【正文】 關(guān)器件，在大電流的運(yùn)行場(chǎng)合，關(guān)斷時(shí)間不宜過(guò)短，否則會(huì)產(chǎn)生過(guò)高的集電極尖峰電壓。柵極電阻 GR 對(duì) IGBT 的開(kāi)關(guān)時(shí)間有直接的影響。柵極電阻過(guò)小，關(guān)斷時(shí)間過(guò)短，關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的集電極尖峰電壓過(guò)高，會(huì)對(duì)器件造成損壞，所以柵極電阻的下限受到器件的關(guān)斷安全區(qū)的限制。柵極電阻過(guò)大，器件的開(kāi)關(guān)速度降低，開(kāi)關(guān)損耗增大，也會(huì)降低其工作效率和對(duì)其安全運(yùn)行造成危險(xiǎn)，所以柵極電阻的上限受到開(kāi)關(guān)損耗的限制。對(duì) 600VIGBT 器件，柵極電阻可據(jù)下式確定： eR =(I～ 10)625/ eI 安徽理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 27 式中， eI 為 IGBT 的額定電流值 . 柵極電阻的下限取系數(shù)為 1，限取系數(shù)為10。對(duì)于 1200V 的 IGBT 器件，柵極的電阻值可取相同電流額定值的 600V 器件阻值的一半。 (6)驅(qū)動(dòng)電路和控制電路之間應(yīng)隔離。在許多設(shè)備中， IGBT 與工頻電網(wǎng)有直接電聯(lián)系，而控制電路一般不希望如此。驅(qū)動(dòng)電路具有電隔離能力可以保證設(shè)備的正常工作，同時(shí)也有利于維修調(diào)試人員的人身 安全 .驅(qū)動(dòng)電路和柵極之間的引線(xiàn)應(yīng)盡可能短，并用絞線(xiàn)，使柵極電路的閉合電路面積最小，以防止感應(yīng)噪聲的影響。采用光耦器件隔離時(shí)，應(yīng)選用高的共模噪聲抑制器件，能耐高電壓變化率。 (7)輸入輸出信號(hào)傳輸盡量無(wú)延時(shí)。這一方面能夠減少系統(tǒng)響應(yīng)滯后，另一方面能提高保護(hù)的快速性。 (8)電路簡(jiǎn)單，成本低。 (9)當(dāng) IGBT處于負(fù)載短路或過(guò)流狀態(tài)時(shí)，能在 IGBT允許時(shí)間內(nèi)通過(guò)逐漸降低柵極電壓自動(dòng)抑制故障電流，實(shí)現(xiàn) IGBT軟關(guān)斷。其目的是避免快速關(guān)斷故障電流造成過(guò)離的 dtdi 。在雜散電感的 作用下，過(guò)高的 dtdi 會(huì)產(chǎn)生過(guò)高的電壓尖峰，使 IGBT承受不住而損壞。同樣的，驅(qū)動(dòng)電路的軟關(guān)斷過(guò)程不應(yīng)隨輸入信號(hào)的消失而受到影響，即應(yīng)具有定時(shí)邏輯柵壓控制的功能。當(dāng)出現(xiàn)過(guò)流時(shí)，無(wú)論此時(shí)有無(wú)輸入信號(hào)，都應(yīng)無(wú)條件地實(shí)現(xiàn)軟關(guān)斷 .在各種設(shè)備中，二極管的反向恢復(fù)、分布電容及關(guān)斷吸收電路等都會(huì)在 IGBT 開(kāi)通時(shí)造成尖峰電流，驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)具備抑制這一瞬時(shí)過(guò)流的能力，在尖峰電流過(guò)后，應(yīng)能恢復(fù)正常柵壓，保證電路的正常工作。 (10)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 處理。 EXB840 的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 基于以上的驅(qū)動(dòng)要求，在設(shè)計(jì)中采用 EXB840,它是一種高速驅(qū)動(dòng)集成電路 ,最高使用頻率為 40KHz 驅(qū)動(dòng) 150A/600V 或者 75A/1200V 的 IGBT,驅(qū)動(dòng)電路信號(hào)延遲小于 s? ,采用單電源 20V供電。 EXB840的功能框圖如圖 。 安徽理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 28 它主要由輸入隔離電路，驅(qū)動(dòng)放大電路 ,過(guò)流檢測(cè)急保護(hù)電路以及電源電路組成。其中輸入隔離電路由高速光電耦合器組成 ,可隔離交流 2500V 的信號(hào)。過(guò)流檢測(cè)及保護(hù)電路根據(jù) IGBT 柵極驅(qū)動(dòng)電 平和集電極電壓之間的關(guān)系 ,檢測(cè)是否有過(guò)電流現(xiàn)象存在 ,如果有過(guò)電流 ,保護(hù)電路將迅速關(guān)斷 IGBT,防止過(guò)快的關(guān)斷時(shí)而引起因電路中電感產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)升高 ,使 IGBT 集電極電壓過(guò)高而損壞IGBT,電源電路將 20V 外部供電電源變成 15V 的開(kāi)柵電壓和 5V的關(guān)柵電壓。 EXB840 引腳定義如下 :引腳 1 用于連接反偏置電源的濾波電容 ,引腳 2 和 9分別是電源和地 ,引腳 3為驅(qū)動(dòng)輸出 ,引腳 4用于連接外部電容器 ,防止過(guò)流保護(hù)誤動(dòng)作 (一般場(chǎng)合不需要這個(gè)電容 ),引腳 5 為過(guò)流保護(hù)輸出 ,引腳 6 為集電極電壓監(jiān)視端 ,引腳 14和 15為驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸 入端 ,其余引腳不用。 R`過(guò)電流保護(hù)環(huán)節(jié)光電耦合器A14151234569VST`(+ )( )驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入過(guò)電流保護(hù)信號(hào)輸出 ( 低電平 )外接電容 ( 防止過(guò)流信號(hào)誤驅(qū)動(dòng) )集電極電壓采集電源 (+ 2 0 V )驅(qū)動(dòng)輸出接反向偏置電源的濾波電容電源 (0 V ) 圖 EXB840的引腳圖 采用 EXB840 的 IGBT 驅(qū)動(dòng)電路 采用 EXB840集成電路驅(qū)動(dòng)的 IGBT的典型應(yīng)用電路如圖 [8]。 其中 ERA3410 是快速恢復(fù)二極管。 IGBT 的柵極驅(qū)動(dòng)連線(xiàn)應(yīng)該用雙絞線(xiàn) ,長(zhǎng)度應(yīng)該小于 1m,以防止干擾 ,如果 IGBT的集電極產(chǎn)生大的電壓脈沖 ,可增加 IGBT的柵極電阻 GR 。 安徽理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 29 驅(qū)動(dòng)信號(hào)故障輸出4 . 7 Ω雙絞線(xiàn)隔離電源 圖 EXB840組成的驅(qū)動(dòng)電路 安徽理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 30 4 控制回路設(shè)計(jì) 控制回路是為變頻器的主電路 提供通斷信號(hào)的電路，其主要任務(wù)是完成對(duì)逆變器開(kāi)關(guān)元件的開(kāi)關(guān)控制?？刂品绞接心M控制和數(shù)字控制兩種，本設(shè)計(jì)中采用的是以微處理器為核心的全數(shù)字控制，優(yōu)點(diǎn)是它采用簡(jiǎn)單的硬件電路，主要依靠軟件來(lái)完成各種控制功能，以充分發(fā)揮微處理器計(jì)算能力和軟件控制靈活性高的特點(diǎn)來(lái)完成許多模擬量難以實(shí)現(xiàn)的功能。設(shè)計(jì)控制電路如下： 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 驅(qū)動(dòng)電路的作用是逆變器中的逆變電路換流器件提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)。主電路逆變電路設(shè)計(jì)中采用的電力電子器件是 IGBT，故稱(chēng)為門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路。以下將介紹SPWM技術(shù)工作原理和設(shè)計(jì)中所選用能產(chǎn)生 SPWM波芯片 SA4828的基本結(jié)構(gòu)和工作原理。 SPWM 調(diào)制技術(shù)簡(jiǎn)介 脈寬調(diào)制 (PWM)技術(shù)是利用全控型電力電子器件的導(dǎo)通和關(guān)斷把直流電壓變成一定形狀的電壓脈沖序列，實(shí)現(xiàn)變壓、變頻控制并消除諧波的技術(shù)。 脈寬調(diào)制技術(shù)在逆變器中的應(yīng)用，對(duì)現(xiàn)代電力電子技術(shù)、現(xiàn)代調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展起到了極大的促進(jìn)作用。近幾年來(lái)。由于場(chǎng)控自關(guān)斷器件的不斷涌現(xiàn)。相應(yīng)高頻 SPWM(正弦脈寬調(diào)制 )技術(shù)在電機(jī)調(diào)速中得到了廣泛應(yīng)用，不僅能及時(shí)、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)變壓變頻控制技術(shù)，而且更重要地是抑制逆變器輸出電壓或輸出電流中的諧波分量，從而提高了電 機(jī)的工作效率，擴(kuò)大了調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍。實(shí)際工程中目前主要采用的 PWM技術(shù)是正弦 PWM(SPWM)，這是因?yàn)樽冾l器輸出的電壓或電流波形更接近于正弦波形。 根據(jù)電機(jī)學(xué)原理，交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速時(shí)，如果按照頻率與定子端電壓之比為定值的方式進(jìn)行控制，則機(jī)械特性的硬度變化較小，所以在變頻的同時(shí)，也要相應(yīng)改變定子的端電壓。若采用等脈寬 PWM調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)變頻與變壓，由于輸出矩形波中含有較嚴(yán)重的高次諧波，會(huì)危害電動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行。 為減小輸出信號(hào)中的諧波分量，一種有效的途徑是將等脈寬的矩形波變成信號(hào)寬度按正弦規(guī)律變化的正 弦脈寬調(diào)制波，即 SPWM調(diào)制波。 脈寬調(diào)制指的是通過(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來(lái)等效地獲得所需要的波形 (含形狀和幅值 )。在進(jìn)行脈寬調(diào)制時(shí)，使脈沖系列的占空比按照正弦規(guī)安徽理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 31 律變化。當(dāng)正弦值為最大值時(shí)，脈沖的寬度也最大，而脈沖間的間隔最小；當(dāng)正弦值較小時(shí)，脈沖的寬度也小，而脈沖間的間隔則較大，那么這樣的電壓脈沖系列就可以使負(fù)載電流中的高次諧波成分大為減小，這種調(diào)制方式稱(chēng)為正弦波脈寬調(diào)制 [9]。 產(chǎn)生 SPWM 信號(hào)的方法是用一組等腰三角波 (稱(chēng)為載波 )與一個(gè)正弦波 (稱(chēng)為調(diào)制波 )進(jìn)行比較，如圖 ，兩波形的交點(diǎn)作為 逆變開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通與關(guān)斷時(shí)間。當(dāng)調(diào)制波的幅值大于載波的幅值時(shí)，開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通，當(dāng)調(diào)制波的幅值小于載波的幅值時(shí)，開(kāi)關(guān)器件關(guān)斷。 雖然正弦脈寬調(diào)制波與等脈寬 PWM 信號(hào)相比，諧波成份大大減小，但它畢竟不是正弦波。提高載波 (三角波 )的頻率，是減小 SPWM調(diào)制波中諧波分量的有效方法。而載波頻率的提高，受到逆變開(kāi)關(guān)管最高工作頻率的限制。第三代絕緣柵雙極型晶體管 IGBT 的工作頻率可達(dá) 30KHz，用 IGBT 作為逆變開(kāi)關(guān)管，載波頻率可以大幅度提高，從而使正弦脈寬調(diào)制波更接近正弦波?？捎赡M電路分別產(chǎn)生等腰三角波與正弦波，并送入電 壓比較器，輸出即為 SPWM 調(diào)制波。圖 SPWM波生成方法 [10]： utt0u開(kāi)的時(shí)刻關(guān)的時(shí)刻調(diào)制波載波0 圖 SPWM波生成方法 采用模擬電路的優(yōu)點(diǎn)是完成三角波與正弦波的比較并確定輸出脈沖寬度的時(shí)間很短，幾乎瞬間完成。缺點(diǎn)是電路所用硬件較多，改變參數(shù)和調(diào)試比較困安徽理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 32 難。若用單片機(jī)直接產(chǎn)生 SPWM信號(hào)，由于需要通過(guò)計(jì)算確定正弦脈寬調(diào)制波的寬度，使 SPWM信號(hào)的頻率及系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)都較慢。對(duì)于調(diào)速精度、調(diào)速方式要求較高的交流異步電動(dòng)機(jī)，可以采用各項(xiàng)性能指標(biāo)都非常完善，但價(jià)格也比較昂貴的通用變頻器；對(duì)一般交流電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速，可以直接采 用三相 SPWM調(diào)制信號(hào)專(zhuān)用芯片構(gòu)成調(diào)速系統(tǒng)。在本設(shè)計(jì)中選用 SA4828。 SA4828 是 MITEL公司推出的一種專(zhuān)用于三相 SPWM 信號(hào)發(fā)生和控制的集成芯片，可以和單片機(jī)接口，完成對(duì)交流電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速。 SPWM 波生成芯片特點(diǎn)和引腳功能 全數(shù)字控制，兼容 Intel等多系列單片機(jī)，輸入調(diào)制波頻率范圍 0～ 4kHz，16位調(diào)速分辯率，載波頻率最高可達(dá) 24kHz，內(nèi)部 ROM 固化 3種可選波形，最小脈寬和延時(shí)時(shí)間可調(diào)，可單獨(dú)調(diào)整各相輸出以適應(yīng)不平衡負(fù)載，具備看門(mén)狗定時(shí)器功能等。 SA4828采用 28 腳封裝。下圖給出了其引腳排列示意圖和原理框圖 [11]。 圖 SA4828引腳排列示意圖 各引腳的功能說(shuō)明如下： （ 1）輸入類(lèi)管腳說(shuō)明 AD0～ AD7： 8位地址與數(shù)據(jù)復(fù)用總線(xiàn)。 SET TRIP： 通過(guò)該引腳，可以快速關(guān)斷全部 SPWM信號(hào)輸出，高電平有效。 安徽理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 33 RESET ：復(fù)位端，低電平有效。 CLK：時(shí)鐘信號(hào)輸入端。 MUX ：總線(xiàn)選擇端。 當(dāng) MUX 為高電平時(shí)，使用地址和數(shù)據(jù)共用的總線(xiàn)，這時(shí)，地址 /數(shù)據(jù)管腳 RS不用；當(dāng) MUX為低電平時(shí)，使用地址和數(shù)據(jù)分開(kāi)的總線(xiàn)，這時(shí)，地址鎖存器 ALE 接低電平， RS引腳要與一條地址線(xiàn)相連，來(lái)區(qū)分輸入的字節(jié)是地址（低電平），還是數(shù)據(jù)（高電平），通常先地址后數(shù)據(jù)。 CS ：片選輸入 ， 該控制線(xiàn)可使 SA8282 與其他外圍接口芯片共享同一組總線(xiàn)，低電平有效。 WR 、 RD ： Intel(Motorola)總線(xiàn)控制 write、 read信號(hào)。 ALE：地址鎖存允許。 VDD： 供電電源 正端 (+5V)。 Vss：供電電源負(fù)端 (0V)。 （ 2）輸出類(lèi)管腳說(shuō)明 RPHB、 YPHB、 BPHB：這些引腳通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路控制逆變橋的 R、 Y、 B 相的下臂開(kāi)關(guān)管。 RPHT、 YPHT、 BPHT：這些引腳通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路控制逆變橋的 R、 Y、 B 相的上臂開(kāi)關(guān)管。 以上引腳都是標(biāo)準(zhǔn) TTL輸出，每一個(gè)輸出都有 12mA的驅(qū)動(dòng)能力，可以直接驅(qū)動(dòng)光耦。 TRIP ：輸出封鎖狀態(tài)指示，低電平表示禁止輸出。 ZPPR：零相位脈沖輸出端。 Wss：波形采樣同步端口。 RS：寄存器選擇端。 SA4828 內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理 SA4828為 28引腳的 DIP或 SOIC封裝的控制芯片，內(nèi)部具有總線(xiàn)控制及譯碼電路，有多種寄存器和相控邏輯電路。外部時(shí)鐘輸入經(jīng)分頻器分成設(shè)定的頻率，并生成三角形載波，三角載波與所選定的片內(nèi)三種調(diào)制波形進(jìn)行比較，自動(dòng)生成 SPWM輸出脈沖，然后通過(guò)脈沖刪除電路刪除窄脈沖（ 如圖 ） 安徽理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 34 窄脈寬 圖 脈沖序列中的窄脈寬 因?yàn)檫@種脈沖不起任何作用，只會(huì)增加開(kāi)關(guān)管的損耗 。 通過(guò)脈沖延遲電路生成死區(qū)，從而保證橋上的管子不會(huì)在狀態(tài)轉(zhuǎn)換期間導(dǎo)通短路?？撮T(mén)狗定時(shí)器用來(lái)防止程序跑飛，當(dāng) 條件滿(mǎn)足時(shí)快速封鎖輸出。 SA4828內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理框圖如圖 。 圖 SA4828原理框圖 SA4828的設(shè)置是通過(guò)單片機(jī)接口將數(shù)據(jù)送入 SA4828芯片內(nèi)的兩個(gè)寄存器(初始化寄存器和控制寄存器 )來(lái)實(shí)現(xiàn)的。初始化寄存器用于設(shè)定與交流電動(dòng)機(jī)有關(guān)的基本參數(shù)，這些參數(shù)要在 PWM 輸出端允許輸出前設(shè)定，系統(tǒng)工作以后不允許改變?？刂萍拇嫫魇窃诠ぷ鬟^(guò)程中控制輸出脈寬調(diào)制波的狀態(tài)，從而進(jìn)一步控制交流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，通常在工作時(shí)，該寄存器的內(nèi)容常被改寫(xiě)，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)對(duì)交流電動(dòng)機(jī)的速度進(jìn)行控制。 安徽理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 35 參數(shù)的設(shè)定是通過(guò) 8個(gè)暫存器 0R 、 1R 、 2R 、 3R 、 4R 、 5R 、 14R 、 15R 來(lái)傳送的。其中 14R 和 15R 是兩個(gè)虛擬的寄存器，實(shí)際上并不存在。初始化參數(shù)要先寫(xiě)入 0R ～ 5R ，然后通過(guò)對(duì) 14R 的寫(xiě)操作將參數(shù)送入初始化寄存器，再將控制參數(shù)寫(xiě)入 0R ～ 5R ，并通過(guò)對(duì) 15R 的寫(xiě)操作將參數(shù)送入控制寄存器。 SA4828 各控制寄存器的地址見(jiàn)表 所列。 表 各寄存器地址 寄存器 AD3 AD2 AD1 AD0 地址 R0 0 0 0 0 00 H R1 0 0 0 1 01 H R2 0 0 1 0 02 H R3 0 0 1 1 03 H R4 0 1 0 0 04 H