導(dǎo)語：如何才能寫好一篇igbt驅(qū)動電路，這就需要搜集整理更多的資料和文獻(xiàn)，歡迎閱讀由公務(wù)員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

【關(guān)鍵詞】igbt;驅(qū)動;保護(hù)

ABSTRACT：This article describes the IGBT gate drive circuit protection classification，analysis of the trends of the IGBT driver protection circuit，common IGBT drive optocoupler isolated，transformer isolated typical circuit analysis，and common market manufacturers. IGBT drive operating parameters and compares the performance analysis on the the IGBT fault in the engineering practice to discuss the principle of selection of IGBT driver reference.

KEY WORDS：IGBT;drive;protection

絕緣門極雙極型晶體管（Isolated Gate Bipolar Transistor簡稱IGBT）是復(fù)合了功率場效應(yīng)管和電力晶體管的優(yōu)點而產(chǎn)生的一種新型復(fù)合器件，具有輸入阻抗高、工作速度快、熱穩(wěn)定性好驅(qū)動電路簡單、通態(tài)電壓低、耐壓高和承受電流大等優(yōu)點，因此現(xiàn)今應(yīng)用相當(dāng)廣泛。但是IGBT 良好特性的發(fā)揮往往因其柵極驅(qū)動電路設(shè)計上的不合理，制約著IGBT的推廣及應(yīng)用。因此本文分析了IGBT對其柵極驅(qū)動電路的要求，設(shè)計一種可靠，穩(wěn)定的IGBT驅(qū)動電路[1]。

1.IGBT驅(qū)動電路特性及可靠性分析

IGBT的門極驅(qū)動條件密切地關(guān)系到他的靜態(tài)和動態(tài)特性。門極電路的正偏壓、負(fù)偏壓和門極電阻的大小，對IGBT的通態(tài)電壓、開關(guān)、開關(guān)損耗、承受短路能力及電流等參數(shù)有不同程度的影響。其中門極正電壓的變化對IGBT的開通特性，負(fù)載短路能力和電流有較大的影響，而門極負(fù)偏壓對關(guān)斷特性的影響較大。同時，門極電路設(shè)計中也必須注意開通特性，負(fù)載短路能力和由電流引起的誤觸發(fā)等問題[2-3]。

根據(jù)上述分析，對IGBT驅(qū)動電路提出以下要求和條件：

（1）由于是容性輸出輸出阻抗;因此IBGT對門極電荷集聚很敏感，驅(qū)動電路必須可靠，要保證有一條低阻抗的放電回路。

（2）用低內(nèi)阻的驅(qū)動源對門極電容充放電，以保證門及控制電壓有足夠陡峭的前、后沿，使IGBT的開關(guān)損耗盡量小。另外，IGBT開通后，門極驅(qū)動源應(yīng)提供足夠的功率，使IGBT 不至退出飽和而損壞。

（3）門極電路中的正偏壓應(yīng)為+12～+15V;負(fù)偏壓應(yīng)為-2V～-10V。

（4）IGBT驅(qū)動電路中的電阻對工作性能有較大的影響，較大，有利于抑制IGBT 的電流上升率及電壓上升率，但會增加IGBT 的開關(guān)時間和開關(guān)損耗;較小，會引起電流上升率增大，使IGBT 誤導(dǎo)通或損壞。的具體數(shù)據(jù)與驅(qū)動電路的結(jié)構(gòu)及IGBT的容量有關(guān)，一般在幾歐～幾十歐，小容量的IGBT 其值較大。

（5）驅(qū)動電路應(yīng)具有較強的抗干擾能力及對IGBT 的自保護(hù)功能。IGBT 的控制、驅(qū)動及保護(hù)電路等應(yīng)與其高速開關(guān)特性相匹配，另外，在未采取適當(dāng)?shù)姆漓o電措施情況下，IGBT的 G～E 極之間不能為開路。

2.IGBT驅(qū)動電路分類

根據(jù)IGBT的靜態(tài)特性、開關(guān)暫態(tài)特性并考慮其允許的安全工作區(qū)，IGBT工作時門極驅(qū)動保護(hù)電路應(yīng)滿足如下基本要求：提供足夠的柵極電壓來開通IGBT，并在開通期間保持這個電壓;在最初開通階段，提供足夠的柵極驅(qū)動電流來減少開通損耗和保證IGBT的開通速度;在關(guān)斷期間，提供一個反向偏置電壓來提高IGBT抗暫態(tài)的能力和抗EMI噪聲的能力并減少關(guān)斷損耗;在IGBT功率電路和控制電路之間提供電氣隔離，對IGBT逆變器，一般要求的電氣隔離為2500V以上;在短路故障發(fā)生時，驅(qū)動電路能通過合理的柵極電壓動作進(jìn)行IGBT保護(hù)，并發(fā)出故障信號到控制系統(tǒng)。

2.1 直接驅(qū)動電路

如圖1所示，為了使IGBT穩(wěn)定工作，一般要求雙電源供電方式，即驅(qū)動電路要求采用正、負(fù)偏壓的兩電源方式，輸入信號經(jīng)整形器整形后進(jìn)入放大級，放大級采用有源負(fù)載方式以提供足夠的門極電流。為消除可能出現(xiàn)的振蕩現(xiàn)象，IGBT 的柵射極間接入了RC網(wǎng)絡(luò)組成的阻尼濾波器。此種驅(qū)動電路適用于小容量的IGBT。

圖1 IGBT直接驅(qū)動電路

2.2 光電隔離驅(qū)動電路

光耦隔離驅(qū)動電路如圖2所示。由于IGBT是高速器件，所選用的光耦必須是小延時的高速型光耦，由控制器輸出的方波信號加在三極管的基極，驅(qū)動光耦將脈沖傳遞至整形放大電路，經(jīng)放大后驅(qū)動由T1、T2組成的對管。對管的輸出經(jīng)電阻R驅(qū)動IGBT。

圖2 IGBT直接驅(qū)動電路

2.3 變壓器隔離驅(qū)動電路

圖3是IGBT的變壓器隔離驅(qū)動電路。圖中的輔助MOS管是N溝道增強型MOS管，其漏極為D、原極為S、柵極為G。P端有正信號輸入時，變壓器的二次側(cè)電壓VGS經(jīng)二極管D1向IGBT提供開通電壓并給門極/源極結(jié)電容C充電，這時輔助MOS管受反偏（S點為正，G點為負(fù)）而阻斷，阻斷了IGBT門極結(jié)電容C經(jīng)MOS管放電。當(dāng)P端有負(fù)信號輸入，脈沖變壓器二次側(cè)VGS>0，輔助MOS管導(dǎo)通，D、S兩點導(dǎo)通，抽出IGBT門極結(jié)電容C的電荷，使其關(guān)斷。

圖3 IGBT直接驅(qū)動電路

2.4 驅(qū)動模塊構(gòu)成的驅(qū)動電路

應(yīng)用成品驅(qū)動模塊電路來驅(qū)動IGBT，可以大大提高設(shè)備的可靠性，目前市場上可以買到的驅(qū)動模塊主要有：富士的EXB840、841，三菱的M57962L，惠普的HCPL316J、3120等。這類模塊均具備過流軟關(guān)斷、高速光耦隔離、欠壓鎖定、故障信號輸出功能。由于這類模塊具有保護(hù)功能完善、免調(diào)試、可靠性高的優(yōu)點，所以應(yīng)用這類模塊驅(qū)動IGBT可以縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，提高產(chǎn)品可靠性。下面以三菱的驅(qū)動模塊M57962L為例，說明此類電路的工作原理。

M57962L是由日本三菱電氣公司為驅(qū)動IGBT而設(shè)計的厚膜集成電路。M57962L內(nèi)部集成了退飽和、檢測和保護(hù)單元，當(dāng)發(fā)生過電流時能快速響應(yīng)，但慢關(guān)斷IGBT，并向外部電路給出故障信號。它輸出正驅(qū)動電壓+15V，負(fù)驅(qū)動電壓-10V。內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示，由光耦合器、接口電路、檢測電路、定時復(fù)位電路以及門關(guān)斷電路組成。M57962L是N溝道大功率IGBT模塊的驅(qū)動電路，能驅(qū)動600V/400A和1200V/400A的IGBT。M57962L具有如下特點：

（1）采用快速型光耦合器實現(xiàn)電氣隔離，適合20kHz的高頻開關(guān)運行。光耦合器一次側(cè)已串聯(lián)限流電阻（約185Ω），可將5V的電壓直接加到輸入端，具有較高輸入、輸出隔離度（Uiso=2 500V，有效值）。

（2）采用雙電源供電方式，以確保 IGBT 可靠通斷。如果采用雙電源驅(qū)動技術(shù)，其輸出負(fù)柵極電壓比較高。電源電壓的極限值為+18V/-15V，般取+15V/-10V。

（3）內(nèi)部集成了短路和過電流保護(hù)電路。M57962L的過電流保護(hù)電路通過檢測 IGBT 的飽和壓降來判斷是否過電流，一旦過電流，M57962L 將對 IGBT實施軟關(guān)斷，并輸出過電流故障信號。

（4）輸入端為TTL門電平，適于單片機控制。信號傳輸延遲時間短，低電平轉(zhuǎn)換為高電平的傳輸延遲時間以及高電平轉(zhuǎn)換為低電平的傳輸時間都在1.5μs以下。

圖4 觸發(fā)電路總體框圖

采用M57962L驅(qū)動IGBT模塊的實際應(yīng)用電路如圖5所示。供電電源采用雙電源供電方式，正電壓+15V，負(fù)電壓-10V。當(dāng)IGBT模塊過載（過電壓、過電流），集電極電壓上升至15V以上時，隔離二極管VD1截止，模塊M57962L的1腳為15V高電平，則將5腳置為低電平，使IGBT截止，同時將8腳置為低電平，使光耦合器工作，進(jìn)而使得驅(qū)動信號停止;穩(wěn)壓二極管VS1用于防止VD1擊穿而損壞M57962L;R1為限流電阻。VS2、VS3組成限幅器，以確保IGBT的基極不被擊穿。

圖5 觸發(fā)形成電路

3.結(jié)論

通過對IGBT門極驅(qū)動特點的分析及典型應(yīng)用電路的介紹，使大家對IGBT 的應(yīng)用有一定的了解。可作為設(shè)計IGBT驅(qū)動電路的參考。

參考文獻(xiàn)

[1]郭帆，等.晶閘管強觸發(fā)電路設(shè)計[J].核電子學(xué)與探測技術(shù)，2012：32（6）：698-699.

篇2

關(guān)鍵詞：擊穿 驅(qū)動 保護(hù)

中圖分類號：O 453 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2012）12（b）-00-02

目前，大功率電源技術(shù)的發(fā)展向著小型、高頻方向邁進(jìn)，其功率開關(guān)部分多采用IGBT來實現(xiàn)，但是由于功率的增大、開關(guān)頻率的增高及設(shè)備體積的減小，使得IGBT發(fā)生擊穿甚至炸管的故障率顯著增加，該文通過使IGBT工作在500 V/10 KHz條件下進(jìn)行的各項試驗，對不同原因?qū)е碌膿舸┈F(xiàn)象進(jìn)行分析總結(jié)，論述了不同情況下?lián)舸┑母驹蚣氨憩F(xiàn)形式，提出了一種IGBT驅(qū)動保護(hù)電路，經(jīng)實際驗證，此電路運行穩(wěn)定，保護(hù)動作快速有效。

IGBT是由BJT（雙極型三極管）和MOS（絕緣柵型場效應(yīng)管）組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式功率半導(dǎo)體器件，具有載流密度大，開關(guān)速率快，驅(qū)動功率小而飽和壓降低的優(yōu)點。非常適合應(yīng)用于直流電壓為600 V及以上的大功率逆變系統(tǒng)，在工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

1 擊穿原因分析

由于該器件經(jīng)常應(yīng)用于大功率及開關(guān)速率快的場合，因此發(fā)生擊穿甚至炸管的幾率非常高，究其根本擊穿原因有以下三點：過壓擊穿、過流擊穿、過溫?fù)舸?/p>

1.1 過壓擊穿

引起過壓擊穿的原因有很多，比如負(fù)載、線路、元器件的分布電感的存在，導(dǎo)致IGBT在由導(dǎo)通狀態(tài)關(guān)斷時，電流Ic突然變小，將在IGBT的c、e兩端產(chǎn)生很高的浪涌尖峰電壓Uce=L×dic/dt，此電壓若大于IGBT的耐壓值，則會擊穿IGBT；另外，靜電、負(fù)載變化、電網(wǎng)的波動、驅(qū)動電路失效開路以及外部電磁干擾都可能引起電壓擊穿。

過壓擊穿分為兩個步驟：（1）IGBT的雪崩擊穿；（2）IGBT短路。

第一步：雪崩擊穿，當(dāng)IGBT的柵極電壓為零或負(fù)時，處于正向阻斷狀態(tài)，此時若IGBT承受外部阻斷電壓較高，耗盡層的電場強度隨電壓升高而升高，就會在耗盡層產(chǎn)生大量的電子和空穴，當(dāng)電場強度超過臨界值時，外部阻斷電壓會使中性區(qū)邊界漂移進(jìn)來的載流子加速獲得很高的動能，這些高能載流子在空間電荷區(qū)與點陣原子碰撞時使之電離，產(chǎn)生新的電子-空穴對。新生的電子-空穴對立即被強電場分開并沿相反方向加速，進(jìn)而獲得足夠動能使另外的點陣原子電離，產(chǎn)生更多的電子-空穴對，載流子在空間電荷區(qū)倍增下去，反向電流迅速增大，發(fā)生雪崩擊穿，直至PN 結(jié)損壞。這個使得PN 結(jié)電場增強到臨界值的外部電壓稱為IGBT的雪崩擊穿電壓。

第二步：IGBT短路，IGBT的雪崩擊穿是一個可逆過程，不會立即導(dǎo)致IGBT損壞，此過程如果通過增加吸收回路等方法使過壓時間控制在10個電壓脈沖周期以內(nèi)，IGBT不會表現(xiàn)為不可逆的擊穿狀態(tài)，但如果吸收回路沒能在短時間內(nèi)吸收浪涌電壓，那么IGBT則會表現(xiàn)為集電極發(fā)射極短路狀態(tài)（靜電擊穿門級表現(xiàn)為門級發(fā)射極短路），此狀態(tài)不可逆。

1.2 過流擊穿

導(dǎo)致IGBT過流擊穿的原因多為負(fù)載短路、負(fù)載對地短路，此外，由于驅(qū)動電路故障、外界干擾等造成的逆變橋橋臂不正確導(dǎo)通也是過流擊穿的一大原因。

IGBT有一定抗過電流能力，但時間要控制在10 us以內(nèi)。IGBT 內(nèi)部有一個寄生晶閘管，所以有擎住效應(yīng)。在規(guī)定的發(fā)射極電流范圍內(nèi)，NPN 的正偏壓不足以使其導(dǎo)通，當(dāng)發(fā)射極電流大到一定程度時，這個正偏壓會使NPN 晶體管開通，進(jìn)而使NPN 和PNP 晶體管處于飽和狀態(tài)，導(dǎo)致寄生晶閘管開通，此時門極會失去控制作用，便發(fā)生了擎住效應(yīng)，IGBT 發(fā)生擎住效應(yīng)后，發(fā)射極電流過大造成了過高的功耗，最后導(dǎo)致器件的損壞。過流擊穿多表現(xiàn)為可見性炸管。

1.3 過溫?fù)舸?/p>

IGBT的最大工作溫度一般為175 ℃，但實際應(yīng)用中結(jié)溫的最高溫度要控制在150 ℃以下，一般最好不要超過130 ℃，否則高溫會引起外部器件熱疲勞以及IGBT穩(wěn)定性變差，經(jīng)過實際驗證IGBT長時間工作在40 ℃左右為宜。

發(fā)生過溫?fù)舸┑闹饕驗樯嵩O(shè)計不完善，電路設(shè)計原因為死區(qū)時間設(shè)置過短、控制信號受干擾導(dǎo)致的逆變橋臂瞬時短路、負(fù)載阻抗不匹配、驅(qū)動電壓不足、IGBT器件選型錯誤導(dǎo)致的和設(shè)計開關(guān)頻率不匹配等。

過溫失效主要表現(xiàn)在以下幾個方面：柵門檻電壓VGE增大；CE動態(tài)壓降VCE增大；動態(tài)導(dǎo)通時間增大，關(guān)斷時間減??；開關(guān)損耗增大。

2 驅(qū)動保護(hù)電路設(shè)計

2.1 驅(qū)動電路設(shè)計思路

以K40T120（1200 V/40 A）型IGBT為例進(jìn)行驅(qū)動電路設(shè)計：

2.1.1 確定門級電電容及驅(qū)動電壓：用Cin=5 Ciss進(jìn)行計算，根據(jù)手冊可查Ciss=2360 pF，則Cin=2360×5=11.8 nF，

根據(jù)Q＝∫idt＝Cin×ΔU計算驅(qū)動電壓ΔU經(jīng)查此IGBT門級電容Q=192 nC，ΔU=Q/Cin=16.3 V，因此最小驅(qū)動電壓為16.3 V。

2.1.2 確定門級正偏壓以及負(fù)偏壓：正偏壓Vge越高，器件的導(dǎo)通損耗就越小，但是，Vge不允許超過+20 V，原因是一旦發(fā)生過流或短路，Vge越高，則電流幅值越高，IGBT損壞的可能性就越大。負(fù)偏壓的應(yīng)用是為了在柵極出現(xiàn)開關(guān)噪聲時仍能可靠截止，一般選為5～15 V為宜。綜合最小驅(qū)動電壓16.3 V，由器件Vgate/Ic曲線選定正偏壓+11 V、負(fù)偏壓-9 V為最終驅(qū)動電壓。

另外，驅(qū)動電路還應(yīng)有門極電壓限幅功能，以防外界干擾及器件損壞等造成的門級過驅(qū)動擊穿IGBT。

2.1.3 確定驅(qū)動電流及驅(qū)動電阻：一般來講，IGBT器件的耐壓耐流越大，IGBT的門極和集電極間的等效電容越大，所需的電流越大，此外開關(guān)頻率越大，所需門級電流越大。

K40T120的門級電流為200 mA，以20 V驅(qū)動電壓計算，其最小驅(qū)動電阻為20 V/200 MA=10 K，選擇10 K作為驅(qū)動電阻。

由器件的Rg/Td（on）Td（off）曲線結(jié)合所需開關(guān)頻率確定門級電阻為40 Ω。

此外，IGBT驅(qū)動電路需要設(shè)計隔離電路（可采用光耦隔離或變壓器隔離），防止IGBT擊穿時損壞驅(qū)動電路或者中控電路，設(shè)計的思路是盡可能的簡單實用，要有抗干擾能力，輸出阻抗越低越好。

2.2 IGBT驅(qū)動電路

由于電路中分布電感和分布電容對IGBT高速開關(guān)狀態(tài)會有很大的影響，所以采用分級設(shè)計，前后級用雙絞線進(jìn)行連接。

圖1所示為K40T120的前級驅(qū)動電路：由光耦進(jìn)行隔離，信號由光耦輸入，20 V電壓輸入經(jīng)整形變?yōu)?11/-9 V的驅(qū)動波形由G/E輸出。

圖中電容的作用是使輸出波形更平穩(wěn)，穩(wěn)壓管1N4739（9.1 V穩(wěn)壓管）的目的是提供負(fù)偏壓，可根據(jù)實際情況進(jìn)行改變。

圖2所示為IGBT后級驅(qū)動部分，以H橋單橋臂為例實際應(yīng)用中可在電源母線加裝π型濾波器、增加電容組的容量以抑制浪涌電壓，P6KE16CA為雙向瞬態(tài)電壓抑制器件，防止門級電壓過高引起器件損毀。

2.3 IGBT的保護(hù)

IGBT的過壓保護(hù)主要采用減少電路分布電感、增加吸收緩沖回路、增大門級電阻等方法來實現(xiàn)，此部分電路加裝在驅(qū)動電路部分。

IGBT的過溫保護(hù)主要采用散熱片加風(fēng)冷的方式實現(xiàn)，并參考實際應(yīng)用參數(shù)（工作電流及環(huán)境溫度）進(jìn)行設(shè)計，在此不再贅述。

IGBT過流保護(hù)電路：

IGBT具有一定的過流能力，但是過流時間不可超過10 us，要求過流保護(hù)電路要有高精度、快速反應(yīng)等優(yōu)點，因此采用電源母線采樣、高速比較器進(jìn)行電流比較，一旦超過設(shè)定電流立刻關(guān)斷驅(qū)動波形，保護(hù)IGBT。

圖3所示保護(hù)電路，高速比較器采用LM211，電感L串入母線回路，由330 Ω電阻進(jìn)行采樣并經(jīng)分壓輸入2腳，3腳的基準(zhǔn)電壓有電源電壓分壓得到，調(diào)整20K電阻調(diào)節(jié)保護(hù)靈敏度，CD4013的輸出端可根據(jù)實際需要接入波形發(fā)生電路或經(jīng)光耦隔離接入驅(qū)動電路。

此保護(hù)電路在500 V/20 A的逆變電路中應(yīng)用，IGBT擊穿率下降到7%左右，有實際的應(yīng)用價值。

3 結(jié)語

IGBT器件由于其工作在大電壓、大電流的狀態(tài)下，因此，發(fā)生擊穿甚至炸管的故障較多，但是，只要按照器件手冊及相關(guān)計算公式計算驅(qū)動電壓、電流，選定穩(wěn)定可靠的驅(qū)動電路，合理設(shè)計電路板結(jié)構(gòu)，增加相應(yīng)的保護(hù)措施，IGBT完全可以穩(wěn)定可靠地工作。

參考文獻(xiàn)

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[5] 尹海.IGBT驅(qū)動電路性能分析[M].電力電子技術(shù)，1998，3.

篇3

[關(guān)鍵詞]逆變器 CPU主板 IGBT 驅(qū)動板

中圖分類號：TM464 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2015）06-0207-01

l 問題的提出

隨著我國電氣化鐵路的發(fā)展，電氣化鐵路客車接觸網(wǎng)DC600V的供電方式，將逐漸成為我國鐵路客車的主要供電方式。客車逆變器是專為DC600V供電客車空調(diào)電源研制開發(fā)的，采用DC-AC變換技術(shù)。逆變器容量：2×35kVA逆變器+10kVA隔離變壓器。當(dāng)某一臺逆變器發(fā)生故障造成停止輸出時，另一臺逆變器可通過轉(zhuǎn)換向兩路負(fù)載供電，以確?？蛙囉秒娫O(shè)備的正常工作。逆變器將客車控制柜接入的DC600V電源，通過充電電阻到中間支撐電路再到六只IGBT功率開關(guān)器件上。同時接入DC110V電源供給控制回路，經(jīng)電源模塊變壓給控制電路CPU和IGBT驅(qū)動板提供電源。驅(qū)動板向IGBT發(fā)送開通/截止脈沖信號，使IGBT在逆變控制電路控制下，按設(shè)定程序正確導(dǎo)通與關(guān)斷。與此同時電壓檢測電路（各電壓傳感器），電流檢測電路（各電流傳感器）把檢測到各部分工作狀態(tài)與控制電路中CPU系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定的工作狀態(tài)比較之后，決定是否發(fā)送正常運行或停機保護(hù)命令。同時依據(jù)輸入電壓變化按程序動態(tài)調(diào)節(jié)輸出電壓，使逆變器輸出恒壓恒頻弦脈寬調(diào)制電壓，經(jīng)濾波電感與電容構(gòu)成的LC濾波電路變換為正弦波（380V 50HZ）供給空調(diào)機組使用。而隔離變壓器通過星形三角形電路轉(zhuǎn)換，把逆變器提供的三相380V電壓變成三相四線制380V電壓并輸出三組AC220V交流電供負(fù)載使用。2×35KVA逆變電源做為空調(diào)客車和相應(yīng)供電制式的客車或動車組的交流電源，它的維護(hù)與檢修成了目前車輛段日常運用檢修的重點和難點。本文通過對運用中DC600V供電客車進(jìn)行調(diào)研，結(jié)合逆變器的工作原理，分析探討客車車下逆變器的常見故障原因。

2 調(diào)查情況

為了探討客車車下逆變器都有哪些常見故障，對沈陽車輛段進(jìn)行了調(diào)查，截至2013年12月19日，沈陽車輛段配屬DC600V供電客車802車，按制造廠家分，新譽集團217輛，武漢正遠(yuǎn)109輛，鐵科院75輛，南京華士65輛，南車株州時代集團270輛，武漢江夏32輛，四研電器34輛。截止目前發(fā)生車下電源故障149件，主要故障現(xiàn)象為：IGBT過流、散熱器過熱、母線電壓過欠壓、輸出電壓過欠壓、輸入電容充電故障、接觸器故障等。

3 逆變器的常見故障原因分析

通過對沈陽車輛段客車車下逆變器故障情況的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，CPU主板故障、IGBT故障、驅(qū)動板故障是造成逆變器失效的主要原因，尤其是主控板故障造成了逆變器無輸出、輸出過欠壓、輸出過流是較為常見的現(xiàn)象，針對逆變器的運用狀況，結(jié)合其作用原理分析以下幾個常見故障的產(chǎn)生原因。

3.1 CPU主板故障

CPU主板是逆變器系統(tǒng)的核心，控制著整個系統(tǒng)的邏輯動作與安全保護(hù)，根據(jù)電壓傳感器、電流傳感器檢測的信號來控制各接觸器動作與PWM脈沖的發(fā)生與否。如在輸入電路中，電壓傳感器將檢測到的輸入電壓傳送給CPU主板，當(dāng)輸入電壓值介于500―600V時，CPU經(jīng)比較處理后傳出信號通過固態(tài)繼電器將輸入接觸器吸合；當(dāng)電壓低于500V或高于600V時，輸入接觸器斷開，同時CPU將輸入過壓或欠壓信號傳給控制柜。影響CPU系統(tǒng)可靠安全運行的主要因素主要來自系統(tǒng)內(nèi)部和外部的各種電氣干擾，并受系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計、元器件選擇、安裝、制造工藝影響，影響CPU系統(tǒng)使用可靠性的因素主要是逆變器所處的工作條件、組裝條件、工作環(huán)境等，逆變器所處的工作環(huán)境中電浪涌現(xiàn)象尤為嚴(yán)重，電浪涌，也稱電瞬變，指的是隨機地短時間電壓電流沖擊。

3.2 IGBT故障

由六個大功率IGBT組成的三相橋式逆變電路是逆變器的心臟，另有三個電容對IGBT進(jìn)行保護(hù)。IGBT作為開關(guān)元件，具有開關(guān)頻率高、驅(qū)動簡單、損耗低的特點。直流600V經(jīng)此電路逆變?yōu)槿嗳€的380V正弦交流電。IGBT故障將會使逆變器Ⅰ或逆變器Ⅱ無輸出，造成客車電氣裝置無法正常工作。從沈陽車輛段2013年逆變器故障情況調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，IGBT故障主要發(fā)生在夏季，出現(xiàn)這種結(jié)果的主要是由IGBT的工作特性所決定的。IGBT的開通和關(guān)斷是由柵極電壓來控制的。當(dāng)在柵極加正向電壓時，MOSFET內(nèi)形成溝道，并為PNP晶體管提供基極電流，進(jìn)而使IGBT導(dǎo)通。當(dāng)在柵極上施加反向電壓時MOSFET的溝道消除，PNP晶體管和基極電流被切斷，IGBT即被關(guān)斷。造成IGBT損壞的原因一般有：過熱損壞集電極、超出關(guān)斷安全工作區(qū)引起擎住效應(yīng)而損壞、瞬態(tài)過電流導(dǎo)致IGBT損壞、過電壓造成集電極發(fā)射極擊穿或造成柵極發(fā)射極擊穿。對于客車逆變器使用的IGBT模塊，所處的工作環(huán)境散熱條件并不是很好，車下逆變器主電路由于防水防塵的需要，其所在的鐵盒是密封的，因此較容易導(dǎo)致散熱不良現(xiàn)象發(fā)生，增加GBT故障的故障率。在夏季，IGBT模塊燒壞的故障率偏高的主要原因是，電流過大引起的瞬時過熱，因散熱不良導(dǎo)致的持續(xù)熱均會使IGBT損壞。通常流過IGBT的電流較大，開關(guān)頻率較高，故器件的損耗較大，若熱量不能及時散掉，器件的結(jié)溫將會超過最大值125℃，實際應(yīng)用時，一般最高允許的工作溫度為125℃左右。因此，夏季逆變器使用中，要特別注意保證逆變器的散熱條件。

3.3 驅(qū)動板故障

逆變器能否正常工作，關(guān)鍵在于驅(qū)動電路，目前，IGBT驅(qū)動電路的形式很多，常用

有：直接驅(qū)動、電流源驅(qū)動、雙電源驅(qū)動、隔離驅(qū)動、集成模塊式驅(qū)動等。由于集成模塊式驅(qū)動電路性能更好，整機可靠性更高，體積更小，因此客車車下逆變器采用了集成模塊式驅(qū)動，很好地解決了IGBT驅(qū)動所要考慮的問題。驅(qū)動板故障會造成現(xiàn)逆變器出現(xiàn)的故障現(xiàn)象有：逆變器輸出過壓；三相輸出不平衡；輸出缺相； IGBT故障；IGBT開關(guān)元器件過流保護(hù)；二臺逆變器均顯示00正常，但一臺逆變器無輸出電壓。造成驅(qū)動板故障的原因較復(fù)雜，只要電路輸入端有浪涌脈沖發(fā)生的可能，或者輸入端的電源不穩(wěn)定，電路中就會存在高頻瞬態(tài)的干擾，這都有可能造成驅(qū)動板故障。另外，光耦的損壞，電解電容漏液，驅(qū)動電路印刷電路板嚴(yán)重?fù)p壞，電容容量不足，都會造成驅(qū)動信號失常，使機器工作過流。驅(qū)動板的工作還會受到周圍環(huán)境的影響，參數(shù)設(shè)置的不當(dāng)，以及不正當(dāng)?shù)牟僮?，也可能對?qū)動板造成損壞。因此，逆變器的使用改進(jìn)過程中，應(yīng)該選用驅(qū)動功率大、有完善保護(hù)功能的集成驅(qū)動模塊，來保證系統(tǒng)的可靠運行。

4 結(jié)束語

造成逆變器不能正常工作的原因有很多，除了本文探討的三種較為常見的故障外，還有一些故障：接觸器故障、輸入輸出板故障、電壓檢測板故障、散熱不良等。本文針對沈陽車輛段在2013年發(fā)生次數(shù)相對較多的三種故障，分析了逆變器系統(tǒng)中存在的主要干擾源，并重點分析了這些干擾對于用于逆變器中的CPU主板、IGBT、驅(qū)動電路會造成的影響；通過這些分析，提出了逆變器在進(jìn)行設(shè)計和使用時應(yīng)注意的一些問題，為運用部門提供參考。

參考文獻(xiàn)

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引言

由于電力變換裝置均工作在大功率環(huán)境中，過流和短路是不可避免的。為了確保電力變換裝置安全可靠地工作，有效的電流保護(hù)設(shè)計是必須的。而過流相對于短路對變換裝置的危害要小，再加上各種資料對過流保護(hù)介紹得比較多，故在此主要討論電力變換裝置中的短路保護(hù)的設(shè)計。

現(xiàn)代電力變換裝置均采用大功率半導(dǎo)體開關(guān)器件，其所能承受的電流過載能力相對于旋轉(zhuǎn)變流裝置要低得多，如IGBT一般只能承受幾十個μs甚至幾個μs的過載電流，一旦短路發(fā)生就要求保護(hù)電路能在盡可能短的時間內(nèi)關(guān)斷開關(guān)器件，切斷短路電流，使開關(guān)器件不致于因過流而損壞。但是，在短路情況下迅速關(guān)斷開關(guān)器件，將導(dǎo)致負(fù)載電流下降過快而產(chǎn)生過大的di/dt，由于引線電感和漏感的存在，過大的di/dt將產(chǎn)生很高的過電壓，而使開關(guān)器件面臨過壓擊穿的危險。對于IGBT，過高的電壓又可能導(dǎo)致器件內(nèi)部產(chǎn)生擎住效應(yīng)失控而損壞器件。因此，必須綜合考慮和設(shè)計電力變換裝置短路保護(hù)，以確保電流保護(hù)的有效性。

1 短路保護(hù)電路的設(shè)計

由于IGBT綜合了場效應(yīng)管輸入阻抗高，驅(qū)動功率小和雙極晶體管電壓容量大，電流密度高的優(yōu)點，而成為了現(xiàn)代電力變換裝置中使用最廣泛的一種開關(guān)器件，下面以其為保護(hù)對象進(jìn)行討論。

1.1 過流信息檢測

為了實現(xiàn)IGBT的短路保?，必須進(jìn)行過流檢測。適用于過流檢測方法，通常是采用霍爾電流傳感器直接檢測IGBT的電流Ic，然后與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，用比較器的輸出去控制驅(qū)動信號的關(guān)斷；也可以檢測過流時IGBT的集射極電壓Vce，因為管壓降含有短路電流的信息，過流時Vce將增大，且基本上與Ic呈線性關(guān)系，故檢測過流時的Vce并與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，用比較器的輸出控制驅(qū)動電路的關(guān)斷，也可完成過流保護(hù)。

1.2 降柵壓軟關(guān)斷半導(dǎo)體開關(guān)器件

在短路電流出現(xiàn)時，為了避免關(guān)斷IGBT時di/dt過大形成過電壓，導(dǎo)致IGBT失控或過壓損壞，通常采用降柵壓的軟關(guān)斷綜合保護(hù)技術(shù)。即在檢測到過流信號后首先是進(jìn)入降柵壓保護(hù)，以降低故障電流的幅值，延長IGBT承受過載電流的時間。在降柵壓動作后，設(shè)定一個固定延遲時間以判斷故障電流的真實性，如在延遲時間內(nèi)故障消失則柵壓自動恢復(fù)；如故障仍然存在則執(zhí)行軟關(guān)斷，使柵壓降至0V以下，最終關(guān)斷IGBT。采用降柵壓軟關(guān)斷綜合保護(hù)技術(shù)可使故障電流的幅值和下降率以及過電壓都受到限制，使IGBT的運行軌跡處于安全區(qū)內(nèi)。

圖2

    在設(shè)計降柵壓軟關(guān)斷保護(hù)電路時，要正確選擇降柵壓的幅度和速度。如果降柵壓幅度較大（如7.5V以上），則降柵壓的速度就不要太快，一般采用2μs左右的下降時間。由于降柵壓幅度大，集電極電流已經(jīng)較小，則封鎖柵極可快些，不必采用軟關(guān)斷。如果降柵壓幅度較?。ū热?V以下），則降柵速度可快些，而封鎖柵壓的速度必須慢，即采用軟關(guān)斷，以避免產(chǎn)生過高的過電壓。

1.3 降頻“打嗝”的保護(hù)

在大功率負(fù)載中為了使電源在短時間的短路故障狀態(tài)下不中斷工作，又能避免連續(xù)進(jìn)行短路保護(hù)產(chǎn)生熱積累而損壞IGBT，可采用使工作頻率降低的方法形成間歇“打嗝”的保護(hù)，待故障消除后又恢復(fù)正常工作。降頻“打嗝”的保護(hù)并非每個保護(hù)電路都必需。

2 幾種實用的IGBT短路保護(hù)電路及工作原理

2.1 利用短路時Vce增大實現(xiàn)的短路保護(hù)電路

圖1是利用IGBT短路時Vce增大的原理實現(xiàn)保護(hù)的電路，專用于EXB841驅(qū)動電路。如果發(fā)生短路，含有IGBT過流信息的Vce不直接送至EXB841的IGBT集電極電壓監(jiān)視腳6上，而是快速關(guān)斷快速恢復(fù)二極管VD1，使比較器IC1（LM339)的V＋電壓大于V－電壓，比較器輸出高電平，由VD2送至EXB841的腳6，啟動EXB841內(nèi)部電路中的降柵壓及軟關(guān)斷電路，低速切斷電路慢速關(guān)斷IGBT，既避免了集電極電流尖峰損壞IGBT，又完成了IGBT短路保護(hù)。該電路的特點是，消除了由VD1正向壓降隨電流不同而引起關(guān)斷速度不同的差異，提高了電流檢測的準(zhǔn)確性，同時，由于直接利用EXB841內(nèi)部電路中的降柵壓及軟關(guān)斷功能，整體電路簡單可靠。

2.2 利用電流互感器實現(xiàn)的短路保護(hù)電路

圖2是利用電流互感器實現(xiàn)過流檢測的IGBT短路保護(hù)電路。其中電流互感器TA的初級串接在IGBT的集電極電路中，次級感應(yīng)的過流信號經(jīng)整流后送至比較器IC1的同相輸入端，與反相端的基準(zhǔn)電壓Vref進(jìn)行比較，IC1輸出VB至具有正反饋的比較器IC2的同相輸入端C點，由IC2的輸出經(jīng)R8接至EXB841的腳6上。不過流時，IC1的VA小于Vref，輸出VB為低電平約0.2V，經(jīng)R1送到IC2比較器的同相端C形成VC，因此時VC小于Vref，IC2輸出為低電平，EXB841正常工作。當(dāng)出現(xiàn)過流時，電流互感器檢測到的整流電壓將升高，VA大于Vref，VB為高電平，由R1給C3充電，經(jīng)一定的延時后，VC將大于Vref，IC2輸出高電平，EXB841保護(hù)電路工作，使IGBT降柵壓軟關(guān)斷。IGBT關(guān)閉后，電流互感器初級無電流流過，使VA又小于Vref，VB又回到0.2V左右，C3經(jīng)R1放電，當(dāng)VC小于Vref時，IC2輸出低電平，電路重新進(jìn)入工作狀態(tài)。如果過流繼續(xù)存在，保護(hù)電路又恢復(fù)到原來的限流保護(hù)工作狀態(tài)，反復(fù)循環(huán)使EXB841的輸出驅(qū)動波形處于間隔輸出狀態(tài)，使IGBT輸出電流有效值減小，達(dá)到保護(hù)IGBT的目的。電位器W1用于調(diào)整IC1比較器過流動作閾值。電容器C3可經(jīng)D5和R5快速充電，經(jīng)R1慢速放電，只要合理地選擇R1，R5和C3的參數(shù)，可實現(xiàn)EXB841比較快關(guān)閉IGBT而較慢恢復(fù)IGBT。正反饋電阻R7保證IC2比較器具有遲滯特性，和R1和C3充放電電路一起，保證IC2輸出不致于在高、低電平之間頻繁變化，使IGBT頻繁開通、關(guān)斷而損壞，提高了電路的可靠性。

圖3

    2.3 利用短路Vce和電流互感器過流檢測同時實現(xiàn)的短路保護(hù)電路

圖3是利用IGBT過流集電極電壓檢測和電流互感器過流檢測同時實現(xiàn)的短路保護(hù)電路。當(dāng)負(fù)載短路（或IGBT因其它故障過流）時，IGBT的Vce將增大，VD1關(guān)斷，導(dǎo)致由R1提供的電流經(jīng)R2和R3分壓器提供的電壓，使V3導(dǎo)通，從而使IGBT柵極電壓由VD3所限制而降壓，限制了IGBT峰值電流的幅度，該電壓同時經(jīng)R5及C3延遲使V2導(dǎo)通，送去軟關(guān)斷信號。為了提高短路保護(hù)電路的可靠性，圖3電路還增加了短路電路檢?保護(hù)，它是由電流互感器TA，整流橋U和IC1等組成，短路發(fā)生時經(jīng)電流傳感器TA檢測出短路電流信號，使比較器IC1輸出高電平，該高電平一方面使V3管導(dǎo)通，完成IGBT的降柵壓保護(hù)，另一方面由V2導(dǎo)通進(jìn)行IGBT軟關(guān)斷保護(hù)。

2.4 具有降柵壓軟關(guān)斷及降低工作頻率的綜合短路保護(hù)電路

圖4是一具有降柵壓軟關(guān)斷及降低工作頻率的綜合短路保護(hù)電路。

正常工作時，驅(qū)動輸入信號Vi為低電平，光耦I(lǐng)C4不導(dǎo)通，V1及V3導(dǎo)通，輸出負(fù)驅(qū)動電壓VE，IGBT（V4）關(guān)斷；當(dāng)驅(qū)動輸入信號Vi為高電平時，光耦I(lǐng)C4導(dǎo)通，V1截止而V2導(dǎo)通，輸出正驅(qū)動電壓VC1，功率開關(guān)管IGBT導(dǎo)通。發(fā)生短路故障時，IGBT集電極電壓Vce增大，由于VD5截止導(dǎo)致比較器IC1輸出高電平，V5導(dǎo)通，由VD2限壓實現(xiàn)對V2降柵壓，從而實現(xiàn)了IGBT軟降柵壓保護(hù)，V2降柵壓幅度由穩(wěn)壓管VD2決定，軟降柵壓時間由R6和C1決定約為2μs。IC1輸出的高電平同時經(jīng)R7對C2進(jìn)行充電延時約5～15μs后，C2上電壓達(dá)到穩(wěn)壓管VD4的擊穿電壓，V6導(dǎo)通。V6導(dǎo)通后，一方面使光耦I(lǐng)C5導(dǎo)通啟動降頻過流保護(hù)電路工作，另一方面由R9和C3形成約3μs的軟關(guān)斷柵壓，完成對IGBT軟關(guān)斷柵壓保護(hù)。

圖4

    V5導(dǎo)通時，V7經(jīng)C4和R10電路形成的基極電流導(dǎo)通約20μs，在降柵壓保護(hù)后將輸入驅(qū)動信號閉鎖一段時間，不再響應(yīng)輸入端的關(guān)斷信號，以避免在故障狀態(tài)下形成硬關(guān)斷過電壓，使驅(qū)動電路在故障存在的情況下能執(zhí)行一個完整的降柵壓和軟關(guān)斷保護(hù)過程。

降頻過流保護(hù)電路主要由時基555電路（IC2），光耦I(lǐng)C5，V8和V9三極管等組成。V6導(dǎo)通時，光耦I(lǐng)C5導(dǎo)通，時基電路IC2的觸發(fā)腳2獲得負(fù)觸發(fā)信號，555腳3輸出高電平，V9導(dǎo)通，IC3與門被封鎖，封鎖時間由定時元件R15和C5決定（約1.2s），使工作頻率降至1Hz以下，驅(qū)動器的輸出信號將工作在所謂的“打嗝”狀態(tài)，避免了發(fā)生短路故障后仍工作在原來的頻率下，而頻繁進(jìn)行短路保護(hù)導(dǎo)致熱積累而損壞IGBT。只要故障消失，電路又能恢復(fù)到正常工作狀態(tài)。

2.5具有檢測高頻交流電流短路的保護(hù)電路

圖5

    該電路如圖5所示。R4為輸出電流取樣電阻，電路正常工作時，IC1的輸出電壓UA不足以使D3（9.1V）或D4（9.1V）擊穿導(dǎo)通，V1和V2均不導(dǎo)通，IC2不工作，V3導(dǎo)通輸出低電平，EXB841驅(qū)動電路正常工作。如果電路有過流現(xiàn)象出現(xiàn)時，假定發(fā)生在正半周，IC1輸出的UA為負(fù)電壓，使得D3擊穿，D4導(dǎo)通，V2導(dǎo)通，電流經(jīng)D2，R8，V2，R1，使光耦I(lǐng)C2導(dǎo)通，輸出過流信號，V3截止輸出高電平。若負(fù)半周過流發(fā)生，IC1輸出UA為正電壓，使D4擊穿，D3導(dǎo)通，V1導(dǎo)通，電流經(jīng)R7，V1，R8和D1，使IC2通電工作，V3截止輸出高電平。當(dāng)V3截止輸出高電平時，啟動EXB841內(nèi)部短路降柵壓軟關(guān)斷電路工作，完成對IGBT的保護(hù)。這樣，只要電路有過流現(xiàn)象發(fā)生，保護(hù)電路就會立即動作，對電路進(jìn)行有效地保護(hù)，防止損壞IGBT。該電路對低頻交流電路和直流電路短路電流保護(hù)同樣有效。由于PN結(jié)穩(wěn)壓值隨溫度升高而升高，而PN結(jié)正向?qū)ㄖ惦S溫度升高而降低，故D3及D4反向串聯(lián)具有良好溫度補償作用，使電路熱穩(wěn)定性相當(dāng)好。

篇5

【關(guān)鍵詞】MSP430單片機；IGBT；驅(qū)動模塊；PID

Induction Heating System Based on MSP430MCU

Wu Jian-hua，Chen Wei-min，Wang zhao-yong

（School of Mechanical and Electrical Engineering，Shandong University at Weihai，Weihai，264209）

Abstract：The system can generate and control the driving circuit to produce PWM pulses and achieve the goal of soft-start of the heating system.We also detect the temperature and current of IGBT to take effective steps to protect IGBT.Moreover，measure the temperature of cylinder with K-type thermocouple and give it back to MCU，then using PID to control the temperature.

Keywords：MSP430MCU；IGBT；Drive module；PID

1.引言

目前塑料制品生產(chǎn)設(shè)備加熱部分大都采用電阻絲、電熱圈對料筒和模頭進(jìn)行加熱，使塑料原料熔解塑化后再注模、拉伸，擠出成型為產(chǎn)品。此種加熱方式熱量損失大、環(huán)境溫度高、壽命短、性能差。感應(yīng)加熱作為一種高效的加熱方式，系統(tǒng)升溫速率快、加熱均勻、壽命長、無需維修，其熱效率高達(dá)95%以上，與目前采用的電熱圈相比，節(jié)電可達(dá)30%。

本課題以TI公司的MSP430系列單片機為核心，系統(tǒng)整體以加熱鐵鍋燒開水為目標(biāo)進(jìn)行測試，采用MSP430單片機及CONCEPT公司的2SD106AI-17功率驅(qū)動模塊對IGBT進(jìn)行控制，將感應(yīng)線圈繞到鐵鍋的周圍，對單片機編程控制功率驅(qū)動模塊產(chǎn)生PWM脈沖經(jīng)過IGBT逆變進(jìn)行加熱。并加入了保護(hù)電路，如溫度測量和IGBT過熱、過流檢測，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，功率驅(qū)動模塊的輸出信號變?yōu)?5V的電平，將IGBT模塊關(guān)閉，然后輸出錯誤信號到單片機，單片機給出相應(yīng)的處理后，再由蜂鳴器產(chǎn)生報警信號。另外，結(jié)合注塑機的特點，給感應(yīng)加熱加入了PID控制，防止整個注塑機料筒里面的原料被燒糊。

2.感應(yīng)加熱原理

感應(yīng)加熱是指將電網(wǎng)工頻電能整流轉(zhuǎn)換成直流，再通過逆變器將直流電轉(zhuǎn)換成中頻交流電供給負(fù)載線圈，由負(fù)載線圈產(chǎn)生磁場，在被加熱的鐵制品中產(chǎn)生渦流，從而達(dá)到加熱的目的。其基本原理主要是法拉第電磁感應(yīng)定律和基于電流熱效應(yīng)的焦耳--楞茨定律[1]。

針對注塑機的特點，設(shè)計了一款符合注塑機加熱特點的感應(yīng)加熱電源，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

3.PWM逆變

PWM(Pulse Width Modulation)控制技術(shù)是逆變電路中應(yīng)用最廣泛的技術(shù)，PWM控制就是對脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，即通過對一系列脈寬調(diào)制，來等效地獲得所需要的波形(含形狀和幅值)[2]。其基本思想就是在不改變PWM方波周期的前提下，通過軟件的方法調(diào)整PWM的占空比，產(chǎn)生脈沖寬度可變的波形。

然后，將產(chǎn)生的波形加到IGBT上控制其導(dǎo)通、關(guān)斷的時刻和持續(xù)時間，當(dāng)PWM波形為高電平時，IGBT導(dǎo)通，逆變輸出幅值等于直流電壓，當(dāng)PWM波形為低電平時，IGBT關(guān)斷，逆變輸出為零。這樣，通過改變PWM波形占空比的大小就可以改變輸出電壓的大小，從而控制加熱系統(tǒng)的溫度。主電路如圖3所示。

4.硬件電路設(shè)計

系統(tǒng)采用MSP430單片機，該系列單片機具有低功耗、處理能力強大、系統(tǒng)工作穩(wěn)定、開發(fā)環(huán)境方便高效等優(yōu)點[3]。硬件電路主要包括半橋逆變電路、電流和溫度的測量電路、IGBT驅(qū)動、測溫及過流保護(hù)電路、LED顯示電路、鍵盤輸入電路等。本系統(tǒng)設(shè)置了確認(rèn)加熱鍵、停止加熱鍵、六個數(shù)字加減按鍵共八個功能鍵，由這八個功能鍵控制實現(xiàn)本系統(tǒng)主要功能，對測溫電路及保護(hù)電路的信號做出實時響應(yīng)。

4.1 控制及驅(qū)動電路

系統(tǒng)采用的單片機型號為MSP430F155，該單片機片上資源豐富，帶有16k FLASH、512B RAM、8通道12bitA/D、雙12bit D/A、DMA、48個I/O口、16位WDT(看門狗)、2個16位Timer、1個UART接口、I2C、比較器、溫度傳感器等，使得感應(yīng)加熱系統(tǒng)元件簡單，開發(fā)方便。

通過對MSP430F155單片機編程，其片內(nèi)有PWM模塊，所以可以方便的實現(xiàn)PWM脈沖輸出，我們使用其中兩路PWM脈沖對電路進(jìn)行控制。系統(tǒng)上電之后，用戶可以通過功能鍵設(shè)定加熱溫度并啟動，單片機即可根據(jù)用戶設(shè)定的溫度輸出一定脈寬的PWM波形。

然后，采用CONCEPT公司SCALE系列2SD106AI-17驅(qū)動模塊，自制電路板對IGBT進(jìn)行驅(qū)動控制，用以得到加熱所需要的電流[4]。同時還可以對IGBT的電流、電壓進(jìn)行監(jiān)測，一出現(xiàn)過壓、過流驅(qū)動模塊就會有一個錯誤信號輸出，反饋給單片機，防止IGBT溫度過高而造成損壞。

4.2 鍵盤顯示

CH452是數(shù)碼管顯示驅(qū)動和鍵盤掃描控制芯片。CH452內(nèi)置時鐘振蕩電路，可以動態(tài)驅(qū)動8位數(shù)碼管或者64位LED，具有BCD譯碼、閃爍、移位、段位尋址、光柱譯碼等功能，同時還可以進(jìn)行64鍵的鍵盤掃描。CH452通過可以級聯(lián)的4線串行接口或者2線串行接口與單片機等交換數(shù)據(jù)，并且可以對單片機提供上電復(fù)位信號。

系統(tǒng)采用CH452鍵盤顯示控制芯片實現(xiàn)系統(tǒng)功能的設(shè)定以及溫度顯示，以便使用者實時觀察加熱裝置的運行狀態(tài)。

單片機一上電就顯示000℃，此時按三個溫度鍵（溫度的百位加一鍵，十位加一鍵，個位加一鍵）設(shè)定溫度，并按確認(rèn)加熱鍵系統(tǒng)開始工作。數(shù)碼管顯示溫度的設(shè)定值，并實時顯示測量值，達(dá)到用戶設(shè)定溫度后進(jìn)入保溫狀態(tài)，當(dāng)測溫電路故障時，數(shù)碼管顯示error。

4.3 IGBT過熱、過流保護(hù)

IGBT是由MOSFET和雙極型晶體管復(fù)合而成的一種器件，其輸入極為MOSFET，輸出極為PNP晶體管，它融合了這兩種器件的優(yōu)點，既具有MOSFET器件驅(qū)動功率小和開關(guān)速度快的優(yōu)點，又具有雙極型器件飽和壓降低而容量大的優(yōu)點，其頻率特性介于MOSFET與功率晶體管之間，可正常工作于幾十kHz頻率范圍內(nèi)，在現(xiàn)代電力電子技術(shù)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用，在較高頻率的大、中功率應(yīng)用中占據(jù)了主導(dǎo)地位。

一般情況下，流過IGBT的電流較大，開關(guān)頻率較高，導(dǎo)致IGBT器件的損耗也比較大，如果熱量不能及時散掉，器件的結(jié)溫Tj將超過Tjmax，IGBT可能損壞。IGBT過熱的原因可能是驅(qū)動波形不好、電流過大或開關(guān)頻率太高，也可能是散熱狀況不良。IGBT過熱保護(hù)是利用溫度傳感器檢測IGBT的散熱器溫度，當(dāng)超過允許溫度時使主電路停止工作[5]。IGBT溫度測量電路如圖4所示。

原則上，IGBT在過流時的開關(guān)和通態(tài)特性與其在額定條件下運行時的特性相比并沒有什么不同。但由于較大的電流會引起IGBT內(nèi)較高的損耗，所以，為了避免超過最大的允許結(jié)溫，IGBT的過載范圍應(yīng)該受到限制。當(dāng)電流超過設(shè)定值后過載電流保護(hù)動作，直到復(fù)位才恢復(fù)正常工作。IGBT電流測量電路如圖5所示。

4.4 溫度測量電路

結(jié)合注塑機的特點，為了防止整個注塑機料筒里面的原料在加熱過程中被燒糊，故系統(tǒng)采用溫度閉環(huán)控制。K型熱電偶因具有線性度好，熱電動勢較大，靈敏度高，穩(wěn)定性和均勻性較好，抗氧化性能強，價格便宜等優(yōu)點，能用于氧化性惰性氣氛中，在實際中應(yīng)用廣泛。

系統(tǒng)采用MAX6675芯片和K型熱電偶對溫度進(jìn)行檢測，把被加熱物體的溫度反饋給單片機，將溫度反饋值與設(shè)定值的偏差進(jìn)行PID調(diào)節(jié)從而改變PWM脈沖的寬度，進(jìn)而改變輸出電流以使溫度維持在設(shè)定值附近。系統(tǒng)溫度達(dá)到設(shè)定值后進(jìn)入保溫狀態(tài)，同時，當(dāng)溫度過高時產(chǎn)生報警。

5.軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件部分主要包括：鍵盤顯示程序(即針對CH452的編程)，PWM發(fā)生程序(即對PWM模塊編程)，測溫程序(即對MAX6675編程)，IGBT電流、溫度測試程序(即對AD模塊編程)和主函數(shù)。

系統(tǒng)流程圖如圖6所示。

6.實驗結(jié)果

最后，我們搭建了完整的電路，編程實現(xiàn)了系統(tǒng)功能。為了使結(jié)果更加直觀，用示波器對驅(qū)動板產(chǎn)生的PWM波形進(jìn)行了觀測。當(dāng)溫度由低到高變化時，波形變化如圖7所示。

7.結(jié)論

本系統(tǒng)采用MSP430系列單片機，型號為MSP430F155，由用戶設(shè)置加熱溫度，控制驅(qū)動電路輸出PWM脈沖，對感應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行加熱。結(jié)合注塑機的特點加入了溫度PID調(diào)節(jié)，并且單片機能處理從IGBT保護(hù)電路送來的保護(hù)信號，并根據(jù)保護(hù)信號及時做出響應(yīng)。系統(tǒng)控制所需的各種功能都由MSP430單片機來實現(xiàn)，這樣大幅度地縮小目標(biāo)系統(tǒng)的體積，減少了外部器件的個數(shù)，提高了系統(tǒng)的可靠性。另外，由于各個功能都通過編程來實現(xiàn)，因此，維護(hù)和調(diào)整比較簡單。

系統(tǒng)設(shè)計主要從硬件和軟件兩個方面進(jìn)行，制作電路板并編程實現(xiàn)其功能，用自繞線圈的鐵鍋加熱水進(jìn)行測試，實驗結(jié)果表明該系統(tǒng)能很好的控制加熱溫度并且節(jié)能效果明顯，有很高的推廣應(yīng)用價值。

參考文獻(xiàn)

[1]蔣炳炎,藍(lán)才紅,陳聞等.注射成型模具電磁感應(yīng)加熱技術(shù)[J].工程塑料應(yīng)用,2008(12):72-74.

[2]湯才剛,朱洪濤,李莉等.基于PWM的逆變電路分析[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2008(1)總第264期:159-163.

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[6]劉金琨.先進(jìn)PID控制MATLAB仿真[M].北京:電子工業(yè)出版社,2004(第二版.).

篇6

關(guān)鍵詞： IGBT；電機車；應(yīng)用

中圖分類號U46 文獻(xiàn)標(biāo)識碼A 文章編號 1674-6708（2011）53-0100-02

1工作原理

1.1主回路工作原理

主回路由LC濾波電路,直流電動機M1、M2及其控制快關(guān)，續(xù)流二極管VD及其RDCD阻容保護(hù)，絕緣柵雙極三極管IGBT及其串并聯(lián)吸收網(wǎng)絡(luò)等組成。LK、VDK、RK、CK為串聯(lián)吸收網(wǎng)絡(luò)，用以限制IGBT開通時電流的上升率。VDS、CS、RS為并聯(lián)吸收網(wǎng)絡(luò)，用以限制IGBT關(guān)斷時的電壓上升率。S1、S2、S3、R為能耗制動觸點和電阻，S4為用于防止能耗制動電流過大和換向制動。原理圖如下：

1）準(zhǔn)備

將受電弓與架空線搭接，將調(diào)速手柄扳至“停止”位、換向手柄扳至所需的運行方向（如“向前”位），合上自動空氣開關(guān)S，接通主電源。

2）啟動

調(diào)速手柄順時針扳至“啟動”位，S1、S4閉合，電源經(jīng)L0、C0濾波后加到主回路上，開關(guān)電源工作，給散熱風(fēng)扇和控制回路供電?？刂苹芈烽_始工作，送出受調(diào)制的脈沖電壓信號，以驅(qū)動IGBT的基線接到一個正15V電壓時，IGBT迅速飽和導(dǎo)通，電流由架線經(jīng)S1-L0-H-S4-M2-C2-1-C2-2-Lk-IGBT-地，電動機工作，機車運行。當(dāng)IGBT的基極接到一個負(fù)5V電壓時，IGBT迅速管斷，電機經(jīng)續(xù)流二極管VD續(xù)流，保證電機連續(xù)工作。CD、RD與VD并聯(lián)，用于降低VD的電流和電壓上升率，保護(hù)續(xù)流二極管VD。

3）調(diào)速

調(diào)速手柄繼續(xù)順時針扳至“調(diào)速”位，增大IGBT驅(qū)動信號正、負(fù)電壓的時間間隔（即增大脈寬），而頻率（周期）不變，就可增大IGBT導(dǎo)通時間，使電機端電壓平均值增大，實現(xiàn)加速；反之，減小脈寬，可實現(xiàn)減速。

4）運行

當(dāng)調(diào)速手柄繼續(xù)轉(zhuǎn)動達(dá)到“全速”位置時，S2閉合，斬波器被短接，電機得到全電壓而全速運行。如果S2因故沒有閉合，當(dāng)脈寬增至90%以上時，脈寬調(diào)制器送出一個恒定的正的驅(qū)動信號，IGBT處于持續(xù)導(dǎo)通狀態(tài)，機車自動轉(zhuǎn)為全速運行。

5）制動

遇到緊急情況需要制動時，將調(diào)速手柄逆時針扳至“制動”位，S2斷開直流電源，S3閉合串入制動電阻R，并將兩電動機磁力繞組與電樞繞組交叉連接，實現(xiàn)能耗制動。

6）換向

在機車停止時，先把調(diào)速手柄打到“換向”（“制動”）位置，然后打換向手柄至相反位置（如“向后”位）。電樞與激磁繞組的接頭對調(diào)，M1由S1-1與C2-1連接，從而實現(xiàn)換向。

1.2控制回路工作原理

控制回路由控制電源、脈寬調(diào)制電路、驅(qū)動電路、保護(hù)電路等組成。

1）控制電源采用開關(guān)電源，輸出15V和20V兩路直流電源。其中15V給控制部分的脈寬調(diào)制電路供電，此路電源不懸??；20V給控制部分的驅(qū)動電路及散熱風(fēng)扇供電，這一路是懸浮的，必須與架線電壓良好隔離，不能接地。本開關(guān)電源只為控制回路而設(shè)，不許連接機車上的照明燈和喇叭；

2）脈寬調(diào)制電路用于產(chǎn)生脈沖信號，通過調(diào)速手柄改變RW的阻值即可改變脈寬。脈寬可在10%~90%的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，使電機端電壓平均值在10%~90%的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)；

3）驅(qū)動電路用于放大脈沖信號，并驅(qū)動IGBT工作；

4）保護(hù)電路主要有軟啟動保護(hù)、限流保護(hù)、退飽和保護(hù)、過電壓和欠壓保護(hù)以及溫度保護(hù)。（1）軟啟動保護(hù)用于防止啟動電流過大損壞電動機。電動機電流由霍爾傳感器H進(jìn)行檢測后送給保護(hù)電路，去控制脈寬調(diào)制電流。若啟動時電機電流過大，保護(hù)電路控制脈寬調(diào)制電路減小脈寬，從而降低電動機的電壓和電流。隨著機車速度的升高，電流逐漸下降，脈寬才可能逐漸加大。在調(diào)速狀態(tài)，不論調(diào)速手柄打得多快，脈寬都將緩慢增加超過規(guī)定值，以保證啟動平穩(wěn)、調(diào)速均勻，實現(xiàn)軟啟動；（2）若電動機電流瞬時超過規(guī)定值，限流保護(hù)電路使脈寬調(diào)制器關(guān)閉，然后自行軟啟動。此過程可能重復(fù)出現(xiàn)，知道電流達(dá)到規(guī)定值為止；（3）因特殊原因，如電機短路、續(xù)流二極管擊穿等，使IGBT電流過大、IGBT工作在飽和狀態(tài)時，退飽和保護(hù)電路將使驅(qū)動電路和脈寬調(diào)制器迅速關(guān)閉，整機停止工作。若遇到這種情況，必須切斷電源，查找原因。故障不排除，不可重新啟動，以免損壞IGBT管；（4）當(dāng)架線電壓高于規(guī)定值或開關(guān)電源輸出電壓偏低時，脈寬調(diào)制器將關(guān)閉；（5）若風(fēng)扇損壞及串、并聯(lián)吸收電路損壞，使IGBT散熱器溫度高于某一規(guī)定值（本機為75℃），溫度繼電器觸點KT斷開，切斷RW，使脈寬調(diào)制電路關(guān)閉，整機停止工作。

2 安裝、試車與維護(hù)

2.1安裝

安裝前應(yīng)確認(rèn)電機車兩個電極絕緣良好、運行正常，控制器安裝在司機室，主體箱安裝在后面原調(diào)速電阻的位置，能耗制動電阻可安裝在適當(dāng)位置。按電路圖接好各部分之間的連接線。

2.2試車

首先檢查開關(guān)電源、控制板是否正常；將主回路電動機負(fù)載斷開（斷開續(xù)流二極管陽極的電機接線即可），送上架線電源，閉合S1，此時風(fēng)扇應(yīng)轉(zhuǎn)動。用萬用表測量IGBT基極對發(fā)射極間電壓Ube，轉(zhuǎn)動調(diào)速手柄從啟動到全速位置，Ube若在-3V~+13V之間變化，說明驅(qū)動輸出正常，開關(guān)電源正常。在上述正常情況下，將VD陽極與IGBT集電極C斷開懸空，IGBT的Ube電壓為-5V。調(diào)節(jié)調(diào)速手柄，-5V電壓不變，說明控制板退保和保護(hù)功能正常。

上述檢查均正常后，則可接上電機試車。試驗時既可將機車吊起，兩個電機一塊試，也可斷開控制器下面的一個電機接線，兩個及機車分別試。觀察兩電機轉(zhuǎn)向是否正確，若轉(zhuǎn)向不對，可對換電機定子或轉(zhuǎn)子兩端的接線位置再試。正確無誤后，接好兩個電機的接線進(jìn)行無能耗制動，在確認(rèn)兩個電機運轉(zhuǎn)正常及能耗制動電阻完好的情況下，將某一電機的轉(zhuǎn)子和定子接線位置同時對調(diào)后再試。

2.3維護(hù)

該裝置維護(hù)時須先斷開電源，把電容C0的電放完后方可進(jìn)行。每周清理煤塵一次，并作出如下檢查：

1）S1~S2和各換向觸頭是否完好；

2）各緊固件尤其是接線螺釘是否有松動；

3）串、并聯(lián)吸收電路各元件是否有損壞。其中個別保護(hù)元件損壞，機車運行情況無明顯變化，不易發(fā)現(xiàn)，若繼續(xù)長時間運行，會最終導(dǎo)致IGBT損壞。所以，一定要注意經(jīng)常檢查。

參考文獻(xiàn)

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[關(guān)鍵詞]IGBT 占空比 開關(guān)勵磁 自并激系統(tǒng) 微機勵磁調(diào)節(jié)器

1. 概述

HWKT—09型微機勵磁調(diào)節(jié)器是武漢洪山電工技術(shù)研究所研制的新型的由IGBT作為功率輸出器件的自并激微機勵磁調(diào)節(jié)器。它的最大特點是結(jié)構(gòu)簡單，主控回路只需一塊面積為25×20(cm2)的印制電路板，以Intel公司準(zhǔn)16位單片機（8098）為核心，加上外圍接口芯片組成的控制系統(tǒng)。該裝置于2000年12月在我站#1、#5機上成功投運，目前運行良好。

2. IGBT自并激勵磁系統(tǒng)的組成及主回路原理

2.1 勵磁系統(tǒng)組成及接線方式

自并激勵磁系統(tǒng)也就是直接勵磁系統(tǒng)或稱靜態(tài)勵磁系統(tǒng)。我站的HWKT—09型IGBT自并激勵磁系統(tǒng)由勵磁變壓器、三相不可控整流橋及IGBT功率單元、滅磁單元、控制單元四部分組成。交流勵磁電源取自發(fā)電機端（也稱機端變壓器）勵磁變壓器，勵磁變壓器的付方輸出經(jīng)三相不可控全波整流橋整流輸出的直流電壓給發(fā)電機勵磁繞組勵磁，勵磁電流的調(diào)節(jié)經(jīng)串接于發(fā)電機勵磁回路的IGBT以直流斬波的方式實現(xiàn)。IGBT如同一只電子開關(guān)，在自動勵磁調(diào)節(jié)器 AVR的控制下，連續(xù)處于導(dǎo)通或截止?fàn)顟B(tài)，以達(dá)到調(diào)節(jié)勵磁電流的目的。

我站#1、#5機勵磁系統(tǒng)由控制部分和功率部分構(gòu)成?？刂撇糠钟蓛膳_HWKT－09型微機勵磁調(diào)節(jié)器及各種信號輸入、輸出轉(zhuǎn)換控制環(huán)節(jié)構(gòu)成一個勵磁調(diào)節(jié)器柜（標(biāo)準(zhǔn)屏）; 功率部分三相不可控全波整流橋加一組IGBT開關(guān)控制單元及相應(yīng)濾波和保護(hù)回路構(gòu)成功率柜（標(biāo)準(zhǔn)屏），此外系統(tǒng)另包括發(fā)電機滅磁柜。

因此整個發(fā)電機勵磁系統(tǒng)由機端勵磁變壓器、勵磁調(diào)節(jié)器HWKT－09、HKL－02功率柜、HMC－02滅磁柜及其它單元組成。

開關(guān)式自并激勵磁系統(tǒng)接線方式如圖一所示。

2.2 功率單元的組成和原理

IGBT器件結(jié)合了雙極型晶體管的功率特性和場效應(yīng)管控制簡單的優(yōu)點，將其應(yīng)用于勵磁領(lǐng)域可使功率部分簡化，也消除了SCR晶閘管可控整流方式的一些弊病。使系統(tǒng)的經(jīng)濟性和可靠性得到了提高。

功率單元主要由兩部分組成: 整流、濾波裝置和功率開關(guān)。前者將交流勵磁電源變換為直流電源后供功率開關(guān)使用，并濾除大的紋波、毛刺和均衡三相電源的負(fù)載。后者受控于調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)功率開關(guān)的閉合時間即可控制勵磁電流的大小。也就是說，調(diào)整功率管的導(dǎo)通時間即可對發(fā)電機的勵磁輸入功率進(jìn)行控制。

2.3 勵磁調(diào)節(jié)器主回路

IGBT勵磁系統(tǒng)主回路原理圖如圖二所示。

把IGBT作為一只電子開關(guān)，跨接在發(fā)電機勵磁繞組兩端。VIN為來自勵磁變壓器的三相交流電壓，L1為轉(zhuǎn)子繞組，當(dāng)1K閉合后，三相交流勵磁電源通過D1～D6三相整流及電容C1濾波，得到直流電壓UE，當(dāng)1K閉合IGBT導(dǎo)通時，二極管D7截止，UE通過繞組L1、IGBT使L1中電流增加; 當(dāng)IGBT截止時，L1中電流減小，產(chǎn)生的感應(yīng)電壓使D7導(dǎo)通，給L1續(xù)流。當(dāng)IGBT導(dǎo)通期間，L1中的電流增加量大于在截止期間電流的減小量時，L1中的平均電流增加，反之L1中的平均電流減小。當(dāng)增加量等于減小量時，L1中的平均電流不變，達(dá)到穩(wěn)定運行工作狀態(tài)。

2.4 勵磁電壓、勵磁電流的計算

設(shè)三相整流濾波后的直流電壓為UE，IGBT導(dǎo)通時間為TON，截止時間為TOFF。導(dǎo)通時，轉(zhuǎn)子兩端壓降為UE; 截止時，轉(zhuǎn)子電壓等于續(xù)流二極管D7管壓降，忽略為零。如圖三所示。

由此可見，我們根據(jù)發(fā)電機機端電壓、轉(zhuǎn)子電流或無功負(fù)荷等因素的變化改變KC，亦即改變IGBT驅(qū)動方波的占空比，即可改變勵磁繞兩端的電壓，從而達(dá)到調(diào)節(jié)發(fā)電機輸出電壓、無功的目的。

2.5 IGBT的驅(qū)動條件及方法

2.5.1 IGBT的輸入特性要求其驅(qū)動電路滿足以下條件:

（1）IGBT導(dǎo)通時提供12V——18V柵極電壓;

（2）IGBT截止時提供0V——（-18V）柵極電壓（為保證可靠截止，一般為-5V）;

（3）IGBT開關(guān)瞬間提供足夠大的電容充放電電流;

（4）和控制電路隔離;

（5）完成IGBT過流保護(hù)。

2.5.2 驅(qū)動方法

到目前為止，IGBT有多種驅(qū)動方法，基本上是由混合集成電路組成。日本富士電機公司生產(chǎn)的厚膜集成電路如EXB840/841、EXB850/851是專為IGBT設(shè)計的驅(qū)動模塊，符合上述所有驅(qū)動條件，是理想的驅(qū)動電路模塊。HWKT—09型微機IGBT開關(guān)式勵磁裝置采用了這種專用芯片。驅(qū)動模塊的原理框圖如圖四所示。

VCC、VEE為(±20V供電電源，光耦PC1提供控制電路和IGBT的隔離。Dz為5V穩(wěn)壓管，在IGBT截止時提供－5V反向偏壓。當(dāng)15腳到14腳有4mA電流通過時，光耦PC1導(dǎo)通，通過放大器G使輸出三極管T1導(dǎo)通、T2截止，VCC通過T1、R8、IGBT的柵極G、射極E，穩(wěn)壓管Dz給IGBT柵極提供+15V正向偏置，IGBT導(dǎo)通; 當(dāng)15腳到14腳無電流時，PC1不通，T1截止、T2導(dǎo)通，穩(wěn)壓管DZ上+5V電壓通過IGBT的射極E、柵極G、R8、T2使IGBT柵極電壓為－5V，保證其可靠截止。當(dāng)IGBT過電流時，VCE增加，通過檢測二極管D使過流保護(hù)動作，關(guān)閉放大器G，起到護(hù)作用。

2.6 滅磁及轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)

該回路由高能氧化鋅壓敏電阻組件和專用快速直流開關(guān)為主組成。滅磁及轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)原理接線圖如圖五所示。圖中YMR表示氧化鋅壓敏電阻，它是一種非常優(yōu)良的非線性元件，其電壓與電流關(guān)系可用下式描述:

與此相對應(yīng)的伏安特性如圖六所示。可以將伏安特性劃分為兩個工作區(qū)域: I是小電流區(qū)，II是大電流區(qū)，A稱為轉(zhuǎn)折點。

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由于YMR與FLQ是并聯(lián)連接，當(dāng)正常工作時，F(xiàn)LQ兩端電壓較低，YMR工作在小電流I區(qū)，流過它的電流較小，僅為數(shù)百微安，稱為泄露電流。它既不能消耗能量，也不影響被保護(hù)對象的工作狀況。一旦有過電壓發(fā)生，氧化鋅壓敏電阻本身無任何延時，其響應(yīng)時間大約為100毫秒，因此，它立即過渡到大電流II區(qū)工作，使得過電壓得到限制并被吸收，保護(hù)了發(fā)電機轉(zhuǎn)子免受過電壓侵襲。

當(dāng)需要滅磁時，指令快速直流開關(guān)FMK分?jǐn)啵芸烨袛噢D(zhuǎn)子繞組與勵磁電源的聯(lián)系。轉(zhuǎn)子作為一個大電感，使di/dt上升，即勵磁繞組兩端電壓急劇增加，當(dāng)超過氧化鋅壓敏電阻件的轉(zhuǎn)折電壓時，YMR立即工作在II區(qū)而呈現(xiàn)低阻狀態(tài)，轉(zhuǎn)子電流從FMK轉(zhuǎn)移到壓敏電阻上，迅速完成換流過程。轉(zhuǎn)子能量得以通過壓敏電阻釋放，實現(xiàn)滅磁。在滅磁過程中，YMR兩端亦即轉(zhuǎn)子電壓幾乎為一恒定值。因此，這種滅磁方式接近于理想滅磁狀態(tài)。從FMK開斷到安全建壓僅需要數(shù)毫秒，而整個滅磁過程經(jīng)歷的時間大約為400毫秒。可見，這種新型的滅磁方式確實具有操作簡單，滅磁速度快，開關(guān)容量大，過電壓保護(hù)水平可控等獨特優(yōu)點。

3. IGBT勵磁系統(tǒng)控制單元

3.1 硬件控制電路

HWKT－09型微機勵磁調(diào)節(jié)器的控制回路由主控電路、鍵盤顯示電路、測量電路、同步電路、開關(guān)量輸入電路、調(diào)寬脈沖輸出電路、信號輸出電路、電源等部分組成。

在設(shè)計HWKT－09的主控電路時，充分利用該單片機的一些獨特之處，使得這樣一塊小小芯片能充分、合理的控制一套復(fù)雜的勵磁系統(tǒng)。運行經(jīng)驗表明，它功能完善、性能可靠?，F(xiàn)舉幾例說明HWKT－09如何充分應(yīng)用單片機所擁有的資源。

四通道10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)，可以十分方便地用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。在裝置中，直接采集四路模擬信號: 發(fā)電機勵磁PT電壓UFL、發(fā)動機儀表PT電壓UFY、發(fā)電機定子電流IF及勵磁電流IL。

四路高速輸入通道HSI.0、HSI.1、HSI.2、HSI.3，可用以記錄外部事件。在本裝置中，利用HSI.1通道測量同步脈沖信號，利用HSI.0通道測量功率脈沖信號。

六路高速輸出通道HSO.0、HSO.1、HSO.2、HSO.3、HSO.4、HSO.5。在本裝置中利用這些輸出通道輸出IGBT器件的觸發(fā)信號。

WATCHDOG功能，使得系統(tǒng)在故障情況下能夠自動恢復(fù)正常工作。

數(shù)據(jù)通訊功能，可根據(jù)用戶的需要，增加與電廠監(jiān)控系統(tǒng)的通訊。

另外，該單片機指令系統(tǒng)極其豐富，采用寄存器-寄存器結(jié)構(gòu)，增設(shè)了乘、除法指令，使編程簡潔方便。另外，CPU能接收17個中斷源信號，使中斷系統(tǒng)簡練適用。一只CPU芯片幾乎包含了一臺計算機的所有部件。再經(jīng)過有針對性的設(shè)計，使HWKT－09系列微機勵磁調(diào)節(jié)器較國內(nèi)其它廠家常用的八位Z80CPU、Intel8031以及8086CPU等，在用于實時控制方面，功能更強，性能更優(yōu)，抗干擾性能更好，可靠性更高。

由于全部采用了進(jìn)口大規(guī)?；虺笠?guī)模集成電路芯片，及其它工業(yè)級器件，可靠性得到保證。由于硬件極其簡單，給調(diào)試及維護(hù)帶來極大的方便。另外輸入、輸出信號經(jīng)過多重全隔離，采用了高質(zhì)量的雙套開關(guān)電源電路，又采取了有效的抗干擾措施以及嚴(yán)格的制造工藝，使得本裝置不僅有很高的可靠性，而且性能優(yōu)良。

3.1.1 主控電路的組成

由單片微機（8098）CPU、程序存儲器（EPROM）、工作參數(shù)存儲器（E2PROM）、石英晶體等組成。

3.1.2 鍵盤顯示電路

該電路由鍵盤顯示控制芯片、8位數(shù)碼管、數(shù)碼管譯碼驅(qū)動芯片、16位鍵盤、鍵盤譯碼芯片等組成。通過特殊按鈕的開關(guān)信息和鍵盤中斷來實現(xiàn)調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)置、顯示切換、(10%階躍試驗等功能。

3.1.3 測量電路

發(fā)電機電壓UFY、系統(tǒng)電壓UFL、發(fā)電機電流IF、勵磁電流IL四路模擬量經(jīng)降壓(或變流)整流，再經(jīng)運放緩沖放大、送入單片機的A/D轉(zhuǎn)換器。通過對電壓、電流相位的檢測來計算功率因數(shù)角及有功、無功。

3.1.4 同步電路

直流勵磁系統(tǒng)中，通過單片機內(nèi)部電路產(chǎn)生一組同步信號，分別發(fā)送到另一套調(diào)節(jié)器，經(jīng)過邏輯判斷，形成脈寬調(diào)制脈沖的同步信號。

3.1.5 開關(guān)量輸入電路

共有八路開關(guān)量輸入，均經(jīng)抗干擾處理及光電隔離，再送到相應(yīng)的檢測芯片。八路開關(guān)量分別是: 增加勵磁接點、減少勵磁接點、風(fēng)機位置接點、手動接點、油開關(guān)位置接點、滅磁接點、關(guān)機接點、開機接點。

調(diào)節(jié)器面板配設(shè)相應(yīng)的按鈕，能“就地”、“單套”調(diào)節(jié)以及模擬發(fā)電機的運行狀態(tài)。

3.1.6 調(diào)寬脈沖輸出電路

由CPU的高速輸出口HSO輸出單相脈寬調(diào)制矩形波，經(jīng)光電隔離、功率放大輸出，可以直接驅(qū)動IGBT功率器件。矩形波上升沿小于5us，幅值約15V， 瞬態(tài)輸出電流500mA。

3.1.7 信號輸出電路

共有14路信號輸出，調(diào)節(jié)器面板上有對應(yīng)的14只發(fā)光二極管指示，共用4個光字牌信號輸出，并可接至中央控制室。這14路輸出信號分別是: +12V電源、-12V電源、+5V電源、24V電源、風(fēng)機故障、手動運行、油開關(guān)狀態(tài)、滅磁、低頻、過勵、低勵、PT斷線、試驗及開機; 其中過勵限制、頂值限制、過勵保護(hù)共用過勵指示信號，另還有正組脈沖指示、反組脈沖指示。

當(dāng)過勵保護(hù)、PT斷線保護(hù)動作，調(diào)節(jié)器輸出設(shè)備故障信號節(jié)點，同時在調(diào)節(jié)器面板上驅(qū)動相應(yīng)指示信號; 當(dāng)風(fēng)機故障（功率單元溫度過高）、手動、滅磁、低勵限制、過勵限制、頂值限制等動作，調(diào)節(jié)器輸出設(shè)備異常信號，同時在調(diào)節(jié)器面板上驅(qū)動相應(yīng)指示信號; 另設(shè)正組脈沖、反組脈沖兩路信號指示。

3.1.8 電源

電源采用雙路輸入雙路開關(guān)電源并聯(lián)工作方式。輸入電源采用交流220V整流后與直流 220V并聯(lián)，輸入到兩套獨立的開關(guān)電源，開關(guān)電源的輸出并聯(lián)。

此設(shè)計方式充分考慮了設(shè)備工作的基礎(chǔ)--供電電源的可靠性和冗余度，為整個設(shè)備的 正常工作提供堅實的基礎(chǔ)。

輸入: DC220V±20％; AC220V±10％~20％，

輸出: +5V/10A; +12V/2A；-12V/2A; +24V/1A; 24V與其它三路電源電氣隔離，用作開關(guān)信號輸入、輸出和脈沖功放電源。

3.2 控制軟件主程序原理流程圖

控制軟件程序包含各功能子模塊程序、顯示、給定調(diào)節(jié)、開關(guān)量保護(hù)判斷、采集、功率計算、自動PID、手動PID、低勵PID、控制方式選擇、手動跟蹤自動、自動跟蹤手動、PSS、恒無功等、鍵盤處理子程序、高速輸入中斷、高速輸出中斷等。

主程序原理流程圖如圖七所示。

3.3 勵磁調(diào)節(jié)器基本功能

保持發(fā)電機端電壓恒定

正負(fù)調(diào)差率可以選擇

發(fā)電機恒勵磁電流運行

PID及PI控制調(diào)節(jié)，附加PSS或EOC調(diào)節(jié)（可選），可變參數(shù)自適應(yīng)調(diào)節(jié)及非線性最優(yōu)調(diào)節(jié)

強勵頂值限制

過勵反時限限制

低勵限制

V/F限制

八位數(shù)碼管十進(jìn)制顯示多種參量，循環(huán)或定點顯示

勵磁/儀表電壓互感器斷線檢測及保護(hù)

全數(shù)字調(diào)節(jié)

電源、硬件、軟件故障信號以及其它各種

故障信號輸出

與其它自動化儀器儀表及計算機監(jiān)控系統(tǒng)的通信接口

空載過壓保護(hù)

零起升壓可跟蹤系統(tǒng)電壓

正常運行時鍵盤封鎖

兩套完全獨立的并列運行方式

雙套電源供電，面板測量及指示

模塊化軟件結(jié)構(gòu)

全部參數(shù)均用十進(jìn)制數(shù)字顯示

十六只薄膜鍵盤在線修改控制參數(shù)

完備的硬、軟件自診斷功能

開機電壓自動置位，關(guān)機電壓自動清零

狀態(tài)信號顯示

正反組脈沖輸出雙層隔離，面板測量及指示

掉電數(shù)據(jù)保護(hù)

3.4 勵磁控制系統(tǒng)方框圖

IGBT開關(guān)式自并激微機勵磁控制系統(tǒng)方框圖如圖八所示。

圖中A1、A2、A3分別是控制回路、勵磁功率回路及發(fā)電機的輸入輸出特性。其中UKZ是控制環(huán)節(jié)A1的輸出，它的大小和占空比KC成正比。為了方便分析，假設(shè):

UKZ = KC

Ugl是功率環(huán)節(jié)A2的輸出（平均值）。我們由圖二及分析知: 在IGBT開關(guān)勵磁中，輸入、輸出及占空比的關(guān)系為:

Ugl=1.35UINKC

由此可知，Ugl及KC是線性關(guān)系，因而系統(tǒng)具有很好的線性度和穩(wěn)定性，降低了控制的復(fù)雜性。

4. 結(jié)束語

篇8

關(guān)鍵詞：垂直軸風(fēng)力發(fā)電：PWM脈寬調(diào)制：IGBT開關(guān)功率管；ATMEGA16單片機；軟開關(guān)技術(shù)

0　概述

風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，是新能源開發(fā)中重要的項目。風(fēng)力發(fā)電的基本原理是空氣流動的動能作用在葉輪上，將動能轉(zhuǎn)換成機械能，從而推動葉輪旋轉(zhuǎn)，通過葉輪旋轉(zhuǎn)帶動發(fā)電機產(chǎn)生電能。垂直軸風(fēng)力發(fā)電機采用葉輪通過轉(zhuǎn)軸直接連接與發(fā)電機轉(zhuǎn)子的連接方式，不需要迎風(fēng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可以接受360度方位中任何方向來風(fēng)，主軸永遠(yuǎn)向設(shè)計方向轉(zhuǎn)動，提高了風(fēng)能的利用率，且結(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本低、并便于維護(hù)。然而風(fēng)力并不穩(wěn)定，即單位時間內(nèi)通過葉輪的風(fēng)量并不恒定，造成葉輪轉(zhuǎn)速變化較大，也就無法保證風(fēng)力發(fā)電機的穩(wěn)定運行，其輸出的電壓、頻率都有較大變化難以使用。為了使風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出的電能能夠應(yīng)用，需要采用一定的控制系統(tǒng)對風(fēng)力發(fā)電機輸出電壓和頻率進(jìn)行控制。

本設(shè)計是針對同軸型直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機(已獲專利，專利申請?zhí)枺?00810049517)的電壓控制系統(tǒng)。其核心是利用單片機的計算和控制能力對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行各種計算，從而排除和減少由于騷擾信號和模擬電路引起的誤差，大大提高了輸出電壓的穩(wěn)定性，降低了對模擬電路的要求。

1　垂直軸風(fēng)力發(fā)電電壓控制系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)由主電路和控制電路兩部分組成，其中主電路包括整流濾波電路、穩(wěn)壓電路、充電電路；控制電路包括Atmega16、檢測保護(hù)電路、顯示電路等。如圖1所示：

1.1　主電路設(shè)計

主電路的輸入端采用二極管搭建的三相橋式不可控整流電路，將發(fā)電機輸出24V～100V的不穩(wěn)定交流電轉(zhuǎn)化為不穩(wěn)定的近似直流電，再經(jīng)電容濾波獲得平滑的直流電；穩(wěn)壓電路將近似直流電通過閉環(huán)控制電路轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的直流電壓向蓄電池充電。如圖2所示：

(1)BUCK電路

穩(wěn)壓電路是采用絕緣柵雙極晶體管IGBT作為開關(guān)功率管的降壓斬波電路，當(dāng)IGBT接通時，經(jīng)電容濾波獲得平滑的直流電通過LL平波和CS濾波后向蓄電池充電；當(dāng)IGBT關(guān)斷時，LL通過二極管D7續(xù)流，保持充電電流連續(xù)。

1.2　控制電路設(shè)計

垂直軸發(fā)電機的電壓穩(wěn)定控制電路如圖3所示，由單片機Atmega16、驅(qū)動電路、顯示屏等組成，完成控制和驅(qū)動輸出兩部分。同時在PWM脈寬調(diào)制的過程中采用軟開關(guān)技術(shù)。

(1)Atmega16

Atmega16是ATMEL公司設(shè)計研發(fā)的高速低功耗8位單片機，其I／O口功能強，具有2路PWM直接輸出，可以驅(qū)動開關(guān)管，8路10位高速A／D轉(zhuǎn)換功能，能夠采樣得到蓄電池充電數(shù)據(jù)進(jìn)行實時分析，從而精確控制充電電壓，且

使用方便快捷。

在本系統(tǒng)中，Atmega16主要用于產(chǎn)生一定脈寬的PWM波，作為IGBT驅(qū)動電路的輸入信號，根據(jù)基準(zhǔn)電壓與檢測到穩(wěn)壓電路的輸出反饋電壓的比較，調(diào)整脈寬。改變占空比，控制發(fā)電機輸出電壓，并對充電電壓進(jìn)行實時監(jiān)控；同時，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速和充電電壓等模擬信號經(jīng)單片機內(nèi)部A／D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再經(jīng)單片機處理后由顯示屏以數(shù)字方式顯示。

(2)驅(qū)動電路

本設(shè)計中采用惠普公司的成品驅(qū)動模塊HCPL316J來驅(qū)動IGBT，可以大大提高設(shè)備的可靠性。該芯片為光耦隔離，COMS／TTL電平兼容，過流軟關(guān)斷，最大開關(guān)速度為500ns，工作電壓15V～30V，欠壓保護(hù)，可以驅(qū)動150A／1200V的IGBT。

驅(qū)動電路如圖4所示，由單片機產(chǎn)生的PWM波信號加在HCPL316J的第1腳，輸入部分需要1個5V電源，RESET腳低電平有效，故障信號輸出由HCPL316J的第6腳送至單片機的PD0口關(guān)閉PWM波信號，在發(fā)生過流情況時及時關(guān)閉PWM輸出。輸出部分采用+15V和-5V雙電源供電，用于產(chǎn)生正負(fù)脈沖輸出，HCPL316J的14腳為過流檢測端，通過二極管VD檢測IGBT集電極電壓，在IGBT導(dǎo)通時，如果集電極電壓超過7V，則認(rèn)為是發(fā)生了過流現(xiàn)象，HCPL316J慢速關(guān)斷IGBT，同時由第6腳送出過流信號。

(3)軟開關(guān)技術(shù)

軟開關(guān)技術(shù)是在脈沖調(diào)制電路中，加入L、C諧振電路，使開關(guān)器件中的電流或電壓按正弦或準(zhǔn)正弦規(guī)律變化。當(dāng)電流過零時，使器件關(guān)斷，當(dāng)電壓過零時，使器件開通，實現(xiàn)開關(guān)的近似零損耗。同時，有助于提高頻率，提高開關(guān)的容量，減小噪聲。

本設(shè)計中增加了帶有輔助開關(guān)控制的零電流開關(guān)變換，如圖5所示。當(dāng)S1、S2導(dǎo)通時，在LR的作用下，S1零電流導(dǎo)通，ILR=I0o當(dāng)S1、S2導(dǎo)通一關(guān)斷時，CR開始產(chǎn)生電壓，D7在零電流下自然關(guān)斷；之后，LR與CR開始諧振，經(jīng)過半個諧振周期，ILR再次諧振到I0，UCR上升到最大值，而ICR為零，S2關(guān)斷，UCR和ILR將被保持。當(dāng)S1導(dǎo)通、S2關(guān)斷時，Uin正常向負(fù)載I0供電。當(dāng)S1導(dǎo)通一關(guān)斷、S2導(dǎo)通時，在LR作用下，S2電流為0，諧振再次開始，當(dāng)1LR反向諧振到0時，S1完成

關(guān)斷。當(dāng)S1關(guān)斷、S2導(dǎo)通時，UCR在I0作用下，衰減到0。當(dāng)S1關(guān)斷、S2導(dǎo)通一關(guān)斷時，D7自然導(dǎo)通開始續(xù)流。由于D7的短路作用，S2可在此后至下一周期到來前完成關(guān)斷。S1、S2均由單片機進(jìn)行控制，其中S1在前四個階段均導(dǎo)通，恢復(fù)及續(xù)流時關(guān)斷，S2的作用主要是隔斷諧振產(chǎn)生保持階段。S1、S2的有效控制產(chǎn)生了PWM的效果，并利用諧振實現(xiàn)了自身的軟開關(guān)。

2　系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件的設(shè)計是實現(xiàn)垂直軸風(fēng)力發(fā)電電壓控制系統(tǒng)正常運行的主要條件，采用模塊化設(shè)計增強了程序的可移植性。整個軟件系統(tǒng)主要分為四大模塊組成：初始化模塊、數(shù)據(jù)采集與處理模塊、中斷模塊、顯示模塊。

系統(tǒng)的主程序設(shè)計主要實現(xiàn)的是各模塊程序的鏈接，如圖6所示。系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)入初始化模塊，對單片機內(nèi)部的AD、中斷、顯示等各參數(shù)進(jìn)行初始化；接下來進(jìn)入數(shù)據(jù)采集與處理模塊，單片機通過傳感器和充電電路的采樣電阻分別循環(huán)采樣垂直軸發(fā)電機的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速和充電電壓，然后將采樣值經(jīng)AD轉(zhuǎn)化處理后進(jìn)入顯示模塊，將采樣值顯示在液晶屏上；同時在中斷模塊中，將系統(tǒng)輸出反饋電壓與預(yù)先設(shè)置的基準(zhǔn)電壓按一定比例進(jìn)行比較，調(diào)整脈寬，改變占空比，控制發(fā)電機輸出電壓。

系統(tǒng)軟件設(shè)計重點是中斷模塊。在程序中將單片機的PD4口設(shè)置為輸出PWM波，同時設(shè)置基準(zhǔn)電壓U0和輸出的PWM波頻率。單片機將系統(tǒng)輸出反饋電壓U和U0進(jìn)行比較；當(dāng)U與U0不相等時，程序產(chǎn)生中斷，單片機根據(jù)q=U*q0／U0計算出所需要的占空比，從而改變PD4口輸出的高低電平的持續(xù)時間，產(chǎn)生PWM驅(qū)動信號，控制IGBT的通斷時間，調(diào)整充電電壓。

篇9

1 概述

機車常年運行于鐵路線上，為了改善機車司機的工作環(huán)境，鐵路部門正逐步在機車上配備空調(diào)系統(tǒng)。早期安裝的一般都是三相定頻空調(diào)系統(tǒng)。內(nèi)燃機車上的電源是由一臺三相380V發(fā)電機產(chǎn)生的，由于容量的限制和空調(diào)器頻繁起停的沖擊，嚴(yán)重影響了發(fā)電機其它負(fù)載的正常工作。為此鐵路部門規(guī)定安裝空調(diào)器必須解決沖擊問題，實現(xiàn)軟起動。目前大多數(shù)廠家采用通用變頻器進(jìn)行軟起動，雖然解決了沖擊的問題，但采用通用變頻器僅僅為實現(xiàn)空調(diào)的軟起動顯然非?！袄速M”，而通用變頻器又不能滿足變頻空調(diào)的特殊要求，所以開發(fā)機車空調(diào)專用變頻調(diào)速系統(tǒng)非常有意義，既可實現(xiàn)軟起動，又可通過變頻空調(diào)實現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)，達(dá)到節(jié)能的目的。

    目前，變頻壓縮機一般由三相200V左右異步電動機拖動，工作頻率范圍是0～120Hz。對此適用的逆變器通常是DC300V的電壓級別。內(nèi)燃機車上的一臺直流發(fā)電機能夠提供DC110V的電源，因此必須使用升壓裝置，使DC110V電壓經(jīng)升壓變換為DC300V，然后再經(jīng)逆變器變換成滿足要求的交流電壓。機車變頻空調(diào)控制器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

本文主要討論機車空調(diào)用DC/DC變換器的設(shè)計與實現(xiàn)。首先選擇了易于實現(xiàn)的變換器結(jié)構(gòu)，然后設(shè)計電路，最后給出了滿足設(shè)計要求的實驗結(jié)果。

2 DC/DC變換器主電路結(jié)構(gòu)選擇及設(shè)計

2.1 主電路結(jié)構(gòu)選擇

對于DC/DC升壓變換器，可以采用的結(jié)構(gòu)形式很多。通常在1kW以上選用帶變壓器隔離的全橋DC/DC變換電路，但這種變換電路需要4個功率開關(guān)器件，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時在電路設(shè)計中必須考慮克服隔離變壓器的直流偏磁問題，這無疑增加了控制的難度。由于機車變頻空調(diào)控制器的惡劣工作環(huán)境，希望電路結(jié)構(gòu)盡可能簡單，通過分析和試驗，認(rèn)為采用Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一種較好的實現(xiàn)方案。該結(jié)構(gòu)只需要一只開關(guān)器件和一只升壓用二極管以及升壓電感，其控制電路也比較簡單。當(dāng)然該結(jié)構(gòu)在功率較大時要求開關(guān)管的容量較大[1]，這是一般大功率DC/DC變換器不選擇這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的原因?？紤]到本系統(tǒng)的實際情況以及目前器件的水平，選用Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還是可行的，其原理如圖2所示。

    機車空調(diào)的功率為5kW。根據(jù)機車空調(diào)的要求，DC/DC變換電路需要將DC110V變換成為DC300V。變換器主電路為典型的Boost結(jié)構(gòu)，控制電路由通用PWM控制芯片SG3524實現(xiàn)?？刂齐娐份敵龅腜WM信號經(jīng)HCPL316J隔離放大去驅(qū)動IGBT。HCPL316J是IGBT專用驅(qū)動電路，通過檢測IGBT的飽和壓降實現(xiàn)過流保護(hù)。與一般帶過流保護(hù)的IGBT專用驅(qū)動電路相比，具有電路結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜的優(yōu)點。Boost電路在電流連續(xù)及斷續(xù)情況下電感中電流及IGBT兩端電壓波形如圖3所示。

2.2 主電路參數(shù)計算

2.2.1 工作頻率的選擇

通常小功率開關(guān)電源工作頻率高達(dá)幾十kHz甚至幾百kHz。但在本電路中，由于功率較大，導(dǎo)通時開關(guān)管中流過的電流很大，開關(guān)損耗非常大，所以開關(guān)管不宜工作在很高的頻率?？紤]實際情況，選擇開關(guān)頻率為15kHz。

2.2.2 電感量的計算

已知壓縮機負(fù)載功率為5kW，Boost電路的輸出電壓Vo=300V，這樣Boost變換器的等效負(fù)載電阻RL=18Ω，等效輸出負(fù)載電流Io=17A。

    在大功率場合，一般希望工作在電感電流連續(xù)狀態(tài)。由圖3（a），根據(jù)電感兩端電壓在一周期內(nèi)伏秒平衡的原則，可得

Viton－(Vo－Vi)(T－ton)=0    （1）

由式（1）可得

Vo/Vi=1/(1-D)    （2）

電感中電流紋波為

ΔI=（Vi/L）ton=(Vi/L)DT    （3）

忽略變換器損耗，變換器輸入功率等于輸出功率，即

ViIL(AV)=VoIo    （4）

式中：IL(AV)為電感電流的平均值。

由式（4）得

IL(AV)=(Vo/Vi)Io=(1/I-D)Io    （5）

為保證電流連續(xù)，電感電流應(yīng)滿足式（6）。

IL(AV)≥ΔI/2    （6）

考慮到式（3）及式（6），可得到滿足電流連續(xù)情況下的電感值為

應(yīng)在所有占空比情況下滿足式(7)，同時考慮在10％額定負(fù)載以上電流連續(xù)的情況。10％負(fù)載相當(dāng)于RL=180Ω，當(dāng)D=時得到滿足電流連續(xù)時的電感值為

=0.89mH，實際電路中取L=1.1mH。

2.2.3 輸出濾波電容容量的計算

為滿足輸出紋波電壓相對值的要求,濾波電容由式（8）決定[1]。

C≥(VoDT/ΔVoRL)   (8)

根據(jù)設(shè)計要求，在輸入電壓為55V時，輸出電壓仍應(yīng)為300V。這樣，最大占空比Dmax===0.82，考慮在最大占空比及滿載情況，并取電壓紋波系數(shù)為2％，開關(guān)頻率15kHz，負(fù)載電阻為18Ω，可求得C=160μF，實際電路中取C=220μF。

2.2.4 功率開關(guān)器件IGBT的選擇

IGBT中流過的電流峰值即為流過電感電流的峰值，即

IS(M)=IL(M)=IL(AV)＋1/2ΔIL    （9）

式中：IL（M）及IS（M）分別為電感電流峰值及流過

IGBT電流峰值。

將式（3）代入式（9），在滿負(fù)載情況下，可得

IS(M)=150A，再考慮二倍的安全裕量；在開關(guān)管關(guān)斷時其兩端電壓為輸入電壓，即300V，同樣也考慮二倍的安全裕量，于是選擇600V/300A的IGBT。

3 PWM控制及IGBT驅(qū)動電路

3.1 PWM控制電路[2]

PWM控制采用SG3524控制器，其原理框圖如圖4所示。

直流電源Vs從腳15送到基準(zhǔn)電壓穩(wěn)壓器的輸入端，產(chǎn)生穩(wěn)定的＋5V基準(zhǔn)電壓，再送到內(nèi)部及外部其他電路作為電源。腳7須外接電容CT，腳6須外接電阻RT，這樣在腳7產(chǎn)生鋸齒波。選擇不同的CT與RT，即可產(chǎn)生不同的振蕩頻率。振蕩器的輸出分為兩路：一路以時鐘脈沖形式送至雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及兩個或非門；另一路以鋸齒波形式（腳7）送至比較器的同相端。比較器的反向端連向誤差放大器。誤差放大器實際是差分放大器，其一個輸入端與經(jīng)過分壓的輸出電壓相連，起到反饋作用。VREF通過電阻分壓作為給定信號連接該放大器的另一端，腳9是補償端。誤差放大器的輸出與鋸齒波相比較，比較器的輸出為隨誤差放大器輸出電壓大小而改變寬度的脈沖信號，再將該脈沖信號送到或非門的輸入端，或非門的另兩個輸入端分別為觸發(fā)器及振蕩器的輸出信號，最后送出兩路互差180°的脈沖波。SG3524具有外部關(guān)斷功能，當(dāng)外部故障時，通過腳10封鎖SG3524的PWM輸出，起到保護(hù)作用。

圖5

    在本方案中，將腳12、腳11分別與腳13、腳14并聯(lián)，將總的輸出脈沖展寬，使原來兩路占空比為0～50％脈沖展寬為占空比為0～100％的一路脈沖。在實際使用中，為防止由于脈沖過寬而引起的主電路過流，在腳9加了限幅電路。

3.2 IGBT驅(qū)動電路[3]

由于所選IGBT功率較大，所以SG3524輸出的脈沖信號須經(jīng)過隔離放大電路才能驅(qū)動IGBT?？紤]到可靠性及經(jīng)濟性，所以選擇了HCPL316J作為該驅(qū)動電路。HCPL316J除具有隔離及驅(qū)動功能外，還具有過流保護(hù)功能。通過測量IGBT兩端的飽和壓降實現(xiàn)過流保護(hù)，在過流發(fā)生時HCPL316J一方面封鎖IGBT驅(qū)動信號，同時送出故障信號。在本方案中，HCPL316J輸出的故障信號連接到SG3524的SHUTDOWN端，以便更有效地實現(xiàn)保護(hù)。HCPL316J的原理框圖如圖5所示。

圖6

4 實驗結(jié)果

按照上述設(shè)計，在實驗室組成了機車用DC/DC變換器，并進(jìn)行了一系列實驗。圖6為實驗波形。

在負(fù)載較輕時，由于分布電容的影響，開關(guān)管兩端電壓會發(fā)生振蕩現(xiàn)象。在滿負(fù)載情況下，將直流輸入電壓從55V到165V進(jìn)行變化，DC/DC變換器的輸出電壓都能夠穩(wěn)定在300V，具有很好的調(diào)節(jié)能力。但是，由于電路自身的結(jié)構(gòu)，輸入電壓愈低，開關(guān)管及Boost電感中流過的電流將愈大，所以要考慮開關(guān)管及電感的散熱問題。

篇10

【關(guān)鍵詞】DTC控制技術(shù) 電鏟車 應(yīng)用

目前，工業(yè)發(fā)達(dá)國家已廣泛應(yīng)用交流變頻調(diào)速于鋼鐵、有色冶金、石油、化工、紡織、電力、機械、輕工和造紙等行業(yè)傳動領(lǐng)域。在露天開采設(shè)備，如拉鏟和單斗挖掘機等設(shè)備上使用交流變頻調(diào)速技術(shù)，除了其具有卓越的調(diào)速性能外，還有非常顯著的節(jié)電效果，是礦山設(shè)備技術(shù)改造和產(chǎn)品更新?lián)Q代的理想設(shè)備。本文主要論述了新型的交流變頻技術(shù)在電力挖掘機（ 電鏟） 中的應(yīng)用。

1 DTC 技術(shù)的原理

DTC 直接轉(zhuǎn)矩控制是繼矢量變換控制后，在交流調(diào)速領(lǐng)域中出現(xiàn)的一種新型調(diào)速技術(shù)，在逆變器的開關(guān)狀態(tài)最佳狀態(tài)時產(chǎn)生PWM 信號，以獲得高動態(tài)的轉(zhuǎn)矩性能。電源輸出電壓反饋值Uf與基準(zhǔn)電壓值Ug比較。放大后得到誤差電壓Ue。該誤差電壓經(jīng)過與鋸齒波發(fā)生器產(chǎn)生的鋸齒波信號電壓進(jìn)行比較，從而產(chǎn)生了占空比變化的矩形波驅(qū)動波形。直接轉(zhuǎn)矩控制不需要矢量控制中的解耦和復(fù)雜的矢量坐標(biāo)變換，而是將轉(zhuǎn)子磁通定向更換為定子磁通定向，通過實時檢測電機定子電壓和電流，計算轉(zhuǎn)矩和磁鏈的幅值，并分別與轉(zhuǎn)矩和磁鏈的給定值比較所得差值來控制定子磁鏈的幅值以及該矢量相對于轉(zhuǎn)子磁鏈的夾角，由轉(zhuǎn)矩和磁鏈調(diào)節(jié)器直接輸出所需的空間電壓矢量，從而達(dá)磁鏈和轉(zhuǎn)矩直接控制的目的。直接轉(zhuǎn)矩控制結(jié)構(gòu)簡單，受電機參數(shù)變化影響小，能夠獲得極佳的動態(tài)性能。

2 系統(tǒng)硬件

直接轉(zhuǎn)矩控制硬件系統(tǒng)輸入電壓為三相交流電，經(jīng)過交―直―交整流逆變后，變?yōu)轭l率可變的三相電。逆變器由6 個IGBT 橋電路組成，其中每個IGBT 都采用RC 阻容緩沖吸收脈沖尖波。直流母線上并聯(lián)的耗能電阻和IGBT 構(gòu)成了泵升抑制電路，電路將檢測整流后母線電壓并與電壓限幅值相比較，在泵生電路中產(chǎn)生用于控制IBGT 導(dǎo)通和關(guān)斷的控制信號，以保護(hù)整個系統(tǒng)強電電路的安全。弱電電路包括：模擬量檢測模塊、保護(hù)模塊、通信模塊、IGBT 驅(qū)動模塊、D/A 輸出模塊、測速模塊等。系統(tǒng)電路供電均有單獨輔導(dǎo)電源開關(guān)提供，供電穩(wěn)定、強弱電分離、抗干擾能力強。

3 軟件部分

圖1 所示為系統(tǒng)主程序流程圖，主流程圖說明了整個系統(tǒng)流程的運行架構(gòu)，包括PLC 初始化、運行環(huán)境定義、A/D 轉(zhuǎn)換等功能。其中，封鎖驅(qū)動輸出命令是保證在系統(tǒng)初始化時防止IGBT 的誤動作而進(jìn)行的PWM 通道關(guān)閉處理；PLC 初始化是對程序中所用到的各種參數(shù)進(jìn)行必要的初始恢復(fù)設(shè)定，包括寄存器、常量、變量、A/D模塊、符號擴展等狀態(tài)位的定義等；A/D 轉(zhuǎn)換是對電壓、電流的實時檢測；PWM 波形生成是指PWM 模塊根據(jù)A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果結(jié)合最優(yōu)開關(guān)表生成IGBT 開關(guān)狀態(tài)信號；故障檢測是對內(nèi)外部故障中斷的檢測與判斷，并根據(jù)檢測結(jié)果將程序轉(zhuǎn)至相應(yīng)的中斷服務(wù)子程序。

圖1 系統(tǒng)主程序流程 圖2 系統(tǒng)驅(qū)動信號生成流程圖

圖2 所示為系統(tǒng)驅(qū)動信號生成流程圖，程序分為2 個部分：首先是對電機三相定子電流和定子電壓進(jìn)行檢測，實時檢測的對比數(shù)據(jù)結(jié)果經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)換；對A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行坐標(biāo)變換，將電流、電壓分量經(jīng)過各種算法生成電壓矢量進(jìn)行準(zhǔn)確的IGBT 驅(qū)動。軟件部分的軟件控制任務(wù)主要完成以下幾方面的內(nèi)容：

（1）對異步電機定子電壓和電流進(jìn)行實時數(shù)據(jù)采樣，完成A/D 轉(zhuǎn)換。（2）根據(jù)檢測到的模擬量，通過估計算法完成磁鏈的觀測和速度估算。（3）根據(jù)直接轉(zhuǎn)矩控制理論，通過最優(yōu)開關(guān)表確定逆變器6 個IGBT 模塊的開關(guān)狀態(tài)并生成PWM脈沖。（4）檢測并判別系統(tǒng)故障，及時做出中斷處理。

4 結(jié)語

本套控制系統(tǒng)采用交流變頻電動機，從根本上解決了電氣傳動系統(tǒng)對挖掘機運行可靠性的影響，大大提高了設(shè)備的完好率及生產(chǎn)效率，并降低維護(hù)工作量和維修費用。該系統(tǒng)已經(jīng)投運到國內(nèi)一些大型的露天礦廠，從實際運用看系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)快、定位準(zhǔn)確且運行穩(wěn)定，能夠滿足電鏟工況要求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李亞武，王挺.電鏟控制技術(shù)的創(chuàng)新[J].中國科技信息，2011（22）.