功率驅(qū)動(dòng)模塊在IRF840MOSFET中的應(yīng)用

1、TLP250功率驅(qū)動(dòng)模塊在IRF840 MOSFET中的應(yīng)用長江大學(xué)電子與信息學(xué)院 陳永軍 翁惠輝 第719研究所綜合民品室 李俊杰 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，具有開關(guān)速度快、高頻特性好、熱穩(wěn)定

2、性優(yōu)良、驅(qū)動(dòng)電路簡單、驅(qū)動(dòng)功率小、安全工作區(qū)寬、無二次擊穿問題等顯著優(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

3、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)=1035V；輸出電流

4、IO=±0.5A(min)；開關(guān)時(shí)間tpLH/tpHL=0.5s(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的開關(guān)特性IRF840 MOSFET電力場效應(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。電力場效應(yīng)晶體管是用柵極電壓來控制漏極電流的，因此它的一個(gè)顯著特點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電路簡單，驅(qū)動(dòng)功率小。其第二個(gè)顯著特點(diǎn)是開關(guān)速度快，工作頻率高，電力M

5、OSFET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)，加快開關(guān)速度。IRF 840為單極型器件，沒有少數(shù)載流子的存儲(chǔ)效應(yīng)，輸入阻抗高，因而開關(guān)速度可以提高，驅(qū)動(dòng)功率小，電路簡單。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

6、性能良好的吸收電路，可使功率MOSFET工作在較理想的開關(guān)狀態(tài)，縮短開關(guān)時(shí)間，減少開關(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)電路或通過驅(qū)動(dòng)電路來實(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，在開通和關(guān)斷過程中仍需要一定的驅(qū)動(dòng)電流來給輸入電容充放電。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

7、擇是按希望MOSFET在關(guān)斷信號(hào)到來之前，將緩沖電容所積累的電荷放凈?？捎墒?2)估算。(2)式中，f為開關(guān)頻率。如果緩沖電路電阻過小，會(huì)使電流波動(dòng)，MOSFET開通時(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)?？刂破鞯脑O(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整流電路來實(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

8、流電路，它將整流信號(hào)的負(fù)半周也利用起來，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，可見強(qiáng)電和弱電的分離是通過TLP250來實(shí)現(xiàn)的，其PWM控制信號(hào)經(jīng)過轉(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PWM斬波調(diào)制之后，形成所需的控制直流電壓。正是通過TLP250來驅(qū)動(dòng)功率器件的通斷，將設(shè)計(jì)者的控制思想通過功率器件的通斷來加以實(shí)現(xiàn)。NR24穩(wěn)壓器為TLP250提供24V

9、的穩(wěn)壓電源，保證其工作正常。當(dāng)然，PWM信號(hào)是通過軟件運(yùn)算通過TMS320LF2407器件來輸出的，這里由于篇幅所限，讀者可參考相應(yīng)的書籍。 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：主電路線路簡單，需要的功率元件少；開關(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??；低速性能好，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

10、方法采用脈沖調(diào)寬的方式，即主開關(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，通過通、斷的時(shí)間變化來改變負(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，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3.3。到穩(wěn)態(tài)的動(dòng)態(tài)波形經(jīng)過Gould Data SYS 944A示波器觀測如圖5所示?？梢娊?jīng)過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12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)通過觀