TLP250功率驅(qū)動模塊在IRF840 MOSFET中的應(yīng)用
關(guān)鍵詞：TLP250；IRF840 MOSFET；吸收回路；直流斬波；DSP
引言
---功率集成電路驅(qū)動模塊是微電子技術(shù)和電力電子技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，其基本功能是使動力和信息合一，成為機和電的關(guān)鍵接口?？焖匐娏﹄娮悠骷﨧OSFET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。
---直流電動機的勵磁回路和電樞回路電流的自動調(diào)節(jié)常常采用功率MOSFET。功率MOSFET是一種多子導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)定性優(yōu)良、驅(qū)動電路簡單、驅(qū)動功率小、安全工作區(qū)寬、無二次擊穿問題等顯著優(yōu)點。目前，功率MOSFET的指標達到耐壓600V、電流70A、工作頻率100kHz的水平，在開關(guān)電源、辦公設(shè)備、中小功率電機調(diào)速中得到廣泛的應(yīng)用，使功率變換裝置實現(xiàn)高效率和小型化。
---因為主電路電壓均為高電壓、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)動芯片TLP250。光耦TLP250是一種可直接驅(qū)動小功率MOSFET和IGBT的功率型光耦，由日本東芝公司生產(chǎn)，其最大驅(qū)動能力達1.5A。選用TLP250光耦既保證了功率驅(qū)動電路與PWM脈寬調(diào)制電路的可靠隔離，又具備了直接驅(qū)動MOSFET的能力，使驅(qū)動電路特別簡單。
TLP250的結(jié)構(gòu)及驅(qū)動電路的設(shè)計
---功率MOSFET驅(qū)動的難點主要體現(xiàn)在功率器件的特性、吸收回路和柵極驅(qū)動等方面，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。
● TLP250功率器件
---東芝公司的專用集成功率驅(qū)動模塊TLP250包含一個GaA1As光發(fā)射二極管和一個集成光探測器，是8腳雙列封裝，適合于IGBT或功率MOSFET柵極驅(qū)動電路。TLP250的管腳如圖1所示，管腳接線方法如表1所示。
---TLP250驅(qū)動主要具備以下特征：輸入閾值電流IF=5mA(max)；電源電流ICC=11mA(max)；電源電壓(VCC)=10～35V；輸出電流IO=±0.5A(min)；開關(guān)時間tpLH/tpHL=0.5μs(max)。
---基于TMS320LF2407 DSP、TLP250、IRF840 MOSFET柵極驅(qū)動電路的直流調(diào)速系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，如何對功率器件IRF840進行驅(qū)動是至關(guān)重要的，必須首先對此問題加以解決，然后才能在此基礎(chǔ)上對控制器進行設(shè)計。
● 功率MOSFET的開關(guān)特性
---IRF840 MOSFET電力場效應(yīng)晶體管在導通時只有一種極性的載流子(多數(shù)載流子)參與導電，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，因此它的一個顯著特點是驅(qū)動電路簡單，驅(qū)動功率小。其第二個顯著特點是開關(guān)速度快，工作頻率高，電力MOSFET的工作頻率在下降時間主要由輸入回路時間常數(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)動回路信號源內(nèi)阻Rs的值，從而減小柵極回路的充放電時間常數(shù)，加快開關(guān)速度。
---IRF 840為單極型器件，沒有少數(shù)載流子的存儲效應(yīng)，輸入阻抗高，因而開關(guān)速度可以提高，驅(qū)動功率小，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)動源內(nèi)阻抗有關(guān)。和GTR相似，功率MOSFET的柵極驅(qū)動也需要考慮保護、隔離等問題。
● 吸收回路的設(shè)計
---柵極驅(qū)動電路是勵磁回路和控制電路之間的接口，是勵磁回路控制裝置的重要環(huán)節(jié)，對整個控制性能有很大的影響。采用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)時間，減少開關(guān)損耗，對裝置的運行效率、可靠性、安全性都有重要的意義。另外，許多保護環(huán)節(jié)設(shè)在驅(qū)動電路或通過驅(qū)動電路來實現(xiàn)，也使得驅(qū)動電路的設(shè)計更為重要。
---電力MOSFET是電壓控制型器件，靜態(tài)時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)動電流來給輸入電容充放電。柵極電壓UG的上升時間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的選擇是按希望MOSFET在關(guān)斷信號到來之前，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，會使電流波動，MOSFET開通時的漏極電流初始值將會增大，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)計算、匹配，選取圖2所示的緩沖電路和參數(shù)。
控制器的設(shè)計
---控制器的設(shè)計主要包括硬件控制系統(tǒng)的設(shè)計和軟件的實現(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
---(1)整流回路的設(shè)計
---直流電動機獲得直流電源是通過整流電路來實現(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現(xiàn)了全波整流電路，它將整流信號的負半周也利用起來，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)。
(4)
(2)硬件整體回路的設(shè)計
---控制系統(tǒng)的硬件整體結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，可見強電和弱電的分離是通過TLP250來實現(xiàn)的，其PWM控制信號經(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)動功率器件的通斷，將設(shè)計者的控制思想通過功率器件的通斷來加以實現(xiàn)。
---NR24穩(wěn)壓器為TLP250提供24V的穩(wěn)壓電源，保證其工作正常。當然，PWM信號是通過軟件運算通過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
---(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，電機損耗和發(fā)熱都較?。坏退傩阅芎?，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，動態(tài)抗干擾能力強；主電路元件工作在開關(guān)狀態(tài)，導通損耗小，裝置效率高。
---本系統(tǒng)直流電動機回路采用門極可關(guān)斷功率全控式電力電子器件MOSFET，改變其負載兩端的直流平均電壓的調(diào)制方法采用脈沖調(diào)寬的方式，即主開關(guān)通斷的周期T保持不變，而每次通電時間t可變。實際上就是利用自關(guān)斷器件來實現(xiàn)通斷控制，將直流電源電壓斷續(xù)加到負載上，通過通、斷的時間變化來改變負載電壓平均值，亦稱直流-直流變換器。
---(2)數(shù)字控制器的設(shè)計
---圖4給出了轉(zhuǎn)速數(shù)字控制器的結(jié)構(gòu)。為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實行串級聯(lián)接。這就是說，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當作電流調(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、動態(tài)性能，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個調(diào)節(jié)器采用數(shù)字式PI調(diào)節(jié)器。計算如式(5)所示。
---u(k)=Kpe(k)+KlTsame(k)+ul(k-l) (5)
---其中，Tsam為采樣周期。
實驗結(jié)論
---本實驗設(shè)定電動機轉(zhuǎn)速的控制值為1500轉(zhuǎn)/分，電樞繞組的電阻為3.3Ω。到穩(wěn)態(tài)的動態(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1～2轉(zhuǎn)/分。為了防止啟動時轉(zhuǎn)速超調(diào)，將比例系數(shù)P取得較小。從實驗結(jié)果可見功率MOSFET器件在直流電機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中得到了較好的應(yīng)用。
---同時通過觀測電樞回路續(xù)流二極管兩端的電壓，可以發(fā)現(xiàn)吸收回路工作正常，續(xù)流二極管兩端波形如圖6所示。
---實驗調(diào)試過程中，應(yīng)當對以下事項加以注意：在主電路，應(yīng)當對斬波芯片采取散熱措施，提高電路工作可靠性，應(yīng)加裝散熱片；為降低斬波電路中輸出電壓紋波，必須采取輸出濾波措施，可采取LC濾波；必須針對控制參數(shù)進行整定，從中找到對應(yīng)的合理輸出電流值，以提高控制精度。
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