TLP250功率驅(qū)動(dòng)模塊在IRF840 MOSFET中的應(yīng)用

引言

功率集成電路驅(qū)動(dòng)模塊是微電子技術(shù)和電力電子技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，其基本功能是使動(dòng)力和信息合一，成為機(jī)和電的關(guān)鍵接口。快速電力電子器件mosfet的出現(xiàn)，為斬波頻率的提高創(chuàng)造了條件，提高斬波頻率可以減少低頻諧波分量，降低對(duì)濾波元器件的要求，減少了體積和重量。采用自關(guān)斷器件，省去了換流回路，又可提高斬波器的頻率。

直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁回路和電樞回路電流的自動(dòng)調(diào)節(jié)常常采用功率mosfet。功率mosfet是一種多子導(dǎo)電的單極型電壓控制器件，具有開(kāi)關(guān)速度快、高頻特性好、熱穩(wěn)定性優(yōu)良、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、驅(qū)動(dòng)功率小、安全工作區(qū)寬、無(wú)二次擊穿問(wèn)題等顯著優(yōu)點(diǎn)。目前，功率mosfet的指標(biāo)達(dá)到耐壓600v、電流70a、工作頻率100khz的水平，在開(kāi)關(guān)電源、辦公設(shè)備、中小功率電機(jī)調(diào)速中得到廣泛的應(yīng)用，使功率變換裝置實(shí)現(xiàn)高效率和小型化。

因?yàn)橹麟娐冯妷壕鶠楦唠妷?、大電流情況，而控制單元為弱電電路，所以它們之間必須采取光電隔離措施，以提高系統(tǒng)抗干擾措施，可采用帶光電隔離的mosfet驅(qū)動(dòng)芯片tlp250。光耦tlp250是一種可直接驅(qū)動(dòng)小功率mosfet和igbt的功率型光耦，由日本東芝公司生產(chǎn)，其最大驅(qū)動(dòng)能力達(dá)1.5a。選用tlp250光耦既保證了功率驅(qū)動(dòng)電路與pwm脈寬調(diào)制電路的可靠隔離，又具備了直接驅(qū)動(dòng)mosfet的能力，使驅(qū)動(dòng)電路特別簡(jiǎn)單。

tlp250的結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

功率mosfet驅(qū)動(dòng)的難點(diǎn)主要體現(xiàn)在功率器件的特性、吸收回路和柵極驅(qū)動(dòng)等方面，下面首先介紹tlp250的結(jié)構(gòu)和引腳使用方法，然后分別介紹以上各項(xiàng)。

tlp250功率器件

東芝公司的專用集成功率驅(qū)動(dòng)模塊tlp250包含一個(gè)gaa1as光發(fā)射二極管和一個(gè)集成光探測(cè)器，是8腳雙列封裝，適合于igbt或功率mosfet柵極驅(qū)動(dòng)電路。tlp250的管腳如圖1所示。

tlp250驅(qū)動(dòng)主要具備以下特征：輸入閾值電流if=5ma(max)；電源電流icc=11ma(max)；電源電壓(vcc)=10～35v；輸出電流io=±0.5a(min)；開(kāi)關(guān)時(shí)間tplh/tphl=0.5μs(max)。

基于tms320lf2407 dsp、tlp250、irf840 mosfet柵極驅(qū)動(dòng)電路的直流調(diào)速系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，如何對(duì)功率器件irf840進(jìn)行驅(qū)動(dòng)是至關(guān)重要的，必須首先對(duì)此問(wèn)題加以解決，然后才能在此基礎(chǔ)上對(duì)控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)。

功率mosfet的開(kāi)關(guān)特性

irf840 mosfet電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管在導(dǎo)通時(shí)只有一種極性的載流子(多數(shù)載流子)參與導(dǎo)電，是單極型晶體管。電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管是用柵極電壓來(lái)控制漏極電流的，因此它的一個(gè)顯著特點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，驅(qū)動(dòng)功率小。其第二個(gè)顯著特點(diǎn)是開(kāi)關(guān)速度快，工作頻率高，電力mosfet的工作頻率在下降時(shí)間主要由輸入回路時(shí)間常數(shù)決定。

mosfet的開(kāi)關(guān)速度和其輸入電容的充放電有很大關(guān)系。使用者雖然無(wú)法降低cin的值，但可以降低柵極驅(qū)動(dòng)回路信號(hào)源內(nèi)阻rs的值，從而減小柵極回路的充放電時(shí)間常數(shù)，加快開(kāi)關(guān)速度。

irf 840為單極型器件，沒(méi)有少數(shù)載流子的存儲(chǔ)效應(yīng)，輸入阻抗高，因而開(kāi)關(guān)速度可以提高，驅(qū)動(dòng)功率小，電路簡(jiǎn)單。但是，功率mosfet的極間電容較大，因而工作速度和驅(qū)動(dòng)源內(nèi)阻抗有關(guān)。和gtr相似，功率mosfet的柵極驅(qū)動(dòng)也需要考慮保護(hù)、隔離等問(wèn)題。

吸收回路的設(shè)計(jì)

柵極驅(qū)動(dòng)電路是勵(lì)磁回路和控制電路之間的接口，是勵(lì)磁回路控制裝置的重要環(huán)節(jié)，對(duì)整個(gè)控制性能有很大的影響。采用性能良好的吸收電路，可使功率mosfet工作在較理想的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，縮短開(kāi)關(guān)時(shí)間，減少開(kāi)關(guān)損耗，對(duì)裝置的運(yùn)行效率、可靠性、安全性都有重要的意義。另外，許多保護(hù)環(huán)節(jié)設(shè)在驅(qū)動(dòng)電路或通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，也使得驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)更為重要。

電力mosfet是電壓控制型器件，靜態(tài)時(shí)幾乎不需要輸入電流，但由于柵極輸入電容cin的存在，在開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程中仍需要一定的驅(qū)動(dòng)電流來(lái)給輸入電容充放電。柵極電壓ug的上升時(shí)間tr和采用放電阻止型緩沖電路，其緩沖電路電容cs可由式(1)求得。

(1)式中，l為主回路雜散電感；i0為igbt關(guān)斷時(shí)的漏極電流；vcep為緩沖電容cs的電壓穩(wěn)態(tài)值；ed為直流電源電壓。緩沖電路電阻rs的選擇是按希望mosfet在關(guān)斷信號(hào)到來(lái)之前，將緩沖電容所積累的電荷放凈?？捎墒?2)估算。
(2)式中，f為開(kāi)關(guān)頻率。

如果緩沖電路電阻過(guò)小，會(huì)使電流波動(dòng)，mosfet開(kāi)通時(shí)的漏極電流初始值將會(huì)增大，因此，希望選取盡可能大的電阻，緩沖電阻上的功耗與其阻值無(wú)關(guān)，可由式(3)求出。

(3)式中，ls是緩沖電路的電感。
經(jīng)計(jì)算、匹配，選取圖2所示的緩沖電路和參數(shù)。

控制器的設(shè)計(jì)

控制器的設(shè)計(jì)主要包括硬件控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和軟件的實(shí)現(xiàn)，下面從這兩方面加以闡述。

轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制器的硬件設(shè)計(jì)
(1)整流回路的設(shè)計(jì)

直流電動(dòng)機(jī)獲得直流電源是通過(guò)整流電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的，本系統(tǒng)采用rs507型單相橋式集成整流電路。由于橋式整流電路實(shí)現(xiàn)了全波整流電路，它將整流信號(hào)的負(fù)半周也利用起來(lái)，所以在變壓器副邊電壓有效值相同的情況下，輸出電壓的平均值是半波整流電路的兩倍，見(jiàn)式(4)。

(2)硬件整體回路的設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的硬件整體結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，可見(jiàn)強(qiáng)電和弱電的分離是通過(guò)tlp250來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其pwm控制信號(hào)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)控制算法的解算之后，由tms320lf2407的pwm口輸出。經(jīng)過(guò)tlp250光耦，放大、整形之后驅(qū)動(dòng)功率mosfet(irf840)。輸入電樞繞組的直流電壓經(jīng)過(guò)pwm斬波調(diào)制之后，形成所需的控制直流電壓。正是通過(guò)tlp250來(lái)驅(qū)動(dòng)功率器件的通斷，將設(shè)計(jì)者的控制思想通過(guò)功率器件的通斷來(lái)加以實(shí)現(xiàn)。

nr24穩(wěn)壓器為tlp250提供24v的穩(wěn)壓電源，保證其工作正常。當(dāng)然，pwm信號(hào)是通過(guò)軟件運(yùn)算通過(guò)tms320lf2407器件來(lái)輸出的，這里由于篇幅所限，讀者可參考相應(yīng)的書(shū)籍。

● 轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制器的設(shè)計(jì)

(1)直流pwm脈寬調(diào)制技術(shù)
與傳統(tǒng)的直流調(diào)速技術(shù)相比較，pwm(脈寬調(diào)制技術(shù))直流調(diào)速系統(tǒng)具有較大的優(yōu)越性：主電路線路簡(jiǎn)單，需要的功率元件少；開(kāi)關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗和發(fā)熱都較?。坏退傩阅芎?，穩(wěn)速精度高，因而調(diào)速范圍寬；系統(tǒng)頻帶寬，快速響應(yīng)性能好，動(dòng)態(tài)抗干擾能力強(qiáng)；主電路元件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，裝置效率高。

本系統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)回路采用門(mén)極可關(guān)斷功率全控式電力電子器件mosfet，改變其負(fù)載兩端的直流平均電壓的調(diào)制方法采用脈沖調(diào)寬的方式，即主開(kāi)關(guān)通斷的周期t保持不變，而每次通電時(shí)間t可變。實(shí)際上就是利用自關(guān)斷器件來(lái)實(shí)現(xiàn)通斷控制，將直流電源電壓斷續(xù)加到負(fù)載上，通過(guò)通、斷的時(shí)間變化來(lái)改變負(fù)載電壓平均值，亦稱直流-直流變換器。

(2)數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)
圖4給出了轉(zhuǎn)速數(shù)字控制器的結(jié)構(gòu)。為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行串級(jí)聯(lián)接。這就是說(shuō)，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制irf840 mosfet的觸發(fā)裝置，即tlp250輸入的pwm的占空比。

為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個(gè)調(diào)節(jié)器采用數(shù)字式pi調(diào)節(jié)器。計(jì)算如式(5)所示。

u(k)=kpe(k)+kltsame(k)+ul(k-l) (5)
其中，tsam為采樣周期。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)設(shè)定電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制值為1500轉(zhuǎn)/分，電樞繞組的電阻為3.3ω。到穩(wěn)態(tài)的動(dòng)態(tài)波形經(jīng)過(guò)gould data sys 944a示波器觀測(cè)如圖5所示?？梢?jiàn)經(jīng)過(guò)600ms即迅速建立到穩(wěn)態(tài)，穩(wěn)態(tài)精度為0.5%，靜態(tài)誤差僅為1～2轉(zhuǎn)/分。為了防止啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速超調(diào)，將比例系數(shù)p取得較小。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)功率mosfet器件在直流電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中得到了較好的應(yīng)用。

同時(shí)通過(guò)觀測(cè)電樞回路續(xù)流二極管兩端的電壓，可以發(fā)現(xiàn)吸收回路工作正常，續(xù)流二極管兩端波形如圖6所示。

實(shí)驗(yàn)調(diào)試過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)對(duì)以下事項(xiàng)加以注意：在主電路，應(yīng)當(dāng)對(duì)斬波芯片采取散熱措施，提高電路工作可靠性，應(yīng)加裝散熱片；為降低斬波電路中輸出電壓紋波，必須采取輸出濾波措施，可采取lc濾波；必須針對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行整定，從中找到對(duì)應(yīng)的合理輸出電流值，以提高控制精度。