【論文摘要】在無刷直流電動機伺服系統中，為了減小電動機的轉矩脈動，功率元件通常選IGBT，逆變頻率取20KHz～40KHz。本文在介紹IGBT的驅動和保護技術的基礎上，設計了一套經濟實用的IGBT驅動電路，獲得了滿意的效果。 1 引 言 絕緣門極雙極型晶體管（Isolated Gate Bipolar Transistor, IGBT）的驅動一般采用厚膜集成驅動器EXB840（841）等。但厚膜集成電路價格昂貴，而且雖然EXB840（841）具有過流關斷功能，但它不能徹底封鎖門極脈沖，在故障不消失情況下會出現每周期軟關斷保護一次的情況，由此產生的熱積累也會造成IGBT損壞[1]。 本文在分析IGBT的驅動和保護技術的基礎上，設計了一套IGBT驅動電路，并應用霍爾電流傳感器實現過流、短路保護，同時防止了故障不消失情況下出現每周期軟關斷保護一次的情況。 2 系統結構 該伺服系統為三閉環結構，轉速環、位置環由單片機實現，電流環由硬件實現。逆變器采用IGBT構成，系統硬件結構圖如圖1所示。 3 IGBT的驅動 IGBT驅動電路的設計主要應考慮如下因素：[2] （1）導通損耗 當IGBT開通時，升高基、射極電壓VGE會減小導通損耗，因此，工程設計中希望把VGE升高到器件手冊中最大的允許值，使導通損耗為最小，一般取VGE=15V。 （2）開關損耗 當IGBT開通和關斷時，開關損耗受VGE的高低和門極電阻RG的影響。增加VGE或減小RG會縮短器件的延遲時間、上升時間和下降時間，從而降低開關損耗。降低VGE或增加RG將導致開關損耗的增加，但能降低電磁輻射。選擇驅動電路時要綜合考慮。 （3）反并聯二極管開關損耗 減小二極管上di/dt的數值可以降低二極管的損耗，但這是以增加IGBT的損耗為代價的。在橋路結構中，還可以通過降低VGE開通IGBT的方法來減少反并聯二極管的損耗。 （4）驅動電路絕緣和控制信號傳輸 為了防止強電串入弱電電路，IGBT驅動電路與脈沖發生電路應采取隔離措施，如采用光電耦合器或脈沖變壓器傳輸控制信號。 4 IGBT的保護 （1）短路保護 有兩種形式的短路需要考慮：一種是器件開通時短路情況已經存在（典型波形如圖2所示）；另一種是器件開通期間出現了短路情況（典型波形如圖3所示）。 [align=center] [/align] 短路電流能通過降低基、射極兩端電壓VGE來減小，如果在短路電流上升時降低VGE使其小于15V，電路承受短路電流的時間會增加。基、射極兩端電壓為： VGE=C＊dv/dt＊RG+VG 。為了防止VGE過高，在門極、發射極兩端直接跨接兩個反向連接的穩壓二極管以限制VGE（如圖4所示）。 （2）過電壓保護 IGBT關斷時的換相過電壓，決定于主電路的雜散電感及關斷時的di/dt，在正常工作狀態時，di/dt較低，通常不會造成IGBT損壞，但在過電流故障狀態時，di/dt迅速增大，造成較高的過電壓，為此應盡量減小主回路的布線雜散電感。 （3）過電流保護 當過電流的倍數小于工作電流的2倍時，可采用瞬時封鎖門極脈沖的方法來實現保護。但當過電流的倍數較高，加瞬時封鎖門極脈沖會因-di/dt很大（2000A/μs～3000A/μs），在回路雜散電感上感應出較高的過電壓，造成IGBT擊穿損壞。為此應使門極正電壓在2～5μs內軟關斷下降至零電壓。 5 主電路 該伺服系統的主電路如圖5所示，其結構為常用的交-直-交型結構。圖中R為壓敏電阻，用于抑制浪涌電壓。C為濾波電容，其值取2200μF。 主回路中各功率IGBT按照電動機的換相信號分別導通[3]，屬于120º導通型。 6 驅動和保護電路 當IGBT用于功率小于5KW的場合時，驅動電路可以不必使用價格較昂貴的厚膜驅動電路。此外，為了避免EXB840（841）在故障不消失情況下出現每周期軟關斷保護一次的情況，在本系統的設計中采用分立元件構成驅動電路，具體電路如圖6所示。圖中CS為霍爾電流傳感器。在門極電路失電時為了泄放掉門極和發射極之間的電荷，在門極和發射極間引入電阻R7。 電路工作原理如下： （1）當光耦原邊有控制脈沖輸入時，光耦導通，V1基極電位下降，處于截止狀態，V3導通，V4截止，電源通過V3、R6給IGBT提供電流，使其迅速導通。 （2）當光耦原邊控制脈沖消失時，光耦截止，V1基極電位上升，處于導通狀態，V3截止，V4導通，IGBT柵極電荷通過V4、R6迅速放電，當IGBT柵極施加－5V反壓時，它可靠關斷。 （3）當IGBT出現短路故障時，霍爾電流傳感器CS流過一定的電流使V2飽和導通C2通過V2、R4放電，圖中A點電位慢慢下降，實現IGBT的慢關斷。只要故障存在，V2就不會退出飽和，不論有無控制脈沖IGBT都不會導通。故障消失時，V2恢復截止狀態，電路仍能正常工作。 IGBT的過電壓保護利用電壓檢測元件封鎖控制脈沖的方式實現。 7 仿真及實驗結果 仿真及實驗結果顯示，本系統所采取的驅動和保護措施是有效的。驅動電路輸出波形如圖7所示。 系統取得了+3脈沖/轉的控制精度（光電編碼器的分辨率為5000脈沖/轉），并且連續運行6個月未發生IGBT損壞現象。 參考文獻： [1] 王志良. 電力電子新器件及其應用技術. 北京：國防工業出版社，1995 [2] Mitel Corporation. 1998 Publication No. AN4507-1 Issue No. 1.3 . 1998 [3] 郭慶鼎，王成元. 交流伺服系統. 北京：機械工業出版社，1994 作者簡介： 侯景陽 男，1974年生，助教，現為電力電子與電力傳動專業研究生。 張慶范 男，1949年生，教授，中國電工技術學會、電力電子學會理事，主要從事電力電子技術的教學與科研工作。