新型電力電子器件在仿型銑上的應(yīng)用

王文敏 劉波 林夢圓 劉建翠

(中國第二重型機械集團德陽萬航模鍛有限責任公司，四川 德陽 618000)

仿型銑是公司機加廠生產(chǎn)加工的主要設(shè)備，由于電器元件嚴重老化，故障頻繁，嚴重制約了生產(chǎn)，因此公司決定對這些仿型銑進行電氣技改。

在選擇方案時，總結(jié)了以前設(shè)備電器改造的經(jīng)驗，從降低成本，提高設(shè)備性能上考慮，決定不再使用三相全控橋可控硅系統(tǒng)，而采用脈寬調(diào)速方案，在主回路功率元件上采用絕緣柵雙極晶體管(IGBT)，這樣綜合成本比可控硅系統(tǒng)有較大的降低，而控制性能如系統(tǒng)的跟隨性、穩(wěn)定性、失控時間等都比可控硅系統(tǒng)有較大提高。

1 IGBT模塊簡介

IGBT模塊是由電力晶體管(GTR)以及功率場效應(yīng)管(MOSFET)組成達林頓結(jié)構(gòu)的新型復(fù)合器件，它的等效電路圖形見圖1，綜合了它們的優(yōu)點，因而具有良好的特性[1-3]：

圖1 IGBT的等效電路Figure 1 The equivalent circuit of IGBT

(1)IGBT的開關(guān)工作頻率非常高，目前已經(jīng)達到40 kHz。

(2)IGBT模塊的擊穿電壓達到1200 V，集電極最大飽和電流超過1500 A。

(3)IGBT的開通飽和壓降很低。

(4)有自動均流的功能，所以容易并聯(lián)使用。

(5)IGBT的熱穩(wěn)定性能好，安全工作區(qū)間大。

2 IGBT驅(qū)動電路

2.1 合理設(shè)計柵極驅(qū)動電路

IGBT模塊在實際使用中最重要的問題是合理設(shè)計柵極驅(qū)動電路[1-3]：

(1)柵極的正偏壓(+VGE)：柵極驅(qū)動電路給IGBT模塊提供正偏壓使其導(dǎo)通，當正偏壓增加時，會使IGBT模塊開通時間縮短，通態(tài)壓降下降，但是正偏壓不能太高，否則會影響使用安全性，所以通常選擇+15 V。

(2)柵極負偏壓(-VGE)：柵極驅(qū)動電路給IGBT模塊提供負偏壓使其關(guān)斷，這個負偏壓直接關(guān)系到IGBT模塊運行的可靠性，在IGBT模塊關(guān)斷瞬間，集電極和發(fā)射極之間會產(chǎn)生很高的脈沖上升電壓，容易使IGBT發(fā)生失控甚至擊穿現(xiàn)象，為了避免IGBT模塊出現(xiàn)這種失誤，必須在柵極加負偏壓，通常選擇-5 V或更低一些。

(3)IGBT模塊的柵極電阻RG，為了改善柵極控制波形的前后沿陡度和防止振蕩，減少集電極電流上升dI/dt，必須在柵極電路中串接一個電阻RG。按照IGBT模塊的電流容量和電壓額定值及開關(guān)頻率的不同，選擇匹配的RG阻值，一般選擇RG的阻值在十幾歐姆到幾百歐姆之間。

綜合以上考慮，先選擇IGBT專用驅(qū)動模塊，型號為EXB841，最大開關(guān)頻率為40 kHz。使用20 V 控制電壓，分成+15 V開通及-5 V關(guān)斷，應(yīng)用電路如圖2。

圖2 IGBT專用驅(qū)動模塊應(yīng)用電路Figure 2 The applied circuit of IGBT drive module

VD是快恢復(fù)二極管，VL是光耦，Iout是過電流保護輸出，Uin是驅(qū)動信號。但在實際使用過程中，發(fā)現(xiàn)在工廠環(huán)境下，這個驅(qū)動電路的可靠性還不夠高，分析原因是其-5 V的關(guān)斷電壓有時還不能可靠關(guān)斷IGBT模塊，在橋式電路中會造成模塊短路損壞。因此，我們使用Protel 99 SE軟件自行設(shè)計新驅(qū)動電路，采用24 V電壓，分成+15 V的開通電壓和-9 V的關(guān)斷電壓，電路如圖3所示。

圖3 改進后的驅(qū)動電路Figure 3 The improved drive circuit

使用Protel 99 SE軟件設(shè)計成印刷板電路，將4組驅(qū)動及24 V電源設(shè)計在一塊電路板上，實現(xiàn)集中控制，并且方便IGBT柵極接線，制作電路板如圖4。

圖4 改進后的驅(qū)動電路印刷板Figure 4 The printing block of improved drive circuit

2.2 新設(shè)計驅(qū)動電路功能

新設(shè)計的驅(qū)動電路具有以下功能：

(1)具有信號隔離功能：電路內(nèi)安裝的光耦器件可以隔離2500 V的電壓，所以能用在以IGBT模塊為主控制器件的380 V機床上。

(2)具有過電流檢測功能：電流傳感器能及時檢測出電路中的過電流信號[4]。

(3)具有低速過電流切斷功能：若發(fā)現(xiàn)流過IGBT的電流超過設(shè)定值時，這個電路功能可以慢速關(guān)斷IGBT模塊，避免因電路中電感的存在，IGBT過快關(guān)斷會在集電極上產(chǎn)生非常高的電壓尖脈沖，導(dǎo)致?lián)舸┠K。

(4)電路板的電源電路：由變壓器提供的交流電，經(jīng)整流濾波穩(wěn)壓后形成24 V直流供電，由內(nèi)部電路分成+15 V的柵極正偏壓和-9 V的柵極負偏壓，以保證IGBT模塊可靠工作。

2.3 使用驅(qū)動電路注意事項

(1)驅(qū)動電路與IGBT柵極接線應(yīng)盡量短，不能超過0.5 m，且使用雙絞線，以提高抗干擾能力。驅(qū)動電路見圖5。

圖5 H型開關(guān)電路Figure 5 H type switching circuit

(2)若發(fā)現(xiàn)IGBT模塊的集電極上產(chǎn)生較大的電壓尖脈沖，應(yīng)適當增加?xùn)艠O電阻RG的阻值。

我們做過實驗：接好控制電路，負載從500 W開始，用示波器觀察IGBT的工作波形，可以看到在關(guān)斷的瞬間有個尖峰脈沖。逐步增加負載功率，這個尖峰脈沖相應(yīng)增高。若不調(diào)整參數(shù)，隨著負載的增大，關(guān)斷時如果產(chǎn)生的尖峰脈沖超過器件的額定耐受電壓，就會擊穿IGBT模塊。

3 直流電機主控制電路

3.1 直流電機主控制電路構(gòu)成

(1)在電機主控制回路上，選擇150 A雙IGBT模塊，在一個模塊中有兩個IGBT單元，并且都反并聯(lián)了起續(xù)流作用的二極管，這樣用于脈寬調(diào)速電路中，安裝、接線都很方便。

(2)主回路脈寬調(diào)速工作：220 V交流電經(jīng)整流后，由電容C濾波，經(jīng)熔斷器RD，加到IGBT模塊。由4個IGBT組成H型開關(guān)電路，加到直流電動機上。當正半周和負半周波形一致時，輸出平均電壓為零，電動機停止轉(zhuǎn)動。當改變波形占空比，例如上半部分比下半部分大時，電動機開始正轉(zhuǎn)；當上半部分比下半部分小時，電機反轉(zhuǎn)。這樣方便實現(xiàn)電動機的無級調(diào)速及正反轉(zhuǎn)、停車制動等功能，使直流電機具備極佳的機械特性和動態(tài)響應(yīng)能力。脈寬調(diào)制波形見圖6。

圖6 脈寬調(diào)制波形Figure 6 The pulse width modulation waveform

3.2 使用直流電機主控制電路注意事項

(1)在控制電路上，要保證1、4關(guān)斷后，經(jīng)過一定延時才能將2、3開通。在示波器上仔細觀察，IGBT的觸發(fā)波形，上下對稱，只有確定觸發(fā)波形無誤后，才能給主回路送電。

(2)電容C的容量要足夠大，以避免電動機制動時產(chǎn)生過電壓，并且電容C到IGBT模塊的聯(lián)線盡量短，以避免產(chǎn)生尖峰電壓。在大容量系統(tǒng)中，電機制動回饋的能量過大，單靠電容吸收已不夠，要增加泄荷回路，避免電壓升得過高。

(3)兩個模塊之間的聯(lián)線要盡量短，在模塊上并聯(lián)一個高耐壓小容量的電容，作用是吸收IGBT關(guān)斷時產(chǎn)生的尖峰脈沖，C的參數(shù)為1μF/1200 V。

(4)在電機回路中串聯(lián)霍爾電流傳感器，以檢測過電流，限制起動電流在額定值以內(nèi)[4]。

(5)要有足夠大的散熱器，由于IGBT的散熱底板與內(nèi)部電路是絕緣的，可直接將它安裝在散熱器上，非常方便。

(6)因為IGBT模塊的輸入阻抗極高，容易產(chǎn)生靜電擊穿狀況，所以存放和測試時應(yīng)注意，需要有防靜電的措施。

(7)在控制電路上，能對驅(qū)動電路發(fā)出的過電流信號作出迅速反應(yīng)，切斷柵極信號，并使主回路斷電，以保護系統(tǒng)不損壞。要有防止控制電壓下降，造成開通電壓不足，而損壞IGBT模塊的措施。

(8)對150 A的IGBT，其柵極串聯(lián)電阻，選擇15 Ω較適宜，這樣既保證其快速響應(yīng)，又避免過快關(guān)斷造成的電壓尖脈沖。

3.3 使用IGBT的抗干擾措施

首先要選擇適當?shù)臇艠O驅(qū)動電阻，避免過快的開通與關(guān)斷IGBT模塊；另外在模塊的集電極、發(fā)射極之間安裝吸收電路。這些方法降低了IGBT工作時的電壓電流變化率，減少帶來的干擾源強度。

其次，在切斷干擾途徑方面，采取以下措施：

(1)在電源電路中設(shè)有濾波器，切斷交流電源電路上的各種干擾。

(2)主回路、控制電路分開布線，并加以屏蔽，用以吸收高電壓造成的電場干擾以及電流造成的磁場干擾[2-3]。

(3)驅(qū)動信號引線采用屏蔽雙絞電纜，長度盡可能短。

(4)單片機發(fā)出的驅(qū)動信號和輸入控制信號都必須使用光耦進行隔離。

(5)設(shè)計印刷電路板時，每個芯片都配一個高頻濾波電容，用來消除高頻干擾，印刷電路板的布線應(yīng)采取各種合理規(guī)則，使線間耦合電容減小。

3.4 機床電路

機床電路見圖7，H1、H2是兩個IGBT模塊。

圖7 機床電路Figure 7 The circuit of machine

4 機床調(diào)試步驟

(1)檢查外圍元件、接線等有無錯漏。

(2)給控制回路送電，檢查各穩(wěn)壓電源、電動機磁場、測速機磁場的電壓是否符合要求。

(3)檢查控制回路動作是否正常。

(4)用示波器檢查IGBT的觸發(fā)波形、上下沿的陡峭度、有無干擾波、波形的對稱度(調(diào)CBO電位器)、兩組觸發(fā)波的間隔時間、波形幅值等[2]。

(5)調(diào)電流環(huán)：

1)加電流給定信號±4 V，調(diào)輸出限幅±10 V。

2)將調(diào)節(jié)器比例電阻接一個10 kΩ左右電阻后，給主回路送電，測電流反饋極性應(yīng)為負反饋。

3)把電流環(huán)給定信號，通過一個微動開關(guān)接入。按動微動開關(guān)，觀察起動電流波形(傳感器1∶100)，加大電流環(huán)反饋電阻，只要系統(tǒng)穩(wěn)定，此電阻越大越好。它的頻帶越寬，后續(xù)的速度環(huán)比例電阻才能做大，系統(tǒng)響應(yīng)時間越短。(H：2.2 MΩ，C：3 MΩ，Z：1.1 MΩ。)

(6)調(diào)速度環(huán)：

1)加速度環(huán)給定信號±15 V，調(diào)速度限幅±3.5～4 V。

2)將PI調(diào)節(jié)器的電容短接，先裝一個10 kΩ的電阻，啟動后測速度反饋極性，應(yīng)為負反饋。將反饋接入，逐漸增大電阻，觀察波形，只要系統(tǒng)穩(wěn)定，盡量加大電阻，以提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。(H：890 kΩ，C：760 kΩ，Z：700 kΩ。)

3)電阻調(diào)好后，投入電容，容量由大逐漸減小，保持系統(tǒng)平穩(wěn)，使系統(tǒng)成為無靜差調(diào)速系統(tǒng)。

(7)調(diào)位置環(huán)：

調(diào)整靠模儀間隙為1 mm，輸入電壓交流9 V(1000 Hz)，輸出7 V左右，在示波器上觀察，看波形是否正確，壓靠模儀時，波形應(yīng)能反向，使輸出的直流電極性能改變，到主板上的信號電壓為直流5 V。

5 結(jié)束語

仿型銑大修技改后，通過1年多的使用，證明采用脈寬調(diào)速方案是可靠的，控制系統(tǒng)具備極佳的機械特性、快速的動態(tài)響應(yīng)。使用性能良好，改善了加工質(zhì)量，加工效率比以前提高3倍以上，生產(chǎn)綜合成本明顯下降。