TLP250功率驱动模块在IRF840 MOSFET中的应用

2007-03-09 19:03:27来源: 互联网
摘 要:介绍了功率器件驱动模块TLP250的结构和使用方法,给出了其与功率MOSFET和DSP控制器接口的硬件电路图。在阐述IRF840功率MOSFET的开关特性的基础上,设计了吸收回路。最后结合直流斩波调速技术,设计了基于TMS320LF2407 DSP的直流电动机全数字闭环调速系统,并给出了实验结果。 关键词:TLP250;IRF840 MOSFET;吸收回路;直流斩波;DSP 引言 ---功率集成电路驱动模块是微电子技术和电力电子技术相结合的产物,其基本功能是使动力和信息合一,成为机和电的关键接口。快速电力电子器件MOSFET的出现,为斩波频率的提高创造了条件,提高斩波频率可以减少低频谐波分量,降低对滤波元器件的要求,减少了体积和重量。采用自关断器件,省去了换流回路,又可提高斩波器的频率。 ---直流电动机的励磁回路和电枢回路电流的自动调节常常采用功率MOSFET。功率MOSFET是一种多子导电的单极型电压控制器件,具有开关速度快、高频特性好、热稳定性优良、驱动电路简单、驱动功率小、安全工作区宽、无二次击穿问题等显著优点。目前,功率MOSFET的指标达到耐压600V、电流70A、工作频率100kHz的水平,在开关电源、办公设备、中小功率电机调速中得到广泛的应用,使功率变换装置实现高效率和小型化。 ---因为主电路电压均为高电压、大电流情况,而控制单元为弱电电路,所以它们之间必须采取光电隔离措施,以提高系统抗干扰措施,可采用带光电隔离的MOSFET驱动芯片TLP250。光耦TLP250是一种可直接驱动小功率MOSFET和IGBT的功率型光耦,由日本东芝公司生产,其最大驱动能力达1.5A。选用TLP250光耦既保证了功率驱动电路与PWM脉宽调制电路的可靠隔离,又具备了直接驱动MOSFET的能力,使驱动电路特别简单。 TLP250的结构及驱动电路的设计 ---功率MOSFET驱动的难点主要体现在功率器件的特性、吸收回路和栅极驱动等方面,下面首先介绍TLP250的结构和引脚使用方法,然后分别介绍以上各项。 ● TLP250功率器件 ---东芝公司的专用集成功率驱动模块TLP250包含一个GaA1As光发射二极管和一个集成光探测器,是8脚双列封装,适合于IGBT或功率MOSFET栅极驱动电路。TLP250的管脚如图1所示,管脚接线方法如表1所示。 ---TLP250驱动主要具备以下特征:输入阈值电流IF=5mA(max);电源电流ICC=11mA(max);电源电压(VCC)=10~35V;输出电流IO=%26;#177;0.5A(min);开关时间tpLH/tpHL=0.5μs(max)。 ---基于TMS320LF2407 DSP、TLP250、IRF840 MOSFET栅极驱动电路的直流调速系统的基本结构如图1所示,如何对功率器件IRF840进行驱动是至关重要的,必须首先对此问题加以解决,然后才能在此基础上对控制器进行设计。 ● 功率MOSFET的开关特性 ---IRF840 MOSFET电力场效应晶体管在导通时只有一种极性的载流子(多数载流子)参与导电,是单极型晶体管。电力场效应晶体管是用栅极电压来控制漏极电流的,因此它的一个显著特点是驱动电路简单,驱动功率小。其第二个显著特点是开关速度快,工作频率高,电力MOSFET的工作频率在下降时间主要由输入回路时间常数决定。 ---MOSFET的开关速度和其输入电容的充放电有很大关系。使用者虽然无法降低Cin的值,但可以降低栅极驱动回路信号源内阻Rs的值,从而减小栅极回路的充放电时间常数,加快开关速度。 ---IRF 840为单极型器件,没有少数载流子的存储效应,输入阻抗高,因而开关速度可以提高,驱动功率小,电路简单。但是,功率MOSFET的极间电容较大,因而工作速度和驱动源内阻抗有关。和GTR相似,功率MOSFET的栅极驱动也需要考虑保护、隔离等问题。 ● 吸收回路的设计 ---栅极驱动电路是励磁回路和控制电路之间的接口,是励磁回路控制装置的重要环节,对整个控制性能有很大的影响。采用性能良好的吸收电路,可使功率MOSFET工作在较理想的开关状态,缩短开关时间,减少开关损耗,对装置的运行效率、可靠性、安全性都有重要的意义。另外,许多保护环节设在驱动电路或通过驱动电路来实现,也使得驱动电路的设计更为重要。 ---电力MOSFET是电压控制型器件,静态时几乎不需要输入电流,但由于栅极输入电容Cin的存在,在开通和关断过程中仍需要一定的驱动电流来给输入电容充放电。栅极电压UG的上升时间tr和采用放电阻止型缓冲电路,其缓冲电路电容CS可由式(1)求得。 (1) ---式中,L为主回路杂散电感;I0为IGBT关断时的漏极电流;VCEP为缓冲电容CS的电压稳态值;Ed为直流电源电压。缓冲电路电阻RS的选择是按希望MOSFET在关断信号到来之前,将缓冲电容所积累的电荷放净。可由式(2)估算。 (2) ---式中,f为开关频率。 ---如果缓冲电路电阻过小,会使电流波动,MOSFET开通时的漏极电流初始值将会增大,因此,希望选取尽可能大的电阻,缓冲电阻上的功耗与其阻值无关,可由式(3)求出。 (3) ---式中,LS是缓冲电路的电感。 ---经计算、匹配,选取图2所示的缓冲电路和参数。 控制器的设计 ---控制器的设计主要包括硬件控制系统的设计和软件的实现,下面从这两方面加以阐述。 ---● 转速闭环控制器的硬件设计 ---(1)整流回路的设计 ---直流电动机获得直流电源是通过整流电路来实现的,本系统采用RS507型单相桥式集成整流电路。由于桥式整流电路实现了全波整流电路,它将整流信号的负半周也利用起来,所以在变压器副边电压有效值相同的情况下,输出电压的平均值是半波整流电路的两倍,见式(4)。 (4) (2)硬件整体回路的设计 ---控制系统的硬件整体结构图如图3所示,可见强电和弱电的分离是通过TLP250来实现的,其PWM控制信号经过转速调节控制算法的解算之后,由TMS320LF2407的PWM口输出。经过TLP250光耦,放大、整形之后驱动功率MOSFET(IRF840)。输入电枢绕组的直流电压经过PWM斩波调制之后,形成所需的控制直流电压。正是通过TLP250来驱动功率器件的通断,将设计者的控制思想通过功率器件的通断来加以实现。 ---NR24稳压器为TLP250提供24V的稳压电源,保证其工作正常。当然,PWM信号是通过软件运算通过TMS320LF2407器件来输出的,这里由于篇幅所限,读者可参考相应的书籍。 ---● 转速闭环控制器的设计 ---(1)直流PWM脉宽调制技术 ---与传统的直流调速技术相比较,PWM(脉宽调制技术)直流调速系统具有较大的优越性:主电路线路简单,需要的功率元件少;开关频率高,电流容易连续,谐波少,电机损耗和发热都较小;低速性能好,稳速精度高,因而调速范围宽;系统频带宽,快速响应性能好,动态抗干扰能力强;主电路元件工作在开关状态,导通损耗小,装置效率高。 ---本系统直流电动机回路采用门极可关断功率全控式电力电子器件MOSFET,改变其负载两端的直流平均电压的调制方法采用脉冲调宽的方式,即主开关通断的周期T保持不变,而每次通电时间t可变。实际上就是利用自关断器件来实现通断控制,将直流电源电压断续加到负载上,通过通、断的时间变化来改变负载电压平均值,亦称直流-直流变换器。 ---(2)数字控制器的设计 ---图4给出了转速数字控制器的结构。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用,在系统中设置了两个调节器,分别调节转速和电流,二者之间实行串级联接。这就是说,把转速调节器的输出当作电流调节器的输入,再用电流调节器的输出去控制IRF840 MOSFET的触发装置,即TLP250输入的PWM的占空比。 ---为了获得良好的静、动态性能,双闭环调速系统的两个调节器采用数字式PI调节器。计算如式(5)所示。 ---u(k)=Kpe(k)+KlTsame(k)+ul(k-l) (5) ---其中,Tsam为采样周期。 实验结论 ---本实验设定电动机转速的控制值为1500转/分,电枢绕组的电阻为3.3Ω。到稳态的动态波形经过Gould Data SYS 944A示波器观测如图5所示。可见经过600ms即迅速建立到稳态,稳态精度为0.5%,静态误差仅为1~2转/分。为了防止启动时转速超调,将比例系数P取得较小。从实验结果可见功率MOSFET器件在直流电机转速调节中得到了较好的应用。 ---同时通过观测电枢回路续流二极管两端的电压,可以发现吸收回路工作正常,续流二极管两端波形如图6所示。 ---实验调试过程中,应当对以下事项加以注意:在主电路,应当对斩波芯片采取散热措施,提高电路工作可靠性,应加装散热片;为降低斩波电路中输出电压纹波,必须采取输出滤波措施,可采取LC滤波;必须针对控制参数进行整定,从中找到对应的合理输出电流值,以提高控制精度。
编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/designarticles/power/200703/12040.html
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