大功率伺服驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

楊立波 吳孔圣 白彥慶 韓貴春 丁云飛

(大連光洋科技工程有限公司，遼寧大連 116600)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和工業(yè)的發(fā)展，工廠大功率數(shù)控設(shè)備越來越多，數(shù)控機(jī)床需要的伺服驅(qū)動(dòng)器功率越來越大，對(duì)大功率伺服驅(qū)動(dòng)器需求也越來越大，市場(chǎng)前景十分看好。為滿足市場(chǎng)的需求，迫切需要研制可靠性高的大功率伺服驅(qū)動(dòng)器。為此我公司集中力量，完全按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，針對(duì)大功率伺服驅(qū)動(dòng)器主電路功率器件上的電流大和電路的耗散功率大，散熱問題嚴(yán)重以及對(duì)電網(wǎng)污染大等特點(diǎn)，主要從吸收電路，過流保護(hù)和直流母線等方面對(duì)大功率伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，研制出了高可靠性的110 kW大功率伺服驅(qū)動(dòng)器。

1 直流母線的設(shè)計(jì)

目前國(guó)內(nèi)中小功率變頻電源的功率母線主要有以下幾種:

(1)印刷電路板母線主要用于小功率的變頻電源，缺點(diǎn)是通過的電流小;

(2)圓銅導(dǎo)線是最常用的功率母線，適用于中功率變頻電源，缺點(diǎn)是寄生電感大;

(3)寬度2～3 cm，厚度2～3 mm的窄銅條，適用于中功率的變頻電源，缺點(diǎn)是寄生電感大。

隨著功率的加大，以上功率母線就不適合了，會(huì)帶來一些問題，大功率變頻電源的功率器件在開關(guān)過程中，由于從直流儲(chǔ)能電容至IGBT器件之間的直流母線上的寄生電感和IGBT模塊自身電感的影響，會(huì)產(chǎn)生很高的尖峰電壓，這種尖峰電壓會(huì)使器件過熱，甚至有時(shí)使IGBT

失控并超過器件的額定安全工作區(qū)而損壞。因而，必須將開關(guān)過程中產(chǎn)生的尖峰電壓限制在允許范圍內(nèi)。降低尖峰電壓一般有2種方法:一是通過增大柵極驅(qū)動(dòng)電阻來減小di/dt，但選擇合適的柵極驅(qū)動(dòng)電阻很困難，若驅(qū)動(dòng)電阻太大，導(dǎo)致dv/dt減小，開通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間延長(zhǎng)，增加了開關(guān)損耗;二是減小直流回路功率母線的分布電感。由于上述幾種功率母線都存在著不同的缺點(diǎn)，為此采用迭層功率母線。

層疊直流母線可以非常有效地減小回路的寄生電感。此種結(jié)構(gòu)是指將多層銅板疊放在一起，層與層間使用絕緣導(dǎo)熱材料制成的薄膜隔離，并粘合封裝到一起的一種直流電容和功率器件連接結(jié)構(gòu)。它具有的優(yōu)點(diǎn)有:

(1)減小電感。扁而平的并行導(dǎo)體可以有效減小自感，而且層疊銅板中流過相反方向的電流，可以很大程度地抵消產(chǎn)生的磁場(chǎng)，減小寄生互感;

(2)增大導(dǎo)電面積，減小阻抗;

(3)降低成本，提高可靠性。工業(yè)應(yīng)用中，母線排可以統(tǒng)一批量生產(chǎn)，其整體的結(jié)構(gòu)減少了繁瑣的連線，根除了接線錯(cuò)誤。可以使電力電子裝置具有更簡(jiǎn)潔堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)，更可靠的性能。大量生產(chǎn)時(shí)更可降低裝配的人工成本;

(4)EMI屏蔽性能。IGBT器件一般都安裝在母線排的一側(cè)，銅板不僅可以改善電壓電流波形，減少EMI的根源，而且對(duì)電磁輻射干擾也有很好的屏蔽作用;

(5)改善熱特性。呈平板形狀的銅層以及層與層之間的導(dǎo)熱材料對(duì)于產(chǎn)品的熱傳導(dǎo)性能，通風(fēng)情況都有很大改善，為產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)提供方便。

功率器件開關(guān)動(dòng)作時(shí)的電壓電流應(yīng)力和主回路中的寄生電感有著非常大的關(guān)系。IGBT處理一定的di/dt時(shí)，產(chǎn)生的電壓尖峰是和寄生電感大小成比例的，而且di/dt自己也受到寄生電感的影響。在功率器件工作在感性負(fù)載下且器件開通時(shí)，意味著其對(duì)應(yīng)的反并二極管關(guān)閉，二極管表現(xiàn)反向恢復(fù)特性，在此期間較大的電流從二極管中通過，對(duì)應(yīng)著就產(chǎn)生電壓尖峰。此電壓尖峰可以導(dǎo)致很惡劣的問題，如造成器件過壓，增加輸出諧波，產(chǎn)生嚴(yán)重EMI源等，通常是我們著力想要避免的。通過調(diào)整選擇合適的門極驅(qū)動(dòng)電阻可以控制器件的開通速度，驅(qū)動(dòng)電阻選得大一點(diǎn)，開通速度就慢一些，二極管的反向恢復(fù)問題可以得到相應(yīng)的抑制，但同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致功率期間更大的交換損耗。合理選取驅(qū)動(dòng)電阻的大小可以得到一個(gè)比較折中的結(jié)果。但是器件的關(guān)斷時(shí)間受驅(qū)動(dòng)電阻的影響不大，電壓電流尖峰就直接決定于外部參數(shù)(寄生電感/電容)，寄生電容主要取決于功率器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)，寄生電感則取決于器件外部導(dǎo)體的排列情況。所以為了提高系統(tǒng)的性能，保證系統(tǒng)的可靠性，減小開關(guān)過程中產(chǎn)生的電應(yīng)力，必須盡可能地減小線路中的寄生電感。可以通過在線路中增加吸收電容來減小系統(tǒng)開關(guān)管中產(chǎn)生的浪涌電壓，但是這無疑增加了系統(tǒng)的成本;而采用層疊式直流母線可以直接減小系統(tǒng)中的寄生電感，為減小浪涌電壓提供了一個(gè)比較好的解決方案。

系統(tǒng)中直流母線端需要有3塊銅板來做直流母線:一塊作為直流端的正極P;一塊作為直流端的負(fù)極N;另一塊為直流端的零線端O，和負(fù)載端的中線相連。它們相互間的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。在三相負(fù)載比較平衡時(shí)，零線O端基本上沒有電流流過，僅僅是一有厚度的銅板，這樣可以把P端和N端的電磁輻射和干擾屏蔽掉，保證IPM模塊的正常工作。

2 吸收電路的改進(jìn)

通常，對(duì)于變頻電源C、E間的過壓一般采用如圖2所示的電路，安裝緩沖電路抑制集電極、發(fā)射極間過電壓。小功率用圖2a和圖2b組合，中、大功率用圖2a和圖2c組合，但隨著變頻電源功率進(jìn)一步加大，這種組合就不適合了。以下做簡(jiǎn)要分析。

在圖3中，Vce起始電壓的毛刺ΔV1是由緩沖電路的寄生電感LS和緩沖二極管的正向恢復(fù)引起的。其主要部分取決于寄生電感LS:

其中di/dt為關(guān)斷瞬間或二極管恢復(fù)瞬間的di/dt。di/dt最差情況接近0.02×ICA/ns，如果ΔV1的限值已經(jīng)確定，緩沖電路的最大允許電感量可由di/dt估算。

假如IGBT的工作峰值電流ICM為800 A，若ΔV1限制在150 V，則最差情況的di/dt約為:

由計(jì)算可知，大功率的IGBT電路需要極小電感量的緩沖電路。隨著IGBT電流的增大，C、E的距離不斷變大，所用緩沖電容和緩沖器電阻也越來越多，緩沖電路的PCB板也變得很大，緩沖電路的寄生電感很難做到十幾 nH以下，ΔV1限制在150 V就比較難，有可能會(huì)超過500 V以上，造成過壓，損壞IGBT。

綜上分析，超過600 A的IGBT使用緩沖電路有可能還不如不用緩沖電路的效果好。若緩沖電路設(shè)計(jì)不好，可能會(huì)增加尖峰電壓。因此我們?nèi)サ艟彌_電路板，只在C、E上并聯(lián)無感電容，再加上使用迭層功率母線。實(shí)踐證明這種方式安全可靠。

3 過流保護(hù)的改進(jìn)

圖4為新的IGBT過流保護(hù)方法示意圖。新的過流保護(hù)方案和以前IGBT的過流保護(hù)方法相同之處是仍然采用分散過流保護(hù)與集中過流保護(hù)相結(jié)合的方式。不同之處在于:一是新方案采用霍爾傳感器，而不是用磁電流互感器;二是用霍爾傳感器檢測(cè)變壓器原邊電流，而不是輸出電流;三是在分散過流檢測(cè)通道串入快速光電耦合器，利用分散過流保護(hù)通道，響應(yīng)集中過流信號(hào)的要求，利用驅(qū)動(dòng)模塊內(nèi)部的過流保護(hù)電路對(duì)IGBT實(shí)施軟關(guān)斷，而不是硬關(guān)斷。

比較器A的第二腳接變壓器原邊電流轉(zhuǎn)換的電壓值，O1為快速光電耦合器HCPL4504，其輸出三極管與快恢復(fù)二極管相串聯(lián)。當(dāng)變壓器原邊電流沒有超過設(shè)定的閾值時(shí)，無集中過流信號(hào)，此時(shí)光耦的輸入側(cè)二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)，在分散過流檢測(cè)通道中串入的光耦不會(huì)影響分散過流保護(hù)功能;當(dāng)變壓器原邊電流超過設(shè)定的閾值時(shí)，產(chǎn)生集中過流信號(hào)，此時(shí)光耦的輸入側(cè)二極管迅速關(guān)斷，快速光耦的輸出側(cè)三極管迅速關(guān)斷，M57962的1腳將懸空，此時(shí)IGBT如果仍處于導(dǎo)通狀態(tài)，則驅(qū)動(dòng)模塊內(nèi)部的過流保護(hù)電路就會(huì)動(dòng)作，對(duì)IGBT實(shí)施軟關(guān)斷保護(hù)。這樣，不論分散過流保護(hù)還是集中過流保護(hù)，都能對(duì)IGBT實(shí)施軟關(guān)斷保護(hù)，防止過大的關(guān)斷電壓對(duì)IGBT造成損壞。

4 結(jié)語

通過以上的技術(shù)改進(jìn)，110 kW大功率伺服驅(qū)動(dòng)器可以安全可靠地工作，在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果，對(duì)以后更大功率伺服驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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