CN107196519B - 一种碳化硅器件驱动电源 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳化硅器件驱动电源，包括电源发送端Tx、电源接收端Rx、输出电压调整电路Vreg、电源能量控制和保护电路、绝缘体，电源发送端Tx包括：自激逆变电路Hinv、第一电感Lp和第一电容Cp，第一电感Lp与第一电容Cp并联；电源接收端Rx包括：第二电感Ls、第二电容Cs、全桥整流电路Hrec，第二电感Ls与第二电容Cs串联；输出电压调整电路Vreg包括：Buck电路、Boost电路、第三电感L3；第一电感Lp的一侧安装第一磁芯，第二电感Ls一侧安装第二磁芯。本发明通过优化结构设计，克服了现有感应耦合电能传输技术中随着传输距离增加和接收端位置变化传送效率显著降低，不能实现高效的能量传送的问题，有效提高了传输效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种碳化硅器件驱动电源，属于电力电子技术领域。
背景技术
碳化硅(Silicon Carbide,SiC)是一种由硅和碳构成的化合物半导体材料，绝缘击穿场强大约是硅的10倍，因此，与硅器件相比，能够以更高的参杂浓度和更薄厚度的漂移层制作出数kV的高耐压功率器件。目前，国外已有10kV以上SiC IGBT、MOSFET、GTO的报道，这些器件的寄生电容较小，能够获得数倍硅基器件的运行开关频率，然而其对驱动技术和驱动电源的要求也更高，如原副边高绝缘耐压、低耦合电容、供电稳定性和自保护等，尚无成熟产品。
目前碳化硅器件驱动电源主要采用感应耦合电能传输技术(InductivelyCoupled Power Transmission)进行电能的传输，ICPT主要以磁场作为电能传输的媒介，通过电力电子技术提高磁场频率、降低气隙损耗，实现无线电能的传输。这种无线输电技术在极近距离内效率很高，但传输效率会随传输距离增加和接收端位置变化而显著减小，只适合用于厘米级的短距离传输。不能满足在传输距离增加时电能的高效传送问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种碳化硅器件驱动电源，以解决现有技术中随着传输距离增加和接收端位置变化传送效率显著降低，不能实现高效的能量传送问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：包括电源发送端Tx、电源接收端Rx、输出电压调整电路Vreg、电源能量控制和保护电路、绝缘体；
所述电源发送端Tx接收第一直流电压Vin并转化为电能，所述电源接收端Rx拾取所述电能并转化为第二直流电压，所述输出电压调整电路Vreg接收第二直流电压并转化为碳化硅器件驱动电压；
所述电源发送端Tx包括：自激逆变电路Hinv、第一电感Lp和第一电容Cp，所述第一电感Lp与所述第一电容Cp并联；
所述电源接收端Rx包括：第二电感Ls、第二电容Cs和全桥整流电路Hrec，所述第二电感Ls与所述第二电容Cs串联；
所述输出电压调整电路Vreg包括：Buck电路、Boost电路和第三电感L3；
所述第一电感Lp的一侧安装第一磁芯，所述第二电感Ls一侧安装第二磁芯。
其中，所述第一电感Lp和所述第二电感Ls，安装在所述绝缘体的内壁内侧；第一磁芯安装在所述第一电感Lp与所述第一电感Lp所在一侧的电路板之间，NTC1贴近第一电感Lp放置；第二磁芯安装在所述第二电感Ls与所述第二电感Ls所在一侧的电路板之间，NTC2贴近第二电感Ls放置，所述NTC1和所述NTC2为具有温度传感器功能的电学元件。
其中，根据权利要求1所述的碳化硅器件驱动电源，其特征在于：
所述NTC1和所述NTC2为负温度系数热敏电阻器。
所述自激逆变电路Hinv包括第四电感L1、第五电感L2、第一开关S1、第二开关S2、第一稳压管Z1、第二稳压管Z2、第一二级管D1、第二二极管D2、第四电容C1、第五电容C2，第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5和第六电阻R6，
所述第三电阻R3、所述第四电阻R4、所述第四电容C1和所述第一二级管D1组成所述第一开关S1的门极驱动自激电路，所述第五电阻R5、所述第六电阻R6、所述第五电容C2和所述第二二极管D2组成所述第二开关S2的门极驱动自激电路。
所述输出电压调整电路Vreg中Buck电路、Boost电路和第三电感L3串接，所述输出电压调整电路的一端连接所述全桥整流电路Hrec，另一端连接碳化硅器件驱动电路。
所述第二电容Cs并联第三电容Cg，所述第三电容Cg为可控电容组。
所述电源发送端Tx、所述电源接收端Rx、所述输出电压调整电路Vreg、所述电源能量控制和保护电路包含在所述绝缘体中。
具体的，电源发送端Tx接收第一直流电压Vin输入后，利用自激振荡电路Hinv产生高频电压，通过第一电感Lp与第一电容Cp并联形成的第一谐振滤波模块获得电能，通过磁场向电源接收端Rx传送电能，并由第一电容Cp实现无功补偿；
所述电源接收端Rx通过第二电感Ls实现所述电能的拾取，并由第二电容Cs实现无功补偿，经所述第二电感Ls与所述第二电容Cs串联形成的第二谐振滤波模块将所述电能发送至全桥整流电路Hrec转化为第二直流电压后输出；
输出电压调整电路Vreg接收第二直流电压并转化为碳化硅器件驱动电压。
还包括电源能量控制和保护电路，所述电源能量控制和保护电路对所述碳化硅器件驱动电路和全桥整流电路Hrec输出进行检测，并实现电源发送端Tx和电源接收端Rx间电能的实时平衡。
相对于现有技术，本发明所述碳化硅器件驱动电源具有以下优势：本发明通过优化结构设计，在第一电感Lp、第二电感Ls的一二次侧各安装一个磁芯，使大部分磁力线集中于一定的范围内，减少磁场的边界范围，克服了现有感应耦合电能传输技术中随着传输距离增加和接收端位置变化传送效率显著降低，不能实现高效的能量传送的问题，有效提高了传输效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例提供的总体电路图；
图2为本发明实施例输出电压调整电路；
图3为本发明实施例电源发送端自激振荡电路图；
图4为本发明实施例电源发送端自激振荡电路开关管S1、S2漏极和门极波形图；
图5为本发明实施例能量控制原理；
图6为本发明实施例绝缘体和电路安装图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。下文中将详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
图1所示为本发明的总体电路原理图，也是能量流示意图，电源发送端Tx将接收第一直流电压Vin输入后，利用自激振荡电路Hinv产生高频电压，通过第一电感Lp与第一电容Cp并联形成的第一谐振滤波模块获得电能，通过磁场向电源接收端Rx传送电能，并由第一电容Cp实现无功补偿；电源接收端Rx通过第二电感Ls实现电能的拾取，并由第二电容Cs实现无功补偿，经第二电感Ls与第二电容Cs串联形成的第二谐振滤波模块将电能发送至所述全桥整流电路Hrec转化为第二直流电压后输出；第一电感Lp的一侧安装第一磁芯，第二电感Ls一侧安装第二磁芯，使大部分磁力线集中于一定的范围内，减少磁场的边界范围，有效提高了传输效率。
所述第一电感Lp的一侧安装第一磁芯，所述第二电感Ls一侧安装第二磁芯。
其中，所述第一电感Lp和所述第二电感Ls，安装在所述绝缘体的内壁内侧；第一磁芯安装在所述第一电感Lp与所述第一电感Lp所在一侧的电路板之间，NTC1贴近第一电感Lp放置；第二磁芯安装在所述第二电感Ls与所述第二电感Ls所在一侧的电路板之间，NTC2贴近第二电感Ls放置，所述NTC1和所述NTC2为具有温度传感器功能的电学元件。其中，所述NTC1和所述NTC2为负温度系数热敏电阻器。
需要说明的是，NTC1贴近第一电感Lp放置，指的是NTC1靠近第一电感Lp指定距离，该指定距离保证NTC1能够正常实现温度传感器功能；NTC2贴近第二电感Ls放置，指的是NTC2靠近第一电感Ls指定距离，该指定距离保证NTC2能够正常实现温度传感器功能。
为实现碳化硅器件驱动电路在不同负载情况稳定的电压需求、碳化硅器件驱动电源和碳化硅器件驱动电路故障隔离，全桥整流电路Hrec与碳化硅器件驱动电路之间增加了如图2所示的输出电压调整电路Vreg，该电路由Buck电路和Boost电路串接组成，中间通过第三电感L3衔接，其控制由电源能量控制和保护电路实现。输出电压调整电路Vreg通过串接的Buck和Boost电路将第二直流电压转化为碳化硅器件驱动电路+20/-5V电压范围，维持碳化硅器件在最佳工作状态。在正常运行时，电路运行在Buck模式，通过Q1、Q2开关动作不仅可以控制输出满足驱动电路的电压，又可在驱动电路故障时直接关断Q1、Q2隔离故障，此时Boost电路的低端开关Q3为常闭，高端开关Q4为常开；在电压偏低时，电路可通过Boost模式开关Q3、Q4提升输出电压，满足驱动电路电压需求，此时Buck电路低端开关Q1为常开，高端开关Q2仅当常闭开关，如果发生故障时，可直接关断Q3、Q4隔离故障。此外，该电路还对应输出电压V1-V3，电流I1-I3三组测量点到能量控制模块芯片IC1，芯片IC1通过检测电压电流信息,计算出驱动电路需要的实时功率，然后通过改变副边补偿电容器组的数值达到平衡输出功率的目的，防止输出电压过冲甚至击穿损坏。
电源能量控制和保护部分根据碳化硅器件驱动电路的电能需求通过控制芯片IC1实现电源发送端Tx和电源接收端Rx间电能的功率控制和保护，防止碳化硅器件驱动电路不工作情况下的电压过冲和低效率；电源接收端Rx通过芯片IC1测量副边电压电流信息，并利用特定算法计算结果改变第三电容Cg实际接入电路数值，由此改变耦合线圈传送功率，实现输出功率实时控制。
如图4所示，电源发送端Tx的自激振荡电路主要有第四电感L1、第五电感L2、第一开关S1、第二开关S2、第一稳压管Z1、第二稳压管Z2、第一二级管D1、第二二极管D2，第四电容C1、第五电容C2，第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6，其中第一稳压管Z1、第二稳压管Z2主要是保护第一开关S1、第二开关S2，防止其门极过压损坏开关，对应第一电阻R1、第二电阻R2为下拉电阻，保持稳定门极电位，并可泄放第一开关S1、第二开关S2栅极电容能量；第三电阻R3、第四电阻R4、第四电容C1和第一二极管D1组成第一开关S1的门极驱动自激电路，而第五电阻R5、第六电阻R6、第五电容C2和第二二极管D2则组成第二开关S2的门极驱动自激电路。其具体连接方式如下：第一直流电压Vin的负极为公共地，其正极接入耦合电感第四电感L1、第五电感L2公共连接点，该节点同时连接第三电阻R3、第六电阻R6的并联公共一端，第三电阻R3另一端连接至节点N1，第六电阻R6另一端连接至节点N2；第四电感L1的另一端连接至第一开关S1漏极，即节点P2，该节点同时连接第一电感Lp和第一电容Cp并联谐振腔一端，另外还连接第二二极管D2阴极；第五电感L2的另一端连接至第二开关S2漏极，即节点P1，该节点同时连接发送第一电感Lp和第一电容Cp并联谐振腔另一端，另外还连接第一二极管D1阴极。第一二极管D1、第四电容C1和第四电阻R4并联，并联公共一端连接节点P1，另外一端连接第一S1栅极，即节点N1，同时该节点也连接的M1漏极，以及第一稳压管Z1阴极和第一电阻R1并联一端，第一稳压管Z1阳极和第一电阻R1并联另一端，以及M1源极直接接公共地。第二二极管D2、第五电容C2和第五电阻R5并联，并联公共一端连接节点P2，另外一端连接第二开关S2栅极，即节点N2，同时该节点也连接的M2漏极，以及第二稳压管Z2阴极和第二电阻R2并联一端，第二稳压管Z2阳极和第二电阻R2并联另一端，以及M2源极直接接公共地。开关管M1、M2的栅极连接至IC2的输出。
图3为第一开关S1、第二开关S2漏极和栅极波形图，很明显，每个开关管的漏极电压是由其自身谐振回路控制的，待电压值大于门极阈值时，对应开关管导通，相反开关管一直关断；待电压值小于门极阈值时，对应开关管开始关断，由于谐振原因，相反开关管门极电压开始上升；上述过程，不断反复，完成自激谐振运行过程。此外，IC2用于检测原边电流、谐振电容电压和电感温度，待任何一个量超过阈值时，控制开关管M1、M2开通封锁第一开关S1、第二开关S2脉冲，结束自激电路传输功率。
如图5所示的能量控制原理图，通过检测图4所示的电流I1-I3，然后与设定的阈值ε1-ε3进行逻辑判断，就可确定是否存在故障，随后做出相应的保护输出，隔离相应的故障，保证驱动电路的可靠关断。同时，通过计算V1*I1，V2*I2，V3*I3三者的数值，当其中的任意两个之差超出一定的阈值ε4-ε5时，就可确定存在能量的不匹配。当V1*I1的数值相对其他两个偏小时，减少并联的电容阻的数值，使第二电感Ls、第二电容Cs和第三电容Cg三者的串联谐振频率靠向自然谐振中心频；反之，增加并联的电容阻的数值，使第二电感Ls、第二电容Cs和第三电容Cg三者的串联谐振频率偏离自然谐振中心频。需要说明的是，第三电容Cg是有5个1nF、3个470pF、3个220pF和3个100pF的电容器组成，并且每个电容器串联可控MOSFET阵列MCg，当MOSFET阵列MCg接受IC1的不同指令时，执行相关的具体的开关操作，取得合适的并联电容组数值控制接受的功率。
如图6所示，电源的原副边都封装在一个成型的绝缘体中，所有电路和线圈放入绝缘体后，随后进行灌胶封装，满足高绝缘要求，最后仅留出2个+24V直流进线和3根+20/-5V直流出线，所有的进出线都是30kV高压绝缘线。绝缘体内部厚度为3mm，满足30kV高压绝缘耐压测试，绝缘体外部有4个阻挡墙组成，用于增加原副边间的爬电距离。当然，如果需要更高绝缘等级，绝缘体内部厚度可以增厚，相应阻挡墙个数也需对应增加。此外，为增加原副边的耦合系数，原副边电感和磁芯都放在靠近绝缘体绝缘壁的内侧，其磁芯间隙(即绝缘体内部厚度)由绝缘体绝缘壁厚度决定。
相对于现有技术，本发明通过优化结构设计，通过在一二次侧各增加一个磁芯，并设计固定结构，使大部分磁力线集中于一定的范围内，减少磁场的边界范围，有效提高了传输效率。从而使得使大部分磁力线集中于一定的范围内，减少磁场的边界范围，克服了现有感应耦合电能传输技术中随着传输距离增加和接收端位置变化传送效率显著降低，不能实现高效的能量传送的问题，有效提高了传输效率。且相对于目前市面上的大多数同类产品，可以减小1/3～1/2的线圈和器件的体积。
进一步的，该设计利用电磁感应原理缓减了传输效率会随传输距离增加和接收端位置变化而显著减小的问题，并且通过增加绝缘材料聚乙烯来实现超高压的绝缘效果，例如：在发送端Tx与接收端Rx两侧加入聚乙烯绝缘材料，通过设计相关外形，在满足绝缘要求的条件下(其中，可以折中优选最小化杂散参数和最大原副边耦合系数，比如：耦合电容小于3pF，耦合系数大于0.5)，从而达到超高压的高绝缘要求。并且通过本实施例提供的电路设计，例如：如图1、2、4和5所提供的PCB(Printed Circuit Board，印制电路板)设计方案，在控制杂散参数的同时提供给高压碳化硅器件高频应用的要求，实现高压电路的绝缘要求。还通过了所述输出电压调整电路Vreg实现了短路保护功能，在故障发生后能够及时检测并且防止故障范围的扩大。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种碳化硅器件驱动电源，其特征在于：包括电源发送端Tx、电源接收端Rx、输出电压调整电路Vreg、电源能量控制和保护电路、绝缘体；
所述电源发送端Tx接收第一直流电压Vin并转化为电能，所述电源接收端Rx拾取所述电能并转化为第二直流电压，所述输出电压调整电路Vreg接收第二直流电压并转化为碳化硅器件驱动电压；
所述电源发送端Tx包括：自激逆变电路Hinv、第一电感Lp和第一电容Cp，所述第一电感Lp与所述第一电容Cp并联；
所述电源接收端Rx包括：第二电感Ls、第二电容Cs和全桥整流电路Hrec，所述第二电感Ls与所述第二电容Cs串联；
所述输出电压调整电路Vreg包括：Buck电路、Boost电路和第三电感L3；
所述第一电感Lp的一侧安装第一磁芯，所述第二电感Ls一侧安装第二磁芯；
其中，所述第一电感Lp和所述第二电感Ls，安装在所述绝缘体的内壁内侧；第一磁芯安装在所述第一电感Lp与所述第一电感Lp所在一侧的电路板之间，NTC1贴近第一电感Lp放置；第二磁芯安装在所述第二电感Ls与所述第二电感Ls所在一侧的电路板之间，NTC2贴近第二电感Ls放置，所述NTC1和所述NTC2为具有温度传感器功能的电学元件；
所述自激逆变电路Hinv包括第四电感L1、第五电感L2、第一开关S1、第二开关S2、第一稳压管Z1、第二稳压管Z2、第一二级管D1、第二二极管D2、第四电容C1、第五电容C2，第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5和第六电阻R6，
所述第三电阻R3、所述第四电阻R4、所述第四电容C1和所述第一二级管D1组成所述第一开关S1的门极驱动自激电路，所述第五电阻R5、所述第六电阻R6、所述第五电容C2和所述第二二极管D2组成所述第二开关S2的门极驱动自激电路；
第一直流电压Vin的负极为公共地，其正极接入第四电感L1、第五电感L2公共连接点，第四电感L1和第五电感L2构成耦合电感，该公共连接点同时连接第三电阻R3、第六电阻R6的并联公共一端，第三电阻R3另一端连接至节点N1，第六电阻R6另一端连接至节点N2；第四电感L1的另一端连接至第一开关S1漏极，即节点P2，该节点同时连接第一电感Lp和第一电容Cp并联谐振腔一端，另外还连接第二二极管D2阴极；第五电感L2的另一端连接至第二开关S2漏极，即节点P1，该节点同时连接发送第一电感Lp和第一电容Cp并联谐振腔另一端，另外还连接第一二极管D1阴极；第一二极管D1、第四电容C1和第四电阻R4并联，并联公共一端连接节点P1，另外一端连接第一开关S1栅极，即节点N1，同时该节点也连接的开关管M1漏极，以及第一稳压管Z1阴极和第一电阻R1并联一端，第一稳压管Z1阳极和第一电阻R1并联另一端，以及开关管M1源极直接接公共地；第二二极管D2、第五电容C2和第五电阻R5并联，并联公共一端连接节点P2，另外一端连接第二开关S2栅极，即节点N2，同时该节点也连接的开关管M2漏极，以及第二稳压管Z2阴极和第二电阻R2并联一端，第二稳压管Z2阳极和第二电阻R2并联另一端，以及开关管M2源极直接接公共地；开关管M1、M2的栅极连接至IC2的输出。
2.根据权利要求1所述的碳化硅器件驱动电源，其特征在于：
所述NTC1和所述NTC2为负温度系数热敏电阻器。
3.根据权利要求1所述的碳化硅器件驱动电源，其特征在于：所述输出电压调整电路Vreg中Buck电路、Boost电路和第三电感L3串接，所述输出电压调整电路Vreg的一端连接所述全桥整流电路Hrec，另一端连接碳化硅器件驱动电路。
4.根据权利要求1所述的碳化硅器件驱动电源，其特征还在于：所述第二电容Cs并联第三电容Cg，所述第三电容Cg为可控电容组。
5.根据权利要求1中所述的碳化硅器件驱动电源，其特征在于：所述电源发送端Tx、所述电源接收端Rx、所述输出电压调整电路Vreg、所述电源能量控制和保护电路包含在所述绝缘体中。
6.根据权利要求1中所述的碳化硅器件驱动电源，其特征在于：
电源发送端Tx接收第一直流电压Vin输入后，利用自激逆变电路Hinv产生高频电压，通过第一电感Lp与第一电容Cp并联形成的第一谐振滤波模块获得电能，通过磁场向电源接收端Rx传送电能，并由第一电容Cp实现无功补偿；
所述电源接收端Rx通过第二电感Ls实现所述电能的拾取，并由第二电容Cs实现无功补偿，经所述第二电感Ls与所述第二电容Cs串联形成的第二谐振滤波模块将所述电能发送至全桥整流电路Hrec转化为第二直流电压后输出；
输出电压调整电路Vreg接收第二直流电压并转化为碳化硅器件驱动电压。
7.根据权利要求1或6中所述的碳化硅器件驱动电源，其特征在于：还包括电源能量控制和保护电路，所述电源能量控制和保护电路对所述碳化硅器件驱动电路和全桥整流电路Hrec输出进行检测，并实现电源发送端Tx和电源接收端Rx间电能的实时平衡。
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