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igbt模块驱动波形(国内外伺服驱动器电源板的设计初探)

时间:2023-06-28 作者: 小编 阅读量: 1 栏目名: 范文大全

随着大规模集成电路的发展及贴片工艺的出现,这类分离元件式的驱动电路,因结构复杂、集成化低、故障率高已逐渐被淘汰。光耦器件构成的驱动电路具有线路简单、可靠性高、开关性能好等特点,在IGBT驱动电路设计中被广泛采用。另外一种通过检测IGBT的饱和压降。一些驱动光耦同时具备这两种功能,如ACPL-332,因此采用带检测IGBT的饱和压降功能驱动光耦来实现短路保护。在缓冲电路的电容器中使用薄膜电容,并配置在IGBT附近,使其吸收高频浪涌电压。

3) 逆变电路(核心),IGBT模块,IPM模块

研究国外的变频器和伺服驱动器装置,日系驱动器由于在智能功率模块IPM方面有非常明显的技术工艺优势,其采用的IPM模块都是量身定制的,无论采用IGBT模块的架构或者IPM模块的架构都能取得很好的性能, 欧美的驱动器很少使用IPM,几乎都采用IGBT模块的架构,比如伦茨,艾默生,KMG,西门子等。

IPM的优点:小体积,小型化 ;缩短研发周期;驱动电路和IGBT之间连线短,驱动电路的阻抗低,不需要负电源;集成了IGBT的驱动,欠压保护,过热保护,过流短路保护,可靠性高。

IPM的缺点:过流或者过温保护点已经固定,如果因为某些特殊的需求就无法作更改,灵活性不够;IPM只有一个报警信号输出,不能分辨究竟是过热还是过流还是欠压等。还有如果就只有驱动或者保护部分电路损坏,但是我们只能无奈的换掉整个模块,而大功率IPM的采购成本非常高。

IGBT的优点:采用IGBT架构电路结构灵活 ,过载能力强(其额定电流是在80℃定义,而IPM是在25℃定义的),采购成本低,可以灵活的设计IGBT的驱动电路有效的控制其开启和关断时间,实现良好的EMI和IGBT的热功耗。

IGBT的缺点:体积大,还需要设计如驱动电路、外围的报警保护电路等保证IGBT的可靠运行。因此设计难度大,稳定性和可靠性很难把握,并且驱动电路除了需要正电源往往还需要负电源,需要提供的电源相对多,布局布线存在困难。

在高档的伺服驱动装置的研发中,我们恰恰需要它的灵活性。只有从工艺、电路、布局布线以及软件上进行优化,才能打造出可靠稳定的硬件平台。因此一般采用IGBT架构。也有一些高档的伺服如法拉克的6驱一体用于机器人的伺服是采用了IPM的方案,主要原因是为了实现小型化,将6个驱动器集成一体,采用IPM可以提高可靠性,再者法拉克所用的IPM是其本国设计生产的完全可以实现定制,以达到最好的驱动特性。如果我公司要设计高档的伺服,如机器人专用的最好不要采用日本的IPM, 因为我们曾经花了两周时间调试完毕基于三菱的IPM模块PS21255(20A)的电源板,并且发现了三菱模块不论是PS21255(第二代)还是PS21875(第三代)配传感器ACS712(单端输出)性能都很差,连6米的快速移动都会造成步进电机电机闷车,但是英飞凌和IR的智能模块都运行很正常,这也真正的应证了日本确实是将品质一般的产品卖给中国,所以我建议公司应该加大IGBT的应用,多沉淀和积累关于IGBT的驱动保护等相关经验,逐步减少对日本IPM模块的依赖。

IGBT的驱动电路结构形式:分离元件;专用集成驱动电路;光耦驱动;变压器驱动。随着大规模集成电路的发展及贴片工艺的出现,这类分离元件式的驱动电路,因结构复杂、集成化低、故障率高已逐渐被淘汰。光耦器件构成的驱动电路具有线路简单、可靠性高、开关性能好等特点,在IGBT驱动电路设计中被广泛采用。如东芝公司的TLP系列、夏普公司的PC系列,安华高的HCPL系列等。目前已开发的专用集成驱动电路,主要有IR公司的IR2136,三菱公司的EXB系列厚膜驱动。此外,现在的一些欧美厂商在IGBT驱动电路设计上采用高频隔离变压器,如 CONCEPT公司,丹佛斯VLT系列变频电源。通过高频变压器对驱动电路电源及信号的隔离,增强驱动电路的可靠性,同时也有效地防止主电路出现故障时对控制电路的损坏,故障率低,寿命长,响应快。但缺点是工艺复杂。

目前国外的高档IGBT驱动方案伺服驱动器主流是驱动光耦,该方案最成熟,因此公司设计高档伺服适宜选择光耦来进行驱动IGBT。

外围保护电路,IGBT 模块可能由于过电流、过电压这类异常情况而受损,因此,在IGBT 模块的运用中,设计能够避免这种异常情况从而保护元件的保护电路显得尤为重要。短路保护通常有两种方案,一种是通过电流检测器,如电流传感器、互感器和采样电阻直接检测IGBT的集电极电流。另外一种通过检测IGBT的饱和压降。当IGBT发生短路时,为了避免关断电流的di/dt过大形成的过电压,导致IGBT锁定无效和损坏,以及降低电磁干扰,通常采用软关断技术。一些驱动光耦同时具备这两种功能,如ACPL-332,因此采用带检测IGBT的饱和压降功能驱动光耦来实现短路保护。

因为IGBT 的开关速度很快,IGBT 关断时,或FWD 反向恢复时会产生很高的di/dt,由杂散电感引发很高的关断浪涌电压,要抑制发生过电压的方法有:尽量将电解电容器配置在IGBT 的附近,减小杂散电感; 调整IGBT 的驱动电路的驱动电阻,减小di/dt; 在IGBT 中加上缓冲电路,吸收浪涌电压。在缓冲电路的电容器中使用薄膜电容,并配置在IGBT 附近,使其吸收高频浪涌电压。

用于过流保护的采用电阻的两种位置接法

电流检查的采用电阻可已放在R1位置,也可以放在R2位置,R2位置简单方便但是设计难度很大一些,R1位置还有配合其他电路但是可靠性很高。

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