一種水冷式高壓功率放大器

張紅彩，張巧壽，底紅巖，王一東，張奎華

（北京強度環境研究所，北京100076）

功率放大器（簡稱功放）是電動振動試驗系統的重要組成部分，它為振動臺提供驅動電源，使振動臺運動部件按照設定的軌跡進行振動。在電動振動臺領域，功放的發展經歷了線性功放和開關功放2個階段，開關功放憑借著效率高、損耗小、功率大及可靠性高等優勢已全面取代線性功放[1]。國外對開關功放的研究已經達到很高水平，但輸出電壓有效值均在100 V 左右，英國LDS 公司的SPAK 開關功放采用多個模塊并聯技術，最大功率為280 kV·A[2]。國內幾家主要振動臺設備供應商所使用的基本都是國外進口的早期功放或其仿制品。近幾年國內功放技術的發展較快，已經研制出高壓大功率開關功率放大器，基于IGBT 全橋逆變電路和PWM 集成控制電路[3]，輸出電壓有效值320 V，輸出功率480 kV·A，其單模塊輸出功率17.6 kV·A，已經做到國內最大功率。

隨著我國航空、航天、高鐵等事業的發展，為衛星和導彈等提供整機可靠性試驗的電動振動臺的噸位越做越大，所要求的開關功放輸出功率也越來越大。目前國內外開關功放通常采用風冷散熱，70 t振動臺的功放輸出功率要求達到MV·A 級，往往需要十幾個功放柜、幾十個功放模塊并聯。而傳統的風冷開關功放有冷卻效果差，效率低，體積大，成本高等缺點，而且大量功放柜并聯造成的功放均流效果差、可靠性低等問題也亟待解決。故在此提出了一種水冷式的高壓功率放大器，采用了水冷散熱方式以及大功率IGBT 驅動技術。

1 系統構成

水冷式高壓功率放大器由主控制柜、功率柜組和水冷柜組成，如圖1所示。

圖1 功放系統框圖Fig.1 Block diagram of power amplifier system

主控制柜包含主控制模塊和勵磁電源。主控制模塊是整個功放系統的“大腦”，接收控制儀發出的振動試驗譜形，實現控制算法，進行PWM 調制，并將調制后的開關信號傳送給功率柜組。它還負責功放系統的起停控制，工作狀態顯示，故障檢測保護等。勵磁電源為振動臺靜圈提供直流電源，從而形成穩定靜態磁場。

功率柜組由若干個功率柜組成，每個功率柜具有相同的結構和功能，它們并聯連接后形成大電流直接輸出給振動臺動圈。功率柜由外圍電路、從控制模塊和若干個功率模塊組成。①外圍電路 從三相電源獲取交流電，完成整流功能，主要包含軟啟動電路、三相整流電路、電容組濾波電路等。②從控制模塊 與主控制模塊進行數據通訊，接收控制指令并將每個功率柜的工作狀態回傳，主要包含數據通訊電路、狀態采樣電路、顯示電路、保護電路、PWM 信號隔離緩沖電路等。③功率模塊 是功放系統的功率放大主電路，實現全橋逆變功能，主要由IGBT 驅動電路、IGBT模塊及散熱器、緩沖吸收電路、LC 濾波電路等組成。

功放冷卻系統主要包括水冷柜、IGBT 散熱器等。水冷柜由換熱器、水箱和水泵組成，水箱中的內循環水流經換熱器之后可以將水溫降到冷卻所需的溫度，經過水泵將一定壓力的冷卻水輸送到功率模塊箱的IGBT 散熱器中，從而將IGBT 模塊產生的熱量帶走。為了提高散熱效率，功率柜組之間采用水路并聯的冷卻方式。

圖中，振動臺的運動狀態直接反饋給控制儀，控制儀通過內部控制算法生成試驗譜形發送給功放，而水冷高壓功放是一個獨立的自閉環系統，接收指定信號并進行功率放大復原，而且頻帶寬、功率大。

2 電路工作原理

水冷式高壓功率放大器的電路原理如圖2所示，分為上下兩部分——強電、弱電。

弱電部分主要實現控制算法，生成PWM 開關信號。控制儀給出的試驗譜形首先經過信號調理電路進行濾波隔離處理，然后與電壓反饋信號進行比較，其差值信號經過PI 調節電路后進行SPWM 調制，調制后的PWM 信號經過從控制模塊隔離緩沖處理后直接輸出到功率模塊的驅動電路，控制IGBT 橋臂的開通和關斷，從而得到脈寬按正弦規律變化的脈沖。

圖2 功放電路原理Fig.2 Power amplifier circuit principle

電壓反饋在逆變橋輸出端獲取脈沖信號，然后送至主控制模塊進行濾波隔離處理，一方面送入到控制算法電路，另一方面送入到顯示、保護電路。電流反饋從功率模塊LC 濾波電路后級獲取，直接送入到顯示、保護電路。電壓反饋之所以未在LC濾波電路后級獲取，是為了獲得更加精確的、沒有相位差的反饋信號，從而得到更好的控制效果。系統其他的運行狀態參數，例如母線電壓、冷卻水參數等通過各自的采樣電路都送入顯示、保護電路，監控系統的運行狀態，保護人員設備的安全。

強電部分的功能是實現AC-DC-AC 電能變換。三相交流電源連接到軟啟動電路，得到控制模塊的啟動功放指令后，水冷柜立刻開始工作，預先給功率柜整流橋和功率模塊IGBT 散熱器供水冷卻，待軟啟動完成時，三相交流接觸器才開始吸合。功放停止運行時，關斷順序正好相反，首先切斷三相交流接觸器，然后延時關斷水冷柜以便功率器件能夠得到充分散熱。功放啟動后，三相交流電經過三相不控整流、電容組濾波變換后為功率模塊提供直流電源，實現AC-DC 變換過程。變換后的直流電源，經過功率模塊中IGBT 全橋逆變電路后，得到PWM 脈沖交流電，再通過功率模塊內部的LC濾波電路進行解調濾波，得到與輸入試驗譜形完全一樣的大功率信號，輸出給電動振動臺，實現DC-AC 變換，從而驅動振動臺按照指定的譜線進行振動。

3 冷卻系統的設計

傳統的功率放大器通常采用風冷的散熱方式。在此所設計的高壓功放輸出功率已經達到MV·A級，風冷的方式已無法滿足功放的散熱需求。水冷的散熱效果是風冷散熱的10 倍以上，故設計了水冷散熱器結構和安全可靠的連接方式，不僅可以滿足高壓功放的散熱需求，還可以降低工作環境噪聲。以4 功率柜組的功放為例，冷卻系統的連接如圖3所示。

冷卻系統主要由水塔、水冷柜、水冷通道、IGBT散熱器等構成。水塔可以為水冷柜提供外循環水，用于冷卻內循環水；水冷柜為功率柜組提供一定壓力的冷卻水，用于帶走功率模塊產生的熱量；IGBT散熱器上安裝大功率IGBT 模塊，當冷卻水流經IGBT 散熱器中的水流通道時，可以將IGBT 模塊產生的熱量全部帶走。

圖3 冷卻系統連接Fig.3 Cooling system connection

3.1 IGBT 散熱器結構設計

IGBT 散熱器是冷卻系統的關鍵部件，其結構設計的好壞直接關系到系統的散熱性能。為提高系統的散熱效率，減小系統的整體質量，在此使用導熱系數較高的鋁合金；為提高其結構緊湊性，每個功率模塊箱的4 個IGBT 模塊對稱分布在散熱器兩側。IGBT 散熱器內部加工有水流通道，水流通道橫截面直徑為10 mm，其整體尺寸為245 mm×20 mm×124 mm。散熱器結構如圖4所示。

圖4 IGBT 散熱器結構示意圖Fig.4 Schematic diagram of IGBT radiator structure

3.2 冷卻回路設計

功率放大器每個功率柜之間，以及功率柜中每個IGBT 散熱器之間的冷卻回路，采用并聯的連接方式，其冷卻回路結構如圖5所示。

圖5 冷卻回路結構示意圖Fig.5 Schematic structure of cooling loop

3.3 冷卻水壓力確定

為確定試驗過程中功放柜冷卻水的供給壓力，在此采用了理論計算的方法確定水泵的出水壓力[4]。單個功率柜水壓的計算過程如下：

每個IGBT 模塊的最大發熱量約為Q=2500 W，1 個功率模塊箱共有4 個IGBT 模塊，散熱器水流通道橫截面直徑設計為d=10 mm。設冷卻水的進水溫度為Tin=30 ℃，出水溫度為Tout=35 ℃，則冷卻水的水流量為

式中：Cp為水的比熱容。水的流速為

式中：r 為水流通道半徑。雷諾數為

式中：ρ 為水的密度；η 為水的黏性系數。Re＞4000，可以判斷出水為湍流狀態。散熱器水流通道的沿程阻力系數為

式中：Δ 為水流通道的管壁粗糙度。局部壓力阻力系數ξ，查機械設計手冊可知，入口ξ1=1，出口ξ2=1，彎道ξ3=1.12×6=6.72（共有6 處管道）。因此，所需冷卻水的總壓力損失為

式中：ΔPT為沿程壓力損失；ΔPr為局部壓力損失；L為水流通道的長度。

所有功率模塊箱的水路都是采用并聯的連接方式，為了提高功放工作的安全性能，最終取水泵的出水壓力為0.3 MPa。

4 大功率驅動技術

為獲得大功率輸出而且少模塊并聯，除需要采取水冷式散熱方式以提高散熱能力之外，還需要提高單模塊的功率輸出能力。借助于水冷散熱能力的增強，提高模塊輸出電流，既可以通過選擇額定電流更大的IGBT 作為開關管，以可以通過提高現有IGBT 的電流輸出能力來實現。不管采取哪種方式，都需要提高IGBT 驅動電路的輸出功率，故在此設計了基于2SC0435T 的新型IGBT 驅動電路。

4.1 2SC0435T 簡介

2SC0435T 是瑞士CONCEPT 公司推出的基于SCALE-2 驅動內核的雙通道、 大功率驅動模塊，它集低成本、超緊湊于一身，可以驅動1700 V 以內的所有常見大功率IGBT 模塊，是目前工業應用中功率范圍內最緊湊的驅動核[5]。2SC0435T 內部主要由輸入邏輯驅動轉化接口（LDI）、智能柵極驅動（IGD）和電氣隔離模塊3 部分組成，包含完整的雙通道IGBT 驅動核，具備隔離的DC/DC 變換器、 短路保護、高級有源箝位和電源電壓監控功能[6]。

2SC0435T 驅動核輸出功率高，延遲時間極短且抖動極小，專為大功率和超快速開關而設計，支持的開關頻率高達100 kHz。驅動器可產生15 V/-10 V的柵極電壓擺幅，對開通電壓進行穩壓，無論輸出功率如何都使其保持在穩定的15 V。每個輸出通道都可以提供35 A 的輸出電流和4 W 的驅動功率，非常適合水冷式高壓功率放大器。

4.2 大功率驅動電路設計

基于2SC0435T 的大功率驅動電路如圖6所示。

4.2.1 原方電路的設計思路

由于2SC0435T 集成了電源電壓監控功能，而不需要外接電源保護，因此原方電路比2SD315A 簡單。圖6中，2SC0435T 工作在半橋模式，MOD 端通過Rm連接到GND，并聯的Cm則用于減小INA 在上升沿和下降沿分別產生死區時間的抖動。此時，INA為PWM 信號輸入端，INB 為使能信號端，在此將功放系統的保護信號作為使能信號，一旦系統出現保護，能夠立刻封鎖PWM 信號，使IGBT 反向截止。在半橋模式下，死區時間由Rm值決定，將Rm換成電位器，就可以方便地調節死區時間，保證每一塊驅動板死區時間一致性。2 個故障狀態輸出端SO1、SO2 連接在一起，經過上拉后，作為單橋臂錯誤報警信號反饋到控制模塊中。當2SC0435T 檢測到原方電源欠壓、副方電源欠壓、IGBT 短路或過流時，故障狀態輸出端立刻被拉倒低電平，輸出錯誤報警信號，當原方欠壓消失或者經過阻斷時間后，故障狀態輸出端會自動恢復到高阻狀態，而在TB 端連接的Rb正是用于設定阻斷時間。

圖6 基于2SC0435T 的大功率驅動電路Fig.6 High power driver circuit based on 2SC0435T

4.2.2 副方接口電路的設計思路

副方接口電路比原方復雜得多，分為完全一樣的上下兩路，直接與IGBT 相連。GH 和GL 端作為獨立的端子，分別接2 個并聯的開通和關斷電阻，然后連接到IGBT 的柵極，這樣便于用戶設置不同的開通和關斷時間，降低IGBT 關斷電壓尖峰。GL端與COM 端連接的Rgc則是用來防止IGBT 柵極和發射極出現過電壓而提供的放電回路。

2SC0435T 的每個通道都配有VCE 檢測電路，REF 端連接的Rth是參考電阻，用于設置短路和過流保護的閾值電壓，而VE 端是參考電位，因此在設計電路板時Rth必須盡可能地靠近IGBT 模塊。設置VCE 保護關斷響應時間的電容Ca必須在外部連接，這樣用戶可以根據具體應用靈活設計保護功能。ACL 端連接的一系列阻容和二極管正是用于完成二代驅動芯片特有的高級有源箝位功能，不僅能夠將IGBT 的集電極電位通過瞬態電壓抑制二極管反饋到IGBT 柵極，還可將反饋信號送進驅動器副方的管腳ACL，逐步關斷驅動器內部的關斷MOSFET，以提高有源箝位的效率。

4.3 電路設計要點

1）驅動回路面積盡可能小，驅動電阻盡量無感，可用金屬膜電阻，溫升不能超過40 ℃，可用2 個或者多個電阻并聯，不但能夠提高等效驅動電阻的功率，還可以降低等效電感，改善開關特性。

2）Ca值越大，響應時間就越長，VCE 保護就越遲鈍。因此，須根據實際電路反復調試來選取，不能簡單地采用廠商推薦值。

3）由于功放系統運行在高開關頻率狀態下，死區電阻Rm的選取就顯得極為謹慎，過高的死區時間會導致功放輸出波形失真，過低的死區時間會導致IGBT 嚴重發熱，因此既要考慮系統性能，又要對設備進行長時間考核。

4）故障輸出端用并聯的門電路緩沖處理，可以明顯增強錯誤報警信號的抗干擾能力，否則在IGBT開關過程中容易出現誤報警。

5 實際試驗狀況分析

70 t 振動臺所使用的1.28 MV·A 水冷式高壓功率放大器如圖7所示，它包含4 個功率柜，每個功率柜包含4 個功率模塊，冷卻水從模塊后面連接，單模塊額定輸出功率80 kV·A，單柜額定輸出功率320 kV·A。

圖7 水冷式高壓功率放大器Fig.7 Water-cooled high voltage power amplifier

在同一個功率模塊，分別使用2 款驅動器2SC0435T 和2SD315A 的驅動波形實測對比如圖8所示。由圖可見，2SC0435T 驅動波形的上升沿和下降沿都比2SD315A 陡峭，波峰和波谷都比較平坦，這有利于降低IGBT 開關損耗，減小功放輸出波形失真；2SC0435T 的電壓擺幅為15 V/-10 V，帶載后幾乎沒有變化。而2SD315A 本身電壓擺幅為15 V/-15 V，帶載之后有明顯的降低。由此說明2SC0435T的輸出功率高，驅動能力強。

圖8 兩款驅動器的驅動波形實測對比Fig.8 Comparison of driving waveforms between two actuators

風冷/水冷功放模塊滿功率工作時IGBT 溫度的對比測試數據見表1，考核時間為2 h，每隔15 min測試1 次數據。其中，風冷模塊中為單個逆變橋，水冷模塊為雙逆變橋并聯。

表1 風冷/水冷模塊滿功率工作時IGBT 溫度的對比Tab.1 Comparison of IGBT temperature of air cooling and water cooling module at full power

由表可知，對于同樣的IGBT 橋臂，在水冷的散熱方式下，輸出電流可達125 A，而且溫度還比風冷散熱方式略低，輸出功率提高至2.27 倍，而整個水冷模塊的輸出功率比風冷模塊提高至4.55 倍。

6 結語

基于水冷式、大功率驅動技術的高壓功率放大器具有結構緊湊，功率密度大，冷卻效果好的特點。單模塊輸出功率可達傳統風冷高壓功放的4～5 倍，尤其適合驅動大推力振動臺。超大功率輸出減小了功放體積，減小了占地面積，提高了功放效率，降低了成本，對于其他相關行業也同樣具有借鑒意義。