采(cai)用IGBT的無刷(shua)直(zhi)流電(dian)動(dong)機(ji)保護

1. 引(yin)言
  無刷(shua)直(zhi)流電(dian)動(dong)機(ji)結構(gou)簡(jian)單、運行(xing)效(xiao)率(lv)、調速能(neng)好，在國(guo)民(min)經濟(ji)的各個領(ling)域(yu)都得(de)到(dao)了的應用。對於(yu)三相(xiang)橋式無刷(shua)直(zhi)流電(dian)動(dong)機(ji)，其(qi)開關(guan)電路正常工作(zuo)是至關(guan)重要的。由於(yu)IGBT具有功率(lv)MOSFET速開關(guan)特和(he)雙(shuang)晶體(ti)管的低導通(tong)電(dian)壓特，開關(guan)電路通(tong)常采(cai)用IGBT作(zuo)為(wei)功率(lv)開關(guan)器(qi)件(jian)。根(gen)據我(wo)們(men)的實踐，在IGBT的應用中(zhong)，驅(qu)動(dong)、保護和(he)吸(xi)收(shou)這(zhe)三個(ge)問題是必須考(kao)慮(lv)的。本文討論了開關(guan)電路中IGBT應用的若幹(gan)問題，詳(xiang)細介(jie)紹(shao)了無刷(shua)直(zhi)流電(dian)動(dong)機(ji)保護電(dian)路(lu)。該電路(lu)設計(ji)簡(jian)單、能(neng)可(ke)靠(kao)，能(neng)防(fang)止(zhi)電(dian)動(dong)機(ji)起(qi)動(dong)時的過流損(sun)壞和(he)運行(xing)期(qi)間柵(zha)電路的誤(wu)觸發(fa)。
 
  2. IGBT的驅(qu)動(dong)與(yu)dv/dt保護
  2.1 IGBT的驅(qu)動(dong)
  IGBT用(yong)於(yu)無刷(shua)直(zhi)流電(dian)動(dong)機(ji)的開關(guan)電路時，其(qi)開關(guan)頻(pin)率(lv)隨電動(dong)機(ji)轉(zhuan)速(su)的改變而(er)改變，要使(shi)它(ta)可(ke)靠(kao)地工(gong)作(zuo)，驅(qu)動(dong)電(dian)路(lu)相(xiang)當重要。由於(yu)IGBT的柵(zha)電容比MOSFET大得(de)多，因(yin)此必須選擇(ze)合(he)適的柵(zha)正反向偏置(zhi)電(dian)壓和(he)柵(zha)串聯電阻。柵(zha)正向偏置(zhi)電(dian)壓U_GE般(ban)為(wei)15V±1 ，足以使(shi)IGBT飽(bao)和(he)導(dao)通(tong)。若(ruo)U_GE過大，IGBT承(cheng)受(shou)短(duan)路或過流(liu)時間減(jian)小，對其(qi)不(bu)利(li)。雖然(ran)柵(zha)電壓為(wei)零就可使IGBT處於(yu)截(jie)止狀(zhuang)態(tai)，但(dan)為(wei)了盡快(kuai)抽(chou)取PNP管(guan)中的存取電荷，減小(xiao)關(guan)斷時間，提(ti)IGBT的耐壓、dv/dt耐量和(he)能(neng)力(li)，必須在柵(zha)、源之間加(jia)個-5～- 15V的反向電壓。
  為(wei)了改善(shan)脈沖(chong)的前(qian)後(hou)沿(yan)陡度和(he)防(fang)止(zhi)振蕩(dang)，需(xu)要(yao)在柵(zha)串聯電阻R_G。R_G太(tai)大，將使(shi)IGBT通(tong)斷(duan)時間延(yan)長，能(neng)耗(hao)增(zeng)加(jia); RG太(tai)小(xiao)，會(hui)使(shi)柵(zha)電壓產(chan)生(sheng)振蕩(dang)，同(tong)時會使(shi)IGBT的dv/dt耐量減(jian)小(xiao)。因此，R_G般(ban)取(qu)十幾(ji)至幾(ji)十歐姆。
  為(wei)減小體(ti)積、降低噪(zao)聲、改善(shan)驅(qu)動(dong)能(neng)、保護，現(xian)在(zai)多(duo)采(cai)用集成的IGBT驅(qu)動(dong)器(qi)。
 
  2.2 IGBT的dv/dt保護
  IGBT關(guan)斷或開通(tong)時，由於(yu)主回(hui)路電(dian)流的突(tu)變，回(hui)路分(fen)布電感將(jiang)產(chan)生(sheng)很(hen)的電壓加(jia)在其(qi)兩(liang)端(duan)，使(shi)IGBT過(guo)工作(zuo)區(qu)而(er)損(sun)壞。此外，雖然(ran)IGBT的C、E之間承(cheng)受(shou)的dv/dt比較(jiao)，但(dan)由於(yu)IGBT在柵(zha)之間、柵(zha)射之間存(cun)在(zai)寄生電容C_GC和(he)C_GE，在(zai)驅(qu)動(dong)無刷(shua)直(zhi)流電(dian)動(dong)機(ji)的大功率(lv)橋變換器(qi)中，過(guo)大的dv/dt會通(tong)過(guo)C_GC和(he)C_GE耦(ou)合到(dao)柵(zha)上產(chan)生(sheng)幹(gan)擾(rao)，使IGBT誤(wu)導通(tong)而(er)造(zao)成橋(qiao)臂(bi)直(zhi)接短(duan)路(lu)。般(ban)加(jia)緩(huan)沖(chong)電(dian)路來解決這(zhe)個問題，主要(yao)有關(guan)斷緩(huan)沖(chong)電(dian)路和(he)電(dian)壓吸收(shou)緩(huan)沖(chong)電(dian)路，圖(tu)1為(wei)關(guan)斷緩(huan)沖(chong)電(dian)路的基本形式。除(chu)此以外，還要註(zhu)意(yi)以下(xia)兩(liang)點:是在(zai)斷(duan)態(tai)時，必須加(jia)足夠(gou)的負柵(zha)壓V_GEOFF;二是要盡可能(neng)降低柵(zha)電路引線(xian)電(dian)感。

圖(tu)1 IGBT關(guan)斷緩(huan)沖(chong)電(dian)路的基本形式

 
  3. 起(qi)動(dong)時的過流保護電(dian)路(lu)
  由於(yu)無刷(shua)直(zhi)流電(dian)動(dong)機(ji)在(zai)起(qi)動(dong)時轉速(su)很低(di)，轉(zhuan)子磁通(tong)切割(ge)定(ding)子繞組所(suo)產(chan)生(sheng)的反電動(dong)勢(shi)很(hen)小(xiao)，因而(er)可(ke)能(neng)產(chan)生(sheng)過(guo)大的電流。這(zhe)時雖然(ran)不(bu)是(shi)短(duan)路(lu)電(dian)流，但(dan)電流上升(sheng)率(lv)也(ye)會(hui)相(xiang)當大。為(wei)了電(dian)流(liu)上升(sheng)率(lv)和(he)短(duan)路電流，必須附(fu)加(jia)過流(liu)及(ji)保護電(dian)路(lu)。當發生(sheng)過流(liu)時，及時檢出(chu)並立即(ji)關(guan)斷IGBT，以切斷主(zhu)電(dian)路(lu)。
  我(wo)們(men)設計(ji)的過流保護電(dian)路(lu)如圖(tu)2所(suo)示(shi)(圖(tu)中(zhong)未(wei)畫出(chu)IGBT的緩(huan)沖(chong)電(dian)路)。在主回(hui)路(lu)中(zhong)，我(wo)們(men)串入了個(ge)電(dian)感L₁和(he)個(ge)續流(liu)二(er)管D₂，當(dang)電機(ji)起(qi)動(dong)時，由於(yu)電感的儲能(neng)作(zuo)用，因(yin)此了起(qi)動(dong)電(dian)流(liu)上(shang)升(sheng)率(lv)，提了起(qi)動(dong)的穩定，使起(qi)動(dong)電(dian)流(liu)在(zai)幾(ji)十微秒(miao)內(nei)不(bu)會(hui)過(guo)IGBT的浪湧(yong)沖(chong)擊(ji)能(neng)力(li)。主(zhu)回(hui)路中通(tong)過(guo)電動(dong)機(ji)的電流zui終是經過(guo)電阻R_f (0. 1Ω，5W)接(jie)地。因(yin)此，U_f= R_fI_M，其(qi)大小正(zheng)比(bi)於(yu)電動(dong)機(ji)的電流I_M，I_M也(ye)即(ji)是流(liu)過IGBT的電流。U_f通(tong)過(guo)10kΩ電阻與(yu)電壓(ya)比(bi)較(jiao)器(qi)LM324正相(xiang)輸(shu)入端相(xiang)連，由於(yu)R₁= 10kΩ》R_f，可近(jin)似(si)認(ren)為(wei)沒有電(dian)流(liu)流過(guo)R₁，因(yin)而(er)LM324正(zheng)端輸(shu)入為(wei)U_f。圖(tu)中(zhong)所(suo)示的V_ref為(wei)過流保護動(dong)作(zuo)設定(ding)電(dian)壓。在正常導通(tong)工(gong)作(zuo)期間(jian)，U_f小於(yu)V_ref，LM324輸(shu)出(chu)低電平。MOS管(guan)V₁、V₂、V₄和(he)V₂均截(jie)止，IGBT的柵(zha)驅(qu)動(dong)電(dian)壓(ya)不(bu)受(shou)影(ying)響(xiang)。發生過流(liu)事故(gu)時，I_M增大，則U_f也(ye)隨(sui)之增大，當U_f大於(yu)V_ref時，LM324輸(shu)出(chu)電平，啟(qi)動(dong)定(ding)時器(qi)。同(tong)時，V₁導通(tong)使(shi)IGBT的柵(zha)電壓降至穩壓管的穩壓值(zhi)V_Z。在溫度下，當(dang)IGBT短路(lu)時，及時減小(xiao)柵(zha)驅(qu)動(dong)電(dian)壓(ya)V_G，可(ke)以使(shi)短(duan)路電流(liu)I_SC減(jian)小(xiao)，從(cong)而(er)延(yan)長IGBT在不(bu)損(sun)壞前(qian)提(ti)下(xia)所能(neng)承(cheng)受(shou)短(duan)路的時間。因(yin)此，當電壓(ya)降至V_Z後(hou)，如(ru)果(guo)在(zai)定時器(qi)設定(ding)時間到(dao)達(da)之前(qian)故(gu)障消失，LM324輸(shu)出(chu)又為(wei)低電平，V₂截(jie)止，Q₂、Q₄、Q₂的柵(zha)驅(qu)動(dong)電(dian)壓(ya)又恢(hui)復正常，電機(ji)正(zheng)常運行(xing)。如(ru)果在設定(ding)時間內(nei)故障仍不(bu)能(neng)排(pai)除(chu)，則定時器(qi)輸(shu)出(chu)電平，使(shi)V₂、V₄和(he)V₂同(tong)時導通(tong)，由電(dian)路圖(tu)知(zhi)，Q₂、Q₄、Q₂的柵(zha)驅(qu)動(dong)電(dian)壓(ya)近(jin)似(si)為(wei)0 ，關(guan)斷了Q₂、Q₄、Q₂三(san)只IGBT，即(ji)切斷了主(zhu)電(dian)路，電(dian)動(dong)機(ji)停(ting)車，達(da)到(dao)了過(guo)流(liu)保護的目的。

圖(tu)2 無刷(shua)直(zhi)流電(dian)動(dong)機(ji)過(guo)流(liu)保護電(dian)路(lu)原理圖(tu)

 
  4. 運行(xing)時的邏輯保護電(dian)路(lu)
  電動(dong)機(ji)在(zai)運行(xing)期(qi)間，由於(yu)受(shou)到(dao)外界(jie)環(huan)境的幹(gan)擾(rao)，邏輯開關(guan)信號可能(neng)產(chan)生(sheng)誤(wu)觸發(fa)，造(zao)成橋(qiao)臂(bi)短路(lu)。圖(tu)2中(zhong)的Q₂和(he)Q₄、Q₃和(he)Q₂、Q₅和(he)Q₂分(fen)別(bie)組(zu)成三(san)個橋(qiao)臂(bi)，如果(guo)同(tong)橋臂(bi)上的兩個IGBT同(tong)時導通(tong)，則短路(lu)電流(liu)流過兩(liang)個(ge)IGBT，產(chan)生(sheng)所(suo)謂(wei)的橋臂(bi)短路(lu)現(xian)象，由於(yu)橋臂(bi)支(zhi)路(lu)中引(yin)線(xian)電(dian)感很(hen)小(xiao)，短路(lu)電流的上升(sheng)率(lv)和(he)浪(lang)湧(yong)沖(chong)擊(ji)電(dian)流(liu)均會很(hen)大，因而(er)致使IGBT燒毀。為(wei)了避(bi)免(mian)誤(wu)觸發(fa)，我(wo)們(men)設計(ji)了種(zhong)邏(luo)輯保護電(dian)路(lu)，如圖(tu)3所(suo)示(shi)。這(zhe)種電(dian)路結構(gou)簡(jian)單，使(shi)同(tong)臂(bi)支(zhi)路(lu)的兩個IGBT的驅(qu)動(dong)信(xin)號(hao)互鎖(suo)，在(zai)情(qing)況下(xia)兩(liang)個(ge)IGBT不(bu)會(hui)同(tong)時導通(tong)。根(gen)據它(ta)們(men)的邏輯關(guan)系，我(wo)們(men)能(neng)得(de)出保護電(dian)路(lu)的布爾(er)邏輯(ji)方程(cheng)如(ru)下:

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

其(qi)相(xiang)應的邏輯輸(shu)出(chu)真值(zhi)表(biao)如(ru)表(biao)2所(suo)示(shi)。

表(biao)1　邏(luo)輯(ji)輸(shu)出(chu)真值(zhi)表(biao)

圖(tu)3 邏(luo)輯(ji)保護電(dian)路(lu)

 
　根據我(wo)們(men)的設計(ji)，當(dang)邏輯輸(shu)入D為(wei)低電平時，其(qi)相(xiang)應的輸(shu)出(chu)Q為(wei)低電平，IGBT驅(qu)動(dong)電(dian)路(lu)輸(shu)出(chu)15V的電壓，使IGBT導通(tong)；相(xiang)反，當邏輯(ji)輸(shu)入D為(wei)電平時，其(qi)相(xiang)應的輸(shu)出(chu)Q為(wei)電平時，驅(qu)動(dong)電(dian)路(lu)輸(shu)出(chu)5V的負偏值(zhi)電壓(ya)，使(shi)IGBT關(guan)斷。從(cong)真值(zhi)表(biao)中(zhong)我(wo)們(men)註意(yi)到(dao)，當(dang)電(dian)機(ji)正(zheng)常運行(xing)時，每時刻有兩(liang)個(ge)邏輯(ji)輸(shu)入為(wei)低電平。但(dan)當邏輯開關(guan)信號產(chan)生(sheng)誤(wu)觸發(fa)時，即(ji)當D₂和(he)D₄，或D₂和(he)D₅，或D₃和(he)D₂均為(wei)低電平時，其(qi)相(xiang)應的輸(shu)出(chu)為(wei)電平，從(cong)而(er)避(bi)免(mian)了驅(qu)動(dong)電(dian)路(lu)的誤(wu)觸發(fa)，地防(fang)止(zhi)了橋(qiao)臂(bi)短路(lu)事故(gu)的發生。
 
  5. 結束語
  本(ben)文簡(jian)要(yao)討(tao)論了其(qi)開關(guan)電路中IGBT應用的若幹(gan)問題，給(gei)出(chu)了無刷(shua)直(zhi)流電(dian)動(dong)機(ji)的過流保護和(he)邏(luo)輯保護的具體(ti)應用電(dian)路(lu)，該(gai)電路簡(jian)單可(ke)靠(kao)，效果良好。在實(shi)際(ji)應用中(zhong)，要(yao)註(zhu)意根據(ju)無刷(shua)電(dian)機(ji)和(he)IGBT的型號來確定過流(liu)保護電(dian)路(lu)電壓的設定(ding)值(zhi)和(he)電(dian)阻R_f的參數(shu)。