CN105071643A - 高压隔离型scr和igbt驱动器的无线供电方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无线供电技术的高压隔离型SCR和IGBT驱动器，包括原边供电电路（1）和副边电源接收电路（2），所述原边供电电路和副边电源接收电路分别密封并隔离，原边供电电路和副边电源接收电路之间通过无线能量传输的方式对驱动器进行供电。本发明使得原、副边无任何电气和物理连接，不仅摆脱了绝缘材料和装配工艺问题，而且避免了绝缘材料接触点暴露在外，使各驱动器在安全性、灵活性、密封性、美观性等方面表现的更好，真正实现了高压隔离供电，弥补了传统驱动器接触式电能传输的固有缺陷。

Description

高压隔离型SCR和IGBT驱动器的无线供电方法

技术领域

本发明涉及电力电子设备领域，基于无线供电技术的高压隔离型SCR和IGBT驱动器，主要应用于高压电力电子设备功率器件的驱动,采用无线供电技术,将驱动器电源的原副边隔离,实现了电力电子设备高压隔离驱动器电源的无线供电,从根本上解决了制约驱动器的高压隔离问题。

背景技术

随着高压大功率电力电子设备的不断发展，各路串接在一起的驱动器电源之间，往往需要承受极高的工作电压。近来，多级高压隔离技术越来越多的被应用于电路的驱动系统中，以满足高隔离电压的需要，但同时也使得驱动器越来越复杂。目前，SCR和IGBT作为电力电子的主流功率器件，均向着更高耐压等级的方向发展，这要求驱动器电源具有更高的隔离电压等级。为了整个系统能够可靠安全稳定运行，首先要保证SCR和IGBT驱动器隔离电源工作的可靠性。

传统的高压隔离技术，是基于电磁感应原理，即变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场。用于高压供电的隔离变压器和电流型传感器均是基于电磁感应原理的隔离变压器，它通过交变磁场把电源输出的能量传送到负载。一般的变压器原边和副边由闭合铁心（或其他磁性材料）连接在一起，原线圈和副线圈之间紧密耦合，不可分离。

传统的驱动器电源高压隔离技术，要实现高压隔离，必须要设计出高压隔离的电源变压器。首先要解决绝缘材料问题，为了保证原、副边可以承受极高的耐压，必须选用绝缘强度足够高的绝缘材料和线缆，绝缘材料在厚度上也要适当考虑。其次要解决装配工艺问题，原边和副边由闭合磁性材料连接在一起，原线圈和副线圈之间紧密耦合，就需要对线包结构工艺、装配过程、灌注处理等有严格的要求。再次要解决多路输出问题，对于采用三相供电的电力电子设备，往往要求6路、或12路、或18路，甚至更多路互相隔离的驱动器，显然在满足绝缘耐压和装配工艺的前提下，受材料、温升、与其他参数的影响，电源变压器体积必然会变大，成本也会很高。驱动器由于采用了传统高压隔离电源变压器，且在PCB上进行装配，驱动器设计就必须考虑原副边的电气间隙和爬电距离，从而给设计灵活性和保证可靠性增加了难度，更是增加了驱动器体积。

传统的SCR和IGBT驱动器高压隔离采用高压隔离电源变压器实现，多路驱动就需要配置多个高耐压高绝缘的隔离变压器，或一个多路输出的高耐压高绝缘隔离变压器。由于高耐压、高绝缘的要求，必然使驱动器体积变大和成本增加。同时，因为驱动器的高压隔离电源变压器原边和副边必须在闭合磁性材料内耦合，且由于高耐压、高绝缘的要求，也必然使变压器绝缘材料的选择，制作工艺等难度增加，驱动器设计也需要考虑爬电距离和电气间隙等，且可靠性不能保障。特别是基于当前SCR和IGBT等功率器件向着更高耐压等级的方向发展，高压隔离驱动器的要求势必也会相应提高。

发明内容

针对现有技术的缺陷，为了改善解决电力电子设备中高压隔离型SCR和IGBT驱动器的供电问题，本发明提供一种高压隔离型SCR和IGBT驱动器的无线供电方法，其中SCR是晶闸管，IGBT是绝缘栅双极型晶体管，均具有通用含义。本发明采用无线能量传输技术，从根本上实现原边供电与各驱动器副边供电，以及各驱动器之间的高压隔离。

本发明的技术方案如下：

高压隔离型SCR和IGBT驱动器的无线供电方法，所述高压隔离型SCR和IGBT驱动器包括原边供电电路和副边电源接收电路，所述原边供电电路和副边电源接收电路分别密封并隔离，所述原边供电电路和副边电源接收电路之间通过无线能量传输的方式对驱动器进行供电，所述高压隔离型SCR和IGBT驱动器的无线供电方法包括以下步骤：

S1、根据隔离型SCR和IGBT驱动器供电电源、功率输出及效率的要求选择合适的开关电源拓扑；

S2、根据选择的开关电源拓扑计算原、副边电源匝数比；

S3、将原边供电电路无线供电的发射线圈作为开关电源变压器的原边线圈进行连接固定；

S4、将副边电源接收电路的接收线圈与原边供电电路发射线圈在空间上隔离并按一定的角度放置固定；

S5、将副边电源接收电路无线供电的接收线圈输出端连接整流滤波器件后给隔离型SCR和IGBT驱动器副边供电；

S6、调节开关电源的开关频率参数，确定最高的传输效率。

进一步，步骤S1中所述的开关电源拓扑有单管反激变换器、单管正激变换器、双管正激变换器、双管反激变换器、半桥变换器或全桥变换器。

进一步，步骤S2中所述计算原、副边电源匝数比的方法为：

设隔离型SCR和IGBT驱动器采用全桥变换器拓扑，变换器原边工作电压V_dc为24V_dc，传输效率为50%，开关频率为100kHz，副边输出电压V_O为30Vdc，

由电压方程式得副边与原边电源匝数比为：

其中，为副边匝数；为原边匝数；为开通时间；为开光周期，且。

进一步，步骤S4中所述角度的范围为0°~90°，0°是指原、副边线圈平行。

进一步，步骤S6中所述开关电源的开关频率参数有开关频率、原副边匝数、距离或角度。

进一步，所述原边供电电路由原边线圈、磁芯及其控制驱动电路构成，副边电源接收电路由副边线圈、磁芯及整流滤波电路构成。

进一步，所述无线能量传输的方式是指电磁感应耦合、电磁共振或辐射。

再进一步，所述原边供电电路的控制驱动电路为桥式逆变电路、单管正反激式电路或半桥式电路。

本发明的有益效果如下：本发明提出的高压隔离型SCR和IGBT驱动器的无线供电方法，驱动器与原边供电没有任何电气和物理连接，且原边供电与驱动器可以分别独立封装，很容易达到高耐压和高绝缘的要求，自然也克服了传统驱动器电源变压器存在的缺点。本发明采用电磁感应方式，将原边电源进行调制，通过供电线圈将能量发射出去，同时，互相隔离的各驱动器采用受电线圈将无线能量聚集，即接收到供电线圈的电流，给各自驱动器供电，使得原、副边无任何电气和物理连接，不仅摆脱了绝缘材料和装配工艺问题，而且避免了绝缘材料接触点暴露在外，使各驱动器在安全性、灵活性、密封性、美观性等方面表现的更好，真正实现了高压隔离供电，弥补了传统驱动器接触式电能传输的固有缺陷。

附图说明

图1为电磁感应无线供电原理框图；

图2为高压隔离型SCR和IGBT驱动器的无线供电方法的供电原理图；

图3为高压隔离型SCR和IGBT驱动器无线供电实现电路图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明进行描述。应该理解，本文所说明的发明可以有各种具体形式体现，并且在本文中公开的任何具体功能仅仅是代表性的，且不应该解释为局限于在此阐述的实施例。相反，提供这些实施例使得本公开将是完全清晰的，并将本发明的范围充分地传达给本领域技术人员。

在下文中，将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。

高压隔离型SCR和IGBT驱动器的无线供电方法，所述高压隔离型SCR和IGBT驱动器包括原边供电电路1和副边电源接收电路2，如图1所示，所述原边供电电路和副边电源接收电路分别密封并隔离，所述原边供电电路和副边电源接收电路之间通过无线能量传输的方式对驱动器进行供电，所述高压隔离型SCR和IGBT驱动器的无线供电方法包括以下步骤：

S1、根据隔离型SCR和IGBT驱动器供电电源、功率输出及效率的要求选择合适的开关电源拓扑，所述的开关电源拓扑有单管反激变换器、单管正激变换器、双管正激变换器、双管反激变换器、半桥变换器或全桥变换器；

S2、根据选择的开关电源拓扑计算原、副边电源匝数比；

S3、将原边供电电路无线供电的发射线圈作为开关电源变压器的原边线圈进行连接固定；

S4、将副边电源接收电路的接收线圈与原边供电电路发射线圈在空间上隔离并按一定的角度放置固定，所述角度的范围为0°~90°，0°是指原、副边线圈平行；

S5、将副边电源接收电路无线供电的接收线圈输出端连接整流滤波器件后给隔离型SCR和IGBT驱动器副边供电；

S6、调节开关电源的开关频率参数，确定最高的传输效率，所述开关电源的开关频率参数有开关频率、原副边匝数、距离或角度。

步骤S2中所述计算原、副边电源匝数比的方法为：

设隔离型SCR和IGBT驱动器采用全桥变换器拓扑，变换器原边工作电压V_dc为24V_dc，传输效率为50%，开关频率为100kHz，副边输出电压V_O为30Vdc，

由电压方程式得副边与原边电源匝数比为：

其中，为副边匝数；为原边匝数；为开通时间；为开光周期，且。

本发明所述原边供电电路由原边线圈、磁芯及其控制驱动电路3构成，副边电源接收电路由副边线圈、磁芯及整流滤波电路4构成。

所述无线能量传输的方式是指电磁感应耦合、电磁共振或辐射。

所述原边供电电路的控制驱动电路为桥式逆变电路、单管正反激式电路或半桥式电路。

在一个实施例中，如图1所示，本发明在结构上将原、副边电路分离，由原边线圈、磁芯及其控制驱动电路构成原边供电电路；由副边线圈、磁芯及整流滤波电路构成副边电源接收电路，如图1所示，原、副边电路分别密封处理，两者之间无任何电气连接和物理接触。

工艺上原、副边回路可分别设计制作，两者之间不需要特别的绝缘和耐压处理。

功能上原边电源由控制与驱动电路进行调制，会在原边线圈上产生交变的电流信号，利用电磁感应式电能传输原理，在原边线圈附近产生电磁波，并通过原边电路与副边电路之间的空隙，磁场耦合到副边线圈，副边线圈因此感应产生交变的电压，经整流、滤波后给副边电路供电。

在一个实施例中，以三相可控整流电路为例，本发明的实现方式如图2所示。图2中共6个功率器件，每个功率器件分别由一个驱动器9驱动，6个驱动器完全相同但相互隔离。驱动器9包含电源电路5和驱动电路3两部分，两者以驱动器的形式被组合封装为一个整体，和功率器件7组合使用。驱动器电源电路中均有一个接收线圈，即上文所述的副边电源线圈，用于接收原边电源发射的电磁波。

原边电源8也是一个独立封装的电源模块，在系统中与各驱动器对应放置。

原边电源由系统提供的直流电源供电，通过调制、驱动，在原边电源线圈上产生交变电流，从而生成电磁波，利用电源模块和各驱动器之间的空隙，各驱动器中的接收线圈感应生成交变的电压，分别给各驱动器中的驱动电路供电。

在另一个实施例中，高压隔离型SCR和IGBT驱动器无线供电实现电路如图3所示。

图3中四个MOSFETQ1、Q2、Q3和Q4构成桥式逆变电路。图3中10为振荡器，通过控制器控制Q1、Q4和Q2、Q3的轮流开通，将原边的直流电转变成交流电，为发射端线圈提供交变电流。

通过原副边间的电磁场耦合，副边线圈感应出交变的电压，经过整流滤波后变为直流电压给各驱动电路供电。

本发明中所述的电磁感应耦合仅是无线能量传输的方式之一，此外还有电磁共振和辐射等方式实现，均属于无线能量传输范畴。

本发明中所述的桥式逆变电路仅仅是原边脉冲调制的方式之一，此外还有单管正反激式、半桥式等多种方式。

本发明提出的高压隔离型SCR和IGBT驱动器的无线供电方法，驱动器与原边供电没有任何电气和物理连接，且原边供电与驱动器可以分别独立封装，很容易达到高耐压和高绝缘的要求，自然也克服了传统驱动器电源变压器存在的缺点。本发明采用电磁感应方式，将原边电源进行调制，通过供电线圈将能量发射出去，同时，互相隔离的各驱动器采用受电线圈将无线能量聚集，即接收到供电线圈的电流，给各自驱动器供电，使得原、副边无任何电气和物理连接，不仅摆脱了绝缘材料和装配工艺问题，而且避免了绝缘材料接触点暴露在外，使各驱动器在安全性、灵活性、密封性、美观性等方面表现的更好，真正实现了高压隔离供电，弥补了传统驱动器接触式电能传输的固有缺陷。

需要注意的是，上述具体实施例仅仅是示例性的，在本发明的上述教导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行各种改进和变形，而这些改进或者变形均落在本发明的保护范围内。本领域技术人员应该明白，上面的具体描述只是为了解释本发明的目的，并非用于限制本发明。

Claims (8)

1.高压隔离型SCR和IGBT驱动器的无线供电方法，所述高压隔离型SCR和IGBT驱动器包括原边供电电路（1）和副边电源接收电路（2），其特征在于，所述原边供电电路和副边电源接收电路分别密封并隔离，所述原边供电电路和副边电源接收电路之间通过无线能量传输的方式对驱动器进行供电，所述高压隔离型SCR和IGBT驱动器的无线供电方法包括以下步骤：

S1、根据隔离型SCR和IGBT驱动器供电电源、功率输出及效率的要求选择合适的开关电源拓扑；

S2、根据选择的开关电源拓扑计算原、副边电源匝数比；

S3、将原边供电电路无线供电的发射线圈作为开关电源变压器的原边线圈进行连接固定；

S4、将副边电源接收电路的接收线圈与原边供电电路发射线圈在空间上隔离并按一定的角度放置固定；

S5、将副边电源接收电路无线供电的接收线圈输出端连接整流滤波器件后给隔离型SCR和IGBT驱动器副边供电；

S6、调节开关电源的开关频率参数，确定最高的传输效率。

2.如权利要求1所述的高压隔离型SCR和IGBT驱动器的无线供电方法，其特征在于，步骤S1中所述的开关电源拓扑有单管反激变换器、单管正激变换器、双管正激变换器、双管反激变换器、半桥变换器或全桥变换器。

3.如权利要求2所述的高压隔离型SCR和IGBT驱动器的无线供电方法，其特征在于，步骤S2中所述计算原、副边电源匝数比的方法为：

设隔离型SCR和IGBT驱动器采用全桥变换器拓扑，变换器原边工作电压V_dc为24V_dc，传输效率为50%，开关频率为100kHz，副边输出电压V_O为30Vdc，

由电压方程式得副边与原边电源匝数比为：

其中，为副边匝数；为原边匝数；为开通时间；为开光周期，且。

4.如权利要求3所述的高压隔离型SCR和IGBT驱动器的无线供电方法，其特征在于，步骤S4中所述角度的范围为0°~90°，0°是指原、副边线圈平行。

5.如权利要求4所述的高压隔离型SCR和IGBT驱动器的无线供电方法，其特征在于，步骤S6中所述开关电源的开关频率参数有开关频率、原副边匝数、距离或角度。

6.如权利要求1-5之一所述的高压隔离型SCR和IGBT驱动器的无线供电方法，其特征在于，所述原边供电电路由原边线圈、磁芯及其控制驱动电路（3）构成，副边电源接收电路由副边线圈、磁芯及整流滤波电路（4）构成。

7.如权利要求6所述的高压隔离型SCR和IGBT驱动器的无线供电方法，其特征在于，所述无线能量传输的方式是指电磁感应耦合、电磁共振或辐射。

8.如权利要求6所述的高压隔离型SCR和IGBT驱动器的无线供电方法，其特征在于，所述原边供电电路的控制驱动电路为桥式逆变电路、单管正反激式电路或半桥式电路。