通风机的变频调速驱动及保护(编辑修改稿)

通风机的变频调速驱动及保护(编辑修改稿)内容摘要：

动机转速的调速方式称为变频调速 在变频调速技术中 ,使用变频器向电动机提供频率可变的电源 ,去改变电动机的转速。 变频调速的驱动 变 频调速的驱动一般用 IGBT来驱动， IGBT 是一个三端器件，具有栅极 G、集电极 C 和发射极 E。 图 33 给出了一种由 N 沟道 VDMOSFET（ Virtical Double Diffused MOSFET）与双极型晶体管组合而成的 IGBT 的基本结构。 通过比较可以看出， IGBT 比 VDMOSFET 多了一层 P+注入区，因而 形成了一个大面积的 P+ N+结 J1。 这样使得 FIGBT 具有很强的通流能力，其等效简化电路如图 34 所示，可以看出这是双极型晶体管与 MOSFET 组成的达林顿结构，相当于一个由 MOSFET 驱动的厚基区 PNP 晶体管。 图中 RN为晶体管基区内的调制电阻。 因此， IGBT 同 MOSFET 一样是场控器件。 其开通和关断是由栅极和发射极间的电压 UGE 决定的，当 UGE 为正且大于开启电压 UGE(th)时，MOSFET 内形成沟道，并为晶体管提供基极电流使其导通。 当栅极和发射极施加反相电压或不加电压 时， MOSFET 内的沟道消失，晶体管舞基极电流， IGBT 关断。 在电力电子电路中， IGBT 工作在开关状态，因而在正向阻断区和饱和区来回转换。 图 3－ 3 IGBT 结构图 图 3－ 4 IGBT 等效简化图 电力电子器件的驱动电路是电力电子主电路与控制电路之间的接口，对整个装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义，所以电力电子器件都有一定的驱动要求，根据 IGBT 的工作特性，可以将 IGBT 驱动电路的要求归纳如下： 1） IGBT 是电压型驱动器件，栅射极之间存在数千皮法 左右的极间电容。 因此，驱动电路的内阻应尽可能小，以提供足够大的充放电电流，缩短开关时间和降低开关损耗。 因此驱动电路与 IGBT 的连线应尽可能的短。 2） 用内阻小的驱动源对栅极电容放电，以保证栅极控制电压 UGE 足够陡的前后沿，降低 IGBT 的开关损耗； IGBT 开通后，栅极驱动源应能提供足够电压，使 IGBT 工作在饱和状态，减少损耗。 3） 驱动电平 UGE要综合考虑，当 UGE正向增大时， IGBT 通态压降和开通损耗均下降，但负载短路时的集电极电流 IC 增大， IGBT 能承受短路电 流的时间减小，对其安全不利，因此 UGE不能过大，一般选 15～ 20V。 在 IGBT 反向关断时，为尽快抽取 PNP 管的存储电荷，须施加一负偏压 UGE，但它受 IGBT 的栅射极间最大反向耐压限制，一般取－ 1～－ 10V。 4） 需要提供良好的过电压和过电流保护功能，同时 du/dt 保护和 di/dt 保护也是必要的。 IGBT 的栅极驱动电路应尽可能使用简单，并有很强的抗干扰能力。 驱动电路同时还要提供控制电路与主电路之间的电气隔离环节。 栅极电压进入稳定阶段，栅极几乎不从驱动电路取电流，因此场控 器件所要求的驱动功率不大，人们把门极驱动电路集成在一片芯片内，同时也增加了各种保护功能和与微处理器接口的逻辑电路。 目前，对 IGBT 都有现成的驱动模块可供选用，如三菱公司专门为 IGBT 设计的专用集成驱动电路 M579 系列。 日本富士电机公司的 EXB 驱动电路和西安的 HL402 等驱动电路也有广泛的应用。 市场上还有一种专用的驱动器，可以驱动一个桥臂上的两个 IGBT，如美国 IR 公司的 IR2100。 本文采用富士电机公司的 EXB841 作为 IGBT 的驱动电路， EXB841 与 IGBT 的实际接线图如图 3－ 5所示， EXB841 的原理图如图 3－ 6 所示，驱动电路由信号隔离器、驱动放大器、低速过流切断电路、栅极关断电源等五部分组成，下面简单介绍一下其原理。 图 3－ 5 EXB841 接线图 1） 正常开通过程 当控制电路使 EXB841 输入端脚 14 和脚 15 有 10mA 的电流流过时，图中光藕器 ISOl 就会导通， A 点电位迅速下降到 0V，使 V1 和 V2 截止， V2 截止使 D 点电位上升到接近 20V, V4 导通， V5 截止， EXB841 通过 V4 及栅极电阻 RG向 IGBT 提供电压及极间电容的充电电流，使之迅速导通。 图 3－ 6 EXB841 原理图 2） 正常关断过程控制 电路使 EXB841 输入端脚 14 和脚 15 无电流流过，光藕合器 ISOl 不通， A点电位上升使 V1 和 V2 导通； 2 导通使 V4 截止， V5 导通， IGBT 栅极电荷通过 V5 迅速放电，使 EXB41 的脚 3 电位迅速下降至 0V(相对于 EXB841 脚 1 低 5V)，使 IGBT 可靠关断， UCE 迅速上升，使 EXB841 的脚 6“悬空 ”。 与此同时， V1导通， C2 通过 V1 更快放电，将 B 点和 C 点电位钳在 0V 左右，使 VZ1 仍不通，后继电路不会动作， IGBT 正常关断。 3） IGBT 的过流保护 IGBT 模块的耐压值高、电流通断能力强，但它的过流能力却比较差，过流保护显得极其重要。 IGBT 通常只能承受 l0 181。 s 的短路电流，因此，必须要有快速保护电路才能有效地保护 IGBT， EXB841 驱动模块内含保护电路， 在以上原理图中，过流保护部分由 V V VD VZI、 C R R R C RR C4 等组成，它 们实现过流检测和延时保护功能， EXB 8。