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【PCB】IGBT半橋功率管驅(qū)動(dòng)_IR2104芯片

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2023-03-25 03:02:08 716

一. 確定方案和目的

在電子電路和工業(yè)應(yīng)用中，IGBT功率管被普遍應(yīng)用，電磁爐中的開(kāi)關(guān)管，變頻器中三相電機(jī)控制，程控電源，逆變器等。通過(guò)IGBT來(lái)控制大電流的快速開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)不同的功能。本節(jié)來(lái)學(xué)習(xí)IGBT驅(qū)動(dòng)芯片IR2104的使用。

通過(guò)用arduino來(lái)控制IR2104芯片驅(qū)動(dòng)半橋IGBT功率管，通過(guò)上位機(jī)串口控制實(shí)現(xiàn)輸出不同占空比的偽模擬電壓信號(hào)。主要知識(shí)點(diǎn)是電路板設(shè)計(jì)和上位機(jī)編程實(shí)現(xiàn)方法，具體要求如下：

方案：用arduino實(shí)現(xiàn)IGBT的控制，并能夠使用上位機(jī)軟件控制實(shí)現(xiàn)輸出正弦電壓目的： 01. 掌握IR2104數(shù)據(jù)手冊(cè)，芯片的原理和使用方法； 02. 進(jìn)行PCB電路板的設(shè)計(jì)，學(xué)習(xí)arduino的簡(jiǎn)單編程； 03. 學(xué)習(xí)軟硬件編程的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)軟件與硬件數(shù)據(jù)交互；關(guān)鍵詞：labview、PCB、Arduino、IGBT、IR210

二. 芯片IR2104原理

三. 模擬信號(hào)仿真（Multisim）

01.本設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)在IGBT芯片的開(kāi)關(guān)特性，需要仿真確定D1和C1器件的參數(shù)；

02.仿真運(yùn)行是慢速的時(shí)間點(diǎn)，需要等待緩慢運(yùn)行，與CPU處理量有關(guān)；

03.修改電路后會(huì)存在參數(shù)報(bào)錯(cuò)無(wú)法運(yùn)行，出現(xiàn)這種情況后讓其自動(dòng)修正即可；

04.IGBT功率管的型號(hào)找相近的型號(hào)即可，通過(guò)修改參數(shù)來(lái)改變效果；

05.IGBT功率管正在在使用中需要添加正反電壓保護(hù)（雙向二極管限制）；

四. 電路板PCB設(shè)計(jì)

01.本設(shè)計(jì)選用Arduino開(kāi)發(fā)板作為底板，需要設(shè)計(jì)配合的疊加板（擴(kuò)展板）；

02.PCB電路板制作關(guān)鍵點(diǎn)在原理圖的制作、器件封裝設(shè)計(jì)、PCB的布局布線(xiàn)；

03.原理圖需要注意光耦隔離和電平的匹配問(wèn)題，關(guān)鍵部位加入限流電阻；

04.IGBT功率管的引腳與封裝是否一致，引腳焊盤(pán)大小和間距是否正確；

05.IGBT功率管需要大電流，布線(xiàn)采用雙層疊加布線(xiàn)，注意與小信號(hào)的隔離；

五. 單片機(jī)串口控制（Arduino）

PCB電路板制作完畢后，需要寫(xiě)微控制器程序。不同的單片機(jī)是工具的變化，關(guān)鍵是通過(guò)程序?qū)崿F(xiàn)功能是一致的，主要的控制邏輯是一致的。

實(shí)現(xiàn)通過(guò)串口控制PWM輸出，需要具備串口、PWM、字符串轉(zhuǎn)換的知識(shí)點(diǎn)。串口需要啟動(dòng)接收中斷來(lái)獲取用戶(hù)指令；用戶(hù)的指令需要從字符串中截取并識(shí)別配置參數(shù)；得到的配置參數(shù)需要修改單片機(jī)的pwm輸出。

下面通過(guò)arduino的代碼來(lái)具體理解單片機(jī)的編程思想：

01.串口配置、模擬量PWM配置、串口中斷配置；

02.串口接收中斷函數(shù)，用回車(chē)作為指令結(jié)束符號(hào)標(biāo)記，代表接收完成；

03.主程序查詢(xún)接收是否完成，接收完成立即轉(zhuǎn)換為模擬量數(shù)值（相當(dāng)于調(diào)整pwm占空比），實(shí)現(xiàn)改變輸出電壓；

04.toInt()是數(shù)值字符串轉(zhuǎn)換整數(shù)函數(shù)；

05.analogwrite是模擬量輸出函數(shù)，內(nèi)部原理是修改PWM的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)模擬電壓調(diào)節(jié)；

06. IGBT功率管是接受單片機(jī)輸出的不同占空比的電壓，從而實(shí)現(xiàn)模擬量輸出；

六. 上位機(jī)控制指令（labview）

實(shí)現(xiàn)電腦控制單片機(jī)需要用到PC軟件，通過(guò)串口助手可以方便的調(diào)試單片機(jī)硬件，若要實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜功能就要涉及到上位機(jī)軟件的制作。常用的上位機(jī)設(shè)計(jì)軟件有C++、C#、VB等，對(duì)于電氣電子類(lèi)工程人員來(lái)說(shuō)Labview編程軟件比較適合，能夠通過(guò)圖形化編程快速實(shí)現(xiàn)功能。

下面通過(guò)圖形化代碼實(shí)現(xiàn)輸出一個(gè)正弦變化的模擬量波形，主要知識(shí)點(diǎn)是串口的發(fā)送和中斷接收。具體代碼如下（圖形代碼）：

01.首先需要初始化配置串口，為防止上次忘記關(guān)閉串口出錯(cuò)，需要先關(guān)閉串口再配置；

02.根據(jù)Arduino程序得知，單片機(jī)是等待串口指令來(lái)進(jìn)行的操作；

03.根據(jù)Arduino程序得知：發(fā)送指令定義是【數(shù)值+回車(chē)】，范圍在0-255；

04.圖形程序主旨是用while循環(huán)不停的發(fā)送指令數(shù)據(jù)，控制單片機(jī)輸出模擬波形；

05.仿真波形函數(shù)可配置正弦頻率，%d 是輸出字符串格式轉(zhuǎn)換功能塊；

06.若需要獲取單片機(jī)返回需要編寫(xiě)串口接收進(jìn)程，可參考上圖程序代碼；

02.注意接收和發(fā)送只需要配置一次串口初始化即可，上圖需要修改部分變動(dòng)；

03.注意兩個(gè)while循環(huán)相當(dāng)于兩個(gè)進(jìn)程，需要添加同時(shí)停止條件，否則程序可能會(huì)導(dǎo)致不能關(guān)閉；

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