高可靠大功率机电伺服驱动技术

2018-05-08徐忐书李超张华岳宗帅王婕

电子技术与软件工程 2018年22期

徐忐书李超张华岳宗帅王婕

摘要

大功率机电伺服因其高电压、大电流、大功率、动态特性高，其工况非常严酷，在负载工况下机电伺服的高可靠驱动技术成为机电伺服可靠性关键因素之一。本文从大功率紧凑型IGBT硬件驱动设计、高功率密度电磁兼容设计方面论述了如何提高大功率机电伺服高可靠驱动技术，对于工程应用具有重要借鉴参考意义。

【关键词】大功率机电伺服高可靠驱动技术应用研究

1 引言

随着磁性材料技术、电力电子技术、数字控制技术的发展，大功率机电伺服在汽车、航天、轮机等越来越多场合得到应用。但大功率机电伺服面临电源电压高、电机电流大、系统电磁干扰环境复杂、发热量大等特点，这些特点使得大功率机电伺服的可靠性面临重大挑战，本文从大功率紧凑型IGBT硬件驱动设计、高功率密度电磁兼容设计、高可靠闭环算法设计、大功率IGBT器件热结构及紧固四方面论述了如何提高大功率机电伺服高可靠驱动技术，对于工程应用具有重要参考意义。

2 紧凑型IGBT硬件驱动电路设计

针对核心驱动单元IGBT在大功率严酷工况下可能导致出现的失效模式进行探索试验总结并借鑒国内外成熟电路、国内外前沿技术，本文采用的IGBT驱动电路（六路中的一路）如图l所示。

本硬件电路设计的主要措施有：

2.1 多方位米勒效应防护设计

如图2所示，当上管S1关断时，高的dVCE/dt通过米勒电容Ccg形成ICG，ICG通过Rg与RDRIVE形成VGE，当VGE超过门限电压时，导致S2不可控，直到下个周期SI开管时，形成单支路短路。为抑制此米勒效应，本硬件电路采取的方案有：

（1）采用双电源+15/-8V供电，通过采用负-8V电源电压，提高了米勒效应发生时的门限电压，提高了米勒效应的可靠性。

（2）采用Infeneion专用驱动芯片IED2012IFA2内置的米勒嵌位，有效降低米勒效应影响，IED2012IFA2在S1开通时，检测S2的门极电压，当S2门极电压超过2V时，CLAMP引脚被激活，防止米勒效应的产生。

2.2 开通关断门板电阻（Rg）独立设计

选择不同的门极电阻对IGBT开关性能影响很大，经过反复的试验探索总结，发现Rg对开通损耗影响很大，主要表现在可影响开通损耗，IGBT的电流尖峰及dv/dt'相对而言，Rg对关断影响不明显，影响主要体现在关断损耗及dv/dt上，当Rg很大时才会影响到di/dt。考虑驱动器的输出能力约束反复的试验探索，权衡开关速度可能引起的过压过留矛盾及IGBT导通关断功能之间的矛盾，最终选定导通电阻Rgon=3Ω，Rgoff=1.5Ω，并且考虑到门极电阻功耗，选用4个1210电阻进行先并后串的设计方式如图1中R16、R18、R12、R13所示。在测试环境下加严酷工况，Udc=400V，Ic=700A的情况下进行模拟瞬态短路测试，UGE、Ic、UCE波形如图3黄线、粉红线、绿线所示，可见IGBT开关即使在接近短路情况下波形仍很理想。

2.3 吸收装置

采用专用Epcos生产的IGBT专用滤波吸吸收电容B32656S7185J4有效吸收IGBT开关管时的脉冲尖峰。

2.4 短路保护

通过专用驱动芯片IED20112-FA2 DESAT上检测的电压是否高于9V，如果高于9V，通过配置电容C5设置允许IGBT工作在非饱和区时间Blanking Time，在<6us之内启动短路保护，有效防止IGBT过流或者过热损坏。

2.5 抑制电路

门极有源嵌位电路及瞬态抑制电路，通过U13将门极嵌位到15V，通过D10将门极瞬态电压抑制在+-18V，即使有不可控的Vce耦合到门极电压或者有瞬态电压串扰到门极电压上，亦可以防护门极驱动电路不被过压烧毁而致门极控制失效。

3 高功率密度电磁兼容设计

为提高大功率紧凑下驱动器的电磁兼容性，在充分借鉴国外大功率电磁兼容布线技术及反复试验探索总结下，本方案采用以下技术提高大功率驱动电路的可靠性。

（1）功能模块紧凑化，即完成同一功能的功能模块放在不同的区域，减少不同功能模块间信号耦合;

（2）弱电电路与强电电路分开并尽量加大距离，减小强电电路对弱电电路的辐射干扰强度;

（3）弱电电路与强电电路之间信号传输均应采用磁隔离，阻断电磁干扰的传导通路。

（4）考虑到大功率驱动电路的特殊性，经过试验摸索总结，尽量减少地平面敷设，以避免地平面耦合到强电干扰，进而影响数字逻辑控制。