全数字交流伺服驱动器的效率与功耗计算

摘要：因IGBT的高开关频率和大额定电流特性，已成为主流全数字交流伺服驱动器的主功率器件。但因IGBT的开关特性，其功率损耗是驱动器发热的主要来源，为了提高全数字交流伺服驱动器的可靠性，准确的估算其功率损耗和效率，在设计中以IGBT数据表为依据建立了功耗和效率计算公式。经样机实验数据表明：所提出的方法可以准确的计算出IGBT模块的功耗和效率，具有很好的实用性。

关键词: IGBT；全数字交流伺服驱动器；功耗；效率

1、序言

近年来，随着计算机技术、半导体技术和电力电子技术的飞速发展，以及全球对能源问题的持续关注，永磁伺服电机因其具有的体积小巧、高效率、输出功率和转矩大、控制灵活等特点，在传动领域其应用范围越来越广，与此同时永磁伺服电机的不断发展对伺服驱动器提出了更高的控制要求和可靠性要求，交流伺服技术也逐渐被越来越多的厂家所掌握，加上交流伺服系统上游芯片和各类功率模块的不断推陈出新和智能化，促成了国内伺服驱动器厂家在短短的不足十年时间里实现了从起步到全面扩展的发展态势，在伺服技术全面发展的同时，直接影响伺服驱动器热稳定性的功耗计算和效率分析也变得愈发重要[1]。本文介绍在设计采用SPWM算法的全数字伺服驱动器时，利用IGBT的数据表查询功率器件的设计参数，并通过这些参数进行伺服驱动器的功耗计算和效率分析。

2、IGBT参数分析与功耗估算

2.1 IGBT的导通/关断损耗

为了便于IGBT损耗的分析和计算，根据IGBT的工作过程将其分为导通损耗和关断损耗，这两个参数在所有IGBT生产商提供的数据表中都是一个关键的数据，直接表明了IGBT的损耗功率值。在厂家提供的datasheet中，IGBT导通损耗(Eon)与关断损耗( Eoff)这两个参数是在指定的门极驱动电阻Ron和Roff、额定门极驱动电压VGE下测试得到的，从图1中可以看出，在条件一定的情况下，随着电流Ic的增加IGBT的导通和关断损耗也是不断增加, 所以将导通和关断损耗分别表示为Eon(Ic_igbt)，Eoff (Ic_igbt)。图1表示了IGBT的功耗随IC变化的曲线[2]。

图 1 IGBT与Ic变化的特性曲线

2.2续流二极管的参数分析

从IGBT的原理图和导通特性可以得出，IGBT每次由导通到关闭时，由于IGBT的寄生参数影响，IGBT会产生一个非常大的反向恢复电流Irr ,为了使IGBT能够迅速的关断，在IGBT的CE两极之间并联一个超快恢复的续流二极管，以保证每次关断时，反向恢复电流可以通过续流二极管进行释放。与集电极电流IC相比较，反向恢复电流Irr也是很大的数值，所以在计算系统的损耗时，这部分由来自于续流二极管导通到关闭过程中产生的损耗也必须进行计算在内。查询知名IGBT生产商的器件数据手册发现，这个续流二极管的电流特性曲线是由两个函数图表示的，并且续流二极管的反向恢复电流值IF与IC相同，因为交流伺服电机属于感性负载，IGBT的集电极电流IC在反向恢复时不会发生突变。根据以上分析，计算时可以把续流二极管的正向电压VF看成Ic的函数VF(Ic_igbt)，反向恢复损耗Eoff _diode(Ic_igbt) [2]。

2.3三相整流桥的参数分析

目前，全数字交流伺服驱动器的主回路仍采用交-直-交变换方案，交流输入电源经三相不可控桥式整流模块得到一个电压值恒定直流母线电压，该直流母线电压经过PWM斩波技术逆变成电压值和频率都可调的正弦输出电压为交流伺服电机供电[3]。现在很多IGBT生产厂家，为了增加器件的集成度，提高模块的可靠性，通常都会在IGBT模块中集成三相不可控整流桥，在器件的参数表中，只有整流桥二极管的正向电压值VF,并且在IGBT的数据手册中该参数是一个固定值。由于三相整流桥的输出功率和损耗功率取决于IGBT的工作状态，我们首先需要确定IGBT和续流二极管的功耗总和Ploss_inverter，在根据工作电流计算输出功率Poutput，通过这样分解可以三相整流桥的功率输出计算公式1：

（公式1）

经过以上分析，可以得出三相整流桥的功耗计算公式如下：

（公式2）

图 2 伺服驱动器的主回路原理图

3、伺服驱动器的总功耗和效率计算

目前国产的全数字交流伺服驱动器在控制上普遍采用基于PWM调制技术的SPWM算法，该算法在6路IGBT导通和关断的小区间内，每次只有一个器件进行开关，所以开关损耗小。但是由于受制于IGBT目前的开关技术，一般将伺服驱动器的载波频率Fcarrier设定为10KHz, IGBT厂家的测试数据表明：IGBT的开关损耗随着载波频率的增加而升高，是一个正比例的关系,所以为了使驱动器具有更好的控制特性，并且降低系统的整体功耗，提高热稳定性，在目前的IGBT开关技术下，一般其载波频率都不大于16kHz，实际使用过程中，由于载波频率会影响伺服驱动器的输出电流波形，因此为了方便用户的使用，伺服驱动器的生产厂家将载波频率作为一个系统参数，通过软件进行设定，这样用户可以根据现场伺服电机的应用情况，在载波频率要求的范围内进行适当的调整，使整个运动控制系统达到更好的控制效果。下面以全数字交流伺服驱动器的控制算法SPWM为基础，结合IGBT的参数表提出一种可以满足实际使用要求的驱动器功耗和效率的计算方法。

3.1 IGBT的损耗计算

根据交流伺服PWM控制理论，正弦波方程为Sin(ωt)，调制度为A=(1+AcosΩt)*sin(ωt)，那么占空比[3]：

（公式3）

当IGBT以额定载波频率Fcarrier工作时，每个IGBT模块的开关损耗：

（公式4）

VDC/VDCnom是一个补偿系数，用来表示测试电压和实际电压的比值。

不管是采用单极性SPWM还是双极性SPWM控制理论，一个周期内，上下桥臂的IGBT交替导通和关断，即每个IGBT只工作半个周期[4]，所以功耗计算公式为：

（公式5）

3.2 续流二极管的功耗计算

在伺服驱动器正常工作时，续流二极管的功耗由导通损耗Pcond_diode和反向恢复损耗Pcomm_diode两部分组成，这两部分的计算公式如下：

（公式6）

（公式7）

所以每个续流二极管在正常工作时的总功耗为：

（公式8）根据SPWM理论，这些二极管在每个SPWM周期中只有半个周期处于工作状态，所以其平均功耗计算公式如下：

（公式9）

3.3 伺服驱动器的功耗和效率计算[5]

根据SPWM控制理论可知，在伺服驱动器工作时，有3个IGBT导通工作，同时有3个续流二极管处于反向恢复工作中, 所以伺服驱动器的逆变部分的功耗计算公式为:

（公式10）

根据公式1和公式2三相整流桥的功耗计算公式，可以推导出驱动器在额定状态下工作时总功耗的计算公式如下：

（公式11）

3.4全数字交流伺服驱动器的效率计算

伺服驱动器主电路选用的功率器件都存在着功率损耗，无法达到100%的能量转换，所以计算其输出功率可以采用下面的计算公式：

（公式12）

Vin：三相交流输入电压有效值；

IC_IGBT:IGBT的额定输出电流；

通过公式计算出伺服驱动器的额定输出功率后，就可以得到计算伺服驱动器的效率计算公式，其中Fcarrier=10kHz：

（公式13）

这样, 我们在设计交流伺服驱动器时，就可以利用上面的功耗公式，根据厂家提供的IGBT器件或其他功率器件的技术手册，估算出伺服驱动器的效率和功耗，为设计合理的散热系统提供理论依据。

4、实例

为了详实的验证IGBT的功耗和功率估算方法，我们以带有三相不可控桥式整流电路的IGBT模块FP150R07N3E4为例进行计算，该IGBT为英飞凌公司生产的并且目前在全数字交流伺服驱动器中广泛应用，其计算结果更具有普遍的说服力。最终计算的结果如表所示。

5、结束语

本文提出的全数字交流伺服驱动器功耗和效率的估算方法非常直观和简单, 在驱动器设计之初就可以利用该方法进行整个设备的功耗和效率设计，从而完成伺服驱动器的热设计。根据计算结果，结构工程师就可以进行伺服驱动器的散热系统设计，而散热系统设计的优劣，直接影响产品的可靠性和使用寿命。目前，文中提到的计算方法，已经在多种伺服产品上得到了试验验证，并经过对比，计算值和测试值在各种情况下误差在15%以内。可以得之，该计算方法对伺服驱动器的设计是有效和实用的。

参考文献

[1] 王水平等.PWM控制与驱动器使用指南及应用电路：SPWM PFC和IGBT控制与驱动器部分. 西安电子科技大学出版社

[2] 曲学基.IGBT及其集成控制器在电力电子装置中的应用. 电子工业出版社

[3] 张兴，张崇巍. PWM整流器及其控制. 机械工业出版社

[4] 张艺东.SPWM逆变器调制方式的研究 .科技创新与生产力.2011年05期

[5] 邓加凌,朱劲. 通用交流伺服驱动器的功耗与效率估算. 科技创新导报 2009年35期

作者：丁云飞，1978年生，高级工程师，工学学士，一直从事高档数控机床、全数字总线数控系统及伺服驱动等产品的研发项目管理及品质管理工作。