功率Mosfet驅(qū)動保護(hù)電路的探討及應(yīng)用

1、功率Mosfet驅(qū)動保護(hù)電路的探討及應(yīng)用李蔭濤,孫偉,肖正宇,王東文(冶金自動化研究設(shè)計院伺服所,北京100071摘要文章介紹了Mosfet功率器件的驅(qū)動與保護(hù)技術(shù);分析了Mosfet功率器件對驅(qū)動電路的要求,介紹了惠普公司的功率場效應(yīng)管(Mosfet驅(qū)動模塊HCPL-316和全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)PWM逆變電路中功率場效應(yīng)管在逆變過程中的漏源極過壓、過流、過熱等保護(hù)措施。最后,給出了實(shí)驗(yàn)波形和相關(guān)結(jié)論。關(guān)鍵詞驅(qū)動電路;功率場效應(yīng)管Mosfet;保護(hù)電路0引言功率場效應(yīng)管Mosfet是70年代發(fā)展起來的新型功率開關(guān)器件,它繼承了傳統(tǒng)的Mosfet的特點(diǎn),又吸收了GTR的特點(diǎn)。作為一種電力電子開關(guān)器

2、件,它具有開關(guān)速度快,驅(qū)動功率小,安全工作區(qū)域(SOA寬,過載和抗干擾能力強(qiáng),并聯(lián)容易等特點(diǎn)。雖然功率Mosfet具有以上優(yōu)點(diǎn),但在交流伺服系統(tǒng)中最容易損壞的是組成逆變橋的功率器件Mosfet。要想用好Mosfet,使其不容易受損壞并不容易。因此,功率Mosfet的驅(qū)動與保護(hù)問題是逆變電路能否可靠工作的基礎(chǔ)與關(guān)鍵。本文主要就交流伺服系統(tǒng)中PWM逆變電路中功率Mosfet的驅(qū)動與保護(hù)進(jìn)行敘述。1功率Mosfet對驅(qū)動電路的要求功率Mosfet器件是一種電壓控制器件。只要在柵極和源極之間施加一定的電壓,就能使功率Mosfet器件導(dǎo)通。雖然功率Mosfet比較容易驅(qū)動,但為了避免器件受損,同時也為了

3、得到最佳控制性能,在設(shè)計驅(qū)動電路時一般要考慮以下一些問題。111柵極電壓的限制給功率場效應(yīng)管Mosfet提供正偏置電壓U GS 就能夠使其開通,增大柵源極之間的正偏電壓U GS 就會使功率Mosfet的開通關(guān)斷時間加快,并降低開通關(guān)斷的損耗,但如果柵源極之間的驅(qū)動電壓過高,會擊穿功率Mosfet柵源極之間的氧化層,導(dǎo)致功率器件損壞。因此,柵源極之間電壓通常選正15V左右,在本系統(tǒng)中柵源極之間的正偏電壓選取為+15V。為了保證功率Mosfet可靠關(guān)斷,在關(guān)斷時需在柵極施加負(fù)偏壓。在本系統(tǒng)中,負(fù)偏置電壓選取為-5V。112柵極串聯(lián)限流電阻Mosfet功率器件的開通與關(guān)斷通過柵源極之間的電容充放電來

4、實(shí)現(xiàn)。其柵源極之間的阻抗對Mosfet的動態(tài)性能影響較大,減小柵源極之間的阻抗,會減小開關(guān)時間并減小功率場效應(yīng)管Mosfet 誤導(dǎo)通的可能。柵源極之間的阻抗選取要根據(jù)功率器件提供的柵源極之間電容,柵源極之間的偏置電壓,開通或關(guān)斷時間來計算。113具有對“地”可浮動的直流電源功率Mosfet柵極驅(qū)動電壓是對功率Mosfet源極的電壓,而不是對地的電壓。在Mosfet應(yīng)用中應(yīng)盡量使驅(qū)動電路的驅(qū)動電源穩(wěn)定,盡量減小主回路電源對其造成的干擾。2數(shù)字交流伺服驅(qū)動器中PWM逆變電路中的功率場效應(yīng)管Mosfet的驅(qū)動與保護(hù)通常,在自關(guān)斷電力電子器件中,除了器件的參數(shù)選擇合適,驅(qū)動電路設(shè)計良好外,功率器件在開

5、通關(guān)斷時的過壓保護(hù)、過流保護(hù)、過熱保護(hù)等也是不可缺少的。下面主要對逆變電路中的驅(qū)動模塊、工作原理、過壓保護(hù)、過流保護(hù)、過熱保護(hù)等作簡要的介紹。211惠普公司的HCPL2316J功率驅(qū)動模塊簡介在伺服驅(qū)動電路中的驅(qū)動模塊采用了惠普公司的驅(qū)動芯片HCPL-316J。該芯片的主要特點(diǎn)是:內(nèi)部集成了光電耦合器,實(shí)現(xiàn)光電隔離;具有過電流保護(hù)功能,HCPL-316J通過檢測功率場效收稿日期2006212227作者簡介李蔭濤(19782,男,山東濰坊人,碩士研究生,主要研究方向是全數(shù)字伺服驅(qū)動器。776應(yīng)管的飽和壓降來檢測Mosfet 是否過流。一旦檢測到過流,HCPL-316J 就會對Mosfet 實(shí)行軟

6、關(guān)斷,并發(fā)出過流故障信號。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。 圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖212工作原理在該系統(tǒng)中驅(qū)動弱信號是從數(shù)字信號處理器中發(fā)出的,當(dāng)該信號為高電平時,信號經(jīng)HCPL-316J 驅(qū)動芯片隔離放大后,作為功率場效應(yīng)管Mosfet 的正偏置電壓輸出到場效應(yīng)管的柵極上,使功率場效應(yīng)管開通;當(dāng)該信號為低電平時,功率場效應(yīng)管的柵源電壓被置成負(fù)偏壓,使功率場效應(yīng)管可靠關(guān)斷。213過電流保護(hù)當(dāng)主電路中發(fā)生短路時,回路中的電流會很大,此時功率場效應(yīng)管的飽和壓降會增大。而HCPL-316J 可以通過檢測功率場效應(yīng)管的飽和壓降來保護(hù)功率場效應(yīng)管,使其不受損壞。保護(hù)電路如圖2所示。 圖2HCPL 2316J 保

7、護(hù)電路HCPL 2316J 驅(qū)動模塊中內(nèi)置了7V 的參考電壓,當(dāng)引腳14的飽和壓降大于內(nèi)置的7V 參考電壓時,引腳5(FAULT就會在5s 從高阻態(tài)變?yōu)榈碗娖?。引腳14(DESAT的電壓降V DESAT =V F +V DS (V F 是降落在快速恢復(fù)二極管D1上的電壓,V DS是降落在功率場效應(yīng)管VT1漏源極之間的飽和壓降。引起引腳5(FAULT電平跳變的條件是漏源極之間的飽和壓降V DS 7-V F 。如圖1所示7個HCPL-316J 驅(qū)動模塊中任何一個錯誤信號F1F7發(fā)生電平跳變時,連接F1F7之間的與非門U1就會從低電平變?yōu)楦唠娖?經(jīng)與非門輸出的電平經(jīng)U2后變?yōu)榈碗娖捷敵龅紻SP 的P

8、DPINT 引腳上,DSP 檢測到該引腳上的電平由高變低時就會封鎖PWM1PWM6的觸發(fā)脈沖,保護(hù)功率場效應(yīng)管不至于損壞。在實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)實(shí)際的需要調(diào)整驅(qū)動模塊檢測功率器件VT1的漏源極之間的壓降V DS 。例如可以通過串聯(lián)快速恢復(fù)二極管的個數(shù)來降低HCPL 2316J 的飽和壓降V DS ,如果串聯(lián)的快速恢復(fù)二極管的個數(shù)為n ,那么當(dāng)驅(qū)動模塊HCPL 316J的引腳14(DESAT檢測到功率器件VT1的漏源極壓降V DS 7-nV F 時,驅(qū)動模塊HCPL 2316J 引腳5876(FAULT 就會輸出錯誤保護(hù)信號。在實(shí)際應(yīng)用中為了區(qū)分是哪一個Mosfet 功率管發(fā)生了過流,在每一個功率

9、器件驅(qū)動模塊上加一個發(fā)光二極管,當(dāng)功率器件發(fā)生過流時,與功率器件驅(qū)動模塊相連的發(fā)光二極管就會點(diǎn)亮。214過電壓保護(hù)由于電路中存在雜感的原因,功率Mosfet 開通關(guān)斷時,由于主回路中電流的急劇變化及有主回路中雜散電感存在,會產(chǎn)生很大的開關(guān)浪涌電壓。抑制尖峰電壓的辦法是在橋臂上加緩沖電路。緩沖電路的形式主要有RC 緩沖器, 充放電型R 2C 2V D 緩沖器及阻止放電型R 2C 2VD 緩沖器。在此電路中采用如圖3所示的充放電型R 2C 2V D 緩沖器。 圖3充放電型的緩沖電路緩沖電路中二極管能箝住瞬間電壓,以抑制由于母線寄存電感引起的寄存振蕩。此外緩沖電路中電阻R 不宜過小,否則在功率管開通

10、時緩沖電容C s 的放電電流過大,造成緩沖器電路的電流振蕩。緩沖電容的值可以根據(jù)緩沖電容的計算公式,C s =LI 20(U 2ECP -E D 2來選取(L 為主回路的電感,一般1m 配線為1H;I 0為功率管的最大關(guān)斷電流,U CEP 為緩沖電容C s 達(dá)到的電壓最大值;E D 為母線電壓。在此緩沖電路中RC 常數(shù)應(yīng)設(shè)計為開關(guān)周期T 的1/3,即=T/3=1/3f (f 為開關(guān)頻率。實(shí)驗(yàn)表明,加上緩沖電路時,很大程度上抑制了功率場效應(yīng)管開通關(guān)斷時產(chǎn)生的尖峰電壓。3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論我們將上述的分析在冶金自動化研究設(shè)計院伺服系統(tǒng)研究所設(shè)計的交流伺服電機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)的結(jié)果如圖4、圖5所示。1從圖4可以看到,觸發(fā)逆變電路中功率器件的PWM 脈沖的波形對稱,并且上升下降沿陡直,上下橋臂有一定的死區(qū)時間,滿足設(shè)計要求。2從圖5可以看到,逆變電路輸出的電流波形近似正弦波,諧波少。圖4驅(qū)動信號的波形圖5帶負(fù)載時的電流波形注:顯示的為電壓波形,電流是根據(jù)電壓計算出來的,兩波形是相似的。參考文獻(xiàn)1王志