H型双极模式PWM控制的功率转换电路设计与分析

PWM信号的传输。直接驱动法适用于小容量的不加保护的IGBT的场合。光耦隔离驱动法对光耦的要求较高，要求光耦速度快，绝缘耐压高于电源电压，共模抑制比大。

SEMIKRON公司的SKHI22AH4模块是应用变压器驱动原理的驱动器件。当SKHI22AH4模块驱动IGBT时，它的最大工作频率可达100kHz，完全解决了限制使用频率问题。SKHI22AH4模块驱动IGBT的电路原理图如图2。图2中虚线方框是SKHI22AH4模块结构简图，模块中分初级和次级两个部分，这两个部分是绝缘的，使得驱动电路具有良好的输入输出电隔离能力;模块有2个input、2个output，一个input对应一个output，input是变压器初级，output是变压器次级;SKHI22AH4模块中还有针对短路、过流和电压不稳等错误的测量装置和错误信息储存装置，用来实现多种电路保护功能。SKHI22AH4模块的工作原理是：PWM控制信号加在变压器初级，变压器次级输出放大的驱动信号驱动IGBT。SKHI22AH4模块的供电电压是+15V，当其驱动2MB1300D-140型号的IGBT时，其驱动输出的导通电压可达+14.2V、关闭电压可达-2V，完全满足减小IGBT动态功耗对+Vge、-Vge的要求。为了减小ton、toff，在允许的范围内取Ron=3.38，Roff=3.38。在力求减小功率损耗的原则下，在设计电路保护功能过程中选择其外围元器件。

图2SKHI22AH4模块驱动IGBT的原理图

SKHI22AH4的主要电路保护功能设计：

　　1)短路保护功能

　　在C极和E极间容易出现短路的现象。短路时，电流增大，IGBT的功率损耗迅速增大(随着电流的平方增大)，严重时会造成IGBT的损坏。因此，需要对IGBT进行短路保护。如图2所示，通过对C极和E极的电压的比较，就实现了对C极和E极间的短路保护。实现短路保护，就要合理确定Rce和Cce的值。具体步骤如下：

　　①确定Vces的值。Vces既不能过大也不能过小，过大会增加IGBT动态功率损耗，过小会减弱短路保护能力，一般取5.6V。为了减小IGBT的动态功率损耗，可以适当减小，但不能小于3.5V。这里取Vces=4V。

　　②确定Rce。由公式(1)求得Rce=13Ω。

　　③确定tmin。由SKHI22AH4模块的特性知，tmince=470pF。

　　2)互锁保护功能

　　SKHI22AH4模块具有互锁功能，以防止H桥同侧臂的2个IGBT同时导通。互锁功能就是：在H桥同侧臂的2个IGBT中，一个IGBT关闭后要有一段延时，另一个IGBT才能开通。互锁的锁定时间ttd=2.7+0.13Rtd(Rtd为互锁电阻)，2.7μs是由于SKHI22AH4模块中已经集成了一个互锁电阻产生。取Rtd=08，则ttd=2.7μs。

　　3)错误监测

　　SKHI22AH4模块具有错误监测功能，它可以对短路、过流、电压不稳等错误进行监测。当错误发生时，SKHI22AH4模块停止运行，并将错误信号存储在Errormemory中，直到错误排除，才能从新运行。

　　按照上述驱动电路设计，可得SKHI22AH4模块的驱动波形，如图3所示。

　　图3SKHI22AH4模块输入输出的波形图

　　H型双极模式PWM控制的功率转换电路

　　经过上述设计，得H型双极模式PWM控制的功率转换电路原理图，如图4所示。经实验测试得，图4所对应的功率转换电路中IGBT的ton=1.8Ls、toff=1.4Ls，则IGBT的开关时间为3.2Ls。

　　图4H型双极模式PWM控制的功率转换电路原理图

　　实验

　　设计完H型双极模式PWM控制的功率转换电路后，还要确定合理的PWM开关频率，才能进一步减小功率损耗、实现H型双极模式PWM控制在大功率伺服系统中的应用。

　　PWM开关频率的计算

　　合理的开关频率不但可以进一步减小功率损耗、提高效率，而且还可以使系统性能与连续系统的性能相差无几。综合来看，开关频率的确定，受到很多相互矛盾的因素决定：

　　①为了改善静摩擦对伺服系统低速性能的影响、使得电动机在零位处于动力润滑状态，因 此双极模式PWM控制工作时考虑微振特性的开关频率应满足公式(4);

②为了使开关频率不至于对系统的动态性能产生不良影响，频率应远大于伺服系统本身的 通频带fc，一般应满足经验式(5);

　　③为了避免引起共振，开关频率应该高于系统中所有回路的谐振频率;

　　④为了提高电动机的利用率，必须限制电流脉动量$Ia，应该满足式(6);

　　⑤开关频率的上限要受到IGBT的开关损耗和开关时间的限制，应满足经验式(7)。

　　

　　以某三轴飞行仿真转台方位轴伺服系统为例进行计算，该转台是我们目前国内功率最大的转台之一，功率为11000W，其中方位轴伺服系统的功率为7200W。三轴飞行仿真转台方位轴电动机参数如下：力矩系数KT=82.3N?m/A，供电电压Us=+120V，电枢电阻Ra=2.48Ω，电枢电感La=0.019H，电机轴上静摩擦力矩Tf=21010N?m，系统通带频率fc=34Hz，额定电流IN=60A，启动电流Is≈IN，αs=Is/IN≈1，Te=La/Ra=0.0079。

由式(