TLP250功率驅(qū)動模塊在IRF840 MOSFET中的應(yīng)用

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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(dǎo)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。

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(dǎo)通時只有一種極性的載流子(多數(shù)載流子)參與導(dǎo)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)。

(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??；低速性能好，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(dǎo)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。