張紅彩，張巧壽，底紅巖，王一東，張奎華

（北京強(qiáng)度環(huán)境研究所，北京100076）

功率放大器（簡(jiǎn)稱功放）是電動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)的重要組成部分，它為振動(dòng)臺(tái)提供驅(qū)動(dòng)電源，使振動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)部件按照設(shè)定的軌跡進(jìn)行振動(dòng)。在電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)領(lǐng)域，功放的發(fā)展經(jīng)歷了線性功放和開關(guān)功放2個(gè)階段，開關(guān)功放憑借著效率高、損耗小、功率大及可靠性高等優(yōu)勢(shì)已全面取代線性功放[1]。國外對(duì)開關(guān)功放的研究已經(jīng)達(dá)到很高水平，但輸出電壓有效值均在100 V 左右，英國LDS 公司的SPAK 開關(guān)功放采用多個(gè)模塊并聯(lián)技術(shù)，最大功率為280 kV·A[2]。國內(nèi)幾家主要振動(dòng)臺(tái)設(shè)備供應(yīng)商所使用的基本都是國外進(jìn)口的早期功放或其仿制品。近幾年國內(nèi)功放技術(shù)的發(fā)展較快，已經(jīng)研制出高壓大功率開關(guān)功率放大器，基于IGBT 全橋逆變電路和PWM 集成控制電路[3]，輸出電壓有效值320 V，輸出功率480 kV·A，其單模塊輸出功率17.6 kV·A，已經(jīng)做到國內(nèi)最大功率。

隨著我國航空、航天、高鐵等事業(yè)的發(fā)展，為衛(wèi)星和導(dǎo)彈等提供整機(jī)可靠性試驗(yàn)的電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)的噸位越做越大，所要求的開關(guān)功放輸出功率也越來越大。目前國內(nèi)外開關(guān)功放通常采用風(fēng)冷散熱，70 t振動(dòng)臺(tái)的功放輸出功率要求達(dá)到MV·A 級(jí)，往往需要十幾個(gè)功放柜、幾十個(gè)功放模塊并聯(lián)。而傳統(tǒng)的風(fēng)冷開關(guān)功放有冷卻效果差，效率低，體積大，成本高等缺點(diǎn)，而且大量功放柜并聯(lián)造成的功放均流效果差、可靠性低等問題也亟待解決。故在此提出了一種水冷式的高壓功率放大器，采用了水冷散熱方式以及大功率IGBT 驅(qū)動(dòng)技術(shù)。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

水冷式高壓功率放大器由主控制柜、功率柜組和水冷柜組成，如圖1所示。

圖1 功放系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of power amplifier system

主控制柜包含主控制模塊和勵(lì)磁電源。主控制模塊是整個(gè)功放系統(tǒng)的“大腦”，接收控制儀發(fā)出的振動(dòng)試驗(yàn)譜形，實(shí)現(xiàn)控制算法，進(jìn)行PWM 調(diào)制，并將調(diào)制后的開關(guān)信號(hào)傳送給功率柜組。它還負(fù)責(zé)功放系統(tǒng)的起停控制，工作狀態(tài)顯示，故障檢測(cè)保護(hù)等。勵(lì)磁電源為振動(dòng)臺(tái)靜圈提供直流電源，從而形成穩(wěn)定靜態(tài)磁場(chǎng)。

功率柜組由若干個(gè)功率柜組成，每個(gè)功率柜具有相同的結(jié)構(gòu)和功能，它們并聯(lián)連接后形成大電流直接輸出給振動(dòng)臺(tái)動(dòng)圈。功率柜由外圍電路、從控制模塊和若干個(gè)功率模塊組成。①外圍電路 從三相電源獲取交流電，完成整流功能，主要包含軟啟動(dòng)電路、三相整流電路、電容組濾波電路等。②從控制模塊 與主控制模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，接收控制指令并將每個(gè)功率柜的工作狀態(tài)回傳，主要包含數(shù)據(jù)通訊電路、狀態(tài)采樣電路、顯示電路、保護(hù)電路、PWM 信號(hào)隔離緩沖電路等。③功率模塊 是功放系統(tǒng)的功率放大主電路，實(shí)現(xiàn)全橋逆變功能，主要由IGBT 驅(qū)動(dòng)電路、IGBT模塊及散熱器、緩沖吸收電路、LC 濾波電路等組成。

功放冷卻系統(tǒng)主要包括水冷柜、IGBT 散熱器等。水冷柜由換熱器、水箱和水泵組成，水箱中的內(nèi)循環(huán)水流經(jīng)換熱器之后可以將水溫降到冷卻所需的溫度，經(jīng)過水泵將一定壓力的冷卻水輸送到功率模塊箱的IGBT 散熱器中，從而將IGBT 模塊產(chǎn)生的熱量帶走。為了提高散熱效率，功率柜組之間采用水路并聯(lián)的冷卻方式。

圖中，振動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)直接反饋給控制儀，控制儀通過內(nèi)部控制算法生成試驗(yàn)譜形發(fā)送給功放，而水冷高壓功放是一個(gè)獨(dú)立的自閉環(huán)系統(tǒng)，接收指定信號(hào)并進(jìn)行功率放大復(fù)原，而且頻帶寬、功率大。

2 電路工作原理

水冷式高壓功率放大器的電路原理如圖2所示，分為上下兩部分——強(qiáng)電、弱電。

弱電部分主要實(shí)現(xiàn)控制算法，生成PWM 開關(guān)信號(hào)?？刂苾x給出的試驗(yàn)譜形首先經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行濾波隔離處理，然后與電壓反饋信號(hào)進(jìn)行比較，其差值信號(hào)經(jīng)過PI 調(diào)節(jié)電路后進(jìn)行SPWM 調(diào)制，調(diào)制后的PWM 信號(hào)經(jīng)過從控制模塊隔離緩沖處理后直接輸出到功率模塊的驅(qū)動(dòng)電路，控制IGBT 橋臂的開通和關(guān)斷，從而得到脈寬按正弦規(guī)律變化的脈沖。

圖2 功放電路原理Fig.2 Power amplifier circuit principle

電壓反饋在逆變橋輸出端獲取脈沖信號(hào)，然后送至主控制模塊進(jìn)行濾波隔離處理，一方面送入到控制算法電路，另一方面送入到顯示、保護(hù)電路。電流反饋從功率模塊LC 濾波電路后級(jí)獲取，直接送入到顯示、保護(hù)電路。電壓反饋之所以未在LC濾波電路后級(jí)獲取，是為了獲得更加精確的、沒有相位差的反饋信號(hào)，從而得到更好的控制效果。系統(tǒng)其他的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，例如母線電壓、冷卻水參數(shù)等通過各自的采樣電路都送入顯示、保護(hù)電路，監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，保護(hù)人員設(shè)備的安全。

強(qiáng)電部分的功能是實(shí)現(xiàn)AC-DC-AC 電能變換。三相交流電源連接到軟啟動(dòng)電路，得到控制模塊的啟動(dòng)功放指令后，水冷柜立刻開始工作，預(yù)先給功率柜整流橋和功率模塊IGBT 散熱器供水冷卻，待軟啟動(dòng)完成時(shí)，三相交流接觸器才開始吸合。功放停止運(yùn)行時(shí)，關(guān)斷順序正好相反，首先切斷三相交流接觸器，然后延時(shí)關(guān)斷水冷柜以便功率器件能夠得到充分散熱。功放啟動(dòng)后，三相交流電經(jīng)過三相不控整流、電容組濾波變換后為功率模塊提供直流電源，實(shí)現(xiàn)AC-DC 變換過程。變換后的直流電源，經(jīng)過功率模塊中IGBT 全橋逆變電路后，得到PWM 脈沖交流電，再通過功率模塊內(nèi)部的LC濾波電路進(jìn)行解調(diào)濾波，得到與輸入試驗(yàn)譜形完全一樣的大功率信號(hào)，輸出給電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)，實(shí)現(xiàn)DC-AC 變換，從而驅(qū)動(dòng)振動(dòng)臺(tái)按照指定的譜線進(jìn)行振動(dòng)。

3 冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的功率放大器通常采用風(fēng)冷的散熱方式。在此所設(shè)計(jì)的高壓功放輸出功率已經(jīng)達(dá)到MV·A級(jí)，風(fēng)冷的方式已無法滿足功放的散熱需求。水冷的散熱效果是風(fēng)冷散熱的10 倍以上，故設(shè)計(jì)了水冷散熱器結(jié)構(gòu)和安全可靠的連接方式，不僅可以滿足高壓功放的散熱需求，還可以降低工作環(huán)境噪聲。以4 功率柜組的功放為例，冷卻系統(tǒng)的連接如圖3所示。

冷卻系統(tǒng)主要由水塔、水冷柜、水冷通道、IGBT散熱器等構(gòu)成。水塔可以為水冷柜提供外循環(huán)水，用于冷卻內(nèi)循環(huán)水；水冷柜為功率柜組提供一定壓力的冷卻水，用于帶走功率模塊產(chǎn)生的熱量；IGBT散熱器上安裝大功率IGBT 模塊，當(dāng)冷卻水流經(jīng)IGBT 散熱器中的水流通道時(shí)，可以將IGBT 模塊產(chǎn)生的熱量全部帶走。

圖3 冷卻系統(tǒng)連接Fig.3 Cooling system connection

3.1 IGBT 散熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

IGBT 散熱器是冷卻系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的好壞直接關(guān)系到系統(tǒng)的散熱性能。為提高系統(tǒng)的散熱效率，減小系統(tǒng)的整體質(zhì)量，在此使用導(dǎo)熱系數(shù)較高的鋁合金；為提高其結(jié)構(gòu)緊湊性，每個(gè)功率模塊箱的4 個(gè)IGBT 模塊對(duì)稱分布在散熱器兩側(cè)。IGBT 散熱器內(nèi)部加工有水流通道，水流通道橫截面直徑為10 mm，其整體尺寸為245 mm×20 mm×124 mm。散熱器結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 IGBT 散熱器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of IGBT radiator structure

3.2 冷卻回路設(shè)計(jì)

功率放大器每個(gè)功率柜之間，以及功率柜中每個(gè)IGBT 散熱器之間的冷卻回路，采用并聯(lián)的連接方式，其冷卻回路結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 冷卻回路結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic structure of cooling loop

3.3 冷卻水壓力確定

為確定試驗(yàn)過程中功放柜冷卻水的供給壓力，在此采用了理論計(jì)算的方法確定水泵的出水壓力[4]。單個(gè)功率柜水壓的計(jì)算過程如下：

每個(gè)IGBT 模塊的最大發(fā)熱量約為Q=2500 W，1 個(gè)功率模塊箱共有4 個(gè)IGBT 模塊，散熱器水流通道橫截面直徑設(shè)計(jì)為d=10 mm。設(shè)冷卻水的進(jìn)水溫度為Tin=30 ℃，出水溫度為Tout=35 ℃，則冷卻水的水流量為

式中：Cp為水的比熱容。水的流速為

式中：r 為水流通道半徑。雷諾數(shù)為

式中：ρ 為水的密度；η 為水的黏性系數(shù)。Re＞4000，可以判斷出水為湍流狀態(tài)。散熱器水流通道的沿程阻力系數(shù)為

式中：Δ 為水流通道的管壁粗糙度。局部壓力阻力系數(shù)ξ，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)可知，入口ξ1=1，出口ξ2=1，彎道ξ3=1.12×6=6.72（共有6 處管道）。因此，所需冷卻水的總壓力損失為

式中：ΔPT為沿程壓力損失；ΔPr為局部壓力損失；L為水流通道的長度。

所有功率模塊箱的水路都是采用并聯(lián)的連接方式，為了提高功放工作的安全性能，最終取水泵的出水壓力為0.3 MPa。

4 大功率驅(qū)動(dòng)技術(shù)

為獲得大功率輸出而且少模塊并聯(lián)，除需要采取水冷式散熱方式以提高散熱能力之外，還需要提高單模塊的功率輸出能力。借助于水冷散熱能力的增強(qiáng)，提高模塊輸出電流，既可以通過選擇額定電流更大的IGBT 作為開關(guān)管，以可以通過提高現(xiàn)有IGBT 的電流輸出能力來實(shí)現(xiàn)。不管采取哪種方式，都需要提高IGBT 驅(qū)動(dòng)電路的輸出功率，故在此設(shè)計(jì)了基于2SC0435T 的新型IGBT 驅(qū)動(dòng)電路。

4.1 2SC0435T 簡(jiǎn)介

2SC0435T 是瑞士CONCEPT 公司推出的基于SCALE-2 驅(qū)動(dòng)內(nèi)核的雙通道、 大功率驅(qū)動(dòng)模塊，它集低成本、超緊湊于一身，可以驅(qū)動(dòng)1700 V 以內(nèi)的所有常見大功率IGBT 模塊，是目前工業(yè)應(yīng)用中功率范圍內(nèi)最緊湊的驅(qū)動(dòng)核[5]。2SC0435T 內(nèi)部主要由輸入邏輯驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)化接口（LDI）、智能柵極驅(qū)動(dòng)（IGD）和電氣隔離模塊3 部分組成，包含完整的雙通道IGBT 驅(qū)動(dòng)核，具備隔離的DC/DC 變換器、 短路保護(hù)、高級(jí)有源箝位和電源電壓監(jiān)控功能[6]。

2SC0435T 驅(qū)動(dòng)核輸出功率高，延遲時(shí)間極短且抖動(dòng)極小，專為大功率和超快速開關(guān)而設(shè)計(jì)，支持的開關(guān)頻率高達(dá)100 kHz。驅(qū)動(dòng)器可產(chǎn)生15 V/-10 V的柵極電壓擺幅，對(duì)開通電壓進(jìn)行穩(wěn)壓，無論輸出功率如何都使其保持在穩(wěn)定的15 V。每個(gè)輸出通道都可以提供35 A 的輸出電流和4 W 的驅(qū)動(dòng)功率，非常適合水冷式高壓功率放大器。

4.2 大功率驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

基于2SC0435T 的大功率驅(qū)動(dòng)電路如圖6所示。

4.2.1 原方電路的設(shè)計(jì)思路

由于2SC0435T 集成了電源電壓監(jiān)控功能，而不需要外接電源保護(hù)，因此原方電路比2SD315A 簡(jiǎn)單。圖6中，2SC0435T 工作在半橋模式，MOD 端通過Rm連接到GND，并聯(lián)的Cm則用于減小INA 在上升沿和下降沿分別產(chǎn)生死區(qū)時(shí)間的抖動(dòng)。此時(shí)，INA為PWM 信號(hào)輸入端，INB 為使能信號(hào)端，在此將功放系統(tǒng)的保護(hù)信號(hào)作為使能信號(hào)，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)保護(hù)，能夠立刻封鎖PWM 信號(hào)，使IGBT 反向截止。在半橋模式下，死區(qū)時(shí)間由Rm值決定，將Rm換成電位器，就可以方便地調(diào)節(jié)死區(qū)時(shí)間，保證每一塊驅(qū)動(dòng)板死區(qū)時(shí)間一致性。2 個(gè)故障狀態(tài)輸出端SO1、SO2 連接在一起，經(jīng)過上拉后，作為單橋臂錯(cuò)誤報(bào)警信號(hào)反饋到控制模塊中。當(dāng)2SC0435T 檢測(cè)到原方電源欠壓、副方電源欠壓、IGBT 短路或過流時(shí)，故障狀態(tài)輸出端立刻被拉倒低電平，輸出錯(cuò)誤報(bào)警信號(hào)，當(dāng)原方欠壓消失或者經(jīng)過阻斷時(shí)間后，故障狀態(tài)輸出端會(huì)自動(dòng)恢復(fù)到高阻狀態(tài)，而在TB 端連接的Rb正是用于設(shè)定阻斷時(shí)間。

圖6 基于2SC0435T 的大功率驅(qū)動(dòng)電路Fig.6 High power driver circuit based on 2SC0435T

4.2.2 副方接口電路的設(shè)計(jì)思路

副方接口電路比原方復(fù)雜得多，分為完全一樣的上下兩路，直接與IGBT 相連。GH 和GL 端作為獨(dú)立的端子，分別接2 個(gè)并聯(lián)的開通和關(guān)斷電阻，然后連接到IGBT 的柵極，這樣便于用戶設(shè)置不同的開通和關(guān)斷時(shí)間，降低IGBT 關(guān)斷電壓尖峰。GL端與COM 端連接的Rgc則是用來防止IGBT 柵極和發(fā)射極出現(xiàn)過電壓而提供的放電回路。

2SC0435T 的每個(gè)通道都配有VCE 檢測(cè)電路，REF 端連接的Rth是參考電阻，用于設(shè)置短路和過流保護(hù)的閾值電壓，而VE 端是參考電位，因此在設(shè)計(jì)電路板時(shí)Rth必須盡可能地靠近IGBT 模塊。設(shè)置VCE 保護(hù)關(guān)斷響應(yīng)時(shí)間的電容Ca必須在外部連接，這樣用戶可以根據(jù)具體應(yīng)用靈活設(shè)計(jì)保護(hù)功能。ACL 端連接的一系列阻容和二極管正是用于完成二代驅(qū)動(dòng)芯片特有的高級(jí)有源箝位功能，不僅能夠?qū)GBT 的集電極電位通過瞬態(tài)電壓抑制二極管反饋到IGBT 柵極，還可將反饋信號(hào)送進(jìn)驅(qū)動(dòng)器副方的管腳ACL，逐步關(guān)斷驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部的關(guān)斷MOSFET，以提高有源箝位的效率。

4.3 電路設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1）驅(qū)動(dòng)回路面積盡可能小，驅(qū)動(dòng)電阻盡量無感，可用金屬膜電阻，溫升不能超過40 ℃，可用2 個(gè)或者多個(gè)電阻并聯(lián)，不但能夠提高等效驅(qū)動(dòng)電阻的功率，還可以降低等效電感，改善開關(guān)特性。

2）Ca值越大，響應(yīng)時(shí)間就越長，VCE 保護(hù)就越遲鈍。因此，須根據(jù)實(shí)際電路反復(fù)調(diào)試來選取，不能簡(jiǎn)單地采用廠商推薦值。

3）由于功放系統(tǒng)運(yùn)行在高開關(guān)頻率狀態(tài)下，死區(qū)電阻Rm的選取就顯得極為謹(jǐn)慎，過高的死區(qū)時(shí)間會(huì)導(dǎo)致功放輸出波形失真，過低的死區(qū)時(shí)間會(huì)導(dǎo)致IGBT 嚴(yán)重發(fā)熱，因此既要考慮系統(tǒng)性能，又要對(duì)設(shè)備進(jìn)行長時(shí)間考核。

4）故障輸出端用并聯(lián)的門電路緩沖處理，可以明顯增強(qiáng)錯(cuò)誤報(bào)警信號(hào)的抗干擾能力，否則在IGBT開關(guān)過程中容易出現(xiàn)誤報(bào)警。

5 實(shí)際試驗(yàn)狀況分析

70 t 振動(dòng)臺(tái)所使用的1.28 MV·A 水冷式高壓功率放大器如圖7所示，它包含4 個(gè)功率柜，每個(gè)功率柜包含4 個(gè)功率模塊，冷卻水從模塊后面連接，單模塊額定輸出功率80 kV·A，單柜額定輸出功率320 kV·A。

圖7 水冷式高壓功率放大器Fig.7 Water-cooled high voltage power amplifier

在同一個(gè)功率模塊，分別使用2 款驅(qū)動(dòng)器2SC0435T 和2SD315A 的驅(qū)動(dòng)波形實(shí)測(cè)對(duì)比如圖8所示。由圖可見，2SC0435T 驅(qū)動(dòng)波形的上升沿和下降沿都比2SD315A 陡峭，波峰和波谷都比較平坦，這有利于降低IGBT 開關(guān)損耗，減小功放輸出波形失真；2SC0435T 的電壓擺幅為15 V/-10 V，帶載后幾乎沒有變化。而2SD315A 本身電壓擺幅為15 V/-15 V，帶載之后有明顯的降低。由此說明2SC0435T的輸出功率高，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)。

圖8 兩款驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)波形實(shí)測(cè)對(duì)比Fig.8 Comparison of driving waveforms between two actuators

風(fēng)冷/水冷功放模塊滿功率工作時(shí)IGBT 溫度的對(duì)比測(cè)試數(shù)據(jù)見表1，考核時(shí)間為2 h，每隔15 min測(cè)試1 次數(shù)據(jù)。其中，風(fēng)冷模塊中為單個(gè)逆變橋，水冷模塊為雙逆變橋并聯(lián)。

表1 風(fēng)冷/水冷模塊滿功率工作時(shí)IGBT 溫度的對(duì)比Tab.1 Comparison of IGBT temperature of air cooling and water cooling module at full power

由表可知，對(duì)于同樣的IGBT 橋臂，在水冷的散熱方式下，輸出電流可達(dá)125 A，而且溫度還比風(fēng)冷散熱方式略低，輸出功率提高至2.27 倍，而整個(gè)水冷模塊的輸出功率比風(fēng)冷模塊提高至4.55 倍。

6 結(jié)語

基于水冷式、大功率驅(qū)動(dòng)技術(shù)的高壓功率放大器具有結(jié)構(gòu)緊湊，功率密度大，冷卻效果好的特點(diǎn)。單模塊輸出功率可達(dá)傳統(tǒng)風(fēng)冷高壓功放的4～5 倍，尤其適合驅(qū)動(dòng)大推力振動(dòng)臺(tái)。超大功率輸出減小了功放體積，減小了占地面積，提高了功放效率，降低了成本，對(duì)于其他相關(guān)行業(yè)也同樣具有借鑒意義。