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1、第三章继电器及电机的驱动技术继电器是控制系统中使用最多的元件之一工业控制中，以5V、6V、9V、12V、24V的继电器为多数3.1直流继电器的驱动及泄流直流继电器一直是控制系统中开关控制元件的主流驱动电流较大时，应使用光耦进行隔离（1）用7406、7407、ULN2003ULN2803等（2）光耦驱动（3）光耦2003图3.1继电器的续流二极管直流继电器泄流图3.1继电器的续流二极管泄流、续流二极管直流继电器在线圈断电后会继续保持较大的电流，线圈中积蓄的能量通过该持续的电流释放掉(称泄流)。如果没有相应的电流释放回路，则可能产生较高的反压加到驱动器上使驱动器损坏。所以直流继电器必须并联一个反置
2、的二极管，以使线圈断电后能正常泄流。该二极管常称为续流二极管。3.1直流继电器的驱动及泄流驱动电流较大时，应使用光耦进行隔离驱动方法：（1）用7406、7407、ULN2003ULN2803等（2）光耦驱动（3）光耦20031、微型继电器的驱动微型继电器最长边尺寸不大于10mm的继电器微型继电器超小型继电器最长边尺寸大于10mm，但不大于25mm的继电器小型继电器最长边尺寸大于25mm，但不大于50mm的继电器多数微型直流继电器的驱动电流很小。在控制系统中，使用+5V供电最为方便，这时小到数毫安，大到几十毫安的驱动电流足够驱动大多数微型直流继电器甚至小型继电器注意：驱动直流继电器时，COM端务
3、必接到继电器的供电电源端。（1）用7406、7407、ULN200X等直接驱动直流继电器驱动供电电压：+5V、6V、9V、12V、24V电流：几几十mA适用于驱动少路图3.2ULN2003ULN2004的内部结构输出端C输入端BULN2003ULN2003ULN2803ULN2004ULN2804适于与TTL、CMOS输出器件接口，应用广泛。TTL输出驱动ULN2003ULN2803时，只能驱动一路，不能驱动多路ULN2003的输入部分与TTL及CMOS兼容，因而可直接连接TTL输出或CMOS输出，输出部分相当于OC门，所驱动的继电器，可以连接到较高的电源电压上而不需要额外的电路。当所连继电器
4、数目较多或驱动电流较大时，应考虑让继电器使用独立的驱动电源，必要时还应使用隔离电源。使用隔离电源时，应在ULN2003前设置光电隔离电路VCCVDD7406（2）用光耦直接驱动1）二极管的作用2）限流电阻R1的计算（3）用光耦+2003驱动VCCVDDVXX200374062003内部含有续流二极管2、大型继电器或电磁阀的驱动（1）三级管扩流后驱动由于大继电器导通和关断时都会产生较大的电磁干扰，所以使用三极管扩流后驱动大继电器应考虑光电隔离VCVCC7406+5VR1（2）用小继电器中继小继电器的线圈与触点间本身就有很好的隔离特性，因此应该是首选方案。而且在用小继电器中继的方式中，大继电器的线
5、圈可以是直流或交流，对电压也没有什么要求(通常小于240V即可)，因而使用更为方便图3.3大继电器的中继驱动小型或微型继电器的触点可以选择一组或两组触点，触点形式也有多种可选，但以1Z或2Z为多见。1Z触点指一组二个触点的触点形式，一个为常开触点，另一个为常闭触点。2Z触点则有两组1Z触点。这样就更方便硬件设计。图3.3为使用中继方式连接大继电器的电路，其中小继电器带有两组Z型触点(即2Z)，使用了一组，另一组可派作它用。两组触点也可并联连接，以增大触点电流。（3）固态继电器驱动、如双向可控硅3.2直流固态继电器(DCSSR)及驱动固态继电器的主要特点体积小、无触点、开关速度快，可由CMOST
6、TL电路直接驱动固态继电器是经光电隔离的直流或交流驱动模块。模块通常由光电隔离部件、达林顿晶体管或可控硅驱动器、续流保护电路及散热部件组成但更多的在大电流工作时(10A以上)需外加散热器，以防止过热而烧坏。图3.4某型固态继电器外形直流固态继电器的驱动模式固态继电器的驱动一般很简单，与驱动一个发光二极管相同，大多数驱动电流515mA即可。直流固态继电器只能驱动直流器件，不可用于交流电路。使用时还需注意额定电压与额定电流，切忌过流或过压使用。1、原理图整形放大负载直流电源VC光电隔离部件、达林顿晶体管或可控硅驱动器、续流保护电路及散热部件用于直流大功率驱动场合，如直流电机、直流电磁阀、步进电机、
7、大功率继电器等注意：不能超过额定电压和额定电流2、直流固态继电器的性能参数(P49表3.1）控制电压：315V控制电流：230mA通断时间：0.2mS负载电压：12400V最大负载电流：5A通态压降：=2倍的负载额定电流交流电机负载空载启动，电流等级应按45倍的负载额定电流选取，否则按67倍选取其他感性负载按45倍的负载额定电流选取过流保护快速熔断器和空气开关5）交流固态继电器的发热与散热当固态继电器的功率损耗较大时，必须考虑固态继电器的散热。是否需加散热装置与固态继电器的工作电流、封装形式、工作环境等因素有关。10A以下的固态继电器通常不需要加装散热块。使用注意事项单相交流固态继电器在导通时
8、的最大发热量按实际工作电流1.5WA来计算，在散热设计时，应考虑到环境温度，通风条件(自然冷却、风扇冷却)及交流固态继电器安装密度等因素。固态继电器与散热器安装面间须涂一薄层导热硅脂。6电网频率交流固态继电器应用于50Hz或60Hz的工频电网上不宜用于低频或高次谐波分量大的场合3.4直流电机的PWM(脉宽调制输出)驱动直流电机的转速取决于驱动电流的有效值PWM波常用方法3.4直流电机的PWM(脉宽调制输出)驱动（1）光电隔离器+大功率场效应管（功率晶体管IGBT）（2）固态继电器（3）专用接口芯片价格比较贵（4）专用接口板用于STD或PC总线控制机系统1）用功率晶体管驱动直流电机注意结构，驱动
9、电流较小时，Q2也可用单极管；用于电感负载时，可不加续流二极管D2D1用于加快功率管的截止速度。用达林顿晶体管功率模块驱动直接驱动图3.13达林顿晶体管驱动模块图3.14功率晶体管模块的直接驱动通常使用PNP三极管驱动达林顿达晶体管，直接驱动电路见图，图中Q2为达林顿晶体管驱动模块。功率晶体管的驱动电压通常比较大，因此，必须使用高压输出的OC门驱动。经Q1反相驱动后，驱动电流进入功率晶体管基极。R3用于限流，应根据Q2的直流放大倍数确定，R4用于关断时的基极泄流，以加快Q2的截止速度。OC门电路U1也可由三极管或达林顿达晶体管阵列驱动器代替，耐压值必须大于VCCX。其电流可达100-200A用
10、带光电隔离功率晶体管模块直接驱动电机由于TLP521的集电极-发射极耐压为55V，所以当VCCX大于55V时，该电路还应加限压电路。方法一是给驱动管Q1的发射极加独立电源，通常12V即可；当VCCX不很高时，也可用稳压二极管稳压VCCVCCXP107406MTLP521-1R1R2R3R4VCQ1Q2图3.15功率晶体管模块直接驱动耐压值为55V2）用大功率场效应管驱动直流电机VCCVCP10IRFZ407406VCCXM特点输入阻抗高，通态电阻低，关断漏电流小，响应速度快（导通和关断时间短），与同功率的继电器相比，体积小，价格便宜大功率场效应管特点输入阻抗高。关断漏电流小，响应速度快，与同功
11、率的继电器相比，体积小，价格便宜+27VVCCVCP1.2P1.1P10IRF640大功率场效应管加OC门驱动直流电机特点输入阻抗高，关断漏电流小，响应速度快，与同功率的继电器相比，体积小，价格便宜提高驱动电压Q1导通条件：高电平为提高开关速度加推挽电路图3.16场效应晶体管的驱动图3.17场效应晶体管的推挽驱动3）用继电器驱动直流电机+5VDC-SSRR1P1.0VCCXMIGBT功率可达100KW以上电流可达10KA以上电压可达100KV以上，如此的驱动模块通常很难想象，不过IGBT可以做到图3.18三菱七路IGBT模块PM100RSE60外形IGBT全称绝缘栅双极晶体管，是MOSFET和
12、GTR(功率晶管)相结合的产物。它的三个极分别是集电极(C)、发射极(E)和栅极(G)IGBT的等效电路如图1所示。由图1可知若在IGBT的栅极和发射极之间加上驱动正电压则MOSFET导通这样PNP晶体管的集电极与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通若IGBT的栅极和发射极之间电压为0V则MOSFET截止切断PNP晶体管基极电流的供给使得晶体管截止。这是什么东西？本质上是场效应晶体管，突出特点：3.5IGBT（1）大功率、极高的耐压、极高的过载能力（2）开关速度高（3）导通电阻极小（4）封装尺寸小、许多器件还集成了多种保护措施（5）对驱动电路的要求比较高，需专门的驱动器绝缘栅双极型晶体管7路封装
13、模块UVW为输出UPVPWP为输入图3.19PM100RSE60功能框图1、IGBT对驱动电路的要求（1）驱动电路与IGBT连线要尽量短由于IGBT与场效应晶体管都是电压驱动的，都具有一个2.55V的阈值电压，有一个容性输入阻抗，因此IGBT对栅极电荷非常敏感，所以驱动电路必须稳定可靠；要保证有一条低阻抗值的放电回路，即驱动电路与IGBT的连线要尽量短（2）驱动电压前后沿要足够陡必要时应使用施密特触发器整形，使IGBT的开关损耗尽量小（3）正驱动电源一般选取为12V20V，关断可加一负偏压受IGBT的GE间最大反向耐压限制，可取0-10V（4）驱动电路与控制电路必须隔离IGBT在电力电子设备中
14、多用于高压场合2、IGBT智能功率模块（1）MIG400J101H（2路）用于控制直流电机控制（2）PM100RSE060（7路）多用于交流电机控制，也可用于直流电机集成了驱动和保护电路，使用时只需用光隔驱动即可VIN输入低电平时，IGBT导通高电平时，IGBT截止MIG400J101H（2路）图2.23带驱动的2路IGBT模块MIG400J101H的测试电路图2.247路IGBT功率模块PM100RSE060的应用电路（三相交流电机变频控制）135462UVWPNV1V3V5V2V6V43.IGBT专用驱动器EXB850、851EXB840、841图3.20东芝EXB系列IGBT驱动器过电流
15、保护电路过电流保护电路富士的EXB850、851、840、841即是这种驱动元件引脚信号定义引脚信号定义1连接用于反向偏置电源的滤波电容9电源地(0V)2电源(+20V)10不接3驱动输出11不接4连接外部电容，以防止过流保护电路误动作(绝大部分场合不需要电容。)12无5过流保护输出13无6集电极电压监视14驱动信号输入(-)7不接15驱动信号输入(+)8不接EXB850驱动IGBT相当方便，仅需提供10mA的开关信号即可驱动IGBT导通。器件的20V工作电源需与驱动侧隔离。需监视过流保护状态，则应提供TLP521光耦一路。另加一个二极管和二个电容即可图3.21EXB850驱动IGBT实例1：
16、快恢复二极管2：光耦隔离电源过流检测输出驱动信号双绞线2TLP521或等效电路3、IGBT模块使用注意事项（1）IGBT模块的选定模块额定电压按工作电压的3倍左右选择交流220V整流后供电的场合，宜选用600V模块，交流380V整流后供电的场合，宜选用1200V模块电流按最大静态电流选择，适当留有余量（2）防止静电VGE的耐压值20V在模块的栅极-发射极之间(G-E端)加上超出耐压值的电压会导致器件永久损坏，使用时务必注意。3.6直流电机的正反转控制（1）H桥直流电机正反转控制电路（2）正负供电直流电机正反转控制电路（3）使用继电器换向电路用于电机停转时换向有刷直流电机的正反转控制1、H桥直流电机正反转控制电路功率驱动模块可以是达林顿晶体管、功率场效应管或IGBTVCCVCP1.1P10IRF64027VV1V2V1V3V4H桥直流电机控制电路图3.26用两块双路IGBT模块构成H桥直流电机控制电路3.27用6路IGBT模块的H桥电机控制电路图2、用IGBT智能功率模块组成H桥直流电
