生很高的尖峰電壓，該電壓是IGBT過壓損壞的主要原因。由于IGBT的柵集極間存在的分布電容和柵射極間存在的分布電容會(huì)產(chǎn)生過大的，故其開關(guān)轉(zhuǎn)換過程中易使突然升高而造成CE間誤導(dǎo)通，從而損壞IGBT[17]。為了防止造成的誤觸發(fā)，本設(shè)計(jì)在柵射極間加旁路保護(hù)電阻10k的R2R2R2R28，有效的防止IGBT的損壞。 IR2110驅(qū)動(dòng)電路中IGBT抗干擾設(shè)計(jì)對(duì)于任何CMOS器件，使這些二極管正向?qū)ɑ蚍聪驌舸┒紩?huì)引起寄生的可控晶閘管(SCR)鎖定，鎖定的最終后果難以預(yù)料，有可能暫時(shí)錯(cuò)誤地工作到完全損壞器件。若在“理想的自舉”電路中，由一個(gè)零阻抗電源供電，并通過一個(gè)理想的二極管給供電。負(fù)過沖電壓將引起自舉電容過充電。圖33 IR2110部分寄生二極管示意圖IGBT（Insulated GateBipolar Transistor）是電壓驅(qū)動(dòng)型器件，由于是容性輸入阻抗，故要求驅(qū)動(dòng)電路提供一條小阻抗通路，將柵極電壓限制在一定安全數(shù)字內(nèi)[17]。如果電路的負(fù)載為感性負(fù)載，則在功率管開關(guān)瞬間、電源短路以及過電流關(guān)斷時(shí)，將比較大，功率管就會(huì)產(chǎn)生過沖電壓，從而使VS端電壓低于COM端。實(shí)際上，該電壓是不能低于4V，超出該極限電壓就會(huì)引起高端通道工作的不穩(wěn)定。故在設(shè)計(jì)PCB時(shí)，應(yīng)采取下列方法以減小VS負(fù)過沖電壓：a、將功率管緊密放置，并在焊接功率器件時(shí)應(yīng)盡量使引腳最短，以減少PCB布線長度和引腳間寄生電感的影響，引線應(yīng)采用絞線或同軸電纜屏蔽線；b、IR2110盡可能靠近功率IGBT模塊放置；c、在電源線與功率管之間應(yīng)增加去耦電容。 圖34IR2110與IGBT布局圖 IR2110功率驅(qū)動(dòng)介紹 IR2100內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖及管腳說明 IR2110是IR公司生產(chǎn)的高壓,高速的功率MOSFET[18]， IGBT專用驅(qū)動(dòng)芯片，具有獨(dú)立的高、低端輸出雙通道。門電壓需求在10~20 V范圍，懸浮通道用于驅(qū)動(dòng)MOSFET的高壓端電壓可以達(dá)到500 V[18]。 圖35 IR2110內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖圖35中引腳10（）及引腳12 （）雙列直插式封裝，分別驅(qū)動(dòng)逆變橋中同橋臂上下兩個(gè)功率MOS器件的輸入驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端，當(dāng)輸入脈沖形成部分的兩路輸出，范圍為（）~（+），圖6中和分別為引腳13（）及引腳9（）的電壓值。引腳11（SD）端為保護(hù)電路信號(hào)輸入端。當(dāng)該引腳為高電平時(shí)，IR2110的輸出被封鎖，輸出端HO（7腳）、LO（1腳）恒為低電平。而當(dāng)該腳為低電平時(shí)，輸出跟隨輸入變化。用于故障（過電壓、過電流）保護(hù)電路。引腳6（）及引腳3（）分別為上下通道互鎖輸出級(jí)電源輸入端。用于接輸出級(jí)電源正極，且通過一個(gè)較高品質(zhì)的電容接引腳2。引腳3還通過一個(gè)高反壓快速恢復(fù)二極管與引腳6相連。 IR2110的自舉電路在驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中，IR2110的自舉電路可以有效的保護(hù)IGBT。IR2110自舉電路的結(jié)果原理圖如圖36所示： 圖36 IR2110自舉電路原理圖圖36中及分別為自舉電容和快速恢復(fù)二極管，為的濾波電容。當(dāng)在關(guān)斷期間，已經(jīng)充滿電，即=。在開通，關(guān)斷期間，通過電阻與 的柵射極間電容放電。在關(guān)斷，開通期間，柵電荷經(jīng)和快速釋放。在經(jīng)過死區(qū)時(shí)間后，開通經(jīng)過、給充電[19]。這就是IR2110的自舉電路原理。如果自舉電容選取的過大,可能使關(guān)斷時(shí)電容兩端還沒有達(dá)到要求的電壓，而電容選擇較小則會(huì)導(dǎo)致電容存儲(chǔ)的能量不夠維持柵源電壓在導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)為一定值。在選擇自舉電容最好選擇非電解電容，電容應(yīng)盡可能的靠近芯片。一般情況下為保證自舉電容將柵源電壓持續(xù)一段時(shí)間,選電容為其最小值的15倍左右[19]。綜合考慮在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路時(shí)采用1uf的電容為IR2110的自舉電容。 IGBT H橋驅(qū)動(dòng)電路原理H橋驅(qū)動(dòng)電路是一個(gè)典型的直流電機(jī)控制電路，電路得名于“H橋驅(qū)動(dòng)電路”是因?yàn)樗男螤羁崴谱帜窰 。H型變換器在控制方式上分為雙極式、單極式和受限式三種[20]。本設(shè)計(jì)同樣采用選用雙極式H型PWM變換器。如圖37所示，四個(gè)電力晶體管IGBT和四個(gè)續(xù)流二級(jí)管FR307構(gòu)成了H橋驅(qū)動(dòng)電路?；鶚O驅(qū)動(dòng)電壓分為兩組即、同時(shí)工作其驅(qū)動(dòng)電壓分別為和，和同時(shí)工作其驅(qū)動(dòng)電壓為。在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，時(shí)和為正，晶體管和飽和導(dǎo)通；而和為負(fù)值，和截止。這時(shí)，+加在電樞AB兩端，電樞電流沿回路1流通；當(dāng)時(shí)，和變?yōu)樨?fù)值，和截止；和變成正值，但是和并不能立即導(dǎo)通，因?yàn)樵陔姌须姼嗅尫艃?chǔ)能的作用下，沿回路2經(jīng)二極管、續(xù)流，在和上的壓降使、集電極和發(fā)射極承受反壓，這時(shí)，在一個(gè)周期內(nèi)正負(fù)相間，這是雙極式PWM變換器的特征[2]。 圖37 IGBT H橋驅(qū)動(dòng)電路在一個(gè)周期內(nèi)具有正負(fù)相間的脈沖波形。而電機(jī)的正反轉(zhuǎn)則體現(xiàn)在驅(qū)動(dòng)電壓正、負(fù)脈沖的寬窄上。當(dāng)正脈沖較寬時(shí)，則電樞兩端的平均電壓為正，在電動(dòng)運(yùn)行時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)。當(dāng)，平均電壓為負(fù)值，電機(jī)反轉(zhuǎn)。如果正負(fù)脈沖相等時(shí)電樞電壓為零，電機(jī)停轉(zhuǎn)。雙極型可逆PWM變換器電樞平均電壓為[3]：若定義占空比為和電壓系數(shù)的定義與不可逆變換器中相同，則在雙極式控制的可逆變換器中=2 1與不可逆變換器中的不同。調(diào)速時(shí)的可調(diào)范圍為0~1，相應(yīng)的= 1~1。當(dāng)時(shí)，為正，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)時(shí)，為負(fù)，電動(dòng)機(jī)負(fù)轉(zhuǎn)；當(dāng)時(shí)，=0，電動(dòng)機(jī)停止。雙極式控制的電壓平衡方程式[3]： （） （） 電樞兩端在一個(gè)周期內(nèi)的平均電壓都是：。其平均值方程都可寫成[3]： 則機(jī)械特性方程[3]：用轉(zhuǎn)矩表示[3]： 式中， ——電機(jī)在額定磁通下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)。 ——理想空載轉(zhuǎn)速，與電壓系數(shù)成正比。