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(jì)中以IGBT數(shù)據(jù)表為依據(jù)建立了功耗和效率計(jì)算公式。經(jīng)樣機(jī)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：所提出的方法可以準(zhǔn)確的計(jì)算出IGBT模塊的功耗和效率，具有很好的實(shí)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(jì)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(shí)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(jì)算和效率分析也變得愈發(fā)重要[1]。本文介紹在設(shè)計(jì)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(jì)參數(shù)，并通過這些參數(shù)進(jìn)行伺服驅(qū)動器的功耗計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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?yàn)榻涣魉欧姍C(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(jì)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]?，F(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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(shí)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(shí)際使用要求的驅(qū)動器功耗和效率的計(jì)算方法。

3.1 IGBT的損耗計(jì)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(shí)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(jì)算公式為：

（公式5）

3.2 續(xù)流二極管的功耗計(jì)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(jì)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(jì)算公式如下：

（公式9）

3.3 伺服驅(qū)動器的功耗和效率計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)算其輸出功率可以采用下面的計(jì)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(jì)算出伺服驅(qū)動器的額定輸出功率后，就可以得到計(jì)算伺服驅(qū)動器的效率計(jì)算公式，其中Fcarrier=10kHz：

（公式13）

這樣, 我們在設(shè)計(jì)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(jì)合理的散熱系統(tǒng)提供理論依據(jù)。

4、實(shí)例

為了詳實(shí)的驗(yàn)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(jì)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(jì)算結(jié)果更具有普遍的說服力。最終計(jì)算的結(jié)果如表所示。

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(jì)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(jì)，從而完成伺服驅(qū)動器的熱設(shè)計(jì)。根據(jù)計(jì)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(jì)，而散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)算方法，已經(jīng)在多種伺服產(chǎn)品上得到了試驗(yàn)驗(yàn)證，并經(jīng)過對比，計(jì)算值和測試值在各種情況下誤差在15%以內(nèi)?？梢缘弥?，該計(jì)算方法對伺服驅(qū)動器的設(shè)計(jì)是有效和實(shí)用的。

參考文獻(xiàn)

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[3] 張興，張崇巍. PWM整流器及其控制. 機(jī)械工業(yè)出版社

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[5] 鄧加凌,朱勁. 通用交流伺服驅(qū)動器的功耗與效率估算. 科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào) 2009年35期

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(xiàng)目管理及品質(zhì)管理工作。