压电陶瓷动态驱动电源的设计与研究.pdf
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1、P ower Su p p l y Te c h n olog y a n d I t s Ap l i c a t i on 压 电陶瓷动 态驱动 电源的设计 与研 究 唐 英 ,崔 咏 琴 ,周友 来 ,张显斌 ,崔 华胜 ( 1 北 京 科技 大 学 机 械 工 程 学 院 , 北京 1 0 0 0 8 3 ;2 北 京 市 二七 机 车 车辆 厂 , 北 京 1 0 0 0 7 2 ) 摘 要 :设 计 了一种 适 应 压 电 陶 瓷动 态特 性应 用 的驱 动 电 源 ,分 析 了该 动 态 驱动 电 源 的原 理 及 参数的设计选择 方法 , 并进行 了实验验证 。实验 结果表 明
2、, 该 电源具有 良好 的动 态性能 , 满足 了设计 的 要 求 。 关键 词 :升压 变压 器脉 宽调 制H桥 电路压 电 陶瓷 压电 陶瓷具有体 积小 、 分辨率 高 、 响应 快 、 推 力大等 一 系列优点 , 用它 制成 的压 电驱 动器广 泛应用 于微 位移 输 出装置 、 力发 生装 置 、 微 型机器 人 和光 学 扫描 器等 设 备 中【 1 】 。任 何压 电陶瓷微 位移 器件 的使用 , 都离 不 开驱 动控 制电源 。因此 , 性能 良好 的驱 动控 制电源 是压 电陶 瓷微位移 技术得 以推广应 用 的前 提 。 压 电 陶瓷相 当 于容 性负 载 , 由于 P Z
3、 T材 料 的介 电常 数 较 大 , 所 以压 电陶 瓷 的电容 c比较 大 , 它 与驱 动电路 的输 出电 阻 R构成 R C回路 , 将影 响 压 电 陶瓷 的动态 特性 【 1 】 。 目前 , 国 内压 电 器件 的应 用 主要利用其 静态 特性 , 大多 数采用 直 流放大式 驱 动电源 , 强调输 出电压 的稳 定性 与精度 。在 实际 应用 中, 有 时需 要压 电 陶瓷 按照一定 规 律周期 性S D 地 动态伸缩 , 因此 需要 向压 电 陶瓷施 加 动态 电压 信 号 , 如 三角波信 号 、 方波信 号等 , 而传 统 的面向 静态应用 的驱动 电源则不能 满足要求
4、。 为 了适 应压 电 陶瓷动态 特性 的应用 , 本文 介 图 l电 源 构成 示 意 图 直 流 高 压 HI N S D UN Vs s 图 2 H 桥 电路 基 本 原理 图 通路 , 给压 电陶瓷施加 负 向电压 。正负 电压 连续重 复施 加在 压 电陶瓷上 , 使压 电 陶瓷产生连续 的正负 向位移 。 I R 2 2 1 3具 有独 立 的低 端和 高端输 入 通道 , 悬 浮 电源 采用 自举 电路 , 其 高 端 工作 电压 可 达 1 2 0 0 V, 输 出 电压 范 围( 即功率器件 的栅极 驱动 电压 ) 为 1 2 V - 2 0 V; 逻辑 电 源 电压 D 0
5、范 围 为 ( V s s + 3 V s s + 2 0 ) V, 可 方便 地 与 r r L 或 C MO S电平 相匹 配 , 而且逻 辑 电源地 和 功率地 之 间允 许 有一 5 V + 5 V的偏移 量 。而 I G B T模块 是 近几年兴起 的 电子 元器 件 , 因其开 关速 度 快 、 损 耗小 而被 广泛 应用 于 电力 电子装置 中 。 在 本 H桥 电路 中 ,关键部 分是 自举 电路的设 计 , 下 面 以左侧 I R 2 2 1 3为例说 明 自举 电路 的 工作原 理 。 自举 电路 由 自举 电容 C 和 自举 二极 管 D1构成 , C z 为滤 波电 容
6、 , R a、 R 、 为功率 器件 的门极 电阻 。假 定在 S 、 S 开 通 而 S : 、 S , 关 断期 间 , C 。 已 经 充 到 足 够 的 电 压 c 1 4 4 欢迎 网上投稿 W WW a e t n e t C l l W WW a e t n e t c o rn c l l 电子技术应用2 0 0 7年第 4期 维普资讯 http:/ Po we r Su p ply Te c h n ol o g y an d I t s Apl i c a t ion ( 约等 于 o c ) , 此 时 C 、 。 、 ( I G B T栅 源 极 电 阻 ) 构 成 C
7、 的放 电回路 , 放 电时问 T 1 =( G + 1 ) C1 , 应 小 于 S 、 S 的导 通 时 间 ; 假定 S 、 S 关 断而 S z 、 S 导通 , 此 时 自举 电容 C 处 于充 电状 态 ,由 自举 电容 C 、 自举 二 极管 D 和 功率 器件 S , 构成 充 电 回路 ,充 电时 间要 求 能 够使 自 举 电容 C 充满 到驱 动功率 器 件 S 所需 的 电荷 ,因此 S , 的导通时 间要大 于 C 的充 电时 间。 在设 计 电路 时应该 注意 功率 器 件 I G B T的 限流 电阻 。不能太 大 , 以免 使功 率器 件 的驱 动脉 冲不 够
8、陡 ; R 。 也 不 能太 小 ,以免 电流 过 大而 损坏 功 率器 件 ; R e越 大 , 交 换 时间和交 换损 耗就越 大 , 但交 换 时的 浪涌 电压 变 小 。 ( 1 ) 自举 电容的计 算 自举 电容应 该提供 的最 小 电荷 为 : q b , = 2 + + + J J 式 中 , Q 为 高 端 功 率 器 件 I B G T所 需 的 驱 动 电荷 ; 一 一 为 自举 电容 的 漏 电流( 只有 在选 择 自举 电容 时 考虑 ) ; 一 为 b s间最 大 电流 ; Q 为每 个周 期 内电平 转 换 电路 中的电荷 ; 厂为工 作频 率 。 最小 自举 电容
9、值 必须 满足 : c ( ) 式 中 , 为 自举二 极管 正 向压 降 ; V 岱为 低端 器件 压 降或 高端 负载压 降 。 自举 电容 应选 择 合适 的容值 , 容 值 太 大 , 会 使 充 放 电时间过短 , 造 成 电容充 电不 足 ; 容 值太 小 , 有可 能造 成 电容 的过充 而使 I C器件 损 坏 。为 了不 损 坏 I C器件 , 又 减 小 的波 动 , 将 式 ( 1 ) 算得 的 电容值 再 乘 以 系数 1 5 。 即 : C 1 = 1 5 x ( 2 ) 滤波 电容 C : 约 为 自举 电容 的 1 0倍 。 ( 2 ) 自举二 极管 的计算 自举
10、 二极 管必 须 能够 承受 干线 电压 ( 即高端 功率 器 件导通 时 的电压 ) , 必须 采用快 速恢 复二 极管 , 以减 小 自 举 电容 C 向 反馈 的 电荷 , 二极 管 的额定 电流为 : =Q x f ( 3 ) 设计 H 桥 电路时需 要注 意死 区时 间 的确定 , 为 了保 证 4个 I G B T器件 安全 的导通 , 一定要 设 置死 区时 间 , 以 免 4个 I G B T同 时导通 而造成 短路 , 产 生 不必 要 的损失 , 死 区 时间要 保 证 充放 电能够 正 常 进行 。本 文所 采 用 的 I G B T要 求 最少 要 有 3 p , s的
11、死 区 时 间。但 死 区时 间 的确 定还要 根据 容性 负载 的放 电时 问而具 体确定 。 1 2 脉 宽 调 制 由于 压 电陶瓷 上所 加 电压是 正负 交 替连续 变 化 的 , 因此 采用 脉 宽调 制 方法 向 I R2 2 1 3双 输 入通 道输 入 相 位 差 1 8 0 。 的推 挽方波 信 号 。这样 , I R2 2 1 3的双输 出通道 也 输 出推挽 的 方波 信号 ,分别 驱 动 I R2 2 1 3的高端 和低 端 电子技 术应 用2 0 0 7年第 4期 的功率 器件 , 从 而实 现对 压 电陶瓷 所加 电 压的要 求 。为 此 , 采 用 了脉 宽 调
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- 压电 陶瓷 动态 驱动 电源 设计 研究
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