TLP250应用

TLP250功率驱动模块在IRF840MOSFET中的应用长江大学电子与信息学院陈永军翁惠辉第719研究所综合民品室李俊杰引言功率集成电路驱动模块是微电子技术和电力电子技术相结合的产物，其基本功能是使动力和信息合一，成为机和电的关键接口。快速电力电子器件MOSFET的出现，为斩波频率的提高创造了条件，提高斩波频率可以减少低频谐波分量，降低对滤波元器件的要求，减少了体积和重量。采用自关断器件，省去了换流回路，又可提高斩波器的频率。直流电动机的励磁回路和电枢回路电流的自动调节常常采用功率MOSFET。功率MOSFET是一种多子导电的单极型电压控制器件，具有开关速度快、高频特性好、热稳定性优良、驱动电路简单、驱动功率小、安全工作区宽、无二次击穿问题等显著优点。目前，功率MOSFET的指标达到耐压600V、电流70A、工作频率100kHz的水平，在开关电源、办公设备、中小功率电机调速中得到广泛的应用，使功率变换装置实现高效率和小型化。因为主电路电压均为高电压、大电流情况，而控制单元为弱电电路，所以它们之间必须采取光电隔离措施，以提高系统抗干扰措施，可采用带光电隔离的MOSFET驱动芯片TLP250。光耦TLP250是一种可直接驱动小功率MOSFET和IGBT的功率型光耦，由日本东芝公司生产，其最大驱动能力达1.5A。选用TLP250光耦既保证了功率驱动电路与PWM脉宽调制电路的可靠隔离，又具备了直接驱动MOSFET的能力，使驱动电路特别简单。TLP250的结构及驱动电路的设计功率MOSFET驱动的难点主要体现在功率器件的特性、吸收回路和栅极驱动等方面，下面首先介绍TLP250的结构和引脚使用方法，然后分别介绍以上各项。TLP250功率器件东芝公司的专用集成功率驱动模块TLP250包含一个GaA1As光发射二极管和一个集成光探测器，是8脚双列封装，适合于IGBT或功率MOSFET栅极驱动电路。TLP250的管脚如图1所示。TLP250驱动主要具备以下特征：输入阈值电流IF=5mA(max)；电源电流ICC=11mA(max)；电源电压(VCC)=10～35V；输出电流IO=±0.5A(min)；开关时间tpLH/tpHL=0.5μs(max)。基于TMS320LF2407DSP、TLP250、IRF840MOSFET栅极驱动电路的直流调速系统的基本结构如图1所示，如何对功率器件IRF840进行驱动是至关重要的，必须首先对此问题加以解决，然后才能在此基础上对控制器进行设计。功率MOSFET的开关特性IRF840MOSFET电力场效应晶体管在导通时只有一种极性的载流子(多数载流子)参与导电，是单极型晶体管。电力场效应晶体管是用栅极电压来控制漏极电流的，因此它的一个显著特点是驱动电路简单，驱动功率小。其第二个显著特点是开关速度快，工作频率高，电力MOSFET的工作频率在下降时间主要由输入回路时间常数决定。MOSFET的开关速度和其输入电容的充放电有很大关系。使用者虽然无法降低Cin的值，但可以降低栅极驱动回路信号源内阻Rs的值，从而减小栅极回路的充放电时间常数，加快开关速度。IRF840为单极型器件，没有少数载流子的存储效应，输入阻抗高，因而开关速度可以提高，驱动功率小，电路简单。但是，功率MOSFET的极间电容较大，因而工作速度和驱动源内阻抗有关。和GTR相似，功率MOSFET的栅极驱动也需要考虑保护、隔离等问题。吸收回路的设计栅极驱动电路是励磁回路和控制电路之间的接口，是励磁回路控制装置的重要环节，对整个控制性能有很大的影响。采用性能良好的吸收电路，可使功率MOSFET工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减少开关损耗，对装置的运行效率、可靠性、安全性都有重要的意义。另外，许多保护环节设在驱动电路或通过驱动电路来实现，也使得驱动电路的设计更为重要。电力MOSFET是电压控制型器件，静态时几乎不需要输入电流，但由于栅极输入电容Cin的存在，在开通和关断过程中仍需要一定的驱动电流来给输入电容充放电。栅极电压UG的上升时间tr和采用放电阻止型缓冲电路，其缓冲电路电容CS可由式(1)求得。(1)式中，L为主回路杂散电感；I0为IGBT关断时的漏极电流；VCEP为缓冲电容CS的电压稳态值；Ed为直流电源电压。缓冲电路电阻RS的选择是按希望MOSFET在关断信号到来之前，将缓冲电容所积累的电荷放净。可由式(2)估算。(2)式中，f为开关频率。如果缓冲电路电阻过小，会使电流波动，MOSFET开通时的漏极电流初始值将会增大，因此，希望选取尽可能大的电阻，缓冲电阻上的功耗与其阻值无关，可由式(3)求出。(3)式中，LS是缓冲电路的电感。经计算、匹配，选取图2所示的缓冲电路和参数。控制器的设计控制器的设计主要包括硬件控制系统的设计和软件的实现，下面从这两方面加以阐述。转速闭环控制器的硬件设计(1)整流回路的设计直流电动机获得直流电源是通过整流电路来实现的，本系统采用RS507型单相桥式集成整流电路。由于桥式整流电路实现了全波整流电路，它将整流信号的负半周也利用起来，所以在变压器副边电压有效值相同的情况下，输出电压的平均值是半波整流电路的两倍，见式(4)。(2)硬件整体回路的设计控制系统的硬件整体结构图如图3所示，可见强电和弱电的分离是通过TLP250来实现的，其PWM控制信号经过转速调节控制算法的解算之后，由TMS320LF2407的PWM口输出。经过TLP250光耦，放大、整形之后驱动功率MOSFET(IRF840)。输入电枢绕组的直流电压经过PWM斩波调制之后，形成所需的控制直流电压。正是通过TLP250来驱动功率器件的通断，将设计者的控制思想通过功率器件的通断来加以实现。NR24稳压器为TLP250提供24V的稳压电源，保证其工作正常。当然，PWM信号是通过软件运算通过TMS320LF2407器件来输出的，这里由于篇幅所限，读者可参考相应的书籍。●转速闭环控制器的设计(1)直流PWM脉宽调制技术与传统的直流调速技术相比较，PWM(脉宽调制技术)直流调速系统具有较大的优越性：主电路线路简单，需要的功率元件少；开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗和发热都较小；低速性能好，稳速精度高，因而调速范围宽；系统频带宽，快速响应性能好，动态抗干扰能力强；主电路元件工作在开关状态，导通损耗小，装置效率高。本系统直流电动机回路采用门极可关断功率全控式电力电子器件MOSFET，改变其负载两端的直流平均电压的调制方法采用脉冲调宽的方式，即主开关通断的周期T保持不变，而每次通电时间t可变。实际上就是利用自关断器件来实现通断控制，将直流电源电压断续加到负载上，通过通、断的时间变化来改变负载电压平均值，亦称直流-直流变换器。(2)数字控制器的设计图4给出了转速数字控制器的结构。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级联接。这就是说，把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制IRF840MOSFET的触发装置，即TLP250输入的PWM的占空比。为了获得良好的静、动态性能，双闭环调速系统的两个调节器采用数字式PI调节器。计算如式(5)所示。u(k)=Kpe(k)+KlTsame(k)+ul(k-l)(5)其中，Tsam为采样周期。实验结论本实验设定电动机转速的控制值为1500转/分，电枢绕组的电阻为3.3Ω。到稳态的动态波形经过GouldDataSYS944A示波器观测如图5所示。可见经过600ms即迅速建立到稳态，稳态精度为0.5%，静态误差仅为1～2转/分。为了防止启动时转速超调，将比例系数P取得较小。从实验结果可见功率MOSFET器件在直流电机转速调节中得到了较好的应用。同时通过观测电枢回路续流二极管两端的电压，可以发现吸收回路工作正常，续流二极管两端波形如图6所示。实验调试过程中，应当对以下事项加以注意：在主电路，应当对斩波芯片采取散热措施，提高电路工作可靠性，应加装散热片；为降低斩波电路中输出电压纹波，必须采取输出滤波措施，可采取LC滤波；必须针对控制参数进行整定，从中找到对应的合理输出电流值，以提高控制精度