高可靠大功率機電伺服驅動技術

徐忐書 李超 張華 岳宗帥 王婕

摘要

大功率機電伺服因其高電壓、大電流、大功率、動態特性高，其工況非常嚴酷，在負載工況下機電伺服的高可靠驅動技術成為機電伺服可靠性關鍵因素之一。本文從大功率緊湊型IGBT硬件驅動設計、高功率密度電磁兼容設計方面論述了如何提高大功率機電伺服高可靠驅動技術，對于工程應用具有重要借鑒參考意義。

【關鍵詞】大功率機電伺服 高可靠驅動技術應用研究

1 引言

隨著磁性材料技術、電力電子技術、數字控制技術的發展，大功率機電伺服在汽車、航天、輪機等越來越多場合得到應用。但大功率機電伺服面臨電源電壓高、電機電流大、系統電磁干擾環境復雜、發熱量大等特點，這些特點使得大功率機電伺服的可靠性面臨重大挑戰，本文從大功率緊湊型IGBT硬件驅動設計、高功率密度電磁兼容設計、高可靠閉環算法設計、大功率IGBT器件熱結構及緊固四方面論述了如何提高大功率機電伺服高可靠驅動技術，對于工程應用具有重要參考意義。

2 緊湊型IGBT硬件驅動電路設計

針對核心驅動單元IGBT在大功率嚴酷工況下可能導致出現的失效模式進行探索試驗總結并借鑒國內外成熟電路、國內外前沿技術，本文采用的IGBT驅動電路（六路中的一路）如圖l所示。

本硬件電路設計的主要措施有：

2.1 多方位米勒效應防護設計

如圖2所示，當上管S1關斷時，高的dVCE/dt通過米勒電容Ccg形成ICG，ICG通過Rg與RDRIVE形成VGE，當VGE超過門限電壓時，導致S2不可控，直到下個周期SI開管時，形成單支路短路。為抑制此米勒效應，本硬件電路采取的方案有：

（1）采用雙電源+15/-8V供電，通過采用負-8V電源電壓，提高了米勒效應發生時的門限電壓，提高了米勒效應的可靠性。

（2）采用Infeneion專用驅動芯片IED2012IFA2內置的米勒嵌位，有效降低米勒效應影響，IED2012IFA2在S1開通時，檢測S2的門極電壓，當S2門極電壓超過2V時，CLAMP引腳被激活，防止米勒效應的產生。

2.2 開通關斷門板電阻（Rg）獨立設計

選擇不同的門極電阻對IGBT開關性能影響很大，經過反復的試驗探索總結，發現Rg對開通損耗影響很大，主要表現在可影響開通損耗，IGBT的電流尖峰及dv/dt'相對而言，Rg對關斷影響不明顯，影響主要體現在關斷損耗及dv/dt上，當Rg很大時才會影響到di/dt。考慮驅動器的輸出能力約束反復的試驗探索，權衡開關速度可能引起的過壓過留矛盾及IGBT導通關斷功能之間的矛盾，最終選定導通電阻Rgon=3Ω，Rgoff=1.5Ω，并且考慮到門極電阻功耗，選用4個1210電阻進行先并后串的設計方式如圖1中R16、R18、R12、R13所示。在測試環境下加嚴酷工況，Udc=400V，Ic=700A的情況下進行模擬瞬態短路測試，UGE、Ic、UCE波形如圖3黃線、粉紅線、綠線所示，可見IGBT開關即使在接近短路情況下波形仍很理想。

2.3 吸收裝置

采用專用Epcos生產的IGBT專用濾波吸吸收電容B32656S7185J4有效吸收IGBT開關管時的脈沖尖峰。

2.4 短路保護

通過專用驅動芯片IED20112-FA2 DESAT上檢測的電壓是否高于9V，如果高于9V，通過配置電容C5設置允許IGBT工作在非飽和區時間Blanking Time，在<6us之內啟動短路保護，有效防止IGBT過流或者過熱損壞。

2.5 抑制電路

門極有源嵌位電路及瞬態抑制電路，通過U13將門極嵌位到15V，通過D10將門極瞬態電壓抑制在+-18V，即使有不可控的Vce耦合到門極電壓或者有瞬態電壓串擾到門極電壓上，亦可以防護門極驅動電路不被過壓燒毀而致門極控制失效。

3 高功率密度電磁兼容設計

為提高大功率緊湊下驅動器的電磁兼容性，在充分借鑒國外大功率電磁兼容布線技術及反復試驗探索總結下，本方案采用以下技術提高大功率驅動電路的可靠性。

（1）功能模塊緊湊化，即完成同一功能的功能模塊放在不同的區域，減少不同功能模塊間信號耦合;

（2）弱電電路與強電電路分開并盡量加大距離，減小強電電路對弱電電路的輻射干擾強度;

（3）弱電電路與強電電路之間信號傳輸均應采用磁隔離，阻斷電磁干擾的傳導通路。

（4）考慮到大功率驅動電路的特殊性，經過試驗摸索總結，盡量減少地平面敷設，以避免地平面耦合到強電干擾，進而影響數字邏輯控制。

（5）最優最小環路設計，按照信號環路流向，盡量保證每條信號回路環路面積最小和路徑最短，保證每個子電路輻射及接受干擾最小。

4 總結

本文分別從大功率緊湊型IGBT硬件驅動設計、高功率密度電磁兼容方面對高可靠大功率機電伺服的驅動技術進行了研究，對于高壓大功率機電伺服的工程應用具有重要參考意義。

參考文獻

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