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采用IGBT的无刷直流电动机保护技术
点击次数:1025 发布时间:2018-01-07

采用IGBT的无刷直流电动机保护技术

1. 引言
  无刷直流电动机结构简单、运行效率高、调速性能好,在国民经济的各个领域都得到了广泛的应用。对于三相桥式无刷直流电动机,保证其开关电路正常工作是至关重要的。由于IGBT具有功率MOSFET高速开关特性和双极晶体管的低导通电压特性,开关电路通常采用IGBT作为功率开关器件。根据我们的实践,在IGBT的应用中,驱动、保护和吸收这三个问题是必须全面考虑的。本文讨论了开关电路中IGBT应用的若干问题,详细介绍了无刷直流电动机保护电路。该电路设计简单、性能可靠,能有效防止电动机起动时的过流损坏和运行期间栅极电路的误触发。
 
  2. IGBT的驱动与dv/dt保护
  2.1 IGBT的驱动
  IGBT用于无刷直流电动机的开关电路时,其开关频率随电动机转速的改变而改变,要使它安全可靠地工作,驱动电路相当重要。由于IGBT的栅电容比MOSFET大得多,因此必须选择合适的栅极正反向偏置电压和栅极串联电阻。栅极正向偏置电压UGE一般为15V±10% ,足以使IGBT饱和导通。若UGE过大,IGBT承受短路或过流时间减小,对其安全不利。虽然栅极电压为零就可使IGBT处于截止状态,但为了尽快抽取PNP管中的存取电荷,减小关断时间,提高IGBT的耐压、dv/dt耐量和抗干扰能力,必须在栅、源极之间加一个-5~- 15V的反向电压。
  为了改善控制脉冲的前后沿陡度和防止振荡,需要在栅极串联电阻RG。RG太大,将使IGBT通断时间延长,能耗增加; RG太小,会使栅极电压产生振荡,同时会使IGBT的dv/dt耐量减小。因此,RG一般取十几至几十欧姆。
  为减小体积、降低噪声、改善驱动性能、快速保护,现在多采用集成的IGBT驱动器。
 
  2.2 IGBT的dv/dt保护
  IGBT关断或开通时,由于主回路电流的突变,回路分布电感将产生很高的尖峰电压加在其两端,使IGBT超过安全工作区而损坏。此外,虽然IGBT的C、E之间承受的dv/dt比较高,但由于IGBT在栅极之间、栅射之间存在寄生电容CGC和CGE,在驱动无刷直流电动机的大功率全桥变换器中,过大的dv/dt会通过CGC和CGE耦合到栅极上产生干扰,使IGBT误导通而造成桥臂直接短路。一般加缓冲电路来解决这个问题,主要有关断缓冲电路和尖峰电压吸收缓冲电路,图1为关断缓冲电路的基本形式。除此以外,还要注意以下两点:一是在断态时,必须加足够的负栅压VGEOFF;二是要尽可能降低栅极电路引线电感。

图1 IGBT关断缓冲电路的基本形式 

图1 IGBT关断缓冲电路的基本形式

 
  3. 起动时的过流保护电路
  由于无刷直流电动机在起动时转速很低,转子磁通切割定子绕组所产生的反电动势很小,因而可能产生过大的电流。这时虽然不是短路电流,但电流上升率也会相当大。为了限制电流上升率和限制短路电流,必须附加过流检测及保护电路。当发生过流时,及时检出并立即关断IGBT,以切断主电路。
  我们设计的过流保护电路如图2所示(图中未画出IGBT的缓冲电路)。在主回路中,我们串入了一个电感L1和一个续流二极管D2,当电机起动时,由于电感的储能作用,因此限制了起动电流上升率,提高了起动的稳定性,使起动电流在几十微秒内不会超过IGBT的浪涌冲击能力。主回路中通过电动机的电流zui终是经过电阻R(0. 1Ω,5W)接地。因此,Uf= RfIM,其大小正比于电动机的电流IM,IM也即是流过IGBT的电流。Uf通过10kΩ电阻与电压比较器LM324正相输入端相连,由于R1= 10kΩ》Rf,可近似认为没有电流流过R1,因而LM324正端输入为Uf。图中所示的Vref为过流保护动作设定电压。在正常导通工作期间,Uf小于Vref,LM324输出低电平。MOS管V1、V2、V4和V2均截止,IGBT的栅极驱动电压不受影响。发生过流事故时,IM增大,则Uf也随之增大,当Uf大于Vref时,LM324输出高电平,启动定时器。同时,V1导通使IGBT的栅极电压降至稳压管的稳压值VZ。在一定温度下,当IGBT短路时,及时减小栅极驱动电压VG,可以使短路电流ISC减小,从而延长IGBT在不损坏前提下所能承受短路的时间。因此,当电压降至VZ后,如果在定时器设定时间到达之前故障消失,LM324输出又为低电平,V2截止,Q2、Q4、Q2的栅极驱动电压又恢复正常,电机正常运行。如果在设定时间内故障仍不能排除,则定时器输出高电平,使V2、V4和V2同时导通,由电路图知,Q2、Q4、Q2的栅极驱动电压近似为0 ,关断了Q2、Q4、Q2三只IGBT,即切断了主电路,电动机停车,达到了过流保护的目的。

无刷直流电动机过流保护电路原理图 

图2 无刷直流电动机过流保护电路原理图

 
  4运行时的逻辑保护电路
  电动机在运行期间,由于受到外界环境的干扰,逻辑开关控制信号可能产生误触发,造成桥臂短路。图2中的Q2和Q4、Q3和Q2、Q5和Q2分别组成三个桥臂,如果同一桥臂上的两个IGBT同时导通,则短路电流流过两个IGBT,产生所谓的桥臂短路现象,由于桥臂支路中引线电感很小,短路电流的上升率和浪涌冲击电流均会很大,因而致使IGBT烧毁。为了避免误触发,我们设计了一种逻辑保护电路,如图3所示。这种电路结构简单,使同臂支路的两个IGBT的驱动信号互锁,在任何情况下两个IGBT不会同时导通。根据它们的逻辑关系,我们能得出保护电路的布尔逻辑方程如下:

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

其相应的逻辑输出真值表如表2所示。

表1 逻辑输出真值表

逻辑输出真值表 

逻辑保护电路 

图3 逻辑保护电路

 
 根据我们的设计,当逻辑输入D为低电平时,其相应的输出Q为低电平,IGBT驱动电路输出15V的电压,使IGBT导通;相反,当逻辑输入D为高电平时,其相应的输出Q为高电平时,驱动电路输出5V的负偏值电压,使IGBT关断。从真值表中我们注意到,当电机正常运行时,每一时刻有两个逻辑输入为低电平。但当逻辑开关控制信号产生误触发时,即当D2和D4,或D2和D5,或D3和D2均为低电平时,其相应的输出为高电平,从而避免了驱动电路的误触发,有效地防止了桥臂短路事故的发生。
 
  5. 结束语
  本文简要讨论了其开关电路中IGBT应用的若干问题,给出了无刷直流电动机的过流保护和逻辑保护的具体应用电路,该电路简单可靠,效果良好。在实际应用中,要注意根据无刷电机和IGBT的型号来确定过流保护电路电压的设定值和电阻Rf的参数。

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