igbt驱动电路范文第1篇
摘 要：针对现有汽车远光灯需要司机通过自身对路况的判断来完成手动操作，从而可能造成行车时因违规使用车灯而发生交通事故的问题，完成了基于不同路况和周围环境自动调节远光灯照射方式的矩阵式LED远光灯智能辅助控制系统的设计与实现。首先，根据车辆行驶特点及相关交通法规，针对不同的车前路况，提出矩阵式LED远光灯辅助系统的智能控制策略;然后，对系统的软硬件进行设计与实现，硬件部分主要包括主控制器模块、LED电源驱动模块以及矩阵开关控制模块的选型与电路设计，软件部分主要包括驱动电路控制、矩阵开关控制以及智能控制策略等功能模块;最后，在实验室环境下通过搭建完整的实验系统进行了功能测试。实验测试结果表明，所提方法控制结果准确、实时性好、可靠性高、易于实现，达到了预期目标。
关键词：矩阵式LED;远光灯辅助控制;智能控制策略;LED电源驱动;矩阵开关控制
文献标志码：A
Key words： matrix LED; high-beam assistant control; intelligent control strategy; LED power driver; matrix switch control
0 引言
隨着汽车保有量的不断增长，人们对于汽车安全的重视程度日益提高。据统计，在车辆夜间行驶中，LED远光灯的不当使用是造成事故发生的一大原因[1-2]。这主要是由于现有的汽车远光灯开关操作均由司机通过自身对于路况的判断来手动完成，其操作准确性很大程度上依赖于司机的注意力和经验，同时远光灯的滥用也会造成车外人员产生“炫目”从而引起严重事故。若汽车在行驶过程中能够通过其自身的判断主动进行LED远光灯控制，将会大幅提升汽车的主动安全性[3-4]。近年来日渐出现的基于矩阵光柱技术的矩阵式LED远光灯从本质上可提高汽车的主动安全性。该类远光灯由一定数量的光段组成，每个光段都由控制系统进行独立开通或关断控制。在这些光段的照射范围内，不同的车前位置被分为不同的区;在远光灯射程内，当车前目标进入远光灯的可控区域时，相应光段会自动关闭，其余光段仍保持开通，从而实现LED远光灯的自动控制[5-6]。
然而，矩阵式LED远光灯自动控制技术目前只在部分国外高端进口车型如奥迪A8高配[7-8]及奔驰CLS[9]等中有所应用，相关技术对我国仍处于未公开阶段，但其广阔的应用前景却引起我国相关车企及汽车备件生产厂商的广泛关注。近年来国内相关企业和机构相继开展自主研发，取得了初步成果，如：以飞思卡尔S9S08DZ60F2MLF为主控制器的矩阵式LED汽车前照灯电路的设计方法[10];由多个LED矩阵管理器构成矩阵管理单元以增加LED数量最多可达96颗[11];以TPS92661为LED驱动器件的矩阵式LED灯的亮、灭控制以及对光源矩阵的故障检测和管理方法[12]。上述方法主要完成了对LED矩阵灯亮、灭的自动控制，而如何根据不同路况和周围环境实时调整LED相关控制策略并未涉及。
为此，本文根据矩阵式LED远光灯的工作机理，结合现有汽车对远光灯的常规控制原理与方法，完成了矩阵式LED远光灯辅助控制系统的硬件、软件以及智能型LED照射控制策略的设计与实现，以期为国产车辆车灯的改进提供应用参考，同时也对部分进口车辆车灯的国产化维保提供技术支持。
1 矩阵式LED远光灯控制策略设计
1.1 远光灯辅助控制系统总体设计思路
矩阵式LED远光灯智能辅助控制系统实现的功能为：根据安全驾驶规范，判断当前路况，针对会车、前方有车、避让行人等情况，在保证安全的前提下，根据实时路况主动调节远光灯的开关控制，同时最大限度使用远光灯照明，从而提升汽车安全的主动性，改善驾驶舒适性。基于此，所提系统的总体设计结构如图1所示，主要由图像采集和处理模块（本设计不涉及）、系统硬件模块、系统软件模块和矩阵式LED远光灯控制策略组成。
1.2 辅助控制系统远光灯控制策略总体流程
根据汽车远光灯的实际应用可知，远光灯的自动控制主要需实现高速公路、会车、前方有车或行人等不同情况下矩阵式LED的自动开通和关断。为此，结合远光灯使用的相关法规，所提系统所设计的矩阵式LED远光灯控制策略总流程如图2所示。下文将针对前方有车、前方有人、高速公路自动模式三种典型情况分别对远光灯自动控制策略进行设计。
1.3 不同路况时远光灯自动控制策略设计
1.3.1 光段及LED状态变量定义
由于LED的电流强度（亮度）由驱动模块进行控制，故远光灯自动控制策略主要实现对LED光段和每个LED的亮灭控制。
為便于描述，假设控制对象为由50个LED组成的汽车前远光灯，该远光灯两侧对称分布，即左右两侧各25个LED。根据矩阵光柱形成原理可知，该远光灯的50个LED通过排列组合可形成25个独立光段，每个光段里可包含多个LED，且每个LED也可属于不同光段。若远光灯LED排列方式如图3所示，其中：数字1～50为每个LED的序号，则相应的25个光段分布示意如图4所示，且每个光段与LED的对应关系如表1所示。由表1可见，所有光段中除13号光段外，其余每个光段均对应3个LED，且呈“V”字型排列;而第13号光段由于位于最中间，故其对应中间位置的4个LED，序号分别为23、25、26、29 。
为了直观地描述每个LED光段的亮灭状态与各个LED亮灭状态间的关系，现分别定义三个变量：光段状态变量Si（i=1，2，…，25），LED分状态变量Lj，k（j=1，2，…，50;k=1，2），LED总状态变量Lj（j=1，2，…，50），各个变量具体含义及相互间的逻辑关系如下：
2）由于每个LED可能存在于多个光段中，故分别在某个光段变量内定义相应的LED分状态变量。Lj，k即表示第j号LED的第k个分状态变量，一个LED最多包含在两个光段内，故k的取值为1或2。例如第2号LED，同时包含在第1、2号光段内，则第2号LED在光段1中的分状态变量为L2，1，在光段2中的分状态变量为L2，2。当第i号光段为灭即Si=0，Si对应的所有LED分状态变量均为0;当第i号光段为亮即Si=1，Si对应的所有LED分状态变量均为1。
3）LED总状态变量取决于对应分状态变量，与实际LED的开关状态对应。当第j号LED的所有分状态变量全为0时，其LED总状态变量为0，该LED为灭;否则其LED总状态变量为1，LED为亮。第j号LED的总状态变量Lj与分状态变量Lj，k的关系如式（1）所示：
基于上述各个变量的定义及每个LED光段的亮灭状态与各个LED亮灭状态间的关系，下面对不同路况下的矩阵式LED远光灯自动控制策略进行设计。
1.3.2 前方有车
众所周知，会车时司机一般会关闭远光灯来防止对方司机产生“炫目”，但若将其全部关闭则会使远光灯无法得到最佳使用。为此，若在前方有车时（包括超车、会车等情况）欲合理地使用远光灯，可关闭前方车辆所处位置的光段，保持其他光段处于打开状态。这样既能防止其他车辆炫目，又能保证驾驶者视野清晰，减轻夜间行驶的心理压力和惶恐感，从而提高夜间行车的安全性，如图5～6所示。
为此，相应的矩阵式LED远光灯自动控制策略设计步骤如下：
1）车前车辆识别。在车辆行驶过程中，基于图像采集和处理模块实时识别前方车辆。
2）车前车辆定位。根据实时识别所获取的数据对前方车辆进行定位，实时获得前方车辆的位置信息，并基于此确定此刻前车所处位置对应的LED远光灯光段号。
3）远光灯控制。根据上述计算而得的LED光段号，分析全部LED的当前状态，实现矩阵式LED远光灯中每个LED的亮灭控制。
4）重复上述步骤1）～3），直至前车驶出远光灯照射范围。
下面通过实例就上述控制策略对矩阵式LED远光灯的自动控制效果进行分析。
如图7所示，假设在t1时刻前方车辆位于距离本车较远的位置A处，首先通过图像采集和处理模块检测并识别到该车所处位置后，经计算可得其对应LED远光灯光段为第8～10号，为此应使该光段状态变量内所有LED分状态变量全为0，其余光段内的LED分状态变量为1，即关闭第8～10号光段，最终可确定LED总状态变量L16～L20=0，即关闭第16～20号LED。
假设在t2时刻，前方车辆位于距离本车较近的位置B处，如图8所示。同样经过图像采集和处理后，计算分析可得该车对应LED远光灯光段为第4～8号，即关闭第4～8号光段，最终可确定关闭第7、9、10～15、18号LED。
1.3.3 前方有行人
夜间光线较暗，司机视野窄，视线模糊，更不易看清路边行人[13]，对矩阵式LED实现闪烁控制，可警示司机和行人，提升安全性。相应的自动控制策略设计步骤如下：
1）车前行人识别。在车辆行驶过程中，基于图像采集和处理模块实时识别前方行人。
2）车前行人定位。根据实时所获取的数据对前方行人进行定位，实时获得前方行人的位置信息，并基于此确定此刻行人所处位置所对应的LED远光灯光段号。
3）远光灯控制。根据上述计算而得的LED光段号，分析全部LED的当前状态，对行人所处光段对应的LED实现闪烁控制，闪烁的周期为0.5s，即对应LED每秒钟亮灭各2次，警示行人和司机。
4）重复上述步骤1）～3），直至行人离开远光灯照射范围。
如图9所示，假设在行车过程中，图像采集和处理模块检测并识别到前方行人出现在第21～24号光段内，经过计算分析，最终实现第41～45、46、49号LED的亮灭闪烁，闪烁周期0.5s，提醒行人和司机。
1.3.4 高速公路自动模式
相比行驶在一般道路，高速公路上车辆行驶的特点是车速快，车辆密度低，侧向干扰少[14]，此时司机的视角会变窄，远光灯的照射范围也要随之收窄一些，以便与高速公路的结构特点更匹配。
本模式下的矩阵式LED远光灯自动控制策略设计思路为：高速公路模式下，当图像采集和处理模块识别到前方无车辆进入远光灯照射范围，关闭两侧的数个光段，其余光段亮起;当识别到前方有车辆进入远光灯控制范围内时，除了关闭两侧光段，其余光段的控制按1.3.2节和1.3.3节中所述的不同情况下的远光灯自动控制策略进行控制。图10为高速公路自动模式下远光灯全亮时各个光段状态与相应LED状态间的对应关系。图10（a）中，深色区域表示光段亮，白色区域表示光段灭;图10（b）中，黑色圆圈代表LED亮，白色圆圈代表LED灭。
2 智能辅助控制系统设计
2.1 系统硬件设计
2.1.1 系统硬件总体设计
根据系统的功能需求，矩阵式LED远光灯辅助控制系统硬件总体结构如图11所示，主要包括主控制器（MicroController Unit， MCU）模块、LED电源驱动模块和矩阵开关控制模块。
2.1.2 MCU控制模块设计
本系统中MCU控制模块与其他硬件模块间的接口设计如图12所示。其中，本模块电路通过串行外设接口（Serial Peripheral Interface， SPI）总线与LED电源驱动模块相连，通过I2C（Inter-Integrated Circuit）总线与矩阵开关控制模块相连。
MCU控制模块的硬件主要包括MCU接口电路、联合测试工作组（Joint Test Action Group， JTAG）调试接口电路和工作电源转换电路。具体设计时，综合考虑MCU的运行速度、成本和系统外设等需求，选取Silicon公司的C8051F410器件为系统MCU。该器件内部自带24MHz晶振，且具有UART、SPI、I2C总线接口，片上系统稳定可靠。同时，为提高系统控制的可靠性，设计中选用了DC/DC电源模块HDW10-24S3V3，用以实现直流24V到3.3V的转换及供电工作。
2.1.3 LED电源驱动模块设计
在本设计中，拟驱动25个白光LED，故对驱动电源芯片的要求较高：输入电压范围较大;LED负载串联所导致的输出电压范围较大;恒流驱动，输出电流检测基准小;可脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation， PWM）调光[15-16];耐受汽车级温度（-40℃～125℃）。综合上述要求，本设计选用安森美公司的NCV78763作为远光灯的驱动电源芯片。NCV78763是先进的智能电源镇流器及双通道LED驱动器，提供高能效的单芯片汽车照明方案，其内部DC-DC拓扑为Boost-Buck拓扑结构，具有两个Buck电路，能够驱动电压达60V的两串LED，每路最大能够输出1.6A的直流电流。内置电流模式电压升压控制器，能对输入电流滤波。内置PWM调光功能，频率可达4kHz，此外还提供PWM直接馈送选择，用于从外部微控制器进行完整频率及精度范围的控制。
为此，本文中LED电源驱动电路的硬件设计主要包括NCV78763的Boost电路、Buck电路和SPI接口电路，电路设计原理图如图13所示。其中Boost、Buck电路在完成接口电路设计的基础上还需根据设计需求对其外围接口电路的各个参数进行计算和设计。
2.1.4 矩阵开关控制模块设计
由于本设计中LED采用串联连接方式来保证电流的一致性，为了实现单个LED的亮灭控制，本设计采用开关并联在LED两侧的方式来实现单个LED的亮灭控制。开关打开，LED正常亮起;开关闭合，LED因被短路而熄灭。因此，矩阵开关控制模块的设计思路是，根据接收到的MCU控制模块的控制信号，对单个开关进行动作，通过将开关与LED进行并联，直接控制并联LED的亮灭。考虑设计需求和开关芯片的经济性，选择凌力尔特公司的LT3965作为矩阵开关芯片。
LT3965芯片内有8个独立的NMOS开关，每个开关可作用于1～4个LED，具有可编程的开路和短路故障报警，支持I2C传输，拥有4位可配置的I2C地址，一条I2C总线上最多可以接入16个LT3965芯片。输入电压范围宽，可以为8～60V，与驱动电源芯片NCV78763支持的输入电压范围基本匹配。本设计中共有25个LED，故選用4个LT3965芯片。
MCU接口连接图如图12 所示，矩阵开关控制电路与MCU通过2路I2C总线相连，分别为时钟线SCL和数据传输线SDA。本设计中，4个LT3965芯片的SCL和SDA接口同时与MCU的SCL和SDA接口相连，MCU可以通过地址匹配准确控制不同LT3965，即控制每个LED开关，使得对应LED完成亮灭动作。矩阵开关控制电路示意图如图14所示。
2.2 系统软件设计
2.2.1 系统软件总体设计
MCU系统控制软件设计包含三部分：1）与图像采集和处理模块的通信软件设计（本文不涉及）;2）LED电源驱动模块控制软件设计;3）矩阵开关模块控制软件设计。图15为矩阵式LED远光灯智能辅助控制系统的总体软件设计架构。
如图15所示，MCU系统控制软件的功能是，接收图像采集和处理模块的目标检测结果信号，再分别对LED电源驱动模块和矩阵开关模块进行控制，从而调节LED远光灯的亮度和照射区域;对LED电源驱动模块的控制过程包括判断车前路况，计算LED驱动电路的各参数，计算NCV78763寄存器设置参数，从而通过SPI串口通信实现控制信号传输;对于矩阵开关模块的控制过程包括判断车前路况，计算所有LED状态变量，计算LT3965寄存器设置参数，从而通过I2C串口通信实现控制信号传输。
2.2.2 LED电源驱动控制模块软件设计
驱动控制即根据当前的路况信息来设置驱动电源芯片NCV78763，若当前进入夜间照明状况较差的道路，且远光灯自动控制模式打开，即可按照远光灯自动控制下的驱动要求对驱动模块进行设置。设置方式为通过SPI通信接口来设置NCV78763相关的寄存器，相应的对 NCV78763的控制软件流程如图16所示。
由图16可知，MCU经过SPI初始化后，开启全局中断，当接收到路况信息后，MCU计算LED驱动电路输出情况是否需要更新。若需更新，则计算LED驱动电路在当前路况下所需的电流、电压输出值，并将其转换成NCV78763芯片控制寄存器的参数设置值，再将此参数值通过SPI串口传输至NCV78763相应的寄存器中，传输结束后释放SPI中断。
本控制软件主要设计函数有：
1）char ModeDetect （void）。主要用于当MCU根据接收到的路况信息来判断电路是否需要更新驱动电路输出。
2）void LEDDRIVERcalculate （void）。主要用于驱动电路输出需要改变时，根据检测到的道路情况，计算LED驱动电路参数。
3）void NCVREGISTERcalculate （void）。主要用于计算NCV78763相关寄存器的参数值。
4）void SPISendReceive （void） interrupt 1。定时中断函数，主要用于MCU与NCV78763的SPI传输。
2.2.3 矩阵开关控制模块软件设计
矩阵开关控制软件的功能为根据图像目标检测信息来控制开关芯片状态，从而实现LED远光灯的亮灭控制。MCU从图像采集和处理模块接收25个光段的状态，分析计算该信息，确定25个光段内50个LED的开关状态，再通过I2C通信将控制信号发送给开关芯片LT3965，从而控制每个LED的亮灭。图17为矩阵开关控制软件流程。
3 实验系统搭建与调试分析
3.1 实验系统搭建
在实验室环境下搭建的实验系统硬件实物如图18所示，主要包括：输入直流电源（1）、MCU控制和LED驱动电路板（2）、LED开关控制电路板（3）、LED矩阵（4）及上位PC（5）。
3.2 结果分析
实验测试系统搭建完成后，在实验室環境下，对不同路况下矩阵式LED远光灯的控制策略进行实验测试。
4 结语
本文针对矩阵式LED远光灯辅助控制系统完成了相应的设计，在实验室环境下实现功能测试与验证。与现有相关方法相比，本文所提方法的优越性主要体现为：1）提出了基于不同车前路况和周围环境的自适应矩阵式LED远光灯智能控制策略。2）在确保实现LED智能照射控制的前提下，简化并优化了系统软硬件设计：硬件方面的核心器件如MCU、LED电源驱动模块分别选用了集成度高、主频速度快、功能强大、外围接口资源丰富的新型器件，性价比高，电路实现简单，易于扩展;软件设计更加关注控制结果的准确性、实时性与可靠性。3）从实验室测试结果可知，该方法易于实现，复杂度尚可，具有良好的工程应用前景。然而，在实际工业应用场合，如何在各种复杂、不同车前路况下保证系统稳定检测车前运动目标的前提下进一步协调优化系统控制的响应速度与灵敏度还需开展进一步的研究。
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igbt驱动电路范文第2篇
【摘 要】探讨三电平逆变器IGBT驱动保护电路设计的可靠性，本文分析了三电平逆变器的IGBT驱动以及其保护电路，并且分析了设计该电路时应该注意的问题，研究了本驱动电路的可靠性。
【关键词】三电平逆变器；IGBT；驱动保护
三电平逆变器具有很大的优越性主要体现在其较低的耐压要求方面，使用该逆变器主元件可以具有原先一半的耐压性能，并且输出的机械波具有良好的波形。本设计使用的逆变器有IGBT元件12个，有相同数量个驱动，另外和二极管共同构成了中性点的钳位电路。本设计需要一种可靠、有效的实用型IGBT驱动保护电路，以确保电路的性能良好。
1．IGBT的使用条件
根据不同的功能要求，可以选取不同的驱动电路，在有些重要的大电流或者是昂贵的电子设备中，我们可以选取专门的IGBT驱动及保护芯片，可靠性 很高，但是在一些低成本，如家用电器中，这些驱动模块就不太实用了。IGBT是逆变器中控制功率开和关的元件，具有非常重要的地位。可以说全部系统的性能都由其掌控，因此驱动电路必须要有最佳的设计方案，否则整个系统就难以达到预想的性能。一般驱动电路应满足以下条件：
1）IGBT需要有一定的正反向栅极电压，并且需要足够高的正向电压值这样才能使器件的通态损耗量降到最低，不过电压不可太高，通常要求栅极电压＜+20v。IGBT被关闭之后仍然要保持反向的栅极电压-5- -15v,这样做的目的是让关断时间减到最短，让存储在器件内的电荷在最短时间内抽出，最终可以增加IGBT耐压性能。
2）电路要对信号的输出和输入设备有隔离的作用，另外信号在传输的过程中必须要通达尽量不要存在延时的情况。
3)栅极电路的坡度一定要受到限制，这就用到了电阻，在回路中串联一个电阻就达到了这样的效果。在做好坡度的控制之后才能够使控制器的损耗得到较好的控制。栅极电阻↑→栅极电压坡度↑→IGBT开关过程时长↑→开关损耗↑。栅极电阻取值范围为几Ω-几十Ω，影响其取值的因素是IGBT开关的频率和额定电压等。在使用IGBT的场合，当栅极回路不正常或栅极回路损坏时(栅极处于开路状态)，若在主回路上加上电压，则IGBT就会损坏，为防止此类故障，应在栅极与发射极之间串接一只10KΩ左右的电阻。
4）电路在短路时的保护功能必须要强大，也就是说要拥有完备的过压保护作用。尽量不要用手触摸驱动端子部分，当必须要触摸模块端子时，要先将人体或衣服上的静电用大电阻接地进行放电后，再触摸；在用导电材料连接模块驱动端子时，在配线未接好之前请先不要接上模块；尽量在底板良好接地的情况下操作。在应用中有时虽然保证了栅极驱动电压没有超过栅极最大额定电压，但栅极连线的寄生电感和栅极与集电极间的电容耦合，也会产生使氧化层损坏的振荡电压。为此，通常采用双绞线来传送驱动信号，以减少寄生电感。在栅极连线中串联小电阻也可以抑制振荡电压。
2．IGBT驱动电路的实现
驱动电路包括的组成部分为两方面，分别是驱动和载波部分。载波电路部分的组成有晶振、脉冲变压器等。该部分的工作原理是脉冲变压器一方面调制驱动信号另一方面需要通过高频信号来进行能量的传递。多谐振荡器组成成分是晶振和或非门，该振荡器能够产生高频的载波信号。
2.1驱动电路类别
可以归纳概括驱动电路为以下类型：
1）直接驱动：为了达到最佳的IGBT性能在TTL直接驱动IGBT的电路中可以设置T2、T3两个环节进行电路的缓冲，这样一来就能让开关运转的时间降低。电容在直接驱动电路中很好进行充电。
2）隔离驱动
隔离驱动采用的是电气隔离，工作原理是脉冲电压器接受经过晶体管放大的控制脉冲并且将其耦合、稳压之后使IGBT驱动。避免晶体管中出现过电压的方法是将续流二极管和脉冲变压器并接在一起。
2.2保护电路
过压保护发挥作用的情况有两种，分别是发射极和集电极之间存在过高的电压，另一种情况是浪涌电压太高。前者的主要情况是指存在输入端的异常导致的问题。对于这种情况的处理方法一般是设计IGBT的降额。当发现直流过压情况时将IGBT的输入断开，达到安全起见的目的。分布电感是产生浪涌电压保护的原因。IGBT在关断之时安全性因为过大的浪涌电压而受到严重威胁。一般为了降低过电压需要设置一个缓冲电路，具体要求是要最大程度地使布线电感得到降低，用最短引线的低感吸收电容与IGBT相连接。在系统工作量较大的时候就会产生过多的热量，这时IGBT中的电流量也很大，开关频繁，如果不能及时将产生的热量散发出去就会导致IGBT受到损坏。为了避免IGBT的温度过高一般要安装一个传感器来控制温度，当温度超过限定值时就要将IGBT的输入切断，达到系统电路过热时的保护目的。
3.电路的参数设置以及设计要点
从理论的角度来看载波信号需要高频率，频率高的情况下能够选择更小的变压器。但是除了考虑频率和变压器之外还要将响应速度考虑在内，所以综合考虑的结果就是頻率最好不要过高，一般要＜2MHz。电路的功耗要尽可能地降低，这体现在设计中就是利用了CMOS的集成电路，不过在对其进行调试的过程中发现应用该集成电路的缺点是导致了较大的噪声，因此引发的后果是变压器的温度过高，在衡量了功耗和变压器两个方面的利弊之后最终设计中采用的是TTL 74LS74。在高载波频率的前提之下我们可以减小脉冲变压器的体积。
4.结语
要保证IGBT具有较高的可靠性就必须要进行驱动电路的合理设计，除了设计之外还要采取足够的保护措施。通过试验证明三电平逆变器中IGBT驱动保护电路设计简单而且具有较强的可靠性，在信号的输入和输出过程中产生的信号延时比较小。IGBT电路保护具有多种功能，其中主要包括对短路信号的检测和使栅极电压缓慢延时降低。三电平逆变器电压具有的一个显著优点是使辅助电源的问题得到了解决，三电平逆变器中IGBT驱动保护电路设计目前应用广泛、运行良好。
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［4］王瑞;IGBT常见损坏形式及其保护措施[J];世界采矿快报;2007(12):45
igbt驱动电路范文第3篇
正弦脉宽调制和变频调速技术在工业控制领域的应用日见广泛。许多电力测试仪器都要求大功率、高性能以满足电力设备的测试要求。目前，市场上的大功率开关电源，其核心功率器件大都采用MOSFET半导体场效应晶体管和双极型功率晶体管，它们都不能满足小型、高频、高效率的要求。MOSFET场效应晶体管具有开关速度快和电压型控制的特点，但其通态电阻大，难以满足高压大电流的要求;双极型功率晶体管虽然能满足高耐压大电流的要求，但没有快速的开关速度，属电流控制型器件，需要较大的功率驱动。绝缘栅双极型功率晶体IGBT集MOSFET场效应晶体管和双极型功率晶体管于一体，具有电压型控制、输入阻抗大、驱动功率小、开关速度快、工作频率高、容量大等优点。用高性能的绝缘栅双极型功率晶体IGBT作开关逆变元件、采用变频调幅技术研制的逆变电源，具有效率高、性能可靠、体积小等优点。
2 工作原理
该电源采用高频逆变技术、数字信号发生器、正弦脉宽调制和变频调幅、时序控制上电和串联谐振式输出。电源具有效率高、输出功率大、体积小等优点，其总体原理框图如图1所示。
由数字信号发生器产生的正弦波被25kHz的三角调制波调制，得到一个正弦脉宽调制波，经驱动电路驱动逆变元件IGBT。改变正弦波的频率，幅值便可达到调频调幅输出，逆变输出为串联谐振式输出，将高频载波信号滤掉，从而得到所需频率的正弦信号。时序控制电路用来控制功率源供电电源在上电时缓慢上电，确保电源上电时电流平稳，同时还避免非过零点开关带来的冲击;在控制电路中还设计了故障锁定功能，一旦电源故障，锁定功能将禁止开通IGBT，当故障出现时，IGBT被锁点开通，这时大容量滤波电容会储存很高的电能。所以，电源部分有故障保护自动切断工作电源和自动放电功能，整机设计有双重过流、过压和过热等完善的保护功能。
3 控制与驱动电路
控制电路指主控电路，包括正弦脉宽调制波的产生，占空比调节和故障锁定电路。控制电路的正弦调制波，可根据实际应用情况调节其频率。驱动电路则采用三菱公司生产的IGBT专用驱动模块EXB840，该驱动模块能驱动高达150A/600V和75A/1200V的IGBT，该模块内部驱动电路使信号延迟≤1μs，所以适用于高达40kHz的开关操作。用此模块要注意，IGBT栅射极回路接线必须小于1M，栅射极驱动接线应当用绞线。EXB840的驱动电路如图2所示。
4 逆变与缓冲电路
该电源采用半桥结构串联谐振逆变电路，主电路原理如图3所示。在大功率IGBT谐振式逆变电路中，主电路的结构设计十分重要，由于电路中存在引线寄生电感，IGBT开关动作时在电感上激起的浪涌尖峰电压Ldi/dt不可忽视，由于本电源采用的是半桥逆变电路，相对全桥电路来说，将产生比全桥电路更大的di/dt。正确设计过压保护即缓冲电路，对IGBT的正常工作十分重要。如果缓冲电路设计不当，将造成缓冲电路损耗增大，会导致电路发热严重，容易损坏元件，不利于长期工作。
过程是：当VT2开通时，随着电流的上升，在线路杂散电感Lm的作用下，使得Uab下降到Vcc-Ldi/dt，此时前一工作周期以被充电到Vcc的缓冲电容C1，通过VT1的反并联二极管VD
1、VT2和缓冲电阻R2放电。在缓冲电路中，流过反并联二极管VD1的瞬时导通电流ID1为流过线路杂散电感电流IL和流过缓冲电容C1的电流IC之和。即ID1=IL+IC，因此IL和di/dt相对于无缓冲电路要小得多。当VT1关断时，由于线路杂散电感Lm的作用，使Uce迅速上升，并大于母线电压Vcc，这时缓冲二极管VD1正向偏置，Lm中的储能(LmI2/2)向缓冲电路转移，缓冲电路吸收了贮能，不会造成Uce的明显上升。
5 缓冲元件的计算与选择
式中：f—开关频率;Rtr—开关电流上升时间;IO—最大开关电流;Ucep—瞬态电压峰值。
在缓冲电路的元件选择中，电容要选择耐压较高的电容，二极管最好选择高性能的快恢复二极管，电阻要用无感电阻。
6 结束语
igbt驱动电路范文第4篇
LED照明技术相较之荧光灯、白炽灯, 具有许多优点, 例如照明亮度高、使用寿命长、高效、节约能源、环保等, 它的使用被人类称为照明史上一场新革命。半导体照明光源将会在各个相关领域得到突破发展, 尤其是在户外照明方面的使用将得到急剧的需求。
在LED系统中, 照明部件的驱动是核心的部件, 由于LED的照明器件是属于电压敏感器件, 需要使用恒流驱动, 不过现在市场上使用的驱动性能质量不一, 影响LED照明的品质和使用时间, 也就是说, 驱动的设计是排在首位的。
对于传统的设计思路存在不少的缺陷, 如电阻限流、线性制及充控电泵升压等技术能耗大效率低、功率因素小、电流波动大及抗干扰不强等, 不能满足工作要求
在这次研究设计中采用先进的电路设计, 通过BUCK型电路结构, 不仅减少了成本, 而且还不需要高压电容, 大大提高了设计成品的使用寿命。采用这设计的成品具有实现简单、成本低、抗干扰能力强、节能响应快且功率因数高, 适应输入电压和负载变化范围宽的场合等优点。
2 电路照明的基本原理
在LED驱动电路的系统设计中的选择中一般可以分为两种:其一为开关电源驱动, 其二是非开关电源驱动, 而在LED的特性上并根据实际情况可知道, 在实际的设计过程中LED的驱动的驱动电压一般不能太高, 否则无法保护电路。在户外使用过程中, 不可能时刻拥有观察者进行开关电源, 非开关的电源驱动才是合理的发展方向。因此, 在设计驱动电路时利用具有三极管的导通性能的BUCK型电路。
3 基础BUCK电路的组成
图1是BUCK型电路的模拟电路, BUCK电路, 又称降压电路, 其基本特征是DC-DC转换电路, 输出电压低于输入电压。输入电流为脉动的, 输出电流是连续的。该在电路中利用电感L和电容C组成底通滤波器, 在这个设计中的作用是可以让电源直流量通过, 滤掉了电源的谐波量, 而在使用电容的情况使的电路的输出电压为Uo并加上微弱的波纹Uw。使电压保存在低频和直流状态, 保护了驱动电路的有效性, LED的使用寿命。
4 基础BUCK电路运算过程
4.1 晶体管导通状态
当给予晶体管Q1高电平驱动时, Q1导通, 电感进行充能, 流过电感的电流呈现线性增长, 此时电路会给C1进行充电, 提供R1负载电能, 使得负载运转。在电路导通时, 根据等效的导通状态图2, 由基尔霍夫电压定律可以得到:
由于电路工作频率很高, 在一个计时周期内Ud和Uo基本维持不变, 可以看作为恒定, 则 (Ud~Uo) 是常数, 电流随时间的变化是线性的, 波形如图所示:
4.2 晶体管截止状态
当给予晶体管Q1低电平时, Q1截止, 被存储在电感L1中的能量进行续流工作, 此时二极管导通。电感中的电流呈线性减少, 电路中的输出电压由电容C1和电感L1中放点维持。在电路截止关闭时, 根据截止状态等效电路图, 由基尔霍夫电压定律有:
同样, 在将u0近视并维持恒定, 则输出电流线性度减小, 波形如图所示:
5 微分跟踪BUCK电路工作原理
微分跟踪BUCK型电路如图5所示, 在基础的电平控制的基础上, 增加一个有微分器、积分器、加法器等构成的网络, 控制增益kb、增益ka的形成多条回路, 做到双环控制的效果。如图5所示, 三极管收到触发器控制, 在三极管位于导通状态时, 输出电压Uo经过信号采样后得到一个大小为KbU0电压信号, 再和附加信号Ur一同加载到误差放大器中, 得到补偿电压, 在与输入电压所产生的电压信号kaud送入加法器后积分。出来的结果大于已补偿的电压, 比较器中的反相输出端将输出高电平, 使得触发器复位并保持该状态。比较器中的同相端输出端将输出低电平, 使三极管断开。比较器中的反相输出端将输出高电平, 积分器将置位清零, 在下一个周期性脉冲到来时, 三极管将再次导通重复之前的过程。
6 仿真结果
利用Multisim对buck型电路进行电路仿真, buck型电路的仿真图如图6, 在驱动波形的设置如图7上, 采用V=10V, f=20KHz, D=50%, 输入电压V=14V, 电感选用L=80u H。开关驱动与电感电压测试波形如图8所示, 负载的输出波形如图9所示。
根据仿真软件测量出的结果进行分析:仿真电路中采用的输入电压为14V, 采用型号为2SK3070L的MOS管, 本MOS管是一种可以高速运转的MOS管, 在仿真中采用的20KHz的信号输出完全可以驱动其运行。在MOS是完美状态下, 理论输出电压2.8V, 当实际情况下, MOS管不存在完美状态, 因此实际测量的输出结果会小于理论值, 存在降压状态。但根据仿真观察结果, 经过电路控制, 输出电压能稳定输出, 同时电路的反应控制在50us以内。
7 结语
本文对电路驱动模式BUCK型非开关电源电路的工作进行了探讨, 在基础电路上采取增加控制网络的新方法, 使得电路实现双环控制。在双环控制的情况下得到微分约束关系, 得到了低能耗、电路反应快、运行稳定的工作效果。
摘要：针对传统平均电流控制系统中出现的控制结构复杂、成本高、失真大的现象, 本文在采取辅助电感缓冲和函数发生器双环节制方法, 建立了基于BUCK型函数发生器微分跟踪新型高效节制系统。最后提出了基于系统中微分约束关系, 来增加抗干扰能力、减少能耗、提高响应速度。
关键词：驱动电路,LED照明,BUCK
参考文献
[1] 杨恒.LED照明驱动器设计[M].北京:中国电力出版社, 2013.
[2] 王雅芳.LED驱动电路设计与应用[M].北京:机械工业出版社, 2011.
[3] 周志敏, 周纪海, 纪爱华.LED驱动电路设计与应用[M].北京:人民邮电出版社, 2006.
[4] 刘祖明.LED照明技术与灯具设计[M].北京:机械工业出版社, 2012.
igbt驱动电路范文第5篇
1 舵机驱动电路
一般的舵机驱动电路工作过程是这样的:将接收机输出的帧时间为20ms的比例脉冲信号, 同1.5ms的标准信号相减, 得到正的或负的差值信号。再对差值信号进行线性展宽放大。然后经过电路放大, 驱动相应方向上的控制。调速就是通过对脉冲信号的占空比进行控制。占空比大, 相应获得的电压就大, 转速就快;反之亦然。此种电路虽简单, 却存在以下不足:在调速过程中, 输出脉冲电压从零占空比线性地调到100%占空比, 脉冲周期为50Hz。由于舵机存在延时响应, 以及在实际电路中存在干扰, 太小的脉冲不能驱动电机, 通过实验, 当占空比大于16%时, 菜驱动电机转动。因此可以知道带载情况下驱动电压会更高。电机的转速是受脉冲信号控制的。由于加在驱动管栅极的脉冲周期为20ms, 经过放大后, 功率已经足够驱动电机了, 但是在低速运转时, 脉冲占空比较小, 电机运转不够平稳。
因此, 通过以上分析, 当MCU产生PWM信号, 经场效应管放大, 在电机前串联电感, 目的是为了去掉马达启动和停止时对电源的干扰, 启动时需要的电流比较大, 所以会在启动的一瞬间将电源电压拉低, 因为电感有通底频去高频的效应, 所以可以减少马达启动瞬间拉低电源端的电压变化, 从而可以保证其稳定工作。在电机两端并联电容, 起到续流的作用, 而且在一定程度上提高了电机平均电压。电路图如图1所示。
2 软件设计
由舵机工作原理可知要实现对舵机控制, 就是给它提供一个PWM信号。本系统采用Atmega48单片机定时器0实现周期为20msPWM信号。由PB1、PB2产生两路PWM信号。在本设计中, Atmega48定时器0是一个可与分频8位定时器, 运用于4MHz, 256分频, 工作于普通模式, 采用溢出产生中断。在中断程序中重新赋予初值, 在中断产生时进行计数, 并判断是否输出高电平。每次中算时间为500us, 周期20ms就是计数40次。 (如表1)
3 结语
利用微控制器Atmega48, 通过输出PWM信号高电平, 利用软件计数器在Atmega48单片机上产生两路PWM信号, 同时驱动两路电机的转动, 通过控制高电平的占空比实现了电机转速控制。经过测试, 实验效果理想。在下一步将寻求更好调节算法, 更稳定的实现舵机控制。
摘要：本文主要通过介绍舵机工作原理, 并设计以Atmega48单片机为控制芯片舵机驱动电路的设计。在软件设计方面主要以接收PWM信号, 经场效应管放大的方式来实现电机控制, 通过改变占空比方式进行电机调速。
关键词：舵机,PWM,AVR,Atmega48
参考文献
[1] 张军.AVR单片机应用系统开发典型实例[M].北京:中国电力出版社, 2005.