中心論題：

• IGBT集中了MOSEFT和GTR的優點，適合在大功率全橋變換中作為功率開關元器件
• 闡述IGBT 驅動器的基本要求並介紹實際IGBT驅動模塊EXB841
• 介紹以AT89C51為核心的直流調速係統

解決方案：

• 以AT89C51 為核心所組成的閉環控製，能夠實現速度預置、速度顯示
  ，並能夠對轉速進行精確的測量
• 利用電壓比較器避免泵升電壓過高產生的擊穿現象
• 頻率法和周期法相結合得到較高的測速精度

引言
隨著電力電子器件的發展，快速關斷器件如門極可關斷晶體管GTO、功率雙極型晶體管GTR、金屬氧化矽晶體管MOSFET和絕緣柵雙極晶體管IGBT等相繼開發成功。其中IGBT是集MOSEFT和GTR優點於一身。即具有少子器件GTR的通態壓降低
、耐壓高

、可承受大電流等優點。又兼有多子器件MOSFET的開關速度快、熱穩定好
、無二次擊穿、輸入阻抗高、驅動微功耗的長處。因此倍受青睞。尤其是在電機控製、中頻和開關電源以及要求快速、低損耗的領域發展迅速。在大功率全橋變換中，IGBT作為功率開關元器件是非常適合的。

IGBT 驅動器的基本要求
IGBT是(shi)一(yi)壓(ya)控(kong)器(qi)件(jian)。它(ta)所(suo)需(xu)的(de)驅(qu)動(dong)電(dian)流(liu)與(yu)驅(qu)動(dong)功(gong)率(lv)非(fei)常(chang)小(xiao)
，可(ke)直(zhi)接(jie)與(yu)模(mo)擬(ni)或(huo)數(shu)字(zi)功(gong)能(neng)塊(kuai)相(xiang)接(jie)
，不(bu)需(xu)加(jia)任(ren)何(he)附(fu)加(jia)接(jie)口(kou)電(dian)路(lu)而(er)且(qie)轉(zhuan)換(huan)功(gong)率(lv)也(ye)大(da)大(da)提(ti)高(gao)。IGBT的導通與關斷是由柵極電壓UGE來控製的。當UGE大於開啟電壓UGE(th)時。IGBT導通。當柵極和發射極間施加反向或不加信號時。使得IGBT關斷。

IGBT的驅動
用IGBT作大功率全橋變換的功率元件時，由於工作在高速大功率開關狀態。要使它安全可靠地工作，設計好驅動電路是重要環節。一個理想的IGBT驅動器應具有以下基本要求。

(1) 能提供適當的正、反向門極電壓
為使IGBT穩定工作，一般要求雙電源供電，所以驅動電路要求采用正反偏壓的兩電源形式。IGBT 導通後的管壓降與所加柵極電壓有關。當UGE增大時

， IGBT 承受短路或過電流時間減小，對IGBT安全不利。一般選UGE要綜合考慮，選取+12V -20V 為好。在IGBT關斷期間
，由於電路中其他部分的工作會在柵極電路中產生一些高頻振蕩信號，這些信號輕則會使本該截止的IGBT處於微通狀態，增加管子的功耗。重則將使逆變電路處於短路直通狀態，因此恰好給應處於截止狀態的IGBT加一反向柵壓。一般選取-5V — +15V ，使IGBT 在柵極出現開關噪聲時仍能可靠截止。

(2) 信號應有足夠的功率
驅動電路輸入的信號作用於IGBT 的柵極和射極之間。當UGE很小或為零時
，IGBT的C 和E 之間加很大的電壓時IGBT才能導通。這種硬開通會導致IGBT 較大的開關損耗，影響IGBT的開關功率與輸出能力
，因此，為使合格元件能正常工作，驅動信號可以大於柵極規定的電壓

、電流，並留有一定的餘量。

(3) 信號具有一定的前沿陡度和寬度
IGBT的門源特性呈電容性
，與開關速度有關，因此驅動器須具有足夠的瞬時電流的吞吐能力
，才能使IGBT 柵
、射電壓建立或消失的足夠快，從而使開關損耗降較低的水平。

(4) 驅動電路必須與主電路隔離
在許多電路(如橋式逆變器) 中的IGBT 的(de)工(gong)作(zuo)電(dian)位(wei)差(cha)別(bie)很(hen)大(da)
，不(bu)允(yun)許(xu)控(kong)製(zhi)電(dian)路(lu)與(yu)其(qi)直(zhi)接(jie)耦(ou)合(he)，為(wei)了(le)保(bao)證(zheng)驅(qu)動(dong)電(dian)路(lu)和(he)主(zhu)電(dian)路(lu)之(zhi)間(jian)信(xin)號(hao)傳(chuan)的(de)暢(chang)通(tong)無(wu)阻(zu)，常(chang)采(cai)用(yong)光(guang)電(dian)耦(ou)合(he)和(he)變(bian)壓(ya)器(qi)耦(ou)合(he)。

(5) 輸出與輸入必須有很好的跟隨性輸入
、輸出信號傳輸無延時，一方麵減小係統的響應滯後
，另一方麵能提高係統保護的快速性。

(6) 驅動電路簡單、成本低。

(7) 驅動電路自身應有一定的保護功能。
IGBT柵極驅動實用電路最好自身對IGBT 具有保護功能，並有較強的抗幹擾能力。在出現短路、過流的情況下，能迅速發出過流保護信號供控製電路進行處理。

(8) 防止同一橋臂上的IGBT誤導通

IGBT驅動電路——EXB841
IGBT常用的驅動模塊有許多種，其中EXB 係列應用最廣。

圖1 　EXB841 外接電路圖

EXB84 係列為日本富士公司推出的IGBT專用芯片
，能驅動高達300A/1200V 的IGBT。它具有隔離強度高、反應速度快


、參數一致性好、具有防擎住效應的緩關斷電路等優點
，並可以對IGBT實施過流保護。模塊內功能較全，用+20V 直流電源供電
，能產生+15V 開柵電壓和-5V 關柵電壓，內裝TLP550 高速光耦信號隔離電路。如圖1。電路的內部還集成有過流檢測電路和慢速過流切斷電路，其過流檢測電路按驅動與集電極電壓之間的關係檢測過流。當流過IGBT的電流超過內部設定值時

，慢速切換電路以不使IGBT 損壞的較慢速度關斷IGBT。其中
，為了防止IGBT集電極產生大的電壓尖脈衝，在柵極串聯電阻RG
、47 F 電解電容器吸收由於電流源接線電阻引起的供電電壓變化，而不是電源濾波器的電容器。

係統的組成
本係統采用的是以AT89C51 為核心所組成的閉環控製，能夠實現速度預置、速su度du顯xian示shi，並bing能neng夠gou對dui轉zhuan速su進jin行xing精jing確que的de測ce量liang。測ce速su是shi將jiang固gu定ding在zai主zhu軸zhou上shang的de光guang電dian碼ma盤pan產chan生sheng的de脈mai衝chong送song外wai部bu中zhong斷duan，通tong過guo計ji數shu器qi進jin行xing計ji數shu
，從cong而er算suan出chu轉zhuan速su，將jiang這zhe種zhong轉zhuan速su與yu預yu置zhi轉zhuan速su進jin行xing比bi較jiao，得de出chu差cha值zhi。

圖2 　調速係統功率主電路原理圖

以功率晶體管為開關器件組成的PWM直流調速係統如圖2。該係統功率主電路為三相整流橋，H 橋功率變換電路
、緩衝電路和泵升電壓限製電路組成。功率器件采用電力電子器件IGBT，以提高輸出容量和獲得直流電動機四象限運行特性。LEM為霍爾電流傳感器模塊，用於電樞電流的動態檢測和過流保護置於電樞回路和直流側母線。LEM的測量精度優於1 % ，響應速度小於1μS
，滿足係統的動態測試要求。四個橋臂和四個續流二極管構成H 橋。T1、T4 和T2、T3 在PWM驅動信號作用下交替導通和關斷
，輸出寬度調製的正負脈衝電壓以調節速度變化。其中R

、C、D 構成過壓保護電路。為了改善驅動信號前沿的陡度和防止振蕩，減小IGBT 集電極大的電壓尖脈衝，需要在柵極串聯電阻RG。根據電流容量和電壓額定及開關頻率的不同，選擇合適的RG，一般RG為十幾歐至幾十歐。在橋式變換過程中，由於IGBTshiyakongqijian
，dangjishejianjiagaoyashi，henrongyishouwaijieganraoshizhashejiandianyachaoguoyidingfazhi，yinqishangxiaqiaobitongcetongshidaotongzaochengduanlu。weilefangzhizhezhongxianxiangdefasheng
，zaizhashejianbingjieliangzhifanxiangchuanliandewenyaerjiguan，duiqudongdianluchuxiandegaoyajianmaichongqiyidingyizhizuoyong。zheshicongqijianshangcaiqudebaohucuoshi。tongshizaidianlushangcongyingjian、軟件上也采取雙重保護措施。硬件上采用74LS125 實現對兩組脈衝的互鎖
，確保一組IGBT 的驅動電壓為高電平時
，另一組為低電平。軟件上采用延時輸出高電平，即在一組IGBT關斷和另一組IGBT導通的驅動脈衝之間設置邏輯延時
，其目的是保證關斷IGBT徹底關斷後開通另一組IGBT，從而防止上下橋臂同時導通。

功率轉換電路輸出是幅值為Ud 的正負脈衝電壓，其周期T= 1/f ，f 為PWM控製信號頻率。當平均電流恒大於零，電動機工作在正轉電動運行狀態。

泵升電壓檢測電路
電機停車或減速時工作在製動狀態
，儲存在電機和負載運動部分的動能將變成電能，並通過PWM 變換器回饋給直流電源。係統有不可控的整流器供電

，不能向電網回饋電能
，隻好對電容器C 充電而使泵升電壓升高，過高的泵升電壓有可能擊穿變換元件。泵升電壓檢測電路如圖3。

圖3 　泵升電壓檢測電路

設UDC為電力電容C1 兩端的電壓，電壓比較電路直接檢測該電壓，與被測值超過設定允許值時，電壓比較器反轉， 觸發製動單元VB 導通
，電力電容上的電荷經R 釋放
，使電壓降低，反之
，當該電壓低於設定允許值時
，電壓比較器翻轉回原先狀態，輸出端為高電壓，經邏輯轉換後關斷UB 。由於比較器為OC 門輸出，該端電壓近乎電源電壓UC。

測速電路
固定在直流電機主軸上的光電編碼盤產生周期脈衝，經過脈衝整流電路後輸入89C51 的外部中斷INT1 和INT0。為了在高速和低速時都能得到較高的測速精度
，選用頻率法和周期法綜合
，它結合了兩種測量方法的長處，使相對誤差變的很小。

結論
本係統采用快速開關器件IGBT構成了主電路，AT89C51 單片機實現整個係統的控製。通過實驗驗證結果表明該係統使電樞電流脈動小
，運行平滑、調速範圍寬、低速性能好
、硬件電路簡單、可靠性高。在不增加硬件的情況下可方便實現四象限運行。同時增加管子直通故障軟件、硬件保護、驅動及泵升電壓電路保護等措施。為整個係統的多功能智能化提供了必要的條件。