摘要：介紹了一種為減小功率損耗而設(shè)計(jì)的H型雙極模式PWM控制功率轉(zhuǎn)換電路。此電路通過(guò)將IGBT開(kāi)通關(guān)閉時(shí)間減小到3.2μs、選擇合理PWM開(kāi)關(guān)頻率為600Hz，降低了功率損耗，使得H型雙極模式PWM控制能夠應(yīng)用在大功率伺服系統(tǒng)中。該電路不但降低了功率損耗，還具有短路保護(hù)和互鎖保護(hù)等電路保護(hù)功能。

    關(guān)鍵詞：H型雙極模式PWM控制；IGBT；SKHI22AH4模塊；開(kāi)關(guān)頻率

    低速特性是衡量轉(zhuǎn)臺(tái)伺服系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)之一。影響低速特性的因素有很多，其中主要的是摩擦力矩和電機(jī)波動(dòng)力矩的干擾。對(duì)摩擦力矩的干擾，可以采取摩擦力矩補(bǔ)償方法，來(lái)降低摩擦力矩干擾對(duì)伺服系統(tǒng)低速特性的影響。但在工程中很難確定摩擦力矩的準(zhǔn)確模型，因此這些補(bǔ)償方法在工程中應(yīng)用比較困難。

     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(jiǎn)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(guò)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)[1]。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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)管高頻開(kāi)通關(guān)閉產(chǎn)生的導(dǎo)通功耗和開(kāi)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(lái)源。決定電動(dòng)機(jī)附加功耗大小的因素主要是PWM的開(kāi)關(guān)頻率，開(kāi)關(guān)頻率越大附加功耗就越小。決定大功率可控開(kāi)關(guān)管的動(dòng)態(tài)功耗大小的因素主要是大功率可控開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通關(guān)閉時(shí)間和PWM的開(kāi)關(guān)頻率，開(kāi)通關(guān)閉時(shí)間越長(zhǎng)動(dòng)態(tài)功耗就越大，PWM開(kāi)關(guān)頻率越大動(dòng)態(tài)功耗就越大。

   
    圖1　H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(kāi)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(wèn)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(kāi)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?！　　　　　　　　?/P>

     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(kāi)關(guān)管主要有大功率雙極型晶體管(GTR)、大功率電力場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)和IGBT等。GTR的主要缺點(diǎn)是：開(kāi)通關(guān)閉時(shí)間長(zhǎng)、開(kāi)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(mén))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(cè)得如表1所示，其中V_ces、t_on、t_off、V_ce、R分別為集電極-發(fā)射極飽和壓降、開(kāi)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：

    ①增大正向柵壓+V_ge，V_ces和^_ton隨之減小，IGBT的動(dòng)態(tài)功耗隨之減??；
    ②增大反向柵壓-V_ge，t_off隨之減小，IGBT的動(dòng)態(tài)功耗隨之減??；
    ③增大R，IGBT的ton、toff隨之增大，IGBT的動(dòng)態(tài)功耗隨之增大。

    表1　IGBT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V_ge并非越高越好，原因是V_ge過(guò)高時(shí)電流增大，容易損壞IGBT。一般+V_ge不超過(guò)+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-V_ge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(wú)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+V_ge、-V_ge和R的值。這些都需要通過(guò)設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路來(lái)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(kāi)關(guān)狀態(tài)、縮短開(kāi)關(guān)時(shí)間、減小開(kāi)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(chǎng)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)，它的工作頻率可達(dá)100kHz，完全解決了限制使用頻率問(wèn)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(jiǎn)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(guò)流和電壓不穩(wěn)等錯(cuò)誤的測(cè)量裝置和錯(cuò)誤信息儲(chǔ)存裝置，用來(lái)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)+V_ge、-V_ge的要求。為了減小ton、toff，在允許的范圍內(nèi)取R_on=3.38，R_off=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(guò)程中選擇其外圍元器件。

     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(guò)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R_ce和C_ce的值。具體步驟如下：

    ①確定V_ces的值。V_ces既不能過(guò)大也不能過(guò)小，過(guò)大會(huì)增加IGBT動(dòng)態(tài)功率損耗，過(guò)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V_ces=4V。
    ②確定R_ce。由公式(1)求得R_ce=13Ω。
    ③確定t_min。由SKHI22AH4模塊的特性知，tmin<10μs，這里取1.6μs。
    ④由公式(2)、(3)確定Cce=0.46nF，因此取C_ce=470pF。

   
    圖2　SKHI22AH4模塊驅(qū)動(dòng)IGBT的原理圖

     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(kāi)通?；ユi的鎖定時(shí)間t_td=2.7+0.13R_td(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R_td=08，則t_td=2.7μs。

     3)錯(cuò)誤監(jiān)測(cè)
     SKHI22AH4模塊具有錯(cuò)誤監(jiān)測(cè)功能，它可以對(duì)短路、過(guò)流、電壓不穩(wěn)等錯(cuò)誤進(jìn)行監(jiān)測(cè)。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3　SKHI22AH4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(guò)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(cè)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(kāi)關(guān)時(shí)間為3.2Ls。

   
    圖4　H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(kāi)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(kāi)關(guān)頻率的計(jì)算
    合理的開(kāi)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(wú)幾。綜合來(lái)看，開(kāi)關(guān)頻率的確定，受到很多相互矛盾的因素決定：

    ①為了改善靜摩擦對(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(rùn)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(kāi)關(guān)頻率應(yīng)滿足公式(4)；
    ②為了使開(kāi)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)；
    ③為了避免引起共振，開(kāi)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)；
    ⑤開(kāi)關(guān)頻率的上限要受到IGBT的開(kāi)關(guān)損耗和開(kāi)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(guó)內(nèi)功率的轉(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U_s=+120V，電樞電阻R_a=2.48Ω，電樞電感L_a=0.019H，電機(jī)軸上靜摩擦力矩T_f=21010N•m，系統(tǒng)通帶頻率f_c=34Hz，額定電流IN=60A，啟動(dòng)電流I_s≈IN，α_s=Is/IN≈1，T_e=L_a/R_a=0.0079。

    由式(4)～(7)確定開(kāi)關(guān)頻率范圍340Hz<f<620Hz。在大功率伺服系統(tǒng)中，需要在滿足性能要求的同時(shí)把與開(kāi)關(guān)頻率有關(guān)的功耗減到。為提高電機(jī)利用率，降低電樞回路的附加功耗，應(yīng)盡量提高開(kāi)關(guān)頻率；而為提高功率轉(zhuǎn)換效率，減小開(kāi)關(guān)過(guò)程中IGBT的動(dòng)態(tài)功耗，應(yīng)降低開(kāi)關(guān)頻率。因此，提高電機(jī)有效利用率(減小電機(jī)附加損耗)和減小IGBT的動(dòng)態(tài)功耗是矛盾的。式(8)是H型雙極模式PWM控制的功耗計(jì)算公式，其中前半部分是IGBT動(dòng)態(tài)功耗，后半部分是電動(dòng)機(jī)附加功耗。圖5是H型雙極模式PWM控制的功率損耗曲線圖，其中A-IGBT的動(dòng)態(tài)功耗、B-電動(dòng)機(jī)的附加功耗、C-總的功耗。從圖5可以看出，開(kāi)關(guān)頻率在600Hz左右時(shí)系統(tǒng)的功率損耗。因此，開(kāi)關(guān)頻率取f=600Hz，此時(shí)功率損耗為22.5W，這樣H型雙極模式PWM控制完全可以應(yīng)用在三軸轉(zhuǎn)臺(tái)方位軸伺服系統(tǒng)中。

   
    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(guò)計(jì)算合理的開(kāi)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(jiǎn)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。（周長(zhǎng)義　　李清軍　　葛文奇 ）