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作者：廖遠(yuǎn) 實習(xí)工程師， 陳鑒宇 華南區(qū)工程師
隨著工業(yè)4.0時代的到來，機器人在工業(yè)制造的舞臺上成為了主角。除了更高效的代替體力勞動，新型多軸機器人還能完成人類無法完成的動作，控制精度也遠(yuǎn)超人類。多軸機器人的每個軸就是一個伺服電機系統(tǒng)，軸越多就能完成越復(fù)雜的動作，但也對減小體積提出了挑戰(zhàn)。因此，提高功率密度是機器人伺服驅(qū)動開發(fā)中的重要問題。
圖1. 伺服電機驅(qū)動器系統(tǒng)
伺服電機可控制轉(zhuǎn)速、位置，精度很高，在數(shù)控機床等工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)伺服電機通常由三相高低側(cè)共六個IGBT組成驅(qū)動電路。每個IGBT都要與控制器(controller)隔離，目前多使用光電耦合隔離驅(qū)動器。光耦驅(qū)動器的隔離側(cè)需要隔離電源供電，如圖1所示，三個高側(cè)IGBT分別使用三個隔離的+15V/-8V電源，三個低側(cè)IGBT一般共用一個電源。這四組電壓通常由反激電源實現(xiàn)，在變壓器的次級做四個繞組就形成了多路隔離輸出。
氮化鎵技術(shù)
作為III-V族化合物半導(dǎo)體，氮化鎵(GaN) 具有禁帶寬度大、電子遷移率高、介電系數(shù)小、導(dǎo)電性能好的特點，用其制作成的氮化鎵晶體管(GaN FET)具有導(dǎo)通電阻小、結(jié)電容小和頻率高的優(yōu)點，因此GaN FET的導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗大約只有Si管的一半。圖2是GaN和Si晶體管在損耗方面的對比情況。在高速精密的工業(yè)機器人應(yīng)用場合，GaN具有效率高、功率密度大的優(yōu)勢，能極大縮小電路體積。GaN FET沒有寄生的體二極管，所以不存在反向恢復(fù)損耗，其開關(guān)噪聲也比Si管小很多，這能減小失真和EMI。
圖2. GaN晶體管和Si管的損耗比較
圖3是常用功率器件的適用場合。目前GaN晶體管普遍電壓在600V以內(nèi)，適合做1kW級的伺服電機驅(qū)動。同時，GaN的頻率能做到最高，雖然更高頻率會需要更強大的數(shù)字處理器，但是高頻率伺服驅(qū)動也具有更好的控制精度。
另外，碳化硅(SiC)也是現(xiàn)在常用的寬禁帶半導(dǎo)體，它的散熱更好，目前SiC晶體管的耐壓也更高，適于用在更高功率場合。如今在600V以內(nèi)的場合，GaN比SiC具有明顯的成本優(yōu)勢。隨著以后GaN FET向高耐壓發(fā)展，兩者還會有更多的比較和競爭。
圖3. 常用功率器件的適用場合
電容隔離
目前主要的隔離方式分為光耦隔離，磁隔離和電容隔離。對于信號的隔離，光耦隔離是最常用的方案。近十年來，由于用半導(dǎo)體工藝制作電容技術(shù)的不斷發(fā)展，電容隔離的優(yōu)勢越發(fā)明顯，并成為隔離數(shù)字信號更好的方案。如圖4所示，使用半導(dǎo)體工藝中常用的隔離材料SiO2作為電容的電介質(zhì)，利用半導(dǎo)體刻蝕技術(shù)加工出一定尺寸的SiO2層，在SiO2層兩端分別鍍上兩個金屬電極就形成了一個電容。為了提高隔離電壓，再制作出一個同樣的電容，兩個電容之間僅通過一根金屬線連接形成串聯(lián)的結(jié)構(gòu)。最后整個芯片外圍和兩個電容之間全部用耐壓塑料封裝形成一支具有高隔離電壓的雙電容串聯(lián)隔離器。
圖4. 雙SiO2電容串聯(lián)隔離器
電容隔離需要對輸入信號進行調(diào)制，經(jīng)過雙電容隔離傳輸后，在次級解調(diào)還原信號。TI使用簡單可靠的On-Off調(diào)制，將邏輯高電平調(diào)制為高頻信號，低電平不調(diào)制，原理由圖5所示。
圖5. On-Off調(diào)制
表1是三種隔離的對比。由于SiO2的電阻率/耐壓性較高，再加上雙電容串聯(lián)技術(shù)的應(yīng)用，使電容隔離技術(shù)成為現(xiàn)在隔離電壓最高的方案。同時，由于SiO2化學(xué)特性穩(wěn)定，不易受溫度、濕度、耐壓等環(huán)境的影響所以電容隔離的壽命能高達40年。
電容隔離器的調(diào)制解調(diào)電路和晶圓/封裝技術(shù)都是常用的半導(dǎo)體技術(shù)，和其它半導(dǎo)體芯片一樣，它的輸入到輸出的延時(propagation delay)很小。半導(dǎo)體制造技術(shù)的高一致性和可靠性也給電容隔離芯片帶來了高成品率，使其成本有競爭力。
在伺服電機驅(qū)動的應(yīng)用中，高側(cè)功率管相對于隔離器初級輸入有幾百伏的電壓階躍，所以還要求隔離器在這種情況下不能有誤碼。德州儀器使用的On-Off調(diào)制技術(shù)能提高共模電壓抑制(CMTI)，保證100V/ns的共模電壓階躍不會產(chǎn)生誤碼。TI還對調(diào)制頻率做了抖頻處理以分散電磁輻射。
表1. 電容、光電和磁隔離的性能比較
Fly-Buck隔離電源
Fly-Buck從同步降壓(synchronous buck)轉(zhuǎn)換器演變而來，將耦合繞組添加到電感上形成一個變壓器，這樣就實現(xiàn)了隔離輸出。
圖6. Fly-Buck隔離電源結(jié)構(gòu)
Fly-Buck電源中變壓器的工作模式和狀態(tài)與目前常用的反激電源(Fly-Back)一樣，所以設(shè)計方法相同。Fly-Buck利用了高集成度Buck芯片的優(yōu)勢，減少了電路體積和外圍元器件數(shù)量，使隔離電源總體積縮小。圖7是相同功率和電壓的Fly-Buck和反激電源的元器件數(shù)量和電路面積比較。Fly-Buck電源還有一個初級電壓Vpri，它可以給隔離器初級供電，這樣又節(jié)省了一個電源的空間。和反激電源一樣，F(xiàn)ly-Buck也可以增加繞組來實現(xiàn)多路隔離輸出。
圖7. Fly-Buck隔離電源和Fly-Back的電路比較
高功率密度GaN伺服驅(qū)動器的設(shè)計
采用TI氮化鎵和電容隔離方案設(shè)計的伺服驅(qū)動器如圖8所示。LMG3410是集成了驅(qū)動的GaN FET功率級芯片。由于GaN FET的開關(guān)速度很快，集成FET驅(qū)動能最小化線路面積，進一步減小開關(guān)噪聲。LMG3410同時集成了一個5V穩(wěn)壓器，可以給ISO7831隔離芯片的次級供電。LMG3410還帶過流，過溫和欠壓保護功能。這種高集成度的GaN FET功率級使用起來非常簡單方便。詳細(xì)的方案可以參考TI設(shè)計TIDA-00915：http://www.ti.com.cn/tool/cn/TIDA-00915
圖8. 用LMG3410和ISO7831設(shè)計的伺服驅(qū)動器
這個系統(tǒng)的隔離電源可以采用LM5160A芯片設(shè)計Fly-Buck電源，從而產(chǎn)生四路隔離的12V輸出，高側(cè)的三顆LMG3410分別使用三個隔離12V，低側(cè)的三顆LMG3410使用同一個隔離電壓。Fly-Buck初級的電源還可以給ISO7831初級電源供電。關(guān)于該多路隔離電源可以參考設(shè)計PMP10531：http://www.ti.com.cn/tool/cn/PMP10531
這個系統(tǒng)的主要規(guī)格如下表所示。相比于IGBT系統(tǒng)，它的體積小、效率好、頻率高非常適合多軸機器人的伺服電機驅(qū)動。
表2. GaN伺服驅(qū)動器的規(guī)格
參考文獻
[1] 用氮化鎵重新考慮功率密度https://e2echina.ti.com/blogs_/b/power_house/archive/2017/06/09/52726
