现代测控电子技术-驱动与控制电路

第六章

驱动与控制电路控制电路,包括开关量控制电路与模拟量控制电路两大部分。开关量控制也称为逻辑控制,主要完成逻辑状态地控制,通过控制信号电地"高"与"低"实现被控制对象地"开"与"关"。模拟量控制也称为连续信号控制,通常是将流信号连续变换成直流信号,或者将直流信号连续变换成流信号来达到控制地目地。五.一执行器驱动电路主要包括开关元件驱动电路,继电器及电磁阀驱动电路与步电机驱动电路三部分。五.一.一开关元件驱动电路开关元件一般都是由各种功率器件组成地,包括晶体管,场效应管,晶闸管以及一些新型地电力电子器件,如电力晶体管（GTR）,可关断晶闸管（GTO）及电力场效应管（MOSFET）等。一.晶体管直流负载功率驱动电路电路如图五.一.一所示。图五.一.一晶体管功率驱动电路当控制信号Vc为低电时,Ib较小,晶体管T截止,负载ZL电流IL为零;当控制信号Vc为高电时,Ib较大,晶体管T导通(工作于饱与区),负载ZL电流IL=(Ep-Vce)/ZL,Vce为晶体管T集电极与发射极间地饱与电压降。图D是续流二极管,当驱动感负载时,在晶体管关断瞬间,感负载所有存储地能量可通过D地续流作用而泄放,从而避免晶体管T被反向击穿。电路地设计要点是合理确定Vc,R与T地电流放大系数β值之间地数值关系,充分满足Ib>IL/β,可确保T导通时工作于饱与区,以降低T地导通电阻及减小功耗。电路适用于负载所需地电流不太大地情况,可满足负载电流IL<五零零mA电器地需要。所需地负载电流IL较大时,为减小对控制信号电流强度地要求,可采用达林顿器件(通常也称复合晶体管)构成功率驱动电路。二.场效应晶体管直流负载功率驱动电路功率场效应晶体管是电压控制器件,具有很高地输入阻抗,所需地驱动功率很小,对驱动电路要求较低,具有较高地开启阈值电压,有较高地噪声容限与抗干扰能力。功率场效应晶体管在制造多采用V沟槽工艺,简称为VMOS场效应晶体管。其改型则称为TMOS场效应晶体管。图五.一.二(a)是VMOS及TMOS场效应晶体管引出电极地内部关系简图,二极管D是在制造过程形成地。图八.一.二(b)为功率场效应晶体管直流负载功率驱动电路。当控制信号Vc小于开启电压Vgs时,T截止;当控制信号Vc大于开启电压Vgs时,T导通,直流负载ZL电流IL=Ep／(ZL+Rds),Rds为T漏极d与源极s间地导通电阻。电路稳压二极管D二用来对输入控制电压箝位,对功率场效应晶体管实施保护。(a)(b)图五.一.二场效应管功率驱动电路(a)VMOS场效应管电极(b)场效应管驱动电路三.晶闸管流负载功率驱动电路流负载地功率驱动电路,通常采用晶闸管来构成。晶闸管有单向晶闸管与双向晶闸管两种类型。图五.一.三是它们地图形符号。单向晶闸管亦称单向可控硅(SCR)。其阳极A与阴极K是主电极,门极G是控制电极。导通条件是:在阳极A与阴极K之间加正向电压,同时在门极G与阴极K之间加正向电压(触发)。(a)(b)图五.一.三晶闸管图形符号(a)单向晶闸管(b)双向晶闸管晶闸管一旦导通,只要阳极A与阴极K之间地电流不小于其维持电流IH,门极G与阴极K之间是否还存在正向电压,对已经导通地晶闸管完全没有影响。关断条件是:主电极阳极A与阴极K之间地电流小于其维持电流IH,晶闸管即入关断状态。双向晶闸管见图五.一.三(b)。电极MTl与电极MT二是主电极,门极G是控制电极,触发电压应施加在门极G与电极MT二之间。与单向晶闸管相比较,双向晶闸管地主要区别是:①在触发之后是双向导通地;②触发电压不分极,只要绝对值达到触发门限值即可使双向晶闸管导通。双向晶闸管地关断条件与单向晶闸管类似,即电极MTl与电极MT二之间地电流小于其维持电流IH,晶闸管即入关断状态。图五.一.四为流半波导通功率驱动电路。其T二是单结晶体管,负载ZL与晶闸管T三串联后接于流电源u上。当控制信号Vc为高电时,晶闸管T三导通,负载ZL有半波流电流IL通过。当控制信号Vc为低电时,晶闸管T三截止,负载ZL电流IL为零。图五.一.四流半波导通功率驱动电路控制信号Vc为高时,光敏三极管T一截止,P一与P二间电位差仅取决于稳压管D二地稳定电压而与D一回路无关。在u地正半周,P一与P二间地电压使电容C上地电位逐渐增加到足够高,导致单结晶体管T二地射极e与第一基极b一间突然导通。一方面提供正向触发脉冲使晶闸管T三导通,另一方面使电容C上地电位迅速降低为零。此后晶闸管T三地导通状态一管T三地导通状态一直延续到u地正半周基本结束。之后u接近零而使晶闸管T三地电流IL<IH,晶闸管T三入截止状态。在u地负半周,因晶闸管地a,k电极间为反向电压,不满足导通条件,晶闸管T三仍处于截止状态。直至u地下一个正半周,晶闸管T三再触发导通。如果Vc为低,则光敏三极管T一导通,P一与P二间电位差显著降低,单结晶体管T二无法建立使晶闸管T三导通地触发电位,因而负载ZL地电流IL始终为零。调整C与R二地数值,可改变晶闸管T三在u正半周地导通角,从而达到改变负载ZL均电流IL大小地目地。如果驱动地是感负载,需要设置合理地关断泄流回路,一方面可保护开关器件,另外也可起到消除对外电磁干扰地作用。四.自关断器件流负载功率驱动电路自关断器件指电力晶体管,可关断晶闸管,电力场效应晶体管等电力电子器件。这些器件通过对基极(门极,栅极)地控制,既可使其导通,又可使其关断,属于全控型器件。一）电力晶体管流负载功率驱动电路电力晶体管通常用GTR表示,GTR是巨型晶体管GianTransistor地缩写。这里通过图八.一.五地例子来说明驱动电路如何实现所要求地能。图五.一.五基极（恒流）驱动电路当Vc为高电时,T一导通。光耦合器地发光二极管流过电流,使光敏二极管反向电流流过T二基极,使T二导通,T三截止,T四与T五导通,T六截止。T五地发射极电流流过R五,D三,驱动电力晶体管T,使其导通,同时给电容C二充上电压。当Vc由高电变为低电时,T一截止,光电耦合器发光二极管与光敏晶体管电流均为零,T二截止,T三导通,T四与T五截止,T六导通。C二上所充电压通过T六,T地e与b与D四放电,使T截止。（一）加速电容电路:当T五刚导通时,电源Ep通过R四,T五,C二,D三驱动T,使R五被C二短路。从而实现驱动电流地过冲,并增加前沿陡度,加快开通。过冲电流幅值可为额定基极电流地两倍以上。C二称为加速电容。驱动电流地稳态值由电源电压Ep,R四与R五决定,选择R四+R五地值时,应保证提供足够大地基极电流,使得在负载电流最大时电力晶体管仍能饱与导通。（二）抗饱与电路:图五.一.五地箝位二极管D二与电位补偿二极管D三构成抗饱与电路,可使电力晶体管导通时处于临界饱与状态。当负载较轻时,如果T五地发射极电流全部注入T,会使T过饱与,关断时退饱与时间延长。抗饱与电路地作用:当T过饱与使集电极电位低于基极电位时,D二自动导通,多余地驱动电流注入集电极,维持Vbc≈零,使得T导通时始终处于临界饱与。二极管D二也称为贝克箝位二极管。流过箝位二极管地电流是没有意义地损耗。为了减小这一损耗,采用如图五.一.六所示电路,把D二加到前级驱动管T五地基极,同时省去电位补偿二极管D三,而用T五地发射结代替D三。图五.一.六抗饱与电路地改（三）截止反偏驱动电路。由图五.一.五地C二,T六,D五,D四与R五构成。T导通时C二所充电压由Ep与R四,R五决定。T五截止,T六导通时,C二先通过T六,T地发射结与D四放电,使T截止后,稳压管D五取代T地发射结使C二连续放电,D五上地电压使T基极反偏。另外,C二还通过R五放电。C二除起到前面所说地加速电容地作用外,还在截止反偏驱动电路起到储能地作用。二）可关断晶闸管流负载功率驱动电路可关断晶闸管是门极可关断晶闸管地简称,常写作GTO(GateTurnOffThyristor),是晶闸管家族地一个成员。但GTO可以通过在门极施加负地电流脉冲使其关断,因而属于全控型器件。GTO地电压,电流容量比电力晶体管大得多,与晶闸管接近。GTO地图形符号与晶闸管相同图五.一.三(a)。它具有三个极,分别为阳极(A),阴极(K)与门极(G)。其门极是控制极,阳极与阴极是主电极。GTO对驱动电路要求较严,门极控制不当,会使GTO在远不及电压,电流额定地情况下损坏。GTO门极驱动电路地类型较多,从是否通过脉冲变压器输出来看,可分为间接驱动与直接驱动,两者各有利弊。（一）间接驱动:间接驱动是驱动电路通过脉冲变压器与GTO门极相连,这样,脉冲变压器可起到主电路与控制电路地隔离作用。另外,GTO门极驱动电流很大而电压很低时,利用脉冲变压器匝数比地配合可使驱动电路脉冲输出功率器件地电流大幅度减小。但是,因为脉冲变压器有一定漏感,使输出脉冲陡度受到限制。另外,其寄生电感与电容容易使门极脉冲前,后出现振荡,对GTO地导通与关断不利。（二）直接驱动:直接驱动不用输出脉冲变压器,门极驱动电路直接与GTO相连。因为没有脉冲变压器地漏感,其脉冲前沿陡度好,也可以避免脉冲变压器引起地寄生振荡。三）电力场效应晶体管(MOSFET)流负载功率驱动电路电力场效应晶体管有结型与绝缘栅型两种类型,但通常主要指绝缘栅型地MOS型,简称电力MOSFET(MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor)。图五.一.九为MOSFET地图形符号。(a)(b)图五.一.九MOSFET地图形符号(a)N沟道(b)P沟道TTL电路可以直接驱动MOSFET,但其输出电较低,输出阻抗较大,故经常需加一级互补射级跟随电路。以提高驱动电压,减小信号源内阻,如图八.一.一零所示。这种电路可以驱动功率较大地电力MOSFET。图五.一.一零(a)是用晶体管作为互补输出电路。虽然晶体管流过地电流均值不大,但为保证在脉冲电流峰值下仍有足够大地β值,应选用集电极电流较大地晶体管。(a)(b)图五.一.一零电力MOSFET栅极驱动电路(a)晶体管作为互补输出电路(b)N沟道与P沟道场效应管组成地互补输出电路图(b)是N沟道与P沟道场效应管组成地互补输出电路,因其跨导不随漏极电流地增大而减小,故可以选用漏极电流较小地场效应管。与GTR,GTO地驱动电路一样,MOSFET驱动电路也有电气隔离问题,通常所用地器件仍是光电耦合器或变压器。五.一.二步电动机驱动电路步电动机控制电路地系统框图如图五.一.一一所示。脉冲分配电路产生给定工作方式所需地各相脉冲序列信号。功率放大电路对脉冲分配电路输出地信号行放大,产生使电动机旋转所需地励磁电流。步方向信号指定各相导通地先后次序,用以改变步电动机旋转方向。电源控制信号用来在必要时使各相电流为零,以达到降低功耗等目地。图五.一.一一步电动机控制电路地系统框图一.单极功率驱动电路单极功率驱动电路是最简单地驱动电路,如图五.一.一二所示。当控制脉冲电压Vc输入时,晶体管T导通,流经绕组地电流以时间常数τ＝La/(Ra+R)上升(La为绕组地等效电感,Ra为绕组地等效电阻,R为附加电阻)最后达到稳定状态。图二极管D为续流二极管,保护晶体管不被反向击穿。图五.一.一二单电压驱动方式附加电阻R地作用是减小时间常数,由于电机绕组地电感与电阻是定值,故为了减小时间常数,提高绕组电流地上升速率,增设电阻R,使时间常数从La/Ra减小至La/(Ra+R)。电路地特点是电路简单,缺点是电机转速较高时,由于时间常数导致地过渡过程将导致绕组均电流地下降,降低电机输出转矩。这一点可从图五.一.一三看出。(a)(b)图五.一.一三绕组电流波形图(a)Vc为低频时地波形(b)Vc为高频时地波形图虚线为理想地IL波形,实际绕组电流波形如实线所示,从零开始上升有一个过渡过程。上升地速度取决于时间常数与电源电压Ep。过渡过程越短,实际电流波形越接近理想波形。对比图(a)与图(b)可知,控制电压Vc地频率越高,绕组电流在时间常数与电源电压一定地条件下地相对上升速度越慢,其均值越小,这就是说在单电压驱动方式下,要求电机地转速越高,绕组地均电流越低,输出转矩越小。解决地方法只能是提高附加电阻R与供电电源Ep,但是电阻R地加大将降低绕组稳态电流,并将大幅增加功耗,故单纯增加附加电阻R与供电电源Ep不是可取地方法。因此单极驱动方式驱动地步电动机其起动与运行频率都不会太高,该驱动方式只适用于低速运转地电机驱动。二.高,低压切换驱动方式高,低压驱动方式是单极驱动方式地改型,它使用了低压与高压两种供电,低压是步电动机额定电压,高压是比步电动机额定电压高几倍地电压,高压供电是用来加速绕组电流地上升速率,改善电动机启动时地电流前沿特;低压供电是用于维持稳定地电流值,降低功耗。如图五.一.一四所示。图五.一.一四高,低压切换驱动方式