一種小型高功率密度伺服驅(qū)動模塊設(shè)計

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(北京自動化控制設(shè)備研究所,北京100074)

0 引言

新一代工業(yè)數(shù)控系統(tǒng)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(shù)字伺服控制等能力,同時,對驅(qū)動控制系統(tǒng)硬件設(shè)計也提出小型化、高可靠、高功率密度等嚴(yán)格要求[1]。國內(nèi)外一些高校和科研院所對伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計展開了深入研究[2-10],這些驅(qū)動電路具有穩(wěn)定可靠、驅(qū)動功率大、抗干擾能力強等優(yōu)點,但是往往系統(tǒng)體積較大、傳感精度較低,已經(jīng)不能滿足未來新一代工業(yè)數(shù)控系統(tǒng)對伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)小型化、高功率密度的發(fā)展需求。本文在分析國內(nèi)外驅(qū)動控制研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,從電子元件驅(qū)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(shè)計目標(biāo),研究驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)及設(shè)計方法,實現(xiàn)驅(qū)動、傳感、保護(hù)等功能一體化,并詳細(xì)說明了各保護(hù)電路結(jié)構(gòu)及參數(shù)的優(yōu)化計算方法。近年來,功率場效應(yīng)晶體管(MOSFET)在中小功率工業(yè)伺服領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,其表現(xiàn)優(yōu)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(yōu)點[11]:1)開關(guān)速度快、高頻性能好、安全工作區(qū)域?qū)?2)熱穩(wěn)定性好,線性控制能力強；3)體積小、功耗低。在高功率密度驅(qū)動設(shè)計中,為了可靠驅(qū)動功率器件,采用無磁芯變壓器隔離技術(shù)的器件可以實現(xiàn)柵極的非絕緣驅(qū)動,無磁芯變壓器隔離技術(shù)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(qū)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(shè)計一種新型的小型高功率密度伺服驅(qū)動模塊,該模塊集柵極驅(qū)動、功率變換、信號傳感、過壓、過流及過溫保護(hù)等功能于一體,能滿足中小功率驅(qū)動控制系統(tǒng)小型化、高功率密度的需求,輸入電壓范圍可達(dá)12～100V,峰值電流達(dá)20A。

1 功率驅(qū)動模塊設(shè)計

功率驅(qū)動模塊主要包括驅(qū)動電路、功率變換電路、保護(hù)電路及電源電路部分,其結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)變?yōu)樗欧姍C繞組中的三相交流電,以產(chǎn)生所需要的電磁轉(zhuǎn)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(guān)損耗,降低電路發(fā)熱量。IPD12CN10NG是N溝道MOSFET,漏源極電壓最大可達(dá)到100V,漏極持續(xù)電流達(dá)到67A,并且導(dǎo)通電阻僅有12.4mΩ,符合中小功率驅(qū)動系統(tǒng)的使用要求。

圖1 功率驅(qū)動模塊結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The power drive module structure

1.1 柵極驅(qū)動電路設(shè)計

性能良好的柵極驅(qū)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(qū)動芯片,因其具有集成度高、性能穩(wěn)定的特點,使得功率器件驅(qū)動設(shè)計更加簡單,提高了電路的穩(wěn)定性。

1EDI20N12AF是單通道DSO-8封裝的MOSFET驅(qū)動芯片,它擁有無磁芯變壓器技術(shù),輸入與輸出的隔離電壓高達(dá)1200V,能提供2A的瞬態(tài)輸出電流,共模瞬態(tài)抗擾度高達(dá)100kV/μs,體積非常小,信號延遲小,憑借其強大的驅(qū)動輸出和高開關(guān)頻率,不再需要額外放大電路,節(jié)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(qū)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(qū)動芯片的輸出;在反相模式下,IN+置高,IN-控制驅(qū)動芯片的輸出。該芯片還集成了欠壓鎖,當(dāng)邏輯電壓和功率電壓低于某個值時,則芯片停止工作,產(chǎn)生保護(hù)?；谠撔酒臇艠O驅(qū)動電路如圖2所示。

圖2 MOSFET柵極驅(qū)動電路Fig.2 The gate drive circuit of power MOSFET

2)為減少柵極出現(xiàn)的振鈴現(xiàn)象,減小電磁干擾,在驅(qū)動芯片的輸出和MOSFET的柵極之間串聯(lián)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(qū)動器的電流上升速率,從而有效調(diào)節(jié)MOSFET的開關(guān)速度。

3)為縮短柵極寄生電容的放電時間,提高M(jìn)OSFET的關(guān)斷速度,在柵極電阻兩端并聯(lián)一個二極管。當(dāng)關(guān)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(jīng)過柵極電阻,相當(dāng)于在關(guān)閉時柵極電阻不存在,從而提高了MOSFET的關(guān)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?qū)щ娦酝瓿呻娢化B加自舉,由于二極管承受的電流是柵極電荷和開關(guān)頻率之積,為了減小電荷損失,應(yīng)選擇耐高壓的反向漏電流小的超快恢復(fù)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(fù)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(jìn)一步減小Vgs紋波,由式(1)計算的容值應(yīng)乘15～20倍的系數(shù)。根據(jù)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(shù),最終選定自舉電容的容值為4.7μF。

1.2 電源模塊設(shè)計

功率驅(qū)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(qū)動電路提供驅(qū)動電壓。根據(jù)IPD12CN10NG的芯片手冊選定驅(qū)動電壓為+12V,則需要一個+5V轉(zhuǎn)+12V的升壓電路。根據(jù)電壓的輸入輸出范圍選擇芯片ST662AB,該芯片是+5V轉(zhuǎn)+12V直流升壓轉(zhuǎn)換器,輸入電壓范圍為+4.5V～+5.5V,輸出電流可高達(dá)30mA,滿足驅(qū)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(hù)電路

1.3.1 過流保護(hù)

為有效實現(xiàn)電流保護(hù)提高驅(qū)動電路的可靠性,需要對電流進(jìn)行實時采集,設(shè)計了一種高敏感過流保護(hù)電路,如圖4所示。該電路采用ZXCT1009為監(jiān)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(tǒng)輸入電壓最大值遠(yuǎn)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(dāng)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(dāng)母線電流變大時,Vsense變大,Iout變大。

圖4 過流保護(hù)電路Fig.4 Over-current protection circuit

1.3.2 過壓保護(hù)

為避免輸入電壓過高損壞器件,設(shè)計了一種過壓保護(hù)電路,如圖5所示。設(shè)驅(qū)動控制系統(tǒng)的電壓輸入最大值為Vinmax。芯片TLV7211為過壓保護(hù)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(dāng)V4V3時,電平輸出相反。當(dāng)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(fā)生變化,則切斷PWM信號輸出。

圖5 過壓保護(hù)電路Fig.5 Over-voltage protection circuit

1.3.3 過溫保護(hù)

過溫保護(hù)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(qū)動板發(fā)熱強處,溫度保護(hù)電路如圖6所示。LM4040C30可以提供+3V的電壓基準(zhǔn),當(dāng)驅(qū)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(dāng)熱敏電阻兩端的電壓小于一定值時,認(rèn)為驅(qū)動板溫度過高,需要停止保護(hù),則控制器切斷PWM輸出,驅(qū)動控制系統(tǒng)停止工作。

圖6 過溫保護(hù)電路Fig.6 Over-temperature protection circuit

2 PCB散熱優(yōu)化設(shè)計

由于功率器件MOSFET快速的開通和關(guān)斷會產(chǎn)生大量熱,溫度的提高會對MOSFET器件的性能產(chǎn)生不利影響,同時驅(qū)動板上的其他芯片也會受到影響[12]。為了保證驅(qū)動板的正常運行,需要對驅(qū)動板進(jìn)行散熱處理。熱量傳遞包括熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射,在封閉空間和高密度情況下,熱傳導(dǎo)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(shè)計,在高產(chǎn)熱器件MOSFET下的PCB板的每一層都鋪上銅,因為銅是熱的良導(dǎo)體,導(dǎo)熱率高達(dá)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(dǎo)將驅(qū)動板上的熱傳導(dǎo)到外殼上,通過熱輻射將熱量散發(fā)到空氣中。

3 實驗結(jié)果及分析

為了測試小型高功率密度交流伺服系統(tǒng)中MOSFET驅(qū)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(shù):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(zhuǎn)矩T=1.4N·m,控制系統(tǒng)采用TMS320F28335作為微處理器,系統(tǒng)開關(guān)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(jìn)行測量,限于篇幅,本文僅列出驅(qū)動信號波形和電流信號。

圖7 小型高功率密度驅(qū)動控制系統(tǒng)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(shè)計的系統(tǒng)體積小,驅(qū)動和控制模塊面積僅為50mm×40mm,試驗測試其驅(qū)動功率可達(dá)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(qū)動信號的上升沿不存在諧振現(xiàn)象,經(jīng)實際伺服系統(tǒng)電機驅(qū)動測試,該驅(qū)動電路穩(wěn)定,能有效地實現(xiàn)功率驅(qū)動。圖9所示為某時刻過流保護(hù)圖,從圖9可知,在額定負(fù)載下進(jìn)行位置伺服測試,經(jīng)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(hù),關(guān)斷了PWM,精確實現(xiàn)過流保護(hù),系統(tǒng)測量參數(shù)與設(shè)計理論數(shù)值基本一致。

圖8 驅(qū)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(hù)圖Fig.9 The over-current protection figure at a certain point

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

表1 三種驅(qū)動電路的性能比較

從表1中可以看出,本文設(shè)計驅(qū)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(qū)動電路,所以基于1EDI20N12AF的驅(qū)動電路有更高的驅(qū)動性能,并且功耗低、發(fā)熱量小。

4 結(jié)論

針對工業(yè)數(shù)控系統(tǒng)對交流伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)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(qū)動模塊。該模塊集柵極驅(qū)動、功率變換、信號傳感、電路保護(hù)等多功能于一體。試驗結(jié)果表明:該伺服驅(qū)動模塊具有體積小、驅(qū)動能力強、功率密度高、功耗低、可靠性高等優(yōu)點,能滿足中小功率驅(qū)動控制系統(tǒng)小型化高功率密度的需求,具有較大的應(yīng)用價值。

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