基于IGBT管的電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)器

王強(qiáng) 周義勇 許桂林

（上海電控研究所，上海 200092）

一、概述

大功率直流電機(jī)目前廣泛應(yīng)用在各個(gè)工業(yè)場(chǎng)合中，由于直流電機(jī)屬于感性負(fù)載，傳統(tǒng)大功率電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)器在電機(jī)的運(yùn)行過程中，尤其在直流啟動(dòng)、轉(zhuǎn)向和關(guān)閉的瞬間，過大的電樞電流產(chǎn)生過大的電動(dòng)應(yīng)力，尤其直流電機(jī)在啟動(dòng)瞬間相當(dāng)于短路狀態(tài)，將會(huì)產(chǎn)生較大的電流尖峰，可能會(huì)出現(xiàn)危險(xiǎn)的火花燒壞整流子，損壞繞組。

二、研究?jī)?nèi)容

本文設(shè)計(jì)了一種具有軟啟動(dòng)／關(guān)斷功能的電子開關(guān)模塊，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)類感性負(fù)載的軟啟動(dòng)／關(guān)斷功能，有利于抑制直流電機(jī)的啟動(dòng)電流，減少直流輸出電壓的波動(dòng)，提高功率器件和直流電機(jī)的安全使用壽命。

（一）系統(tǒng)工作原理

本系統(tǒng)通過外部控制信號(hào)的輸入實(shí)現(xiàn)大功率直流電機(jī)類感性負(fù)載的軟啟動(dòng)/關(guān)斷功能，有利于抑制直流電機(jī)的啟動(dòng)電流，減少直流輸出電壓的波動(dòng)，提高功率器件和直流電機(jī)的安全使用壽命。

CPU電路板采集外部輸入控制信號(hào)并進(jìn)行解析，輸出相應(yīng)的方向控制信號(hào)以及不同占空比的脈沖信號(hào)控制電機(jī)的速度，外部控制信號(hào)分為高速正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)、低速正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)共四種模式。

驅(qū)動(dòng)輸出板包括軟啟動(dòng)/關(guān)斷電路模塊、過流保護(hù)電路模塊、兩級(jí)功率輸出驅(qū)動(dòng)電路模塊，其中軟啟動(dòng)/關(guān)斷電路模塊以智能高側(cè)大電流電源開關(guān)管BTS555為核心器件，由NPN三極管進(jìn)行輸入開關(guān)控制，過流保護(hù)電路模塊設(shè)置過流保護(hù)及上傳功能，通過四檔撥碼開關(guān)改變信號(hào)的放大倍數(shù)，對(duì)BTS555內(nèi)部的電流進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，實(shí)現(xiàn)不同的過流保護(hù)值設(shè)定，過流保護(hù)信號(hào)上傳到控制芯片，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備輸出功率電流，兩級(jí)功率輸出驅(qū)動(dòng)電路模塊以半橋柵極驅(qū)動(dòng)FAN73833和IRFP2907 N溝道IGBT管為核心器件，其中IGBT管最大驅(qū)動(dòng)電流達(dá)到209A，同時(shí)采用肖特基勢(shì)壘整流器MBR40100對(duì)輸出電流進(jìn)行整流。原理圖如圖1所示：

（二）系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由殼體、CPU電路板、驅(qū)動(dòng)輸出板、大電流電源開關(guān)管BTS555、輸入控制接口、主輸入24V和輸出驅(qū)動(dòng)接口組成，具體結(jié)構(gòu)見圖2，

（三）具體實(shí)施方式

CPU電路板是以單片機(jī)采集外部控制信號(hào)并進(jìn)行信號(hào)解析，輸出相應(yīng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)對(duì)大直流功率電機(jī)進(jìn)行功率軟啟動(dòng)、運(yùn)行和軟關(guān)閉，其中外部接口分為輸入控制接口5和輸出驅(qū)動(dòng)接口7，輸入控制接口5V電壓供電，同時(shí)輸入控制信號(hào)有高速正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)，低速正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)共四種模式，輸出驅(qū)動(dòng)接口由三個(gè)立柱管腳，分別代表信號(hào)為主輸入24V(6)和直流電機(jī)正/負(fù)控制管腳7。控制原理為單片機(jī)采集輸入控制接口的邏輯控制電平進(jìn)行解析，輸出相應(yīng)的方向控制信號(hào)以及不同占空比的脈沖信號(hào)控制電機(jī)的速度，同時(shí)單片機(jī)根據(jù)設(shè)置的四檔過流設(shè)置閾值實(shí)時(shí)采集過流保護(hù)電路的過流信號(hào)，一旦超過設(shè)定的閾值則軟件關(guān)斷驅(qū)動(dòng)輸出，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的軟關(guān)閉。

驅(qū)動(dòng)輸出板中的軟啟動(dòng)/關(guān)斷電路模塊采用BTS555智能高側(cè)大電流電源開關(guān)管，由NPN三極管進(jìn)行輸入開關(guān)控制，其中主電24V的輸入端直接和BTS555的金屬散熱面相連，確保驅(qū)動(dòng)器具有較大的電流容量和散熱面積，軟開啟時(shí)間為1.2秒和軟關(guān)斷時(shí)間為0.3秒。

驅(qū)動(dòng)輸出板中的過流保護(hù)電路模塊防止直流電機(jī)堵轉(zhuǎn)或卡滯時(shí)產(chǎn)生持續(xù)大電流導(dǎo)致電機(jī)燒壞，考慮到直流電機(jī)實(shí)際負(fù)載情況的不同和電子開關(guān)模塊的通用性，采用撥碼開關(guān)實(shí)現(xiàn)不同的負(fù)載電流保護(hù)值。通過四檔撥碼開關(guān)改變信號(hào)的放大倍數(shù)，對(duì)BTS555內(nèi)部的電流進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，經(jīng)過運(yùn)算線性放大，過流保護(hù)信號(hào)上傳到控制芯片，利用軟件程序判斷是否過流，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備輸出功率電流和智能切斷功率輸出。

驅(qū)動(dòng)輸出板中的兩級(jí)功率輸出驅(qū)動(dòng)電路模塊由半橋柵極驅(qū)動(dòng)FAN73833和IRFP2907 N溝道IGBT管組成，同時(shí)采用肖特基勢(shì)壘整流器MBR40100對(duì)輸出電流進(jìn)行整流。電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)各自獨(dú)立組成驅(qū)動(dòng)電路，同時(shí)兩個(gè)半橋柵極驅(qū)動(dòng)輸入端進(jìn)行互斥保護(hù)輸入控制，可以防止直流電機(jī)兩個(gè)功率驅(qū)動(dòng)出現(xiàn)同時(shí)為正或反的驅(qū)動(dòng)電壓出現(xiàn)，防止直流電機(jī)燒壞。

三、結(jié)論

本文通過設(shè)計(jì)具有軟啟動(dòng)／關(guān)斷功能的電子開關(guān)模塊，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)類感性負(fù)載的軟啟動(dòng)／關(guān)斷功能，有利于抑制直流電機(jī)的啟動(dòng)電流，減少直流輸出電壓的波動(dòng)，提高功率器件和直流電機(jī)的安全使用壽命，具有廣泛的推廣應(yīng)用價(jià)值。