單極性PWM技術(shù)在雷達天線(xiàn)控制中的應用

摘要：文中對比了單極性和雙極性PWM的技術(shù)特點(diǎn)，并敘述了現有的半橋驅動(dòng)IC在應用中的局限性。利用一些簡(jiǎn)單的邏輯門(mén)，設計了一個(gè)單極性PWM邏輯分配電路，經(jīng)過(guò)半橋驅動(dòng)IC功率放大，驅動(dòng)由IGBT組成的H橋功率轉換電路，實(shí)現對雷達天線(xiàn)的伺服控制。上述方法構成的電路，解決了動(dòng)態(tài)自舉問(wèn)題、提高了雷達天線(xiàn)轉速及功率轉換電路的效率。
關(guān)鍵詞：單極性PWM；雙極性PWM；半橋驅動(dòng)IC；邏輯門(mén)；動(dòng)態(tài)自舉

隨著(zhù)大功率半導體技術(shù)的發(fā)展，全控型電力電子器件組成的脈沖寬度調制(PWM)技術(shù)在雷達天線(xiàn)控制系統中得到了廣泛的應用。雷達天線(xiàn)控制系統一般采用脈沖寬度調制(PWM)技術(shù)實(shí)現電機調速，由功率晶體管組成的H橋功率轉換電路常用于拖動(dòng)伺服電機。根據在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內，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功率轉換器中，同側的上、下橋臂控制信號是相反的PWM信號；而不同側之間上、下橋臂的控制信號相同。在PWM占空比為50％時(shí)，雖然電機不動(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)機產(chǎn)生高頻的微振，能消除摩擦死區；低速時(shí)每個(gè)功率管的驅動(dòng)脈寬仍較寬，有利于保證功率管的可靠導通。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；更嚴重的情況在于——電機電樞并非絕對的感性元件，在電機不動(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換效率。
單極性PWM功率轉換器中，一側的上、下橋臂為正、負交替的脈沖波形，另外一側的上橋臂關(guān)斷而下橋臂恒通。在工作時(shí)一側的上、下橋臂總有一個(gè)始終關(guān)斷，一個(gè)始終導通，運行中無(wú)須頻繁交替導通，因而減少了開(kāi)關(guān)損耗；在PWM占空比為0％時(shí)，電機停止，H橋完全關(guān)斷無(wú)電流通過(guò)，此時(shí)電機的內部電阻不消耗能量；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，應設置邏輯延時(shí)。
在進(jìn)行H橋功率轉換電路設計的時(shí)候。需要解決一個(gè)基本的問(wèn)題一高端門(mén)懸浮驅動(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，增加了調試難度、電路的可靠性變差、印制電路板的面積相應變大。而動(dòng)態(tài)自舉技術(shù)目前已被許多專(zhuān)用電路采用，此類(lèi)產(chǎn)品集成度高、體積小巧、性能穩定、使用單一電源即可對柵極驅動(dòng)。但是此類(lèi)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)往復的，才能保證H橋高端柵極的開(kāi)通和關(guān)斷。下面設計的單極性PWM電路將會(huì )解決上述問(wèn)題。

1 H型單極性PWM的設計
1．1 脈沖分配電路的設計
在這里，我們首先設計了一個(gè)單極性PWM脈沖分配電路，如圖1所示。輸入信號包括一個(gè)方向信號和一個(gè)脈沖寬度調制信號，這兩個(gè)輸入信號經(jīng)過(guò)脈沖分配便產(chǎn)生單極性PWM脈沖。信號地和功率地通過(guò)高速光電耦合器隔離。調節脈沖寬度調制信號的占空比即可調節單極性PWM脈沖的占空比。這里的方向信號用來(lái)切換電動(dòng)機轉動(dòng)的方向，這種做法區別于雙極性PWM中的轉動(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，起到脈沖檢測的作用。當脈沖寬度調制輸入信號脈沖丟失時(shí)，此時(shí)輸出低，將低端強制拉低，整個(gè)H橋關(guān)斷。電路的仿真波形如圖3所示。