時間:2015-09-09 15:50:34來源:丁云飛
摘要:因IGBT的高開關(guān)頻率和大額定電流特性,已成為主流全數(shù)字交流伺服驅(qū)動器的主功率器件。但因IGBT的開關(guān)特性,其功率損耗是驅(qū)動器發(fā)熱的主要來源,為了提高全數(shù)字交流伺服驅(qū)動器的可靠性,準(zhǔn)確的估算其功率損耗和效率,在設(shè)計中以IGBT數(shù)據(jù)表為依據(jù)建立了功耗和效率計算公式。經(jīng)樣機(jī)實驗數(shù)據(jù)表明:所提出的方法可以準(zhǔn)確的計算出IGBT模塊的功耗和效率,具有很好的實用性。
關(guān)鍵詞: IGBT;全數(shù)字交流伺服驅(qū)動器;功耗;效率
1、序言
近年來,隨著計算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展,以及全球?qū)δ茉磫栴}的持續(xù)關(guān)注,永磁伺服電機(jī)因其具有的體積小巧、高效率、輸出功率和轉(zhuǎn)矩大、控制靈活等特點(diǎn),在傳動領(lǐng)域其應(yīng)用范圍越來越廣,與此同時永磁伺服電機(jī)的不斷發(fā)展對伺服驅(qū)動器提出了更高的控制要求和可靠性要求,交流伺服技術(shù)也逐漸被越來越多的廠家所掌握,加上交流伺服系統(tǒng)上游芯片和各類功率模塊的不斷推陳出新和智能化,促成了國內(nèi)伺服驅(qū)動器廠家在短短的不足十年時間里實現(xiàn)了從起步到全面擴(kuò)展的發(fā)展態(tài)勢,在伺服技術(shù)全面發(fā)展的同時,直接影響伺服驅(qū)動器熱穩(wěn)定性的功耗計算和效率分析也變得愈發(fā)重要[1]。本文介紹在設(shè)計采用SPWM算法的全數(shù)字伺服驅(qū)動器時,利用IGBT的數(shù)據(jù)表查詢功率器件的設(shè)計參數(shù),并通過這些參數(shù)進(jìn)行伺服驅(qū)動器的功耗計算和效率分析。
2、IGBT參數(shù)分析與功耗估算
2.1 IGBT的導(dǎo)通/關(guān)斷損耗
為了便于IGBT損耗的分析和計算,根據(jù)IGBT的工作過程將其分為導(dǎo)通損耗和關(guān)斷損耗,這兩個參數(shù)在所有IGBT生產(chǎn)商提供的數(shù)據(jù)表中都是一個關(guān)鍵的數(shù)據(jù),直接表明了IGBT的損耗功率值。在廠家提供的datasheet中,IGBT導(dǎo)通損耗(Eon)與關(guān)斷損耗( Eoff)這兩個參數(shù)是在指定的門極驅(qū)動電阻Ron和Roff、額定門極驅(qū)動電壓VGE下測試得到的,從圖1中可以看出,在條件一定的情況下,隨著電流Ic的增加IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷損耗也是不斷增加, 所以將導(dǎo)通和關(guān)斷損耗分別表示為Eon(Ic_igbt),Eoff (Ic_igbt)。圖1表示了IGBT的功耗隨IC變化的曲線[2]。
圖 1 IGBT與Ic變化的特性曲線
2.2續(xù)流二極管的參數(shù)分析
從IGBT的原理圖和導(dǎo)通特性可以得出,IGBT每次由導(dǎo)通到關(guān)閉時,由于IGBT的寄生參數(shù)影響,IGBT會產(chǎn)生一個非常大的反向恢復(fù)電流Irr ,為了使IGBT能夠迅速的關(guān)斷,在IGBT的CE兩極之間并聯(lián)一個超快恢復(fù)的續(xù)流二極管,以保證每次關(guān)斷時,反向恢復(fù)電流可以通過續(xù)流二極管進(jìn)行釋放。與集電極電流IC相比較,反向恢復(fù)電流Irr也是很大的數(shù)值,所以在計算系統(tǒng)的損耗時,這部分由來自于續(xù)流二極管導(dǎo)通到關(guān)閉過程中產(chǎn)生的損耗也必須進(jìn)行計算在內(nèi)。查詢知名IGBT生產(chǎn)商的器件數(shù)據(jù)手冊發(fā)現(xiàn),這個續(xù)流二極管的電流特性曲線是由兩個函數(shù)圖表示的,并且續(xù)流二極管的反向恢復(fù)電流值IF與IC相同,因為交流伺服電機(jī)屬于感性負(fù)載,IGBT的集電極電流IC在反向恢復(fù)時不會發(fā)生突變。根據(jù)以上分析,計算時可以把續(xù)流二極管的正向電壓VF看成Ic的函數(shù)VF(Ic_igbt),反向恢復(fù)損耗Eoff _diode(Ic_igbt) [2]。
2.3三相整流橋的參數(shù)分析
目前,全數(shù)字交流伺服驅(qū)動器的主回路仍采用交-直-交變換方案,交流輸入電源經(jīng)三相不可控橋式整流模塊得到一個電壓值恒定直流母線電壓,該直流母線電壓經(jīng)過PWM斬波技術(shù)逆變成電壓值和頻率都可調(diào)的正弦輸出電壓為交流伺服電機(jī)供電[3]。現(xiàn)在很多IGBT生產(chǎn)廠家,為了增加器件的集成度,提高模塊的可靠性,通常都會在IGBT模塊中集成三相不可控整流橋,在器件的參數(shù)表中,只有整流橋二極管的正向電壓值VF,并且在IGBT的數(shù)據(jù)手冊中該參數(shù)是一個固定值。由于三相整流橋的輸出功率和損耗功率取決于IGBT的工作狀態(tài),我們首先需要確定IGBT和續(xù)流二極管的功耗總和Ploss_inverter,在根據(jù)工作電流計算輸出功率Poutput,通過這樣分解可以三相整流橋的功率輸出計算公式1:
(公式1)
經(jīng)過以上分析,可以得出三相整流橋的功耗計算公式如下:
(公式2)
圖 2 伺服驅(qū)動器的主回路原理圖
3、伺服驅(qū)動器的總功耗和效率計算
目前國產(chǎn)的全數(shù)字交流伺服驅(qū)動器在控制上普遍采用基于PWM調(diào)制技術(shù)的SPWM算法,該算法在6路IGBT導(dǎo)通和關(guān)斷的小區(qū)間內(nèi),每次只有一個器件進(jìn)行開關(guān),所以開關(guān)損耗小。但是由于受制于IGBT目前的開關(guān)技術(shù),一般將伺服驅(qū)動器的載波頻率Fcarrier設(shè)定為10KHz, IGBT廠家的測試數(shù)據(jù)表明:IGBT的開關(guān)損耗隨著載波頻率的增加而升高,是一個正比例的關(guān)系,所以為了使驅(qū)動器具有更好的控制特性,并且降低系統(tǒng)的整體功耗,提高熱穩(wěn)定性,在目前的IGBT開關(guān)技術(shù)下,一般其載波頻率都不大于16kHz,實際使用過程中,由于載波頻率會影響伺服驅(qū)動器的輸出電流波形,因此為了方便用戶的使用,伺服驅(qū)動器的生產(chǎn)廠家將載波頻率作為一個系統(tǒng)參數(shù),通過軟件進(jìn)行設(shè)定,這樣用戶可以根據(jù)現(xiàn)場伺服電機(jī)的應(yīng)用情況,在載波頻率要求的范圍內(nèi)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整,使整個運(yùn)動控制系統(tǒng)達(dá)到更好的控制效果。下面以全數(shù)字交流伺服驅(qū)動器的控制算法SPWM為基礎(chǔ),結(jié)合IGBT的參數(shù)表提出一種可以滿足實際使用要求的驅(qū)動器功耗和效率的計算方法。
3.1 IGBT的損耗計算
根據(jù)交流伺服PWM控制理論,正弦波方程為Sin(ωt),調(diào)制度為A=(1+AcosΩt)*sin(ωt),那么占空比[3]:
(公式3)
當(dāng)IGBT以額定載波頻率Fcarrier工作時,每個IGBT模塊的開關(guān)損耗:
(公式4)
VDC/VDCnom是一個補(bǔ)償系數(shù),用來表示測試電壓和實際電壓的比值。
不管是采用單極性SPWM還是雙極性SPWM控制理論,一個周期內(nèi),上下橋臂的IGBT交替導(dǎo)通和關(guān)斷,即每個IGBT只工作半個周期[4],所以功耗計算公式為:
(公式5)
3.2 續(xù)流二極管的功耗計算
在伺服驅(qū)動器正常工作時,續(xù)流二極管的功耗由導(dǎo)通損耗Pcond_diode和反向恢復(fù)損耗Pcomm_diode兩部分組成,這兩部分的計算公式如下:
(公式6)
(公式7)
所以每個續(xù)流二極管在正常工作時的總功耗為:
(公式8)根據(jù)SPWM理論,這些二極管在每個SPWM周期中只有半個周期處于工作狀態(tài),所以其平均功耗計算公式如下:
(公式9)
3.3 伺服驅(qū)動器的功耗和效率計算[5]
根據(jù)SPWM控制理論可知,在伺服驅(qū)動器工作時,有3個IGBT導(dǎo)通工作,同時有3個續(xù)流二極管處于反向恢復(fù)工作中, 所以伺服驅(qū)動器的逆變部分的功耗計算公式為:
(公式10)
根據(jù)公式1和公式2三相整流橋的功耗計算公式,可以推導(dǎo)出驅(qū)動器在額定狀態(tài)下工作時總功耗的計算公式如下:
(公式11)
3.4全數(shù)字交流伺服驅(qū)動器的效率計算
伺服驅(qū)動器主電路選用的功率器件都存在著功率損耗,無法達(dá)到100%的能量轉(zhuǎn)換,所以計算其輸出功率可以采用下面的計算公式:
(公式12)
Vin:三相交流輸入電壓有效值;
IC_IGBT:IGBT的額定輸出電流;
通過公式計算出伺服驅(qū)動器的額定輸出功率后,就可以得到計算伺服驅(qū)動器的效率計算公式,其中Fcarrier=10kHz:
(公式13)
這樣, 我們在設(shè)計交流伺服驅(qū)動器時,就可以利用上面的功耗公式,根據(jù)廠家提供的IGBT器件或其他功率器件的技術(shù)手冊,估算出伺服驅(qū)動器的效率和功耗,為設(shè)計合理的散熱系統(tǒng)提供理論依據(jù)。
4、實例
為了詳實的驗證IGBT的功耗和功率估算方法,我們以帶有三相不可控橋式整流電路的IGBT模塊FP150R07N3E4為例進(jìn)行計算,該IGBT為英飛凌公司生產(chǎn)的并且目前在全數(shù)字交流伺服驅(qū)動器中廣泛應(yīng)用,其計算結(jié)果更具有普遍的說服力。最終計算的結(jié)果如表所示。
Irms |
PIGBT |
PDIODE |
Ptot |
Pvmax,I |
Pvmax,D |
[A ] |
[W] |
[W] |
[W] |
[W] |
[W] |
0 |
0 |
0 |
0 |
464.1 |
303.4 |
21.2 |
45.3 |
84.2 |
129.6 |
464.1 |
303.4 |
42.4 |
92.4 |
92.9 |
186.0 |
464.1 |
303.4 |
63.6 |
141.3 |
102.0 |
244.7 |
464.1 |
303.4 |
84.9 |
192.0 |
111.2 |
305.8 |
464.1 |
303.4 |
106.1 |
244.5 |
120.7 |
369.3 |
464.1 |
303.4 |
137.9 |
326.6 |
135.4 |
469.0 |
464.1 |
303.4 |
169.7 |
412.9 |
150.7 |
574.0 |
464.1 |
303.4 |
5、結(jié)束語
本文提出的全數(shù)字交流伺服驅(qū)動器功耗和效率的估算方法非常直觀和簡單, 在驅(qū)動器設(shè)計之初就可以利用該方法進(jìn)行整個設(shè)備的功耗和效率設(shè)計,從而完成伺服驅(qū)動器的熱設(shè)計。根據(jù)計算結(jié)果,結(jié)構(gòu)工程師就可以進(jìn)行伺服驅(qū)動器的散熱系統(tǒng)設(shè)計,而散熱系統(tǒng)設(shè)計的優(yōu)劣,直接影響產(chǎn)品的可靠性和使用壽命。目前,文中提到的計算方法,已經(jīng)在多種伺服產(chǎn)品上得到了試驗驗證,并經(jīng)過對比,計算值和測試值在各種情況下誤差在15%以內(nèi)??梢缘弥?,該計算方法對伺服驅(qū)動器的設(shè)計是有效和實用的。
參考文獻(xiàn)
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[4] 張藝東.SPWM逆變器調(diào)制方式的研究 .科技創(chuàng)新與生產(chǎn)力.2011年05期
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作者:丁云飛,1978年生,高級工程師,工學(xué)學(xué)士,一直從事高檔數(shù)控機(jī)床、全數(shù)字總線數(shù)控系統(tǒng)及伺服驅(qū)動等產(chǎn)品的研發(fā)項目管理及品質(zhì)管理工作。
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