基于单片机的矿用电机车调速系统设计(硬件

基于单片机的矿用电机车调速系统设计(硬件内容摘要：

第四章 系统主电路 设计 主电路 本设计整流电路由不可控的二极管三相桥式整流桥组成 ,采用功率晶体管 GTR 组成的直流 PWM功率变换器。 三相交流电源经三相桥式不可控整流器变换为电压恒定的直流电源 ,再经直流 PWM 功率变换器得到可调的直流电压 ,给直流电动机供电。 主电路如图33 所示 从图中可以看出， 380V 电压经过六个二极管的全波整流，变为直流。 采用大功率电容 C滤波，以获得恒定的直流电压 Us。 由于电容容量过大，突加电源时相当于短路，势必产生很大的充电电流，容易损 坏整流二极管，为了限制充电电流，在整流器和滤波电容之间串加限流电阻 0R （或者电抗），合上电源以后，延时开关将 0R 短路，以免在运行中造成附加损耗。 对于 PWM 变换器中的滤波电容，其作用除滤波外，还有当电动机制动时吸收运行系统动能的作用。 由于直流电源靠二极管整流器供电，不可能回馈电能，电动机制动时只好对滤波电容充电，这将使电容两端电压升高，称作 “ 泵升电压 ”。 键入假设电压由Us 提高到 Usm，则电容储能由 212sCU 增加到 212smCU ，储能的增量应该等于运动控制系统在制动时释放的全部动能 dA ，于是 221122sm s dCU CU A （ ） 按制动储能要求选择的电容量为 222 dsm sAC UU  （ ） 电力电子器件的耐压极限限制着最高泵升电压 Usm，因此电容量不可能很小，一般几千瓦的调速系统所需的电容量达到数千微法。 V D 4 V D 2V D 6V D 3 V D 5V D 1R3C118 u FPN SSSRSTC218 u FC318 u FR1 9. 2 KR29. 2 K 5. 8 m HV D 7R41KC418 u FV D 8 R51KC518 u FV D 9 R61KC618 u FV D 10 R71KB HLM+ 12 V 12 VV2I G B TV1I G B TV4I G B TV3I G B TV1V2V4V3 图 单片机控制 PWM 直流调速系统主电路图 (1)IGBT 模块简介 IGBT 是 Insulated Gate Bipolar Transistor(绝缘栅双极型晶体管 )的缩写， IGBT是由 MOSFET 和双极型晶体管复合而成的一种器件，其输入极为 MOSFET，输出极为 PNP晶体管，它融和了这两种器件的优点，既具有 MOSFET 器件驱动功率小和开关速度快的优点，又具有双极型器件饱和压降低而容量大的优点，其频率特性介于 MOSFET 与功率晶体管之间，可正常工作于几十 kHz 频率范围内，在现代电力电子技术中得到了越来越广泛的应用，在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。 若在 IGBT 的栅极和发射极之间加上驱动正电压，则 MOSFET 导通，这样 PNP 晶体管的集电极与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通；若 IGBT 的栅极和发射极之间电压为 0V，则 MOS 截止，切断 PNP 晶体管基极电流的供给，使得晶体管截止。 IGBT 与 MOSFET一样也是电压控 制型器件，在它的栅极 — 发射极间施加十几 V的直流电压，只有在 uA级的漏电流流过，基本上不消耗功率。 IGBT 模块的电压规格与所使用装置的输入电源即试电电源电压紧密相关。 其相互关系见下表。 使用中当 IGBT 模块集电极电流增大时，所产生的额定损耗亦变大。 同时，开关损耗增大，使原件发热加剧，因此，选用 IGBT 模块时额定电流应大于负载电流。 特别是用作高频开关时，由于开关损耗增大，发热加剧，选用时应该降等使用。 由于 IGBT 模块为 MOSFET 结构， IGBT 的栅极通过一层氧化膜与发射极实现电隔离。 由于此氧化膜很薄，其击穿电 压一般达到 20～ 30V。 因此因静电而导致栅极击穿是 IGBT失效的常见原因之一。 因此使用中要注意以下几点： 在使用模块时，尽量不要用手触摸驱动端子部分，当必须要触摸模块端子时，要先将人体或衣服上的静电用大电阻接地进行放电后，再触摸； 在用导电材料连接模块驱动端子时，在配线未接好之前请先不要接上模块； 尽量在底板良好接地的情况下操作。 在应用中有时虽然保证了栅极驱动电压没有超过栅极最大额定电压，但栅极连线的寄生电感和栅极与集电极间的电容耦合，也会产生使氧化层损坏的振荡电压。 为此，通常采用双绞线来传送驱动信号，以 减少寄生电感。 在栅极连线中串联小电阻也可以抑制振荡电压。 此外，在栅极 — 发射极间开路时，若在集电极与发射极间加上电压，则随着集电极电位的变化，由于集电极有漏电流流过，栅极电位升高，集电极则有电流流过。 这时，如果集电极与发射极间存在高电压，则有可能使 IGBT 发热及至损坏。 在使用 IGBT 的场合，当栅极回路不正常或栅极回路损坏时 (栅极处于开路状态 )，若在主回路上加上电压，则 IGBT 就会损坏，为防止此类故障，应在栅极与发射极之间串接一只 10KΩ 左右的电阻。 在安装或更换 IGBT 模块时，应十分重视 IGBT 模块与散热 片的接触面状态和拧紧程度。 为了减少接触热阻，最好在散热器与 IGBT 模块间涂抹导热硅脂。 一般散热片底部安装有散热风扇，当散热风扇损坏中散热片散热不良时将导致 IGBT 模块发热，而发生故障。 因此对散热风扇应定期进行检查，一般在散热片上靠近 IGBT 模块的地方安装有温度感应器，当温度过高时将报警或停止 IGBT 模块工作。 一般保存 IGBT 模块的场所，应保持常温常湿状态，不应偏离太大。 常温的规定为5～ 35℃ ，常湿的规定在 45～ 75％左右。 在冬天特别干燥的地区，需用加湿机加湿。 尽量远离有腐蚀性气体或灰尘较多的场合； 在 温度发生急剧变化的场所 IGBT 模块表面可能有结露水的现象，因此 IGBT 模块应放在温度变化较小的地方； 保管时，须注意不要在 IGBT 模块上堆放重物； 装 IGBT 模块的容器，应选用不带静电的容器。 IGBT 模块由于具有多种优良的特性，使它得到了快速的发展和普及，已应用到电力电子的各方各面。 因此熟悉 IGBT 模块性能，了解选择及使用时的注意事项对实际中的应用是十分必要的。 IGBT 的工作特性包括静态和动态两类： （ 2） 静态特性 IGBT 的静态特性主要有伏安特性、转移特性和开关特性。 IGBT 的伏安特性 是指以栅源电压 Ugs 为参变量时，漏极电流与栅极电压之间的关系曲线。 输出漏极电流比受栅源电压 Ugs 的控制， Ugs 越高， Id 越大。 它与 GTR 的输出特性相似．也可分为饱和区 1 、放大区 2 和击穿特性 3 部分。 在截止状态下的IGBT ，正向电压由 J2 结承担，反向电压由 J1结承担。 如果无 N+ 缓冲区，则正反向 阻断电压可以做到同样水平，加入 N+缓冲区后，反向关断电压只能达到几十伏水平，因此限制了 IGBT 的某些应用范围。 IGBT 的转移特性是指输出漏极电流 Id 与栅源电压 Ugs 之间的关系曲线。 它与MOSFET 的转移特性相同，当栅源电压小于开启电压 Ugs(th) 时， IGBT 处于关断状态。 在 IGBT 导通后的大部分漏极电流范围内， Id 与 Ugs 呈线性关系。 最高栅源电压受最大漏极电流限制，其最佳值一般取为 15V 左右。 IGBT 的开关特性是指漏极电流与漏源电压之间的关系。 IGBT 处于导通态时，由于它的 PNP 晶体管为宽基区晶体管，所以其 B 值极低。 尽管等效电路为达林顿结构，但流过 MOSFET 的电流成为 IGBT 总电流的主要部分。 此时，通态电压 Uds(on) 可用下式表示 Uds(on) ＝ Uj1 ＋ Udr ＋ IdRoh 式中 Uj1 —— JI 结的正向电压，其值为 ～ 1V ； Udr —— 扩展电阻 Rdr 上的压降； Roh —— 沟道电阻。 通态电流 Ids 可用下式表示： Ids=(1+Bpnp)Imos 式中 Imos —— 流过 MOSFET 的电流。 由于 N+ 区存在电导调制效应，所以 IGBT 的通态压降小，耐压 1000V 的 IGBT 通态压降为 2 ～ 3V。 IGBT 处于断态时，只有很小的泄漏电流存在。 （ 3） 动态特性 IGBT 在开通过程中，大部分时间是作为 MOSFET 来运行的，只是在漏源电压 Uds 下降过程后期， PNP 晶体管由放大区至饱和，又增加了一段延迟时间。 td(on) 为开通延迟时间， tri 为电流上升时间。 实际应用中常给出的漏极电流开通时间 ton 即为 td (on) tri 之和。 漏源电压的下降时间由 tfe1 和 tfe2 组成。 IGBT 的触发和关断要求给其栅极和基极之间加上正向电压和负向电压，栅极电压可由不同的驱动电路产生。 当选择这些驱动电路时，必须基于以下的参数来进行：器件关断偏置的要求、栅极电荷 的要求、耐固性要求和电源的情况。 因为 IGBT 栅极 发射极阻抗大，故可使用 MOSFET 驱动技术进行触发，不过由于 IGBT 的输入电容较 MOSFET为大，故 IGBT 的关断偏压应该比许多 MOSFET 驱动电路提供的偏压更高。 IGBT 在关断过程中，漏极电流的波形变为两段。 因为 MOSFET 关断后， PNP 晶体管的存储电荷难以迅速消除，造成漏极电流较长的尾部时间， td(off)为关断延迟时间，trv 为电压 Uds(f)的上升时间。 实际应用中常常给出的漏极电流的下降时间 Tf 由图中的 t(f1)和 t(f2)两段组成，而漏极电流 的关断时间 t(off)=td(off)+trv 十 t(f) 式中， td(off)与 trv 之和又称为存储时间。 IGBT 的开关速度低于 MOSFET，但明显高于 GTR。 IGBT 在关断时不需要负栅压来减少关断时间，但关断时间随栅极和发射极并联电阻的增加而增加。 IGBT 的开启电压约3～ 4V，和 MOSFET 相当。 IGBT 导通时的饱和压降比 MOSFET 低而和 GTR 接近，饱和压降随栅极电压的增加而降低。 （ 4） 光电隔离及驱动电路设计 由于输出的 PWM 控制信号功率很小无法直接驱动 IGBT，要经过脉冲功率放大后才能驱 动 IGBT。 脉冲功率放大电路选用模块 EX359，其电源电压为 12V，输入信号4~5V，输出电压 （对应 IGBT 导通）和 2V（对应 IGBT 关断），工作频率为 2~5kHz，可驱动 50A 以下的逆变器，其内部电路如图 35 所示。 U5O P T O I S O 1D1D I O D EC1C A PR1R E S 2U1NOTC T R L A+ 5VR4R E S 2R5R E S 2R2R E S 2R3R E S 2R6R E S 2R8R E S 2R9R E S 2R7R E S 2Q1N P NQ2N P NQ3N P ND2D I O D EC5C A P A C I T O R+ 5V 图 35 光电隔离及驱动电路 图 X359 是一个带有光电隔离器的功率放大电路，电路工作原理如下： 当 VT 1 为“ 1”时，发光二极管导通发光，使光敏三极管导通，于是 VT1 与复合管 VT 2 导通 .VT1 导通使复合管 VT 3 截止， +5V电源通过 VT 2 和 Rf 输出一驱动电流，使 GTR 导通。 当 Vi 变为“ 0”时，发光二极管截止，光敏三极管截止，于是 VT 1 VT 2放电，给 IGBT 提供一个 2V左右的反向偏压，使快速可靠的截止。 参数计算和元件选择 （ 1）大功率开关管的计算 PWM 调速方法的直流利用率约为 ，即 1 dUU  ， 输出 380V 的线 电压，要求直流侧电源电压 380 4 1 0 .40 .9 2 6dUV. （ ） 考虑到大功率 绝缘栅双极型晶体管 的管压降等，取 dU =450V，则大功率 绝缘栅双极型晶体管 的参数为    2 ~ 3 9 0 0 ~ 1 3 5 0dB R c e oU U V （ ）    2 ~ 3 2 ~ 3 15 7. 5 31 5 ~ 47 2. 5CM CI I A   （ ） （ 2）三相整流桥 电压估算 整流桥输入侧相电压为2  直流侧电压值可估算如下： 取电动机功率为 ，则电动机的输入功率 30000。