CN114977118A - 一种基于sic-mosfet的伺服系统直流母线过压控制电路及方法 - Google Patents

一种基于sic-mosfet的伺服系统直流母线过压控制电路及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于SIC‑MOSFET的伺服系统直流母线过压控制电路及方法,属于电力电子技术与电工技术领域。控制电路主要包括:DSP控制器、母线电压采样电路、驱动电路和能量耗散电路。通过DSP控制器实时采集母线电压值,并和伺服系统的母线电压阈值进行比较,经PI控制器输出PWM驱动信号,通过驱动芯片控制SIC‑MOSFET通断,实现能量在负载电阻上的耗散,将直流母线瞬态电压尖峰控制在安全范围之内,从而提高了伺服系统的稳定性和安全性。

Description

一种基于SIC-MOSFET的伺服系统直流母线过压控制电路及 方法
技术领域
本发明涉及一种基于SIC-MOSFET的伺服系统直流母线过压控制电路,属于电力电子技术与电工技术领域。
背景技术
逆变器作为风力、光伏和电动汽车等系统中的直流电源和交流电源的转换接口,是保障系统经济、高效、可靠运行的关键部件之一。现有逆变系统普遍采用传统硅(Si)基电力电子开关器件,经过近半个世纪的发展,Si基器件应用已发展十分成熟,其性能几乎逼近由其材料特性所决定的理论极限值,已经无法继续满足逆变器追寻高效、高功率密度和高可靠性的发展要求。
随着第三代半导体器件的发展,国内外研究人员把目光转向了碳化硅(SiC)等具有更优电气性能的宽禁带半导体。SiC宽禁带器件的材料特性在电气特性上得到较好的体现,较传统的Si器件,SiC电力电子器件具有更强的抗辐射能力、更高的击穿电压、较低的开关损耗与导通损耗、更高的开关频率、散热能力强、能在更高的温度下工作。更强的抗辐射能力,可以使SiC器件工作在恶劣的工作场合;更高的击穿电压,提高了SiC器件的电压应力;更低的开关损耗和导通损耗,提高系统效率和开关频率;更高的开关频率,显著减小无源器件的体积,良好的应对高开关频率场合;热导率高、热稳定性好,显著减小散热器体积,降低散热成本,提高功率密度。这些优势,使SiC功率器件在高速电机伺服系统应用方面,拥有无可替代的优势。
相比Si器件,SiC-MOSFET关断速度快,高达几十纳秒,更容易导致较大的瞬时电压尖峰。因此,如何抑制伺服系统中,因开关器件开通、关断导致的直流母线电压尖峰问题,对于伺服系统的安全稳定运行具有重要意义。
发明内容
本发明的技术解决问题是:克服现有技术的不足,提供了一种基于SIC-MOSFET的伺服系统直流母线过压控制电路及方法,有效抑制伺服系统中因开关器件开通和关断导致的直流母线电压尖峰,提高伺服系统的可靠性和安全性。
本发明的技术解决方案是:
一种基于SIC-MOSFET的伺服系统直流母线过压控制电路,包括:DSP控制器、驱动电路、母线电压采样电路和能量耗散电路;
母线电压采样电路实时采集伺服系统的直流母线电压,并输出直流母线电压信号给DSP控制器,DSP控制器对所述直流母线电压信号进行处理后输出PWM驱动信号;所述PWM驱动信号经驱动电路进行放大后输入至能量耗散电路中,通过控制能量耗散电路中SIC-MOSFET功率管的通断,实现能量在电阻负载上的耗散,将直流母线瞬态电压尖峰控制在安全范围之内。
进一步的,所述能量耗散电路包括:栅极电阻RG、SIC-MOSFET功率管S、电阻R1、R2和R3、电容C1和C2、二极管VD1;
栅极电阻RG的一端连接驱动电路的输出,另一端连接至SIC-MOSFET功率管S的栅极;电阻R1和电容C1并联后一端连接至母线电源的正极,另一端连接至SIC-MOSFET功率管S的漏极;二极管VD1和电阻R2并联后一端连接至SIC-MOSFET功率管S的漏极,另一端通过第二电容C2连接至母线电源的负极;电阻R3连接在母线电源的正负极之间。
进一步的,所述电阻R1是负载电阻,用于耗散母线电压尖峰的能量。
进一步的,所述的二极管VD1、电阻R2和电容C2构成RC吸收电路,用于吸收SIC-MOSFET功率管S的漏源极间电压尖峰。
进一步的,所述的电阻R3为泄放电阻,在母线掉电后,该电阻为母线电容提供能量泄放通道。
进一步的,所述电阻R1型号规格为RMG200系列功率型塑封电阻器。
进一步的,所述驱动电路包括SIC-MOSFET驱动芯片、供电电源芯片、电阻R4和R5、电容C3和C4;
SIC-MOSFET驱动芯片的输入侧供电电源为+5V,输出侧电源由供电电源芯片提供,SIC-MOSFET驱动芯片电源引脚供电正端和供电负端分别连接至供电电源芯片的电源输出正端和输出负端的引脚上;SIC-MOSFET驱动芯片的输出经电阻R4和R5后,连接至栅极电阻RG,供电电源芯片的参考地引脚连接至SIC-MOSFET功率管S的源极,从而实现对SIC-MOSFET功率管S的驱动。
进一步的,所述DSP控制器包括A/D模块、电压比较模块、PI控制器、PWM限幅模块;
A/D模块将采集到的母线电压转换为数字电压信号并输出给电压比较模块,电压比较模块将输入数字电压信号和设定的阈值进行比较,输出差值给PI控制器,PI控制器根据所述差值输出PWM驱动信号,PWM驱动信号经PWM限幅模块限幅后,输出给驱动电路。
进一步的,所述DSP控制器采用型号为TMS320F28335处理器;驱动电路中的SIC-MOSFET驱动芯片型号为1EDC20H12AH,驱动芯片的供电电源芯片型号为QA151M;SIC-MOSFET功率管S型号为SCT3022KL。
进一步的,本发明还提出一种伺服系统直流母线过压控制方法,包括:
步骤一、母线电压采样电路实时采集伺服系统的直流母线电压,得到母线电压模拟量并输入给DSP控制器;
步骤二、DSP控制器将得到的母线电压模拟量转换为数字量信号;
步骤三、将所述数字量信号与预设的伺服系统母线电压阈值进行比较,计算差值;
步骤四、将所述差值输入到PI控制器中,经PI控制器输出得到PWM驱动信号;
步骤五、PI控制器输出的PWM驱动信号经PWM限幅模块限幅后,生成最终的PWM驱动信号;
步骤六、将最终的PWM驱动信号送入驱动电路进行放大,放大后的PWM驱动信号输入至能量耗散电路中;
步骤七、能量耗散电路根据所述放大后的PWM驱动信号,控制SIC-MOSFET功率管S通断,实现能量在电阻负载R1上的耗散,将直流母线瞬态电压尖峰控制在安全范围之内,从而提高了伺服系统的稳定性和安全性。
本发明与现有技术相比的有益效果是:
(1)本发明能够通过母线电压采样电路实时采集伺服系统的母线电压,然后通过闭环控制,DSP控制器输出PWM驱动信号,控制SIC-MOSFET功率管S通断,实现能量在电阻负载R1上的耗散,将直流母线电压尖峰控制在安全范围之内,防止伺服系统中的开关器件因母线电压尖峰被击穿,提高系统可靠性,同时充分保证了伺服系统中开关器件的关断速度。
(2)本发明能量耗散电路中采用的是SIC-MOSFET功率管,具有更高的耐压值和更小的导通电阻,从而可以有效提高系统的耐压能力,降低电路的导通损耗。
(3)本发明DSP控制器中采用PI控制器输出PWM驱动信号,可根据实时采集的母线电压信号和设定的电压阈值进行比较,自动调节输出PWM信号的占空比,从而可以有效提高对母线电压尖峰的耗散速度。
附图说明
图1是本发明伺服系统直流母线过压控制电路示意图;
图2是本发明伺服系统直流母线过压控制电路驱动电路图;
图3是本发明伺服系统直流母线过压控制方法框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。
本发明提供一种基于SIC-MOSFET的伺服系统直流母线过压控制电路及方法,为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案,下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。通过参考附图描述的实施方式是示例性的,仅用于解释本发明,而不能解释为对本发明的限制。
本发明提出了一种基于SIC-MOSFET的伺服系统直流母线过压控制电路,其电路结构如图1所示,包括:DSP控制器1、驱动电路3、母线电压采样电路4和能量耗散电路5;
母线电压采样电路4实时采集伺服系统的直流母线电压,并输出直流母线电压信号给DSP控制器1,DSP控制器1对所述直流母线电压信号进行处理后输出PWM驱动信号2;所述PWM驱动信号2经驱动电路3进行放大后输入至能量耗散电路5中,通过控制能量耗散电路5中SIC-MOSFET功率管的通断,实现能量在电阻负载上的耗散,将直流母线瞬态电压尖峰控制在安全范围之内。
如图1所示,本发明设计的能量耗散电路5包括:栅极电阻RG、SIC-MOSFET功率管S、电阻R1、R2和R3、电容C1和C2、二极管VD1;
栅极电阻RG的一端连接驱动电路3的输出,另一端连接至SIC-MOSFET功率管S的栅极;电阻R1和电容C1并联后一端连接至母线电源的正极,另一端连接至SIC-MOSFET功率管S的漏极;二极管VD1和电阻R2并联后一端连接至SIC-MOSFET功率管S的漏极,另一端通过第二电容C2连接至母线电源的负极;电阻R3连接在母线电源的正负极之间。
能量耗散电路中,所述电阻R1是负载电阻,用于耗散母线电压尖峰的能量。
能量耗散电路中,所述的二极管VD1、电阻R2和电容C2构成RC吸收电路,用于吸收SIC-MOSFET功率管S的漏源极间电压尖峰。
能量耗散电路中,所述的电阻R3为泄放电阻,在母线掉电后,该电阻为母线电容提供能量泄放通道。
本发明能量耗散电路中采用的是SIC-MOSFET功率管,具有更高的耐压值和更小的导通电阻,从而可以有效提高系统的耐压能力,降低电路的导通损耗。
本发明提出了一种SIC-MOSFET的驱动电路,其电路结构如图2所示,主要包括:SIC-MOSFET驱动芯片31、供电电源芯片32、电阻R4、电阻R5、电容C3和电容C4。
SIC-MOSFET驱动芯片的输入侧供电电源为+5V,输出侧电源由供电电源芯片提供,SIC-MOSFET驱动芯片电源引脚供电正端和供电负端(VCC2和GND2)分别连接至供电电源芯片的电源输出正端和输出负端(+Vo和-Vo)的引脚上;SIC-MOSFET驱动芯片的输出经电阻R4和R5后,连接至栅极电阻RG,供电电源芯片的参考地引脚(0V)连接至SIC-MOSFET功率管S的源极,从而实现对SIC-MOSFET功率管S的驱动。
进一步的,所述的电容C3和电容C4为去耦电容,去除高频信号干扰和提高电源的带载能力。
进一步的,本发明中,DSP控制器包括A/D模块、电压比较模块、PI控制器、PWM限幅模块;A/D模块将采集到的母线电压转换为数字电压信号并输出给电压比较模块,电压比较模块将输入数字电压信号和设定的阈值进行比较,输出差值给PI控制器,PI控制器根据所述差值输出PWM驱动信号,PWM驱动信号经PWM限幅模块限幅后,输出给驱动电路。
本发明DSP控制器中采用PI控制器输出PWM驱动信号,可根据实时采集的母线电压信号和设定的电压阈值进行比较,自动调节输出PWM信号的占空比,从而可以有效提高对母线电压尖峰的耗散速度。
本发明提出的一种基于SIC-MOSFET的伺服系统直流母线过压控制方法,其控制方法框图如图3所示,其工作步骤为:
步骤一、母线电压采样电路实时采集伺服系统的直流母线电压Udc,得到母线电压模拟量并输入给DSP控制器;
步骤二、DSP控制器将得到的母线电压模拟量转换为数字量信号;
步骤三、将所述数字量信号与预设的伺服系统母线电压阈值进行比较,计算差值;
步骤四、将所述差值输入到PI控制器中,经PI控制器输出得到PWM驱动信号;
步骤五、PI控制器输出的PWM驱动信号经PWM限幅模块限幅后,生成最终的PWM驱动信号;
步骤六、将最终的PWM驱动信号送入驱动电路进行放大,放大后的PWM驱动信号输入至能量耗散电路中;
步骤七、能量耗散电路根据所述放大后的PWM驱动信号,控制SIC-MOSFET功率管S通断,实现能量在电阻负载R1上的耗散,将直流母线瞬态电压尖峰控制在安全范围之内,从而提高了伺服系统的稳定性和安全性。
优选的,本发明中DSP控制器SIC-MOSFET采用型号为TMS320F28335处理器。
优选的,本发明中驱动电路中的SIC-MOSFET驱动芯片型号为1EDC20H12AH,驱动芯片的供电电源芯片型号为QA151M。
优选的,本发明中SIC-MOSFET功率管S型号选用为Rhom公司的SCT3022KL。
以上实施例只是本发明的一个具体的实施电路原理图,并不以此限定本发明的保护范围。任何基于本发明所作的等效变化电路,均属于本发明的保护范围。
本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (10)

1.一种基于SIC-MOSFET的伺服系统直流母线过压控制电路,其特征在于包括:DSP控制器(1)、驱动电路(3)、母线电压采样电路(4)和能量耗散电路(5);
母线电压采样电路(4)实时采集伺服系统的直流母线电压,并输出直流母线电压信号给DSP控制器(1),DSP控制器(1)对所述直流母线电压信号进行处理后输出PWM驱动信号(2);所述PWM驱动信号(2)经驱动电路(3)进行放大后输入至能量耗散电路(5)中,通过控制能量耗散电路(5)中SIC-MOSFET功率管的通断,实现能量在电阻负载上的耗散,将直流母线瞬态电压尖峰控制在安全范围之内。
2.根据权利要求1所述的一种基于SIC-MOSFET的伺服系统直流母线过压控制电路,其特征在于:所述能量耗散电路(5)包括:栅极电阻RG、SIC-MOSFET功率管S、电阻R1、R2和R3、电容C1和C2、二极管VD1;
栅极电阻RG的一端连接驱动电路(3)的输出,另一端连接至SIC-MOSFET功率管S的栅极;电阻R1和电容C1并联后一端连接至母线电源的正极,另一端连接至SIC-MOSFET功率管S的漏极;二极管VD1和电阻R2并联后一端连接至SIC-MOSFET功率管S的漏极,另一端通过第二电容C2连接至母线电源的负极;电阻R3连接在母线电源的正负极之间。
3.根据权利要求2所述的一种基于SIC-MOSFET的伺服系统直流母线过压控制电路,其特征在于:所述电阻R1是负载电阻,用于耗散母线电压尖峰的能量。
4.根据权利要求2所述的一种基于SIC-MOSFET的伺服系统直流母线过压控制电路,其特征在于:所述的二极管VD1、电阻R2和电容C2构成RC吸收电路,用于吸收SIC-MOSFET功率管S的漏源极间电压尖峰。
5.根据权利要求2所述的一种基于SIC-MOSFET的伺服系统直流母线过压控制电路,其特征在于:所述的电阻R3为泄放电阻,在母线掉电后,该电阻为母线电容提供能量泄放通道。
6.根据权利要求2或3所述的一种基于SIC-MOSFET的伺服系统直流母线过压控制电路,其特征在于:所述电阻R1型号规格为RMG200系列功率型塑封电阻器。
7.根据权利要求2所述的一种基于SIC-MOSFET的伺服系统直流母线过压控制电路,其特征在于:所述驱动电路(3)包括SIC-MOSFET驱动芯片、供电电源芯片、电阻R4和R5、电容C3和C4;
SIC-MOSFET驱动芯片的输入侧供电电源为+5V,输出侧电源由供电电源芯片提供,SIC-MOSFET驱动芯片电源引脚供电正端和供电负端分别连接至供电电源芯片的电源输出正端和输出负端的引脚上;SIC-MOSFET驱动芯片的输出经电阻R4和R5后,连接至栅极电阻RG,供电电源芯片的参考地引脚连接至SIC-MOSFET功率管S的源极,从而实现对SIC-MOSFET功率管S的驱动。
8.根据权利要求1所述的一种基于SIC-MOSFET的伺服系统直流母线过压控制电路,其特征在于:所述DSP控制器包括A/D模块、电压比较模块、PI控制器、PWM限幅模块;
A/D模块将采集到的母线电压转换为数字电压信号并输出给电压比较模块,电压比较模块将输入数字电压信号和设定的阈值进行比较,输出差值给PI控制器,PI控制器根据所述差值输出PWM驱动信号,PWM驱动信号经PWM限幅模块限幅后,输出给驱动电路。
9.根据权利要求7所述的一种基于SIC-MOSFET的伺服系统直流母线过压控制电路,其特征在于:所述DSP控制器(1)采用型号为TMS320F28335处理器;驱动电路(3)中的SIC-MOSFET驱动芯片型号为1EDC20H12AH,驱动芯片的供电电源芯片型号为QA151M;SIC-MOSFET功率管S型号为SCT3022KL。
10.根据权利要求1~9中任一项所述的基于SIC-MOSFET的伺服系统直流母线过压控制电路实现的伺服系统直流母线过压控制方法,其特征在于包括:
母线电压采样电路实时采集伺服系统的直流母线电压,得到母线电压模拟量并输入给DSP控制器;
DSP控制器将得到的母线电压模拟量转换为数字量信号;
将所述数字量信号与预设的伺服系统母线电压阈值进行比较,计算差值;
将所述差值输入到PI控制器中,经PI控制器输出得到PWM驱动信号;
PI控制器输出的PWM驱动信号经PWM限幅模块限幅后,生成最终的PWM驱动信号;
将最终的PWM驱动信号送入驱动电路进行放大,放大后的PWM驱动信号输入至能量耗散电路中;
能量耗散电路根据所述放大后的PWM驱动信号,控制SIC-MOSFET功率管S通断,实现能量在电阻负载R1上的耗散,将直流母线瞬态电压尖峰控制在安全范围之内,从而提高了伺服系统的稳定性和安全性。
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