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    技術文章

    采用IGBT的無刷直流電動機保護技術


    采用IGBT的無刷直流電動機保護技術

    1. 引言
      無刷直流電動機結構簡單、運行效率高、調速性能好,在國民經濟的各個領域都得到了廣泛的應用。對于三相橋式無刷直流電動機,保證其開關電路正常工作是至關重要的。由于IGBT具有功率MOSFET高速開關特性和雙極晶體管的低導通電壓特性,開關電路通常采用IGBT作為功率開關器件。根據我們的實踐,在IGBT的應用中,驅動、保護和吸收這三個問題是必須**考慮的。本文討論了開關電路中IGBT應用的若干問題,詳細介紹了無刷直流電動機保護電路。該電路設計簡單、性能可靠,能有效防止電動機起動時的過流損壞和運行期間柵極電路的誤觸發。
     
      2. IGBT的驅動與dv/dt保護
      2.1 IGBT的驅動
      IGBT用于無刷直流電動機的開關電路時,其開關頻率隨電動機轉速的改變而改變,要使它安全可靠地工作,驅動電路相當重要。由于IGBT的柵電容比MOSFET大得多,因此必須選擇合適的柵極正反向偏置電壓和柵極串聯電阻。柵極正向偏置電壓UGE一般為15V±10% ,足以使IGBT飽和導通。若UGE過大,IGBT承受短路或過流時間減小,對其安全不利。雖然柵極電壓為零就可使IGBT處于截止狀態,但為了盡快抽取PNP管中的存取電荷,減小關斷時間,提高IGBT的耐壓、dv/dt耐量和抗干擾能力,必須在柵、源極之間加一個-5~- 15V的反向電壓。
      為了改善控制脈沖的前后沿陡度和防止振蕩,需要在柵極串聯電阻RG。RG太大,將使IGBT通斷時間延長,能耗增加; RG太小,會使柵極電壓產生振蕩,同時會使IGBT的dv/dt耐量減小。因此,RG一般取十幾至幾十歐姆。
      為減小體積、降低噪聲、改善驅動性能、快速保護,現在多采用集成的IGBT驅動器。
     
      2.2 IGBT的dv/dt保護
      IGBT關斷或開通時,由于主回路電流的突變,回路分布電感將產生很高的尖峰電壓加在其兩端,使IGBT超過安全工作區而損壞。此外,雖然IGBT的C、E之間承受的dv/dt比較高,但由于IGBT在柵極之間、柵射之間存在寄生電容CGC和CGE,在驅動無刷直流電動機的大功率全橋變換器中,過大的dv/dt會通過CGC和CGE耦合到柵極上產生干擾,使IGBT誤導通而造成橋臂直接短路。一般加緩沖電路來解決這個問題,主要有關斷緩沖電路和尖峰電壓吸收緩沖電路,圖1為關斷緩沖電路的基本形式。除此以外,還要注意以下兩點:一是在斷態時,必須加足夠的負柵壓VGEOFF;二是要盡可能降低柵極電路引線電感。

    圖1 IGBT關斷緩沖電路的基本形式 
    圖1 IGBT關斷緩沖電路的基本形式
     
      3. 起動時的過流保護電路
      由于無刷直流電動機在起動時轉速很低,轉子磁通切割定子繞組所產生的反電動勢很小,因而可能產生過大的電流。這時雖然不是短路電流,但電流上升率也會相當大。為了限制電流上升率和限制短路電流,必須附加過流檢測及保護電路。當發生過流時,及時檢出并立即關斷IGBT,以切斷主電路。
      我們設計的過流保護電路如圖2所示(圖中未畫出IGBT的緩沖電路)。在主回路中,我們串入了一個電感L1和一個續流二極管D2,當電機起動時,由于電感的儲能作用,因此限制了起動電流上升率,提高了起動的穩定性,使起動電流在幾十微秒內不會超過IGBT的浪涌沖擊能力。主回路中通過電動機的電流*終是經過電阻R(0. 1Ω,5W)接地。因此,Uf= RfIM,其大小正比于電動機的電流IM,IM也即是流過IGBT的電流。Uf通過10kΩ電阻與電壓比較器LM324正相輸入端相連,由于R1= 10kΩ》Rf,可近似認為沒有電流流過R1,因而LM324正端輸入為Uf。圖中所示的Vref為過流保護動作設定電壓。在正常導通工作期間,Uf小于Vref,LM324輸出低電平。MOS管V1、V2、V4和V2均截止,IGBT的柵極驅動電壓不受影響。發生過流事故時,IM增大,則Uf也隨之增大,當Uf大于Vref時,LM324輸出高電平,啟動定時器。同時,V1導通使IGBT的柵極電壓降至穩壓管的穩壓值VZ。在一定溫度下,當IGBT短路時,及時減小柵極驅動電壓VG,可以使短路電流ISC減小,從而延長IGBT在不損壞前提下所能承受短路的時間。因此,當電壓降至VZ后,如果在定時器設定時間到達之前故障消失,LM324輸出又為低電平,V2截止,Q2、Q4、Q2的柵極驅動電壓又恢復正常,電機正常運行。如果在設定時間內故障仍不能排除,則定時器輸出高電平,使V2、V4和V2同時導通,由電路圖知,Q2、Q4、Q2的柵極驅動電壓近似為0 ,關斷了Q2、Q4、Q2三只IGBT,即切斷了主電路,電動機停車,達到了過流保護的目的。
    無刷直流電動機過流保護電路原理圖 
    圖2 無刷直流電動機過流保護電路原理圖
     
      4運行時的邏輯保護電路
      電動機在運行期間,由于受到外界環境的干擾,邏輯開關控制信號可能產生誤觸發,造成橋臂短路。圖2中的Q2和Q4、Q3和Q2、Q5和Q2分別組成三個橋臂,如果同一橋臂上的兩個IGBT同時導通,則短路電流流過兩個IGBT,產生所謂的橋臂短路現象,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很大,因而致使IGBT燒毀。為了避免誤觸發,我們設計了一種邏輯保護電路,如圖3所示。這種電路結構簡單,使同臂支路的兩個IGBT的驅動信號互鎖,在任何情況下兩個IGBT不會同時導通。根據它們的邏輯關系,我們能得出保護電路的布爾邏輯方程如下:
    Q1= D1D4 Q2= D2D5
    Q3= D3D6 Q4= D4D1
    Q5= D5D2   Q6= D6D3
    其相應的邏輯輸出真值表如表2所示。
    表1 邏輯輸出真值表
    邏輯輸出真值表 
    邏輯保護電路 
    圖3 邏輯保護電路
     
    根據我們的設計,當邏輯輸入D為低電平時,其相應的輸出Q為低電平,IGBT驅動電路輸出15V的電壓,使IGBT導通;相反,當邏輯輸入D為高電平時,其相應的輸出Q為高電平時,驅動電路輸出5V的負偏值電壓,使IGBT關斷。從真值表中我們注意到,當電機正常運行時,每一時刻有兩個邏輯輸入為低電平。但當邏輯開關控制信號產生誤觸發時,即當D2和D4,或D2和D5,或D3和D2均為低電平時,其相應的輸出為高電平,從而避免了驅動電路的誤觸發,有效地防止了橋臂短路事故的發生。
     
      5. 結束語
      本文簡要討論了其開關電路中IGBT應用的若干問題,給出了無刷直流電動機的過流保護和邏輯保護的具體應用電路,該電路簡單可靠,效果良好。在實際應用中,要注意根據無刷電機和IGBT的型號來確定過流保護電路電壓的設定值和電阻Rf的參數。

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