基于IGBT管的電機功率驅(qū)動器

王強 周義勇 許桂林

（上海電控研究所，上海 200092）

一、概述

大功率直流電機目前廣泛應(yīng)用在各個工業(yè)場合中，由于直流電機屬于感性負載，傳統(tǒng)大功率電機功率驅(qū)動器在電機的運行過程中，尤其在直流啟動、轉(zhuǎn)向和關(guān)閉的瞬間，過大的電樞電流產(chǎn)生過大的電動應(yīng)力，尤其直流電機在啟動瞬間相當于短路狀態(tài)，將會產(chǎn)生較大的電流尖峰，可能會出現(xiàn)危險的火花燒壞整流子，損壞繞組。

二、研究內(nèi)容

本文設(shè)計了一種具有軟啟動／關(guān)斷功能的電子開關(guān)模塊，可以實現(xiàn)電機類感性負載的軟啟動／關(guān)斷功能，有利于抑制直流電機的啟動電流，減少直流輸出電壓的波動，提高功率器件和直流電機的安全使用壽命。

（一）系統(tǒng)工作原理

本系統(tǒng)通過外部控制信號的輸入實現(xiàn)大功率直流電機類感性負載的軟啟動/關(guān)斷功能，有利于抑制直流電機的啟動電流，減少直流輸出電壓的波動，提高功率器件和直流電機的安全使用壽命。

CPU電路板采集外部輸入控制信號并進行解析，輸出相應(yīng)的方向控制信號以及不同占空比的脈沖信號控制電機的速度，外部控制信號分為高速正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)、低速正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)共四種模式。

驅(qū)動輸出板包括軟啟動/關(guān)斷電路模塊、過流保護電路模塊、兩級功率輸出驅(qū)動電路模塊，其中軟啟動/關(guān)斷電路模塊以智能高側(cè)大電流電源開關(guān)管BTS555為核心器件，由NPN三極管進行輸入開關(guān)控制，過流保護電路模塊設(shè)置過流保護及上傳功能，通過四檔撥碼開關(guān)改變信號的放大倍數(shù)，對BTS555內(nèi)部的電流進行信號調(diào)理，實現(xiàn)不同的過流保護值設(shè)定，過流保護信號上傳到控制芯片，實現(xiàn)實時監(jiān)控設(shè)備輸出功率電流，兩級功率輸出驅(qū)動電路模塊以半橋柵極驅(qū)動FAN73833和IRFP2907 N溝道IGBT管為核心器件，其中IGBT管最大驅(qū)動電流達到209A，同時采用肖特基勢壘整流器MBR40100對輸出電流進行整流。原理圖如圖1所示：

（二）系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)主要由殼體、CPU電路板、驅(qū)動輸出板、大電流電源開關(guān)管BTS555、輸入控制接口、主輸入24V和輸出驅(qū)動接口組成，具體結(jié)構(gòu)見圖2，

（三）具體實施方式

CPU電路板是以單片機采集外部控制信號并進行信號解析，輸出相應(yīng)驅(qū)動信號對大直流功率電機進行功率軟啟動、運行和軟關(guān)閉，其中外部接口分為輸入控制接口5和輸出驅(qū)動接口7，輸入控制接口5V電壓供電，同時輸入控制信號有高速正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)，低速正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)共四種模式，輸出驅(qū)動接口由三個立柱管腳，分別代表信號為主輸入24V(6)和直流電機正/負控制管腳7。控制原理為單片機采集輸入控制接口的邏輯控制電平進行解析，輸出相應(yīng)的方向控制信號以及不同占空比的脈沖信號控制電機的速度，同時單片機根據(jù)設(shè)置的四檔過流設(shè)置閾值實時采集過流保護電路的過流信號，一旦超過設(shè)定的閾值則軟件關(guān)斷驅(qū)動輸出，實現(xiàn)電機的軟關(guān)閉。

驅(qū)動輸出板中的軟啟動/關(guān)斷電路模塊采用BTS555智能高側(cè)大電流電源開關(guān)管，由NPN三極管進行輸入開關(guān)控制，其中主電24V的輸入端直接和BTS555的金屬散熱面相連，確保驅(qū)動器具有較大的電流容量和散熱面積，軟開啟時間為1.2秒和軟關(guān)斷時間為0.3秒。

驅(qū)動輸出板中的過流保護電路模塊防止直流電機堵轉(zhuǎn)或卡滯時產(chǎn)生持續(xù)大電流導(dǎo)致電機燒壞，考慮到直流電機實際負載情況的不同和電子開關(guān)模塊的通用性，采用撥碼開關(guān)實現(xiàn)不同的負載電流保護值。通過四檔撥碼開關(guān)改變信號的放大倍數(shù)，對BTS555內(nèi)部的電流進行信號調(diào)理，經(jīng)過運算線性放大，過流保護信號上傳到控制芯片，利用軟件程序判斷是否過流，實現(xiàn)實時監(jiān)控設(shè)備輸出功率電流和智能切斷功率輸出。

驅(qū)動輸出板中的兩級功率輸出驅(qū)動電路模塊由半橋柵極驅(qū)動FAN73833和IRFP2907 N溝道IGBT管組成，同時采用肖特基勢壘整流器MBR40100對輸出電流進行整流。電機正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)各自獨立組成驅(qū)動電路，同時兩個半橋柵極驅(qū)動輸入端進行互斥保護輸入控制，可以防止直流電機兩個功率驅(qū)動出現(xiàn)同時為正或反的驅(qū)動電壓出現(xiàn)，防止直流電機燒壞。

三、結(jié)論

本文通過設(shè)計具有軟啟動／關(guān)斷功能的電子開關(guān)模塊，可以實現(xiàn)電機類感性負載的軟啟動／關(guān)斷功能，有利于抑制直流電機的啟動電流，減少直流輸出電壓的波動，提高功率器件和直流電機的安全使用壽命，具有廣泛的推廣應(yīng)用價值。