單極性PWM技術(shù)在雷達(dá)天線控制中的應(yīng)用

摘要：文中對(duì)比了單極性和雙極性PWM的技術(shù)特點(diǎn)，并敘述了現(xiàn)有的半橋驅(qū)動(dòng)IC在應(yīng)用中的局限性。利用一些簡(jiǎn)單的邏輯門，設(shè)計(jì)了一個(gè)單極性PWM邏輯分配電路，經(jīng)過(guò)半橋驅(qū)動(dòng)IC功率放大，驅(qū)動(dòng)由IGBT組成的H橋功率轉(zhuǎn)換電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)天線的伺服控制。上述方法構(gòu)成的電路，解決了動(dòng)態(tài)自舉問(wèn)題、提高了雷達(dá)天線轉(zhuǎn)速及功率轉(zhuǎn)換電路的效率。
關(guān)鍵詞：單極性PWM；雙極性PWM；半橋驅(qū)動(dòng)IC；邏輯門；動(dòng)態(tài)自舉

隨著大功率半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，全控型電力電子器件組成的脈沖寬度調(diào)制(PWM)技術(shù)在雷達(dá)天線控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。雷達(dá)天線控制系統(tǒng)一般采用脈沖寬度調(diào)制(PWM)技術(shù)實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速，由功率晶體管組成的H橋功率轉(zhuǎn)換電路常用于拖動(dòng)伺服電機(jī)。根據(jù)在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，電樞兩端所作用的電壓極性的不同分為雙極性和單極性模式PWM。
雙極性PWM功率轉(zhuǎn)換器中，同側(cè)的上、下橋臂控制信號(hào)是相反的PWM信號(hào)；而不同側(cè)之間上、下橋臂的控制信號(hào)相同。在PWM占空比為50％時(shí)，雖然電機(jī)不動(dòng)，電樞兩端的瞬時(shí)電壓和瞬時(shí)電流都是交變的，交變電流的平均值為零，電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生高頻的微振，能消除摩擦死區(qū)；低速時(shí)每個(gè)功率管的驅(qū)動(dòng)脈寬仍較寬，有利于保證功率管的可靠導(dǎo)通。但是，在工作過(guò)程中，四個(gè)功率管都處于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，開(kāi)關(guān)損耗大，而且容易發(fā)生“直通臂”的情況；更嚴(yán)重的情況在于——電機(jī)電樞并非絕對(duì)的感性元件，在電機(jī)不動(dòng)時(shí)，由于此時(shí)通過(guò)電樞上的交變電流，電樞的內(nèi)部電阻會(huì)消耗能量，造成了不必要的損耗，降低了功率變換器的轉(zhuǎn)換效率。
單極性PWM功率轉(zhuǎn)換器中，一側(cè)的上、下橋臂為正、負(fù)交替的脈沖波形，另外一側(cè)的上橋臂關(guān)斷而下橋臂恒通。在工作時(shí)一側(cè)的上、下橋臂總有一個(gè)始終關(guān)斷，一個(gè)始終導(dǎo)通，運(yùn)行中無(wú)須頻繁交替導(dǎo)通，因而減少了開(kāi)關(guān)損耗；在PWM占空比為0％時(shí)，電機(jī)停止，H橋完全關(guān)斷無(wú)電流通過(guò)，此時(shí)電機(jī)的內(nèi)部電阻不消耗能量；由于單極性比雙極性PWM功率變換器的電樞電路脈動(dòng)量較少一半，故轉(zhuǎn)速波動(dòng)也將減小。但是，單極性和雙極性PWM都存在可能的“直通臂”情況，應(yīng)設(shè)置邏輯延時(shí)。
在進(jìn)行H橋功率轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)的時(shí)候。需要解決一個(gè)基本的問(wèn)題一高端門懸浮驅(qū)動(dòng)。通常有如下幾種方式：第一，直接采用脈沖變壓器進(jìn)行隔離及懸??；第二，采用獨(dú)立的懸浮電源；第三，動(dòng)態(tài)自舉技術(shù)。前兩種方法使用時(shí)大量使用分立元件，增加了調(diào)試難度、電路的可靠性變差、印制電路板的面積相應(yīng)變大。而動(dòng)態(tài)自舉技術(shù)目前已被許多專用電路采用，此類產(chǎn)品集成度高、體積小巧、性能穩(wěn)定、使用單一電源即可對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)。但是此類器件在使用時(shí)，必須外接自舉二極管和自舉電容，并連接合適的充放電回路，組成一個(gè)動(dòng)態(tài)自舉電路。這個(gè)動(dòng)態(tài)自舉的過(guò)程必須是循環(huán)往復(fù)的，才能保證H橋高端柵極的開(kāi)通和關(guān)斷。下面設(shè)計(jì)的單極性PWM電路將會(huì)解決上述問(wèn)題。

1 H型單極性PWM的設(shè)計(jì)
1．1 脈沖分配電路的設(shè)計(jì)
在這里，我們首先設(shè)計(jì)了一個(gè)單極性PWM脈沖分配電路，如圖1所示。輸入信號(hào)包括一個(gè)方向信號(hào)和一個(gè)脈沖寬度調(diào)制信號(hào)，這兩個(gè)輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)脈沖分配便產(chǎn)生單極性PWM脈沖。信號(hào)地和功率地通過(guò)高速光電耦合器隔離。調(diào)節(jié)脈沖寬度調(diào)制信號(hào)的占空比即可調(diào)節(jié)單極性PWM脈沖的占空比。這里的方向信號(hào)用來(lái)切換電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向，這種做法區(qū)別于雙極性PWM中的轉(zhuǎn)動(dòng)方向靠PWM的占空比來(lái)決定的做法。值得注意的是圖1中的NE555電路，起到脈沖檢測(cè)的作用。當(dāng)脈沖寬度調(diào)制輸入信號(hào)脈沖丟失時(shí)，此時(shí)輸出低，將低端強(qiáng)制拉低，整個(gè)H橋關(guān)斷。電路的仿真波形如圖3所示。