CN208424189U - 一种用于驱动固态开关管的多路输出高压隔离驱动电源 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提出了一种用于驱动固态开关管的多路输出高压隔离驱动电源，包括：调制电路、驱动功率放大电路、磁环变压器和多路固态开关管电路；其中，调制电路用于调制输入的驱动脉冲信号；驱动功率放大电路用于放大由所述调制电路调制后的驱动脉冲信号；磁环变压器包括一次侧绕组和多路二次侧绕组，每一路二次侧绕组与一路固态开关管电路连接，用于驱动所述固态开关管电路，固态开关管电路被驱动后输出脉冲高压信号。与现有技术相比，该电源具有隔离电压等级高、电路简单、可靠性高、扩展性好的优点，而且固态开关管串联的路数在不需要增加硬件的基础上容易增减，同时，驱动信号脉宽占空比可调。
Description
技术领域
本实用新型涉及高压电源技术领域，具体涉及一种多路输出高压隔离驱动电源。
背景技术
近年来电力电子器件和计算机技术的快速发展，使已有的研究成果和技术不断得到改善，中高压大功率电力电子装置的应用也越来越广泛，包括高压直流输电系统、高压动态无功补偿及电力滤波装置、大功率电动机调速装置、多电平变流器等其它电力电子装置。目前受大功率电力电子器件的材料和制造工艺的限制，在许多高压控制系统场合往往需要多只大功率电力电子器件的串并联，有时为了节约成本，也采用低耐压、小电流的电力电子器件串并联替代大功率高耐压、大电流的电力电子器件。由于高压电力半导体器件的驱动系统连接了处于高电位的半导体器件和处于低电位的控制系统，因此必须实现高、低电位的隔离。随着高压大功率电力电子装置的不断发展，各路串接在一起的驱动电源之间，往往需要承受极高的工作电压。
常规高压隔离技术，例如：高耐压隔离变压器、特殊结构变压器和压电变压器，能够比较好地满足高耐压的隔离要求，对于隔离路数少的场合具有优势，但受体积或驱动路数限制，很难满足像固态短路限流器或多电平变换器等需要多路输出隔离驱动电源的场合。
目前大功率高压电力电子器件多路驱动方式有直接光驱动方式、间接光驱动方式、磁耦合隔离驱动方式。直接光驱动方式，即将电驱动信号转化为光信号来直接驱动高位的光控器件。此种方式的突出优点是隔离电压等级高，触发可靠性优异。但是光控闸流管价格非常昂贵，目前还难以适用于普通的电力电子装置中，限制了其大范围的使用。间接光驱动方式，将驱动信号转化为光信号送高位再转化为电信号驱动开关器件，此种驱动方式只能传输开关信号信息，传输不了开关管导通所需的电流和功率，需要额外增加隔离端的驱动电源，当串联的开关管数量增多时，电路的结构势必复杂，系统的稳定性下降。磁耦合隔离驱动方式是将低电位的驱动信号通过高频脉冲隔离变压器(高频隔离变压器初级绕组1匝，次级绕组N匝，或者是驱动信号经过N组高频隔离变压器)，然后经过整流来驱动高电位的N组开关管。磁耦合隔离驱动受限于高频脉冲隔离变压器的磁芯饱和问题，其传输的驱动信号的脉宽有限(通常要求功率开关管的驱动脉冲的占空比不能高于50％)，还存在驱动波形失真及高频脉冲隔离变压器选取困难等问题。
实用新型内容
本实用新型主要解决的技术问题是多路高压隔离驱动电源应用中存在的多路串联开关管隔离电压不高及隔离电源结构复杂、体积大和成本高的问题。
为解决上述技术问题，本实用新型提出一种用于驱动固态开关管的多路输出高压隔离驱动电源，包括：调制电路、驱动功率放大电路、磁环变压器和多路固态开关管电路；其中，所述调制电路用于调制输入的驱动脉冲信号；所述驱动功率放大电路用于放大由所述调制电路调制后的驱动脉冲信号；所述磁环变压器包括一次侧绕组和多路二次侧绕组，每一路二次侧绕组与一路固态开关管电路连接，所述磁环变压器通过所述一次侧绕组接收由所述驱动功率放大电路放大后的驱动脉冲信号，以耦合到所述多路二次侧绕组中，用于驱动所述固态开关管电路，所述固态开关管电路被驱动后输出脉冲高压信号。
根据本实用新型的一种具体实施例，所述多路固态开关管电路中，一半数量的固态开关管电路组成开关板电路，另一半数量的固态开关管电路组成截尾板电路；其中：截尾板电路中的各路固态开关管电路与磁环变压器二次侧绕组绕向与开关板电路中的各路固态开关管电路与磁环变压器二次侧绕组绕向相反，以使得截尾板电路的各路固态开关管的通断状态与开关板电路的各路固态开关管的通断状态相反。
根据本实用新型的一种具体实施例，所述驱动功率放大电路包括：直流升压电路和单相全桥逆变电路；其中，直流升压电路用于将输入的直流电压进行升压后输出，并作为单相全桥逆变电路的驱动直流母线电压；单相全桥逆变电路用于对调制后的驱动脉冲信号进行功率放大。
根据本实用新型的一种具体实施例，所述调制电路包括多谐振荡电路和单稳态电路；其中，多谐振荡电路用于对输入的驱动脉冲信号进行调制，使得驱动脉冲信号在一个周期内的下降沿触发条件下产生多个矩形脉冲；单稳态电路用于缩窄多谐振荡电路输出的驱动脉冲信号的脉宽。
根据本实用新型的一种具体实施例，所述多谐振荡电路在驱动脉冲信号一个周期内的下降沿触发条件下产生的多个矩形脉冲，用于截尾板电路上的各路固态开关管电路在开关板电路上的各路固态开关管电路关断的时间内都开通。
根据本实用新型的一种具体实施例，所述单稳态电路缩窄驱动脉冲信号脉宽，用于调制不同占空比的驱动脉冲信号。
根据本实用新型的一种具体实施例，所述磁环变压器的一次侧绕组包括一根高压电缆，用于传输经过功率放大和调制后的驱动脉冲信号；多路二次侧绕组包括多个环形铁氧体磁芯和缠绕在磁芯上的漆包线；所述高压电缆依次穿过各环形铁氧体磁芯。
根据本实用新型的一种具体实施例，所述二次侧绕组的匝数根据驱动直流母线电压和连接的固态开关管驱动电压确定。
依据上述实施例的一种用于驱动固态开关管的多路输出高压隔离驱动电源，与现有技术相比，该电源具有隔离电压等级高、电路简单、可靠性高、扩展性好的优点，而且固态开关管串联的路数在不需要增加硬件的基础上容易增减。
附图说明
图1为一种用于驱动固态开关管的多路输出高压隔离驱动电源的结构示意图；
图2为一种实施例的多路固态开关管串联电路图；
图3为一种实施例的驱动信号功率放大电路图；
图4为一种实施例的驱动信号调制电路图；
图5为一种实施例的一次侧绕组两端波形信号示意图；
图6为一种实施例的磁环变压器示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本实用新型作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。
另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。
本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。
下面通过具体实施方式结合附图对本实用新型作进一步详细说明。
实施例一：在本实施例中提供一种用于驱动固态开关管的多路输出高压隔离驱动电源，如图1所示，包括：调制电路100、驱动功率放大电路200、磁环变压器300和多路固态开关管电路400。其中，调制电路100用于调制输入的驱动脉冲信号；驱动功率放大电路200用于放大由调制电路100调制后的驱动脉冲信号；磁环变压器300包括一次侧绕组301和多路二次侧绕组302，每一路二次侧绕组与一路固态开关管电路400连接。磁环变压器300通过一次侧绕组301 接收由驱动功率放大电路200放大后的驱动脉冲信号，以耦合到多路二次侧绕组302中，用于驱动固态开关管电路400。固态开关管电路400被驱动后输出脉冲高压信号。
在本实施例中，如图2所示，多路固态开关管电路400中，一半数量的固态开关管电路400组成开关板电路401，另一半数量的固态开关管电路400组成截尾板电路402；其中：截尾板电路402中的各路固态开关管电路421与磁环变压器二次侧绕组302绕向与开关板电路401中的各路固态开关管电路411与磁环变压器二次侧绕组302绕向相反，以使得截尾板电路402的各路固态开关管的通断状态与开关板电路401的各路固态开关管的通断状态相反。具体的驱动过程是：以第一个固态开关管开关板电路411为例，当来自第一路二次侧绕组302的输入驱动信号为正脉冲时，Q1导通，电路给Q3的GS端电容充电，由于没有放电回路，GS端电容上的电压保持不变，Q3一直导通。当负脉冲到来时， Q2导通，GS端电容上的电压开始泄放，Q3截止。开关板401的各路固态开关管电路开通和关断的过程类似，由于截尾板402的磁环变压器二次侧绕组302 绕向正好与开关板401上的相反，所以截尾板402的各路固态开关管电路421 开通与关断的时间与开关板401上的各路固态开关管电路411的正好相反，即开关板401上的固态开关管导通时，截尾板402的固态开关管截止；开关板401 的固态开关管关断时，截尾板402的固态开关管开通，这样的电路设计使得多路固态开关管电路400输出与输入驱动信号一致的高压脉冲信号。
在本实施例中，采用如图3所示的驱动功率放大电路200用于放大驱动信号的驱动能力。驱动功率放大电路300包括：直流升压电路201和单相全桥逆变电路202；其中，直流升压电路用于将输入的直流电压进行升压后输出，并作为单相全桥逆变电路的驱动直流母线电压；直流升压电路201的输入电压范围可以包括：4.5～9V、9～18V、18～36V等，输出直流电压范围可以包括：100V、 110V、150V、200V、220V、250V等。单相全桥逆变电路202用于对调制后的驱动脉冲信号进行功率放大。如图3所示，单相全桥逆变电路202的两路输出 out a和out b分别与磁环变压器300的一次侧绕组301两端相连，即连接一根高压电缆两端。
在本实施例中，如图4所示，调制电路100包括多谐振荡电路101和单稳态电路102。其中，多谐振荡电路101用于对输入的驱动脉冲信号进行调制，使得驱动脉冲信号在一个周期内的下降沿触发条件下产生多个矩形脉冲；单稳态电路102用于缩窄多谐振荡电路输出的驱动脉冲信号的脉宽。具体的信号调制过程如图4所示，多谐振荡电路101的两路输入为输入驱动脉冲信号及其反相脉冲信号，两路输出中，一路为输入驱动脉冲信号，且上升沿触发，另一路为与输入驱动脉冲信号对应的下降沿触发脉冲信号，同时，在该信号下降沿到来时，在与输入驱动脉冲信号一致的同一周期内，输出一串振荡矩形脉冲；单稳态电路102也是两路输入，两路输出，输入信号是多谐振荡电路101的输出信号，输出信号是与输入对应的、脉宽缩窄的窄脉冲驱动信号，同时，单稳态电路102的输出信号drive a和drive b作为单相全桥逆变电路202的输入信号。
在本实施例中，图4和图5所示的驱动脉冲信号波形中，Tw为脉冲信号的脉宽，T为脉冲信号的周期，Tw1为窄脉冲的脉宽，其中，多谐振荡电路101 的一路输出为下降沿触发脉冲信号，且在该信号下降沿到来时，在与输入驱动脉冲信号一致的同一周期内，输出多个矩形脉冲，用于截尾板电路402上的各路固态开关管电路421在开关板电路401上的各路固态开关管电路411关断的时间内都开通。在本实施例中，输入驱动脉冲信号经过调至电路100中的多谐振荡电路101、单稳态电路102和驱动功率放大电路200，生成调制后的高直流电压驱动脉冲信号，如图5所示的单相全桥逆变电路202的两路输出out a和out b两端的信号波形，即磁环变压器300的一次侧绕组301两端的信号波形示意图。
磁环变压器300结构如图6所示，磁环变压器300的一次侧绕组301包括一根高压电缆，用于传输经过功率放大和调制后的驱动脉冲信号；多路二次侧绕组302包括多个环形铁氧体磁芯321和缠绕在磁芯上的漆包线322；所述高压电缆依次穿过各环形铁氧体磁芯321。其中，二次侧绕组302的匝数根据驱动直流母线电压和连接的固态开关管驱动电压确定。
实施例二：在本实施例中，可以根据不同占空比的输入驱动信号，调制电路100中的单稳态电路102可以缩窄驱动脉冲信号脉宽，用于调制不同占空比的驱动脉冲信号。
以上应用了具体个例对本实用新型进行阐述，只是用于帮助理解本实用新型，并不用以限制本实用新型。对于本实用新型所属技术领域的技术人员，依据本实用新型的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。
Claims (8)
1.一种用于驱动固态开关管的多路输出高压隔离驱动电源，其特征在于，包括：调制电路、驱动功率放大电路、磁环变压器和多路固态开关管电路；其中，所述调制电路用于调制输入的驱动脉冲信号；所述驱动功率放大电路用于放大由所述调制电路调制后的驱动脉冲信号；所述磁环变压器包括一次侧绕组和多路二次侧绕组，每一路二次侧绕组与一路固态开关管电路连接，所述磁环变压器通过所述一次侧绕组接收由所述驱动功率放大电路放大后的驱动脉冲信号，以耦合到所述多路二次侧绕组中，用于驱动所述固态开关管电路，所述固态开关管电路被驱动后输出脉冲高压信号。
2.如权利要求1所述的多路输出高压隔离驱动电源，其特征在于，所述多路固态开关管电路中，一半数量的固态开关管电路组成开关板电路，另一半数量的固态开关管电路组成截尾板电路；其中：截尾板电路中的各路固态开关管电路与磁环变压器二次侧绕组绕向与开关板电路中的各路固态开关管电路与磁环变压器二次侧绕组绕向相反，以使得截尾板电路的各路固态开关管的通断状态与开关板电路的各路固态开关管的通断状态相反。
3.如权利要求1所述的多路输出高压隔离驱动电源，其特征在于所述驱动功率放大电路包括：直流升压电路和单相全桥逆变电路；其中，直流升压电路用于将输入的直流电压进行升压后输出，并作为单相全桥逆变电路的驱动直流母线电压；单相全桥逆变电路用于对调制后的驱动脉冲信号进行功率放大。
4.如权利要求1所述的多路输出高压隔离驱动电源，其特征在于所述调制电路包括多谐振荡电路和单稳态电路；其中，多谐振荡电路用于对输入的驱动脉冲信号进行调制，使得驱动脉冲信号在一个周期内的下降沿触发条件下产生多个矩形脉冲；单稳态电路用于缩窄多谐振荡电路输出的驱动脉冲信号的脉宽。
5.如权利要求4所述的多路输出高压隔离驱动电源，其特征在于，所述多谐振荡电路在驱动脉冲信号一个周期内的下降沿触发条件下产生的多个矩形脉冲，用于截尾板电路上的各路固态开关管电路在开关板电路上的各路固态开关管电路关断的时间内都开通。
6.如权利要求4所述的多路输出高压隔离驱动电源，其特征在于，所述单稳态电路缩窄驱动脉冲信号脉宽，用于调制不同占空比的驱动脉冲信号。
7.如权利要求1所述的多路输出高压隔离驱动电源，其特征在于所述磁环变压器的一次侧绕组包括一根高压电缆，用于传输经过功率放大和调制后的驱动脉冲信号；多路二次侧绕组包括多个环形铁氧体磁芯和缠绕在磁芯上的漆包线；所述高压电缆依次穿过各环形铁氧体磁芯。
8.如权利要求7所述的多路输出高压隔离驱动电源，其特征在于，所述二次侧绕组的匝数根据驱动直流母线电压和连接的固态开关管驱动电压确定。
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