一种碳化硅驱动装置的制作方法

1.本发明属于电源、电力电子技术领域，尤其涉及一种碳化硅驱动装置。


背景技术：

2.目前主流的驱动器主要采用智能模块ipm(intelligent power module)、pim（power integrated module）、igbt(insulated gate bipolar transistor)等功率模块，一般开关频率最大仅为20khz，而对于使用ipm智能集成功率模块而言散热方面是一大短板。驱动器的技术主要包括：整流电路技术、直流缓冲电路技术、逆变电路技术、电流电压采样电路技术、保护电路技术、复位电路技术、均压电路技术以及编码器采样电路技术等等。对于驱动器通常有如下技术要求：1、逆变要求：支持交-直-交（ac-dc-ac）整流逆变功能，直-交（dc-ac）逆变功能；2、采样要求：编码器采样、母线电压采样、输出电流采样及温度采样；3、保护要求：输出电流过流、母线过压、过温及过载保护。
3.然而现有驱动器存在的多个技术问题是：1、开关频率低，最大仅为20khz；2、内阻大、开关损耗大，温升大、逆变效率低；3、缓冲电路与复位电路与使能电路都是分开设计，不方便用户使用，容易烧缓冲电阻与炸机；3、支持编码器种类少；4、dsp(digital signal processing)/arm(advanced risc machine)/fpga(field programmable gate array)的程序固化，使用者不能进行二次开发。在这些技术问题中急需解决的是开关频率低的问题。
4.

技术实现要素：

5.本发明实施例提供一种碳化硅驱动装置，以解决现有技术中驱动器开关频率低的问题。
6.为解决上述技术问题，一方面，本发明实施例提供了一种碳化硅驱动装置，包括：处理板，所述处理板上设有调理电路，所述调理电路用于对输入的脉冲宽度调制信号进行调理处理；以及，驱动板，所述驱动板与所述处理板连接，所述驱动板上设有驱动模块和碳化硅模块，所述驱动模块用于对调理处理后的所述脉冲宽度调制信号进行升压处理，所述碳化硅模块用于对升压处理后的所述脉冲宽度调制信号进行逆变处理并产生可变电流信号和或可变电压信号；其中，所述驱动模块支持频率大于或等于1000 khz的脉冲信号；所述碳化硅模块的开关频率为800 khz-1000 khz。
7.根据本发明的一实施方式，所述驱动模块包括驱动芯片，所述驱动芯片的型号为acpl-352j。
8.根据本发明的另一实施方式，所述驱动模块还包括与所述驱动芯片连接的推挽电路，所述推挽电路用于对所述驱动芯片接收的所述脉冲宽度调制信号进行推挽升压处理。
9.根据本发明的另一实施方式，所述驱动板还包括驱动电源，所述驱动电源的型号为qa151m。
10.根据本发明的另一实施方式，所述碳化硅模块为英飞凌碳化硅模块。
11.根据本发明的另一实施方式，所述碳化硅模块的型号为ff11mr12w1m1。
12.根据本发明的另一实施方式，所述驱动板的直流侧主电路结构为交-直-交结构或直-交结构，所述驱动板的逆变侧采用的拓扑结构为单相半桥、单相全桥、两电平三相半桥、两电平三相全桥、三电平三相半桥、三电平三相全桥、五电平三相半桥、五电平三相全桥和三相四桥臂中的任意一种。
13.根据本发明的另一实施方式，所述驱动板上还设有采样模块，所述采样模块包括5路电压采样和10路电流采样。
14.根据本发明的另一实施方式，所述碳化硅驱动装置还包括电磁兼容板，所述电磁兼容板分别与所述驱动板和所述处理板连接。
15.另一方面，本发明实施例还提供了一种驱动系统，包括上述所述的碳化硅驱动装置以及与所述碳化硅驱动装置连接的待驱动设备。
16.本发明的有益效果：本发明实施例的碳化硅驱动装置中输入的脉冲宽度调制信号经过处理板的调理电路处理后送到驱动板上的驱动模块升压至预设电压值后再送入到碳化硅模块进行逆变处理，经碳化硅模块的处理后产生可变的电流电压信号，从而用于控制待驱动设备。另外，本实施例中驱动模块支持频率大于或等于1000 khz的脉冲信号且碳化硅模块的开关频率高达800 khz-1000 khz。因此，本发明实施例的碳化硅驱动装置结构简单，具有较高的开关频率，解决了现有技术中驱动器开关频率低的问题。
17.附图说明
18.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例描述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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1是本发明的碳化硅驱动装置的一个实施例的示意框图；图2是本发明的碳化硅驱动装置的驱动板的一个实施例的示意框图；图3是本发明的碳化硅驱动装置的驱动板的一个实施例的三相半桥主电路结构图；图4是本发明的碳化硅驱动装置的另一个实施例的示意框图；图5是本发明的碳化硅驱动装置的电磁兼容板的一个实施例的拓扑结构图；图6是本发明的驱动系统的一个实施例的示意框图。
20.具体实施方式
21.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发
明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
22.参见图1所示，本发明实施例提供了一种碳化硅驱动装置100，包括：处理板1，处理板1上设有调理电路10，调理电路10用于对输入的脉冲宽度调制信号（pwm）进行调理处理；以及，驱动板2，驱动板2与处理板1连接，驱动板2上设有驱动模块20和碳化硅模块21，驱动模块20用于对调理处理后的脉冲宽度调制信号进行升压处理，碳化硅模块21用于对升压处理后的脉冲宽度调制信号进行逆变处理并产生可变电流信号和/或可变电压信号；其中，驱动模块20支持频率大于或等于1000 khz的脉冲信号；碳化硅模块21的开关频率为800 khz-1000 khz。
23.本实施例中输入的脉冲宽度调制信号为8路pwm调制指令，其经过处理板的调理电路处理后送到驱动板上的驱动模块升压至预设电压值后再送入到碳化硅模块进行逆变处理，经碳化硅模块的处理后产生可变的电流电压信号，从而用于控制待驱动设备。另外，本实施例中驱动模块支持频率大于或等于1000 khz的脉冲信号且碳化硅模块的开关频率高达800 khz-1000 khz。因此，本发明实施例的碳化硅驱动装置结构简单，具有较高的开关频率，解决了现有技术中驱动器开关频率低的问题。
24.在一些实施中，本发明实施例的驱动模块20包括驱动芯片201，驱动芯片201的型号为acpl-352j。本实施例中驱动芯片即驱动光耦为acpl-352j，该芯片具有如下优点：支持1000khz以上脉冲信号；具有高达100kv/μs的出色共模瞬态抑 (cmti)，这样可避免嘈杂环境中的错误栅极驱动器故障；支持高达5a的轨到轨输出电流，这样即无需输出缓冲器电路；具有集成的故障安全igbt和mosfet诊断，保护和故障报告功能；提供最小的传播延迟和出色的时序偏差。该芯片的高峰值输出电流和宽工作电压范围消除了对输出缓冲电路的需求，使设计人员能够为电机驱动器和功率逆变器实施经济高效的栅极驱动器解决方案。
25.在一些实施中，参见图2所示，本发明实施例的驱动模块20还包括与驱动芯片201连接的推挽电路202，推挽电路202用于对驱动芯片201接收的脉冲宽度调制信号进行推挽升压处理。本实施例中驱动电路使用推挽电路，该电路优点是：在一般推挽电路中，比如输出级，电路的工作是把输入信号放大；而完成电路工作，但一般推挽电路用同级性元件（晶体管或电子管）为了实现输出级元件轮流导通，必须激励大小相等，相位相反的两个信号，即所谓的倒相问题，完成倒相可用电路，可用电感原件（变压器）但这无不增加了电路的复杂性，可靠性。互补电路可克服用单极性原件出现的上述问题。电路工作时双极性原件轮流导通，亦可省去倒相或简化电路，这样电路的稳定性可相应提高。比如当输入信号为正时，双极性中的npn管导通pnp由于极性自动截止，当电路输入信号为负时，pnp管导通npn管截止。不管信号如何变化都能自动完成导通于截止而完成电路工作。推挽电路结构简单，开关变压器磁芯利用率高，推挽电路工作时，两只对称的功率开关管每次只有一个导通，所以导通损耗小。
26.在一些实施中，参见图2所示，本发明实施例的驱动板2还包括驱动电源22，驱动电源22的型号为：qa151m。本实施例中驱动电源使用qa151m，该电源优点为：电源转换效率高，高达83%；隔离电压高6000vdc，超小隔离电容3.5pf，可持续短路保护；其内部采用了两路独立输出后共接模式，可以更好的为碳化硅sic的开通与关断提供能量，同时具有输出短路保
护及自恢复能力。
27.在一些实施中，本发明实施例的碳化硅模块21为英飞凌碳化硅模块。
28.在一些实施中，本发明实施例的碳化硅模块21的型号为ff11mr12w1m1。
29.本实施例中碳化硅模块即逆变电路使用英飞凌碳化硅模块，型号ff11mr12w1m1，该模块优点为：根据pwm调制信号将dc直流电转成不同频率不同相位的交流电；具有高达1ghz的开关频率；低开关损耗、低热阻，低温升；逆变转换效率高达99%；由于碳化硅具有体二极管，所以在任何情况下都不需要外部反并联二极管，简化了电流续流电路；带来更小尺寸的产品设计和更高的效率；更高频率的运行，能让驱动器做得更小；耐压1200v，能在更高温度下运行，意味着冷却系统可以更简单。
30.本发明实施例的碳化硅驱动装置采用三相四桥臂碳化硅驱动板，主要实现ac-dc-ac逆变功能、温度采样、4路输出电流采样、3路输出电压采样、1路母线电压采样、1路母线电流采样、8路pwm推挽升压至17v输出；既能实现三相电机控制、也能实现三相四桥臂电网控制；采用全球最新的第三代半导体材料构成的碳化硅模块，使用了安华高avago公司最新推出的驱动芯片acpl-352j，以及金升阳公司的驱动电模块qa151m，同时使用推挽电路，使碳化硅功率模块（型号ff11mr12w1m1）开关频率达到800khz，从而控制碳化硅驱动器输出电流更逼真正弦波波形、电机控制效果更好。
31.在一些实施中，本发明实施例的驱动板2的直流侧主电路结构为交-直-交结构或直-交结构，驱动板2的逆变侧采用的拓扑结构为单相半桥、单相全桥、两电平三相半桥、两电平三相全桥、三电平三相半桥、三电平三相全桥、五电平三相半桥、五电平三相全桥和三相四桥臂中的任意一种。本实施例的碳化硅驱动装置可支持多种拓扑结构。
32.在一些实施中，参见图2所示，本发明实施例的驱动板2上还设有采样模块23，采样模块23包括5路电压采样和10路电流采样。本实施例的碳化硅驱动装置具有更多更丰富的采样信号路数。
33.本发明实施例的驱动板上还设有信号电平转换模块、弱电信号隔离模块、缓冲继电器模块、整流模块、母线电容滤波模块、母线均压模块、制动模块、多路电源模块、有源米勒钳位模块以及功率模块短路保护模块等。
34.综上所述，本发明实施例的驱动板主要功能包括：1、将弱电的数字信号转变成模拟信号，并进行调理放大传递给被控对象；2、将工频交流电源或直流电源逆变成各种频率的交流电源提供给被控对象，从而实现电源的电力变换功能，进一步实现调压调频调流调速等功能；3、功率器件普遍采用以智能功率模块ipm、pim、igbt、碳化硅sic为核心设计的驱动电路，但ipm内部集成了驱动电路，同时具有过电压、过电流、过热、欠压等故障检测保护电路，在主回路中还设计了软启动电路或缓冲电路，减小启动过程对驱动器的冲击，以防止瞬间电流过大，母线电容形成短路引起炸机；功率驱动单元首先通过三相全桥不控整流电路对输入的三相电或者市电进行整流，得到相应的直流电，再通过三相正弦pwm电压型逆变器来控制被控对象，功率驱动单元的整个过程可以简单的说就是ac-dc-ac的过程；整流单元（ac-dc）主要的拓扑电路是三相全桥不控整流电路；4、驱动板直流侧主电路采用交-直-交结构ac-dc-ac和直-交结构dc-ac；驱动板逆变侧可采用三相半桥，参见图3所示；
5、支持多种输入电压等级：交流单相220v/三相220v/三相380v输入，直流0~600v输入；6、支持功率等级：额定输出功率（电流）：2kw、15kw、30kw及55kw等等；7、支持多种拓扑结构：两电平三相半桥三桥臂及四桥臂，共集电极t型三电平等多种拓扑结构；8、功率模块碳化硅sic全部采用全球第一infineon品牌，最大承受电压1200v，电流根据功率等级来选配，碳化硅sic开关频率高达1000khz；8、母线电压支持额定直流电压dc600v，最高720v（过压阈值）；9、过载能力目前最大支持3倍过载（过载时间1秒）；10、电压采样模块(共5路)：支持相电压与线电压采样（可选），母线电压1路，串联电容中点电压1路，驱动板输出电压3路；精度0.5%，响应时间小于40us，频率200hz；11、电流采样模块(共10路)：母线电流1路，串联电容中点电流1路，驱动板输出电流4路；驱动板横桥臂电流4路；精度0.5%，响应时间小于1us，频率100khz；12、保护功能：母线过压、驱动器输出电流过流、过温保护、制动功能等等；13、功率模块的驱动芯片采用avago品牌，具有高性能，驱动电流达到2.5a，电源欠压、短路保护功能等特点；14、dcdc电源模块采用mornsun品牌，具有输出电源的纹波小，噪声小，发热低等特点；15、霍尔电压/电流传感器采用zx品牌，能在电气隔离条件下准确的测量直流、交流、脉冲及各种不规则波形的电压/电流；16、保护电路采用ti品牌新推出dq触发器组成的保护电路，具有响应灵敏、功耗低等特点。
35.17、支持多种电机控制：交流异步/同步电机、永磁同步电机、交流伺服电机、直流无刷/有刷电机、交流/直流直线电机、定制电机等等；广泛应用于新能源汽车，电机对托系统、伺服工控等等领域；18、支持并网控制：实现单相并网逆变功能，三相并网逆变功能；广泛应用风电，光伏，储能系统，ups系统，有源滤波，谐波治理，无功补偿，三相不平衡等等领域。
36.19、电路板全部采用6层板设计，具有抗干扰能力强，信号可靠性高、emc电磁兼容功能强等特点。
37.本发明实施例中处理板的主要功能是将采集的电流、电压、编码器等信号进行调理，及时处理故障保护及故障复位，间接控制数字输入输出信号等功能。
38.处理板由多个模块组成，具体为：1、调理电路即采样信号调理模块（电压、电流、温度等等）：霍尔电压/电流传感器采用zx品牌，能在电气隔离条件下准确的测量直流、交流、脉冲及各种不规则波形的电压/电流；电压采样模块(共10路)：母线电压1路，驱动器输出电压3路，入网电压3路，负载电压3路；精度0.5%，响应时间小于40us，频率200hz；电流采样模块(共13路)：母线电流1路，驱动器输出电流4路，入网电流4路，负载电流4路；精度0.5%，响应时间小于1us，频率100khz；2、数字输入模块di：3路高速隔离输入（双向），最大频率50khz；3、数字输出模块do：3路高速隔离输出，最大频率50khz，电流3a/ac250v，1a/dc30v；
4、多路电源模块（3.3v，5v， 15v，-15v，24v）：精度及线性稳压度1%；采用mornsun品牌，具有输出电源的纹波小，噪声小，发热低等特点；5、编码器采集模块与信号调理模块：支持多种编码器类型：单端/差分增量式（5v/24v）、绝对式、旋变、霍尔、光栅尺编码器等等；支持编码器数字/模拟信号输出，支持高分辨率/精度的编码器（比如2500线/3600线/5000线等等）；6、保护模块（过压、过流、过温等等）：保护电路采样lm293比较器与ti品牌新推出dq触发器组成的保护电路，具有响应灵敏、功耗低等特点，母线过压、驱动器输出电流过流、过温保护、制动功能等；7、故障复位模块：复位电路采用ti品牌新推出dq触发器组成的保护电路，具有响应灵敏、功耗低等特点，8、支持4对互补pwm信号输出。
39.9、电路板全部采用6层板设计，具有抗干扰能力强，信号可靠性高、emc电磁兼容功能强等特点。
40.在一些实施中，参见图4所示，本发明实施例的碳化硅驱动装置100还包括电磁兼容板3，电磁兼容板3分别与驱动板2和处理板1连接。
41.本实施例中电磁兼容板emc主要功能为：1、抑制电网噪声和驱动器产生高频谐波及开关电源所产生的噪声和高频谐波，主要是为了减少和抑制驱动器所产生的电磁干扰，满足欧标en61000级标准；2、emc电磁兼容板拓扑结构使用，可以当作单独l滤波器和一级lc和两级lc滤波器，参见图5所示；3、emc电磁兼容板技术参数：1）额定输入电压：三相ac 0~380v；2）额定输出电压：三相ac 0~380v；3）额定输出功率(电流)：15kw(25a)；4）器件配置：x安规电容，y安规电容，压敏电阻，放电管，共模电感；5）电感l参数：20mh；6）工作频率：50/60hz；7）温度范围：-25℃～ 85℃；8）温升：《 30℃；9）耐压测试：1分钟；10）线—线之间的浪涌surge电压：2kv；11）线—地之间的浪涌surge电压：2kv；12）线—线之间的群脉冲eft电压：4kv；13）线—线之间的群脉冲eft电压：4kv；14）电路板全部采用6层板设计，具有抗干扰能力强，信号可靠性高、emc电磁兼容功能强等特点。
42.另一方面，参见图6所示，本发明实施例还提供了一种驱动系统，包括上述的碳化
硅驱动装置100以及与碳化硅驱动装置100连接的待驱动设备200。
43.参见图6所示，本实施例中驱动系统还包括转接系统300和控制器400，其中控制器可以为实时仿真控制器。
44.本实施例中驱动系统可以为各种电机控制的系统、智能电网系统、新能源并网控制系统、无线充电系统等，例如以下几种应用场合：1、智能电网和新能源并网：在智能电网的主要应用包括高压直流输电换流阀、柔性直流输电换流阀、灵活交流输电装置、高压直流断路器等、电力电子变压器等装置中；2、轨道交通系统；3、新能源汽车控制器：主驱控制、车载控制器、充电桩等等；4、无人驾驶行业；5、无线充电行业；6、太阳能逆变器；7、储能系统；8、ups：高效双转换系统；9、电机驱动器：主动前端与电机侧（混合碳化硅）；10、电源：牵引应用、感应加热等的助电源。
45.综上所述，本发明实施例的碳化硅驱动器具有如下优势：1、用户可以重新进行算法程序研究仿真与下载程序实时调试，支持多种不同电机控制，同时还能支持三相四桥臂电网控制；2、采用全球最新的第三代半导体材料构成的碳化硅sic模块，开关频率达到800khz，从而控制碳化硅驱动器输出电流更逼真接近正弦波波形、电机控制效果更好；3、使用了安华高avago公司最新推出的驱动芯片acpl-352j，输出电流能力强，具有门极驱动信号欠压保护、过流软关断保护、门极信号状态反馈等优点；4、使用金升阳公司的驱动电模块qa151m产生 15v和-5v电源、具有短路保护与自恢复功能；5、使用最新的推挽驱动电路，增大门极驱动电流至5a、可以驱动大功率100kw碳化硅功率模块；6、可以支持多种拓扑结构，比如单相半桥/全桥、两电平三相半桥/全桥、三电平三相半桥/全桥、五电平三相半桥/全桥、三相四桥臂、ac-dc-ac、dc-ac；7、具有更多更丰富的采样信号路数；8、保护功能全面、同时驱动器开机有故障自查功能；9、内阻小（一般都是10几毫欧姆）、开关损耗小、温升低；10、pwm开关频率高达200khz；11、逆变输出效率高达98%；12、支持电流带宽的大，尤其适合电机控制研究与电力电子并网研究；13、支持高电压1200v、大电流600a。
46.上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多
形式，均属于本发明的保护之内。