【正文】 關器件，在大電流的運行場合，關斷時間不宜過短，否則會產(chǎn)生過高的集電極尖峰電壓。柵極電阻 GR 對 IGBT 的開關時間有直接的影響。柵極電阻過小，關斷時間過短，關斷時產(chǎn)生的集電極尖峰電壓過高，會對器件造成損壞，所以柵極電阻的下限受到器件的關斷安全區(qū)的限制。柵極電阻過大，器件的開關速度降低，開關損耗增大，也會降低其工作效率和對其安全運行造成危險，所以柵極電阻的上限受到開關損耗的限制。對 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 畢業(yè)設計 (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)驅動電路和控制電路之間應隔離。在許多設備中， 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。驅動電路具有電隔離能力可以保證設備的正常工作，同時也有利于維修調(diào)試人員的人身 安全 .驅動電路和柵極之間的引線應盡可能短，并用絞線，使柵極電路的閉合電路面積最小，以防止感應噪聲的影響。采用光耦器件隔離時，應選用高的共模噪聲抑制器件，能耐高電壓變化率。 (7)輸入輸出信號傳輸盡量無延時。這一方面能夠減少系統(tǒng)響應滯后，另一方面能提高保護的快速性。 (8)電路簡單，成本低。 (9)當 IGBT處于負載短路或過流狀態(tài)時，能在 IGBT允許時間內(nèi)通過逐漸降低柵極電壓自動抑制故障電流，實現(xiàn) IGBT軟關斷。其目的是避免快速關斷故障電流造成過離的 dtdi 。在雜散電感的 作用下，過高的 dtdi 會產(chǎn)生過高的電壓尖峰，使 IGBT承受不住而損壞。同樣的，驅動電路的軟關斷過程不應隨輸入信號的消失而受到影響，即應具有定時邏輯柵壓控制的功能。當出現(xiàn)過流時，無論此時有無輸入信號，都應無條件地實現(xiàn)軟關斷 .在各種設備中，二極管的反向恢復、分布電容及關斷吸收電路等都會在 IGBT 開通時造成尖峰電流，驅動電路應具備抑制這一瞬時過流的能力，在尖峰電流過后，應能恢復正常柵壓，保證電路的正常工作。 (10)在出現(xiàn)短路、過流的情況下，能迅速發(fā)出過流保護信號，供控制電路 處理。 EXB840 的內(nèi)部結構 基于以上的驅動要求，在設計中采用 EXB840,它是一種高速驅動集成電路 ,最高使用頻率為 40KHz 驅動 150A/600V 或者 75A/1200V 的 IGBT,驅動電路信號延遲小于 s? ,采用單電源 20V供電。 EXB840的功能框圖如圖 。 安徽理工大學 畢業(yè)設計 (論文 ) 28 它主要由輸入隔離電路，驅動放大電路 ,過流檢測急保護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。過流檢測及保護電路根據(jù) IGBT 柵極驅動電 平和集電極電壓之間的關系 ,檢測是否有過電流現(xiàn)象存在 ,如果有過電流 ,保護電路將迅速關斷 IGBT,防止過快的關斷時而引起因電路中電感產(chǎn)生的感應電動勢升高 ,使 IGBT 集電極電壓過高而損壞IGBT,電源電路將 20V 外部供電電源變成 15V 的開柵電壓和 5V的關柵電壓。 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為驅動輸出 ,引腳 4用于連接外部電容器 ,防止過流保護誤動作 (一般場合不需要這個電容 ),引腳 5 為過流保護輸出 ,引腳 6 為集電極電壓監(jiān)視端 ,引腳 14和 15為驅動信號輸 入端 ,其余引腳不用。 R`過電流保護環(huán)節(jié)光電耦合器A14151234569VST`(+ )( )驅動信號輸入過電流保護信號輸出 ( 低電平 )外接電容 ( 防止過流信號誤驅動 )集電極電壓采集電源 (+ 2 0 V )驅動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 驅動電路 采用 EXB840集成電路驅動的 IGBT的典型應用電路如圖 [8]。 其中 ERA3410 是快速恢復二極管。 IGBT 的柵極驅動連線應該用雙絞線 ,長度應該小于 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 畢業(yè)設計 (論文 ) 29 驅動信號故障輸出4 . 7 Ω雙絞線隔離電源 圖 EXB840組成的驅動電路 安徽理工大學 畢業(yè)設計 (論文 ) 30 4 控制回路設計 控制回路是為變頻器的主電路 提供通斷信號的電路，其主要任務是完成對逆變器開關元件的開關控制?？刂品绞接心M控制和數(shù)字控制兩種，本設計中采用的是以微處理器為核心的全數(shù)字控制，優(yōu)點是它采用簡單的硬件電路，主要依靠軟件來完成各種控制功能，以充分發(fā)揮微處理器計算能力和軟件控制靈活性高的特點來完成許多模擬量難以實現(xiàn)的功能。設計控制電路如下： 驅動電路設計 驅動電路的作用是逆變器中的逆變電路換流器件提供驅動信號。主電路逆變電路設計中采用的電力電子器件是 IGBT，故稱為門極驅動電路。以下將介紹SPWM技術工作原理和設計中所選用能產(chǎn)生 SPWM波芯片 SA4828的基本結構和工作原理。 SPWM 調(diào)制技術簡介 脈寬調(diào)制 (PWM)技術是利用全控型電力電子器件的導通和關斷把直流電壓變成一定形狀的電壓脈沖序列，實現(xiàn)變壓、變頻控制并消除諧波的技術。 脈寬調(diào)制技術在逆變器中的應用，對現(xiàn)代電力電子技術、現(xiàn)代調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展起到了極大的促進作用。近幾年來。由于場控自關斷器件的不斷涌現(xiàn)。相應高頻 SPWM(正弦脈寬調(diào)制 )技術在電機調(diào)速中得到了廣泛應用，不僅能及時、準確地實現(xiàn)變壓變頻控制技術，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 機的工作效率，擴大了調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍。實際工程中目前主要采用的 PWM技術是正弦 PWM(SPWM)，這是因為變頻器輸出的電壓或電流波形更接近于正弦波形。 根據(jù)電機學原理，交流異步電動機變頻調(diào)速時，如果按照頻率與定子端電壓之比為定值的方式進行控制，則機械特性的硬度變化較小，所以在變頻的同時，也要相應改變定子的端電壓。若采用等脈寬 PWM調(diào)制技術實現(xiàn)變頻與變壓，由于輸出矩形波中含有較嚴重的高次諧波，會危害電動機的正常運行。 為減小輸出信號中的諧波分量，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)制指的是通過對一系列脈沖的寬度進行調(diào)制，來等效地獲得所需要的波形 (含形狀和幅值 )。在進行脈寬調(diào)制時，使脈沖系列的占空比按照正弦規(guī)安徽理工大學 畢業(yè)設計 (論文 ) 31 律變化。當正弦值為最大值時，脈沖的寬度也最大，而脈沖間的間隔最?。划斦抑递^小時，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載電流中的高次諧波成分大為減小，這種調(diào)制方式稱為正弦波脈寬調(diào)制 [9]。 產(chǎn)生 SPWM 信號的方法是用一組等腰三角波 (稱為載波 )與一個正弦波 (稱為調(diào)制波 )進行比較，如圖 ，兩波形的交點作為 逆變開關管的開通與關斷時間。當調(diào)制波的幅值大于載波的幅值時，開關器件導通，當調(diào)制波的幅值小于載波的幅值時，開關器件關斷。 雖然正弦脈寬調(diào)制波與等脈寬 PWM 信號相比，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，受到逆變開關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 30KHz，用 IGBT 作為逆變開關管，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開的時刻關的時刻調(diào)制波載波0 圖 SPWM波生成方法 采用模擬電路的優(yōu)點是完成三角波與正弦波的比較并確定輸出脈沖寬度的時間很短，幾乎瞬間完成。缺點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 畢業(yè)設計 (論文 ) 32 難。若用單片機直接產(chǎn)生 SPWM信號，由于需要通過計算確定正弦脈寬調(diào)制波的寬度，使 SPWM信號的頻率及系統(tǒng)的動態(tài)響應都較慢。對于調(diào)速精度、調(diào)速方式要求較高的交流異步電動機，可以采用各項性能指標都非常完善，但價格也比較昂貴的通用變頻器；對一般交流電動機的變頻調(diào)速，可以直接采 用三相 SPWM調(diào)制信號專用芯片構成調(diào)速系統(tǒng)。在本設計中選用 SA4828。 SA4828 是 MITEL公司推出的一種專用于三相 SPWM 信號發(fā)生和控制的集成芯片，可以和單片機接口，完成對交流電動機的變頻調(diào)速。 SPWM 波生成芯片特點和引腳功能 全數(shù)字控制，兼容 Intel等多系列單片機，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 24kHz，內(nèi)部 ROM 固化 3種可選波形，最小脈寬和延時時間可調(diào)，可單獨調(diào)整各相輸出以適應不平衡負載，具備看門狗定時器功能等。 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 各引腳的功能說明如下： （ 1）輸入類管腳說明 AD0～ AD7： 8位地址與數(shù)據(jù)復用總線。 SET TRIP： 通過該引腳，可以快速關斷全部 SPWM信號輸出，高電平有效。 安徽理工大學 畢業(yè)設計 (論文 ) 33 RESET ：復位端，低電平有效。 CLK：時鐘信號輸入端。 MUX ：總線選擇端。 當 MUX 為高電平時，使用地址和數(shù)據(jù)共用的總線，這時，地址 /數(shù)據(jù)管腳 RS不用；當 MUX為低電平時，使用地址和數(shù)據(jù)分開的總線，這時，地址鎖存器 ALE 接低電平， RS引腳要與一條地址線相連，來區(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 ， 該控制線可使 SA8282 與其他外圍接口芯片共享同一組總線，低電平有效。 WR 、 RD ： Intel(Motorola)總線控制 write、 read信號。 ALE：地址鎖存允許。 VDD： 供電電源 正端 (+5V)。 Vss：供電電源負端 (0V)。 （ 2）輸出類管腳說明 RPHB、 YPHB、 BPHB：這些引腳通過驅動電路控制逆變橋的 R、 Y、 B 相的下臂開關管。 RPHT、 YPHT、 BPHT：這些引腳通過驅動電路控制逆變橋的 R、 Y、 B 相的上臂開關管。 以上引腳都是標準 TTL輸出，每一個輸出都有 12mA的驅動能力，可以直接驅動光耦。 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)部結構及工作原理 SA4828為 28引腳的 DIP或 SOIC封裝的控制芯片，內(nèi)部具有總線控制及譯碼電路，有多種寄存器和相控邏輯電路。外部時鐘輸入經(jīng)分頻器分成設定的頻率，并生成三角形載波，三角載波與所選定的片內(nèi)三種調(diào)制波形進行比較，自動生成 SPWM輸出脈沖，然后通過脈沖刪除電路刪除窄脈沖（ 如圖 ） 安徽理工大學 畢業(yè)設計 (論文 ) 34 窄脈寬 圖 脈沖序列中的窄脈寬 因為這種脈沖不起任何作用，只會增加開關管的損耗 。 通過脈沖延遲電路生成死區(qū)，從而保證橋上的管子不會在狀態(tài)轉換期間導通短路。看門狗定時器用來防止程序跑飛，當 條件滿足時快速封鎖輸出。 SA4828內(nèi)部結構原理框圖如圖 。 圖 SA4828原理框圖 SA4828的設置是通過單片機接口將數(shù)據(jù)送入 SA4828芯片內(nèi)的兩個寄存器(初始化寄存器和控制寄存器 )來實現(xiàn)的。初始化寄存器用于設定與交流電動機有關的基本參數(shù)，這些參數(shù)要在 PWM 輸出端允許輸出前設定，系統(tǒng)工作以后不允許改變?？刂萍拇嫫魇窃诠ぷ鬟^程中控制輸出脈寬調(diào)制波的狀態(tài)，從而進一步控制交流電動機的運行狀態(tài)，通常在工作時，該寄存器的內(nèi)容常被改寫，以實現(xiàn)實時對交流電動機的速度進行控制。 安徽理工大學 畢業(yè)設計 (論文 ) 35 參數(shù)的設定是通過 8個暫存器 0R 、 1R 、 2R 、 3R 、 4R 、 5R 、 14R 、 15R 來傳送的。其中 14R 和 15R 是兩個虛擬的寄存器，實際上并不存在。初始化參數(shù)要先寫入 0R ～ 5R ，然后通過對 14R 的寫操作將參數(shù)送入初始化寄存器，再將控制參數(shù)寫入 0R ～ 5R ，并通過對 15R 的寫操作將參數(shù)送入控制寄存器。 SA4828 各控制寄存器的地址見表 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