一种脉宽调制功率驱动器的研制

2015-03-17姜耀升杨三成陕西华经微电子股份有限公司陕西西安710065

通信电源技术 2015年3期

关键词：功率管舵机端口

姜耀升，杨三成，邓林（陕西华经微电子股份有限公司，陕西西安710065）

本文介绍基于厚膜混合集成电路工艺制成的一种脉宽调制功率驱动电路，主要用于舵机驱动系统中，起着控制舵机转速及转向的作用。

1 技术指标

1.1 电特性

该产品规定的电特性见表1。

表1 主要电特性

1.2 使用环境最大额定值

正电源电压UCC1：＋14 V～＋18 V；正电源电压UCC2：＋28 V～＋45V；输入阻抗ZI：375 kΩ；模块重量Wg：≤150 g；工作温度范围TA：-55℃～＋85℃；贮存温度范围TS：-55℃～＋125℃。

1.3 外形尺寸

该产品外形尺寸见图1。

图1 外形尺寸

2 设计方案及工作原理

2.1 设计方案的确定

根据设计条件，确立了PWM功率驱动器的研制方案，整个电路由两部分组成，第一部分是栅极驱动电路，主要采用集成电路IR2110，将输入脉宽调制信号分配、功率放大；第二部分是功率转换电路，由IGBT管IRG4PC50UD组成的H型双极模式PWM功率桥构成。

具体的电路方框图如图2。

图2 电路方框图

由于产品本身体积小，IGBT管表面积大，在内部芯组的设计上，采用双层拓扑结构，将第二部分H桥功率转换电路集成在厚膜基板上，置于下层，而第一部分栅极驱动电路芯组采用PCB板工艺，置于上层，这样能够很好地解决因功率放大电路耗散的热量对驱动控制电路的热影响，保证了产品的工作稳定性。

2.2 结构设计

结构上采用平行缝焊金属外壳封装，输入端口采用CDb-9ZY型连接器，输出端口采用玻璃烧2.0 mm镀金插针，端口结构焊接方便、可靠，如图3。

2.3 设计原理

本产品的设计原理，是将输入两路驱动能力很弱的脉宽调制信号转换为具有一定驱动能力的、与负载舵机相匹配的、稳定的功率驱动信号，转换过程中频率保持不变。按照设计方案中的电路原理框图，舵机所需的直流电压UCC2被施加到由四个大功率IGBT管Q1、Q2、Q3、Q4组成的H型桥式功率转换电路上，大功率管由驱动电路给Q1、Q4和Q2、Q3提供相位差180°的矩形波栅极激励信号，从而使Q1、Q4和Q2、Q3交替导通，将直流电压UCC调制成与给定频率相同的方波脉冲电压，作用到舵机电枢两端，为舵机提供能量。

2.4 电路原理图

电路工作原理图见图4。

2.5 工作原理简介

结合图4所示，H型桥式功率转换电路主要由四个IRG4PC50 U功率管组成，除IGBT管自身含有的

图4 电路原理图

续流二极管外，每个功率管还外加了电阻、电容吸收网络，激励功率管工作的矩形波信号由IR2110组成的驱动电路提供，D1、C6和D2、C8组成自举电路，为 Q1、Q3两个功率管提供正常高端工作电压，当输入PWM1信号，PWM2端口置低电平时，IC1的高端和IC2的低端输出矩形波信号，激励功率管Q1和Q4工作，电机正转；反之，功率管Q3和Q2工作，电机反转；调节输入PWM信号的占空比，可以改变舵机的转速。D1、R9、C11和C12构成功率电源＋28 V的吸收和滤波电路。

3 技术难点及解决措施

3.1 滤波电路的确定

在设计初级阶段，只注重功率桥的工作电压和电流，而对于工作大电流对电源噪声影响没有过多的考虑，针对纹波电压，只在＋28 V功率电源处外加220μF铝电解电容，而实际工作时纹波尖峰电压很高。根据纹波中峰值电压过高的现象，通过大量的实验，在不影响整体电路工作的情况下，线路设计上增加了吸收滤波网络，如图4所示，其效果十分明显，将原来约6 V的峰值纹波电压降低到1 V，取得了质的突破。

3.2 外形结构的确定

在产品的初样阶段，将整个电路集成在一个铝材料壳体内，输入端使用的连接器型号为CDb-15ZY，输出端口采用Φ2 mm的高温导线引出，腔体内注入灌封料，结构采用锡焊封装。而对于输出端口高温导线的使用，并非我们想象的好用，存在很多不方便、不可靠因素，如：包装问题、诸多筛选后导线的硬化氧化问题、导线与金属外壳长期磨擦后的绝缘强度问题等。为了彻底解决此问题，决定将产品外形由原来的铝制锡焊结构改为钢制平行缝焊结构，输出端口采用玻璃烧Φ2.00 mm插针形式，具体形状如图5，该端口加工简单，焊接方便，可靠性高。

3.3 批产化问题

产品批量化生产基本要求：工序最少，调试最简，采购方便。

功率驱动器生产中，由于元器件质量及其参数的离散性，会有部分产品的部分技术指标产生差异，这就需要进行电路调试，主要是通过个别元件或电路参数的微调，校正产品技术参数，达到设计要求。电路调试技术要求较高，调试过程复杂，单个指标的调整，常常会影响到其它指标。因此，必须在设计时做精确计算，尽量避免过程调试，如果需要验证，在小批量试流时予以解决。为了减少和简化电路调试，生产中要严格按工艺操作，避免贴片、焊接各工序的人为错误。合理分布检验检测点，消除低级错误。

另外，考虑到易于采购，对于设计过程中元件的选取采用了通用化、可替换代用的做法，不能通用、替换的元件固定生产厂家，保证质量，以适应于大批量生产采购的要求。

4 产品特点

4.1 驱动能力强、功耗小

该产品功率转换电路中功率管采用IGBT管，其工作电压可以达到600 V，工作电流可以达到55 A，速度快、功耗小、驱动能力强。

4.2 适用范围广，使用方便

在脉宽调制伺服系统中，栅极驱动电路和功率转换电路起着至关重要的作用，该产品有效地将二者混合集成在一起，再加上该产品输入端口连接器的方便性和输出端口的合理性和可靠性，在伺服系统控制电路方面，有着很广的使用范围。

5 可靠性设计

为了保证产品的可靠性，在产品的抗振动、抗冲击性能、防静电、散热、冗余设计等方面做了大量的工作。用导热灌封料将腔体内剩余的空隙填满，使线路板与外壳成为一体，外壳使用平行封焊结构，并在底部设有四个安装固定孔；元器件采取必要的降额设计并在其进厂后进行严格的工艺筛选，表贴元件采用再流焊工艺，焊接内部连线时操作工要带防静电手腕；将大功率发热元件如大功率IGBT管、二极管等贴装于外壳底面上，利用传导散热将热量发散出去，在产品正常工作时其内部元件有一个合理的热应力环境等。

根据GJB／Z299C-2006《电子设备可靠性预计手册》的相关规定，对产品的可靠性进行理论计算和预计，预计该产品平均故障间隔时间约为4.32×104h。