采用IGBT的无刷直流电动机保护

1. 引言
  无刷直流电动机结构简单、运行效率、调速能好，在国民经济的各个领域都得到了的应用。对于三相桥式无刷直流电动机，其开关电路正常工作是至关重要的。由于IGBT具有功率MOSFET速开关特和双晶体管的低导通电压特，开关电路通常采用IGBT作为功率开关器件。根据我们的实践，在IGBT的应用中，驱动、保护和吸收这三个问题是必须考虑的。本文讨论了开关电路中IGBT应用的若干问题，详细介绍了无刷直流电动机保护电路。该电路设计简单、能可靠，能防止电动机起动时的过流损坏和运行期间栅电路的误触发。
 
  2. IGBT的驱动与dv/dt保护
  2.1 IGBT的驱动
  IGBT用于无刷直流电动机的开关电路时，其开关频率随电动机转速的改变而改变，要使它可靠地工作，驱动电路相当重要。由于IGBT的栅电容比MOSFET大得多，因此必须选择合适的栅正反向偏置电压和栅串联电阻。栅正向偏置电压U_GE般为15V±1 ，足以使IGBT饱和导通。若U_GE过大，IGBT承受短路或过流时间减小，对其不利。虽然栅电压为零就可使IGBT处于截止状态，但为了尽快抽取PNP管中的存取电荷，减小关断时间，提IGBT的耐压、dv/dt耐量和能力，必须在栅、源之间加个-5～- 15V的反向电压。
  为了改善脉冲的前后沿陡度和防止振荡，需要在栅串联电阻R_G。R_G太大，将使IGBT通断时间延长，能耗增加; RG太小，会使栅电压产生振荡，同时会使IGBT的dv/dt耐量减小。因此，R_G般取十几至几十欧姆。
  为减小体积、降低噪声、改善驱动能、保护，现在多采用集成的IGBT驱动器。
 
  2.2 IGBT的dv/dt保护
  IGBT关断或开通时，由于主回路电流的突变，回路分布电感将产生很的电压加在其两端，使IGBT过工作区而损坏。此外，虽然IGBT的C、E之间承受的dv/dt比较，但由于IGBT在栅之间、栅射之间存在寄生电容C_GC和C_GE，在驱动无刷直流电动机的大功率桥变换器中，过大的dv/dt会通过C_GC和C_GE耦合到栅上产生干扰，使IGBT误导通而造成桥臂直接短路。般加缓冲电路来解决这个问题，主要有关断缓冲电路和电压吸收缓冲电路，图1为关断缓冲电路的基本形式。除此以外，还要注意以下两点:是在断态时，必须加足够的负栅压V_GEOFF;二是要尽可能降低栅电路引线电感。

图1 IGBT关断缓冲电路的基本形式

 
  3. 起动时的过流保护电路
  由于无刷直流电动机在起动时转速很低，转子磁通切割定子绕组所产生的反电动势很小，因而可能产生过大的电流。这时虽然不是短路电流，但电流上升率也会相当大。为了电流上升率和短路电流，必须附加过流及保护电路。当发生过流时，及时检出并立即关断IGBT，以切断主电路。
  我们设计的过流保护电路如图2所示(图中未画出IGBT的缓冲电路)。在主回路中，我们串入了个电感L₁和个续流二管D₂，当电机起动时，由于电感的储能作用，因此了起动电流上升率，提了起动的稳定，使起动电流在几十微秒内不会过IGBT的浪涌冲击能力。主回路中通过电动机的电流zui终是经过电阻R_f (0. 1Ω，5W)接地。因此，U_f= R_fI_M，其大小正比于电动机的电流I_M，I_M也即是流过IGBT的电流。U_f通过10kΩ电阻与电压比较器LM324正相输入端相连，由于R₁= 10kΩ》R_f，可近似认为没有电流流过R₁，因而LM324正端输入为U_f。图中所示的V_ref为过流保护动作设定电压。在正常导通工作期间，U_f小于V_ref，LM324输出低电平。MOS管V₁、V₂、V₄和V₂均截止，IGBT的栅驱动电压不受影响。发生过流事故时，I_M增大，则U_f也随之增大，当U_f大于V_ref时，LM324输出电平，启动定时器。同时，V₁导通使IGBT的栅电压降至稳压管的稳压值V_Z。在温度下，当IGBT短路时，及时减小栅驱动电压V_G，可以使短路电流I_SC减小，从而延长IGBT在不损坏前提下所能承受短路的时间。因此，当电压降至V_Z后，如果在定时器设定时间到达之前故障消失，LM324输出又为低电平，V₂截止，Q₂、Q₄、Q₂的栅驱动电压又恢复正常，电机正常运行。如果在设定时间内故障仍不能排除，则定时器输出电平，使V₂、V₄和V₂同时导通，由电路图知，Q₂、Q₄、Q₂的栅驱动电压近似为0 ，关断了Q₂、Q₄、Q₂三只IGBT，即切断了主电路，电动机停车，达到了过流保护的目的。

图2 无刷直流电动机过流保护电路原理图

 
  4. 运行时的逻辑保护电路
  电动机在运行期间，由于受到外界环境的干扰，逻辑开关信号可能产生误触发，造成桥臂短路。图2中的Q₂和Q₄、Q₃和Q₂、Q₅和Q₂分别组成三个桥臂，如果同桥臂上的两个IGBT同时导通，则短路电流流过两个IGBT，产生所谓的桥臂短路现象，由于桥臂支路中引线电感很小，短路电流的上升率和浪涌冲击电流均会很大，因而致使IGBT烧毁。为了避免误触发，我们设计了种逻辑保护电路，如图3所示。这种电路结构简单，使同臂支路的两个IGBT的驱动信号互锁，在情况下两个IGBT不会同时导通。根据它们的逻辑关系，我们能得出保护电路的布尔逻辑方程如下:

Q₁= D₁D₄　　　Q₂= D2D₅
Q₃= D₃D₆　　　Q₄= D₄D₁
Q₅= D5D2　　　Q₆= D₆D₃

其相应的逻辑输出真值表如表2所示。

表1　逻辑输出真值表

图3 逻辑保护电路

 
　根据我们的设计，当逻辑输入D为低电平时，其相应的输出Q为低电平，IGBT驱动电路输出15V的电压，使IGBT导通；相反，当逻辑输入D为电平时，其相应的输出Q为电平时，驱动电路输出5V的负偏值电压，使IGBT关断。从真值表中我们注意到，当电机正常运行时，每时刻有两个逻辑输入为低电平。但当逻辑开关信号产生误触发时，即当D₂和D₄，或D₂和D₅，或D₃和D₂均为低电平时，其相应的输出为电平，从而避免了驱动电路的误触发，地防止了桥臂短路事故的发生。
 
  5. 结束语
  本文简要讨论了其开关电路中IGBT应用的若干问题，给出了无刷直流电动机的过流保护和逻辑保护的具体应用电路，该电路简单可靠，效果良好。在实际应用中，要注意根据无刷电机和IGBT的型号来确定过流保护电路电压的设定值和电阻R_f的参数。