太原科技2009年第1期鍛。咿凹蕊觸囝@嘶嘲伽文章編號(hào):1006--4877(200901-0087—03應(yīng)用技術(shù)一I?。一蝌*“o鋸。爭(zhēng),黔鼎*㈣凈瀚,商蜘;霸翰辨鰳蜘s糯麟娩煳鱖H橋IGBT柵極驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用王志堅(jiān)(山西國(guó)營(yíng)大眾機(jī)械廠第一研究所,山西太原030024摘要:以具體實(shí)例對(duì)H橋IGBT柵極驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)做了分析.得出IGBT的驅(qū)動(dòng)條件是柵極正電壓、柵極負(fù)電壓、柵極串聯(lián)電阻與其主要運(yùn)行特性的關(guān)系,并推導(dǎo)出H橋IGBT柵極驅(qū)動(dòng)電流、驅(qū)動(dòng)功率、柵極電阻的計(jì)算公式及死區(qū)時(shí)間的確定方法。為驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)提供了可靠依據(jù)。關(guān)鍵詞:H橋;IGBT;柵極;驅(qū)動(dòng)電路中圖分類號(hào):TM383.6文獻(xiàn)標(biāo)志碼:AIGBT全稱是絕緣柵雙極晶體管。是MOS柵器件結(jié)構(gòu)同雙極晶體管相結(jié)合進(jìn)化而成的電壓控制型復(fù)合功率開(kāi)關(guān)器件。它既有MOS柵器件易驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn).又具有功率晶體管電壓、電流容量大等優(yōu)點(diǎn)。由于IGBT的飽和壓降、開(kāi)通和關(guān)斷瞬間集電極電壓,電流的上升、下降速率等主要運(yùn)行特性是隨著IGBT的驅(qū)動(dòng)條件(柵極正電壓、柵極負(fù)電壓、柵極串聯(lián)電阻而變化的,因此,在工程研制階段合理選擇IGBT的驅(qū)動(dòng)條件顯得尤為重要。IGBT的驅(qū)動(dòng)條件與主要運(yùn)行特性的關(guān)系。見(jiàn)表l。1.1柵極正電壓(+y硒在工程研制階段,+y四的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮以下幾方面:第一,+Vae的設(shè)計(jì)應(yīng)在IGBT允許的(G—E間最大額定電壓y薩+20V范圍內(nèi)。第二,+VcE的推薦值為+15V.此時(shí)IGBT可飽和導(dǎo)通且損耗較小;若小于+12V則通態(tài)損耗增大:若大于+20V收稿日期:2008一ll一22;修回日期:2008—12~22作者簡(jiǎn)介:王志堅(jiān)(1969一,男,太原清徐人。1993年7月畢業(yè)于太原理工大學(xué),工程師。表1IGBT的驅(qū)動(dòng)條件與主要運(yùn)行特性的關(guān)系則易過(guò)電流。第三。+Vce的設(shè)計(jì)值還必須在柵極驅(qū)動(dòng)電路中器件允許工作電壓范圍之內(nèi)。第四,電源電壓的波動(dòng)推薦在±10%范圍內(nèi)。第五,IGBT飽和導(dǎo)通期間的C—E間電壓礦曲㈥隨+y凹變化,+y盤(pán)越大,y甜㈦越小。第六,+VcE越大,開(kāi)通時(shí)間和開(kāi)通損耗越小。第七,+y旺越大,使開(kāi)通時(shí)di/dt越大.增加續(xù)流二極管FWD反向恢復(fù)時(shí)的浪涌電壓。第八.因FWD反向恢復(fù)時(shí)的如他會(huì)使IGBT誤導(dǎo)通,形成脈沖式的集電極電流,造成損耗增加,發(fā)熱嚴(yán)重。第九,通常+Vcg越大,IGBT短路電流值也越大。第十,+y衄越大,IGBT短路耐受能力越小。1.2柵極負(fù)電壓(一y口在工程研制階段,一y∞的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮以下幾方面:第一,一y硒的設(shè)計(jì)應(yīng)在IGBT所允許的(G—層間最大額定電壓y∞=一20V范圍內(nèi)。第二,一y∞的推薦值為一5~15V。第三,一y衄的設(shè)計(jì)值還必須在柵極驅(qū)動(dòng)電路中器件允許工作電壓范圍之內(nèi)。第四,電源電壓的波動(dòng)推薦在±10%范圍內(nèi)。第五,一y船越大。關(guān)斷時(shí)間和關(guān)斷損耗越小。第六,一y循的設(shè)計(jì)可使IGBT在噪聲情況下有效關(guān)斷。同時(shí)避免因山他造成的誤導(dǎo)通。1.3柵極串聯(lián)電阻(尺。在工程化設(shè)計(jì)中,尺。的取值對(duì)IGBT的動(dòng)態(tài)運(yùn)行特性有重要影響。首先,尺。值越大,控制脈沖的妞用技術(shù)太原科技2009年第1期鏹。曾&燃囝@蚪椎@衄磅燃唯嬲稍嘴擘凇警鎊^磚替理輔骼煳掰瑤x4表、0≯t前、后沿陡度越小,開(kāi)關(guān)時(shí)間和開(kāi)關(guān)損耗就越大。其次,尺。值越大,相反浪涌電壓會(huì)越小,使出他誤導(dǎo)通現(xiàn)象不易出現(xiàn)。2IGBT的柵極電荷及驅(qū)動(dòng)電流IGBT本身具有MOS柵器件結(jié)構(gòu).IGBT在開(kāi)通或關(guān)斷時(shí)必須具有一定的柵極充放電電流.即柵極驅(qū)動(dòng)電流。而柵極充電電荷量(即驅(qū)動(dòng)IGBT所需的電荷量直接影響著驅(qū)動(dòng)電流的大小,因此,可以通過(guò)柵極充電電荷量特性(見(jiàn)圖1來(lái)求柵極驅(qū)動(dòng)電流。驅(qū)動(dòng)電路原理框圖見(jiàn)圖2,脈沖輸入及電壓、電流波形見(jiàn)圖3。圖3中電流波形所表示的面積應(yīng)與圖1中的充放電電荷量相等。脈沖輸y“o/+y朗/L/Qg:充放電電荷量。/r匕Q—Vc.圖1柵極充電電荷量特性圖2驅(qū)動(dòng)電路原理框圖味沖繪^廠———O—N]Q豎脈沖輸入——JL——翌_L充電電荷量放電電荷量圖3脈沖輸入及電壓、電流波形驅(qū)動(dòng)電流的峰值IGP可由式(1求出拓+y礦l-VcEl肛c+尺。。(1式中,+VcE為電源正電壓;一y循為電源負(fù)電壓;足。為驅(qū)動(dòng)電路柵極電阻;R。為IGBT內(nèi)部柵極電阻。在圖l中。y“從0開(kāi)始上升的斜率基本與IGBT輸入電容巳等效.而負(fù)電壓部分可作為延長(zhǎng)考慮。因此,驅(qū)動(dòng)電流的平均值如求取為+,產(chǎn)一J0氣『:×(17,(乙×i-VcE1。(2式中,Q是從0到+y蕊的充電電荷量;氏為IGBT的輸入電容;.f為載流子頻率;一Vcr為電源負(fù)電壓。由IGBT開(kāi)通、關(guān)斷時(shí)驅(qū)動(dòng)電路發(fā)生的損耗.可近似求取驅(qū)動(dòng)電路的功率R,R(洲2PG(岍2肛f毒Qf+‰f+專以xI—V船㈠。(3式中,R(洲為IGBT開(kāi)通時(shí)驅(qū)動(dòng)電路的損耗;R(肝為IGBT關(guān)斷時(shí)驅(qū)動(dòng)電路的損耗。如丟×(GI+y∞I+巳×l—y塒I‘。(4在工程設(shè)計(jì)中,為求取尺g值,可認(rèn)為驅(qū)動(dòng)電路發(fā)生的損耗全由柵極電阻以熱形式消耗。R。值具體計(jì)算為'Re=PG/lco(、5、式中,厶為柵極驅(qū)動(dòng)平均電流值。因此。在驅(qū)動(dòng)電路的工程設(shè)計(jì)中?？梢罁?jù)上述內(nèi)容分析計(jì)算。選取合理的IGBT驅(qū)動(dòng)電路。3死區(qū)時(shí)間的確定對(duì)于圖4中H橋雙極模式的IGBT功率轉(zhuǎn)換電路.其特點(diǎn)是在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)。作用在電機(jī)電樞上的電壓極性是正負(fù)交替的。其中4個(gè)功率管分為兩組,y。和y。為一組,y:和y,為一組,同一組中的兩個(gè)功率管同時(shí)導(dǎo)通或關(guān)斷.兩組功率管是交替地輪流導(dǎo)通和截止的,亦即柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào),鞏1.‰,%=‰。柵極驅(qū)動(dòng)波形見(jiàn)圖5,其中,A為魄。圖4H橋雙極模式IGBT功率轉(zhuǎn)換電路圖5柵極驅(qū)動(dòng)波形阮叱應(yīng)用技悉太原科技2009年第1期被口曾凹凰嗍s@o坷喝@啪謝~詠”M铘姆㈣郴徽峨輒蝴嗍們榭蝴州蝴岫耀蛾嘲(%的波形,B為%(%的波形。為避免同側(cè)上下橋臂兩單管IGBT出現(xiàn)瞬間短路現(xiàn)象(又稱直通現(xiàn)象,產(chǎn)生不必要的發(fā)熱,造成器件損壞。工程設(shè)計(jì)中必須考慮在每個(gè)單管IG—BT開(kāi)通前保留一定的死區(qū)時(shí)間。一般死區(qū)時(shí)間要大于關(guān)斷時(shí)間,通常取3斗s以上。在死區(qū)時(shí)間段內(nèi),同側(cè)上下橋臂兩單管IGBT柵極驅(qū)動(dòng)均為負(fù).處于完全截止?fàn)顟B(tài)。4H橋lGBT柵極驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)用舉例在某型號(hào)武器系統(tǒng)中。采用了Aegilent生產(chǎn)的A一3120光電耦合器件對(duì)H橋功率轉(zhuǎn)換電路IGBT進(jìn)行柵極驅(qū)動(dòng)?！?.1A一3120主要特性第一,柵極驅(qū)動(dòng)電流峰值是2.0A,持續(xù)1.5A;第二,共模暫態(tài)噪聲抑制(CMTR轉(zhuǎn)態(tài)速率是dVc耕/dt=15kV/斗s,幅值y薩l500V;第三,輸出供電電壓為15~35V;第四,A一3120傳輸延遲為0.5斗s。4.2H橋IGBT柵極驅(qū)動(dòng)電路圖6為H橋IGBT柵極驅(qū)動(dòng)電路。VDC表2對(duì)H橋功率轉(zhuǎn)換電路lGBT進(jìn)行柵極驅(qū)動(dòng)的各電參數(shù)+忙一,c云f×19,CD,Xl--VGEI=1/65x10南x(chóng)(2.4x104+1.5xlO。9x5=38.077mA。通常在工程設(shè)計(jì)中。為使驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)能力留有一定余量?？扇◎?qū)動(dòng)電流為其計(jì)算平均值的3~5倍。由IGBT開(kāi)通、關(guān)斷時(shí)驅(qū)動(dòng)電路發(fā)生的損耗,可近似求取驅(qū)動(dòng)電路的功率R(洲2戌(0fF2肛f丟QI+y誣I+尋巳×I—V∞I21。(6式中,R(剛為IGBT開(kāi)通時(shí)驅(qū)動(dòng)電路的損耗;R(0fF為IGBT關(guān)斷時(shí)驅(qū)動(dòng)電路的損耗。圖6H橋IGBT柵極驅(qū)動(dòng)5IGBT柵極驅(qū)動(dòng)電參數(shù)在該系統(tǒng)中.對(duì)H橋功率轉(zhuǎn)換電路IGBT進(jìn)行柵極驅(qū)動(dòng)的各電參數(shù)見(jiàn)表2,則驅(qū)動(dòng)電流的峰值,G尸為枷+y礎(chǔ)+I—yGEI/Rc+R產(chǎn)18+5/16=1.5A。驅(qū)動(dòng)電流的平均值,c為R(洲《×(Q。I+VGEl+c曲XI—y曲f2=1/65x10-6x(2.4x10-6x18+1.5x104×25=670.38mW。在工程設(shè)計(jì)中.為求取柵極電阻尺。值,可認(rèn)為驅(qū)動(dòng)電路發(fā)生的損耗全由柵極電阻以熱形式消耗。尺。值約為參考文獻(xiàn):【1】馮國(guó)楠.現(xiàn)代伺服系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)【M】.北京:機(jī)械工業(yè)出版社.1990.【2】徐承忠,王執(zhí)銓,王海燕.數(shù)字伺服系統(tǒng)【M】.北京:國(guó)防工業(yè)出版社.1994.(責(zé)任編輯王雅利(英文部分下轉(zhuǎn)第93頁(yè)89應(yīng)用技術(shù)太原科技2009年第1期張口v叫蕊閱島@n胛匡@咖.t:。r,v“9、:氣一2;Ft“。.tju#-{豁。4"q巍晦珊確zt黼魏《強(qiáng)1.6柵,焊接電流140A左右,電弧電壓18~21V,采用斷續(xù)焊接方式.從而達(dá)到焊道受熱均勻,防止零件變形。4每一道焊縫及層間溫度控制在200%左右,焊后保溫lh后空冷。4結(jié)論零件經(jīng)焊接并采用以上工藝返修后,使用中,未發(fā)現(xiàn)因補(bǔ)焊而引起的質(zhì)量問(wèn)題,說(shuō)明40Cr鋼零件采用熱量集中的鎢極氬弧焊以及配合合理的輔助工藝.既可避免熱影響區(qū)出現(xiàn)大量的淬硬組織而使零件脆化。又減少了軟化區(qū),從而保證了零件的強(qiáng)度不受影響。參考文獻(xiàn):it]陳祝年.焊接工程師手冊(cè)【M】.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002.【2】中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì).焊接手冊(cè)[M】.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1993.(責(zé)任編輯張璇WeldingofSpecial-shaped40CrSteelPiecesZHAOHai..xia(ShanxiCoalMachineryAssemblyofCoalResearchInstitute,Taiynan030006,ChinaAbstract:Throughanalyzingtheweldabilityofsome40Crsteelpieces,theauthorintroducedtheweldingmethodsandmethodofidentifyingweldingprocessparameters,Alsotheauthorputforwardsomecountermeasuresonweld-inginrepairwork.Keywords:weldability;carbonequivalent;heatinput;repairprocess(上接第91頁(yè)壓煤開(kāi)采技術(shù)的研究【D】.北京:中國(guó)礦業(yè)大學(xué),2001.【51郭文兵.深部大采寬務(wù)帶開(kāi)采地表移動(dòng)的預(yù)計(jì)Ⅱ】.煤炭學(xué)報(bào),2008,33(4:368-372.【6】鄧喀中,張冬至,張周權(quán).深部開(kāi)采條件下表沉陷預(yù)測(cè)及控制探討Ⅱ1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2000,29(1:52—55.【7】劉叉新,郭文兵,孟偉峰,等.深部條帶開(kāi)采的開(kāi)采深度探討U1礦業(yè)快報(bào),2007,460(8:6—7.郭文兵,鄧喀中,鄒友峰.條帶開(kāi)采地表移動(dòng)參數(shù)研究Ⅱ1煤炭學(xué)報(bào),2005,30(2:182-186.郭文兵,鄧喀中,鄒友峰.我國(guó)條帶開(kāi)采的研究現(xiàn)狀與主要問(wèn)題Ⅱ】.煤炭科學(xué)技術(shù),2004,32(8:7—11.(責(zé)任編輯劉婷PredictedResearchofSurfaceMovementinDeepStripMiningBAOHong-Bo,LIKun-peng(SurveyingandLandInformationCogegeofHenanUniversityofScienceandTechnology,Jiaozuo454003,ChinaAbstract:stripmining,asoneofthemaintechnicalmeasuresof”underthebuilding,undertherailway,underthewater”iSwidelyusedincoalminingareainChina.Onthebasisofmuchoftheliterature,wediscussedthead—vaneedtheoriesandmethodsofpredictedresearchofsurfacemovementindeepstripmining,widthanddepthofde印stripmininganditsdeterminingmethodofpredictedparameters.Alsowediscusseditsresearchprospect.AnddeterminedtheparametersofmethodstOexploren】edeepstripminingprospecLKeywords:deepmining;stripmining;surfacemovement(上接第89頁(yè)DesignandApplicationofHBridgeIGBTGridDriveWANGZhi-jian(ShanxiFirstInstituteofState—runPublicMachineryFactory,Taiyuan03∞24。ChinaAbstract:Inthispaper,theauthortookHbridgeIGBT咖ddriveasacOncreteexampleandcametotheconclu-sionthattheIGBTdriveconditionsarepositivevoltageofgrid,negativevoltageof鰣d,seriesresistanceof鰣dandtherelationsbetween鰣dand