一種小型高功率密度伺服驅動模塊設計

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(北京自動化控制設備研究所,北京100074)

0 引言

新一代工業數控系統要求具有高速運算、高精度定位、超高速通信、高分辨率位置檢測和數字伺服控制等能力,同時,對驅動控制系統硬件設計也提出小型化、高可靠、高功率密度等嚴格要求[1]。國內外一些高校和科研院所對伺服驅動控制系統硬件電路的設計展開了深入研究[2-10],這些驅動電路具有穩定可靠、驅動功率大、抗干擾能力強等優點,但是往往系統體積較大、傳感精度較低,已經不能滿足未來新一代工業數控系統對伺服驅動控制系統小型化、高功率密度的發展需求。本文在分析國內外驅動控制研究現狀的基礎上,從電子元件驅動能力、功耗、傳感精度等方面入手,以小型化、高可靠性、高功率密度比為設計目標,研究驅動電路結構及設計方法,實現驅動、傳感、保護等功能一體化,并詳細說明了各保護電路結構及參數的優化計算方法。近年來,功率場效應晶體管(MOSFET)在中小功率工業伺服領域得到廣泛應用,其表現優于絕緣柵極雙極型晶體管(IGBT)和大功率雙極型晶體管(GTR),主要具有以下幾方面的優點[11]:1)開關速度快、高頻性能好、安全工作區域寬;2)熱穩定性好,線性控制能力強；3)體積小、功耗低。在高功率密度驅動設計中,為了可靠驅動功率器件,采用無磁芯變壓器隔離技術的器件可以實現柵極的非絕緣驅動,無磁芯變壓器隔離技術彌補了光電耦合器隔離和脈沖變壓器隔離的缺點,且該類器件具有體積小、延遲小、驅動能力強、電壓隔離度高等特性。

本文以MOSFET功率器件和無磁芯變壓器隔離器件為硬件平臺,設計一種新型的小型高功率密度伺服驅動模塊,該模塊集柵極驅動、功率變換、信號傳感、過壓、過流及過溫保護等功能于一體,能滿足中小功率驅動控制系統小型化、高功率密度的需求,輸入電壓范圍可達12～100V,峰值電流達20A。

1 功率驅動模塊設計

功率驅動模塊主要包括驅動電路、功率變換電路、保護電路及電源電路部分,其結構如圖1所示。功率變換電路由6個功率MOSFET組成,主要作用就是將直流電轉變為伺服電機繞組中的三相交流電,以產生所需要的電磁轉矩。MOSFET采用infineon公司的高速的IPD12CN10NG功率器件,有效降低逆變電路的開關損耗,降低電路發熱量。IPD12CN10NG是N溝道MOSFET,漏源極電壓最大可達到100V,漏極持續電流達到67A,并且導通電阻僅有12.4mΩ,符合中小功率驅動系統的使用要求。

圖1 功率驅動模塊結構圖Fig.1 The power drive module structure

1.1 柵極驅動電路設計

性能良好的柵極驅動電路是保證MOSFET高效、可靠運行的必要條件,采用專用的集成驅動芯片,因其具有集成度高、性能穩定的特點,使得功率器件驅動設計更加簡單,提高了電路的穩定性。

1EDI20N12AF是單通道DSO-8封裝的MOSFET驅動芯片,它擁有無磁芯變壓器技術,輸入與輸出的隔離電壓高達1200V,能提供2A的瞬態輸出電流,共模瞬態抗擾度高達100kV/μs,體積非常小,信號延遲小,憑借其強大的驅動輸出和高開關頻率,不再需要額外放大電路,節省了PCB空間并增加了整體功率密度[5]。因此,本文選擇它作為MOSFET的驅動芯片。該芯片采用+5V邏輯供電和+12V功率供電,具有兩種控制模式,IN+是同相模式,IN-是反相模式。在同相模式下,IN-置低,IN+控制驅動芯片的輸出;在反相模式下,IN+置高,IN-控制驅動芯片的輸出。該芯片還集成了欠壓鎖,當邏輯電壓和功率電壓低于某個值時,則芯片停止工作,產生保護。基于該芯片的柵極驅動電路如圖2所示。

圖2 MOSFET柵極驅動電路Fig.2 The gate drive circuit of power MOSFET

2)為減少柵極出現的振鈴現象,減小電磁干擾,在驅動芯片的輸出和MOSFET的柵極之間串聯柵極電阻,如圖中R6、R10,一般取值為20～30Ω,該電阻對柵極電容的充放電起到限流作用并可減緩驅動器的電流上升速率,從而有效調節MOSFET的開關速度。

3)為縮短柵極寄生電容的放電時間,提高MOSFET的關斷速度,在柵極電阻兩端并聯一個二極管。當關閉MOSFET,柵極寄生電容需要放電時,柵極電阻被二極管短路,所以電流不經過柵極電阻,相當于在關閉時柵極電阻不存在,從而提高了MOSFET的關斷速度。

4)由于上橋臂的源極電壓US是浮動電壓,為了使其柵源極保持足夠的壓差,因此需采用自舉電路。D1為自舉二極管,主要作用是利用單向導電性完成電位疊加自舉,由于二極管承受的電流是柵極電荷和開關頻率之積,為了減小電荷損失,應選擇耐高壓的反向漏電流小的超快恢復二極管。C3為自舉電容,它的最小值由式(1)決定

(1)

其中,Vf是二極管正向壓降,VLS是低端器件壓降或高端負載壓降,Vmin是Vg和Vs之間的最小電壓。自舉電容必須能夠提供這些電荷,并且保持其電壓，否則Vgs將會有很大的電壓紋波,并且可能會低于欠壓值,使高端無輸出并停止工作。為了避免過充電和進一步減小Vgs紋波,由式(1)計算的容值應乘15～20倍的系數。根據該公式計算所得自舉電容的最小值為0.235μF,乘以20倍的系數,最終選定自舉電容的容值為4.7μF。

1.2 電源模塊設計

功率驅動模塊采用外界控制板的+5V供電,即電源電路的輸入端為+5V直流電,電源電路的輸出端需要為驅動電路提供驅動電壓。根據IPD12CN10NG的芯片手冊選定驅動電壓為+12V,則需要一個+5V轉+12V的升壓電路。根據電壓的輸入輸出范圍選擇芯片ST662AB,該芯片是+5V轉+12V直流升壓轉換器,輸入電壓范圍為+4.5V～+5.5V,輸出電流可高達30mA,滿足驅動信號供電要求,電源電路如圖3所示。

圖3 電源模塊Fig.3 The power supply module

1.3 保護電路

1.3.1 過流保護

為有效實現電流保護提高驅動電路的可靠性,需要對電流進行實時采集,設計了一種高敏感過流保護電路,如圖4所示。該電路采用ZXCT1009為監控芯片,輔助一個PNP晶體管,一個齊納二極管和一些電容、電阻。由于ZXCT1009芯片的Vsen+和Iout兩端的電壓輸入范圍為+2.5V～+20V,而系統輸入電壓最大值遠超過了這個電壓輸入范圍。齊納二極管D1的作用就是用來限制Vsen+和Iout兩端的電壓,同時為三極管Q1提供一個基極電流。采樣電阻選為5mΩ,當輸入的電流為Imax時,Vsense=0.005Imax。ZXCT1009芯片的Iout管腳為輸出電流,其值正比于Vsense,當母線電流變大時,Vsense變大,Iout變大。

圖4 過流保護電路Fig.4 Over-current protection circuit

1.3.2 過壓保護

為避免輸入電壓過高損壞器件,設計了一種過壓保護電路,如圖5所示。設驅動控制系統的電壓輸入最大值為Vinmax。芯片TLV7211為過壓保護電路的主芯片,該芯片是微功耗的CMOS比較器,具有體積小精度高的特點。V3是比較器的參考電壓,當V4V3時,電平輸出相反。當功率電壓超出極限電壓Vinmax時,TLV7211的電平輸出反相。芯片1腳輸出的電壓信號連接控制器,一旦檢測到該信號發生變化,則切斷PWM信號輸出。

圖5 過壓保護電路Fig.5 Over-voltage protection circuit

1.3.3 過溫保護

過溫保護電路器件NCP21XV103F03RA是NTC型熱敏電阻,即該熱敏電阻的阻值會隨著溫度的上升而迅速下降,熱敏電阻固定在驅動板發熱強處,溫度保護電路如圖6所示。LM4040C30可以提供+3V的電壓基準,當驅動板溫度升高時,熱敏電阻值迅速下降,則熱敏電阻兩端的電壓值下降,將這個電壓值給控制器。當熱敏電阻兩端的電壓小于一定值時,認為驅動板溫度過高,需要停止保護,則控制器切斷PWM輸出,驅動控制系統停止工作。

圖6 過溫保護電路Fig.6 Over-temperature protection circuit

2 PCB散熱優化設計

由于功率器件MOSFET快速的開通和關斷會產生大量熱,溫度的提高會對MOSFET器件的性能產生不利影響,同時驅動板上的其他芯片也會受到影響[12]。為了保證驅動板的正常運行,需要對驅動板進行散熱處理。熱量傳遞包括熱傳導、熱對流和熱輻射,在封閉空間和高密度情況下,熱傳導成為熱量傳遞的主要方式。首先,合理布局功率器件,盡可能地將MOSFET均勻地分布在PCB板上,避免將熱點集中;其次,大面積敷銅設計,在高產熱器件MOSFET下的PCB板的每一層都鋪上銅,因為銅是熱的良導體,導熱率高達401W/(m·K)；最后,大面積銅槽還要和外面的鋁殼相連,通過熱傳導將驅動板上的熱傳導到外殼上,通過熱輻射將熱量散發到空氣中。

3 實驗結果及分析

為了測試小型高功率密度交流伺服系統中MOSFET驅動模塊的性能,搭建了某型電機測試驗證平臺，如圖7所示。電機參數:額定功率P=1.5kW,電樞繞組電感L=1.04mH,電樞繞組相電阻R=0.24Ω,額定轉矩T=1.4N·m,控制系統采用TMS320F28335作為微處理器,系統開關頻率為20Hz。采用安捷倫示波器對控制器PWM信號輸入與功率輸出信號,以及電流信號進行測量,限于篇幅,本文僅列出驅動信號波形和電流信號。

圖7 小型高功率密度驅動控制系統實物圖Fig.7 The picture of the actual object of the miniature and high power density drive control system

從實物可知,所設計的系統體積小,驅動和控制模塊面積僅為50mm×40mm,試驗測試其驅動功率可達1kW。圖8所示為控制器PWM信號輸入與功率輸出信號。從圖8可知,驅動信號的上升沿不存在諧振現象,經實際伺服系統電機驅動測試,該驅動電路穩定,能有效地實現功率驅動。圖9所示為某時刻過流保護圖,從圖9可知,在額定負載下進行位置伺服測試,經傳感折算后可知啟動時電機最大線電流為22A,超過該值電流下降。這主要由于啟動硬件的過流保護,關斷了PWM,精確實現過流保護,系統測量參數與設計理論數值基本一致。

圖8 驅動電路信號輸入與輸出波形Fig.8 The input and output waveform of drive circuit

圖9 某時刻過流保護圖Fig.9 The over-current protection figure at a certain point

為了測試本文驅動電路的性能,將傳統的基于IR2136、IR2181的中小型驅動電路與本文設計的驅動電路在相同的電機測試平臺上試驗,測量驅動電路的輸出信號,實測結果如表1所示。

表1 三種驅動電路的性能比較

從表1中可以看出,本文設計驅動電路延遲時間為100ns,上升時間為254ns,下降時間為162ns,其時間均短于基于IR2136和基于IR2181的驅動電路,所以基于1EDI20N12AF的驅動電路有更高的驅動性能,并且功耗低、發熱量小。

4 結論

針對工業數控系統對交流伺服驅動控制系統提出小型化、高功率密度的迫切需求,提出一種新型功率伺服驅動模塊。該模塊集柵極驅動、功率變換、信號傳感、電路保護等多功能于一體。試驗結果表明:該伺服驅動模塊具有體積小、驅動能力強、功率密度高、功耗低、可靠性高等優點,能滿足中小功率驅動控制系統小型化高功率密度的需求,具有較大的應用價值。

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