基于IGBT的除顫能量發(fā)生器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

鄭越，王曉飛，邵海明，張煌輝，張文飛

（1.北京信息科技大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京 100192；2.中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100013；3.福建省計(jì)量科學(xué)研究院，福州 350003；4.北京航空航天大學(xué)，儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京 100191）

0 引 言

除顫能量發(fā)生器可用來產(chǎn)生單、雙相波形。2013年研制的國(guó)內(nèi)第一臺(tái)BeneHeart D6精度（±2 J或±15%，取較大者）與除顫儀“鼻祖”美國(guó)ZOLL的M-series除顫監(jiān)護(hù)儀的能量精度（±3 J或±15%，取較大者）相當(dāng)?？梢哉f，國(guó)產(chǎn)除顫儀的能量精度已經(jīng)達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。隨著除顫器用途越來越廣泛，在與除顫器檢測(cè)相關(guān)的除顫分析儀方面，國(guó)內(nèi)沒有相關(guān)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，這與除顫器在使用中是否可靠、是否安全息息相關(guān)。因此有必要研制除顫能量發(fā)生器，用于校準(zhǔn)除顫能量分析儀的相關(guān)研究［1］。

本文是除顫能量發(fā)生器課題中產(chǎn)生單相波的電路控制系統(tǒng)部分。除顫脈沖能量發(fā)生器要產(chǎn)生單、雙相波，開關(guān)控制電路是難點(diǎn)之一。IGBT廣泛應(yīng)用于電力、航天、電動(dòng)汽車、伺服控制器、UPS、電源、斬波電源、無軌電車等，除顫脈沖能量發(fā)生器也主要采用大功率管的繼電器（SSR）進(jìn)行控制。本文采用復(fù)合了功率場(chǎng)效應(yīng)管和晶體管的IGBT實(shí)現(xiàn)電路控制，它具有輸入阻抗高、工作速度快、熱穩(wěn)定性好、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、通態(tài)電壓低、耐壓高和承受電流大等優(yōu)點(diǎn)［2］。

1 除顫器工作原理

除顫器多采用RLC阻尼振蕩放電的原理進(jìn)行電擊除顫。在除顫瞬間釋放高壓脈沖電流，一般持續(xù)時(shí)間為4 ms～10 ms，釋放能量為 2 J～400 J（單相波）、2 J～200 J（雙相波）［3］（見圖1）。

圖1 除顫器原理圖Fig.1 Principle schematic diagram of defibrillator

電壓變換器將除顫器電源提供的低壓直流電轉(zhuǎn)換成脈沖高壓，然后經(jīng)高壓整流后向除顫器的儲(chǔ)能電容C充電，當(dāng)電容存儲(chǔ)能量達(dá)到預(yù)先設(shè)定值后充電電路控制開關(guān)斷開。除顫時(shí)，放電電路控制開關(guān)閉合，儲(chǔ)能電容C、電感L、以及負(fù)載電阻R（R電阻之和）串聯(lián)接通，使之構(gòu)成RLC諧振衰減電路，即阻尼振蕩放電電路，此時(shí)除顫器釋放除顫電流［4］。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1 整體方案設(shè)計(jì)

IGBT開關(guān)電路控制系統(tǒng)主要由ARM嵌入式開發(fā)板、電源、儲(chǔ)能電容、IGBT控制電路、示波器及其計(jì)算機(jī)（PC機(jī)）構(gòu)成，系統(tǒng)整體方案框圖如圖2。

系統(tǒng)工作時(shí)，電源給電容充電。充電完成后，將開關(guān)斷開，利用STM32輸出PWM信號(hào)控制驅(qū)動(dòng)電路輸出，從而控制IGBT導(dǎo)通與中斷，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能電容周期性的充放電。最后采用示波器測(cè)量形成單相波衰減波形，圖中電阻為50Ω模擬電阻。

圖2 IGBT控制系統(tǒng)框圖Fig.2 Block diagram of IGBT control system

2.2 IGBT硬件方案設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)分為供電電源設(shè)計(jì)、柵極驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)、三極管控制IR2117分析、電路仿真等4部分組成。設(shè)計(jì)的IGBT控制電路系統(tǒng)，電路原理圖如圖3所示。

圖3 IGBT硬件控制電路Fig.3 Overall circuit diagram of IGBT hardware control

2.2.1 供電電源設(shè)計(jì)

DG1為變壓器，將 220 V電壓降為 15 V；KBU808為整流橋，其內(nèi)部主要是由四個(gè)二極管組成的橋路來實(shí)現(xiàn)把輸入的交流電壓轉(zhuǎn)化為輸出的直流電壓；LM7815和LM7915為線性穩(wěn)壓集成電路，中間增加電容用來濾波，輸出穩(wěn)定的±15 V，給IGBT電路外部供電（見圖4）。

2.2.2 柵極驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

柵極驅(qū)動(dòng)電路的作用是驅(qū)動(dòng)IGBT正常工作，要求在給定PWM信號(hào)電平下，合理設(shè)計(jì)柵極驅(qū)動(dòng)電路的輸出，滿足驅(qū)動(dòng)要求。工程應(yīng)用表明，大容量IGBT器件的故障損壞率比小電流的IGBT器件高得多，而驅(qū)動(dòng)和隔離引起的IGBT的損毀大約在30%以上［5］。由于IGBT自身特性，在負(fù)載短路或者過流的情況下，可能導(dǎo)致器件超過熱極限、電流擎住效應(yīng)、關(guān)斷過電壓等造成IGBT無法正常工作，因此對(duì)驅(qū)動(dòng)電路提出了很高的要求。

圖4 電源供電電路Fig.4 Power supply circuit

本文采用IR2117柵極驅(qū)動(dòng)器件，該器件是專為驅(qū)動(dòng)單個(gè)MOSFET或IGBT而設(shè)計(jì)的柵極驅(qū)動(dòng)器，其輸入與標(biāo)準(zhǔn)的CMOS電平兼容，輸出驅(qū)動(dòng)特性可滿足交叉導(dǎo)通時(shí)間最短的大電流驅(qū)動(dòng)輸出級(jí)的設(shè)計(jì)要求。懸浮通道與自舉技術(shù)的應(yīng)用使其可直接用來驅(qū)動(dòng)一個(gè)工作于母線電壓高達(dá)600 V的、在高邊或低端工作的 N溝道 MOSFET或 IGBT［6］。

C2、C3為濾波電容，C4、C5為自舉電容，VB和VCC利用自舉技術(shù)產(chǎn)生時(shí)，此端分別通過電容和二極管連接到VS端；采用2N5551三極管，給予PWM信號(hào)控制IR2117，要求三極管工作在線性區(qū)域；二極管BYV26C和SB560為快恢復(fù)性二極管，它的特點(diǎn)是反向恢復(fù)時(shí)間很短；柵極電阻一般為20Ω～50Ω，此次設(shè)計(jì)使用50Ω電阻，IGBT的柵極驅(qū)動(dòng)電壓VCE通常推薦使用+15 V［7］。采用ARM嵌入式開發(fā)板，處理器為STM32F103ZET6，設(shè)置PWM信號(hào)為開漏輸出，并輸出PWM信號(hào)；IGBT采用N溝道耗盡型美國(guó)電報(bào)半導(dǎo)體IXBH12N300，它的集電極發(fā)射級(jí)擊穿電壓高達(dá)3 000 V，集電極電流30 A，具有良好的電氣特性，符合開關(guān)電路控制要求。

2.2.3 2N5551控制 IR2117分析

采用 Multisim仿真 2N5551，經(jīng)計(jì)算，常溫下2N5551的放大倍數(shù)β＝116。STM32輸出為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)示波器測(cè)量，電壓分別是3.3 V和0 V。

根據(jù)三極管放大特性及其相關(guān)公式，基極電流：

經(jīng)計(jì)算，基極電流IBQ＝（3.3-0.7）V／200 kΩ＝0.013 mA。

集電極電流：

經(jīng)計(jì)算，集電極電流ICQ＝116×0.0113 mA＝1.5 mA。

三極管工作在放大區(qū)，則：

根據(jù)IR2117手冊(cè)邏輯電平說明，當(dāng)三極管導(dǎo)通時(shí)，IR2117必須低于6 V電壓。因此端口2處電壓取5 V滿足條件，于是：

經(jīng)計(jì)算UCQ＝5 V，最后得R2+R4＝3.3 kΩ，取R4＝300Ω，此時(shí)R2＝3 kΩ。根據(jù)IR2117驅(qū)動(dòng)要求：

取R1＝6 kΩ，此時(shí)電流I2＝1.67 mA。所以I2117＝（1.67-1.5）μA＝170μA，符合驅(qū)動(dòng)電路要求［8］。

2.2.4 IGBT控制電路仿真

為了進(jìn)一步分析IGBT電路，對(duì)其進(jìn)行仿真，觀察放電時(shí)間常數(shù)。由電路理論，得知電阻上的波形為一階RC函數(shù)，電容上的電壓隨著時(shí)間的變化，得到指數(shù)函數(shù)公式：

當(dāng)t＝2RC時(shí)，Vt＝0.14Vc；當(dāng)t＝5RC時(shí)，Vt＝0.01Vc；時(shí)間大概為5個(gè)周期時(shí)，可以視為波形結(jié)束。

放電時(shí)間常數(shù)：

模擬阻抗R＝50Ω，充電電容C＝100μF，帶入公式（7），得：

馮道知曉自己的處境，處事圓滑，避難以存身。據(jù)史書所載馮道的幾則故事，可見其處事圓滑、善于揣摩上意，后晉高祖曾以兵事問馮道，他答道：“臣本自書生，為陛下在中書，守歷代成規(guī)，不敢有一毫之失也。臣在（后唐）明宗朝，曾以戎事問臣，臣亦以斯言答之。 ”〔4〕（卷一百二十六，P3869）武夫當(dāng)權(quán)的時(shí)代文人的地位本就低微，馮道很清楚君王不愿意文人過多參問軍機(jī)要?jiǎng)?wù)，含糊其辭、蒙混過關(guān)無疑是最佳的明哲保身之計(jì)。

運(yùn)用Multisim 11.0對(duì)IGBT控制電路進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖5所示。

圖5 IGBT電路放電時(shí)間仿真結(jié)果Fig.5 IGBT circuit discharge time simulation results

根據(jù)前述原理描述，2個(gè)周期T內(nèi)，放電Vt＝0.14Vc。從仿真結(jié)果看T1對(duì)應(yīng)的實(shí)際電壓28.9 V，衰減穩(wěn)定后電壓T2為 4.01 V，經(jīng)計(jì)算得 4／29×100% ＝13.7%，耗時(shí) 11.1 ms，與理論基本吻合。

2.3 軟件方案設(shè)計(jì)

IGBT的控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)在Keil uVision3下的Real View MDK-ARM 3.0開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行開發(fā)，使用C語言進(jìn)行編寫，編譯后通過mcuisp下載到ARM單片機(jī)的flash中。

計(jì)算機(jī)通過編程發(fā)送控制數(shù)據(jù)給STM32單片機(jī)，STM32輸出周期性占空比為50%的PWM信號(hào)，從而控制IGBT導(dǎo)通與中斷，最終產(chǎn)生單相衰減波形（見圖6）。

脈沖寬度調(diào)制（PWM），簡(jiǎn)稱脈寬調(diào)制，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)。

設(shè)計(jì)PWM軟件，需要設(shè)計(jì)定時(shí)器，定時(shí)器的一個(gè)主要功能就是到指定時(shí)間就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)溢出事件，這個(gè)時(shí)間的設(shè)置與定時(shí)器時(shí)鐘有關(guān)，在定時(shí)器時(shí)鐘基礎(chǔ)上進(jìn)行預(yù)分頻，設(shè)置計(jì)數(shù)溢出大小。STM32的定時(shí)器除了TIM6和TIM7之外，其他的定時(shí)器都可以用來產(chǎn)生PWM輸出。其中，高級(jí)定時(shí)器TIM1和TIM8能夠產(chǎn)生3對(duì)PWM互補(bǔ)輸出，而TIM2-TIM5也能同時(shí)產(chǎn)生4路的PWM輸出。本文選用TIM3通用定時(shí)器，編寫程序輸出PWM信號(hào)，占空比設(shè)置50%，脈沖寬度200 ms，脈沖寬度公式如下：

式中72 MHz為STM32單片機(jī)的時(shí)鐘頻率，TIM_PRE為預(yù)分頻系數(shù)，TIM_PER為計(jì)數(shù)器溢出大?。?］。

圖6 IGBT控制系統(tǒng)軟件流程圖Fig.6 Software flow chart of IGBT control system

3 實(shí)驗(yàn)與討論

3.1 IGBT控制系統(tǒng)調(diào)試

將IGBT控制板與STM32主控制電路、充電電容、線性供電電源、模擬阻抗和示波器組成控制系統(tǒng)，測(cè)定釋放的單相波放電時(shí)間，控制系統(tǒng)如圖7所示。將示波器顯示的單相波波形放大，如圖8所示。

由圖8知，IGBT控制電路板調(diào)試后出現(xiàn)穩(wěn)定的單相指數(shù)衰減波形。因示波器無法測(cè)量高達(dá)上千伏的電壓，需接分壓電阻，示波器顯示電壓55 V，其中，電阻分壓比為50∶1，峰值電壓高達(dá) 2 750 V。由FLUKE 7000DP的測(cè)量參數(shù)，顯示峰值電壓為2 740 V，基本與示波器換算來的電壓值一致。圖中每格2 ms，可看出放電時(shí)間為10 ms。

圖7 IGBT控制的單相波產(chǎn)生電路Fig.7 Single phase wave testing circuit by IGBT control

圖8 除顫脈沖單相波波形Fig.8 Single phase waveform of defibrillation pulse

3.2 IGBT控制系統(tǒng)重復(fù)性實(shí)驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證除顫脈沖單相波控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對(duì)IGBT控制的電路系統(tǒng)進(jìn)行重復(fù)性實(shí)驗(yàn)。

重復(fù)性是指“在相同測(cè)量條件下，對(duì)同一被測(cè)量進(jìn)行連續(xù)多次測(cè)量所得結(jié)果之間的一致性［10］。計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)對(duì)選定的被測(cè)對(duì)象進(jìn)行n次重復(fù)測(cè)量（一般要求n不少于10次），重復(fù)性試驗(yàn)使用單次測(cè)量值實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差S（x）。在貝塞爾公式中是計(jì)算x的和，保留了所有隨機(jī)效應(yīng)的成分。其公式為：

式中為取樣值的平均值

取釋放的能量值為 20 J、100 J、200 J、360 J四組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，覆蓋高、低量程。以FLUKE 7000DP分析儀為模擬負(fù)載，分別記錄10組單相波能量值。

表1 IGBT控制系統(tǒng)釋放單相波能量測(cè)量值Tab.1 IGBT control system energy of single phase wave

表2 不同能量測(cè)量值的計(jì)算數(shù)據(jù)Tab.2 Calculation data for different energy measurements

通過以上分析，得到四種能量下的標(biāo)準(zhǔn)偏差（精度）E＜1.5 J。查閱相關(guān)產(chǎn)品手冊(cè)，列舉國(guó)外主流型號(hào)的除顫分析儀能量精度，驗(yàn)證除顫控制系統(tǒng)的能量標(biāo)準(zhǔn)偏差（精度）是否達(dá)到要求。

表3 不同除顫分析儀的能量精度Tab.3 Accuracy of different defibrillation energy analyzer

由表3知：當(dāng)E＜100 J時(shí)（取20 J），F(xiàn)LUKE分析儀的精度為±0.3 J，ALK phase 3分析儀的精度為±0.2 J，此時(shí) IGBT控制系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差僅為0.12 J，其他分析儀精度為±2 J。當(dāng)E＞100 J時(shí)（取360 J），Bio-Tek QED-6最大為 ±2%讀數(shù) ±0.1 J，對(duì)應(yīng)的能量精度為±7.3 J，此時(shí)IGBT控制系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差僅為1.48 J。因此，由IGBT設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)產(chǎn)生的單相波能量精度完全滿足除顫分析儀的校準(zhǔn)要求。

4 結(jié)束語

除顫能量發(fā)生器開關(guān)電路控制需要精確的導(dǎo)通和中斷，采用IGBT設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了放電電路產(chǎn)生穩(wěn)定單相波的功能，實(shí)際放電時(shí)間常數(shù)10 ms，符合理論要求。設(shè)計(jì)的供電電源可以穩(wěn)定輸出15 V電壓，可以作為調(diào)試電路的供電電源使用。將設(shè)計(jì)的IGBT控制系統(tǒng)進(jìn)行重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，得出單相除顫能量的標(biāo)準(zhǔn)偏差＜1.5 J，與商用除顫分析儀的能量精度進(jìn)行對(duì)比，完全滿足市面上常用的商用除顫分析儀校準(zhǔn)要求。綜合來看，所設(shè)計(jì)的IGBT的除顫能量發(fā)生器電路控制系統(tǒng)，電路性能穩(wěn)定，結(jié)果可靠，重復(fù)性好。同時(shí)，為后續(xù)開展全橋逆變電路和設(shè)計(jì)高精度的脈沖分流分壓器進(jìn)行能量數(shù)據(jù)采集提供基礎(chǔ)。