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IGBT在无刷直流电动机主电路中的应用 侯景阳 张庆范 安德祥 （山东大学 250061） 摘 要：在无刷直流电动机伺服系统中，为了减小电动机的转矩脉动，功率元件通常选IGBT，逆变频率取20KHz～40KHz。本文在介绍IGBT的驱动和保护技术的基础上，设计了一套经济实用的IGBT驱动电路，获得了满意的效果。 关键词：IGBT 无刷直流电动机 伺服系统 驱动技术 The Research of IGBT Drive Circuit in Brushless DC Motor Servo System Hou Jingyang Zhang Qingfan, An Dexiang, (Shandong University) Abstract：In order to reduce the pulsation of motor torque, it often takes 20KHz to 40KHz for the inverse frequency of Brushless DC Motor Servo System. And IGBT is often used as the power component in such systems. Based on the drive and protection technology of IGBT, this paper designs an economical and functional drive circuit for IGBT. It gets very satisfied result. Keywords：IGBT Brushless DC motor Servo system Technology of drive 1 引 言 绝缘门极双极型晶体管（Isolated Gate Bipolar Transistor, IGBT）的驱动一般采用厚膜集成驱动器EXB840（841）等。但厚膜集成电路价格昂贵，而且虽然EXB840（841）具有过流关断功能，但它不能彻底封锁门极脉冲，在故障不消失情况下会出现每周期软关断保护一次的情况，由此产生的热积累也会造成IGBT损坏[1]。 本文在分析IGBT的驱动和保护技术的基础上，设计了一套IGBT驱动电路，并应用霍尔电流传感器实现过流、短路保护，同时防止了故障不消失情况下出现每周期软关断保护一次的情况。 该伺服系统为三闭环结构，转速环、位置环由单片机实现，电流环由硬件实现。逆变器采用IGBT构成，系统硬件结构图如图1所示。 3 IGBT的驱动 IGBT驱动电路的设计主要应考虑如下因素：[2] （1）导通损耗 当IGBT开通时，升高基、射极电压VGE会减小导通损耗，因此，工程设计中希望把VGE升高到器件手册中最大的允许值，使导通损耗为最小，一般取VGE=15V。 （2）开关损耗 当IGBT开通和关断时，开关损耗受VGE的高低和门极电阻RG的影响。增加VGE或减小RG会缩短器件的延迟时间、上升时间和下降时间，从而降低开关损耗。降低VGE或增加RG将导致开关损耗的增加，但能降低电磁辐射。选择驱动电路时要综合考虑。 （3）反并联二极管开关损耗 减小二极管上di/dt的数值可以降低二极管的损耗，但这是以增加IGBT的损耗为代价的。在桥路结构中，还可以通过降低VGE开通IGBT的方法来减少反并联二极管的损耗。 （4）驱动电路绝缘和控制信号传输 为了防止强电串入弱电电路，IGBT驱动电路与脉冲发生电路应采取隔离措施，如采用光电耦合器或脉冲变压器传输控制信号。 4 IGBT的保护 （1）短路保护 有两种形式的短路需要考虑：一种是器件开通时短路情况已经存在（典型波形如图2所示）；另一种是器件开通期间出现了短路情况（典型波形如图3所示）。
短路电流能通过降低基、射极两端电压VGE来减小， 如果在短路电流上升时降低VGE使其小于15V，电路承受 短路电流的时间会增加。基、射极两端电压为： VGE=C*dv/dt*RG+VG 为了防止VGE过高，在门极、发射极两端直接跨接两个反 向连接的稳压二极管以限制VGE（如图4所示）。 （2）过电压保护 IGBT关断时的换相过电压，决定 于主电路的杂散电感及关断时的di/dt，在正常工作状态时， di/dt较低，通常不会造成IGBT损坏，但在过电流故障状态 时，di/dt迅速增大，造成较高的过电压，为此应尽量减小主回路的布线杂散电感。 （3）过电流保护 当过电流的倍数小于工作电流的2倍时，可采用瞬时封锁门极脉冲的方法来实现保护。但当过电流的倍数较高，加瞬时封锁门极脉冲会因-di/dt很大（2000A/μs～3000A/μs），在回路杂散电感上感应出较高的过电压，造成IGBT击穿损坏。为此应使门极正电压在2～5μs内软关断下降至零电压。 5 主电路 该伺服系统的主电路如图5所示，其结构为常用的交-直-交型结构。图中R为压敏电阻，用于抑制浪涌电压。C为滤波电容，其值取2200μF。 主回路中各功率IGBT按照电动机的换相信号分别导通[3]，属于120º导通型。
6 驱动和保护电路 当IGBT用于功率小于5KW的场合时，驱动电路可以不必使用价格较昂贵的厚膜驱动电路。此外，为了避免EXB840（841）在故障不消失情况下出现每周期软关断保护一次的情况，在本系统的设计中采用分立元件构成驱动电路，具体电路如图6所示。图中CS为霍尔电流传感器。在门极电路失电时为了泄放掉门极和发射极之间的电荷，在门极和发射极间引入电阻R7。
电路工作原理如下： (1)当光耦原边有控制脉冲输入时，光耦导通，V1基极电位下降，处于截止状态，V3导通，V4截止，电源通过V3、R6给IGBT提供电流，使其迅速导通。 (2)当光耦原边控制脉冲消失时，光耦截止，V1基极电位上升，处于导通状态，V3截止，V4导通，IGBT栅极电荷通过V4、R6迅速放电，当IGBT栅极施加－5V反压时，它可靠关断。 (3)当IGBT出现短路故障时，霍尔电流传感器CS流过一定的电流使V2饱和导通C2通过V2、R4放电，图中A点电位慢慢下降，实现IGBT的慢关断。只要故障存在，V2就不会退出饱和，不论有无控制脉冲IGBT都不会导通。故障消失时，V2恢复截止状态，电路仍能正常工作。 IGBT的过电压保护利用电压检测元件封锁控制脉冲的方式实现。 7 仿真及实验结果 系统取得了+3脉冲/转的控制精度（光电编码器的分辨率为5000脉冲/转），并且连续运行6个月未发生IGBT损坏现象。 参考文献： [1] 王志良. 电力电子新器件及其应用技术. 北京：国防工业出版社，1995 [2] Mitel Corporation. 1998 Publication No. AN4507-1 Issue No. 1.3 . 1998 [3] 郭庆鼎，王成元. 交流伺服系统. 北京：机械工业出版社，1994 作者简介： 侯景阳 男，1974年生，助教，现为电力电子与电力传动专业研究生。 张庆范 男，1949年生，教授，中国电工技术学会、电力电子学会理事，主要从事电力电子技术的教学与科研工作。 |
2 系统结构 
仿真及实验结果显示，本系统所采取的驱动和保护措施是有效的。驱动电路输出波形如图7所示。