崔業(yè)兵，馮偉，姚堯，蔡福門，牟筱寧

（1.上海航天控制技術(shù)研究所，上海 201109；2.上海伺服系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，上海 201109）

0 引言

電動(dòng)伺服系統(tǒng)是以伺服電機(jī)為控制對(duì)象，以伺服控制驅(qū)動(dòng)器為核心，以伺服機(jī)構(gòu)為動(dòng)力輸出的機(jī)電一體化集成伺服系統(tǒng)［1-4］。電動(dòng)伺服系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、生產(chǎn)周期短、使用維護(hù)方便、研制成本低等優(yōu)勢(shì)，能夠滿足運(yùn)載火箭高密度發(fā)射的需求。近年來大功率航天機(jī)電伺服系統(tǒng)逐漸成為運(yùn)載火箭伺服系統(tǒng)的主推方案［5-6］，歐洲的維嘉火箭改進(jìn)型已經(jīng)使用了峰值功率70 kW 的電動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)，國內(nèi)目前完成了30 kW 長征六號(hào)甲火箭的電動(dòng)伺服系統(tǒng)首次飛行試驗(yàn)成功，大功率電動(dòng)伺服系統(tǒng)已經(jīng)成為運(yùn)載火箭伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)［7］，更成為航天商業(yè)化的標(biāo)準(zhǔn)配置產(chǎn)品。

大功率絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）功率驅(qū)動(dòng)模組作為伺服控制驅(qū)動(dòng)器的核心部件，完成電磁功率到機(jī)械功率轉(zhuǎn)換的功能［8］。由于電動(dòng)伺服系統(tǒng)的控制指令是20 ms 一個(gè)脈沖式的信號(hào)，那么IGBT 功率驅(qū)動(dòng)模組的輸出為瞬時(shí)大脈沖電流，IGBT 在開關(guān)工作時(shí)容易受到容性或感性負(fù)載的沖擊［9］，造成較高損耗和嚴(yán)重的電磁干擾；疊加運(yùn)載火箭飛行時(shí)的惡劣環(huán)境如點(diǎn)火沖擊、振動(dòng)、高低溫、低氣壓等的影響，會(huì)導(dǎo)致IGBT 功率驅(qū)動(dòng)模組在飛行過程中無論因工作電流過大造成器件損壞或功率驅(qū)動(dòng)電路偶發(fā)性失效無法快速恢復(fù)到正常工作狀態(tài)［10-11］，因此可能導(dǎo)致整個(gè)飛行任務(wù)的失敗。

為此，本文針對(duì)運(yùn)載火箭電動(dòng)伺服控制驅(qū)動(dòng)器的環(huán)境要求和驅(qū)動(dòng)電路工況，設(shè)計(jì)了一款強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)的大功率IGBT 功率驅(qū)動(dòng)模組，并測(cè)試了該功率驅(qū)動(dòng)模組的驅(qū)動(dòng)能力和可靠性，以確保電動(dòng)伺服系統(tǒng)對(duì)運(yùn)載火箭飛行穩(wěn)定性沒有實(shí)質(zhì)性的影響。

1 IGBT 控制驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

IGBT 因其開、關(guān)速度快、工作頻率高、控制方便等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛的應(yīng)用，但由于器件內(nèi)部和外部電路中都不可避免地存在電容、電感效應(yīng)，在器件高速開關(guān)過程中di/dt和du/dt都很大，處理不當(dāng)也會(huì)引起功率器件失效。采用智能功率模塊（IPM）開發(fā)功率驅(qū)動(dòng)電路，可簡化設(shè)計(jì)工作，但是由于IPM內(nèi)部驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路和功率器件技術(shù)不透明，且為工業(yè)級(jí)器件，不能滿足運(yùn)載火箭元器件的質(zhì)量等級(jí)要求［12-13］。因此，本文選用H 級(jí)光耦驅(qū)動(dòng)芯片來搭建IGBT 功率驅(qū)動(dòng)電路。

1.1 基于光耦驅(qū)動(dòng)芯片的電路設(shè)計(jì)

高壓大電流IGBT 功率驅(qū)動(dòng)模塊的關(guān)鍵電路主要包括：PWM 控制信號(hào)上下橋互鎖及死區(qū)時(shí)間處理電路、高速光耦合輸入輸出隔離電路、短路過載檢測(cè)處理電路、IGBT 上下橋功率驅(qū)動(dòng)電路、IGBT柵極的保護(hù)電路［14-15］。

本文選用的驅(qū)動(dòng)光耦具有2.5 A 驅(qū)動(dòng)能力，集成了退飽和（VCE）檢測(cè)、欠壓保護(hù)（VVLO）和故障狀態(tài)反饋功能，可在（-55～+125 ℃）溫度范圍內(nèi)運(yùn)行。其高電平輸出電壓VOH與供電電源VC電壓差典型值為2.5 V，最大約3.5 V。且在不同環(huán)境溫度下，該差值還有一定的變化，因此，在選擇驅(qū)動(dòng)供電電壓時(shí)，需要將這一部分的電壓降考慮進(jìn)去。推挽三極管BE 結(jié)之間的電壓差約為：VBE≈0.7 V，也需要將這一部分的電壓降考慮進(jìn)去。IGBT 推薦的門極工作電壓為15 V，故選擇DC/DC 輸出電壓18 V，IGBT 門極工作電壓為

在實(shí)際應(yīng)用中，為滿足更大驅(qū)動(dòng)電流能力的需求，會(huì)在的輸出再增加一級(jí)三極管推挽電路，如圖1 所示。

圖1 驅(qū)動(dòng)信號(hào)的三極管推挽輸出電路Fig.1 Triode push-pull output circuit of the drive signal

IGBT 開通關(guān)斷門極所需的峰值電流為

式中：Ipeak為IGBT 開通關(guān)斷門極所需的峰值電流；Rg為IGBT 門極電阻。

使用的IGBT 模塊Rg=6 Ω，VGE=26 V。Ipeak=VGE/Rg=4.3 A，即驅(qū)動(dòng)IGBT 門極所需要的峰值電流為4.3 A，大于IGBT 驅(qū)動(dòng)光耦的 2.5 A 驅(qū)動(dòng)能力，因此需要在的輸出增加一級(jí)三極管推挽電路，以增大其驅(qū)動(dòng)電流能力。考慮到一定閾量，所選取的三極管的額定電流能力需大于5 A，需選用峰值電流能力達(dá)到10 A 的三極管做推挽級(jí)。

1.2 抑制IGBT 大電流關(guān)斷時(shí)的電壓尖峰設(shè)計(jì)

針對(duì)大電流、高寄生電感的應(yīng)用場合，伺服系統(tǒng)在三角波工況時(shí)，直流母線供電340 V，瞬間相電流達(dá)到300 A，而功率回路的總雜散電感80 nH 左右，一旦電流超調(diào)或失控很容易導(dǎo)致IGBT 過壓。IGBT 關(guān)斷時(shí)，由于換流回路中的雜散電感，集-射極電壓會(huì)出現(xiàn)過沖現(xiàn)象，IGBT 關(guān)斷過程的波形如圖2 所示。

圖2 IGBT 關(guān)斷過程波形Fig.2 IGBT turn-off process waveform

集-射極最大電壓為

式中：VDC為母線電壓；L為線路的雜散電感；VCE，max為集-射極最大電壓，所選用的IGBT 最大集-射極電壓不能超過600 V，否則會(huì)對(duì)IGBT 產(chǎn)生損傷。正常工況關(guān)斷時(shí)主要通過優(yōu)化直流母排雜散電感或增加吸收電路減小IGBT 的關(guān)斷電壓尖峰；另外當(dāng)IGBT 發(fā)生過流或短路等非正常工況時(shí)，通過門極有源鉗位電路進(jìn)行保護(hù)［16-17］。

1.2.1 增加吸波電容吸收電壓尖峰降低雜感

為了有效降低IGBT 的關(guān)斷電壓尖峰VCE，max，增加IGBT 的過壓余量，在母線支撐電容器引出銅極上，即母線的正負(fù)極之間增加3 只0.47 uF/1 000 V的吸波電容，如圖3 所示。

圖3 吸波電容實(shí)物場景Fig.3 Physical picture of the wave absorption capacitance

為了考核吸波電容在IGBT 大電流工況時(shí)的吸波性能和可靠性，在母線電壓300 V，IGBT 集電極電流400 A 的條件下進(jìn)行1 h 的連續(xù)功率測(cè)試，測(cè)試波形如圖4 所示。示波器測(cè)得最大吸收電流為116 A，吸收電流均方根值為6.17 A。經(jīng)過測(cè)試可知1 h 的連續(xù)功率測(cè)試試驗(yàn)后，3 只吸波電容的性能穩(wěn)定［18-19］。

圖4 吸波電容吸收的電流波形Fig.4 Waveform diagram of the absorbed current by the absorption capacitance

通過對(duì)比IGBT 功率驅(qū)動(dòng)模組不加吸波電容和增加吸波電容分別進(jìn)行雙脈沖測(cè)試，在母線電壓340 V 的條件下，逐漸增大流過IGBT 的集電極電流Ic，測(cè)量關(guān)斷電壓尖峰VCE，max以及主回路的雜散電感，如圖5 所示。

圖5 吸波電容與關(guān)斷電壓尖峰關(guān)系Fig.5 Diagram of the absorption capacitance and the peak turn-off voltage

由圖5 可知：不加吸波電容器，相電流到達(dá)320 A 時(shí)，關(guān)斷的尖峰電壓會(huì)達(dá)到500 V 以上，會(huì)觸發(fā)TVS 管動(dòng)作；而通過添加聚丙烯膜吸波電容器后，電流達(dá)到400 A，關(guān)斷的尖峰電壓才會(huì)達(dá)到500 V 左右，提高了近80 A 的安全裕度。在320 A相電流條件下（伺服系統(tǒng)實(shí)際工況，最大峰值工作電流在300 A 左右），增加吸波電容后，關(guān)斷電壓尖峰降低24～28 V，有效提高了IGBT 過壓的安全裕度，通過實(shí)測(cè)電流的變化率在2 100 A/us。經(jīng)過式（3）進(jìn)行反算，可以看出母排雜散電感有效降低10 nH 左右。

1.2.2 門極有源鉗位電路設(shè)計(jì)

直流母線的雜散電感（通?？刂圃?0 nH 以內(nèi)）與較快的Ic電流變化率（瞬時(shí)變化率可達(dá)2 500 A/us）將引起母線電壓驟增，需設(shè)計(jì)過壓保護(hù)電路，防止電壓尖峰損壞IGBT。本文的IGBT 過壓保護(hù)電路采用了門極有源鉗位電路，選用了TVS 二極管和硅快恢復(fù)二極管構(gòu)成。門極有源鉗位電路工作原理如下：當(dāng)母線電壓突然增大達(dá)到TVS 二極管的擊穿電壓門限值時(shí)，TVS 被擊穿，有電流流進(jìn)門極，門極電位得以抬升，從而使關(guān)斷電流不要過于陡峭，進(jìn)而減小電壓尖峰。導(dǎo)通時(shí)形成電流通路，如圖6所示。

圖6 門極有源鉗位電路工作原理Fig.6 Working schematic diagram of the active clamp circuit of the gate pole

通過驅(qū)動(dòng)電路單雙脈沖測(cè)試可知，母線電壓340 V 時(shí)，隨著Ic電流增大至800 A，浪涌電壓可達(dá)540 V，增量為200 V。本文選用的IGBT 模塊額定電壓為600 V，有源鉗位二極管動(dòng)作電壓設(shè)計(jì)約在540 V，能夠短時(shí)間保持母線電壓鉗約在540 V，其效果如圖7 所示。

圖7 門極有源鉗位電路工作效果Fig.7 Working diagram of the gate active clamp circuit

2 功率驅(qū)動(dòng)主回路的電磁兼容性設(shè)計(jì)

IGBT 功率驅(qū)動(dòng)模組在直流母線340 V 供電，4 kHz 開關(guān)頻率的工況下，功率主回路上將產(chǎn)生很大的電壓變化率（dv/dt）和電流變化率（di/dt），通過電路環(huán)路中的雜散電容和電感形成傳導(dǎo)干擾。以IGBT關(guān)斷暫態(tài)的dv/dt和di/dt為例，12A/ns的di/dt在1nH雜感上會(huì)產(chǎn)生12V的壓降，12V/ns在1pF的電容會(huì)產(chǎn)生12 mA 的電流。實(shí)際上功率主回中的寄生參數(shù)可能會(huì)遠(yuǎn)大于1 nH 和1 pF，電流環(huán)路會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁場輻射，成為控制系統(tǒng)最大的噪聲源，對(duì)控制器內(nèi)部弱電部分和外部其他電子單機(jī)產(chǎn)生干擾［20-22］。

助推電動(dòng)伺服系統(tǒng)在電磁兼容摸底測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，RE102 電場輻射發(fā)射在10～30 MHz 頻段很難通過，為此采取了如下兩類電磁兼容改造措施。

1）針對(duì)干擾源的措施

主要通過優(yōu)化薄膜電容和功率主回路連接的雜散電感，確保功率主回路雜散電感在80 nH 以下，且通過定制DC-DC 降低原邊和副邊的寄生電容，從根本上減輕干擾信號(hào)的強(qiáng)度。

2）針對(duì)干擾通道的措施

減小控制器對(duì)內(nèi)部輻射干擾的措施：強(qiáng)弱電之間增加了安全間距；采用銅排進(jìn)行三相輸出。

減小控制器對(duì)外部輻射干擾的措施：控制器殼體、電纜全通路采取電磁屏蔽措施；針對(duì)高、低壓供電通路，分別設(shè)計(jì)了強(qiáng)電、弱電濾波組件，加在功率電、控制電輸入端，對(duì)電源信號(hào)供電通路進(jìn)行隔離濾波，衰減干擾信號(hào)，進(jìn)而切斷線路傳播途徑。

減小伺服電機(jī)的電磁干擾的措施：旋變信號(hào)線采取雙絞屏蔽線；在旋變與電機(jī)間用硅鋼片隔磁，降低電機(jī)對(duì)旋變的干擾。

通過上述方法，解決了單機(jī)在電磁兼容試驗(yàn)中的瓶頸問題，改造后的測(cè)試數(shù)據(jù)如圖8 所示。改進(jìn)后的單機(jī)順利通過所有電磁兼容試驗(yàn)項(xiàng)目，在運(yùn)載火箭控制系統(tǒng)中表現(xiàn)優(yōu)異。

圖8 RE102 測(cè)試數(shù)據(jù)Fig.8 Test data of RE102

3 IGBT功率驅(qū)動(dòng)模組的驅(qū)動(dòng)性能測(cè)試

采用專用設(shè)備對(duì)IGBT 功率驅(qū)動(dòng)模組進(jìn)行雙脈沖測(cè)試，評(píng)估其輸出性能，包括：①測(cè)試每只IGBT 管子的門極開通電阻及門極關(guān)斷電阻的數(shù)值是否合適；②IGBT 開通、關(guān)斷時(shí)間；③IGBT 開通、關(guān)斷過程是否有不合適的振蕩；④評(píng)估二極管的反向恢復(fù)行為和安全裕量；⑤IGBT 關(guān)斷時(shí)的電壓尖峰是否合適。關(guān)斷之后是否存在不合適的振蕩；⑥測(cè)量直流母排的雜散電感等［23-25］，驅(qū)動(dòng)模組測(cè)試設(shè)備如圖9所示。

圖9 驅(qū)動(dòng)模組測(cè)試設(shè)備Fig.9 Test equipment of the drive module

采用單脈沖測(cè)試驗(yàn)證IGBT 功率驅(qū)動(dòng)單元的瞬時(shí)短路過流能力（通常設(shè)定為額定電流的4 倍）。采用功率全橋測(cè)試設(shè)備驗(yàn)證IGBT 功率驅(qū)動(dòng)單元的滿功率輸出能力，確保輸出功率能力達(dá)到控制驅(qū)動(dòng)器額定功率的2 倍以上。本文設(shè)計(jì)的模組驅(qū)動(dòng)能力在VDC=（270±40）V 時(shí)，額定輸出相電流Ic≥300 A，峰值相電流≥500 A。IGBT 驅(qū)動(dòng)模組電抗器負(fù)載試驗(yàn)時(shí)相電流輸出波形如圖10 所示。

圖10 IGBT 驅(qū)動(dòng)模組電抗器負(fù)載試驗(yàn)時(shí)相電流曲線Fig.10 Phase current curve of the load test with the IGBT drive module

在電抗器負(fù)載試驗(yàn)中，相電流持續(xù)300 A 輸出4 min，模組底板溫升最高到85 ℃，具有短時(shí)大電流的持續(xù)工作能力，其溫度云圖如圖11 所示。

圖11 IGBT 驅(qū)動(dòng)模組電抗器負(fù)載試驗(yàn)時(shí)溫度云圖Fig.11 Temperature nephograms of the load tests with the IGBT drive module

此外，本文的IGBT 功率驅(qū)動(dòng)模組根據(jù)飛行工況需要，仍開展了強(qiáng)化測(cè)試驗(yàn)證工作，充分驗(yàn)證了驅(qū)動(dòng)模組工作的可靠性與安全性。強(qiáng)化測(cè)試項(xiàng)目見表1。

表1 驅(qū)動(dòng)模組強(qiáng)化測(cè)試項(xiàng)目Tab.1 Drive modules to reinforce the test items

4 結(jié)束語

本文基于光耦驅(qū)動(dòng)芯片設(shè)計(jì)了IGBT 功率驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路，采用降低功率主回路雜散電感與IGBT 有源鉗位閉環(huán)控制相結(jié)合的方法，有效抑制IGBT 大電流關(guān)斷時(shí)的電壓尖峰；對(duì)功率驅(qū)動(dòng)主回路進(jìn)行電磁兼容性設(shè)計(jì)，通過對(duì)動(dòng)力電進(jìn)行濾波，有效解決了高壓高頻信號(hào)通過線纜傳輸對(duì)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)、外部的電磁干擾問題；通過IGBT 功率驅(qū)動(dòng)電路的單雙脈沖測(cè)試以及連續(xù)功率測(cè)試，有效驗(yàn)證了IGBT 功率驅(qū)動(dòng)模組驅(qū)動(dòng)能力達(dá)到（270±40）V 時(shí)，額定輸出相電流≥300 A，為大功率電動(dòng)伺服系統(tǒng)的可靠安全工作提供了支撐；并充分考慮運(yùn)載火箭電動(dòng)伺服控制驅(qū)動(dòng)器的環(huán)境要求和驅(qū)動(dòng)電路的復(fù)雜工況，進(jìn)行了大功率IGBT 功率驅(qū)動(dòng)模組的極限測(cè)試，驗(yàn)證了IGBT 功率驅(qū)動(dòng)模組的強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)性。這些舉措為大功率電動(dòng)伺服系統(tǒng)的可靠安全工作提供了支撐，確保電動(dòng)伺服系統(tǒng)對(duì)運(yùn)載火箭飛行穩(wěn)定性沒有實(shí)質(zhì)性的影響。