TLP250功率驱动模块在IRF840 MOSFET中的应用

摘 要：介绍了功率器件驱动模块TLP250的结构和使用方法，给出了其与功率MOSFET和DSP控制器接口的硬件电路图。在阐述IRF840功率MOSFET的开关特性的基础上，设计了吸收回路。结合直流斩波调速技术，设计了基于TMS320LF2407 DSP的直流电动机全数字闭环调速系统，并给出了实验结果。
关键词：TLP250；IRF840 MOSFET；吸收回路；直流斩波；DSP

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的管脚如所示，管脚接线方法如表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TMS320LF2407 DSP、TLP250、IRF840 MOSFET栅极驱动电路的直流调速系统的基本结构如所示，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
---IRF840 MOSFET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。
---IRF 840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)。
(4)

(2)硬件整体回路的设计
---控制系统的硬件整体结构图如所示，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
---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IRF840 MOSFET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Gould Data SYS 944A示波器观测如所示。可见经过600ms即迅速建立到稳态，稳态为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。