制动电路以及驱动电路方案

一：制动电路

⑴：制动的过程如下：

1：当电机在外力作用下减速、反转时，电机即以发电状态运行，能量反馈回直流回路，使母线电压升高；

2：当直流电压到达制动单元开的状态时，制动单元的功率管导通，电流流过制动电阻；

3：制动电阻消耗电能为热能，母线电压也降低；

4：母线电压降至制动单元要关断的值，制动单元的功率管截止，制动电阻无电流流过；

所以制动电路的作用就是平衡母线电压，使系统正常运行。

⑵：制动电阻的选择：

1：首先估算出制动转矩；

由电机运动方程式：

T-TL=GD^2*dn/375*dt;(T为电磁转矩，TL为负载转矩，GD^2为转动部分的飞轮矩)

由上式电机工作在制动状态时：

制动转矩=GD^2*（制动前速度-制动后速度））/375*减速时间-负载转矩；

在进行电机制动时，电机内部存在一定损耗，越为额定转矩的20%左右；

2：计算制动电阻的阻值；

根据电机运行时，功率与转矩的公式：

P==T*Ω=T*n/9.55；（T为转矩，n为转速r/min）

由于此部分功率消耗在制动电阻上，

因此：R=U^2/P

=制动元件动作电压值的平方/（0.1047*(制动转矩-20%电机额定转矩)*制动前电机转速）

在制动单元工作时，直流母线电压的升降取决与常数RC，R为制动电阻的阻值，C为电解电容的容量；

具体制动电路参照原理图第七页：

该制动电路的IGBT有两种控制方式，可以选择由控制板的/RGN信号控制，也可以有功率板内部控制；

功率板内部控制时，检测直流母线，并与设置的参考电压比较，该原理图中设置的过压制动的门槛电压为192V，退出制动的电压为186V，形成滞环；（驱动器正常工作电压为直流100V~150V）

制动过程分析：

电压正常时：电压比较器U38输出为低，二极管D13-A反向截止，U38反向输入端电压为4.7V；此时IGBT2（制动IGBT关断）；

电压过压时：电压比较器U38输出为高，二极管D13-A正向导通，U38反向输入段电压为4.55V；因此退出制动时，直流母线电压降为186V，形成滞环；

制动时：三极管Q24集电极输出电压为低，IGBT2导通；同时电压比较器U39通过检测IGBT2的导通压降Vceon，当Vceon+D37+D38的管压降>5V时，

认为IGBT2过流（此时IGBT2的电流约为30A），U39输出为低电平，

二极管D75-A，D75-B正向导通，IGBT关断；

当母线电压下降到186V时，IGBT关断，退出制动状态；

二：自举供电电路

该设计所采用自举供电电路是由一个二极管和一个电容组成，如下图：

自举供电电路

驱动模块IR2183的输出接口

以上这种自举电路适用于三个上桥臂的IGBT使用同一组电源（VCC）供电，这种方案的优势是简单且成本低，但在占空比和导通时间方面会有局限，因为要求对自举电容反复充电。

⑴：自举电容的选择：

自举电容的工作方式：

1：下桥臂导通时（自举电容充电）：

VCC通过自举电阻，二极管给自举电容充电；（设二极管正向导通时的管压降为VF,IGBT导通时的压降为Vceon）

则电容两端电压：Vbs=VCC-VF-Vceon ；

2：上桥臂导通时（自举电容放电）：

自举电容放电，Vbs电压下降；

考虑Vbs下降的因素：

IGBT开启所需门极电荷(QG);

IGBT 栅源漏电流(ILK_GE);

浮动静态电流(IQBS);

浮动漏电流(ILK)

自举二极管漏电流(ILK_diode);

自举二极管前向导通时的压降(IDS- )

内部高压切换所需电荷(QLS);

自举电容漏电流(ILK_CAP);

上管导通时间(THON)；

在自举电容放电过程中，设所需电荷为Qtot；

Qtot = QG + QLS + (ILK _GE + IQBS + ILK + ILK _ DIODE + ILK _CAP + IDS- )×THON

设自举电容的容值为Cboot；

则在上管导通时间THON内，自举二极管的管压降：

ΔVbs=Qtot/Cboot；

若要维持上桥臂导通，则自举电容两端电压需大于IGBT开通的最低门极电压（Vgemin）：

即：Vbs-ΔVbs> Vgemin；

ΔVbs

通过上式我们可以求出上桥臂导通时间内，自举电容的最大允许压降，也可以求出自举电容的最小容值：

Cboot〉Qtot/ΔVbs；

⑵：自举电阻

自举电阻和自举电容串联，以限制自举电容刚开始充电时的电流；

⑶：自举二极管

自举二极管的反向耐压必须大于直流母线电压，并且反向恢复时间要够快（Trr〈100ns〉以减少在反向恢复时间内从自举电容向VCC放掉的电荷；

三：门极驱动电阻的选择

门极驱动电阻决定了被驱动IGBT的开关速度，控制门极开通和关断电流；

⑴：门极开通电阻的选取：

门极开通电阻

门极开通过程

上图中，开关时间Tsw为从一开始到平台电压结束时间，Qgc和Qge分别指开通IGBT 过程中，门极到集电极和门极到射极所需电荷。

则：

Rtot=（VCC-Vge*）/Iavg；

dv/dt=Iavg/Cres;

Rtot=（VCC-Vge*）/（Cres*dv/dt）

所以可以用门极开通电阻增加时，可以减小dv/dt，减小IGBT集电极减峰电压，但IGBT 开关时间延长，开关损耗加大；

⑵：门极关断电阻的选取：

关断过程

选取门极关断电阻需要考虑的最糟情况是当IGBT关断时误导通的情况，在这种情况下，下管已经关断，上管在开通过程中，因为在电容Cresoff两端电压变化dv/dt产生电流流过关断电阻，抬高门极电位；若该点电位超过IGBT的开启门极电压，则下管误导通，导致直流；

此时：Vth>=(Rgoff+Rdrn)*I=(Rgoff+Rdrn)*Cresoff*dv/dt;

Rgoff<=(Vth/Cresoff*(dv/ct))*Rdrn;

另：其他可能出现dv/dt也必须纳入考虑，如电机长引线耦合也会引起dv/dt；

具体参照原理图第三页；

参见上图：自举电容，开通电阻，关断电阻；

该原理图中六个IGBT使用同一组电源（VCC）供电，R9，R10，R11为自举电阻，D2，D3，D4为自举二极管，C15，C16，C17为自举电容；D14，D15，D16，D55，D56，D57用于减小IGBT的关断电阻，C134，R174，R182，Q21用于防止过大的dv/dt引起IGBT的误导通；