CN110896284A - 一种基于碳化硅的航空高压高功率三相全控整流装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于碳化硅的航空高压高功率三相全控整流装置，包括主控系统、三相交流滤波电路、PFC电感电路、三相全桥碳化硅功率电路、交流线电压采样调理电路、交流相电流采样调理电路、SIC驱动电路、直流滤波电路、直流电压采集电路、第一隔离电源、第二隔离电源、电平转换模块、通信模块、温度采集电路、直流母线滤波整形模块、直流母线电压采集电路，解决了目前产品无法持续高温工作、损耗大效率低、体积重量大、可靠性不高的技术问题。
Description
技术领域
本发明属于航空二次电源、有源功率因数矫正(APFC)技术领域，涉及一种基于碳化硅的航空高压高功率三相全控整流装置。
背景技术
目前在工业和航空领域广泛使用的整流装置、功率因数矫正产品、开关电源、变频器、电机驱动控制等，均采用传统的半导体Si基器件进行功率变换，常用的硅MOSFET、IGBT产品，虽然很大程度上提高了产品的电气化水平，但Si基半导体产品使用中仍然存在一些无法解决的问题。典型问题如下：
1、Si材料无法工作在较高的温度，使得产品应用场合受限。
2、Si材料的击穿场强低、阻断电压低，导致器件的耐压等级较低，产品失效概率相对较大，无法在更高电压等级中使用。
3、半导体器件导通损耗与其击穿场强成反比，在相同的功率等级下，Si器件导通损耗比SiC器件大很对，且Si器件导通损耗随温度的变化大，Si器件特性不如SiC器件稳定。
4、Si器件导热系数较低，饱和电子温漂率低，无法工作在更高的工作频率，使得产品的性能无法进一步提高。
为解决上述问题，需要采用新一代宽禁带半导体功率器件，使得电力电子变换技术，电源转换等领域的产品实现跨越式发展。
发明内容
本发明的目的是：提出一种基于碳化硅的航空高压高功率三相全控整流装置，以解决目前产品无法持续高温工作、损耗大效率低、体积重量大、可靠性不高的技术问题。
本发明的技术方案是：
一种基于碳化硅的航空高压高功率三相全控整流装置，包括主控系统、三相交流滤波电路、PFC电感电路、三相全桥碳化硅功率电路、交流线电压采样调理电路、交流相电流采样调理电路、SIC驱动电路、直流滤波电路、直流电压采集电路、第一隔离电源、第二隔离电源、电平转换模块、通信模块、温度采集电路、直流母线滤波整形模块、直流母线电压采集电路，所述的三相交流滤波电路分别与PFC电感电路、交流线电压采样调理电路连接，所述的PFC电感电路分别与交流相电流采样调理电路、三相全桥碳化硅功率电路连接，三相全桥碳化硅功率电路分别与直流母线滤波整形模块、SIC驱动电路、温度采集电路连接，所述的直流母线滤波整形模块与直流母线电压采集电路连接，所述的直流母线电压采集电路、温度采集电路、SIC驱动电路、交流线电压采样调理电路、交流相电流采样调理电路、电平转换模块、直流电压采集电路、通信模块均与主控系统连接，所述的直流滤波电路分别与直流电压采集电路、第一隔离电源、第二隔离电源连接，第一隔离电源与SIC驱动电路连接，第二隔离电源分别与交流相电流采样调理电路、交流线电压采样调理电路连接。
所述的主控系统为JDSPF28335处理器。
所述的直流滤波电路与外部的28V直流电源连接，所述的电平转换模块为5V转3.3/1.9V。
所述的第一隔离电源为6路28V转+18/－4V隔离电源，所述的第二隔离电源为1路28V转4组5V的隔离电源。
所述的三相全桥碳化硅功率电路包括6只碳化硅功率MOS管S1、S2、S3、S4、S5、S6，缓冲吸收电容C79、C107、C210，薄膜电容C77，合金采样电阻R69、R73、R77，碳化硅功率MOS管S1与S2串联组成第一桥臂，S3与S4串联组成第二桥臂，S5与S6串联组成第三桥臂，所述的缓冲吸收电容C79、第一桥臂、C107、第二桥臂、C210、第三桥臂、薄膜电容C77依次并联，第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂分别与合金采样电阻R69、R73、R77连接。
碳化硅功率MOS管最小耐压值为1200V，额定电流为90A。
所述的通信模块为422通信电路。
SIC驱动电路包括隔离型栅极驱动器，电容C8、C16、C12，稳压管D2、D4，电阻R2，二极管D1，所述隔离型栅极驱动器的管脚1与－4V电源以及电容C8一端连接，电容C8另一端分别与电容C16一端、稳压管D4的正极、电容C12的一端以及隔离型栅极驱动器管脚3连接，隔离型栅极驱动器的管脚1与稳压管D4的负极、电容C12的另一端、电阻R2的一端连接，电阻R2的另一端与二极管D1的正极连接，二极管D1的负极与稳压管D2的负极连接，所述隔离型栅极驱动器的管脚5与电容C16另一端以及+18V电源连接，隔离型栅极驱动器的管脚6分别与二极管D5的负极、电阻R13、R15的一端连接，二极管D5的正极与电阻R10的一端连接，电阻R10的另一端分别与电阻R13、R15的另一端以及电阻R18的一端连接，电阻R18的另一端分别与电容C23、C26、C27的一端连接，电容C23、C26、C27的另一端与隔离型栅极驱动器的管脚8以及－4V电源连接，隔离型栅极驱动器的管脚9、管脚11、管脚16均与地电位连接，隔离型栅极驱动器的管脚10与电阻R17、R20、电容C24的一端连接，电阻R20、电容C24的另一端与地电位连接，隔离型栅极驱动器的管脚12与电阻R4的一端连接，电阻R4的另一端与隔离型栅极驱动器的管脚15、电容C9的一端、电阻R7的一端、电源VCC连接，电阻R7的另一端与隔离型栅极驱动器的管脚13连接，电容C9的另一端与地电位连接。
所述的直流滤波电路包括防反接电路、两级直流共模滤波电路，所述的三相交流滤波电路包括两级交流共模滤波电路。
本发明的技术效果是：
本发明的一种基于碳化硅的航空高压高功率三相全控整流装置，能够实现功率因数大于99.8％的近单位功率因数运行，谐波含量小于1％。可以显著减少产品的体积重量，提升产品效率和功率密度，产品更加小型化、集成化，具有良好的电磁兼容性。技术通用性强，可满足不同需求的电能转换产品。非常适用于对空间和重量要求很高的航空航天领域。典型技术优势如下：
1、更宽的功率使用范围，可灵活应用于0～几十千瓦的功率变换产品。
2、更高的开关频率，可实现最高300KHZ的开关工作频率运行。
3、更高的产品效率，比同类Si基器件效率提高5～8％以上，整机效率可达98％以上。
4、更小的产品体积重量，比同等级Si基器件体积重量减小30％以上。
5、元器件国产化率达到98％，满足军品需求。
附图说明
图1为本发明装置结构原理图；
图2为三相全桥碳化硅功率电路原理图；
图3为SIC驱动电路原理图；
图4为三相交流滤波电路、直流滤波电路原理图；
图5为PFC电感电路原理图；
图6为功率MOSFET驱动电路原理图；
具体实施方式
本方案采用三相电压型PWM整流器具有输入电流正弦且实现单位功率因数、直流电压恒定且可以迅速调节控制，以及良好的动态性能且可以实现能量的双向流动等显著优点，三相电压型PWM整流的控制结构和常见的三相电压逆变器的结构类似。
如图1所示，一种基于碳化硅的航空高压高功率三相全控整流装置，包括主控系统、三相交流滤波电路、PFC电感电路、三相全桥碳化硅功率电路、交流线电压采样调理电路、交流相电流采样调理电路、SIC驱动电路、直流滤波电路、直流电压采集电路、第一隔离电源、第二隔离电源、电平转换模块、通信模块、温度采集电路、直流母线滤波整形模块、直流母线电压采集电路，所述的三相交流滤波电路分别与PFC电感电路、交流线电压采样调理电路连接，所述的PFC电感电路分别与交流相电流采样调理电路、三相全桥碳化硅功率电路连接，三相全桥碳化硅功率电路分别与直流母线滤波整形模块、SIC驱动电路、温度采集电路连接，所述的直流母线滤波整形模块与直流母线电压采集电路连接，所述的直流母线电压采集电路、温度采集电路、SIC驱动电路、交流线电压采样调理电路、交流相电流采样调理电路、电平转换模块、直流电压采集电路、通信模块均与主控系统连接，所述的直流滤波电路分别与直流电压采集电路、第一隔离电源、第二隔离电源连接，第一隔离电源与SIC驱动电路连接，第二隔离电源分别与交流相电流采样调理电路、交流线电压采样调理电路连接。
所述的主控系统为JDSPF28335处理器。
所述的直流滤波电路与外部的28V直流电源连接，所述的电平转换模块为5V转3.3/1.9V。
所述的第一隔离电源为6路28V转+18/－4V隔离电源，所述的第二隔离电源为1路28V转4组5V的隔离电源。
如图2所示，所述的三相全桥碳化硅功率电路包括6只碳化硅功率MOS管S1、S2、S3、S4、S5、S6，缓冲吸收电容C79、C107、C210，薄膜电容C77，合金采样电阻R69、R73、R77，碳化硅功率MOS管S1与S2串联组成第一桥臂，S3与S4串联组成第二桥臂，S5与S6串联组成第三桥臂，所述的缓冲吸收电容C79、第一桥臂、C107、第二桥臂、C210、第三桥臂、薄膜电容C77依次并联，第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂分别与合金采样电阻R69、R73、R77连接。
碳化硅功率MOS管最小耐压值为1200V，额定电流为90A。
所述的通信模块为422通信电路。
如图3所示，SIC驱动电路包括隔离型栅极驱动器，电容C8、C16、C12，稳压管D2、D4，电阻R2，二极管D1，所述隔离型栅极驱动器的管脚1与－4V电源以及电容C8一端连接，电容C8另一端分别与电容C16一端、稳压管D4的正极、电容C12的一端以及隔离型栅极驱动器管脚3连接，隔离型栅极驱动器的管脚1与稳压管D4的负极、电容C12的另一端、电阻R2的一端连接，电阻R2的另一端与二极管D1的正极连接，二极管D1的负极与稳压管D2的负极连接，所述隔离型栅极驱动器的管脚5与电容C16另一端以及+18V电源连接，隔离型栅极驱动器的管脚6分别与二极管D5的负极、电阻R13、R15的一端连接，二极管D5的正极与电阻R10的一端连接，电阻R10的另一端分别与电阻R13、R15的另一端以及电阻R18的一端连接，电阻R18的另一端分别与电容C23、C26、C27的一端连接，电容C23、C26、C27的另一端与隔离型栅极驱动器的管脚8以及－4V电源连接，隔离型栅极驱动器的管脚9、管脚11、管脚16均与地电位连接，隔离型栅极驱动器的管脚10与电阻R17、R20、电容C24的一端连接，电阻R20、电容C24的另一端与地电位连接，隔离型栅极驱动器的管脚12与电阻R4的一端连接，电阻R4的另一端与隔离型栅极驱动器的管脚15、电容C9的一端、电阻R7的一端、电源VCC连接，电阻R7的另一端与隔离型栅极驱动器的管脚13连接，电容C9的另一端与地电位连接。
所述的直流滤波电路包括防反接电路、两级直流共模滤波电路，所述的三相交流滤波电路包括两级交流共模滤波电路。
下面对每个部件进一步介绍：
直流滤波电路
直流滤波电路主要功能有：1)防止28V电源输入反接导致产品损坏，2)抑制电源输入尖峰，3)对28V电源进行EMI滤波。
在28V电源输入端首先设计防反接功能，D1为整流二极管，利用二极管的单向导电性防止电路反向导通，D2为瞬态电压抑制二极管，抑制尖峰对后级电路的影响。
滤波器主要功能为滤除电源线干扰，提高电磁兼容性，滤波器采用两级共模电感滤波设计，并设计线间及对地滤波电容，分别滤除电源线间及电源线与地之间的差模噪声和共模噪声，如图4所示。
三相交流滤波电路
三相交流滤波电路电压为115V，同样采用两级共模滤波的拓扑结构，抑制产品的共模干扰和差模干扰，提高系统的电磁兼容性。由于PFC整流的前端有PFC滤波电感，为高阻特性，按照阻抗失配的原则，滤波器的输出端应为低阻特性，其电感值作为共模滤波电感，共模电感漏感值作为差模滤波电感，C10、C11为共模滤波电容，其电容余均为差模滤波电容。如图4所示。
PFC电感电路
PFC电感电路为功率因数校正的关键器件，在可控整流(VSR)设计中，交流侧电感的设计至关重要，交流侧电感的取值不仅影响电流环的动、静态响应，还制约着整流输出功率、功率因数以及直流电压的大小。交流侧电感的主要作用可归纳如下：
1)滤除交流侧谐波电流，实现交流侧正弦波电流或一定范围内的任意电流波形控制。
2)使整流部分具有BoostPWM AC/DC变换性能及直流侧受控电流源特性。
3)隔离电网电动势与交流侧电压。通过整流器交流侧电流幅值、相位的PWM控制实现单位功率因数运行。
4)使整流部分获得了一定的阻尼特性，有利于控制系统的稳定运行。
本方案选取交流侧电感值为0.5mH。电感磁芯选择硅铁磁芯，硅铁磁芯具有良好的温度特性、很好的直流偏置特性，高饱和磁通密度。电感系数和磁导率相对合适。如图5所示。为了防止电源输入尖峰和浪涌对主电路SIC功率模块造成的损坏，在PFC电感前增加相间双向瞬态抑制二极管，在电路正常工作过程中不影响主电路工作，同时可以保护SIC功率模块，最终选择440V/1500W的双向瞬态抑制二极管。
另外，在SIC功率模块主电路前，加入熔断器，防止线路中电流持续过大时烧坏后级电路，同时可以切断与输入电源的连接，不影响其它设备。
三相全桥碳化硅功率电路包括6只碳化硅功率MOS管S1、S2、S3、S4、S5、S6的额定功率为5.5KW，考虑到产品效率和降额设计要求。按照最大功率7KW进行设计，最大功率时计算开关管的额定电流：
其中：1.5为过载系数；
Pmax为最大功率，取7kW；
Ea为电网相电压有效值，取115V。
开关管的额定电压：
VDS≥(Udc×1.5+ΔUdc,max)×1.2＝624V
其中：Udc为直流侧额定电压，取320V；
1.5为过压保护系数；
△Udc，max为三相直流侧电压最大动态压降，取20V；
α为考虑交流电压波动的安全系数，取1.2。
得到VSR功率管两端电压最大值为340V、流过功率管的电流最大值为30.5A。考虑一定裕量，得到整流桥功率管的耐压值和耐流值为：
VMOSFET,max≥340×2＝680V
IMOSFET,max≥30.5×1.5＝45.75A
在参数计算的理论基础上，为了满足系统高频化和高效率要求，整流主功率电路采用SiC器件。SiC材料与目前应该广泛的Si材料相比，较高的热导率决定了其高电流密度的特性，较高的禁带宽度又决定了SiC器件的高击穿场强和高工作温度。主要优点如下：
1)高温工作
SiC在物理特性上拥有高度稳定的晶体结构，其能带宽度可达2.2eV至3.3eV，几乎是Si材料的两倍以上。因此，SiC所能承受的温度更高，一般SiC器件所能达到的最大工作温度可到600℃。
2)高阻断电压
与Si材料相比，SiC的击穿场强是Si的十倍多，因此SiC器件的阻断电压比Si器件高很多。
3)低损耗
一般而言，半导体器件的导通损耗与其击穿场强成反比，相似的功率等级下，SiC器件的导通损耗比Si器件小很多。且SiC器件导通损耗对温度的依存度很小，SiC器件的导通损耗随温度的变化很小，这与传统的Si器件也有很大差别。
4)开关速度快
SiC的热导系数几乎是Si材料的2.5倍，饱和电子漂移率是Si的2倍，所以SiC器件能在更高的频率下工作。
综合以上优点，在相同的功率等级下，设备中功率器件的数量、散热器的体积、滤波元件体积都能大大减小，同时效率也有大幅度的提升。
SiCMOSFET开通关断时间以及开通关断延迟时间仅为几十纳秒，开通和关断损耗仅为1毫焦耳，非常适用于高频工作，并且开关损耗非常小，可以极大的减小发热量，提高整流效率。
本方案综合考虑机械安装尺寸、空间散热、工艺性设计等因素，选取辽宁阜新的SiC功率MOSFET，其主要参数为耐压1200V、通态电阻25mΩ、额定工作电流90A(VGS＝20V，TC＝25℃)。
如图6所示，功率MOSFET驱动电路由于三个桥臂的驱动和调理电路相同，下面以A相为例对驱动设计进行分析，由于SiC MOSFET需要双极性电源驱动，需要专用的驱动电源模块供电，本方案综合考虑元器件国产化、不同驱动电压曲线及工作特性、电路的精简设计等方面，采用自主定制的振华微的+18/－4V模块电源。本方案采用六个隔离电源对六个功率管分别供电。驱动模块的主要功能是根据PWM模块输出的开关控制信号驱动主功率电路SiC MOSFET的通断。采用英飞凌的1ED 020I12－F2驱动芯片完成驱动。
1ED 020I12－F片内有原边、副边两路欠压保护电路。原边供电+5V，输入信号为PWM开关信号、重置RST信号，输出信号为自检信号READY和故障信号FAULT，所有逻辑信号为5V CMOS电平，可输出正压开通、负压关断的驱动信号，输出驱动信号电流能力为2A。
驱动电路有欠压和过流保护功能。当任意通道发生故障时，驱动芯片可以进行自保护，封锁驱动信号，需要外部RST信号才能清除故障锁定。
DESAT作为过流保护功能，连接DESAT接口的VSROUT+和IN＿A作为SiC管的漏源电压反馈输入，当驱动信号输出高电平时，DESAT启动保护判断功能，DESAT保护引脚内集成比较器电路，当DESAT保护引脚电压大于9V且持续一定的时间时(持续时间可以由外部电容C3调整)，驱动芯片关断，稳压管D5将DESAT电压限定在一定得范围内，保护驱动芯片安全工作。具体过流保护值可根据实际要求进行匹配设计。
Claims (9)
1.一种基于碳化硅的航空高压高功率三相全控整流装置，其特征在于：包括主控系统、三相交流滤波电路、PFC电感电路、三相全桥碳化硅功率电路、交流线电压采样调理电路、交流相电流采样调理电路、SIC驱动电路、直流滤波电路、直流电压采集电路、第一隔离电源、第二隔离电源、电平转换模块、通信模块、温度采集电路、直流母线滤波整形模块、直流母线电压采集电路，所述的三相交流滤波电路分别与PFC电感电路、交流线电压采样调理电路连接，所述的PFC电感电路分别与交流相电流采样调理电路、三相全桥碳化硅功率电路连接，三相全桥碳化硅功率电路分别与直流母线滤波整形模块、SIC驱动电路、温度采集电路连接，所述的直流母线滤波整形模块与直流母线电压采集电路连接，所述的直流母线电压采集电路、温度采集电路、SIC驱动电路、交流线电压采样调理电路、交流相电流采样调理电路、电平转换模块、直流电压采集电路、通信模块均与主控系统连接，所述的直流滤波电路分别与直流电压采集电路、第一隔离电源、第二隔离电源连接，第一隔离电源与SIC驱动电路连接，第二隔离电源分别与交流相电流采样调理电路、交流线电压采样调理电路连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于碳化硅的航空高压高功率三相全控整流装置，其特征在于：所述的主控系统为JDSPF28335处理器。
3.根据权利要求1所述的一种基于碳化硅的航空高压高功率三相全控整流装置，其特征在于：所述的直流滤波电路与外部的28V直流电源连接，所述的电平转换模块为5V转3.3/1.9V。
4.根据权利要求1所述的一种基于碳化硅的航空高压高功率三相全控整流装置，其特征在于：所述的第一隔离电源为6路28V转+18/－4V隔离电源，所述的第二隔离电源为1路28V转4组5V的隔离电源。
5.根据权利要求1所述的一种基于碳化硅的航空高压高功率三相全控整流装置，其特征在于：所述的三相全桥碳化硅功率电路包括6只碳化硅功率MOS管S1、S2、S3、S4、S5、S6，缓冲吸收电容C79、C107、C210，薄膜电容C77，合金采样电阻R69、R73、R77，碳化硅功率MOS管S1与S2串联组成第一桥臂，S3与S4串联组成第二桥臂，S5与S6串联组成第三桥臂，所述的缓冲吸收电容C79、第一桥臂、C107、第二桥臂、C210、第三桥臂、薄膜电容C77依次并联，第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂分别与合金采样电阻R69、R73、R77连接。
6.根据权利要求5所述的一种基于碳化硅的航空高压高功率三相全控整流装置，其特征在于：碳化硅功率MOS管最小耐压值为1200V，额定电流为90A。
7.根据权利要求1所述的一种基于碳化硅的航空高压高功率三相全控整流装置，其特征在于：所述的通信模块为422通信电路。
8.根据权利要求1所述的一种基于碳化硅的航空高压高功率三相全控整流装置，其特征在于：SIC驱动电路包括隔离型栅极驱动器，电容C8、C16、C12，稳压管D2、D4，电阻R2，二极管D1，所述隔离型栅极驱动器的管脚1与－4V电源以及电容C8一端连接，电容C8另一端分别与电容C16一端、稳压管D4的正极、电容C12的一端以及隔离型栅极驱动器管脚3连接，隔离型栅极驱动器的管脚1与稳压管D4的负极、电容C12的另一端、电阻R2的一端连接，电阻R2的另一端与二极管D1的正极连接，二极管D1的负极与稳压管D2的负极连接，所述隔离型栅极驱动器的管脚5与电容C16另一端以及+18V电源连接，隔离型栅极驱动器的管脚6分别与二极管D5的负极、电阻R13、R15的一端连接，二极管D5的正极与电阻R10的一端连接，电阻R10的另一端分别与电阻R13、R15的另一端以及电阻R18的一端连接，电阻R18的另一端分别与电容C23、C26、C27的一端连接，电容C23、C26、C27的另一端与隔离型栅极驱动器的管脚8以及－4V电源连接，隔离型栅极驱动器的管脚9、管脚11、管脚16均与地电位连接，隔离型栅极驱动器的管脚10与电阻R17、R20、电容C24的一端连接，电阻R20、电容C24的另一端与地电位连接，隔离型栅极驱动器的管脚12与电阻R4的一端连接，电阻R4的另一端与隔离型栅极驱动器的管脚15、电容C9的一端、电阻R7的一端、电源VCC连接，电阻R7的另一端与隔离型栅极驱动器的管脚13连接，电容C9的另一端与地电位连接。
9.根据权利要求1所述的一种基于碳化硅的航空高压高功率三相全控整流装置，其特征在于：所述的直流滤波电路包括防反接电路、两级直流共模滤波电路，所述的三相交流滤波电路包括两级交流共模滤波电路。
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