基于无线取能技术的高压碳化硅器件驱动装置

1.本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种基于无线取能技术的高压碳化硅器件驱动装置。


背景技术：

2.中高压变换器中碳化硅(sic)开关的栅极驱动器电源在提供小功率的同时必须承受数十千伏的电压。此外，有极高瞬态dv/dt的sic器件(50-100kv/us)对隔离电容有严格的要求，以降低电磁干扰。根据iec61800标准，隔离电压为16kv时，空气间隙至少为60mm，爬电距离至少为80mm。由于严格的绝缘限制，传统的封闭磁芯变压器体积庞大。在不产生局部放电的情况下，能够承受10s的20kv电压应力的变压器典型尺寸为20cm
×
20cm
×
20cm，重量约为5.5kg。此外，这类变压器在制造过程中的小缺陷也会导致严重的故障。


技术实现要素：

3.鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于无线取能技术的高压碳化硅器件驱动装置，用以解决现有技术中的至少一个缺陷。
4.为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于无线取能技术的高压碳化硅器件驱动装置，包括：
5.发射模块、接收模块、控制信号传输模块；
6.所述发射模块包括：逆变器和发射线圈；所述逆变器，用于将直流电源输出的直流电逆变为交流电提供给所述发射线圈；所述发射线圈，用于将所述交流电以交变磁场进行发射；
7.所述接收模块包括：接收线圈、整流子模块和驱动子模块；所述接收线圈，用于将发射线圈发射的所述交变磁场转换为交流电输送给所述整流子模块；所述整流子模块，用于将接收到的交流电转化成直流电，提供给驱动子模块；所述驱动子模块，用于将所述直流电转换成高压碳化硅器件开通和关断所需要的门级电压；
8.所述控制信号传输模块，用于将控制信号传输至高压碳化硅器件，以控制所述高压碳化硅器件的开通和关断。
9.可选地，所逆变器为e类逆变器，所述e类逆变器包括：第一谐振电容、扼流电感、并联电容、可控功率开关器件；
10.所述扼流电感的一端与直流电源的正极连接，另一端分别与所述第一谐振电容的一端、可控功率开关器件的漏极分别连接，所述并联电容并联在所述可控功率开关器件的漏极与源极之间，所述可控功率开关器件的源极与直流电源的负极连接，所述第一谐振电容的另一端与所述发射线圈的一端连接，所述发射线圈的另一端与所述直流电源的负极连接，所述可控功率开关器件的栅极接入谐振信号。
11.可选地，所述整流子模块包括第二谐振电容和整流单元，所述接收线圈并联于所述整流单元的两个输入端之间，所述第二谐振电容连接在所述整流单元的其中一个输入端
与所述接收线圈之间。
12.可选地，所述控制信号传输模块包括光纤转换单元、光纤接收单元；
13.所述光纤转换单元，用于将控制信号转换为光信号；
14.所述光纤接收单元，用于将所述光信号转换为电信号，并将所述电信号作为高压sic器件的控制信号。
15.可选地，所述可控功率开关器件为氮化镓或者碳化硅器件。
16.可选地，所述接收线圈与所述发射线圈均由高频低阻利兹线绕制而成。
17.可选地，所述接收线圈与所述发射线圈的隔离距离为0.5cm到50cm。
18.可选地，所述发射线圈与第一谐振电容组成的第一谐振电路以及所述接收线圈与第二谐振电容组成的第二谐振电路的谐振频率相同。
19.可选地，所述第一谐振电容与所述第二谐振电容的大小可调节。
20.如上所述，本发明的一种基于无线取能技术的高压碳化硅器件驱动装置，具有以下有益效果：
21.本发明的一种基于无线取能技术的高压碳化硅器件驱动装置，包括：发射模块、接收模块、控制信号传输模块；所述发射模块包括：逆变器和发射线圈；所述逆变器，用于将直流电源输出的直流电逆变为交流电提供给所述发射线圈；所述发射线圈，用于将所述交流电以交变磁场进行发射；所述接收模块包括：接收线圈、整流子模块和驱动子模块；所述接收线圈，用于将发射线圈发射的所述交变磁场转换为交流电输送给所述整流子模块；所述整流子模块，用于将接收到的交流电转化成直流电，提供给驱动子模块；所述驱动子模块，用于将所述直流电转换成高压碳化硅器件开通和关断所需要的门级电压；所述控制信号传输模块，用于将控制信号传输至高压碳化硅器件，以控制所述高压碳化硅器件的开通和关断。本发明提出的基于无线取能技术的高压碳化硅器件驱动装置，通过谐振式无线电能传输原理，提供一段空气间隙从而实现高隔离电压、低耦合电容、低电磁干扰；同时前级逆变器使用e类逆变器，有低成本，高效率的优点，在电力电子领域，有推广应用价值。
附图说明
22.图1为本发明一实施例一种基于无线取能技术的高压碳化硅器件驱动装置的结构示意图。
具体实施方式
23.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
24.需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
25.如图1所示，本技术实施例提供一种基于无线取能技术的高压碳化硅器件驱动装置，
26.发射模块、接收模块、控制信号传输模块；
27.所述发射模块包括：逆变器和发射线圈；所述逆变器，用于将直流电源输出的直流电逆变为交流电提供给所述发射线圈；所述发射线圈，用于将所述交流电以交变磁场进行发射；
28.所述接收模块包括：接收线圈、整流子模块和驱动子模块；所述接收线圈，用于将发射线圈发射的所述交变磁场转换为交流电输送给所述整流子模块；所述整流子模块，用于将接收到的交流电转化成直流电，提供给驱动子模块；所述驱动子模块，用于将所述直流电转换成高压碳化硅器件开通和关断所需要的门级电压；
29.所述控制信号传输模块，用于将控制信号传输至高压碳化硅器件，以控制所述高压碳化硅器件的开通和关断。
30.本发明提出的基于无线取能技术的高压碳化硅器件驱动装置，通过谐振式无线电能传输原理，提供一段空气间隙从而实现高隔离电压、低耦合电容、低电磁干扰；同时前级逆变器使用e类逆变器，有低成本，高效率的优点，在电力电子领域，有推广应用价值。
31.在一实施例中，所逆变器为e类逆变器，所述e类逆变器包括：第一谐振电容、扼流电感、并联电容、可控功率开关器件；
32.所述扼流电感的一端与直流电源的正极连接，另一端分别与所述第一谐振电容的一端、可控功率开关器件的漏极分别连接，所述并联电容并联在所述可控功率开关器件的漏极与源极之间，所述可控功率开关器件的源极与直流电源的负极连接，所述第一谐振电容的另一端与所述发射线圈的一端连接，所述发射线圈的另一端与所述直流电源的负极连接，所述可控功率开关器件的栅极接入谐振信号。
33.第一谐振电容c1值可以选择但不限于10pf～10nf，本实施例中c1值为1.2nf；
34.扼流电感le可以选择但不限于50uh～5mh，本实施例中le值为2mh，其中并联电感c0值可以选择但不限于100pf～5nf，本实施例中c0值为3nf，可控功率开关器件s可以选择sic器件或gan器件，本实施例中开关器件为gan器件；
35.发射线圈由高频低阻利兹线制成，等效电感为l1，其中l1值可以选择但不限于0.1uh～100uh，本实施例中l1为21.4uh，
36.在一实施例中，本实施例中所述接收线圈与发射线圈完全相同，也可以由高频低阻利兹线制成，等效电感为l2，l2值为21.4uh，接收线圈与发射线圈之间的耦合电容为1.39pf，两者间有很小的耦合电容和优越的绝缘特性。发射线圈与接收线圈的隔离距离可以选择但不限于0.5cm到50cm，本实施例中两者间距离为9cm。
37.在实施例中，所述整流子模块包括第二谐振电容和整流单元，所述接收线圈并联于所述整流单元的两个输入端之间，所述第二谐振电容连接在所述整流单元的其中一个输入端与所述接收线圈之间。
38.整流子模块由第二谐振电容c2和整流电路组成，输入端与接收线圈相连，输出端与驱动子模块相连。发射线圈和第一谐振电容组成的第一谐振电路的谐振频率与接收线圈和第二谐振电容组成的第二谐振电路的谐振频率f
res
相同，其中f
res
值可以选择但不限于100khz～10mhz，本实施例中f
res
值为1mhz。整流子模块将接收到的高频交流电转化成稳定
的直流电，提供给驱动子模块；
39.驱动子模块输入端与接收整流子模块相连，输出端与高压sic器件的门极和漏极相连。驱动子模块将直流电压转换成sic器件开通和关断所需要的门级电压，输出电压范围在-25v到 25v，在本实施例中门级电压为-5v到19v；驱动子模块包含电压、电路、温度测量和保护单元。当出现过压、过流或者过温故障时会将门极输出电压拉低使sic器件关断；
40.在一实施例中，所述控制信号传输模块包括光纤转换单元、光纤接收单元；
41.所述光纤转换单元，用于将控制信号转换为光信号；
42.所述光纤接收单元，用于将所述光信号转换为电信号，并将所述电信号作为高压sic器件的控制信号。
43.控制信号传输模块通过光通信实现高压sic器件开通和关断控制信号的传输，具有高准确度和强抗电磁干扰的能力。光纤转换单元将低压侧的控制电信号转化成光信号，并通过光纤传输给高电位侧的光纤接收单元；光纤接收单元重新将光信号转化成电信号作为高压sic器件的控制信号输入。
44.基于无线取能技术的高压sic器件驱动系统设计不需要传统隔离变压器的铁芯材料，实现了隔离电压》10kv的对地隔离电源设计。
45.基于无线取能技术的高压sic器件驱动系统设计不需要传统隔离变压器的铁芯材料，实现了隔离电压》10kv的对地隔离电源设计。
46.综上所述，本发明提出的基于无线取能技术的高压碳化硅器件驱动装置，通过谐振式无线电能传输原理，提供一段空气间隙从而实现高隔离电压、低耦合电容、低电磁干扰；同时前级逆变器使用e类逆变器，有低成本，高效率的优点，在电力电子领域，有推广应用价值。
47.同时，本发明提出的基于无线取能技术的高压碳化硅器件驱动装置运用了e类逆变器将直流电源逆变为高频交流电源输出。由于e类逆变器的软开关设计，本发明可以将直流电源高效地转化为高频交流电，同时配合谐振式无线传能实现长距离、高效率的电能传输，为高压sic器件驱动电路供能；
48.本发明提出的基于无线取能技术的高压碳化硅器件驱动装置使用电磁谐振的非接触式无线取能方式，避免了导体之间的直接接触，在小尺寸和低成本下提供高电气隔离。同时，发射端和接收端之间的大间隙可以显著降低耦合电容，从而提高高压sic器件开关过程中的抗dv/dt干扰能力。
49.所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本技术的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
50.在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
51.本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
52.在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置/终端设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置/终端设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。
53.所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
54.另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
55.所述集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括:能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、u盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(rom,read-only memory)、随机存取存储器((ram,random access memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。
56.上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。