摘要：因IGBT的高開關頻率和大額定電流特性，已成為主流全數字交流伺服驅動器的主功率器件。但因IGBT的開關特性，其功率損耗是驅動器發熱的主要來源，為了提高全數字交流伺服驅動器的可靠性，準確的估算其功率損耗和效率，在設計中以IGBT數據表為依據建立了功耗和效率計算公式。經樣機實驗數據表明：所提出的方法可以準確的計算出IGBT模塊的功耗和效率，具有很好的實用性。

關鍵詞: IGBT；全數字交流伺服驅動器；功耗；效率

1、序言

近年來，隨著計算機技術、半導體技術和電力電子技術的飛速發展，以及全球對能源問題的持續關注，永磁伺服電機因其具有的體積小巧、高效率、輸出功率和轉矩大、控制靈活等特點，在傳動領域其應用范圍越來越廣，與此同時永磁伺服電機的不斷發展對伺服驅動器提出了更高的控制要求和可靠性要求，交流伺服技術也逐漸被越來越多的廠家所掌握，加上交流伺服系統上游芯片和各類功率模塊的不斷推陳出新和智能化，促成了國內伺服驅動器廠家在短短的不足十年時間里實現了從起步到全面擴展的發展態勢，在伺服技術全面發展的同時，直接影響伺服驅動器熱穩定性的功耗計算和效率分析也變得愈發重要[1]。本文介紹在設計采用SPWM算法的全數字伺服驅動器時，利用IGBT的數據表查詢功率器件的設計參數，并通過這些參數進行伺服驅動器的功耗計算和效率分析。

2、IGBT參數分析與功耗估算

2.1 IGBT的導通/關斷損耗

為了便于IGBT損耗的分析和計算，根據IGBT的工作過程將其分為導通損耗和關斷損耗，這兩個參數在所有IGBT生產商提供的數據表中都是一個關鍵的數據，直接表明了IGBT的損耗功率值。在廠家提供的datasheet中，IGBT導通損耗(Eon)與關斷損耗( Eoff)這兩個參數是在指定的門極驅動電阻Ron和Roff、額定門極驅動電壓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的導通和關斷損耗也是不斷增加, 所以將導通和關斷損耗分別表示為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續流二極管的參數分析

從IGBT的原理圖和導通特性可以得出，IGBT每次由導通到關閉時，由于IGBT的寄生參數影響，IGBT會產生一個非常大的反向恢復電流Irr ,為了使IGBT能夠迅速的關斷，在IGBT的CE兩極之間并聯一個超快恢復的續流二極管，以保證每次關斷時，反向恢復電流可以通過續流二極管進行釋放。與集電極電流IC相比較，反向恢復電流Irr也是很大的數值，所以在計算系統的損耗時，這部分由來自于續流二極管導通到關閉過程中產生的損耗也必須進行計算在內。查詢知名IGBT生產商的器件數據手冊發現，這個續流二極管的電流特性曲線是由兩個函數圖表示的，并且續流二極管的反向恢復電流值IF與IC相同，因為交流伺服電機屬于感性負載，IGBT的集電極電流IC在反向恢復時不會發生突變。根據以上分析，計算時可以把續流二極管的正向電壓VF看成Ic的函數VF(Ic_igbt)，反向恢復損耗Eoff _diode(Ic_igbt) [2]。

2.3三相整流橋的參數分析

目前，全數字交流伺服驅動器的主回路仍采用交-直-交變換方案，交流輸入電源經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，該直流母線電壓經過PWM斬波技術逆變成電壓值和頻率都可調的正弦輸出電壓為交流伺服電機供電[3]。現在很多IGBT生產廠家，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，在器件的參數表中，只有整流橋二極管的正向電壓值VF,并且在IGBT的數據手冊中該參數是一個固定值。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，我們首先需要確定IGBT和續流二極管的功耗總和Ploss_inverter，在根據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 伺服驅動器的主回路原理圖

3、伺服驅動器的總功耗和效率計算

目前國產的全數字交流伺服驅動器在控制上普遍采用基于PWM調制技術的SPWM算法，該算法在6路IGBT導通和關斷的小區間內，每次只有一個器件進行開關，所以開關損耗小。但是由于受制于IGBT目前的開關技術，一般將伺服驅動器的載波頻率Fcarrier設定為10KHz, IGBT廠家的測試數據表明：IGBT的開關損耗隨著載波頻率的增加而升高，是一個正比例的關系,所以為了使驅動器具有更好的控制特性，并且降低系統的整體功耗，提高熱穩定性，在目前的IGBT開關技術下，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動器的輸出電流波形，因此為了方便用戶的使用，伺服驅動器的生產廠家將載波頻率作為一個系統參數，通過軟件進行設定，這樣用戶可以根據現場伺服電機的應用情況，在載波頻率要求的范圍內進行適當的調整，使整個運動控制系統達到更好的控制效果。下面以全數字交流伺服驅動器的控制算法SPWM為基礎，結合IGBT的參數表提出一種可以滿足實際使用要求的驅動器功耗和效率的計算方法。

3.1 IGBT的損耗計算

根據交流伺服PWM控制理論，正弦波方程為Sin(ωt)，調制度為A=(1+AcosΩt)*sin(ωt)，那么占空比[3]：

（公式3）

當IGBT以額定載波頻率Fcarrier工作時，每個IGBT模塊的開關損耗：

（公式4）

VDC/VDCnom是一個補償系數，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，上下橋臂的IGBT交替導通和關斷，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 續流二極管的功耗計算

在伺服驅動器正常工作時，續流二極管的功耗由導通損耗Pcond_diode和反向恢復損耗Pcomm_diode兩部分組成，這兩部分的計算公式如下：

（公式6）

（公式7）

所以每個續流二極管在正常工作時的總功耗為：

（公式8）根據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，所以其平均功耗計算公式如下：

（公式9）

3.3 伺服驅動器的功耗和效率計算[5]

根據SPWM控制理論可知，在伺服驅動器工作時，有3個IGBT導通工作，同時有3個續流二極管處于反向恢復工作中, 所以伺服驅動器的逆變部分的功耗計算公式為:

（公式10）

根據公式1和公式2三相整流橋的功耗計算公式，可以推導出驅動器在額定狀態下工作時總功耗的計算公式如下：

（公式11）

3.4全數字交流伺服驅動器的效率計算

伺服驅動器主電路選用的功率器件都存在著功率損耗，無法達到100%的能量轉換，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動器的額定輸出功率后，就可以得到計算伺服驅動器的效率計算公式，其中Fcarrier=10kHz：

（公式13）

這樣, 我們在設計交流伺服驅動器時，就可以利用上面的功耗公式，根據廠家提供的IGBT器件或其他功率器件的技術手冊，估算出伺服驅動器的效率和功耗，為設計合理的散熱系統提供理論依據。

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為例進行計算，該IGBT為英飛凌公司生產的并且目前在全數字交流伺服驅動器中廣泛應用，其計算結果更具有普遍的說服力。最終計算的結果如表所示。

5、結束語

本文提出的全數字交流伺服驅動器功耗和效率的估算方法非常直觀和簡單, 在驅動器設計之初就可以利用該方法進行整個設備的功耗和效率設計，從而完成伺服驅動器的熱設計。根據計算結果，結構工程師就可以進行伺服驅動器的散熱系統設計，而散熱系統設計的優劣，直接影響產品的可靠性和使用壽命。目前，文中提到的計算方法，已經在多種伺服產品上得到了試驗驗證，并經過對比，計算值和測試值在各種情況下誤差在15%以內。可以得之，該計算方法對伺服驅動器的設計是有效和實用的。

參考文獻

[1] 王水平等.PWM控制與驅動器使用指南及應用電路：SPWM PFC和IGBT控制與驅動器部分. 西安電子科技大學出版社

[2] 曲學基.IGBT及其集成控制器在電力電子裝置中的應用. 電子工業出版社

[3] 張興，張崇巍. PWM整流器及其控制. 機械工業出版社

[4] 張藝東.SPWM逆變器調制方式的研究 .科技創新與生產力.2011年05期

[5] 鄧加凌,朱勁. 通用交流伺服驅動器的功耗與效率估算. 科技創新導報 2009年35期

作者：丁云飛，1978年生，高級工程師，工學學士，一直從事高檔數控機床、全數字總線數控系統及伺服驅動等產品的研發項目管理及品質管理工作。