【正文】 ΔU Ud 圖21 泵升電壓現(xiàn)象2． 泵升電壓保護(hù)電路如上所述，發(fā)生泵升電壓是電動(dòng)機(jī)制動(dòng)過(guò)程中不可避免的現(xiàn)象，如果不對(duì)此電壓進(jìn)行限制，將會(huì)造成IGBT的永久性損壞，為此，需要在主電路中并聯(lián)制動(dòng)電路起保護(hù)作用。如果采用再生制動(dòng)方法，則會(huì)使變頻主電路結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)復(fù)雜，所以，一般采用能耗制動(dòng)的方法。本課題選用由、組成的制動(dòng)電路，圖22是泵升電壓保護(hù)電路的電氣原理圖。其工作原理為：比較器LM311同相端接P點(diǎn)的電壓檢測(cè)信號(hào)，反向端接電位器。是用來(lái)取泵生電壓保護(hù)動(dòng)作的基準(zhǔn)電壓。電容的作用防止干擾信號(hào)引起的誤動(dòng)作；、是泵生電壓的放電支路。當(dāng)檢測(cè)到主回路P電壓高出額定值的15%時(shí)， 圖22 泵升電壓保護(hù)電路比較器LM311輸出一個(gè)高電平，使導(dǎo)通，從而將逆變器部分回饋能量轉(zhuǎn)化為熱能釋放掉，即消耗在電阻上，這樣電機(jī)就可以在四象限運(yùn)行，而不會(huì)損壞逆變器橋臂上的開(kāi)關(guān)器件IGBT。3． 滯環(huán)比較器(LM311)的選擇 Ud 0 U1 U2 Uc 圖23 泵升環(huán)寬上下限 在泵升電壓限制電路中，滯環(huán)比較器的上下限的決定是十分重要的，如圖23所示。滯環(huán)的作用是保證開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)頻率在允許的范圍內(nèi)。滯環(huán)的選擇原則是：（即泵升電壓限制在115% Ud，亦即618V）；下限U1 整定值略高于電網(wǎng)允許向上波動(dòng)的最大值（即為10%），因?yàn)殡妷翰▌?dòng)屬于正?，F(xiàn)象，不能誤認(rèn)為是泵升。 過(guò)（欠）壓保護(hù)回路設(shè)計(jì)a 過(guò)壓保護(hù)電路 1. 產(chǎn)生原因及危害1) 電網(wǎng)輸入電壓長(zhǎng)時(shí)間過(guò)高；2）減速過(guò)快，引起泵升電壓過(guò)高，當(dāng)超過(guò)IGBT的安全工作電壓時(shí)就可能造成開(kāi)關(guān)器件的損壞；3）我國(guó)電網(wǎng)電壓的線性度較差，在重負(fù)載時(shí)，線電壓通常小于380V，而在用電低谷期時(shí)，線電壓高達(dá)440V,如此大的電壓變化范圍，會(huì)導(dǎo)致直流回路過(guò)電壓，同樣會(huì)損壞IGBT。 2. 過(guò)壓保護(hù)回路 設(shè)計(jì)的過(guò)壓保護(hù)電氣原理圖如下圖 圖24 過(guò)（欠）壓電路原理圖直流電壓保護(hù)信號(hào)取自主回路濾波電容器兩端，經(jīng)電容器分壓后獲得，為防止高壓信號(hào)進(jìn)入控制電路，采用光電耦合電路，直流電壓保護(hù)動(dòng)作限定在670V以上。 正常情況下，采樣電壓小于給定電壓，比較器輸出低電平，經(jīng)反向器CD4090輸出高電平，指示燈不亮。當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，采樣電壓經(jīng)與非門(mén)CD4090輸出低電平，過(guò)壓指示燈LED1亮，同時(shí)，過(guò)壓信號(hào)經(jīng)與非門(mén)74HC30輸出信號(hào)SET，送至鎖存器74HB66封鎖驅(qū)動(dòng)脈沖輸出。 b欠壓保護(hù)電路 從IGBT的特性可知，當(dāng)電源電壓低時(shí)，會(huì)因其驅(qū)動(dòng)功率不足而造成元件的損壞；同時(shí)逆變器直流側(cè)大電容兩端出現(xiàn)欠壓時(shí)，也應(yīng)立即關(guān)閉逆變器，否則也會(huì)導(dǎo)致IGBT器件永久性損壞，不能保證交流電動(dòng)機(jī)永久性工作。1．欠壓產(chǎn)生原因1) 輸入交流電壓長(zhǎng)期低于標(biāo)準(zhǔn)值的70%以下，或發(fā)生缺相、斷相；2) 電容不足或電容損壞。2．欠壓保護(hù)電路 欠壓檢測(cè)采用中間直流采樣，即在大電容兩端P、N兩點(diǎn)采樣，這樣既能在真正欠壓缺相時(shí)，檢測(cè)出信號(hào)，進(jìn)行保護(hù)，又不至于因短時(shí)間欠壓并未構(gòu)成危險(xiǎn)時(shí)而保護(hù)誤動(dòng)作，提高了高頻電路的抗干擾能力和運(yùn)轉(zhuǎn)可靠性。3．工作原理（同過(guò)壓保護(hù)電路） 緩沖吸收回路設(shè)計(jì) 1．緩沖電路 通常IGBT的開(kāi)關(guān)時(shí)間約為當(dāng)IGBT由通態(tài)迅速關(guān)斷時(shí)，有很大的產(chǎn)生，在主回路的布線電感上引起較大的尖峰電壓，如下圖所示 圖25 IGBT關(guān)斷時(shí)的動(dòng)作波形這個(gè)尖峰電壓與直流電壓疊加后，加在關(guān)斷的IGBT的之間。如果峰值電壓很大，可能使疊加后的超出反向安全工作區(qū)，或者由于過(guò)大，而引起誤導(dǎo)通，兩者都有損于IGBT；為此，在IGBT上加入緩沖電路。本設(shè)計(jì)中采用的是沖放電型RCD緩沖電路，其電路圖如下所示 圖26 IGBT緩沖電路原理圖1）吸收電容吸收電容可采用下面公式計(jì)算 (4―1)式中，； （額定值）；；(交流220V電網(wǎng))或800V(交流380V電網(wǎng))。將上述數(shù)據(jù)代入公式，計(jì)算出電容=；所以可以選擇的無(wú)感電容。2）緩沖電阻 緩沖電阻要求：IGBT關(guān)斷時(shí)，上積累電荷的90%能及時(shí)釋放掉。不宜過(guò)大，如太大，放電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，電不能完全放掉；但太小，在器件導(dǎo)通時(shí)，放電電流過(guò)大、過(guò)快，可能危及器件的安全，也可能引起振蕩，IGBT導(dǎo)通時(shí)，電流增加。一般電流選擇下面公式 (4―2)緩沖電阻產(chǎn)生的功耗與阻值無(wú)關(guān)，可由下式確定： (4―3)式中，系數(shù)10是電阻瓦特?cái)?shù)的裕度系數(shù)，以防止溫度過(guò)高；是開(kāi)關(guān)頻率。將數(shù)據(jù)代入上述公式，可選電阻為。3）緩沖二極管 緩沖二極管過(guò)渡時(shí)，正向電壓降低，是關(guān)斷時(shí)尖峰電壓產(chǎn)生的主要原因之一；另外，緩沖二極管逆向恢復(fù)時(shí)間直接影響到緩沖吸收電路的開(kāi)關(guān)損耗；因此，應(yīng)選擇過(guò)渡電壓低、逆向恢復(fù)時(shí)間短、逆向恢復(fù)特性較軟的二極管。根據(jù)此要求，本設(shè)計(jì)中選擇的緩沖二極管型號(hào)為MUR8100 。 過(guò)流保護(hù)回路設(shè)計(jì)1．產(chǎn)生原因及危害過(guò)流保護(hù)不僅直接關(guān)系到IGBT器件本身的工作特性和運(yùn)行安全，而且影響到整個(gè)系統(tǒng)的性能和安全。它包括短路和過(guò)流保護(hù)兩種，控制回路誤動(dòng)作或誤配線等都會(huì)造成逆變器上、下橋臂直通等短路事故。短路電流流過(guò)逆變器的開(kāi)關(guān)器件，會(huì)使元件燒壞，因此，必須在很短的時(shí)間內(nèi)（1~2）封鎖PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出，使逆變器停止工作，同時(shí)，還應(yīng)使輸入側(cè)電源開(kāi)關(guān)跳閘。短路電流的整定值一般為逆變器輸出額定電流的200%~300%，超過(guò)逆變器額定電流200%以上的電流應(yīng)立即采取保護(hù)措施。當(dāng)逆變器內(nèi)部發(fā)生短路時(shí)，電流變化非常大，因此必須快速檢測(cè)出過(guò)流信號(hào)。一般采用霍爾元件快速檢測(cè)電流，其檢測(cè)點(diǎn)可設(shè)置在中間直流母線、逆變器輸出電路或IGBT開(kāi)關(guān)器件上。2. 過(guò)流保護(hù)電路過(guò)流保護(hù)電路原理如圖27所示，過(guò)流信號(hào)來(lái)自霍爾元件對(duì)逆變器三個(gè)橋臂上IGBT元件上電流的采樣（采樣時(shí)間為）。3. 工作原理當(dāng)在某一橋臂上發(fā)生過(guò)流時(shí)，比較器LM319()輸出高電平，經(jīng)反向器CD4049()輸出低電平，指示燈LED3亮，顯示故障，經(jīng)與非門(mén)74HC30輸出高電平，關(guān)閉驅(qū)動(dòng)電路，同時(shí)繼電器動(dòng)作，斷電。中間繼電器的觸點(diǎn)可連接在電源側(cè)，使主電源掉閘關(guān)斷，切斷后面裝置和主電源的聯(lián)系，從而起到保護(hù)電路的目的。a IGBT散熱及過(guò)熱保護(hù)要求 當(dāng)逆變器輸出電流供給交流電動(dòng)機(jī)工作時(shí)，功率開(kāi)關(guān)器件IGBT本身也要消耗功率。其消耗的功率主要包括通態(tài)損耗和開(kāi)關(guān)損耗，其結(jié)果使基板溫度和工作結(jié)溫上升。圖28為IGBT耗散功率P與模塊基板溫度的關(guān)系曲線；圖29為IGBT集電極電流與模塊基板溫度的關(guān)系曲線?？梢钥闯鲭S著IGBT基板溫度的上升，IGBT的耗散功率和集電極電流急劇下降。因此其最高基板溫度不能超過(guò)，否則工作結(jié)溫會(huì)超過(guò)，造成管子的過(guò)熱燒壞。為了能使IGBT穩(wěn)定可靠工作，必須采取適當(dāng)?shù)纳岽胧?，加?qiáng)IGBT過(guò)熱檢測(cè)保護(hù)。圖27 過(guò)流保護(hù)電路電氣原理圖 圖28 IGBT耗散功率與基板溫度曲線 圖29 IGBT集電極電流與基板溫度曲線b散熱器設(shè)計(jì)IGBT滿負(fù)荷工作時(shí)，將產(chǎn)生較高的功率損耗密度。散熱器設(shè)計(jì)要求將IGBT功耗轉(zhuǎn)化為熱量迅速而可靠地從基板傳送到散熱器上散掉，確保IGBT的最高工作結(jié)溫不超過(guò)最高允許溫度150。散熱能力越強(qiáng)，器件所承受的功率就越大，而器件的散熱能力取決于它的熱傳導(dǎo)特性。設(shè)計(jì)散熱器時(shí)，通常需要用到以下幾個(gè)表達(dá)式。 (4―4)式中：Q——總熱阻；——基板結(jié)溫與環(huán)境溫度之差；P——器件的功耗。外加散熱器后，總熱阻Q包括以下幾個(gè)部分：Q= (4―5)式中：——結(jié)到基板的熱阻； ——基板到散熱器界面的熱阻； ——散熱器到周圍空氣的熱阻。器件所允許的功耗為： (4―6)式中：——器件的結(jié)溫； ——周圍環(huán)境溫度。本設(shè)計(jì)中選用的是IR公司生產(chǎn)的IGBT,型號(hào)為IRLDT150M12，模塊單管封裝形式，其主要參數(shù)數(shù)據(jù)如下： ；；；；；；。由于IGBT開(kāi)關(guān)時(shí)間短，驅(qū)動(dòng)電流小，故開(kāi)關(guān)損耗和驅(qū)動(dòng)損耗可忽略不計(jì)，另外，斷態(tài)損耗也可忽略不計(jì)，所以，IGBT的功耗主要由通態(tài)損耗來(lái)確定，即 溫差為： (4―7)故總熱阻為： = 忽略則散熱器熱阻= 所以，可選散熱器型號(hào)為：RK04A風(fēng)冷板型熱管散熱器，熱阻為：。c 過(guò)熱檢測(cè)電路設(shè)計(jì) 散熱器的設(shè)計(jì)是保證IGBT在正常情況下可靠工作的關(guān)鍵，但如果周圍環(huán)境極度惡劣或IGBT功耗較大時(shí)，會(huì)引起散熱器溫度升高，同樣會(huì)造成IGBT過(guò)熱損壞。為防止正常情況下不燒壞IGBT器件，需要在控制電路中加入過(guò)熱保檢測(cè)護(hù)電路，其電氣原理如下圖所示。 圖30 過(guò)熱檢測(cè)保護(hù)電路電氣原理圖 2. 工作原理 把溫度系數(shù)為正的熱敏電阻作為檢測(cè)元件，將其安裝在IGBT器件與散熱器之間。隨著IGBT器件與散熱器溫度升高，熱敏電阻阻值增大，A點(diǎn)的電壓逐漸升高，而與電壓比較器反向端B點(diǎn)上的電壓固定為+5V；當(dāng)IGBT或散熱器溫度高于某一預(yù)定值（對(duì)于IGBT結(jié)溫允許設(shè)定值）時(shí)，A電位高于B點(diǎn)電位，電壓比較器輸出呈高阻狀態(tài)，因此，E點(diǎn)為高電平，T管導(dǎo)通，發(fā)光二極管的過(guò)載指示燈亮，同時(shí)，F(xiàn)點(diǎn)也為高電平，而IGBT的驅(qū)動(dòng)封鎖信號(hào)高電平有效，從而封鎖驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使IGBT關(guān)斷；反之，當(dāng)IGBT或散熱器溫度低于某一預(yù)定值時(shí)，A點(diǎn)電位低于B點(diǎn)電位，T管不導(dǎo)通，發(fā)光二極管的過(guò)載指示燈不亮，F(xiàn)點(diǎn)為低電平，IGBT正常工作。 系統(tǒng)所需直流電源設(shè)計(jì)系統(tǒng)的直流電源是為控制電路中給定信號(hào)、各種集成芯片提供工作電壓。本設(shè)計(jì)中用到的有()、(1A)、 (1A)三種直流穩(wěn)壓工作電源。直流穩(wěn)壓電源可以利用三端固定輸出電壓集成穩(wěn)壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)。它有兩個(gè)系列，其中系列輸出正電壓，系列輸出負(fù)電壓。使用穩(wěn)壓器時(shí)，為保證穩(wěn)壓性能，輸入與輸出間電位差應(yīng)為2~3V。該直流電源主要由電源變壓器、橋式整流電路、電容濾波電路、和系列集成穩(wěn)壓器以及保護(hù)電路環(huán)節(jié)組成。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的直流穩(wěn)壓電源的電氣原理圖如圖31所示。1. 電源變壓器通常根據(jù)變壓器副邊輸出功率來(lái)選購(gòu)（或自繞）變壓器。對(duì)于容性負(fù)載，變壓器副邊的輸出電壓與穩(wěn)壓器輸出電壓的關(guān)系為：，在此范圍內(nèi)，越大，穩(wěn)壓器的壓差越大，功耗也就越大。一般取副邊電壓，副邊輸出電流的有效值。表1 與間的一般取值（V） （V）圖31 系統(tǒng)直流電源電氣原理圖2. 整流二極管整流二極管的反向擊穿電壓應(yīng)滿足： (4―8)其額定工作電流應(yīng)滿足： (4―9)所以，對(duì)直流電源， 二極管的耐壓值，考慮到一定的裕量，實(shí)選電壓30V，； 對(duì)直流電源，二極管耐壓值，1A，考慮到一定的裕量，實(shí)選電壓25V，； 對(duì)直流電源，二極管耐壓值，1A，考慮到一定的裕量，實(shí)選電壓15V。3．濾波電容器 對(duì)于濾波電容器的選擇，一般需要考慮以下幾點(diǎn)：1）整流二極管的壓降；2）和最小允許壓降；3）電網(wǎng)波動(dòng)的10%。 綜上考慮，濾波電容器C的選擇可由下式估算： (4―10)式中，——穩(wěn)壓器輸入端紋波電壓的峰峰值； ——電容C放電時(shí)間常數(shù)，=T/2=； ——電容C放電電流；可取，濾波電容C的耐壓值應(yīng)大于。所以，對(duì)直流電源，穩(wěn)壓器輸入端紋波電壓的峰峰值為 按近似電流放電計(jì)算，并設(shè)（通角），則 ，故取濾波電容； 對(duì)直流電源，穩(wěn)壓器輸入端紋波電壓的峰峰值為按近似電流放電計(jì)算，并設(shè)（通角），則，故取濾波電容； 對(duì)直流電源，穩(wěn)壓器輸入端紋波電壓的峰峰值為按近似電流放電計(jì)算，并設(shè)（通角），則，故取濾波電容。4．集成穩(wěn)壓器 集成穩(wěn)壓器的輸出電壓應(yīng)與穩(wěn)壓電源要求的輸出電壓的大小及范圍相同，穩(wěn)壓器的最大允許電流，穩(wěn)壓器的輸入電壓的范圍為： ++ (4―11)式中，——穩(wěn)壓器最大輸出電壓； ——穩(wěn)壓器最小輸出電壓； ——穩(wěn)壓器的最小輸入、輸出壓差； ——穩(wěn)壓器的最大輸入、輸出壓差。 本章小結(jié)本章對(duì)控制電路進(jìn)行了具體的分析、設(shè)計(jì)，主要包括以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：1．泵升電壓保護(hù)回路設(shè)計(jì)2．過(guò)（欠）壓保護(hù)回路設(shè)計(jì)3．緩沖吸收回路設(shè)計(jì)4．過(guò)流保護(hù)回路設(shè)計(jì)5．過(guò)熱保護(hù)回路設(shè)計(jì)6．驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)7．觸發(fā)