IR2110在開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用

蘇瑜田， 董學(xué)平， 徐霄翔

（合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

驅(qū)動(dòng)絕緣柵雙極晶體管IGBT或場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET，需要專門的驅(qū)動(dòng)模塊，常見的有EXB841系列、M57962等，但其只能驅(qū)動(dòng)單個(gè)功率管，且每路驅(qū)動(dòng)都要一組輔助電源，這就使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜。IR2110是美國(guó)國(guó)際整流器公司于20世紀(jì)90年代研制的大功率開關(guān)管專用驅(qū)動(dòng)集成電路，現(xiàn)已在很多領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用，如開關(guān)電源半橋變換器、直流無(wú)刷電機(jī)的橋式驅(qū)動(dòng)電路、步進(jìn)電機(jī)及逆變器的驅(qū)動(dòng)電路等［1－2］。該器件是雙通道高壓、高速功率器件柵極驅(qū)動(dòng)，對(duì)于8管構(gòu)成的8／6極開關(guān)磁阻電機(jī)功率變換電路，采用4片IR2110驅(qū)動(dòng)4個(gè)橋臂，僅需1路10～20V的電源，這樣在實(shí)際應(yīng)用中簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)，有利于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1 IR2110模塊簡(jiǎn)介

圖1所示為IR2110結(jié)構(gòu)框圖，其內(nèi)部有1個(gè)邏輯信號(hào)輸入級(jí)及2個(gè)獨(dú)立的、分別以高壓、低壓為基準(zhǔn)的輸出通道，主要構(gòu)成如下：3個(gè)獨(dú)立的施密特觸發(fā)器、2個(gè)RS觸發(fā)器、2個(gè)／電平轉(zhuǎn)換器、1個(gè)脈沖放大環(huán)節(jié)、1個(gè)脈沖濾波環(huán)節(jié)、1個(gè)高壓電平轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)及2個(gè)或非門、6個(gè)MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管、1個(gè)具有反相輸出的與非門、1個(gè)反相器和1個(gè)邏輯網(wǎng)絡(luò)等。該器件的邏輯電源電壓范圍為10～20V，邏輯電源地與功率地之間最大偏移量可有±5V，工作頻率可高達(dá)500kHz，上橋臂通道可承受500V的高壓，上管采用外部自舉電容上電，使得驅(qū)動(dòng)電源數(shù)比其他驅(qū)動(dòng)模塊大大減少［3－4］。

圖1 IR2110內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

2 在開關(guān)磁阻電機(jī)中的應(yīng)用

2.1 自舉原理

圖2所示為IR2110的典型外圍自舉電路。假設(shè)換相期間，電源通過(guò)自舉二級(jí)管D1給自舉電容C1充電，充電回路為－D1－C1－負(fù)載線圈L1－Q2－電源地。當(dāng)某一相開通時(shí)，若此時(shí)HIN輸出為高，自舉電容C1在上一次換相期間已經(jīng)完成充電，使得在VB和VS之間形成一個(gè)懸浮電源，給上端功率管Q1供電；當(dāng)HIN輸出為低，柵極電容通過(guò)柵源電阻R2放電并可將Q1關(guān)斷。自舉電路的存在使同一橋臂上下功率管驅(qū)動(dòng)電路只需1路外接電源。

實(shí)踐表明，自舉電容對(duì)自舉電路的正常工作起著至關(guān)重要的作用。自舉電容的容量取決于功率管斬波頻率、柵極電荷及柵源極漏電流等的需要。上述自舉電路若要正常工作，首先要設(shè)計(jì)好該電容值，保證該值能為自舉電容提供最小電荷量，即

其中，Qg為功率管柵極電荷；為每個(gè)工作周期內(nèi)電路的轉(zhuǎn)移電荷（IR2110為5nC）；為靜止電流為自舉電容漏電流；f為功率管工作頻率。

圖2 典型自舉電路

為保證自舉電容在斬波期間能給功率管提供足夠的導(dǎo)通電壓且有一定的裕量，電容常取值如下：

其中，Vf為自舉二極管正向壓降為功率管壓降為VB和VS之間的最小電壓［5］。本試驗(yàn)中功率管選用型號(hào)為IRG4BC20KD的IGBT，其柵極電荷Qg＝134nC＝20V，工作頻率f＝1kHz。通過(guò)計(jì)算可得C1≥0.32μF，可選容值為0.56μF的陶瓷電容。在上管Q1開通時(shí)，自舉二極管應(yīng)能阻斷直流干線上的高壓，同時(shí)能夠快速恢復(fù)以減少自舉電容向VC回饋電荷，初步可定為快恢復(fù)二極管，其參數(shù)選擇標(biāo)準(zhǔn)為：反向耐壓值大于主電路電壓；反向最大恢復(fù)時(shí)間大約為400ns；所承受電流為柵極電荷與開關(guān)頻率之積。本文選擇FR107，其＝1 000V，If＝1A＝500ns。

2.2 改進(jìn)型自舉回路

對(duì)于開關(guān)磁阻電機(jī)，由于繞線電感的存在，所以要在功率管關(guān)斷瞬間為負(fù)載線圈提供續(xù)流回路。在典型自舉電路中，自舉電容通過(guò)線圈形成充電回路，電容不斷地充放電，加上功率管不斷地?cái)夭ǎ瑹o(wú)形中增加了線圈兩端續(xù)流管的工作量，加快其升溫。本試驗(yàn)添加了新型自舉回路，即為圖3中由場(chǎng)效應(yīng)管Q3與二極管D5組成的回路。改進(jìn)型自舉回路特點(diǎn)如下：

（1）采用1路帶有場(chǎng)效應(yīng)管的回路取代線圈充當(dāng)自舉回路；LO輸出控制場(chǎng)效應(yīng)管Q3通斷。

（2）去掉下管IGBT，進(jìn)行單管斬波，圖3中該位置已用導(dǎo)線直通，使得線圈下端直接與電源地相連。

當(dāng)LO輸出為高，Q3開通并且將VS電位拉低，由于線圈處于工作狀態(tài)而存在端電壓，電容可經(jīng)該場(chǎng)效應(yīng)管回路進(jìn)行充電，圖4為典型電路與改進(jìn)型電路中自舉電容C1充電路徑簡(jiǎn)化示意圖。由圖可見，改進(jìn)型電路中電容的充電不經(jīng)過(guò)負(fù)載線圈，從而減輕線圈兩端續(xù)流管的工作量。本文中二極管D5選用高速開關(guān)二極管IN4148，其反向恢復(fù)時(shí)間為＝75ns；三極管Q3選用開關(guān)型場(chǎng)效應(yīng)管IRF710，耐壓值＝400V。

圖3 改進(jìn)型自舉回路

圖4 兩種電路自舉電容充電回路簡(jiǎn)化圖

3 試驗(yàn)運(yùn)行與結(jié)果

本試驗(yàn)8／6極開關(guān)磁阻電機(jī)參數(shù)如下：額定電壓UN＝68V，額定電流IN＝5A，額定轉(zhuǎn)速N＝1 200r／min。本試驗(yàn)采用電壓斬波控制方式，即讓功率管工作在脈沖寬度調(diào)制（PWM）方式：脈沖周期T固定，通過(guò)調(diào)節(jié)PWM波的占空比，來(lái)調(diào)整加在線圈繞組兩端電壓的平均值，進(jìn)而改變繞組電流的大小，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。試驗(yàn)分為以下2種工作情況。

（1）HO與LO交替斬波。在某一相開通期間，讓HO與LO進(jìn)行交替斬波，圖5所示為HIN、LIN輸入端波形。當(dāng)HO輸出為高、LO輸出為低，上管Q1進(jìn)行斬波，此時(shí)自舉電容相當(dāng)于電壓源，給柵極電容充電并使Q1導(dǎo)通；當(dāng)HO輸出為低、LO輸出為高，Q1關(guān)閉，場(chǎng)效應(yīng)管Q3導(dǎo)通，VS被拉低并充當(dāng)充電回路，為自舉電容充電。圖6所示為當(dāng)電機(jī)正常工作時(shí)Q1的柵源波形，此時(shí)占空比為40%，轉(zhuǎn)速為519r／min。

圖5 輸入端HIN、LIN的交替波形

圖6 上管柵源波形

（2）HO斬波，LO直通。電機(jī)工作于此方式，僅當(dāng)換相期間將LO拉高，如圖7中下端直線所示。LO輸出為高，管Q3導(dǎo)通并拉低VS電位，使得自舉電容在換相期間快速充電，當(dāng)HO輸出為高即上管開始斬波時(shí)，自舉電容為上管提供開啟電壓。這種工作方式要保證電容每次充電電壓能夠達(dá)到上管開啟電壓且能維持至本次斬波結(jié)束。試驗(yàn)中當(dāng)自舉電容容值選為0.1μF時(shí)，由于充電電壓不夠，上管并未有效開通，電機(jī)也就不能運(yùn)轉(zhuǎn)（圖5～圖7均由型號(hào)為TDS1012B的示波器獲?。?。

圖7 上管斬波、下管直通

為了突出試驗(yàn)效果，本文還對(duì)相關(guān)參數(shù)做了比較。表1為典型電路與改進(jìn)型電路（方式2）中當(dāng)占空比分別為20%、40%、60%，80%時(shí)電機(jī)空載轉(zhuǎn)動(dòng)噪音的對(duì)比結(jié)果。表2所列為電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)0.5、1.0、1.5、2.0h后測(cè)得的電機(jī)本體和續(xù)流管溫度變化的對(duì)比結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相比于典型電路，改進(jìn)型電路用場(chǎng)效應(yīng)管代替下管大功率IGBT，成本下降且便于控制；此外改進(jìn)型電路采用單管斬波，電磁噪音較小，電機(jī)主體與續(xù)流管發(fā)熱也較為緩慢；相比于方式1，方式2在每個(gè)工作周期內(nèi)，由于減少了場(chǎng)效應(yīng)管開關(guān)次數(shù)，使得其升溫速度比方式1緩慢。

表1 電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)2種電路噪音對(duì)比 dB

表2 2種電路下電機(jī)／續(xù)流管溫度對(duì)比 ℃

4 結(jié)束語(yǔ)

IR2110帶有自舉回路，可以大大簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，其快速完整的保護(hù)功能可以提高控制系統(tǒng)的可靠性。試驗(yàn)表明，通過(guò)改進(jìn)型自舉回路，一方面可以很好地解決續(xù)流管和電機(jī)本身升溫快等問題，另一方面又可以簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。此外若設(shè)計(jì)好尖峰吸收與過(guò)流欠壓等保護(hù)電路，該改進(jìn)型開關(guān)磁阻電機(jī)完全可以運(yùn)用到空調(diào)室外機(jī)或電動(dòng)車等設(shè)備當(dāng)中［6－8］。

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