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采用IGBT的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)保護(hù)

1. 引言
  無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行效率、調(diào)速能好，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域都得到了的應(yīng)用。對(duì)于三相橋式無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，其開(kāi)關(guān)電路正常工作是至關(guān)重要的。由于IGBT具有功率MOSFET速開(kāi)關(guān)特和雙晶體管的低導(dǎo)通電壓特，開(kāi)關(guān)電路通常采用IGBT作為功率開(kāi)關(guān)器件。根據(jù)我們的實(shí)踐，在IGBT的應(yīng)用中，驅(qū)動(dòng)、保護(hù)和吸收這三個(gè)問(wèn)題是必須考慮的。本文討論了開(kāi)關(guān)電路中IGBT應(yīng)用的若干問(wèn)題，詳細(xì)介紹了無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)保護(hù)電路。該電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、能可靠，能防止電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的過(guò)流損壞和運(yùn)行期間柵電路的誤觸發(fā)。
 
  2. IGBT的驅(qū)動(dòng)與dv/dt保護(hù)
  2.1 IGBT的驅(qū)動(dòng)
  IGBT用于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的開(kāi)關(guān)電路時(shí)，其開(kāi)關(guān)頻率隨電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的改變而改變，要使它可靠地工作，驅(qū)動(dòng)電路相當(dāng)重要。由于IGBT的柵電容比MOSFET大得多，因此必須選擇合適的柵正反向偏置電壓和柵串聯(lián)電阻。柵正向偏置電壓U_GE般為15V±1 ，足以使IGBT飽和導(dǎo)通。若U_GE過(guò)大，IGBT承受短路或過(guò)流時(shí)間減小，對(duì)其不利。雖然柵電壓為零就可使IGBT處于截止?fàn)顟B(tài)，但為了盡快抽取PNP管中的存取電荷，減小關(guān)斷時(shí)間，提IGBT的耐壓、dv/dt耐量和能力，必須在柵、源之間加個(gè)-5～- 15V的反向電壓。
  為了改善脈沖的前后沿陡度和防止振蕩，需要在柵串聯(lián)電阻R_G。R_G太大，將使IGBT通斷時(shí)間延長(zhǎng)，能耗增加; RG太小，會(huì)使柵電壓產(chǎn)生振蕩，同時(shí)會(huì)使IGBT的dv/dt耐量減小。因此，R_G般取十幾至幾十歐姆。
  為減小體積、降低噪聲、改善驅(qū)動(dòng)能、保護(hù)，現(xiàn)在多采用集成的IGBT驅(qū)動(dòng)器。
 
  2.2 IGBT的dv/dt保護(hù)
  IGBT關(guān)斷或開(kāi)通時(shí)，由于主回路電流的突變，回路分布電感將產(chǎn)生很的電壓加在其兩端，使IGBT過(guò)工作區(qū)而損壞。此外，雖然IGBT的C、E之間承受的dv/dt比較，但由于IGBT在柵之間、柵射之間存在寄生電容C_GC和C_GE，在驅(qū)動(dòng)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的大功率橋變換器中，過(guò)大的dv/dt會(huì)通過(guò)C_GC和C_GE耦合到柵上產(chǎn)生干擾，使IGBT誤導(dǎo)通而造成橋臂直接短路。般加緩沖電路來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，主要有關(guān)斷緩沖電路和電壓吸收緩沖電路，圖1為關(guān)斷緩沖電路的基本形式。除此以外，還要注意以下兩點(diǎn):是在斷態(tài)時(shí)，必須加足夠的負(fù)柵壓V_GEOFF;二是要盡可能降低柵電路引線電感。

圖1 IGBT關(guān)斷緩沖電路的基本形式

 
  3. 起動(dòng)時(shí)的過(guò)流保護(hù)電路
  由于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速很低，轉(zhuǎn)子磁通切割定子繞組所產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)很小，因而可能產(chǎn)生過(guò)大的電流。這時(shí)雖然不是短路電流，但電流上升率也會(huì)相當(dāng)大。為了電流上升率和短路電流，必須附加過(guò)流及保護(hù)電路。當(dāng)發(fā)生過(guò)流時(shí)，及時(shí)檢出并立即關(guān)斷IGBT，以切斷主電路。
  我們?cè)O(shè)計(jì)的過(guò)流保護(hù)電路如圖2所示(圖中未畫(huà)出IGBT的緩沖電路)。在主回路中，我們串入了個(gè)電感L₁和個(gè)續(xù)流二管D₂，當(dāng)電機(jī)起動(dòng)時(shí)，由于電感的儲(chǔ)能作用，因此了起動(dòng)電流上升率，提了起動(dòng)的穩(wěn)定，使起動(dòng)電流在幾十微秒內(nèi)不會(huì)過(guò)IGBT的浪涌沖擊能力。主回路中通過(guò)電動(dòng)機(jī)的電流zui終是經(jīng)過(guò)電阻R_f (0. 1Ω，5W)接地。因此，U_f= R_fI_M，其大小正比于電動(dòng)機(jī)的電流I_M，I_M也即是流過(guò)IGBT的電流。U_f通過(guò)10kΩ電阻與電壓比較器LM324正相輸入端相連，由于R₁= 10kΩ》R_f，可近似認(rèn)為沒(méi)有電流流過(guò)R₁，因而LM324正端輸入為U_f。圖中所示的V_ref為過(guò)流保護(hù)動(dòng)作設(shè)定電壓。在正常導(dǎo)通工作期間，U_f小于V_ref，LM324輸出低電平。MOS管V₁、V₂、V₄和V₂均截止，IGBT的柵驅(qū)動(dòng)電壓不受影響。發(fā)生過(guò)流事故時(shí)，I_M增大，則U_f也隨之增大，當(dāng)U_f大于V_ref時(shí)，LM324輸出電平，啟動(dòng)定時(shí)器。同時(shí)，V₁導(dǎo)通使IGBT的柵電壓降至穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值V_Z。在溫度下，當(dāng)IGBT短路時(shí)，及時(shí)減小柵驅(qū)動(dòng)電壓V_G，可以使短路電流I_SC減小，從而延長(zhǎng)IGBT在不損壞前提下所能承受短路的時(shí)間。因此，當(dāng)電壓降至V_Z后，如果在定時(shí)器設(shè)定時(shí)間到達(dá)之前故障消失，LM324輸出又為低電平，V₂截止，Q₂、Q₄、Q₂的柵驅(qū)動(dòng)電壓又恢復(fù)正常，電機(jī)正常運(yùn)行。如果在設(shè)定時(shí)間內(nèi)故障仍不能排除，則定時(shí)器輸出電平，使V₂、V₄和V₂同時(shí)導(dǎo)通，由電路圖知，Q₂、Q₄、Q₂的柵驅(qū)動(dòng)電壓近似為0 ，關(guān)斷了Q₂、Q₄、Q₂三只IGBT，即切斷了主電路，電動(dòng)機(jī)停車(chē)，達(dá)到了過(guò)流保護(hù)的目的。

圖2 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)過(guò)流保護(hù)電路原理圖

 
  4. 運(yùn)行時(shí)的邏輯保護(hù)電路
  電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行期間，由于受到外界環(huán)境的干擾，邏輯開(kāi)關(guān)信號(hào)可能產(chǎn)生誤觸發(fā)，造成橋臂短路。圖2中的Q₂和Q₄、Q₃和Q₂、Q₅和Q₂分別組成三個(gè)橋臂，如果同橋臂上的兩個(gè)IGBT同時(shí)導(dǎo)通，則短路電流流過(guò)兩個(gè)IGBT，產(chǎn)生所謂的橋臂短路現(xiàn)象，由于橋臂支路中引線電感很小，短路電流的上升率和浪涌沖擊電流均會(huì)很大，因而致使IGBT燒毀。為了避免誤觸發(fā)，我們?cè)O(shè)計(jì)了種邏輯保護(hù)電路，如圖3所示。這種電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使同臂支路的兩個(gè)IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)互鎖，在情況下兩個(gè)IGBT不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通。根據(jù)它們的邏輯關(guān)系，我們能得出保護(hù)電路的布爾邏輯方程如下:

Q₁= D₁D₄　　　Q₂= D2D₅
Q₃= D₃D₆　　　Q₄= D₄D₁
Q₅= D5D2　　　Q₆= D₆D₃

其相應(yīng)的邏輯輸出真值表如表2所示。

表1　邏輯輸出真值表

圖3 邏輯保護(hù)電路

 
　根據(jù)我們的設(shè)計(jì)，當(dāng)邏輯輸入D為低電平時(shí)，其相應(yīng)的輸出Q為低電平，IGBT驅(qū)動(dòng)電路輸出15V的電壓，使IGBT導(dǎo)通；相反，當(dāng)邏輯輸入D為電平時(shí)，其相應(yīng)的輸出Q為電平時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路輸出5V的負(fù)偏值電壓，使IGBT關(guān)斷。從真值表中我們注意到，當(dāng)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，每時(shí)刻有兩個(gè)邏輯輸入為低電平。但當(dāng)邏輯開(kāi)關(guān)信號(hào)產(chǎn)生誤觸發(fā)時(shí)，即當(dāng)D₂和D₄，或D₂和D₅，或D₃和D₂均為低電平時(shí)，其相應(yīng)的輸出為電平，從而避免了驅(qū)動(dòng)電路的誤觸發(fā)，地防止了橋臂短路事故的發(fā)生。
 
  5. 結(jié)束語(yǔ)
  本文簡(jiǎn)要討論了其開(kāi)關(guān)電路中IGBT應(yīng)用的若干問(wèn)題，給出了無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的過(guò)流保護(hù)和邏輯保護(hù)的具體應(yīng)用電路，該電路簡(jiǎn)單可靠，效果良好。在實(shí)際應(yīng)用中，要注意根據(jù)無(wú)刷電機(jī)和IGBT的型號(hào)來(lái)確定過(guò)流保護(hù)電路電壓的設(shè)定值和電阻R_f的參數(shù)。