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CN108574347B - 一种基于四层pcb的半桥模块感应式门极驱动电源 - Google Patents

一种基于四层pcb的半桥模块感应式门极驱动电源 Download PDF

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Abstract

本发明属于无线电能传输领域，提供一种基于四层PCB的半桥模块感应式门极驱动电源，该驱动电源为四层PCB电路板结构，包括一个发射器和两个接收器。发射器由一个发射电路和一个发射线圈组成，接收器由一个接收电路和一个接收线圈组成；两个接收器分别提供两路隔离的供电电压，为IGBT半桥模块上桥臂和下桥臂开关的驱动电路供电。发射电路和接收电路均放置于PCB电路板顶层；接收线圈、发射线圈和第二个接收线圈依次位于PCB电路板的中间层1、中间层2和底层。本发明采用感应式非接触电能传输技术，发射线圈和接收线圈之间完全没有电气接触，依靠PCB电路板绝缘层进行隔离；且各组成部分高度集成于一块四层PCB电路板上，易于实现小型化和轻型化。

Description

一种基于四层PCB的半桥模块感应式门极驱动电源
技术领域
本发明属于无线电能传输领域，涉及功率半导体器件门极驱动电路的供电电源设计，尤其涉及一种基于四层PCB的半桥模块感应式门极驱动电源。
背景技术
IGBT半桥模块驱动电路通常需要隔离式供电电源，供电电源必须满足隔离电压、体积和重量等设计指标。
目前隔离式驱动电源主要采用工频变压器、高频变压器、非接触电能传输等方式进行隔离。工频变压器虽然绝缘能力强，易于提高隔离电压，但体积大，重量重。高频变压器是当今商业驱动电源主流隔离方式，但对比于常见商业驱动芯片，如Avago公司的HCPL-3120型芯片或IR公司的IR2110型芯片，高频变压器的体积要大得多，重量重得多。对于高压大功率场合中广泛使用的多电平变换器，《煤矿井下无工频变压器级联式多电平变换器的应用与实现》一文中提到，驱动电源的隔离电压需高达几十千伏甚至上百千伏。如此高的隔离电压是高频变压器方式难以实现的。
与变压器隔离方式不同，采用非接触电能传输方式进行隔离，可以轻易获得非常高的隔离电压。但是，目前感应式非接触电能传输中的发射线圈和接收线圈多采用导线手工绕制，需要额外的安装空间。为了减小线圈体积，有研究人员把发射线圈和接收线圈分别印制在不同PCB(Printed Circuit Board)板上。但是，这种采用分立式多块PCB板的设计方法需要的安装空间往往比高频变压器的体积还要大。
为了有效解决上述问题，本发明提出了一种基于四层PCB的半桥模块感应式门极驱动电源，具体发明内容如下。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明采用基于多层PCB的感应式非接触电能传输技术，设计一种隔离电压高，体积小，重量轻的门极驱动电源，即提供一种基于四层PCB的半桥模块感应式门极驱动电源，解决半桥模块驱动电源隔离电压低、体积大和重量重的问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种基于四层PCB的半桥模块感应式门极驱动电源，所述的半桥模块感应式门极驱动电源为四层PCB电路板结构，从上至下依次为顶层、中间层1、中间层2、底层。所述的半桥模块感应式门极驱动电源包括一个发射器和两个接收器，发射器和接收器彼此电气隔离。所述的发射器由一个发射电路和一个发射线圈组成，接收器由一个接收电路和一个接收线圈组成；发射器的输入为24V直流电压，接收器的输出为±15V直流电压，两个接收器分别提供两路隔离的供电电压，为IGBT半桥模块上桥臂和下桥臂开关的驱动电路供电。
所述的一个发射电路和两个接收电路均放置于四层PCB电路板的顶层。所述的接收线圈、发射线圈和另一个接收线圈依次位于四层PCB电路板的中间层1、中间层2和底层，它们均为刻画在PCB板上的螺旋形铜线圈。中间层2上的发射线圈同时为两个接收线圈提供电能，三个线圈之间设有电气接触，依靠PCB板绝缘层进行隔离，隔离电压可达30kV/mm。发射线圈和接收线圈分别通过不同的过孔与布置在顶层的相应电路进行电气连接。所述的四层PCB电路板上对应位置均设有过孔，过孔贯穿整个PCB板，过孔位置设于接收线圈和发射线圈的中心位置及螺旋形铜线圈最外侧。
所述的发射电路包括一个E类放大器和一个发射线圈补偿电路。电能由24V直流电源输入，经E类放大器高频逆变后由发射线圈补偿电路传输至发射线圈。发射线圈补偿电路采用LCL补偿方式，可减少输入无功功率，保持发射线圈电流恒定。
所述的接收电路包括接收补偿电路、整流电路、滤波电路、稳压电路、驱动单元。高频交流电能由接收线圈接收后经接收补偿电路、整流滤波电路和稳压电路转换至±15V直流电压，送入驱动单元，提供稳定电力供应。接收补偿电路为一个串联电容，采用串联补偿方式，可补偿接收侧无功功率，提高电路稳定性。整流电路为不可控全桥整流电路，用于将高频交流电转换为直流电。滤波电路为一个并联电容。稳压电路采用LM7815和LM7915芯片，可以输出±15V直流电压。
所述的驱动电源的体积取决于PCB板的尺寸和电路中元器件的高度，重量取决于四层PCB板的重量以及顶层贴片元件的重量。
本发明的有益效果是：
(1)采用感应式非接触电能传输技术，发射线圈和接收线圈之间完全没有电气接触。将线圈刻画于PCB板不同层上，所述的驱动电源可以获得高达30kV/mm的隔离电压。
(2)基于多层PCB技术，所发明的驱动电源各个组成部分(发射电路、接收电路，发射线圈和接收线圈)高度集成于一块四层PCB板上，避免线圈占用额外安装空间，大大缩小驱动电源的体积。所发明的驱动电源的长度和宽度取决于所设计的PCB板尺寸，高度取决于四层PCB板的厚度加上顶层元器件高度。顶层元器件可以选用体积很小的贴片元件，因此整体高度不高。如此设计使得所发明的驱动电源小型化，便于实现半桥模块及其驱动器的高度集成。
(3)所发明的驱动电源的重量取决于四层PCB板的重量以及顶层贴片元件的重量，实现轻型化。
(4)一个发射线圈配有两个接收线圈，可分别为半桥模块上桥臂开关和下桥臂开关隔离供电，节约材料成本。
附图说明
图1是所发明的驱动电源整体结构侧视图。
图2是所发明的驱动电源整体结构示意图。
图3是发射器电路图。
图4是接收器1电路图。
具体实施方式
下面结合技术方案和说明书附图，对本发明的具体实施方式和工作原理作进一步详细说明。
如图1所示，所发明的半桥模块感应式门极驱动电源高度集成于一块PCB板上。该PCB板包含四层，发射电路和接收电路放置于PCB板的顶层，接收线圈1、发射线圈和接收线圈2分别刻画于PCB板的中间层1、中间层2和底层。利用过孔贯穿整个PCB板，分别连接不同线圈和相应电路。由图1可知，所发明的驱动电源的体积取决于PCB板的尺寸和电路中元器件的高度，易于实现小型化和轻型化。
如图2所示，所发明的驱动电源由一个发射电路、一个发射线圈、一对接收电路和一对接收线圈组成。发射电路和接收电路放置于PCB板的顶层，接收线圈1、发射线圈和接收线圈2分别刻画于PCB板的中间层1、中间层2和底层。顶层中的发射电路通过两个过孔与中间层2中的发射线圈相连，顶层中的接收电路1和接收电路2分别通过其他过孔与处于中间层1的接收线圈1和处于底层的接收线圈2相连。发射线圈和接收线圈彼此利用PCB板绝缘，绝缘电压可高达30kV/mm。发射线圈和接收线圈均为螺旋形铜线圈，半径一致，且同轴分布。可以根据具体应用，设计所需线圈匝数，线宽，半径等参数。所发明的驱动电源的输入为24V直流电压，输出为两路隔离的±15V直流电压。驱动单元可以放置于PCB板的顶层，驱动电源为驱动单元提供稳定电压，保障可靠工作。所发明的驱动电源工作原理是基于感应式非接触电能传输技术，具体是24V直流电压经过发射电路变为高频交流电流，该电流流经发射线圈，激发空间高频交变磁场，使接收线圈中感应出高频感应电流，经过接收电路变换后输出±15V直流电压。
如图3所示，所述的发射器由E类放大器、补偿电路和发射线圈组成。电源提供的24V直流电压经过E类放大器逆变后得到高频交流电，高频交流电经发射侧LCL补偿电路输入发射线圈以建立空间高频磁场。E放大器由直流电感L1、MOSFET型开关管及其驱动器、谐振电容C1，输出电感L2和输出电容C2组成。发射线圈和接收线圈耦合系数较低，需要采取适当的补偿电路来减少无功功率，降低损耗。发射侧补偿电路采用LCL补偿方式，由串联电感L3、并联电容C3以及线圈自感Lp组成。LCL补偿电路设计时需保证电感L3与发射线圈自感Lp相等，以便实现发射线圈电流值恒定。电感L3与电容C3的关系应满足
Figure BDA0001639761800000051
其中f为开关频率。
如图4所示，所述的接收器1由接收线圈1、串联补偿电容、整流电路、滤波电路和稳压电路组成。接收器2与接收器1电路结构完全相同，此处不再赘述。电能传输过程为接收线圈1接收到高频交流电流后经串联补偿电容、整流滤波电路和稳压电路，最终输出±15V的直流电压。接收侧补偿方式是串联电容补偿，补偿电容C4与接收线圈自感Ls的关系应满足
Figure BDA0001639761800000052
使电路处于谐振状态，补偿接收侧的无功功率，提高电路稳定性。整流电路采用不可控全桥整流电路，将高频交流电转换为直流电，整流二极管可选IN4007型贴片二极管，其最大反向击穿电压为1000V，工作电流为1A。滤波电路为并联电容Cf，可选用22μF/50V贴片电容。稳压电路采用LM7815和LM7915芯片实现输出+15V和－15V电压。LM7815两侧的电容C2和C4可分别选用0.33μF和0.1μF贴片电容，稳压二极管D5可选用IN4001型贴片二极管。LM7915两侧的电容C3和C5可分别选用2.2μF和1μF贴片电容，稳压二极管D6可选用IN4001型贴片二极管。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于四层PCB的半桥模块感应式门极驱动电源，其特征在于，所述的半桥模块感应式门极驱动电源为四层PCB电路板结构，从上至下依次为顶层、中间层1、中间层2、底层；所述的半桥模块感应式门极驱动电源包括一个发射器和两个接收器，发射器和接收器彼此电气隔离，两个接收器分别提供两路隔离的供电电压，分别为IGBT半桥模块上桥臂和下桥臂开关的驱动电路供电，发射器的输入为24V直流电压，接收器的输出为±15V直流电压；所述的发射器由一个发射电路和一个发射线圈组成，接收器由一个接收电路和一个接收线圈组成；
所述的一个发射电路和两个接收电路均放置于四层PCB电路板的顶层；接收线圈、发射线圈和另一个接收线圈依次位于四层PCB电路板的中间层1、中间层2和底层，接收线圈、发射线圈均为刻画在PCB板上的螺旋形铜线圈；中间层2上的发射线圈同时为两个接收线圈提供电能，三个线圈之间没有电气接触，依靠PCB板绝缘层进行隔离；发射线圈和接收线圈分别通过贯穿整个PCB板的过孔与布置在顶层的电路进行电气连接；所述的过孔位置设于接收线圈和发射线圈的中心位置及螺旋形铜线圈最外侧。
2.根据权利要求1所述的一种基于四层PCB的半桥模块感应式门极驱动电源，其特征在于，所述的三个线圈之间完全没有电气接触，依靠PCB板绝缘层进行隔离，其隔离电压可达30kV/mm。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于四层PCB的半桥模块感应式门极驱动电源，其特征在于，所述的驱动电源的体积取决于PCB板的尺寸和电路中元器件的高度，重量取决于四层PCB板的重量以及顶层贴片元件的重量。
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