一种水冷式高压功率放大器

2019-11-05张红彩张巧寿底红岩王一东张奎华

自动化与仪表 2019年10期

张红彩，张巧寿，底红岩，王一东，张奎华

（北京强度环境研究所，北京100076）

功率放大器（简称功放）是电动振动试验系统的重要组成部分，它为振动台提供驱动电源，使振动台运动部件按照设定的轨迹进行振动。在电动振动台领域，功放的发展经历了线性功放和开关功放2个阶段，开关功放凭借着效率高、损耗小、功率大及可靠性高等优势已全面取代线性功放[1]。国外对开关功放的研究已经达到很高水平，但输出电压有效值均在100 V 左右，英国LDS 公司的SPAK 开关功放采用多个模块并联技术，最大功率为280 kV·A[2]。国内几家主要振动台设备供应商所使用的基本都是国外进口的早期功放或其仿制品。近几年国内功放技术的发展较快，已经研制出高压大功率开关功率放大器，基于IGBT 全桥逆变电路和PWM 集成控制电路[3]，输出电压有效值320 V，输出功率480 kV·A，其单模块输出功率17.6 kV·A，已经做到国内最大功率。

随着我国航空、航天、高铁等事业的发展，为卫星和导弹等提供整机可靠性试验的电动振动台的吨位越做越大，所要求的开关功放输出功率也越来越大。目前国内外开关功放通常采用风冷散热，70 t振动台的功放输出功率要求达到MV·A 级，往往需要十几个功放柜、几十个功放模块并联。而传统的风冷开关功放有冷却效果差，效率低，体积大，成本高等缺点，而且大量功放柜并联造成的功放均流效果差、可靠性低等问题也亟待解决。故在此提出了一种水冷式的高压功率放大器，采用了水冷散热方式以及大功率IGBT 驱动技术。

1 系统构成

水冷式高压功率放大器由主控制柜、功率柜组和水冷柜组成，如图1所示。

图1 功放系统框图Fig.1 Block diagram of power amplifier system

主控制柜包含主控制模块和励磁电源。主控制模块是整个功放系统的“大脑”，接收控制仪发出的振动试验谱形，实现控制算法，进行PWM 调制，并将调制后的开关信号传送给功率柜组。它还负责功放系统的起停控制，工作状态显示，故障检测保护等。励磁电源为振动台静圈提供直流电源，从而形成稳定静态磁场。

功率柜组由若干个功率柜组成，每个功率柜具有相同的结构和功能，它们并联连接后形成大电流直接输出给振动台动圈。功率柜由外围电路、从控制模块和若干个功率模块组成。①外围电路从三相电源获取交流电，完成整流功能，主要包含软启动电路、三相整流电路、电容组滤波电路等。②从控制模块与主控制模块进行数据通讯，接收控制指令并将每个功率柜的工作状态回传，主要包含数据通讯电路、状态采样电路、显示电路、保护电路、PWM 信号隔离缓冲电路等。③功率模块是功放系统的功率放大主电路，实现全桥逆变功能，主要由IGBT 驱动电路、IGBT模块及散热器、缓冲吸收电路、LC 滤波电路等组成。

功放冷却系统主要包括水冷柜、IGBT 散热器等。水冷柜由换热器、水箱和水泵组成，水箱中的内循环水流经换热器之后可以将水温降到冷却所需的温度，经过水泵将一定压力的冷却水输送到功率模块箱的IGBT 散热器中，从而将IGBT 模块产生的热量带走。为了提高散热效率，功率柜组之间采用水路并联的冷却方式。

图中，振动台的运动状态直接反馈给控制仪，控制仪通过内部控制算法生成试验谱形发送给功放，而水冷高压功放是一个独立的自闭环系统，接收指定信号并进行功率放大复原，而且频带宽、功率大。

2 电路工作原理

水冷式高压功率放大器的电路原理如图2所示，分为上下两部分——强电、弱电。

弱电部分主要实现控制算法，生成PWM 开关信号。控制仪给出的试验谱形首先经过信号调理电路进行滤波隔离处理，然后与电压反馈信号进行比较，其差值信号经过PI 调节电路后进行SPWM 调制，调制后的PWM 信号经过从控制模块隔离缓冲处理后直接输出到功率模块的驱动电路，控制IGBT 桥臂的开通和关断，从而得到脉宽按正弦规律变化的脉冲。

图2 功放电路原理Fig.2 Power amplifier circuit principle

电压反馈在逆变桥输出端获取脉冲信号，然后送至主控制模块进行滤波隔离处理，一方面送入到控制算法电路，另一方面送入到显示、保护电路。电流反馈从功率模块LC 滤波电路后级获取，直接送入到显示、保护电路。电压反馈之所以未在LC滤波电路后级获取，是为了获得更加精确的、没有相位差的反馈信号，从而得到更好的控制效果。系统其他的运行状态参数，例如母线电压、冷却水参数等通过各自的采样电路都送入显示、保护电路，监控系统的运行状态，保护人员设备的安全。

强电部分的功能是实现AC-DC-AC 电能变换。三相交流电源连接到软启动电路，得到控制模块的启动功放指令后，水冷柜立刻开始工作，预先给功率柜整流桥和功率模块IGBT 散热器供水冷却，待软启动完成时，三相交流接触器才开始吸合。功放停止运行时，关断顺序正好相反，首先切断三相交流接触器，然后延时关断水冷柜以便功率器件能够得到充分散热。功放启动后，三相交流电经过三相不控整流、电容组滤波变换后为功率模块提供直流电源，实现AC-DC 变换过程。变换后的直流电源，经过功率模块中IGBT 全桥逆变电路后，得到PWM 脉冲交流电，再通过功率模块内部的LC滤波电路进行解调滤波，得到与输入试验谱形完全一样的大功率信号，输出给电动振动台，实现DC-AC 变换，从而驱动振动台按照指定的谱线进行振动。

3 冷却系统的设计

传统的功率放大器通常采用风冷的散热方式。在此所设计的高压功放输出功率已经达到MV·A级，风冷的方式已无法满足功放的散热需求。水冷的散热效果是风冷散热的10 倍以上，故设计了水冷散热器结构和安全可靠的连接方式，不仅可以满足高压功放的散热需求，还可以降低工作环境噪声。以4 功率柜组的功放为例，冷却系统的连接如图3所示。

冷却系统主要由水塔、水冷柜、水冷通道、IGBT散热器等构成。水塔可以为水冷柜提供外循环水，用于冷却内循环水；水冷柜为功率柜组提供一定压力的冷却水，用于带走功率模块产生的热量；IGBT散热器上安装大功率IGBT 模块，当冷却水流经IGBT 散热器中的水流通道时，可以将IGBT 模块产生的热量全部带走。

图3 冷却系统连接Fig.3 Cooling system connection

3.1 IGBT 散热器结构设计

IGBT 散热器是冷却系统的关键部件，其结构设计的好坏直接关系到系统的散热性能。为提高系统的散热效率，减小系统的整体质量，在此使用导热系数较高的铝合金；为提高其结构紧凑性，每个功率模块箱的4 个IGBT 模块对称分布在散热器两侧。IGBT 散热器内部加工有水流通道，水流通道横截面直径为10 mm，其整体尺寸为245 mm×20 mm×124 mm。散热器结构如图4所示。

图4 IGBT 散热器结构示意图Fig.4 Schematic diagram of IGBT radiator structure

3.2 冷却回路设计

功率放大器每个功率柜之间，以及功率柜中每个IGBT 散热器之间的冷却回路，采用并联的连接方式，其冷却回路结构如图5所示。

图5 冷却回路结构示意图Fig.5 Schematic structure of cooling loop

3.3 冷却水压力确定

为确定试验过程中功放柜冷却水的供给压力，在此采用了理论计算的方法确定水泵的出水压力[4]。单个功率柜水压的计算过程如下：

每个IGBT 模块的最大发热量约为Q=2500 W，1 个功率模块箱共有4 个IGBT 模块，散热器水流通道横截面直径设计为d=10 mm。设冷却水的进水温度为Tin=30 ℃，出水温度为Tout=35 ℃，则冷却水的水流量为

式中：Cp为水的比热容。水的流速为

式中：r 为水流通道半径。雷诺数为

式中：ρ 为水的密度；η 为水的黏性系数。Re＞4000，可以判断出水为湍流状态。散热器水流通道的沿程阻力系数为

式中：Δ 为水流通道的管壁粗糙度。局部压力阻力系数ξ，查机械设计手册可知，入口ξ1=1，出口ξ2=1，弯道ξ3=1.12×6=6.72（共有6 处管道）。因此，所需冷却水的总压力损失为

式中：ΔPT为沿程压力损失；ΔPr为局部压力损失；L为水流通道的长度。

所有功率模块箱的水路都是采用并联的连接方式，为了提高功放工作的安全性能，最终取水泵的出水压力为0.3 MPa。

4 大功率驱动技术

为获得大功率输出而且少模块并联，除需要采取水冷式散热方式以提高散热能力之外，还需要提高单模块的功率输出能力。借助于水冷散热能力的增强，提高模块输出电流，既可以通过选择额定电流更大的IGBT 作为开关管，以可以通过提高现有IGBT 的电流输出能力来实现。不管采取哪种方式，都需要提高IGBT 驱动电路的输出功率，故在此设计了基于2SC0435T 的新型IGBT 驱动电路。

4.1 2SC0435T 简介

2SC0435T 是瑞士CONCEPT 公司推出的基于SCALE-2 驱动内核的双通道、大功率驱动模块，它集低成本、超紧凑于一身，可以驱动1700 V 以内的所有常见大功率IGBT 模块，是目前工业应用中功率范围内最紧凑的驱动核[5]。2SC0435T 内部主要由输入逻辑驱动转化接口（LDI）、智能栅极驱动（IGD）和电气隔离模块3 部分组成，包含完整的双通道IGBT 驱动核，具备隔离的DC/DC 变换器、短路保护、高级有源箝位和电源电压监控功能[6]。

2SC0435T 驱动核输出功率高，延迟时间极短且抖动极小，专为大功率和超快速开关而设计，支持的开关频率高达100 kHz。驱动器可产生15 V/-10 V的栅极电压摆幅，对开通电压进行稳压，无论输出功率如何都使其保持在稳定的15 V。每个输出通道都可以提供35 A 的输出电流和4 W 的驱动功率，非常适合水冷式高压功率放大器。

4.2 大功率驱动电路设计

基于2SC0435T 的大功率驱动电路如图6所示。

4.2.1 原方电路的设计思路

由于2SC0435T 集成了电源电压监控功能，而不需要外接电源保护，因此原方电路比2SD315A 简单。图6中，2SC0435T 工作在半桥模式，MOD 端通过Rm连接到GND，并联的Cm则用于减小INA 在上升沿和下降沿分别产生死区时间的抖动。此时，INA为PWM 信号输入端，INB 为使能信号端，在此将功放系统的保护信号作为使能信号，一旦系统出现保护，能够立刻封锁PWM 信号，使IGBT 反向截止。在半桥模式下，死区时间由Rm值决定，将Rm换成电位器，就可以方便地调节死区时间，保证每一块驱动板死区时间一致性。2 个故障状态输出端SO1、SO2 连接在一起，经过上拉后，作为单桥臂错误报警信号反馈到控制模块中。当2SC0435T 检测到原方电源欠压、副方电源欠压、IGBT 短路或过流时，故障状态输出端立刻被拉倒低电平，输出错误报警信号，当原方欠压消失或者经过阻断时间后，故障状态输出端会自动恢复到高阻状态，而在TB 端连接的Rb正是用于设定阻断时间。

图6 基于2SC0435T 的大功率驱动电路Fig.6 High power driver circuit based on 2SC0435T

4.2.2 副方接口电路的设计思路

副方接口电路比原方复杂得多，分为完全一样的上下两路，直接与IGBT 相连。GH 和GL 端作为独立的端子，分别接2 个并联的开通和关断电阻，然后连接到IGBT 的栅极，这样便于用户设置不同的开通和关断时间，降低IGBT 关断电压尖峰。GL端与COM 端连接的Rgc则是用来防止IGBT 栅极和发射极出现过电压而提供的放电回路。

2SC0435T 的每个通道都配有VCE 检测电路，REF 端连接的Rth是参考电阻，用于设置短路和过流保护的阈值电压，而VE 端是参考电位，因此在设计电路板时Rth必须尽可能地靠近IGBT 模块。设置VCE 保护关断响应时间的电容Ca必须在外部连接，这样用户可以根据具体应用灵活设计保护功能。ACL 端连接的一系列阻容和二极管正是用于完成二代驱动芯片特有的高级有源箝位功能，不仅能够将IGBT 的集电极电位通过瞬态电压抑制二极管反馈到IGBT 栅极，还可将反馈信号送进驱动器副方的管脚ACL，逐步关断驱动器内部的关断MOSFET，以提高有源箝位的效率。

4.3 电路设计要点

1）驱动回路面积尽可能小，驱动电阻尽量无感，可用金属膜电阻，温升不能超过40 ℃，可用2 个或者多个电阻并联，不但能够提高等效驱动电阻的功率，还可以降低等效电感，改善开关特性。

2）Ca值越大，响应时间就越长，VCE 保护就越迟钝。因此，须根据实际电路反复调试来选取，不能简单地采用厂商推荐值。

3）由于功放系统运行在高开关频率状态下，死区电阻Rm的选取就显得极为谨慎，过高的死区时间会导致功放输出波形失真，过低的死区时间会导致IGBT 严重发热，因此既要考虑系统性能，又要对设备进行长时间考核。

4）故障输出端用并联的门电路缓冲处理，可以明显增强错误报警信号的抗干扰能力，否则在IGBT开关过程中容易出现误报警。

5 实际试验状况分析

70 t 振动台所使用的1.28 MV·A 水冷式高压功率放大器如图7所示，它包含4 个功率柜，每个功率柜包含4 个功率模块，冷却水从模块后面连接，单模块额定输出功率80 kV·A，单柜额定输出功率320 kV·A。

图7 水冷式高压功率放大器Fig.7 Water-cooled high voltage power amplifier

在同一个功率模块，分别使用2 款驱动器2SC0435T 和2SD315A 的驱动波形实测对比如图8所示。由图可见，2SC0435T 驱动波形的上升沿和下降沿都比2SD315A 陡峭，波峰和波谷都比较平坦，这有利于降低IGBT 开关损耗，减小功放输出波形失真；2SC0435T 的电压摆幅为15 V/-10 V，带载后几乎没有变化。而2SD315A 本身电压摆幅为15 V/-15 V，带载之后有明显的降低。由此说明2SC0435T的输出功率高，驱动能力强。