CN113507201A - 一种伺服系统并联SiC-MoS驱动电路 - Google Patents

一种伺服系统并联SiC-MoS驱动电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种伺服系统并联SiC‑MoS驱动电路，包括控制信号单元、功率电压源、n个SiC‑MoS器件、n个栅极电阻、n个续流二极管和n个熔断器；其中n为并联数量；功率电压由伺服系统提供，产生整个驱动电路所需的额定电流；按照伺服系统工作需求，控制信号单元发出控制信号，经过n个栅极电阻后驱动n个SiC‑MoS器件的栅极G端，控制SiC‑MoS器件的闭合断开；n个SiC‑MoS器件之间为并联关系，构成n个通道；续流二极管与相应通道SiC‑MoS器件为并联关系，将负载反峰能量通过续流二极管这一回路进行泄放；熔断器与相应通道SiC‑MoS器件为串联关系，当相应通道SiC‑MoS器件发生故障直通时，熔断器则熔断，切断该通道，实现故障隔离。该电路可实现伺服系统的高可靠性、高能效等优良特性。

Description

一种伺服系统并联SiC-MoS驱动电路
技术领域
本专利涉及伺服系统驱动电路，特别是涉及一种伺服系统并联SiC-MoS驱动电路。
背景技术
随着多电、全电飞机与电驱伺服系统的迅猛发展，针对伺服系统长时间工作、能源有限的问题，驱动电路的可靠性和效率已成为制约机载、弹载伺服系统性能的关键因素。MoS器件作为伺服系统驱动电路的核心部件。传统硅材料MoS器件经长期发展，性能提升空间极其有限，在一些高端应用领域面临强劲冲击。因此，新型伺服系统驱动电路对功率器件提出新材料、新拓扑形式等要求。
SiC材料以其优异的性能被行业列为第三代半导体材料，其击穿场强是硅的10倍，热导率是硅的2.5倍。SiC-MoS可在大于200℃的高温环境下工作，具有极低的开关损耗和高频工作能力，减小模块的体积和重量，显著提高系统的效率，有利于节能降耗，广泛应用于风光发电、光伏逆变、UPS储能、新能源汽车等高科技领域。许多国家和企业针对SiC-MoS都开展大量的研究工作，SiC-MoS器件可靠性、效率等方面显著提升，逐步取代传统硅材料MoS器件，应用范围将逐步向高端延伸。
发明内容
本发明解决的技术问题在于提供一种高可靠高能效的伺服系统并联SiC-MoS驱动电路。
一种伺服系统并联SiC-MoS驱动电路，其特征在于，包括控制信号单元、功率电压源、n个SiC-MoS器件、n个栅极电阻、n个续流二极管和n个熔断器；其中n为2～5；
功率电压源由伺服系统提供，产生整个驱动电路所需的额定电流；按照伺服系统工作需求，控制信号单元发出控制信号，经过n个栅极电阻后驱动n个SiC-MoS器件的栅极，控制SiC-MoS器件的闭合断开；n个SiC-MoS器件之间为并联关系，构成n个通道；续流二极管与相应通道SiC-MoS器件为并联关系，将负载反峰能量通过续流二极管这一回路进行泄放；熔断器与相应通道SiC-MoS器件为串联关系，当相应通道SiC-MoS器件发生故障直通时，熔断器则熔断，切断该通道，实现故障隔离。
进一步地，所述控制信号单元采用TI公司的66AK2G12处理器与Infineon公司的1ED020I12门驱动器；或者TI公司OMAP-L138数字信号控制器与Infineon公司6ED2230S12T门驱动器。
进一步地，SiC-MoS器件选用ROHM公司的SCT3017ALHR型，基本参数如下：漏源电压参数VDSS＝650V、漏电流参数ID＝118A、导通内阻RDS(on)＝17mΩ、额定功率PD＝427W。
进一步地，栅极电阻为0Ω，开通时间为30ns，开通损耗为369uJ，关闭时间为64ns，关闭损耗为156uJ。
进一步地，熔断器选用振华云科的JF-1031/F125V30AB，额定电流参数IJF为30A，额定电压UJF为125V。
本发明具有如下有益效果：
1.采用高性能SiC-MoS器件，充分发挥驱动电路高能效特性；
2.采用新拓扑形式，及串联熔断器，实现电路高可靠特性；
3.熔断器为快断型，实现了电路故障实时隔离；
附图说明
图1硬件结构方框示意图；
图2控制信号单元电路之一；
图3控制信号单元电路之二；
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明是一种高可靠高能效的伺服系统并联SiC-MoS驱动电路。该驱动电路为SiC-MoS器件新型拓扑形式、高频高速开关驱动控制、实时短路故障隔离技术、高频驱动器电磁兼容性设计等提供硬件基础。本发明硬件结构方框示意图如图1所示，硬件电路包括控制信号单元、功率电压源V、n个SiC-MoS器件Q、n个栅极电阻R、n个续流二极管T和n个熔断器S等六部分。
各部分之间的连接关系如图1所示，功率电压源V由伺服系统提供，产生整个驱动电路所需的额定电流I；按照伺服系统工作需求，控制信号单元发出控制信号，经过n个栅极电阻R后驱动n个SiC-MoS器件Q的栅极G端，进而控制SiC-MoS器件Q的闭合断开；n个SiC-MoS器件Q之间为并联关系，构成n个通道；续流二极管T与相应通道SiC-MoS器件Q为并联关系，将负载反峰能量通过续流二极管T这一回路进行泄放；熔断器S与相应通道SiC-MoS器件Q为串联关系，当相应通道SiC-MoS器件Q发生故障直通时，熔断器S则熔断，切断该通道，实现故障隔离。以上实现了高可靠高能效的伺服系统并联SiC-MoS驱动电路。
控制信号单元作为信号输入源，输出信号电平不得低于SiC-MoS器件的门驱动电压参数Gth要求，输出信号的驱动能力不得低于SiC-MoS器件的漏电流参数ID要求，可采用“66AK2G12(TI)处理器+1ED020I12(Infineon)门驱动器”、“OMAP-L138(TI)数字信号控制器+6ED2230S12T(Infineon)门驱动器”或其他类似的控制单元模块。如图2、3所示。
功率电压源作为伺服系统的电源输入，产生整个驱动电路所需的额定电流I。在理论上，伺服系统功率需求P与功率电压源V和额定电流I的关系为：P≈V*I。为了降低大电流对系统的不利影响，常常选用高功率电压。在军用伺服系统领域，功率电压源往往选用28.5V、57V、110V、270V等品种。
SiC-MoS器件是该伺服系统并联SiC-MoS驱动电路的核心部件，是本专利的重要连接步骤之一。主要参数选取依据如下：器件漏源电压参数VDSS与功率电压源V的关系如下：VDSS＜V/2；漏电流参数ID与额定电流I的关系如下：ID＜n*V/3；并联数n需按伺服系统可靠性指标分配及计算确定，推荐选用2～5。由于MoS管的导通内阻RDS(on)具有正温度特性，当温度升高，电阻增加，从而使电流能均匀分布在并联的n个SiC-MoS器件。按照一般生产工艺，产品参数一致性差异可以满足SiC-MoS器件并联用法。另外，为保证伺服系统高能效要求，需选用超低导通内阻、超快开关速率的SiC-MoS器件，本发明选用了ROHM公司的SCT3017ALHR型SiC-MoS器件，可覆盖绝大多数伺服系统驱动电路需求，基本参数如下：漏源电压参数VDSS＝650V、漏电流参数ID＝118A、导通内阻RDS(on)＝17mΩ、额定功率PD＝427W。
栅极电阻可以有效调整SiC-MoS器件的开关速率。栅极电阻越高，开关速率越慢，电磁干扰性越好，开关损耗越高。因此，栅极电阻的选取需在电磁干扰性和开关损耗两方面进行权衡。在保证电磁干扰性可接受的前提下，降低栅极电阻。本发明选用栅极电阻为0Ω，开通时间为30ns，开通损耗为369uJ，关闭时间为64ns，关闭损耗为156uJ。由此，在栅极电阻方面实现了驱动电路的高能效特性。
续流二极管是驱动电路的辅助部分。由于伺服系统主要负载为感性负载，为防止负载反峰现象，需接入该二极管，负载反峰能量可通过与续流二极管形成的回路进行泄放，可有效提高电路的驱动品质。
熔断器实现驱动电路短路故障实时隔离，是本专利的重要连接步骤之一。当相应通道SiC-MoS器件发生故障直通时，熔断器则熔断，切断该通道，实现故障实时隔离。主要参数选取依据如下：熔断器额定电流参数IJF与驱动电路额定电流I的关系如下：IJF≈1.33*I；额定电压UJF功率电V的关系如下：UJF<V。本发明功率电V为57V，驱动电路额定电流I为22.5A。由此选用振华云科的JF-1031/F125V30AB，额定电流参数IJF为30A，额定电压UJF为125V。由此实现了驱动电路的高可靠特性。
本发明设计的高可靠高能效的伺服系统并联SiC-MoS驱动电路以高可靠性和高能效的高端武器装备电动伺服系统为应用背景，以SiC-MoS器件新型拓扑形式、高频高速开关驱动控制、实时短路故障隔离技术、高频驱动器电磁兼容性设计等技术为手段，研制了一种高可靠高能效的伺服系统并联SiC-MoS驱动电路，充分发挥SiC-MoS器件在环境温度、效率、带宽、功率密度等方面的综合优势，解决了新型伺服系统提出的高可靠性和高能效要求，达到高性能武器装备跨代发展对伺服系统提出的严格要求。因此，研究伺服系统并联SiC-MoS驱动电路具有重要的工程意义与社会经济价值。
上述具体实施方式仅限于解释和说明本发明的技术方案，但并不能构成对权利要求保护范围的限定。本领域技术人员应当清楚，在本发明的技术方案的基础上做任何简单的变形或替换而得到的新的技术方案，均落入本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种伺服系统并联SiC-MoS驱动电路，其特征在于，包括控制信号单元、功率电压源、n个SiC-MoS器件、n个栅极电阻、n个续流二极管和n个熔断器；其中n为2～5；
功率电压源由伺服系统提供，产生整个驱动电路所需的额定电流；按照伺服系统工作需求，控制信号单元发出控制信号，经过n个栅极电阻后驱动n个SiC-MoS器件的栅极，控制SiC-MoS器件的闭合断开；n个SiC-MoS器件之间为并联关系，构成n个通道；续流二极管与相应通道SiC-MoS器件为并联关系，将负载反峰能量通过续流二极管这一回路进行泄放；熔断器与相应通道SiC-MoS器件为串联关系，当相应通道SiC-MoS器件发生故障直通时，熔断器则熔断，切断该通道，实现故障隔离。
2.根据权利要求1所述的一种伺服系统并联SiC-MoS驱动电路，其特征在于，所述控制信号单元采用TI公司的66AK2G12处理器与Infineon公司的1ED020I12门驱动器；或者TI公司OMAP-L138数字信号控制器与Infineon公司6ED2230S12T门驱动器。
3.根据权利要求2所述的一种伺服系统并联SiC-MoS驱动电路，其特征在于，SiC-MoS器件选用ROHM公司的SCT3017ALHR型，基本参数如下：漏源电压参数VDSS＝650V、漏电流参数ID＝118A、导通内阻RDS(on)＝17mΩ、额定功率PD＝427W。
4.根据权利要求2所述的一种伺服系统并联SiC-MoS驱动电路，其特征在于，栅极电阻为0Ω，开通时间为30ns，开通损耗为369uJ，关闭时间为64ns，关闭损耗为156uJ。
5.根据权利要求2所述的一种伺服系统并联SiC-MoS驱动电路，其特征在于，熔断器选用振华云科的JF-1031/F125V30AB，额定电流参数IJF为30A，额定电压UJF为125V。
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