H型雙極模式PWM控制的功率轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

　H型雙極模式PWM控制提高轉(zhuǎn)臺(tái)伺服系統(tǒng)低速特性的作用十分顯著，而且簡單易行。H型雙極模式PWM控制能夠提高伺服系統(tǒng)的低速特性，是因?yàn)镠型雙極模式PWM控制的電動(dòng)機(jī)電樞回路中始終流過一個(gè)交變的電流，這個(gè)電流可以使電動(dòng)機(jī)發(fā)生高頻顫動(dòng)，有利于減小靜摩擦，從而改善伺服系統(tǒng)的低速特性。但因其功率損耗大，H型雙極模式PWM控制只適用于中、小功率的伺服系統(tǒng)。因此，有必要設(shè)計(jì)一種能夠減小功率損耗的H型雙極模式PWM控制的功率轉(zhuǎn)換電路，使得H型雙極模式PWM控制應(yīng)用在大功率伺服系統(tǒng)中。

　　H型雙極模式PWM控制的功率損耗

　　如圖1所示，H型雙極模式PWM控制一般由4個(gè)大功率可控開關(guān)管(V 1-4)和4個(gè)續(xù)流二極管(VD 1-4)組成H橋式電路。4個(gè)大功率可控開關(guān)管分為2組，V1和V4為一組，V2和V3為一組。同一組的兩個(gè)大功率可控開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通，同時(shí)關(guān)閉，兩組交替輪流導(dǎo)通和關(guān)閉，即驅(qū)動(dòng)信號(hào)u1=u4，u2=u3=-u1，電樞電流的方向在一個(gè)調(diào)寬波周期中依次按圖1中方向1、2、3、4變化。由于允許電流反向，所以H型雙極模式PWM控制工作時(shí)電樞電流始終是連續(xù)的。電樞電流始終連續(xù)產(chǎn)生電動(dòng)機(jī)的附加功耗、大功率可控開關(guān)管高頻開通關(guān)閉產(chǎn)生的導(dǎo)通功耗和開關(guān)功耗等動(dòng)態(tài)功耗，是H型雙極模式PWM控制功率損耗的主要來源。決定電動(dòng)機(jī)附加功耗大小的因素主要是PWM的開關(guān)頻率，開關(guān)頻率越大附加功耗就越小。決定大功率可控開關(guān)管的動(dòng)態(tài)功耗大小的因素主要是大功率可控開關(guān)管的開通關(guān)閉時(shí)間和PWM的開關(guān)頻率，開通關(guān)閉時(shí)間越長動(dòng)態(tài)功耗就越大，PWM開關(guān)頻率越大動(dòng)態(tài)功耗就越大。

　　圖1H型雙極模式PWM控制原理圖

　　電樞回路的附加功耗、大功率可控開關(guān)管的動(dòng)態(tài)損耗，使得H型雙極模式PWM控制的功率損耗很大、不適合應(yīng)用在大功率伺服系統(tǒng)中。為了解決這個(gè)問題，本文將以減小電動(dòng)機(jī)電樞回路的附加功耗和大功率開關(guān)管的動(dòng)態(tài)功耗為原則，設(shè)計(jì)H型雙極模式PWM控制的功率轉(zhuǎn)換電路，以使H型雙極模式PWM控制應(yīng)用在大功率伺服系統(tǒng)中。

　　H型雙極模式PWM控制的功率轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

　　設(shè)計(jì)H型雙極模式PWM控制的功率轉(zhuǎn)換電路的核心是：功率轉(zhuǎn)換器件的選取及其驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)、保護(hù)電路的設(shè)計(jì)。

　　功率轉(zhuǎn)換器件

　　常用的大功率可控開關(guān)管主要有大功率雙極型晶體管(GTR)、大功率電力場效應(yīng)管(MOSFET)和IGBT等。GTR的主要缺點(diǎn)是：開通關(guān)閉時(shí)間長、開關(guān)功耗大、工作頻率低、熱穩(wěn)定性差、容易損壞。MOSFET的主要缺點(diǎn)是：管子導(dǎo)通時(shí)通態(tài)壓降比較大、管子功率損耗大。絕緣柵雙極晶體管IGBT(Isolated Gate Bipolar Transistor)集GTR和MOSFET的優(yōu)點(diǎn)于一身，既具有通態(tài)電壓低、耐高壓、承受電流大、功率損耗低的特點(diǎn)，又具有輸出阻抗高、速度快、熱穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。因此，IGBT具有廣闊的工程應(yīng)用前景。

　　本文的功率轉(zhuǎn)換電路采用2MB1300D-140型號(hào)的IGBT作為功率轉(zhuǎn)換器件，其示意圖如圖2中右側(cè)所示，G是柵(門)極、C極是集電極、E極是發(fā)射極。IGBT驅(qū)動(dòng)條件與IGBT特性的關(guān)系經(jīng)實(shí)驗(yàn)測得如表1所示，其中Vces、ton、toff、Vce、R分別為集電極-發(fā)射極飽和壓降、開通時(shí)間、關(guān)閉時(shí)間、集電極-發(fā)射極電壓和柵極電阻，↑、-、↓分別表示增大、不變、減小。從表1可以看出：

　?、僭龃笳驏艍?Vge，Vces和ton隨之減小，IGBT的動(dòng)態(tài)功耗隨之減小;

　?、谠龃蠓聪驏艍?Vge，toff隨之減小，IGBT的動(dòng)態(tài)功耗隨之減小;

　?、墼龃驲，IGBT的ton、toff隨之增大，IGBT的動(dòng)態(tài)功耗隨之增大。

　　表1IGBT驅(qū)動(dòng)條件與IGBT特性的關(guān)系

　　因此，減小IGBT的動(dòng)態(tài)功耗，需要增大正向柵壓+Vge、增大反向柵壓-Vge、減小ton和toff。但Vge并非越高越好，原因是Vge過高時(shí)電流增大，容易損壞IGBT。一般+Vge不超過+20V。IGBT關(guān)斷期間，由于電路中其它部分的干擾，會(huì)在柵極G上產(chǎn)生一些高頻振蕩信號(hào)，這些信號(hào)輕則會(huì)使本該關(guān)閉的IGBT處于微通狀態(tài)、增加IGBT的功耗，重則會(huì)使逆變電路處于短路直通狀態(tài)，為了防止這些現(xiàn)象發(fā)生反向柵壓-Vge越大越好。根據(jù)上述關(guān)系可以總結(jié)，IGBT對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求主要有：動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、正向和反向柵壓合適、輸入輸出電隔離能力強(qiáng)、輸入輸出信號(hào)傳輸無延時(shí)、具有一定保護(hù)功能。

　　為了減小IGBT的動(dòng)態(tài)功耗和保障電路安全，滿足IGBT的驅(qū)動(dòng)要求，需合理確定+Vge、-Vge和R的值。這些都需要通過設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路來實(shí)現(xiàn)。

　　驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

　　設(shè)計(jì)性能良好的驅(qū)動(dòng)電路，可以使IGBT工作在比較理想的開關(guān)狀態(tài)、縮短開關(guān)時(shí)間、減小開關(guān)功耗、提高功率轉(zhuǎn)換電路的運(yùn)行效率。IGBT柵極驅(qū)動(dòng)方式主要有變壓器驅(qū)動(dòng)法、直接驅(qū)動(dòng)法和光耦隔離驅(qū)動(dòng)法。變壓器驅(qū)動(dòng)法有利于驅(qū)動(dòng)信號(hào)的隔離、驅(qū)動(dòng)功率損耗很小，但限制了使用頻率，不利于PWM信號(hào)的傳輸。直接驅(qū)動(dòng)法適用于小容量的不加保護(hù)的IGBT的場合。光耦隔離驅(qū)動(dòng)法對(duì)光耦的要求較高，要求光耦速度快，絕緣耐壓高于電源電壓，共模抑制比大。

　　SEMIKRON公司的SKHI22AH4模塊是應(yīng)用變壓器驅(qū)動(dòng)原理的驅(qū)動(dòng)器件。當(dāng)SKHI22AH4模塊驅(qū)動(dòng)IGBT時(shí)，它的最大工作頻率可達(dá)100kHz，完全解決了限制使用頻率問題。SKHI22AH4模塊驅(qū)動(dòng)IGBT的電路原理圖如圖2。圖2中虛線方框是SKHI22AH4模塊結(jié)構(gòu)簡圖，模塊中分初級(jí)和次級(jí)兩個(gè)部分，這兩個(gè)部分是絕緣的，使得驅(qū)動(dòng)電路具有良好的輸入輸出電隔離能力;模塊有2個(gè)input、2個(gè)output，一個(gè)input對(duì)應(yīng)一個(gè)output，input是變壓器初級(jí)，output是變壓器次級(jí);SKHI22AH4模塊中還有針對(duì)短路、過流和電壓不穩(wěn)等錯(cuò)誤的測量裝置和錯(cuò)誤信息儲(chǔ)存裝置，用來實(shí)現(xiàn)多種電路保護(hù)功能。SKHI22AH4模塊的工作原理是：PWM控制信號(hào)加在變壓器初級(jí)，變壓器次級(jí)輸出放大的驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)IGBT。SKHI22AH4模塊的供電電壓是+15V，當(dāng)其驅(qū)動(dòng)2MB1300D-140型號(hào)的IGBT時(shí)，其驅(qū)動(dòng)輸出的導(dǎo)通電壓可達(dá)+14.2V、關(guān)閉電壓可達(dá)-2V，完全滿足減小IGBT動(dòng)態(tài)功耗對(duì)+Vge、-Vge的要求。為了減小ton、toff，在允許的范圍內(nèi)取Ron=3.38，Roff=3.38。在力求減小功率損耗的原則下，在設(shè)計(jì)電路保護(hù)功能過程中選擇其外圍元器件。

　　圖2SKHI22AH4模塊驅(qū)動(dòng)IGBT的原理圖[!--empirenews.page--]

　　SKHI22AH4的主要電路保護(hù)功能設(shè)計(jì)：

　　1)短路保護(hù)功能

　　在C極和E極間容易出現(xiàn)短路的現(xiàn)象。短路時(shí)，電流增大，IGBT的功率損耗迅速增大(隨著電流的平方增大)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成IGBT的損壞。因此，需要對(duì)IGBT進(jìn)行短路保護(hù)。如圖2所示，通過對(duì)C極和E極的電壓的比較，就實(shí)現(xiàn)了對(duì)C極和E極間的短路保護(hù)。實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)，就要合理確定Rce和Cce的值。具體步驟如下：

　?、俅_定Vces的值。Vces既不能過大也不能過小，過大會(huì)增加IGBT動(dòng)態(tài)功率損耗，過小會(huì)減弱短路保護(hù)能力，一般取5.6V。為了減小IGBT的動(dòng)態(tài)功率損耗，可以適當(dāng)減小，但不能小于3.5V。這里取Vces=4V。

　　②確定Rce。由公式(1)求得Rce=13Ω。

　?、鄞_定tmin。由SKHI22AH4模塊的特性知，tmince=470pF。

　　2)互鎖保護(hù)功能

　　SKHI22AH4模塊具有互鎖功能，以防止H橋同側(cè)臂的2個(gè)IGBT同時(shí)導(dǎo)通?；ユi功能就是：在H橋同側(cè)臂的2個(gè)IGBT中，一個(gè)IGBT關(guān)閉后要有一段延時(shí)，另一個(gè)IGBT才能開通?；ユi的鎖定時(shí)間ttd=2.7+0.13Rtd(Rtd為互鎖電阻)，2.7μs是由于SKHI22AH4模塊中已經(jīng)集成了一個(gè)互鎖電阻產(chǎn)生。取Rtd=08，則ttd=2.7μs。

　　3)錯(cuò)誤監(jiān)測

　　SKHI22AH4模塊具有錯(cuò)誤監(jiān)測功能，它可以對(duì)短路、過流、電壓不穩(wěn)等錯(cuò)誤進(jìn)行監(jiān)測。當(dāng)錯(cuò)誤發(fā)生時(shí)，SKHI22AH4模塊停止運(yùn)行，并將錯(cuò)誤信號(hào)存儲(chǔ)在Errormemory中，直到錯(cuò)誤排除，才能從新運(yùn)行。

　　按照上述驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，可得SKHI22AH4模塊的驅(qū)動(dòng)波形，如圖3所示。

　　圖3SKHI22AH4模塊輸入輸出的波形圖

　　H型雙極模式PWM控制的功率轉(zhuǎn)換電路

　　經(jīng)過上述設(shè)計(jì)，得H型雙極模式PWM控制的功率轉(zhuǎn)換電路原理圖，如圖4所示。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試得，圖4所對(duì)應(yīng)的功率轉(zhuǎn)換電路中IGBT的ton=1.8Ls、toff=1.4Ls，則IGBT的開關(guān)時(shí)間為3.2Ls。

　　圖4H型雙極模式PWM控制的功率轉(zhuǎn)換電路原理圖

　　實(shí)驗(yàn)

　　設(shè)計(jì)完H型雙極模式PWM控制的功率轉(zhuǎn)換電路后，還要確定合理的PWM開關(guān)頻率，才能進(jìn)一步減小功率損耗、實(shí)現(xiàn)H型雙極模式PWM控制在大功率伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用。

　　PWM開關(guān)頻率的計(jì)算

　　合理的開關(guān)頻率不但可以進(jìn)一步減小功率損耗、提高效率，而且還可以使系統(tǒng)性能與連續(xù)系統(tǒng)的性能相差無幾。綜合來看，開關(guān)頻率的確定，受到很多相互矛盾的因素決定：

　?、贋榱烁纳旗o摩擦對(duì)伺服系統(tǒng)低速性能的影響、使得電動(dòng)機(jī)在零位處于動(dòng)力潤滑狀態(tài)，因 此雙極模式PWM控制工作時(shí)考慮微振特性的開關(guān)頻率應(yīng)滿足公式(4);[!--empirenews.page--]

　　②為了使開關(guān)頻率不至于對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能產(chǎn)生不良影響，頻率應(yīng)遠(yuǎn)大于伺服系統(tǒng)本身的 通頻帶fc，一般應(yīng)滿足經(jīng)驗(yàn)式(5);

　?、蹫榱吮苊庖鸸舱?，開關(guān)頻率應(yīng)該高于系統(tǒng)中所有回路的諧振頻率;

　　④為了提高電動(dòng)機(jī)的利用率，必須限制電流脈動(dòng)量$Ia，應(yīng)該滿足式(6);

　?、蓍_關(guān)頻率的上限要受到IGBT的開關(guān)損耗和開關(guān)時(shí)間的限制，應(yīng)滿足經(jīng)驗(yàn)式(7)。

　　以某三軸飛行仿真轉(zhuǎn)臺(tái)方位軸伺服系統(tǒng)為例進(jìn)行計(jì)算，該轉(zhuǎn)臺(tái)是我們目前國內(nèi)功率最大的轉(zhuǎn)臺(tái)之一，功率為11000W，其中方位軸伺服系統(tǒng)的功率為7200W。三軸飛行仿真轉(zhuǎn)臺(tái)方位軸電動(dòng)機(jī)參數(shù)如下：力矩系數(shù)KT=82.3N?m/A，供電電壓Us=+120V，電樞電阻Ra=2.48Ω，電樞電感La=0.019H，電機(jī)軸上靜摩擦力矩Tf=21010N?m，系統(tǒng)通帶頻率fc=34Hz，額定電流IN=60A，啟動(dòng)電流Is≈IN，αs=Is/IN≈1，Te=La/Ra=0.0079。

　　由式(4)～(7)確定開關(guān)頻率范圍340Hz

　　圖5功率損耗曲線

　　試驗(yàn)結(jié)果

　　在某三軸飛行仿真轉(zhuǎn)臺(tái)方位軸伺服系統(tǒng)中采用可逆單極模式PWM控制時(shí)，方位軸伺服系統(tǒng)的能夠啟動(dòng)的最低平穩(wěn)速度為0.05°/s;而采用了本文設(shè)計(jì)的功率轉(zhuǎn)換電路的H型雙極模式PWM控制時(shí)，能夠啟動(dòng)的最低平穩(wěn)速度為0.01°/s，如圖6所示(橫坐標(biāo)軸為采樣點(diǎn)，采樣頻率400Hz)，方位軸伺服系統(tǒng)的低速特性得到了明顯的提高。圖6某三軸轉(zhuǎn)臺(tái)方位軸伺服系統(tǒng)的啟動(dòng)速度曲線由于電樞電流有脈動(dòng)量，電動(dòng)機(jī)會(huì)有高頻顫動(dòng)，系統(tǒng)的最低平穩(wěn)速度隨之也有脈動(dòng);但脈動(dòng)量很小，小于0.00025°/s，僅為速度值2.5%。

　　結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)的H型雙極模式PWM控制的功率轉(zhuǎn)換電路，減小了雙極模式PWM控制的功率損耗;通過計(jì)算合理的開關(guān)頻率，功耗進(jìn)一步減小。使得H型雙極模式PWM控制應(yīng)用在大功率伺服系統(tǒng)中。實(shí)際工程應(yīng)用表明：其應(yīng)用在某三軸飛行仿真轉(zhuǎn)臺(tái)的方位軸大功率伺服系統(tǒng)中，明顯提高了伺服系統(tǒng)的低速特性;這種提高系統(tǒng)低速特性的方法，在工程實(shí)際中具有簡單易行的優(yōu)點(diǎn)。這種功率轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)在改善大功率伺服系統(tǒng)低速特性中具有較好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。