單極性PWM技術在雷達天線控制中的應用

摘要：文中對比了單極性和雙極性PWM的技術特點，并敘述了現(xiàn)有的半橋驅(qū)動IC在應用中的局限性。利用一些簡單的邏輯門，設計了一個單極性PWM邏輯分配電路，經(jīng)過半橋驅(qū)動IC功率放大，驅(qū)動由IGBT組成的H橋功率轉(zhuǎn)換電路，實現(xiàn)對雷達天線的伺服控制。上述方法構成的電路，解決了動態(tài)自舉問題、提高了雷達天線轉(zhuǎn)速及功率轉(zhuǎn)換電路的效率。
關鍵詞：單極性PWM；雙極性PWM；半橋驅(qū)動IC；邏輯門；動態(tài)自舉

隨著大功率半導體技術的發(fā)展，全控型電力電子器件組成的脈沖寬度調(diào)制(PWM)技術在雷達天線控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。雷達天線控制系統(tǒng)一般采用脈沖寬度調(diào)制(PWM)技術實現(xiàn)電機調(diào)速，由功率晶體管組成的H橋功率轉(zhuǎn)換電路常用于拖動伺服電機。根據(jù)在一個開關周期內(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、下橋臂控制信號是相反的PWM信號；而不同側(cè)之間上、下橋臂的控制信號相同。在PWM占空比為50％時，雖然電機不動，電樞兩端的瞬時電壓和瞬時電流都是交變的，交變電流的平均值為零，電動機產(chǎn)生高頻的微振，能消除摩擦死區(qū)；低速時每個功率管的驅(qū)動脈寬仍較寬，有利于保證功率管的可靠導通。但是，在工作過程中，四個功率管都處于開關狀態(tài)，開關損耗大，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，在電機不動時，由于此時通過電樞上的交變電流，電樞的內(nèi)部電阻會消耗能量，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、負交替的脈沖波形，另外一側(cè)的上橋臂關斷而下橋臂恒通。在工作時一側(cè)的上、下橋臂總有一個始終關斷，一個始終導通，運行中無須頻繁交替導通，因而減少了開關損耗；在PWM占空比為0％時，電機停止，H橋完全關斷無電流通過，此時電機的內(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量較少一半，故轉(zhuǎn)速波動也將減小。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。
在進行H橋功率轉(zhuǎn)換電路設計的時候。需要解決一個基本的問題一高端門懸浮驅(qū)動。通常有如下幾種方式：第一，直接采用脈沖變壓器進行隔離及懸浮；第二，采用獨立的懸浮電源；第三，動態(tài)自舉技術。前兩種方法使用時大量使用分立元件，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變大。而動態(tài)自舉技術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柵極驅(qū)動。但是此類器件在使用時，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，組成一個動態(tài)自舉電路。這個動態(tài)自舉的過程必須是循環(huán)往復的，才能保證H橋高端柵極的開通和關斷。下面設計的單極性PWM電路將會解決上述問題。

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單極性PWM脈沖分配電路，如圖1所示。輸入信號包括一個方向信號和一個脈沖寬度調(diào)制信號，這兩個輸入信號經(jīng)過脈沖分配便產(chǎn)生單極性PWM脈沖。信號地和功率地通過高速光電耦合器隔離。調(diào)節(jié)脈沖寬度調(diào)制信號的占空比即可調(diào)節(jié)單極性PWM脈沖的占空比。這里的方向信號用來切換電動機轉(zhuǎn)動的方向，這種做法區(qū)別于雙極性PWM中的轉(zhuǎn)動方向靠PWM的占空比來決定的做法。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(diào)制輸入信號脈沖丟失時，此時輸出低，將低端強制拉低，整個H橋關斷。電路的仿真波形如圖3所示。