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王文敏 刘波 林梦圆 刘建翠
(中国第二重型机械集团德阳万航模锻有限责任公司，四川 德阳 618000)
仿型铣是公司机加厂生产加工的主要设备，由于电器元件严重老化，故障频繁，严重制约了生产，因此公司决定对这些仿型铣进行电气技改。
在选择方案时，总结了以前设备电器改造的经验，从降低成本，提高设备性能上考虑，决定不再使用三相全控桥可控硅系统，而采用脉宽调速方案，在主回路功率元件上采用绝缘栅双极晶体管(IGBT)，这样综合成本比可控硅系统有较大的降低，而控制性能如系统的跟随性、稳定性、失控时间等都比可控硅系统有较大提高。
IGBT模块是由电力晶体管(GTR)以及功率场效应管(MOSFET)组成达林顿结构的新型复合器件，它的等效电路图形见图1，综合了它们的优点，因而具有良好的特性[1-3]：
图1 IGBT的等效电路Figure 1 The equivalent circuit of IGBT
(1)IGBT的开关工作频率非常高，目前已经达到40 kHz。
(2)IGBT模块的击穿电压达到1200 V，集电极最大饱和电流超过1500 A。
(3)IGBT的开通饱和压降很低。
(4)有自动均流的功能，所以容易并联使用。
(5)IGBT的热稳定性能好，安全工作区间大。
2.1 合理设计栅极驱动电路
IGBT模块在实际使用中最重要的问题是合理设计栅极驱动电路[1-3]：
(1)栅极的正偏压(+VGE)：栅极驱动电路给IGBT模块提供正偏压使其导通，当正偏压增加时，会使IGBT模块开通时间缩短，通态压降下降，但是正偏压不能太高，否则会影响使用安全性，所以通常选择+15 V。
(2)栅极负偏压(-VGE)：栅极驱动电路给IGBT模块提供负偏压使其关断，这个负偏压直接关系到IGBT模块运行的可靠性，在IGBT模块关断瞬间，集电极和发射极之间会产生很高的脉冲上升电压，容易使IGBT发生失控甚至击穿现象，为了避免IGBT模块出现这种失误，必须在栅极加负偏压，通常选择-5 V或更低一些。
(3)IGBT模块的栅极电阻RG，为了改善栅极控制波形的前后沿陡度和防止振荡，减少集电极电流上升dI/dt，必须在栅极电路中串接一个电阻RG。按照IGBT模块的电流容量和电压额定值及开关频率的不同，选择匹配的RG阻值，一般选择RG的阻值在十几欧姆到几百欧姆之间。
综合以上考虑，先选择IGBT专用驱动模块，型号为EXB841，最大开关频率为40 kHz。使用20 V 控制电压，分成+15 V开通及-5 V关断，应用电路如图2。
图2 IGBT专用驱动模块应用电路Figure 2 The applied circuit of IGBT drive module
VD是快恢复二极管，VL是光耦，Iout是过电流保护输出，Uin是驱动信号。但在实际使用过程中，发现在工厂环境下，这个驱动电路的可靠性还不够高，分析原因是其-5 V的关断电压有时还不能可靠关断IGBT模块，在桥式电路中会造成模块短路损坏。因此，我们使用Protel 99 SE软件自行设计新驱动电路，采用24 V电压，分成+15 V的开通电压和-9 V的关断电压，电路如图3所示。
图3 改进后的驱动电路Figure 3 The improved drive circuit
使用Protel 99 SE软件设计成印刷板电路，将4组驱动及24 V电源设计在一块电路板上，实现集中控制，并且方便IGBT栅极接线，制作电路板如图4。
图4 改进后的驱动电路印刷板Figure 4 The printing block of improved drive circuit
2.2 新设计驱动电路功能
新设计的驱动电路具有以下功能：
(1)具有信号隔离功能：电路内安装的光耦器件可以隔离2500 V的电压，所以能用在以IGBT模块为主控制器件的380 V机床上。
(2)具有过电流检测功能：电流传感器能及时检测出电路中的过电流信号[4]。
(3)具有低速过电流切断功能：若发现流过IGBT的电流超过设定值时，这个电路功能可以慢速关断IGBT模块，避免因电路中电感的存在，IGBT过快关断会在集电极上产生非常高的电压尖脉冲，导致击穿模块。
(4)电路板的电源电路：由变压器提供的交流电，经整流滤波稳压后形成24 V直流供电，由内部电路分成+15 V的栅极正偏压和-9 V的栅极负偏压，以保证IGBT模块可靠工作。
2.3 使用驱动电路注意事项
(1)驱动电路与IGBT栅极接线应尽量短，不能超过0.5 m，且使用双绞线，以提高抗干扰能力。驱动电路见图5。
图5 H型开关电路Figure 5 H type switching circuit
(2)若发现IGBT模块的集电极上产生较大的电压尖脉冲，应适当增加栅极电阻RG的阻值。
我们做过实验：接好控制电路，负载从500 W开始，用示波器观察IGBT的工作波形，可以看到在关断的瞬间有个尖峰脉冲。逐步增加负载功率，这个尖峰脉冲相应增高。若不调整参数，随着负载的增大，关断时如果产生的尖峰脉冲超过器件的额定耐受电压，就会击穿IGBT模块。
3.1 直流电机主控制电路构成
(1)在电机主控制回路上，选择150 A双IGBT模块，在一个模块中有两个IGBT单元，并且都反并联了起续流作用的二极管，这样用于脉宽调速电路中，安装、接线都很方便。
(2)主回路脉宽调速工作：220 V交流电经整流后，由电容C滤波，经熔断器RD，加到IGBT模块。由4个IGBT组成H型开关电路，加到直流电动机上。当正半周和负半周波形一致时，输出平均电压为零，电动机停止转动。当改变波形占空比，例如上半部分比下半部分大时，电动机开始正转；
当上半部分比下半部分小时，电机反转。这样方便实现电动机的无级调速及正反转、停车制动等功能，使直流电机具备极佳的机械特性和动态响应能力。脉宽调制波形见图6。
图6 脉宽调制波形Figure 6 The pulse width modulation waveform
3.2 使用直流电机主控制电路注意事项
(1)在控制电路上，要保证1、4关断后，经过一定延时才能将2、3开通。在示波器上仔细观察，IGBT的触发波形，上下对称，只有确定触发波形无误后，才能给主回路送电。
(2)电容C的容量要足够大，以避免电动机制动时产生过电压，并且电容C到IGBT模块的联线尽量短，以避免产生尖峰电压。在大容量系统中，电机制动回馈的能量过大，单靠电容吸收已不够，要增加泄荷回路，避免电压升得过高。
(3)两个模块之间的联线要尽量短，在模块上并联一个高耐压小容量的电容，作用是吸收IGBT关断时产生的尖峰脉冲，C的参数为1μF/1200 V。
(4)在电机回路中串联霍尔电流传感器，以检测过电流，限制起动电流在额定值以内[4]。
(5)要有足够大的散热器，由于IGBT的散热底板与内部电路是绝缘的，可直接将它安装在散热器上，非常方便。
(6)因为IGBT模块的输入阻抗极高，容易产生静电击穿状况，所以存放和测试时应注意，需要有防静电的措施。
(7)在控制电路上，能对驱动电路发出的过电流信号作出迅速反应，切断栅极信号，并使主回路断电，以保护系统不损坏。要有防止控制电压下降，造成开通电压不足，而损坏IGBT模块的措施。
(8)对150 A的IGBT，其栅极串联电阻，选择15 Ω较适宜，这样既保证其快速响应，又避免过快关断造成的电压尖脉冲。
3.3 使用IGBT的抗干扰措施
首先要选择适当的栅极驱动电阻，避免过快的开通与关断IGBT模块；
另外在模块的集电极、发射极之间安装吸收电路。这些方法降低了IGBT工作时的电压电流变化率，减少带来的干扰源强度。
其次，在切断干扰途径方面，采取以下措施：
(1)在电源电路中设有滤波器，切断交流电源电路上的各种干扰。
(2)主回路、控制电路分开布线，并加以屏蔽，用以吸收高电压造成的电场干扰以及电流造成的磁场干扰[2-3]。
(3)驱动信号引线采用屏蔽双绞电缆，长度尽可能短。
(4)单片机发出的驱动信号和输入控制信号都必须使用光耦进行隔离。
(5)设计印刷电路板时，每个芯片都配一个高频滤波电容，用来消除高频干扰，印刷电路板的布线应采取各种合理规则，使线间耦合电容减小。
3.4 机床电路
机床电路见图7，H1、H2是两个IGBT模块。
图7 机床电路Figure 7 The circuit of machine
(1)检查外围元件、接线等有无错漏。
(2)给控制回路送电，检查各稳压电源、电动机磁场、测速机磁场的电压是否符合要求。
(3)检查控制回路动作是否正常。
(4)用示波器检查IGBT的触发波形、上下沿的陡峭度、有无干扰波、波形的对称度(调CBO电位器)、两组触发波的间隔时间、波形幅值等[2]。
(5)调电流环：
1)加电流给定信号±4 V，调输出限幅±10 V。
2)将调节器比例电阻接一个10 kΩ左右电阻后，给主回路送电，测电流反馈极性应为负反馈。
3)把电流环给定信号，通过一个微动开关接入。按动微动开关，观察起动电流波形(传感器1∶100)，加大电流环反馈电阻，只要系统稳定，此电阻越大越好。它的频带越宽，后续的速度环比例电阻才能做大，系统响应时间越短。(H：2.2 MΩ，C：3 MΩ，Z：1.1 MΩ。)
(6)调速度环：
1)加速度环给定信号±15 V，调速度限幅±3.5～4 V。
2)将PI调节器的电容短接，先装一个10 kΩ的电阻，启动后测速度反馈极性，应为负反馈。将反馈接入，逐渐增大电阻，观察波形，只要系统稳定，尽量加大电阻，以提高系统的响应速度。(H：890 kΩ，C：760 kΩ，Z：700 kΩ。)
3)电阻调好后，投入电容，容量由大逐渐减小，保持系统平稳，使系统成为无静差调速系统。
(7)调位置环：
调整靠模仪间隙为1 mm，输入电压交流9 V(1000 Hz)，输出7 V左右，在示波器上观察，看波形是否正确，压靠模仪时，波形应能反向，使输出的直流电极性能改变，到主板上的信号电压为直流5 V。
仿型铣大修技改后，通过1年多的使用，证明采用脉宽调速方案是可靠的，控制系统具备极佳的机械特性、快速的动态响应。使用性能良好，改善了加工质量，加工效率比以前提高3倍以上，生产综合成本明显下降。
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