引言

功率集成電路驅動模塊是微電子技術和電力電子技術相結合的產物，其基本功能是使動力和信息合一，成為機和電的關鍵接口?？焖匐娏﹄娮悠骷osfet的出現，為斬波頻率的提高創造了條件，提高斬波頻率可以減少低頻諧波分量，降低對濾波元器件的要求，減少了體積和重量。采用自關斷器件，省去了換流回路，又可提高斬波器的頻率。

直流電動機的勵磁回路和電樞回路電流的自動調節常常采用功率mosfet。功率mosfet是一種多子導電的單極型電壓控制器件，具有開關速度快、高頻特性好、熱穩定性優良、驅動電路簡單、驅動功率小、安全工作區寬、無二次擊穿問題等顯著優點。目前，功率mosfet的指標達到耐壓600v、電流70a、工作頻率100khz的水平，在開關電源、辦公設備、中小功率電機調速中得到廣泛的應用，使功率變換裝置實現高效率和小型化。

因為主電路電壓均為高電壓、大電流情況，而控制單元為弱電電路，所以它們之間必須采取光電隔離措施，以提高系統抗干擾措施，可采用帶光電隔離的mosfet驅動芯片tlp250。光耦tlp250是一種可直接驅動小功率mosfet和igbt的功率型光耦，由日本東芝公司生產，其最大驅動能力達1.5a。選用tlp250光耦既保證了功率驅動電路與pwm脈寬調制電路的可靠隔離，又具備了直接驅動mosfet的能力，使驅動電路特別簡單。

tlp250的結構及驅動電路的設計

功率mosfet驅動的難點主要體現在功率器件的特性、吸收回路和柵極驅動等方面，下面首先介紹tlp250的結構和引腳使用方法，然后分別介紹以上各項。

tlp250功率器件

東芝公司的專用集成功率驅動模塊tlp250包含一個gaa1as光發射二極管和一個集成光探測器，是8腳雙列封裝，適合于igbt或功率mosfet柵極驅動電路。tlp250的管腳如圖1所示。

tlp250驅動主要具備以下特征：輸入閾值電流if=5ma(max)；電源電流icc=11ma(max)；電源電壓(vcc)=10～35v；輸出電流io=±0.5a(min)；開關時間tplh/tphl=0.5μs(max)。

基于tms320lf2407 dsp、tlp250、irf840 mosfet柵極驅動電路的直流調速系統的基本結構如圖1所示，如何對功率器件irf840進行驅動是至關重要的，必須首先對此問題加以解決，然后才能在此基礎上對控制器進行設計。

功率mosfet的開關特性

irf840 mosfet電力場效應晶體管在導通時只有一種極性的載流子(多數載流子)參與導電，是單極型晶體管。電力場效應晶體管是用柵極電壓來控制漏極電流的，因此它的一個顯著特點是驅動電路簡單，驅動功率小。其第二個顯著特點是開關速度快，工作頻率高，電力mosfet的工作頻率在下降時間主要由輸入回路時間常數決定。

mosfet的開關速度和其輸入電容的充放電有很大關系。使用者雖然無法降低cin的值，但可以降低柵極驅動回路信號源內阻rs的值，從而減小柵極回路的充放電時間常數，加快開關速度。

irf 840為單極型器件，沒有少數載流子的存儲效應，輸入阻抗高，因而開關速度可以提高，驅動功率小，電路簡單。但是，功率mosfet的極間電容較大，因而工作速度和驅動源內阻抗有關。和gtr相似，功率mosfet的柵極驅動也需要考慮保護、隔離等問題。

吸收回路的設計

柵極驅動電路是勵磁回路和控制電路之間的接口，是勵磁回路控制裝置的重要環節，對整個控制性能有很大的影響。采用性能良好的吸收電路，可使功率mosfet工作在較理想的開關狀態，縮短開關時間，減少開關損耗，對裝置的運行效率、可靠性、安全性都有重要的意義。另外，許多保護環節設在驅動電路或通過驅動電路來實現，也使得驅動電路的設計更為重要。

電力mosfet是電壓控制型器件，靜態時幾乎不需要輸入電流，但由于柵極輸入電容cin的存在，在開通和關斷過程中仍需要一定的驅動電流來給輸入電容充放電。柵極電壓ug的上升時間tr和采用放電阻止型緩沖電路，其緩沖電路電容cs可由式(1)求得。

(1)式中，l為主回路雜散電感；i0為igbt關斷時的漏極電流；vcep為緩沖電容cs的電壓穩態值；ed為直流電源電壓。緩沖電路電阻rs的選擇是按希望mosfet在關斷信號到來之前，將緩沖電容所積累的電荷放凈?？捎墒?2)估算。
(2)式中，f為開關頻率。

如果緩沖電路電阻過小，會使電流波動，mosfet開通時的漏極電流初始值將會增大，因此，希望選取盡可能大的電阻，緩沖電阻上的功耗與其阻值無關，可由式(3)求出。

(3)式中，ls是緩沖電路的電感。
經計算、匹配，選取圖2所示的緩沖電路和參數。

控制器的設計

控制器的設計主要包括硬件控制系統的設計和軟件的實現，下面從這兩方面加以闡述。

轉速閉環控制器的硬件設計
(1)整流回路的設計

直流電動機獲得直流電源是通過整流電路來實現的，本系統采用rs507型單相橋式集成整流電路。由于橋式整流電路實現了全波整流電路，它將整流信號的負半周也利用起來，所以在變壓器副邊電壓有效值相同的情況下，輸出電壓的平均值是半波整流電路的兩倍，見式(4)。

(2)硬件整體回路的設計

控制系統的硬件整體結構圖如圖3所示，可見強電和弱電的分離是通過tlp250來實現的，其pwm控制信號經過轉速調節控制算法的解算之后，由tms320lf2407的pwm口輸出。經過tlp250光耦，放大、整形之后驅動功率mosfet(irf840)。輸入電樞繞組的直流電壓經過pwm斬波調制之后，形成所需的控制直流電壓。正是通過tlp250來驅動功率器件的通斷，將設計者的控制思想通過功率器件的通斷來加以實現。

nr24穩壓器為tlp250提供24v的穩壓電源，保證其工作正常。當然，pwm信號是通過軟件運算通過tms320lf2407器件來輸出的，這里由于篇幅所限，讀者可參考相應的書籍。

● 轉速閉環控制器的設計

(1)直流pwm脈寬調制技術
與傳統的直流調速技術相比較，pwm(脈寬調制技術)直流調速系統具有較大的優越性：主電路線路簡單，需要的功率元件少；開關頻率高，電流容易連續，諧波少，電機損耗和發熱都較?。坏退傩阅芎?，穩速精度高，因而調速范圍寬；系統頻帶寬，快速響應性能好，動態抗干擾能力強；主電路元件工作在開關狀態，導通損耗小，裝置效率高。

本系統直流電動機回路采用門極可關斷功率全控式電力電子器件mosfet，改變其負載兩端的直流平均電壓的調制方法采用脈沖調寬的方式，即主開關通斷的周期t保持不變，而每次通電時間t可變。實際上就是利用自關斷器件來實現通斷控制，將直流電源電壓斷續加到負載上，通過通、斷的時間變化來改變負載電壓平均值，亦稱直流-直流變換器。

(2)數字控制器的設計
圖4給出了轉速數字控制器的結構。為了實現轉速和電流兩種負反饋分別起作用，在系統中設置了兩個調節器，分別調節轉速和電流，二者之間實行串級聯接。這就是說，把轉速調節器的輸出當作電流調節器的輸入，再用電流調節器的輸出去控制irf840 mosfet的觸發裝置，即tlp250輸入的pwm的占空比。

為了獲得良好的靜、動態性能，雙閉環調速系統的兩個調節器采用數字式pi調節器。計算如式(5)所示。

u(k)=kpe(k)+kltsame(k)+ul(k-l) (5)
其中，tsam為采樣周期。

實驗結論

本實驗設定電動機轉速的控制值為1500轉/分，電樞繞組的電阻為3.3ω。到穩態的動態波形經過gould data sys 944a示波器觀測如圖5所示。可見經過600ms即迅速建立到穩態，穩態精度為0.5%，靜態誤差僅為1～2轉/分。為了防止啟動時轉速超調，將比例系數p取得較小。從實驗結果可見功率mosfet器件在直流電機轉速調節中得到了較好的應用。

同時通過觀測電樞回路續流二極管兩端的電壓，可以發現吸收回路工作正常，續流二極管兩端波形如圖6所示。

實驗調試過程中，應當對以下事項加以注意：在主電路，應當對斬波芯片采取散熱措施，提高電路工作可靠性，應加裝散熱片；為降低斬波電路中輸出電壓紋波，必須采取輸出濾波措施，可采取lc濾波；必須針對控制參數進行整定，從中找到對應的合理輸出電流值，以提高控制精度。