IGBT在直流电动机无级调速拖动系统应用

卿红军󰀃󰀃

【摘要】采用IGBT功率元件，实现直流电动机无级调速，与传统的可控硅拖动系统相比；在控制精度、调速平稳性、系统稳定性、系统控制响应等诸多方面有着尤为突出的特点。󰀃【关键词】󰀃控制󰀃IGBT󰀃调节器 1、前言 

随着社会生产力和经济增长的大幅度提高,直流电动机设备在工业电气自动化领域以调速平滑、调速范围大、输出特性好、运行平稳而得到广泛应用，传统的可控硅拖动系统其能耗大、调试维护复杂、故障率高，采用新型功率元件IGBT实现的拖动系统将可控硅拖动控制出现的问题在很大程度上得以解决。2、常规的可控硅拖动系统存在的问题 

常规的直流220V电动机通常采用交流220V可控硅拖动系统，在直流侧需要安装体积较大的平波电抗器和续流二极管，来解决可控硅整流电路的直流电流断流问题，且可控整流工作在小导通角时对电网系统的辐射干扰较大，同时该干扰因电源回路的关联在一起的，又影响其控制用电源、反馈量的稳定，使控制精度下降。󰀃

3、绝缘门极晶体管（IGBT） 3.1、IGBT的基本结构 

IGBT的基本结构是在N沟道MOSFET的漏极（N+基板）上加一层P+基板（IGBT的集电极）形成四层结构，由PNP－NPN晶体管构成IGBT。由于

功率MOSFET具有开关速度快，峰值电流大，容易驱动，安全工作区宽，dV/dt耐量高等优点，在功率电子设备中得到了广泛应用。IGBT是少子器件，它不但具有非常好的导通特性，而且也具有功率MOSFET的许多特性，如容易驱动，安全工作区宽，峰值电流大，坚固耐用等，其结构、等效电路、符号见图1。

图1：IGBT基本结构、等效电路、符号󰀃

3.2、IGBT开关特性 

IGBT开通、关断速度的最大限制是N外延层中的少子寿命。因为这个基区不易受外电路影响，所以不能用外部驱动电路来缩短IGBT的开关时间。基区内的存贮电荷，引起IGBT关断时电流波形出现延迟脉冲，IGBT的电流不能迅速降低到空穴复合电流。IGBT出现准饱和导通状态，IGBT󰀃的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给󰀃PNP󰀃晶体管提供基极电流，使IGBT󰀃导通。反之，加反向门极电压消除沟道，流过反向基极电流，使󰀃IGBT󰀃关断。󰀃IGBT󰀃的驱动方法和󰀃MOSFET󰀃基本相同。具有高输入阻抗特性。󰀃4、IGBT功率元件在直流调速系统中的应用 4.1、直流电动机电枢回路的应用 

三相交流380V电源，经降压隔离变压器降压后，由三相二极管桥式整流

模块ZD1整流，提供直流电动机电枢回路平滑定值直流电源，该电源不需要安装平波电抗器和续流二极管，利用IGBT功率元件V1的高速开关特性，在直流主电路中串联，组成调频直流降压斩波器，通过控制调节IGBT的开通、关断占空比，改变直流电动机电枢回路的平均电压实现无级调速。主回路原理见图2。󰀃

图2：主回路原理见󰀃

4.2、直流电动机能耗制动回路的应用 

电动机停止工作运行的指令，一旦发出，此时主IGBT的立即关断，电枢绕组不再得到上正下负的工作电源，同时因电动机机械动能的原因，不能马上停机，此时由能耗制动回路的IGBT将能耗电阻R4连接到电枢回路，使电动机变成一台他励直流发电机，这时电磁转矩方向与电枢旋转方向相反而起制动作用。能耗制动用IGBT使用较高的固定驱动频率运行，充分将电枢回路的电能通过IGBT在R4上实现动能和热能的转变，而达到制动的目的。󰀃5、IGBT的驱动模块 

IGBT一般在选择时，同一厂家的产品，都设计与IGBT配套的电压／频率驱动模块，例如日本富士公司生产的2MB1200S－150IGBT功率元件，配套驱动的模块是EXB851，该类元件的配合使用，可以充分发挥功率元件的开关特性，有良好的匹配特性。EXB851模块是专门为新型功率元件IGBT而设计。6、降压调频IGBT电路 

图3为降压调频电路，其主开关管采用开关元件V1，在调频驱动装置的作用下，使IGBT功率元件在不同频率下工作，进行主电流的模拟开关通断，开关管V1导电期间，负载电压等于电源电压E。开关管VT关断，负载电流迅速下降，完成一个周期的降压控制。斩波电路波形如图4所示。󰀃

图3：󰀃󰀃降压调频电路 

图4：电路波形图󰀃

   󰀃󰀃在0－t1时刻，驱动频率为0.1KHz󰀃，对应直流电机的电压Em󰀃为U1。在t1－t2时刻，驱动频率为0.5KHz󰀃，对应直流电机的电压Em󰀃为U2。在t2－t3时刻，驱动频率为1KHz󰀃，对应直流电机的电压Em󰀃为U3。在t3－t4时刻，驱动频率为5KHz󰀃，对应直流电机的电压Em󰀃为U4。在t4－t5时刻，驱动频率为10KHz󰀃，对应直流电机的电压Em󰀃为U5。在t5－t6时刻，驱动频率为15KHz󰀃，对应直流电机的电压Em󰀃为U6。在t6－t7时刻，驱动频率为18KHz󰀃，对应直流电机的电压Em󰀃为U7。󰀃

󰀃󰀃󰀃󰀃󰀃驱动频率f越高其直流电动机的端电压也越高，即改变IGBT的开通与关断的占空比，可实现斩波器输出电压的连续变化，做到电压变化连续，反映到直流电动机便是无级调调速。󰀃

6、IGBT应用在直流调速系统中的优点 6.1、优良的开关特性： 

IGBT元件具有开关速度快，峰值电流大，容易驱动，安全工作区宽，dV/dt耐量高等优点，因而使用在直流电动机拖动系统，可以解决电动机重载启动和故障过负荷所带来的冲击问题。另外在系统出现故障时，引起IGBT门极失去控制，该元件可自动关断，不易引发和扩大故障范围。󰀃6.2、调压控制精度高，电动机调速平滑： 

调频降压型IGBT系统，在理论上具有很高的控制精度，其直流平均电压变化连续，不会出现阶梯式跃变，电动机带负荷均匀变化，有利于设备安全运行。

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