自動(dòng)控制技術(shù)在不同工作模式下VMOS管能耗分析研究

張紅靜，韓高鵬

（貴州振華群英電器有限公司<國(guó)營(yíng)第八九一廠(chǎng)> 貴州 貴陽(yáng) 550018）

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)水平與現(xiàn)代化信息技術(shù)的快速發(fā)展進(jìn)步，自動(dòng)化控制技術(shù)也得到了不斷發(fā)展與創(chuàng)新，使得自動(dòng)控制系統(tǒng)在人們?nèi)粘Ｉ罴肮I(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域取得了顯著進(jìn)步。自動(dòng)控制技術(shù)是指在無(wú)人員參與下，通過(guò)特定控制裝置來(lái)操作被控制對(duì)象或者過(guò)程自動(dòng)按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行的技術(shù)。自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，自動(dòng)控制技術(shù)將自動(dòng)控制設(shè)備與現(xiàn)代信息技術(shù)深度融合，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)信息技術(shù)進(jìn)行自動(dòng)化控制，保證了工業(yè)生產(chǎn)各環(huán)節(jié)精準(zhǔn)有序，提高了科技水平與生產(chǎn)力水平以及自動(dòng)化智能化水平[1]。

從我國(guó)自動(dòng)控制技術(shù)在各應(yīng)用領(lǐng)域中發(fā)展的具體情況來(lái)看，存在著自動(dòng)控制技術(shù)在研發(fā)過(guò)程中缺乏宏觀(guān)層面上的明確指導(dǎo)，在投入的實(shí)際生產(chǎn)中所獲得的經(jīng)濟(jì)效益比較低的現(xiàn)象，在我國(guó)一些自主研制的工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備控制系統(tǒng)上也存在著精確度較差、可靠性較低、實(shí)用性較差等現(xiàn)象。

自動(dòng)控制技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的各種配電系統(tǒng)中發(fā)揮著非常重要作用，配電系統(tǒng)對(duì)各后級(jí)用電設(shè)備或系統(tǒng)的供電離不開(kāi)各種功率開(kāi)關(guān)執(zhí)行器件，然而在通過(guò)自動(dòng)控制技術(shù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)配電系統(tǒng)中的開(kāi)關(guān)執(zhí)行器件的精準(zhǔn)接通與關(guān)斷操作的控制過(guò)程中，引起的開(kāi)關(guān)執(zhí)行器件的能耗分析極其重要，對(duì)開(kāi)關(guān)執(zhí)行器件在不同工作模式下的能耗分析研究，為了能夠采用自動(dòng)控制技術(shù)更加精準(zhǔn)地控制功率執(zhí)行器件執(zhí)行接通與斷開(kāi)操作，提高配電設(shè)備的控制系統(tǒng)的控制精度，進(jìn)而保障后級(jí)用電設(shè)備可靠、節(jié)能、安全的正常穩(wěn)定運(yùn)行。

在開(kāi)關(guān)執(zhí)行器件中，VMOS管和IGBT（以下統(tǒng)稱(chēng)VMOS管）通常被作為一種大功率的高速開(kāi)關(guān)使用。由于它們具有無(wú)機(jī)械接觸、開(kāi)關(guān)速度高、控制功率需求小、連接可靠、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，已被廣泛地應(yīng)用于電子設(shè)備和自動(dòng)控制系統(tǒng)中[2]。

近年來(lái)，在工業(yè)生產(chǎn)配電系統(tǒng)中，廣泛使用SPS作為配電的控制器件。與周期通斷的開(kāi)關(guān)器件不同，SPS中的VMOS開(kāi)關(guān)器件工作在隨機(jī)通斷模式。它們不像工作在周期通斷模式下的開(kāi)關(guān)那樣頻繁地通、斷。它們相鄰兩次通、斷的間隔通常都為數(shù)十毫秒、數(shù)秒乃至更長(zhǎng)的時(shí)間，通、斷過(guò)程產(chǎn)生的能耗基本表現(xiàn)為“單次”，不容易發(fā)生積累。在此應(yīng)用中，對(duì)開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)不必像工作在周期通斷模式的開(kāi)關(guān)器件那樣要求很高，因而容易被忽視。

通常使用的VMOS開(kāi)關(guān)器件，其自身的輸出電流通、斷速度都很快，通、斷時(shí)間一般都在數(shù)十納秒至百納秒級(jí)。由于它們的輸出電流受柵極電壓控制，因而這些開(kāi)關(guān)器件輸出電流的實(shí)際通、斷時(shí)間主要決定于柵極電壓的建立和跟隨時(shí)間。當(dāng)這些器件是由有限驅(qū)動(dòng)能力的驅(qū)動(dòng)電路來(lái)控制其通、斷時(shí)，其輸出電流的實(shí)際通、斷時(shí)間將主要由驅(qū)動(dòng)電路自身的速度和驅(qū)動(dòng)能力來(lái)決定。因此，SPS電路設(shè)計(jì)中，用以控制開(kāi)關(guān)器件通、斷的驅(qū)動(dòng)電路的正確設(shè)計(jì)對(duì)于整個(gè)SPS的性能和質(zhì)量將具有十分重要的意義。本文將探討自動(dòng)控制技術(shù)在不同模式下VMOS管能耗分析研究，重點(diǎn)對(duì)隨機(jī)通斷模式VMOS開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)對(duì)其自身能耗的影響做一些討論。

2 特性分析

VMOS管是一種電壓控制型器件，它的漏-源極電流（輸出電流）受加到柵-源極間的電壓控制。對(duì)于VMOS管的源、漏極而言，其柵極表現(xiàn)具有電容特性。當(dāng)它處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，其柵-源極間表現(xiàn)出極高的輸入阻抗，幾乎不從控制電路吸收電流。這一特性使得它的通、斷控制比較簡(jiǎn)單。由于器件的柵極同源極、漏極之間表現(xiàn)為電容特性，加上其漏極電流與柵極電荷表現(xiàn)一定的“牽引”作用，為使器件的柵極電壓發(fā)生改變，需要改變貯存在柵極的電荷量，從而需由柵極的控制電路提供一定的輸入電流[3]。從此種意義上進(jìn)行分析，VMOS器件實(shí)際上是一種電荷控制器件。這一特點(diǎn)使得該器件雖然在穩(wěn)態(tài)時(shí)表現(xiàn)很高的輸入阻抗，仍然要求控制電路具有一定的驅(qū)動(dòng)能力，為柵極電壓變化提供必需的電荷。

VMOS管的柵極電壓是貯存在柵極電荷量的函數(shù)。圖1為典型的VMOS管柵極電壓-柵極電荷關(guān)系曲線(xiàn)。該曲線(xiàn)分為3個(gè)折線(xiàn)段。

圖1 柵極電壓-柵極電荷關(guān)系曲線(xiàn)

OA段：為柵極分布電容充電段。隨著柵極分布電容貯存的電荷增加，柵極電壓基本呈直線(xiàn)增長(zhǎng)。在柵極電壓增長(zhǎng)到A點(diǎn)之前，VMOS管基本保持截止?fàn)顟B(tài)，漏-源極電流為0。

AB段：漏極電流增長(zhǎng)段。A點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電壓為漏極電流的開(kāi)啟電壓，漏-源極間開(kāi)始導(dǎo)通電流。這一段的特點(diǎn)是，隨著柵極電荷（此部分電荷稱(chēng)作轉(zhuǎn)移電荷）的增加，柵極電壓基本保持不變，漏-源極電流隨電荷增加而增加，直至漏-源極完全導(dǎo)通。

BC段：柵極電壓增長(zhǎng)段。到達(dá)B點(diǎn)后，漏-源極電流已增長(zhǎng)到由電路電壓和所連接的負(fù)載確定的負(fù)載電流，漏極電壓下降到接近于源極電壓，漏極電流不再增長(zhǎng)。此后，柵極電壓離開(kāi)“開(kāi)啟電壓”，隨柵極電荷增加而上升[4]。

3 能耗分析

3.1 工作模式

VMOS管作開(kāi)關(guān)應(yīng)用時(shí)，其自身產(chǎn)生的能耗和發(fā)熱主要來(lái)自4個(gè)方面：（1）開(kāi)關(guān)截止時(shí)其漏電電流產(chǎn)生的能耗；（2）開(kāi)關(guān)接通時(shí)其殘余電壓降產(chǎn)生的能耗；（3）開(kāi)關(guān)接通過(guò)程中產(chǎn)生的能耗；（4）開(kāi)關(guān)關(guān)斷過(guò)程中產(chǎn)生的能耗。

在大多數(shù)情況下，其中的第1項(xiàng)，即開(kāi)關(guān)截止?fàn)顟B(tài)時(shí)因漏電流很小，產(chǎn)生的功率幾乎可以被忽略。能耗發(fā)熱的第2、3、4項(xiàng)則是與開(kāi)關(guān)的實(shí)際工作模式密切相關(guān)。

基于圖1所示的柵極電壓變化，當(dāng)VMOS管由具有限負(fù)載能力的驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)時(shí)，其漏-源電流將是柵極電壓在“開(kāi)啟電壓”上保持，隨著柵極積累“轉(zhuǎn)移電荷”而逐漸增長(zhǎng)的過(guò)程。該增長(zhǎng)過(guò)程一直要持續(xù)到由電路電壓和負(fù)載電阻確定的負(fù)載電流，如圖2-A。與此同時(shí)，隨著漏極電流的增加，使更多的電源電壓降落在負(fù)載上，漏極電壓逐漸降低，直至接近源極電壓，進(jìn)入飽和導(dǎo)通狀態(tài)，見(jiàn)圖2-B。

圖2 柵-漏極電流過(guò)程

VMOS管在截止時(shí)，其漏極電流很小；飽和導(dǎo)通時(shí)，其漏-源極電壓降比較小，兩種狀態(tài)下漏-源極的實(shí)際能耗（i×u）都不是很大。但在上述漏-源極電流開(kāi)通后從0增長(zhǎng)到飽和電流的過(guò)程中，漏極電流i逐漸上升、漏極電壓u逐漸下降，它們的（i×u）乘積項(xiàng)，即VMOS管的瞬時(shí)能耗將可能是一個(gè)不可忽視的數(shù)值。與上述漏-源極電流開(kāi)通的過(guò)程相反，VMOS管的漏-源電流的關(guān)斷的過(guò)程則需要將存儲(chǔ)在柵極的電荷釋放，使其柵-源電壓按圖1中C-B-A-O的逆向過(guò)程變化。這一過(guò)程，漏極電流逐漸減小，漏極電壓的逐漸增大，其（i×u）乘積項(xiàng)，同樣是一個(gè)不可忽視的瞬時(shí)能耗。

3.2 能耗計(jì)算

在圖2所示的輸出電流開(kāi)通過(guò)程中，設(shè)電路電壓為U，VMOS管輸出電流的開(kāi)通時(shí)間為T(mén)，開(kāi)通后的輸出電流為I。在輸出電流開(kāi)通的過(guò)程中，漏-源極間電流的瞬時(shí)值i按斜率（I／T）線(xiàn)性增長(zhǎng)：

同時(shí)，漏極電壓瞬時(shí)值u按斜率（U／T）線(xiàn)性下降：

器件內(nèi)的瞬時(shí)能耗P為：

此能耗將以發(fā)熱的形式在器件內(nèi)部產(chǎn)生能量積聚，使器件溫度升高。在整個(gè)輸出電流開(kāi)通過(guò)程，產(chǎn)生的能量積聚E為：

上式表明，VMOS開(kāi)關(guān)器件輸出電流轉(zhuǎn)換為開(kāi)通狀態(tài)過(guò)程中，發(fā)生在器件內(nèi)部的能量積聚，分別與輸出電流的開(kāi)通時(shí)間和開(kāi)通后的電路功率成正比。同樣地得到，VMOS開(kāi)關(guān)器件輸出電流關(guān)斷過(guò)程中發(fā)生在器件內(nèi)部的能量積聚，分別與關(guān)斷前的電路功率和輸出電流的關(guān)斷時(shí)間成正比。

4 結(jié)語(yǔ)

自動(dòng)控制技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，自動(dòng)控制的應(yīng)用能夠有效實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的自動(dòng)化，減少人工成本，避免人為操作失誤，不斷提高工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備的控制精確度，才能夠提高設(shè)備可靠性、使用率和生產(chǎn)率，從而才能夠大大提升生產(chǎn)質(zhì)量、生產(chǎn)安全以及生產(chǎn)效率。

本文分析了基于自動(dòng)控制技術(shù)在工業(yè)配電系統(tǒng)中功率開(kāi)關(guān)器件在不同工作模式下的能耗分析情況，如上所述，由于開(kāi)關(guān)器件通、斷過(guò)程的能耗與其開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)間成比例，工作在周期通斷模式的VMOS開(kāi)關(guān)器件，通常都要求盡可能地增強(qiáng)對(duì)器件的驅(qū)動(dòng)能力，提高驅(qū)動(dòng)速度，以降低通、斷過(guò)程的能耗。在這種應(yīng)用中，通常都是在電路中使用變壓器來(lái)驅(qū)動(dòng)VMOS開(kāi)關(guān)器件的柵極。這是因?yàn)樽儔浩髂苁跪?qū)動(dòng)電路輸出較大的驅(qū)動(dòng)電流，提高驅(qū)動(dòng)速度，達(dá)到減少開(kāi)關(guān)通、斷過(guò)程的能耗的目的。通過(guò)筆者對(duì)配電系統(tǒng)中功率開(kāi)關(guān)器件在不同工作模式下能耗情況分析闡述，可以為配電設(shè)備控制系統(tǒng)提高控制精度具有不可忽視的深刻意義，以期為配電系統(tǒng)中自動(dòng)控制VMOS開(kāi)關(guān)器件通斷研究提供有工程應(yīng)用價(jià)值的參考依據(jù)，促進(jìn)自動(dòng)控制技術(shù)在配電系統(tǒng)中節(jié)能、安全、更好的發(fā)展與應(yīng)用。