一種H型雙極模式PWM控制的功率轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

　　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，其中最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)?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/H型雙極模式PWM控制">H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)。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(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。

　　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(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)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Vces、ton、toff、Vce、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：

　?、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；

　　②增大反向柵壓-Vge，toff隨之減小，IGBT的動(dòng)態(tài)功耗隨之減??；

　?、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(guò)高時(shí)電流增大，容易損壞IGBT。一般+Vge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-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(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+Vge、-Vge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)。