如何优化CQA36X8A步进电动机驱动器逆变功率电路

（见图5-6）

步进驱动器的逆变功率电路由8只IGBT功率管组成，（以A相绕组的供电为例）在脉冲驱动信号作用下，功率开关AT1、AT4同时导通，提供步进电动机A相绕组的正半波电流通路；AT1、AT4截止后，AT2、AT3同时导通，提供步进电动机A相绕组的负半波电流通路。四只IGBT开关管构成A相绕组供电的四个桥臂，每个工作周期内将流经绕组的电流换向，实现逆变输出。

图5-6 CQA36X8A步进电动机驱动器逆变功率电路

由于驱动电路只输出正向IGBT的导通电压，无截止负电压输出，IGBT的截止取决于栅-射极上并联的22kΩ电阻和电容元件，同时栅极电阻上反向并联的二极管，也形成对IG-BT的栅-射极电容上所存储的电荷进行快速泄放的通道，以达到在驱动脉冲信号消失后，使IGBT快速与可靠截止的要求。

逆变开关管发射极串接的AR1、BR1电阻，为开关管工作电流信号检出电阻，流经开关管的电流变化在AB1、AR2上转化为电压降信号，经PW1/PW5的12/13、16/16端子传输至后级过电流保护电路，当过电流故障发生时，切断驱动脉冲的传输通路，使逆变电路停止工作。

（1）IGBT的电气特性IGBT是一种较为新型的复合型器件，其等效电路及符号如图5-7所示。由MOSFET（场效应晶体管）与GTR（大功率达林顿晶体管）相结合，由于具有优良性能，目前已广泛用于变频调速、高频开关电源等电力电子领域。

场效应晶体管有开关速度快、电压控制的优点，但也有导通压降大、电压与电流容量小的缺点。而双极型器件恰恰有与其相反的特点，如电流控制、导通压降小、功率容量大等，两者复合，形成优势互补。因而IGBT，具有驱动功率小、通态压降低、开关速度快等优点。从结构上看，类似于我们都早已熟悉的复合放大管，输出管为一只PNP型晶体管，而激励管是一只场效应晶体管，后者的漏极电流形成了前者的基极电流。放大能力是两管之积。大部分IGBT器件，制造时在集电极和发射极上已经并联一个高速二极管，在电感负载的情况下供续流用，提供IGBT的反向电流通路，使之不承受反向电压的威胁。

本例电路，每对IGBT的集电极和发射极之间，在外部也并有三引线（内含两只高速二极管）器件，如AT1、AT2两只管子并联有AD1三端元件。

由于IGBT内部输入级电路为CMOS管，故输入阻抗高，门极与发射极之间，存在一个Cge电容，对IGBT开通与截止的控制，实质上可等效为对Cge电容进行充电和电荷泄放的过程。同时对IGBT的保存与实际应用中，g、e极间不允许开路，以避免引入静电和上电过程中引发误导通而损坏。IGBT的导通电压其典型值为＋15V，截止电压为0V，或为典型值－7.5V。

图5-7 IGBT等效电路及符号

（2）IGBT器件的测量方法IGBT器件具有三个引出电极，c极和e极之间，内含反向并联二极管，测量两引脚之间的电阻值，符合二极管的正、反向电阻特性。用数字万用表的二极管挡位或指针万用表的×kΩ挡位，都能方便测出。分别测量g极与c极、g极与e极，其常态正、反向电阻值均应为无穷大。(www.xing528.com)

g、e极间，因为存在Cge电容的缘故，可用电容表测出电容值（正、反向电容值有所差异），电容容量为nF级，随管子的功率容量的增大，所测电容值也变大。另外，正因为Cge电容的“储电效应”，可以用指针式万用表的×10kΩ挡，用下述方法进行检测。

方法是：将指针式万用表打到×10k挡，黑表接c极，红表笔接e极，此时所测电阻值近乎无穷大；搭好表笔不动，用手指将c极与g极碰一下并拿开，指示由无穷大阻值降为200kΩ左右；过10～20s后，再测一下c、e间电阻（仍是黑表笔接c极，红表笔接e极），仍能保持200kΩ左右的电阻不变；搭好表笔不动，用手指短接一下g、e极，c、e极之间的电阻又重新变为接近无穷大。

实际上，用手指碰一下c、g，是经人体电阻给栅-射结电容充电，拿开手指后，因此电容无放电回路，故电容上的电荷能保持一段时间。此电容上的充电电压，为正向激励电压，使IGBT出现微导通，c、e之间的电阻减小；第二次用手指短接g、e时，提供了栅-射结电容的放电通路，随着电荷的泄放，IGBT的激励电压消失，管子变为截止，c、e之间的电阻又趋于无穷大。

手指相当于一只阻值为数千欧姆级的电阻，提供栅射极结电容充、放电的通路；因IG-BT的导通需较高的正向激励电压（10V以上），所以应用指针式万用表的x10k挡来测量。此挡位内部电池供电为9V或12V，以满足IGBT激励电压的幅度。指针式万用表的电阻挡，黑表笔接内部电池的正极，红表笔接内部电池的负极，因而黑表笔为内部供电的正极，红表笔为负极。

（3）IGBT驱动电路、逆变功率电路的供电方式 逆变功率电路的主电源供电，是取自280V整流后的直流电源。观察逆变功率电路的结构，开关管AT2、AT4、BT2、BT4因发射极共地（280V整流电压地），其g-e极驱动电流通路可以共一个地，即四管的驱动电路可共用一组供电电源。但AT1、AT3、BT1、BT3四只管子的发射极为四个输出端，每只管子的g-e极驱动电流通路，是独立的，驱动电路需采用四组相隔离的供电电源。

弄明白驱动电路、IGBT的g-e极驱动电流通路，需将图5-6、图5-8、图5-9这三部分电路结合起来分析。

图5-8 CQA36X8A步进电动机驱动器的四路隔离电源

图5-9 驱动芯片IR2110内部原理框图

图5-8为脉冲驱动电路的五路供电电源，开关电源输出的＋15V电源，提供AT2、AT4、BT2、BT4发射极共地的四路开关管驱动电路的供电，＋15V电源又由PIC（NE555）时基电路、开关变压器PT1逆变后，输出Vc1～Vc4等四路15V的独立电源，作为AT1、AT3、BT1、BT3等四只开关管的脉冲驱动电路（图4-9中的ICA、ICB、ICC、ICD）的供电。

NE555时基电路，与外围元件PR1、PR2、PC9组成多谐振荡器电路，经电容PC10耦合，驱动脉冲变压器PT1（升压变压器），PT1的二次四个绕组输出交流电压，经整流滤波、由PT1～PT4四路15V稳压IC，输出脉冲驱动电路的相互隔离的四路15V电源。