基于IGBT的除颤能量发生器控制系统设计*

郑越，王晓飞，邵海明，张煌辉，张文飞

（1.北京信息科技大学 仪器科学与光电工程学院，北京 100192；2.中国计量科学研究院，北京 100013；3.福建省计量科学研究院，福州 350003；4.北京航空航天大学，仪器科学与光电工程学院，北京 100191）

0 引 言

除颤能量发生器可用来产生单、双相波形。2013年研制的国内第一台BeneHeart D6精度（±2 J或±15%，取较大者）与除颤仪“鼻祖”美国ZOLL的M-series除颤监护仪的能量精度（±3 J或±15%，取较大者）相当。可以说，国产除颤仪的能量精度已经达到了国际先进水平。随着除颤器用途越来越广泛，在与除颤器检测相关的除颤分析仪方面，国内没有相关检测标准，这与除颤器在使用中是否可靠、是否安全息息相关。因此有必要研制除颤能量发生器，用于校准除颤能量分析仪的相关研究［1］。

本文是除颤能量发生器课题中产生单相波的电路控制系统部分。除颤脉冲能量发生器要产生单、双相波，开关控制电路是难点之一。IGBT广泛应用于电力、航天、电动汽车、伺服控制器、UPS、电源、斩波电源、无轨电车等，除颤脉冲能量发生器也主要采用大功率管的继电器（SSR）进行控制。本文采用复合了功率场效应管和晶体管的IGBT实现电路控制，它具有输入阻抗高、工作速度快、热稳定性好、驱动电路简单、通态电压低、耐压高和承受电流大等优点［2］。

1 除颤器工作原理

除颤器多采用RLC阻尼振荡放电的原理进行电击除颤。在除颤瞬间释放高压脉冲电流，一般持续时间为4 ms～10 ms，释放能量为 2 J～400 J（单相波）、2 J～200 J（双相波）［3］（见图1）。

图1 除颤器原理图Fig.1 Principle schematic diagram of defibrillator

电压变换器将除颤器电源提供的低压直流电转换成脉冲高压，然后经高压整流后向除颤器的储能电容C充电，当电容存储能量达到预先设定值后充电电路控制开关断开。除颤时，放电电路控制开关闭合，储能电容C、电感L、以及负载电阻R（R电阻之和）串联接通，使之构成RLC谐振衰减电路，即阻尼振荡放电电路，此时除颤器释放除颤电流［4］。

2 系统方案设计

2.1 整体方案设计

IGBT开关电路控制系统主要由ARM嵌入式开发板、电源、储能电容、IGBT控制电路、示波器及其计算机（PC机）构成，系统整体方案框图如图2。

系统工作时，电源给电容充电。充电完成后，将开关断开，利用STM32输出PWM信号控制驱动电路输出，从而控制IGBT导通与中断，实现储能电容周期性的充放电。最后采用示波器测量形成单相波衰减波形，图中电阻为50Ω模拟电阻。

图2 IGBT控制系统框图Fig.2 Block diagram of IGBT control system

2.2 IGBT硬件方案设计

硬件设计分为供电电源设计、栅极驱动电路设计、三极管控制IR2117分析、电路仿真等4部分组成。设计的IGBT控制电路系统，电路原理图如图3所示。

图3 IGBT硬件控制电路Fig.3 Overall circuit diagram of IGBT hardware control

2.2.1 供电电源设计

DG1为变压器，将 220 V电压降为 15 V；KBU808为整流桥，其内部主要是由四个二极管组成的桥路来实现把输入的交流电压转化为输出的直流电压；LM7815和LM7915为线性稳压集成电路，中间增加电容用来滤波，输出稳定的±15 V，给IGBT电路外部供电（见图4）。

2.2.2 栅极驱动电路设计

栅极驱动电路的作用是驱动IGBT正常工作，要求在给定PWM信号电平下，合理设计栅极驱动电路的输出，满足驱动要求。工程应用表明，大容量IGBT器件的故障损坏率比小电流的IGBT器件高得多，而驱动和隔离引起的IGBT的损毁大约在30%以上［5］。由于IGBT自身特性，在负载短路或者过流的情况下，可能导致器件超过热极限、电流擎住效应、关断过电压等造成IGBT无法正常工作，因此对驱动电路提出了很高的要求。

图4 电源供电电路Fig.4 Power supply circuit

本文采用IR2117栅极驱动器件，该器件是专为驱动单个MOSFET或IGBT而设计的栅极驱动器，其输入与标准的CMOS电平兼容，输出驱动特性可满足交叉导通时间最短的大电流驱动输出级的设计要求。悬浮通道与自举技术的应用使其可直接用来驱动一个工作于母线电压高达600 V的、在高边或低端工作的 N沟道 MOSFET或 IGBT［6］。

C2、C3为滤波电容，C4、C5为自举电容，VB和VCC利用自举技术产生时，此端分别通过电容和二极管连接到VS端；采用2N5551三极管，给予PWM信号控制IR2117，要求三极管工作在线性区域；二极管BYV26C和SB560为快恢复性二极管，它的特点是反向恢复时间很短；栅极电阻一般为20Ω～50Ω，此次设计使用50Ω电阻，IGBT的栅极驱动电压VCE通常推荐使用+15 V［7］。采用ARM嵌入式开发板，处理器为STM32F103ZET6，设置PWM信号为开漏输出，并输出PWM信号；IGBT采用N沟道耗尽型美国电报半导体IXBH12N300，它的集电极发射级击穿电压高达3 000 V，集电极电流30 A，具有良好的电气特性，符合开关电路控制要求。

2.2.3 2N5551控制 IR2117分析

采用 Multisim仿真 2N5551，经计算，常温下2N5551的放大倍数β＝116。STM32输出为数字信号，经示波器测量，电压分别是3.3 V和0 V。

根据三极管放大特性及其相关公式，基极电流：

经计算，基极电流IBQ＝（3.3-0.7）V／200 kΩ＝0.013 mA。

集电极电流：

经计算，集电极电流ICQ＝116×0.0113 mA＝1.5 mA。

三极管工作在放大区，则：

根据IR2117手册逻辑电平说明，当三极管导通时，IR2117必须低于6 V电压。因此端口2处电压取5 V满足条件，于是：

经计算UCQ＝5 V，最后得R2+R4＝3.3 kΩ，取R4＝300Ω，此时R2＝3 kΩ。根据IR2117驱动要求：

取R1＝6 kΩ，此时电流I2＝1.67 mA。所以I2117＝（1.67-1.5）μA＝170μA，符合驱动电路要求［8］。

2.2.4 IGBT控制电路仿真

为了进一步分析IGBT电路，对其进行仿真，观察放电时间常数。由电路理论，得知电阻上的波形为一阶RC函数，电容上的电压随着时间的变化，得到指数函数公式：

当t＝2RC时，Vt＝0.14Vc；当t＝5RC时，Vt＝0.01Vc；时间大概为5个周期时，可以视为波形结束。

放电时间常数：

模拟阻抗R＝50Ω，充电电容C＝100μF，带入公式（7），得：

冯道知晓自己的处境，处事圆滑，避难以存身。据史书所载冯道的几则故事，可见其处事圆滑、善于揣摩上意，后晋高祖曾以兵事问冯道，他答道：“臣本自书生，为陛下在中书，守历代成规，不敢有一毫之失也。臣在（后唐）明宗朝，曾以戎事问臣，臣亦以斯言答之。 ”〔4〕（卷一百二十六，P3869）武夫当权的时代文人的地位本就低微，冯道很清楚君王不愿意文人过多参问军机要务，含糊其辞、蒙混过关无疑是最佳的明哲保身之计。

运用Multisim 11.0对IGBT控制电路进行仿真，结果如图5所示。

图5 IGBT电路放电时间仿真结果Fig.5 IGBT circuit discharge time simulation results

根据前述原理描述，2个周期T内，放电Vt＝0.14Vc。从仿真结果看T1对应的实际电压28.9 V，衰减稳定后电压T2为 4.01 V，经计算得 4／29×100% ＝13.7%，耗时 11.1 ms，与理论基本吻合。

2.3 软件方案设计

IGBT的控制系统软件设计在Keil uVision3下的Real View MDK-ARM 3.0开发环境下进行开发，使用C语言进行编写，编译后通过mcuisp下载到ARM单片机的flash中。

计算机通过编程发送控制数据给STM32单片机，STM32输出周期性占空比为50%的PWM信号，从而控制IGBT导通与中断，最终产生单相衰减波形（见图6）。

脉冲宽度调制（PWM），简称脉宽调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。

设计PWM软件，需要设计定时器，定时器的一个主要功能就是到指定时间就会产生一个溢出事件，这个时间的设置与定时器时钟有关，在定时器时钟基础上进行预分频，设置计数溢出大小。STM32的定时器除了TIM6和TIM7之外，其他的定时器都可以用来产生PWM输出。其中，高级定时器TIM1和TIM8能够产生3对PWM互补输出，而TIM2-TIM5也能同时产生4路的PWM输出。本文选用TIM3通用定时器，编写程序输出PWM信号，占空比设置50%，脉冲宽度200 ms，脉冲宽度公式如下：

式中72 MHz为STM32单片机的时钟频率，TIM_PRE为预分频系数，TIM_PER为计数器溢出大小［9］。

图6 IGBT控制系统软件流程图Fig.6 Software flow chart of IGBT control system

3 实验与讨论

3.1 IGBT控制系统调试

将IGBT控制板与STM32主控制电路、充电电容、线性供电电源、模拟阻抗和示波器组成控制系统，测定释放的单相波放电时间，控制系统如图7所示。将示波器显示的单相波波形放大，如图8所示。

由图8知，IGBT控制电路板调试后出现稳定的单相指数衰减波形。因示波器无法测量高达上千伏的电压，需接分压电阻，示波器显示电压55 V，其中，电阻分压比为50∶1，峰值电压高达 2 750 V。由FLUKE 7000DP的测量参数，显示峰值电压为2 740 V，基本与示波器换算来的电压值一致。图中每格2 ms，可看出放电时间为10 ms。

图7 IGBT控制的单相波产生电路Fig.7 Single phase wave testing circuit by IGBT control

图8 除颤脉冲单相波波形Fig.8 Single phase waveform of defibrillation pulse

3.2 IGBT控制系统重复性实验

为了进一步验证除颤脉冲单相波控制系统的稳定性，对IGBT控制的电路系统进行重复性实验。

重复性是指“在相同测量条件下，对同一被测量进行连续多次测量所得结果之间的一致性［10］。计量标准对选定的被测对象进行n次重复测量（一般要求n不少于10次），重复性试验使用单次测量值实验标准偏差S（x）。在贝塞尔公式中是计算x的和，保留了所有随机效应的成分。其公式为：

式中为取样值的平均值

取释放的能量值为 20 J、100 J、200 J、360 J四组数据进行分析，覆盖高、低量程。以FLUKE 7000DP分析仪为模拟负载，分别记录10组单相波能量值。

表1 IGBT控制系统释放单相波能量测量值Tab.1 IGBT control system energy of single phase wave

表2 不同能量测量值的计算数据Tab.2 Calculation data for different energy measurements

通过以上分析，得到四种能量下的标准偏差（精度）E＜1.5 J。查阅相关产品手册，列举国外主流型号的除颤分析仪能量精度，验证除颤控制系统的能量标准偏差（精度）是否达到要求。

表3 不同除颤分析仪的能量精度Tab.3 Accuracy of different defibrillation energy analyzer

由表3知：当E＜100 J时（取20 J），FLUKE分析仪的精度为±0.3 J，ALK phase 3分析仪的精度为±0.2 J，此时 IGBT控制系统的标准偏差仅为0.12 J，其他分析仪精度为±2 J。当E＞100 J时（取360 J），Bio-Tek QED-6最大为 ±2%读数 ±0.1 J，对应的能量精度为±7.3 J，此时IGBT控制系统的标准偏差仅为1.48 J。因此，由IGBT设计的控制系统产生的单相波能量精度完全满足除颤分析仪的校准要求。

4 结束语

除颤能量发生器开关电路控制需要精确的导通和中断，采用IGBT设计的控制系统，实现了放电电路产生稳定单相波的功能，实际放电时间常数10 ms，符合理论要求。设计的供电电源可以稳定输出15 V电压，可以作为调试电路的供电电源使用。将设计的IGBT控制系统进行重复性实验，得出单相除颤能量的标准偏差＜1.5 J，与商用除颤分析仪的能量精度进行对比，完全满足市面上常用的商用除颤分析仪校准要求。综合来看，所设计的IGBT的除颤能量发生器电路控制系统，电路性能稳定，结果可靠，重复性好。同时，为后续开展全桥逆变电路和设计高精度的脉冲分流分压器进行能量数据采集提供基础。