基于IGBT管的電機功率驅動器

王強 周義勇 許桂林

（上海電控研究所，上海 200092）

一、概述

大功率直流電機目前廣泛應用在各個工業場合中，由于直流電機屬于感性負載，傳統大功率電機功率驅動器在電機的運行過程中，尤其在直流啟動、轉向和關閉的瞬間，過大的電樞電流產生過大的電動應力，尤其直流電機在啟動瞬間相當于短路狀態，將會產生較大的電流尖峰，可能會出現危險的火花燒壞整流子，損壞繞組。

二、研究內容

本文設計了一種具有軟啟動／關斷功能的電子開關模塊，可以實現電機類感性負載的軟啟動／關斷功能，有利于抑制直流電機的啟動電流，減少直流輸出電壓的波動，提高功率器件和直流電機的安全使用壽命。

（一）系統工作原理

本系統通過外部控制信號的輸入實現大功率直流電機類感性負載的軟啟動/關斷功能，有利于抑制直流電機的啟動電流，減少直流輸出電壓的波動，提高功率器件和直流電機的安全使用壽命。

CPU電路板采集外部輸入控制信號并進行解析，輸出相應的方向控制信號以及不同占空比的脈沖信號控制電機的速度，外部控制信號分為高速正轉/反轉、低速正轉/反轉共四種模式。

驅動輸出板包括軟啟動/關斷電路模塊、過流保護電路模塊、兩級功率輸出驅動電路模塊，其中軟啟動/關斷電路模塊以智能高側大電流電源開關管BTS555為核心器件，由NPN三極管進行輸入開關控制，過流保護電路模塊設置過流保護及上傳功能，通過四檔撥碼開關改變信號的放大倍數，對BTS555內部的電流進行信號調理，實現不同的過流保護值設定，過流保護信號上傳到控制芯片，實現實時監控設備輸出功率電流，兩級功率輸出驅動電路模塊以半橋柵極驅動FAN73833和IRFP2907 N溝道IGBT管為核心器件，其中IGBT管最大驅動電流達到209A，同時采用肖特基勢壘整流器MBR40100對輸出電流進行整流。原理圖如圖1所示：

（二）系統總體設計

本系統主要由殼體、CPU電路板、驅動輸出板、大電流電源開關管BTS555、輸入控制接口、主輸入24V和輸出驅動接口組成，具體結構見圖2，

（三）具體實施方式

CPU電路板是以單片機采集外部控制信號并進行信號解析，輸出相應驅動信號對大直流功率電機進行功率軟啟動、運行和軟關閉，其中外部接口分為輸入控制接口5和輸出驅動接口7，輸入控制接口5V電壓供電，同時輸入控制信號有高速正轉/反轉，低速正轉/反轉共四種模式，輸出驅動接口由三個立柱管腳，分別代表信號為主輸入24V(6)和直流電機正/負控制管腳7。控制原理為單片機采集輸入控制接口的邏輯控制電平進行解析，輸出相應的方向控制信號以及不同占空比的脈沖信號控制電機的速度，同時單片機根據設置的四檔過流設置閾值實時采集過流保護電路的過流信號，一旦超過設定的閾值則軟件關斷驅動輸出，實現電機的軟關閉。

驅動輸出板中的軟啟動/關斷電路模塊采用BTS555智能高側大電流電源開關管，由NPN三極管進行輸入開關控制，其中主電24V的輸入端直接和BTS555的金屬散熱面相連，確保驅動器具有較大的電流容量和散熱面積，軟開啟時間為1.2秒和軟關斷時間為0.3秒。

驅動輸出板中的過流保護電路模塊防止直流電機堵轉或卡滯時產生持續大電流導致電機燒壞，考慮到直流電機實際負載情況的不同和電子開關模塊的通用性，采用撥碼開關實現不同的負載電流保護值。通過四檔撥碼開關改變信號的放大倍數，對BTS555內部的電流進行信號調理，經過運算線性放大，過流保護信號上傳到控制芯片，利用軟件程序判斷是否過流，實現實時監控設備輸出功率電流和智能切斷功率輸出。

驅動輸出板中的兩級功率輸出驅動電路模塊由半橋柵極驅動FAN73833和IRFP2907 N溝道IGBT管組成，同時采用肖特基勢壘整流器MBR40100對輸出電流進行整流。電機正轉和反轉各自獨立組成驅動電路，同時兩個半橋柵極驅動輸入端進行互斥保護輸入控制，可以防止直流電機兩個功率驅動出現同時為正或反的驅動電壓出現，防止直流電機燒壞。

三、結論

本文通過設計具有軟啟動／關斷功能的電子開關模塊，可以實現電機類感性負載的軟啟動／關斷功能，有利于抑制直流電機的啟動電流，減少直流輸出電壓的波動，提高功率器件和直流電機的安全使用壽命，具有廣泛的推廣應用價值。