2.2.3　功率驱动模块

功率驱动模块是将控制器输出的控制信号进行功率放大，从而驱动电动机转动的模块。伺服系统最常用的是PWM放大器技术。下面就逆变电路形式和功率器件两方面进行介绍。

1. 逆变电路形式

1）H桥

现有的直流有刷电动机控制系统主要采用H桥驱动电路。图2-13（a）所示为经典的直流电动机控制电路，其电桥电路形状与字母H相似。H桥式驱动电路主要由4个开关管进行电动机驱动。电路中，开关管需工作在高速开关状态，即通过脉冲宽度调制（PWM）的方法将较大的直流母线电压调制为所需的电压，一般可通过调整占空比的方法实现不同等效电压的输出，开关频率一般为5～20kHz。要使电动机工作，需要将对角线上的一对开关管导通。根据开关管对导通情况的不同，电流通过电动机的方向也会不同，从而电动机能够实现正、反转。

图2-13　逆变电路形式

当Q1管和Q4管导通时，电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电动机，然后再经Q4回到电源负极。该流向的电流将驱动电动机顺时针转动。当开关管Q2和Q3导通时，电流将从右至左流过电动机，从而驱动电动机逆时针反向转动。

2）三相全桥

对于直流无刷电动机、永磁同步电动机、异步电动机系统，功率驱动电路主要采用三相全桥电路。图2-13（b）所示为一个典型的三相全桥电路。它包括6个开关管和一个电动机。电动机的三相绕组分别接在三对上下桥臂之间，通过打开、关断不同的开关管实现各相的通断和相电流的大小控制，从而控制电动机的转向和转速。开关管同样工作在高速开关状态，通过PWM调制出所需的电压。

2. 功率器件

H桥和三相全桥的开关管均采用高速开关功率管。开关管的类型有BJT、MOSFET、IGBT等，材料有Si、SiC、GaN等。在中小功率伺服驱动器中，使用较多的是MOSFET和IGBT这两种功率开关器件，常用的材料是Si。IGBT是一种复合型的功率器件，它整合了MOSFET和BJT的优点，驱动端类似MOSFET的结构，通过电压控制，所需功率小；而开关端则与BJT相似，耐压水平高、电流大、导通损耗小。但其关断时间较长，因此开关损耗较大，不适宜用于开关频率大于30kHz的场合。MOSFET通过栅极电压来控制漏极电流，与其他流控型功率器件相比，其驱动功率小，开关损耗小，开关频率可达兆赫兹。不过MOSFET的导通损耗较大，这是因为存在一个电阻率较高的N-漂移区，若减小这一层的厚度或降低其电阻率，又会使器件的耐压能力明显降低。所以MOSFET的导通损耗和耐压能力之间存在矛盾，虽然有许多新的工艺和技术来改善这一问题，但总的来说MOSFET的主要应用还是在200V以下的场合。

SiC和GaN作为宽禁带半导体材料，相比于传统的Si材料，它们具有更优越的物理特性。宽禁带半导体及其生产的电力电子器件主要有以下几个优点：①禁带宽度是Si的3倍左右，击穿场强大约是Si的10倍；②更高的耐压能力和更低的导通压降；③更快的开关速度和更低的开关损耗；④更高的工作频率；⑤更高的工作温度；⑥SiC具有更高的热导率。SiC更适合高压大功率的应用场合，GaN更适合高频小功率的应用场合。目前，SiC功率器件主要定位于功率在1～500kW之间、工作频率在10kHz～100MHz之间的场景。其中，基于SiC材料的MOSFET由于其开关速度快、开关损耗低、工作频率高、耐高温等特性，可提高电力电子装置的工作环境温度和功率密度。SiC MOSFET的驱动相对简单，现有的Si MOSFET或者Si IGBT的驱动拓扑可以用于SiC MOSFET的驱动电路。目前，商业化SiC MOSFET的生产商主要有Cree、ROHM等公司，Cree公司出产的SiC MOSFET最大容量是单芯片1200V/50A（25mΩ），芯片尺寸为4.04mm×6.44mm。在对体积和损耗要求较高的场合，可考虑采用SiC MOSFET代替现有的Si MOSFET，以降低对驱动电路体积和散热能力的要求。但是，SiC MOSFET的稳定性和可靠性当前都需要进一步研究。