無刷電動(dòng)舵機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路發(fā)熱特性分析

高智剛, 李朋, 周軍, 鄧濤

(西北工業(yè)大學(xué) 精確制導(dǎo)與控制研究所, 陜西 西安　710072)

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無刷電動(dòng)舵機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路發(fā)熱特性分析

高智剛, 李朋, 周軍, 鄧濤

(西北工業(yè)大學(xué) 精確制導(dǎo)與控制研究所, 陜西 西安710072)

摘要：針對(duì)小型大功率無刷電動(dòng)舵機(jī)由于大電流、高功率密度引起的散熱困難問題，開展其功率驅(qū)動(dòng)電路發(fā)熱特性研究。根據(jù)所使用的H-PWM-L-ON型半橋調(diào)制模式，分析了IGBT三相橋式功率逆變電路的功率損耗，基于RC熱網(wǎng)絡(luò)模型方法建立了該電路的熱傳導(dǎo)模型，并使用英飛凌FS50R06W1E3型功率模塊開展了功率驅(qū)動(dòng)電路發(fā)熱特性仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，所給出的功率驅(qū)動(dòng)電路功率損耗分析結(jié)果合理可信，通過該熱傳導(dǎo)模型可有效計(jì)算功率器件工作溫度。在無刷電動(dòng)舵機(jī)設(shè)計(jì)過程中，可使用此方法進(jìn)行功率器件工作溫度計(jì)算，在確保低于最高工作結(jié)溫的情況下提高可用輸出功率。

關(guān)鍵詞：無刷電動(dòng)舵機(jī)；功率損耗；發(fā)熱特性；熱傳導(dǎo)模型

電動(dòng)舵機(jī)系統(tǒng)是飛行器飛行控制系統(tǒng)的輸出執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其作用是操縱飛行器舵面按照飛行控制指令進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，改變作用在舵面上的氣動(dòng)力矩，實(shí)現(xiàn)飛行器在空間中受力大小和方向的調(diào)節(jié)。由于無刷直流電機(jī)具有功率密度大、效率高、調(diào)速平滑、調(diào)速范圍廣、過載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，還可以實(shí)現(xiàn)頻繁的無級(jí)快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)，因此在電動(dòng)舵機(jī)系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。隨著高速飛行器的快速發(fā)展，對(duì)電動(dòng)舵機(jī)系統(tǒng)提出了更高要求，促使其向著大功率小體積、高負(fù)載高性能的方向發(fā)展。作為電動(dòng)舵機(jī)系統(tǒng)中的核心部件，無刷直流電機(jī)及其功率驅(qū)動(dòng)電路也面臨著輸入輸出功率不斷增大，體積重量嚴(yán)格約束的要求。無刷直流電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路中的功率開關(guān)器件IGBT(insulated gate bipolar transistor)工作在大電流且高頻開關(guān)狀態(tài)下，同時(shí)受體積重量約束無法充分散熱。而過熱一直是影響功率器件性能、最大可輸出功率和可靠性的重要因素，容易出現(xiàn)因結(jié)溫過高造成的功率器件損壞。因此，需要分析無刷電動(dòng)舵機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路的功率損耗與發(fā)熱特性，計(jì)算其發(fā)熱功率和最高結(jié)溫，實(shí)現(xiàn)以下目的：

1) 確保IGBT工作在最高允許結(jié)溫以下，提高功率驅(qū)動(dòng)電路可靠性；

2) 在保證系統(tǒng)可靠性基礎(chǔ)上盡量提高實(shí)際工作結(jié)溫，提高可用輸出功率；

3) 校驗(yàn)電動(dòng)舵機(jī)系統(tǒng)功率驅(qū)動(dòng)電路的散熱器設(shè)計(jì)是否合理。

1無刷電動(dòng)舵機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路

無刷電動(dòng)舵機(jī)的電能-機(jī)械能轉(zhuǎn)換裝置采用的是無刷直流電機(jī)，該型電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由無刷直流電機(jī)本體、轉(zhuǎn)子位置傳感器、邏輯控制單元、柵極驅(qū)動(dòng)電路和功率逆變電路組成，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

無刷直流電機(jī)使用電子換向開關(guān)和轉(zhuǎn)子位置傳感器代替了有刷直流電機(jī)的機(jī)械換向裝置，根據(jù)轉(zhuǎn)子磁極位置將直流電源功率以一定邏輯關(guān)系分配給各相繞組，從而產(chǎn)生持續(xù)不斷的電磁轉(zhuǎn)矩。

其功率逆變電路是由可控關(guān)斷的功率半導(dǎo)體器件組成的全控型三相橋單元，對(duì)于兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)方式工作的無刷直流電機(jī)，在一個(gè)周期內(nèi)每個(gè)功率器件導(dǎo)通120°電角度，每隔60°有一個(gè)功率器件發(fā)生切換。本系統(tǒng)采用H-PWM-L-ON型半橋調(diào)制方式，即在各自120°導(dǎo)通區(qū)間內(nèi)，上半橋臂進(jìn)行PWM調(diào)制，下半橋臂恒導(dǎo)通。

圖2給出了同一橋臂上2只IGBT和續(xù)流二極管的工作情況(各器件編號(hào)同圖1)。當(dāng)IGBT1導(dǎo)通時(shí)，電流流過IGBT1進(jìn)入電機(jī)兩相繞阻構(gòu)成回路；當(dāng)IGBT1關(guān)斷瞬間，由于電機(jī)繞組為感性負(fù)載產(chǎn)生了較大的感生電動(dòng)勢(shì)，該反向電動(dòng)勢(shì)使VD2導(dǎo)通并流過電流。因功率管IGBT1處于調(diào)制狀態(tài)，故VD2也為高頻工作狀態(tài)，二者共同導(dǎo)通一個(gè)導(dǎo)通周期。而當(dāng)IGBT2作為下半橋臂恒導(dǎo)通時(shí)，VD1只在IGBT2關(guān)斷瞬間工作，產(chǎn)生一個(gè)脈沖電流。

圖2　IGBT1/VD2/IGBT2/VD1電流仿真波形

2功率驅(qū)動(dòng)電路功率損耗分析

在無刷直流電機(jī)的功率驅(qū)動(dòng)電路中，IGBT及續(xù)流二極管以高速開關(guān)方式工作，由于這些功率器件均存在導(dǎo)通電阻，故不可避免地存在導(dǎo)通功率損耗和開關(guān)功率損耗，這些功耗通常都以大量熱的形式向外散發(fā)。

由于IGBT管芯不是一個(gè)理想開關(guān)，體現(xiàn)在：①IGBT在導(dǎo)通時(shí)有飽和壓降VCE(sat);②IGBT在開關(guān)時(shí)有開關(guān)能耗Eon和Eoff。其中VCE(sat)引發(fā)導(dǎo)通損耗,Eon和Eoff造成開關(guān)損耗,2種損耗之和等于IGBT總損耗。

續(xù)流二極管也存在兩方面損耗,表現(xiàn)在:①續(xù)流過程中有正向?qū)▔航礦F;②反向恢復(fù)過程中有反向恢復(fù)能耗Erec。其中VF造成導(dǎo)通損耗,Erec引起開關(guān)損耗,兩者之和等于續(xù)流二極管總損耗。

三相無刷電機(jī)系統(tǒng)中功率逆變電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和負(fù)載均為對(duì)稱結(jié)構(gòu),各相IGBT和續(xù)流二極管的電壓和電流波形相似。因此,先以其中一個(gè)橋臂為例進(jìn)行IGBT和續(xù)流二極管的功率損耗計(jì)算,再計(jì)算整個(gè)功率逆變電路的總功耗。

2.1導(dǎo)通損耗

導(dǎo)通損耗指IGBT在導(dǎo)通過程中由于存在飽和壓降和導(dǎo)通電阻而產(chǎn)生的靜態(tài)損耗。由IGBT的典型輸出特性曲線可知,導(dǎo)通壓降VCE(sat)可用門檻壓降疊加電阻電壓的方法進(jìn)行線性化,表示為

(1)

式中,VCE0為門檻電壓,由內(nèi)部P-N結(jié)形成;RCE為通態(tài)導(dǎo)通電阻;ICN為額定電流(Tvj=25 ℃);VCEN為額定電流下的額定電壓降。

同時(shí),IGBT和續(xù)流二極管的飽和壓降不僅受電流影響,還與芯片結(jié)溫有關(guān)?？紤]結(jié)溫的影響,假設(shè)門檻電壓和通態(tài)電阻會(huì)隨著溫度升高而近似呈線性化變化[1-4]。集電極-發(fā)射極電壓VCE與集電極電流IC的關(guān)系可近似用如下線性關(guān)系描述

(2)

式中,VCE0,25℃為25℃時(shí)的額定通態(tài)導(dǎo)通壓降;RCE,25℃為25℃時(shí)的額定導(dǎo)通電阻;Tj-Tr為IGBT實(shí)際結(jié)溫;Kv-Tj和Kr-Tj分別為溫度對(duì)IGBT導(dǎo)通開啟壓降和通態(tài)電阻的影響系數(shù)。

同理,對(duì)快恢復(fù)二極管也有

(3)

對(duì)于如圖1所示的無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),1個(gè)電周期的6個(gè)狀態(tài)中每個(gè)IGBT有2個(gè)狀態(tài)處于導(dǎo)通狀態(tài)。設(shè)電周期為T,上管調(diào)制占空比為δ,則每個(gè)IGBT在1個(gè)周期內(nèi)的導(dǎo)通時(shí)間為

(4)

式中,負(fù)載電流IC流過IGBT1的時(shí)間為δ·Tcond,在剩下的(1-δ)·Tcond時(shí)間里流過續(xù)流二極管VD2。而對(duì)于不受調(diào)制的IGBT2和VD1來說,可以認(rèn)為占空比δ=1。

可知,單個(gè)IGBT的通態(tài)損耗為

(5)

由于PWM調(diào)制頻率很高且電機(jī)轉(zhuǎn)速很高,在IGBT導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)IC(t)可以認(rèn)為基本不變,因此上式可寫為

(6)

則在無刷直流電機(jī)一個(gè)電周期中,單個(gè)IGBT的平均功率損耗為

(7)

由于IGBT1關(guān)斷瞬間VD2立即工作,因此VD2也處于高頻調(diào)制狀態(tài),同理一個(gè)受調(diào)制的續(xù)流二極管平均功率損耗為

(8)

由(2)式、(3)式、(7)式、(8)式可得IGBT和續(xù)流二極管的導(dǎo)通損耗為

(9)

(10)

綜上可知,IGBT器件的導(dǎo)通損耗與開關(guān)頻率無關(guān),是關(guān)于集電極電流、占空比和結(jié)溫的函數(shù)。在無刷直流電機(jī)實(shí)際工作中,可調(diào)占空比在(0,1)區(qū)間內(nèi)變化,故功率驅(qū)動(dòng)電路的功率損耗也隨著控制指令變化而變化。

2.2開關(guān)損耗

2.2.1IGBT開關(guān)損耗

IGBT的開關(guān)損耗是指IGBT在開通與關(guān)斷過渡過程中的功率損耗。隨著開關(guān)頻率的提高,開關(guān)損耗在整個(gè)器件功耗中所占比例也逐漸變大。獲取開關(guān)損耗最精確的方法是測(cè)量開關(guān)過程中VCE和IC波形,對(duì)其進(jìn)行時(shí)間積分。但積分方法對(duì)測(cè)量設(shè)備要求較高且計(jì)算量大,在實(shí)際工程應(yīng)用中一般利用器件手冊(cè)中相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行開關(guān)損耗估算[5-6]。

考慮到實(shí)際工作狀態(tài)和器件手冊(cè)給出的參考測(cè)量狀態(tài)之間關(guān)系,在一個(gè)電周期內(nèi)IGBT的開關(guān)損耗可以表示為

(11)

式中,Eon和Eoff分別為給定測(cè)試條件下的單脈沖開通、關(guān)斷損耗,fSW為IGBT的調(diào)制頻率。

2.2.2FWD反向恢復(fù)損耗

對(duì)于快恢復(fù)二極管,由于存在較大的反向電壓和瞬時(shí)反向恢復(fù)電流,故需要考慮單次反向恢復(fù)損耗Erec。在測(cè)試條件接近的情況下,Erec可近似的看作與IF和VF成正比,則有

(12)

2.3功率驅(qū)動(dòng)電路總損耗

如圖1所示功率逆變電路為6個(gè)IGBT功率管構(gòu)成的三相橋式電路,由于采用上半橋調(diào)制方式,各相橋臂上只有1只功率管處于調(diào)制狀態(tài),同一橋臂上、下管發(fā)熱不均衡。

對(duì)于各橋臂的上半橋臂而言,需要同時(shí)考慮被調(diào)制功率管的導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗,續(xù)流二極管在1個(gè)電周期內(nèi)僅單次工作,其功率損耗可忽略不計(jì),故有

(13)

由于下半橋臂功率管所并聯(lián)的反向續(xù)流二極管也處于調(diào)制狀態(tài),故需要考慮其導(dǎo)通損耗和關(guān)斷損耗。而下半橋臂功率管在其導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)恒導(dǎo)通,故僅需考慮其導(dǎo)通損耗(可認(rèn)為占空比δ=1)。因此,各橋臂下半橋臂的功率損耗為

(14)

若功率逆變電路使用六單元IGBT模塊,在模塊內(nèi)部封裝有6個(gè)并列排布的IGBT和二極管芯片。因?yàn)楦鱾€(gè)芯片均置于同一塊散熱基板上,忽略各熱源之間的熱流耦合可把每個(gè)熱源進(jìn)行線性疊加,則整個(gè)模塊的功耗為

Ptotal-module=3·(Ptotal-Tr1+Ptotal-Tr2+Ptotal-D2)

(15)

3功率驅(qū)動(dòng)電路熱傳導(dǎo)模型建模

功率器件的功率損耗主要轉(zhuǎn)變?yōu)槠骷陨戆l(fā)熱量,器件有源區(qū)熱量必然引起其相對(duì)于芯片其他部分和周圍介質(zhì)間的溫度差,因此會(huì)產(chǎn)生從IGBT管芯/二極管→基板→散熱器→外界環(huán)境的熱傳導(dǎo)。因此,需要建立IGBT功率器件熱模型,分析確定在特定應(yīng)用條件下功率器件的體內(nèi)外溫度,確保IGBT全程工作在最高允許結(jié)溫以下,避免因散熱不暢導(dǎo)致器件失效。由于本功率驅(qū)動(dòng)電路工作時(shí)熱對(duì)流和熱輻射所占比重很小,因此本文僅考慮占主導(dǎo)作用的接觸面熱傳導(dǎo)過程。

計(jì)算功率器件的熱傳導(dǎo)過程一般有3種方法[7]:解析模型法、數(shù)值模型法和等效阻容(RC)熱網(wǎng)絡(luò)模型法。其中RC熱網(wǎng)絡(luò)模型方法通過建立熱傳導(dǎo)系統(tǒng)的熱阻模型,能快速計(jì)算模塊損耗并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,具有較好的熱分析精度,同時(shí)還可避免復(fù)雜的網(wǎng)格劃分和巨大的數(shù)值計(jì)算工作量。因此,本文采用RC熱網(wǎng)絡(luò)模型方法對(duì)無刷電動(dòng)舵機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路的熱傳導(dǎo)過程進(jìn)行仿真研究。

與電阻類比,熱阻(Rth)表示熱量在傳遞路徑上的阻力,即單位功耗引起的溫升,其單位是℃/W,表達(dá)式為

(16)

式中,ΔT為兩區(qū)域溫度的變化量;Pc為產(chǎn)生溫差所耗散的功率。

采用熱阻等效電路的形式分析本功率驅(qū)動(dòng)電路散熱系統(tǒng),將功率器件的損耗功率等效為電流源,熱阻等效為電阻,熱阻產(chǎn)生的溫差等效為電壓差,定義PTr、PD為IGBT和續(xù)流二極管的損耗,Tj-Tr、Tj-D為IGBT和續(xù)流二極管的結(jié)溫,Tc、Ts、Ta分別為管殼、散熱器表面和環(huán)境溫度,Rθ(j-c)-Tr、Rθ(j-c)-D為IGBT和續(xù)流二極管的結(jié)-殼(junction-case)間熱阻,Rθ(c-a)為管殼到環(huán)境(case-ambient)的熱阻,Rθ(c-s)為管殼到散熱器(case-heatsink)的熱阻,Rθ(s-a)為散熱器到環(huán)境(heatsink-ambient)的熱阻,可獲得等效電路如圖3所示。

圖3　功率驅(qū)動(dòng)電路散熱系統(tǒng)熱阻等效電路圖

由于Rθ(c-a)相對(duì)于Rθ(c-s)和Rθ(s-a)數(shù)值很大,因此Rθ(c-a)在與Rθ(c-s)和Rθ(s-a)并聯(lián)時(shí)可忽略不計(jì)。則在一定工作條件下,當(dāng)模塊溫度達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)系統(tǒng)各部分的溫度分別為

(17)

4發(fā)熱模型仿真分析與實(shí)驗(yàn)測(cè)試

以英飛凌FS50R06W1E3六單元功率模塊為對(duì)象進(jìn)行仿真，仿真參數(shù)分別如表1和表2所示。器件工作電壓為36.8 V，開關(guān)頻率為20 kHz，導(dǎo)通占空比為0.6，采用自然冷卻方式。

表1　FS50R06W1E3導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗參數(shù)

表2　功率驅(qū)動(dòng)電路發(fā)熱模型仿真參數(shù)

通過仿真計(jì)算可知達(dá)到熱平衡后模塊內(nèi)部的損耗分布如圖4所示。其中，IGBT開關(guān)損耗在總損耗中所占比例最大(47.63%)，原因是功率管處于高頻開關(guān)狀態(tài)(20 kHz)；而由于工作電流較小(約為額定電流的1/6)，故導(dǎo)通損耗略低(31.56%)。熱平衡后溫度分布為：散熱器92.9℃，模塊外殼103.4℃，結(jié)溫139.8℃，結(jié)溫低于模塊允許的極限溫度(175℃)。

圖4　功率模塊內(nèi)部損耗分布

為了對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)模塊進(jìn)行溫升考核實(shí)驗(yàn)，分別采用紅外熱成像儀和模塊內(nèi)置的熱敏電阻測(cè)量散熱器表面溫度和模塊內(nèi)部管芯基板溫度。實(shí)測(cè)曲線如圖5和圖6所示。初始工作溫度為室溫(30.2 ℃)，連續(xù)工作360 s后達(dá)到熱平衡狀態(tài)，測(cè)得散熱器表面和模塊內(nèi)部基板溫度分別為91.9 ℃和102.9 ℃。

圖5　功率模塊溫度變化曲線

圖6　功率模塊溫升曲線

對(duì)仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步分析可知：隨著工作時(shí)間的增加，模塊溫升逐漸減小，溫度增加減慢，如果散熱設(shè)計(jì)得當(dāng)，最終將達(dá)到熱平衡狀態(tài)。反之，如果散熱不良，模塊隨著熱量積累導(dǎo)致過熱損壞。因此，該模型還可用于完成對(duì)功率驅(qū)動(dòng)電路散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)校核。

對(duì)于無刷電動(dòng)舵機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路來說，則必須要保證其在單次最大工作時(shí)間內(nèi)(短時(shí)工作制)的溫升小于允許值，在滿足系統(tǒng)所需功率驅(qū)動(dòng)能力的同時(shí)保證系統(tǒng)可靠性要求。

5結(jié)論

本文針對(duì)無刷電動(dòng)舵機(jī)伺服系統(tǒng)體積小、功率密度大的特點(diǎn)，開展了無刷直流電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路的發(fā)熱特性研究。首先，根據(jù)無刷電動(dòng)舵機(jī)所采用的H-PWM-L-ON型半橋調(diào)制方式，分析了基于IGBT的三相橋式功率逆變電路功率損耗。在此基礎(chǔ)上，按照RC熱網(wǎng)絡(luò)模型方法建立了該電路的熱傳導(dǎo)模型。最后，以英飛凌FS50R06W1E3型六單元功率模塊為對(duì)象，開展了無刷電動(dòng)舵機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路發(fā)熱特性的仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

結(jié)果表明，本文給出的無刷電動(dòng)舵機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路功率損耗分析方法合理有效，利用所建立的熱傳導(dǎo)模型可有效計(jì)算各部位最高溫度，達(dá)到盡量提高可用輸出功率同時(shí)又確保功率驅(qū)動(dòng)電路可靠工作的目的，并可完成對(duì)功率驅(qū)動(dòng)電路散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)校驗(yàn)。

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Gao Zhigang, Li Peng, Zhou Jun, Deng Tao

(Institute of Precision Guidance and Control, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710072, China)

Abstract:The thermal characteristics of power driver are developed for miniaturized brushless electromechanical actuator(EMA), which aims at solving its thermal cumulate problems caused by large current and high power density. On the basis of the semi-bridge modulation mode of H-PWM-L-ON, the power dissipation of three-phase bridge inverter circuit is analyzed; the thermal conduction model is built with the method of RC thermal network. The simulation and experiment results of Infineon IGBT-modules FS50R06W1E3 indicate that the conclusion of power dissipation is accurate and the thermal conduction model can compute the operating temperature of power device. The method can be used to evaluate the power driver of brushless EMA for estimating the operating temperature; this can avoid the temperature′s exceeding the maximum junction temperature while improving effective output power.

Keywords:actuators, brushless DC motor, computer simulation, efficiency, electric currents, electric inverters, energy dissipation, estimation, experiments, heat conduction, heat sinks, insulated gate bipolar transistors(IGBT), pulse width modulation, reliability, switching frequency, temperature, waveform analysis; brushless EMA, effective output power, H-PWM-L-ON, high power density, power dissipation, RC thermal network, thermal characteristics, thermal conduction model, three-phase bridge

中圖分類號(hào)：V421.6+1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào):1000-2758(2016)01-0153-06

作者簡(jiǎn)介：高智剛(1982—)，西北工業(yè)大學(xué)講師，主要從事高性能電動(dòng)伺服技術(shù)研究。

基金項(xiàng)目：中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(3102015BJ(Ⅱ)CG010)資助

收稿日期：2015-09-26