概要信息：

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应用天地A P P L I C A T I O N S
TLP250 功率驱动模块在 IRF840 MOSFET 中的应用I  
TLP250 Power Driver Module and Its Application in IRF840 MOSFET
长江大学电子与信息学院  陈永军 翁惠辉
第719研究所综合民品室  李俊杰
摘   要：介绍了功率器件驱动模块TLP250的结构和使用方法，给出了其与功率MOSFET和DSP控制器接
口的硬件电路图。在阐述IRF840功率MOSFET的开关特性的基础上，设计了吸收回路。最后结合直流斩波调速
技术，设计了基于TMS320LF2407 DSP的直流电动机全数字闭环调速系统，并给出了实验结果。
关 键 词：TLP250；IRF840 MOSFET；吸收回路；直流斩波；DSP
引言
功率集成电路驱动模块是微电子技
术和电力电子技术相结合的产物，其基
本功能是使动力和信息合一，成为机和
电的关键接口。快速电力电子器件
MOSFET 的出现，为斩波频率的提高创
造了条件，提高斩波频率可以减少低频
谐波分量，降低对滤波元器件的要求，
减少了体积和重量。采用自关断器件，
省去了换流回路，又可提高斩波器的频
率。
直流电动机的励磁回路和电枢回路
电 流 的 自 动 调 节 常 常 采 用 功 率
MOSFET。功率MOSFET 是一种多子导
电的单极型电压控制器件，具有开关速
度快、高频特性好、热稳定性优良、驱动
电路简单、驱动功率小、安全工作区宽、
无二次击穿问题等显著优点。目前，功
率MOSFET 的指标达到耐压600V、电
流70A、工作频率100kHz 的水平，在开
关电源、办公设备、中小功率电机调速
中得到广泛的应用，使功率变换装置实
现高效率和小型化。
因为主电路电压均为高电压、大电
流情况，而控制单元为弱电电路，所以
它们之间必须采取光电隔离措施，以提
高系统抗干扰措施，可采用带光电隔离
的M O S F E T 驱动芯片 T L P 2 5 0。光耦
T L P 2 5 0 是一种可直接驱动小功率
MOSFET 和 IGB T 的功率型光耦，由日
本东芝公司生产，其最大驱动能力达
1.5A。选用TLP250 光耦既保证了功率
驱动电路与 P W M 脉宽调制电路的可靠
隔离，又具备了直接驱动 MOSFET 的能
力，使驱动电路特别简单。
TLP250 的结构及驱动电路的设计
功率 M O S F E T 驱动的难点主要体
现在功率器件的特性、吸收回路和栅极
驱动等方面，下面首先介绍TLP250 的
结构和引脚使用方法，然后分别介绍以
上各项。
● TLP250 功率器件
东芝公司的专用集成功率驱动模块
TLP250 包含一个GaA1As 光发射二极
管和一个集成光探测器，是8脚双列封
装，适合于IGBT 或功率MOSFET 栅极
驱动电路。TLP250 的管脚如图1 所示，
管脚接线方法如表1所示。
TLP250驱动主要具备以下特征：输
入阈值电流 I
F
= 5 m A ( m a x )；电源电流
I
CC
=11mA(max)；电源电压(V
CC
)=10～
35V；输出电流I
O
= ±0.5A(min)；开关
时间 t
pLH
/t
pHL
=0.5 μs(max)。
基于 T M S 3 2 0 L F 2 4 0 7  D S P、
TLP250、IRF840 MOSFET 栅极驱动电
路的直流调速系统的基本结构如图1所
示，如何对功率器件IRF840进行驱动是
至关重要的，必须首先对此问题加以解
决，然后才能在此基础上对控制器进行
设计。
● 功率 MOSFET 的开关特性
IRF840 MOSFET 电力场效应晶体
管在导通时只有一种极性的载流子(多数
载流子)参与导电，是单极型晶体管。电
力场效应晶体管是用栅极电压来控制漏
图 1  直流电动机调速系统结构图
 1 2 3 4 5 6 7 8
空 P W M (阳极） PWM(阴极) 空 地 V
O
(输出) V
O
V
C C
表 1  TLP250的管脚接线图
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应用天地 A P P L I C A T I O N S
2 00 5/ 1今日电子
极电流的，因此它的一个显著特点是驱
动电路简单，驱动功率小。其第二个显
著特点是开关速度快，工作频率高，电
力MOSFET 的工作频率在下降时间主要
由输入回路时间常数决定。
MOSFET 的开关速度和其输入电容
的充放电有很大关系。使用者虽然无法
降低C
in
的值，但可以降低栅极驱动回路
信号源内阻 R
s
的值，从而减小栅极回路
的充放电时间常数，加快开关速度。
IRF 840 为单极型器件，没有少数
载流子的存储效应，输入阻抗高，因而
开关速度可以提高，驱动功率小，电路
简单。但是，功率MOSFET 的极间电容
较大，因而工作速度和驱动源内阻抗有
关。和G T R 相似，功率MO S F E T 的栅
极驱动也需要考虑保护、隔离等问题。
● 吸收回路的设计
栅极驱动电路是励磁回路和控制电
路之间的接口，是励磁回路控制装置的
重要环节，对整个控制性能有很大的影
响。采用性能良好的吸收电路，可使功
率MOSF E T 工作在较理想的开关状态，
缩短开关时间，减少开关损耗，对装置
的运行效率、可靠性、安全性都有重要
的意义。另外，许多保护环节设在驱动
电路或通过驱动电路来实现，也使得驱
动电路的设计更为重要。
电力MOSFET 是电压控制型器件，
静态时几乎不需要输入电流，但由于栅
极输入电容C
in
的存在，在开通和关断过
程中仍需要一定的驱动电流来给输入电
容充放电。栅极电压U
G
的上升时间t
r
和
采用放电阻止型缓冲电路，其缓冲电路
电容C
S
可由式(1)求得。
         (1)
式中，L 为主回路杂散电感；I
0
为
IGBT 关断时的漏极电流；V
CEP
为缓冲电
容C
S
的电压稳态值；E
d
为直流电源电压。
缓冲电路电阻 R
S
的选择是按希望
MOSFET 在关断信号到来之前，将缓冲
电容所积累的电荷放净。可由式(2)估
算。
         (2)
式中，f为开关频率。
如果缓冲电路电阻过小，会使电流
波动，MOSFET 开通时的漏极电流初始
值将会增大，因此，希望选取尽可能大
的电阻，缓冲电阻上的功耗与其阻值无
关，可由式(3)求出。
           (3)
式中，L
S
是缓冲电路的电感。
经计算、匹配，选取图2所示的缓冲
电路和参数。
控制器的设计
控制器的设计主要包括硬件控制系
统的设计和软件的实现，下面从这两方
面加以阐述。
● 转速闭环控制器的硬件设计
(1)整流回路的设计
直流电动机获得直流电源是通过整
流电路来实现的，本系统采用RS507型
单相桥式集成整流电路。由于桥式整流
电路实现了全波整流电路，它将整流信
号的负半周也利用起来，所以在变压器
副边电压有效值相同的情况下，输出电
压的平均值是半波整流电路的两倍，见
式(4)。
 (4)
(2)硬件整体回路的设计
控制系统的硬件整体结构图如图3
所示，可见强电和弱电的分离是通过
TLP250 来实现的，其PWM 控制信号经
过转速调节控制算法的解算之后，由
TMS320LF2407 的 PWM 口输出。经过
TLP250 光耦，放大、整形之后驱动功率
MOSFET(IRF840)。输入电枢绕组的直
流电压经过PWM 斩波调制之后，形成所
图 2  MOSFET吸收回路的设计
图 3  控制系统硬件结构图
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需的控制直流电压。正是通过TLP250来
驱动功率器件的通断，将设计者的控制
思想通过功率器件的通断来加以实现。
NR24稳压器为TLP250 提供 24V 的
稳压电源，保证其工作正常。当然，PWM
信号是通过软件运算通过TMS320LF2407
器件来输出的，这里由于篇幅所限，读者
可参考相应的书籍。
● 转速闭环控制器的设计
(1)直流 PWM 脉宽调制技术
与传统的直流调速技术相比较，
PWM(脉宽调制技术)直流调速系统具有
较大的优越性：主电路线路简单，需要
的功率元件少；开关频率高，电流容易
连续，谐波少，电机损耗和发热都较小；
低速性能好，稳速精度高，因而调速范
围宽；系统频带宽，快速响应性能好，动
态抗干扰能力强；主电路元件工作在开
关状态，导通损耗小，装置效率高。
本系统直流电动机回路采用门极可
关 断 功 率 全 控 式 电 力 电 子 器 件
MOSFET，改变其负载两端的直流平均
电压的调制方法采用脉冲调宽的方式，
即主开关通断的周期 T 保持不变，而每
次通电时间t可变。实际上就是利用自关
断器件来实现通断控制，将直流电源电
压断续加到负载上，通过通、断的时间
变化来改变负载电压平均值，亦称直
流- 直流变换器。
(2)数字控制器的设计
图4给出了转速数字控制器的结构。
为了实现转速和电流两种负反馈分别起
作用，在系统中设置了两个调节器，分
别调节转速和电流，二者之间实行串级
联接。这就是说，把转速调节器的输出
当作电流调节器的输入，再用电流调节
器的输出去控制IRF840 MOSFET 的触
发装置，即TLP250 输入的PWM 的占空
比。
为了获得良好的静、动态性能，双
闭环调速系统的两个调节器采用数字式
PI调节器。计算如式(5)所示。
u(k)=K
p
e(k)+K
l
T
sam
e(k)+u
l
(k-l)  (5)
其中，T
sam
为采样周期。
实验结论
本实验设定电动机转速的控制值为
1500转/分，电枢绕组的电阻为3.3Ω。
到稳态的动态波形经过 Gould Data
SYS 944A 示波器观测如图5 所示。可
见经过600ms 即迅速建立到稳态，稳态
精度为0.5%，静态误差仅为1～2转/分。
为了防止启动时转速超调，将比例系数
P 取得较小。从实验结果可见功率
MOSFET 器件在直流电机转速调节中得
到了较好的应用。
同时通过观测电枢回路续流二极管
两端的电压，可以发现吸收回路工作正
常，续流二极管两端波形如图6所示。
实验调试过程中，应当对以下事项
加以注意：在主电路，应当对斩波芯片
采取散热措施，提高电路工作可靠性，应
加装散热片；为降低斩波电路中输出电
压纹波，必须采取输出滤波措施，可采
取LC 滤波；必须针对控制参数进行整
定，从中找到对应的合理输出电流值，以
提高控制精度。
图 4  转速、电流双闭环全数字调速控制系统
图 5  直流电动机的启动过程
图 6  MOSFET工作时续流二极管两端波形
参考文献
1 黄俊,王兆安.电力电子变流技术(第三
版).机械工业出版社.1993
2 TOSHIBA PHOTOCOUPLER TLP250 Application
Manual.东芝株式会社
3 李序葆, 赵永健.电力电子器件及其应
用.机械工业出版社.2001
4 余世科,王志强,李洪剑.功率MOSFET在
中小功率电机调速中的应用.微特电机.
2004年03期
5 张振海.一种新型电场除尘器及其控制系
统的开发.现代电子技术.2002 年10期
E P C