CN113708639B - 一种无线充电系统的驱动电路构建方法及系统 - Google Patents

一种无线充电系统的驱动电路构建方法及系统 Download PDF

Info

Publication number
CN113708639B
CN113708639B CN202110968461.8A CN202110968461A CN113708639B CN 113708639 B CN113708639 B CN 113708639B CN 202110968461 A CN202110968461 A CN 202110968461A CN 113708639 B CN113708639 B CN 113708639B
Authority
CN
China
Prior art keywords
sic mosfet
bridge arm
voltage
complementary
turned
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202110968461.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113708639A (zh
Inventor
王丽芳
薄强
张玉旺
陶成轩
李芳�
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Institute of Electrical Engineering of CAS
Original Assignee
Institute of Electrical Engineering of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Institute of Electrical Engineering of CAS filed Critical Institute of Electrical Engineering of CAS
Priority to CN202110968461.8A priority Critical patent/CN113708639B/zh
Publication of CN113708639A publication Critical patent/CN113708639A/zh
Priority to PCT/CN2022/101704 priority patent/WO2023024688A1/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113708639B publication Critical patent/CN113708639B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/22—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac
    • H02M3/24—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/28—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac
    • H02M3/325—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/335—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/3353—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only having at least two simultaneously operating switches on the input side, e.g. "double forward" or "double (switched) flyback" converter
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/10—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling
    • H02J50/12—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling of the resonant type
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/70—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power involving the reduction of electric, magnetic or electromagnetic leakage fields
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/007—Regulation of charging or discharging current or voltage
    • H02J7/00712—Regulation of charging or discharging current or voltage the cycle being controlled or terminated in response to electric parameters
    • H02J7/007182—Regulation of charging or discharging current or voltage the cycle being controlled or terminated in response to electric parameters in response to battery voltage
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/08—Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters
    • H02M1/083—Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters for the ignition at the zero crossing of the voltage or the current
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/08—Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters
    • H02M1/088—Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters for the simultaneous control of series or parallel connected semiconductor devices
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/44—Circuits or arrangements for compensating for electromagnetic interference in converters or inverters
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B70/00—Technologies for an efficient end-user side electric power management and consumption
    • Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Abstract

本发明公开了一种无线充电系统的驱动电路构建方法及系统。所述方法，包括：计算桥臂串扰分析拓扑中的一个SiC MOSFET关断时，与该SiCMOSFET互补的另一个SiC MOSFET的负向桥臂串扰电压；桥臂串扰分析拓扑包括依次连接的直流电源、高频逆变器、原边补偿电容、松耦合变压器、副边补偿电容、整流器和负载；高频逆变器包括四个SiC MOSFET结构；将一个SiC MOSFET关断时，与该SiC MOSFET互补的另一个SiC MOSFET的正向桥臂串扰电压置为零，根据负向桥臂串扰电压构建无线充电系统的驱动电路。本发明能降低电路的复杂度，提高驱动供电的可靠性。

Description

一种无线充电系统的驱动电路构建方法及系统
技术领域
本发明涉及无线充电领域，特别是涉及一种无线充电系统的驱动电路构建方法及系统。
背景技术
无线充电技术实现了电源与负载的电气隔离，可解决裸露导体造成的用电安全问题，在植入式医疗设备、电动汽车无线充电等领域得到广泛的应用。SiC器件具有低阻、高速、耐高温的优势，利用SiC MOSFET研制的无线充电装置可望具有高效率、高功率密度和更加优异的整机性能。当SiC MOSFET快速开通与关断时，由于其高速开关特性会导致互补管漏源电压的高dv/dt，高dv/dt将引起互补管SiC MOSFET的驱动电压畸变，这种现象称为桥臂串扰。桥臂串扰会降低器件的可靠性、增加开关损耗，在Si基变换器已经得到了关注，由于SiC器件的开关速度更快，导致串扰问题比Si器件要更加明显。因此，为了在无线充电系统中更加高效、可靠的利用SiC器件，需要研究SiC MOSFET的桥臂串扰特性，桥臂串扰的类型判断和幅值计算成为研究的重点。
目前，已有文献对桥臂串扰进行研究，有论文指出在串联谐振逆变器中，上管开通不仅导致栅极出现正向串扰，而且上管关断时也会在下管出现负向串扰，并且该文未提及串扰电压幅值的计算，基于该研究结果，在设计无线充电系统的驱动电路时，会考虑正向串扰和负向串扰，因此，无线充电系统的SiC MOSFET的驱动电路由双电源供电，一个电源用于消除正向串扰，一个电源用于消除负向串扰。还有论文通过对基于SiC MOSFET的电机驱动器的桥臂串扰进行分析，指出此时的桥臂串扰与相电流的方向有关，当相电流为负时会存在桥臂串扰导致的误导通问题，当相电流为正时不会产生误导通问题，但由于特殊的控制方式，无线充电系统不存在正向桥臂串扰而只存在负向桥臂串扰，特殊的控制方式也是为了消除正向串扰，无线充电系统的SiC MOSFET的驱动电路也由双电源供电。而无论无线充电系统的SiC MOSFET的驱动电路是由双电源供电，还是设计其他的结构同时消除正向串扰和负向串扰，电路结构都较为复杂，而且还影响驱动供电的可靠性。
发明内容
基于此，本发明实施例提供一种无线充电系统的驱动电路构建方法及系统，以降低电路的复杂度，提高驱动供电的可靠性。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种无线充电系统的驱动电路构建方法，包括：
计算桥臂串扰分析拓扑中的一个SiC MOSFET关断时，与该SiC MOSFET互补的另一个SiC MOSFET的负向桥臂串扰电压；
所述桥臂串扰分析拓扑包括依次连接的直流电源、高频逆变器、原边补偿电容、松耦合变压器、副边补偿电容、整流器和负载；所述高频逆变器包括四个SiC MOSFET结构，其中两个所述SiC MOSFET结构串联构成左半桥对桥臂，另外两个所述SiC MOSFET结构串联构成右半桥对桥臂；各所述SiC MOSFET结构均包括一个SiC MOSFET；所述左半桥对桥臂中的两个SiC MOSFET互补，所述右半桥对桥臂中的两个SiC MOSFET互补；
将一个SiC MOSFET关断时，与该SiC MOSFET互补的另一个SiC MOSFET的正向桥臂串扰电压置为零，根据所述负向桥臂串扰电压构建无线充电系统的驱动电路。
可选的，所述计算桥臂串扰分析拓扑中的一个SiC MOSFET关断时，与该SiCMOSFET互补的另一个SiC MOSFET的负向桥臂串扰电压，具体包括：
当桥臂串扰分析拓扑中的一个SiC MOSFET关断时，基于关断延迟和密勒效应，构建电路关系式；所述电路关系式表示另一个SiC MOSFET的电压电容关系；
基于所述电路关系式和变化率，确定另一个SiC MOSFET的负向桥臂串扰电压的表达式；所述变化率为另一个SiC MOSFET的漏源电压从初始值下降到零的线性变化率；
根据洛必达求极限法则，使所述表达式中的所述变化率趋于无穷大，得到另一个SiC MOSFET的负向桥臂串扰电压。
可选的，所述电路关系式为：
其中，Vds1为与关断的SiC MOSFET互补的另一个SiC MOSFET的漏源电压；Vgd1为与关断的SiC MOSFET互补的另一个SiC MOSFET的漏栅电压；Vgs1为与关断的SiC MOSFET互补的另一个SiC MOSFET的栅源电压；Cgd1为与关断的SiC MOSFET互补的另一个SiC MOSFET的漏栅电容；Cgs1为与关断的SiC MOSFET互补的另一个SiC MOSFET的栅源电容；Rg1为内部寄生电阻；Rgext1为外部驱动电阻，t表示时间。
可选的，所述表达式为：
其中，Vgs1为与关断的SiC MOSFET互补的另一个SiC MOSFET的栅源电压；kf为变化率；Cgd1为与关断的SiC MOSFET互补的另一个SiC MOSFET的漏栅电容；Rg1为内部寄生电阻；Rgext1为外部驱动电阻；Cgs1为与关断的SiC MOSFET互补的另一个SiC MOSFET的栅源电容；Udc为直流电源电压。
可选的，所述负向桥臂串扰电压的计算公式为：
其中，Vgs1为与关断的SiC MOSFET互补的另一个SiC MOSFET的栅源电压；kf为变化率；Cgd1为与关断的SiC MOSFET互补的另一个SiC MOSFET的漏栅电容；Cgs1为与关断的SiCMOSFET互补的另一个SiC MOSFET的栅源电容；Udc为直流电源电压。
可选的，所述无线充电系统的驱动电路中的SiC MOSFET采用零压关断。
本发明还提供了一种无线充电系统的驱动电路构建系统，包括：
负向桥臂串扰电压计算模块，用于计算桥臂串扰分析拓扑中的一个SiC MOSFET关断时，与该SiC MOSFET互补的另一个SiC MOSFET的负向桥臂串扰电压；
所述桥臂串扰分析拓扑包括依次连接的直流电源、高频逆变器、原边补偿电容、松耦合变压器、副边补偿电容、整流器和负载；所述高频逆变器包括四个SiC MOSFET结构，其中两个所述SiC MOSFET结构串联构成左半桥对桥臂，另外两个所述SiC MOSFET结构串联构成右半桥对桥臂；各所述SiC MOSFET结构均包括一个SiC MOSFET；所述左半桥对桥臂中的两个SiC MOSFET互补，所述右半桥对桥臂中的两个SiC MOSFET互补；
驱动电路构建模块，用于将一个SiC MOSFET关断时，与该SiC MOSFET互补的另一个SiC MOSFET的正向桥臂串扰电压置为零，根据所述负向桥臂串扰电压构建无线充电系统的驱动电路。
可选的，所述负向桥臂串扰电压计算模块，具体包括：
电路关系构建单元，用于当桥臂串扰分析拓扑中的一个SiC MOSFET关断时，基于关断延迟和密勒效应，构建电路关系式；所述电路关系式表示另一个SiC MOSFET的电压电容关系；
负向串扰表达式确定单元，用于基于所述电路关系式和变化率，确定另一个SiCMOSFET的负向桥臂串扰电压的表达式；所述变化率为另一个SiC MOSFET的漏源电压从初始值下降到零的线性变化率；
负向串扰电压计算单元，用于根据洛必达求极限法则，使所述表达式中的所述变化率趋于无穷大，得到另一个SiC MOSFET的负向桥臂串扰电压。
可选的，所述负向串扰电压计算单元中，所述负向桥臂串扰电压的计算公式为：
其中，Vgs1为与关断的SiC MOSFET互补的另一个SiC MOSFET的栅源电压；kf为变化率；Cgd1为与关断的SiC MOSFET互补的另一个SiC MOSFET的漏栅电容；Cgs1为与关断的SiCMOSFET互补的另一个SiC MOSFET的栅源电容；Udc为直流电源电压。
可选的，所述驱动电路构建模块中，所述无线充电系统的驱动电路中的SiCMOSFET采用零压关断。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明实施例提出了一种无线充电系统的驱动电路构建方法及系统，计算桥臂串扰分析拓扑中的一个SiC MOSFET关断时，与该SiC MOSFET互补的另一个SiC MOSFET的负向桥臂串扰电压；将一个SiC MOSFET关断时，与该SiC MOSFET互补的另一个SiC MOSFET的正向桥臂串扰电压置为零，根据负向桥臂串扰电压构建无线充电系统的驱动电路。本发明能降低电路的复杂度，提高驱动供电的可靠性。本发明能够计算具体的串扰电压幅值，并仅采用具体的负向桥臂串扰电压幅值构建无线充电系统的驱动电路，无需考虑消除无线充电系统的驱动电路中的正向串扰，因此，可以避免无线充电系统中驱动电路的双电源供电，从而降低电路的复杂度，提高驱动供电的可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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。
图1为本发明实施例提供的应用于无线充电系统的SiC MOSFET的桥臂串扰分析拓扑图；
图2为本发明实施例提供的S2开通与关断对S1桥臂串扰的电路模型图；
图3为本发明实施例提供的无线充电系统的驱动电路构建方法流程图；
图4为本发明实施例提供的S2关断导致S1负向桥臂串扰的计算模型图；
图5为本发明实施例提供的无线充电系统的驱动电路的电路原理图；
图6为本发明实施例提供的无线充电系统的驱动电路构建系统结构图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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做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。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
目前，在构建无线充电系统的驱动电路时，通常会认为无线充电系统的SiCMOSFET同时存在正向桥臂串扰和负向桥臂串扰，因此，设计的无线充电系统的驱动电路结构较为复杂。
本实施例首先基于桥臂串扰分析拓扑对SiC MOSFET的桥臂串扰进行分析。参见图1，所述桥臂串扰分析拓扑包括直流电源101、高频逆变器102、原边补偿电容103、松耦合变压器104、副边补偿电容105、整流器106和负载107；所述直流电源101与高频逆变器102的输入端相连接，高频逆变器102的输出与原边补偿网络103的输入相连接，原边补偿网络103的输出与松耦合变压器104的输入相连接，松耦合变压器104的输出与副边补偿网络105的输入相连接，副边补偿网络105的输出与整流器106的输入相连接，整流器106的输出与负载107相连接。所述高频逆变器102包括四个SiC MOSFET结构，分别为S1、S2、S3、S4，其中两个所述SiC MOSFET结构(S1和S2)串联构成左半桥对桥臂，另外两个所述SiC MOSFET结构(S3和S4)串联构成右半桥对桥臂。各所述SiC MOSFET结构均包括一个SiC MOSFET。本实施例中，各所述SiC MOSFET结构均具体包括：SiC MOSFET、漏源电容、漏栅电容、栅源电容、内部寄生电阻和外部驱动电阻，SiC MOSFET的漏极和源极之间连接漏源电容，SiC MOSFET的漏极和栅极之间连接漏栅电容，SiC MOSFET的栅极和源极之间连接栅源电容，外部驱动电阻通过内部寄生电阻与SiC MOSFET的栅极连接。例如，SiC MOSFET结构S1，具体包括：SiC MOSFET、漏源电容Cds1、漏栅电容Cgd1、栅源电容Cgs1、内部寄生电阻Rg1和外部驱动电阻Rgext1，各器件之间的连接关系如图1所示。所述左半桥对桥臂中的两个SiC MOSFET互补(S1和S2互补)，所述右半桥对桥臂中的两个SiC MOSFET互补(S3和S4互补)。
高频逆变器102由四只SiC MOSFET组成，由于对称性，取高频逆变器102的左半桥对桥臂串扰进行分析，其中图1中的Rg1和Rg2分别为相应SiC MOSFET的内部寄生电阻，Rgext1和Rgext2分别为外部驱动电阻。原边补偿网络103由补偿电感Lp、串联补偿电容Cp1和并联补偿电容Cp2组成。无线充电系统高频逆变器102的等效负载一般呈微感性，此时的SiC MOSFET工作在软开通、硬关断的模式。不失一般性，下面只分析下管S2的动作对上管S1造成的桥臂串扰问题，而S1动作对S2造成的桥臂串扰分析与此类似。
S2开通对S1的桥臂串扰情况如图2的(a)部分和(b)部分所示，图2的(a)部分为S2开通前的死区时间对S1桥臂串扰的电路模型图，图2的(b)部分为S2开通瞬态对S1桥臂串扰的电路模型图，设电流Iout流入节点A为负，流出节点A为正。图2的(a)部分为S2开通前的状态，此时S1和S2均处于死区，Iout为正。由于Iout经S2的体二极管续流，因此S1的漏源电压Vds1近似为Udc，S2的漏源电压Vds2近似为零。由图2的(b)部分可知，在S2开通瞬态时，Iout流经S2沟道，因此Vds2仍为零，Vds1仍为Udc，导致dVds1≈0。因此，S2的开通不会导致S1产生正向桥臂串扰。同理，S1的开通也不会对S2产生正向桥臂串扰。
S2关断对S1的桥臂串扰情况如图2的(c)部分和(d)部分所示，图2的(c)部分为S2关断前对S1桥臂串扰的电路模型图，图2的(d)部分为S2关断瞬态对S1桥臂串扰的电路模型图。由图2的(c)部分所示，在S2关断前，Iout是负值，因此Vds2近似为零，Vds1近似为Udc。由图2的(d)部分可知，在S2关断瞬态时，Iout通过S1的体二极管续流，因此Vds2近似为Udc，Vds1近似为零。此时，Vds1由于S2的关断而瞬间下降，这就导致dVds1/dt不为0。由于高dVds1/dt，S1的栅漏电容电容Cgd1储存的电荷会通过栅极电路释放，导致S1出现负桥臂串扰电压Vgs1。
通过上述分析，可得到如下结论：应用于无线充电系统的SiC MOSFET仅存在负向桥臂串扰，此时的SiC MOSFET可以采用零电压关断而不会发生桥臂中的两个互补SiCMOSFET的短路问题。该结论对应用于无线充电系统的SiC MOSFET的驱动电路和主电路的设计具有积极意义，可避免驱动的双电源供电且降低设计的复杂性。下面基于这一结论，构建无线充电系统的驱动电路。
参见图3，本实施例提供的无线充电系统的驱动电路构建方法，包括：
步骤111：计算桥臂串扰分析拓扑中的一个SiC MOSFET关断时，与该SiC MOSFET互补的另一个SiC MOSFET的负向桥臂串扰电压。
该步骤，具体包括：
(1)当桥臂串扰分析拓扑中的一个SiC MOSFET关断(S2关断)时，由于关断延迟和密勒效应，与关断的SiC MOSFET互补的另一个SiC MOSFET(S1)的漏源电压Vds1不会立即放电而仍然保持S2关断前的电压值。如图4所示，在S2关断瞬态过后，S1通过电容Cgd1和Cgs1放电，且Cgs1有两条放电支路，一条经过Cgd1，一条经过Rg1和Rgext1，由电路原理可得电路关系式：
其中，Vds1为与关断的SiC MOSFET互补的另一个SiC MOSFET的漏源电压；Vgd1为与关断的SiC MOSFET互补的另一个SiC MOSFET的漏栅电压；Vgs1为与关断的SiC MOSFET互补的另一个SiC MOSFET的栅源电压；Cgd1为与关断的SiC MOSFET互补的另一个SiC MOSFET的漏栅电容；Cgs1为与关断的SiC MOSFET互补的另一个SiC MOSFET的栅源电容；Rg1为内部寄生电阻；Rgext1为外部驱动电阻，t表示时间。
(2)基于所述电路关系式和变化率，确定另一个SiC MOSFET的负向桥臂串扰电压的表达式；所述变化率为另一个SiC MOSFET的漏源电压从初始值下降到零的线性变化率。实际应用中，假设Cds1的电压值从Vds1下降到0是线性变化的且变化率为kf(kf为负数)，可得S1的负向桥臂串扰电压Vgs1的表达式为：
其中，Vgs1为与关断的SiC MOSFET互补的另一个SiC MOSFET的栅源电压；kf为变化率；Cgd1为与关断的SiC MOSFET互补的另一个SiC MOSFET的漏栅电容；Rg1为内部寄生电阻；Rgext1为外部驱动电阻；Cgs1为与关断的SiC MOSFET互补的另一个SiC MOSFET的栅源电容；Udc为直流电源电压。
(3)SiC MOSFET的特点在于开关瞬态的变化率kf极大，根据洛必达求极限法则，使所述表达式中的所述变化率趋于无穷大，得到另一个SiC MOSFET的负向桥臂串扰电压：
其中，Vgs1为与关断的SiC MOSFET互补的另一个SiC MOSFET的栅源电压；kf为变化率；Cgd1为与关断的SiC MOSFET互补的另一个SiC MOSFET的漏栅电容；Cgs1为与关断的SiCMOSFET互补的另一个SiC MOSFET的栅源电容；Udc为直流电源电压。
步骤112：将一个SiC MOSFET关断时，与该SiC MOSFET互补的另一个SiC MOSFET的正向桥臂串扰电压置为零，根据所述负向桥臂串扰电压构建无线充电系统的驱动电路。
参见图5，该无线充电系统的驱动电路为非双电源供电的驱动电路，第一驱动结构201和第二驱动结构202中的SiC MOSFET互补，产生的是互补SiC MOSFET的驱动信号，其中第一驱动结构201中的光耦的1、2端口接受控制信号，然后光耦的3、4、5端口输出控制信号分别至+15V、两只推挽结构的三极管和0V，随后两只推挽结构三极管的发射极连接至半桥驱动器并输出驱动信号G1、S1给SiC MOSFET的栅源极。第二驱动结构202的结构与第一驱动结构201的结构相同。该无线充电系统的驱动电路仅由15V单电源供电，相比双电源供电的驱动电路，电路的复杂度低，驱动供电的可靠性高。
在一个示例中，所述无线充电系统的驱动电路中的SiC MOSFET采用零压关断，以避免发生桥臂直通问题。
上述实施例，首先，在无线充电系统等效电路(桥臂串扰分析拓扑)的基础上分析SiC MOSFET开关管的开通对互补管的桥臂串扰情况；其次，分析SiC MOSFET开关管的关断对互补管的桥臂串扰情况；最后，在以上分析的基础上推导出负向桥臂串扰电压幅值的计算公式，并得出结论：应用于无线充电系统的SiC MOSFET仅存在负向桥臂串扰，此时的SiCMOSFET可采用零压关断而不会发生桥臂直通问题。该结论对应用于无线充电系统的SiCMOSFET的驱动电路和主电路的设计具有积极意义，就要该结论通过步骤111和步骤112实现无线充电系统的驱动电路的设计，避免了驱动的双电源供电且降低了设计的复杂性，提高了驱动供电的可靠性。
本发明还提供了一种无线充电系统的驱动电路构建系统，参见图6，所述系统，包括：
负向桥臂串扰电压计算模块301，用于计算桥臂串扰分析拓扑中的一个SiCMOSFET关断时，与该SiC MOSFET互补的另一个SiC MOSFET的负向桥臂串扰电压。
所述桥臂串扰分析拓扑包括依次连接的直流电源、高频逆变器、原边补偿电容、松耦合变压器、副边补偿电容、整流器和负载；所述高频逆变器包括四个SiC MOSFET结构，其中两个所述SiC MOSFET结构串联构成左半桥对桥臂，另外两个所述SiC MOSFET结构串联构成右半桥对桥臂；各所述SiC MOSFET结构均包括一个SiC MOSFET；所述左半桥对桥臂中的两个SiC MOSFET互补，所述右半桥对桥臂中的两个SiC MOSFET互补。
驱动电路构建模块302，用于将一个SiC MOSFET关断时，与该SiC MOSFET互补的另一个SiC MOSFET的正向桥臂串扰电压置为零，根据所述负向桥臂串扰电压构建无线充电系统的驱动电路。
在一个示例中，所述负向桥臂串扰电压计算模块301，具体包括：
电路关系构建单元，用于当桥臂串扰分析拓扑中的一个SiC MOSFET关断时，基于关断延迟和密勒效应，构建电路关系式；所述电路关系式表示另一个SiC MOSFET的电压电容关系。
负向串扰表达式确定单元，用于基于所述电路关系式和变化率，确定另一个SiCMOSFET的负向桥臂串扰电压的表达式；所述变化率为另一个SiC MOSFET的漏源电压从初始值下降到零的线性变化率。
负向串扰电压计算单元，用于根据洛必达求极限法则，使所述表达式中的所述变化率趋于无穷大，得到另一个SiC MOSFET的负向桥臂串扰电压。
在一个示例中，所述负向串扰电压计算单元中，所述负向桥臂串扰电压的计算公式为：
其中，Vgs1为与关断的SiC MOSFET互补的另一个SiC MOSFET的栅源电压；kf为变化率；Cgd1为与关断的SiC MOSFET互补的另一个SiC MOSFET的漏栅电容；Cgs1为与关断的SiCMOSFET互补的另一个SiC MOSFET的栅源电容；Udc为直流电源电压。
在一个示例中，所述驱动电路构建模块中，所述无线充电系统的驱动电路中的SiCMOSFET采用零压关断，从而可以避免桥臂中的两个互补SiC MOSFET的短路问题。对于传统驱动电路，为避免桥臂串扰带来的上、下MOSFET同时导通而导致的短路问题，驱动电路通常采用正电压开通(如+15V)和负电压关断(如-5V)的措施，其中的-5V关断电压使得MOSFET即使发生正向桥臂串扰时也不会发生误导通问题，例如，一般的MOSFET在驱动电压为2V时就可能导通，而采用-5V的关断电压使得即使发生正向桥臂电压的幅值为6V时，关断电压才为1V(-5V+6V)，还没有达到MOSFET的导通电压值。本实施例中，基于无线充电系统的驱动不存在正向桥臂串扰而只存在负向桥臂串扰这一结论，因此，采用0V电压关断不会发生正向桥臂串扰而导致的误导通问题。本实施例中，所述无线充电系统的驱动电路基于零压关断的方式设计，相比传统的驱动电路，结构更加简单。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种无线充电系统的驱动电路构建方法，其特征在于，包括：
计算桥臂串扰分析拓扑中的一个SiC MOSFET关断时，与该SiC MOSFET互补的另一个SiC MOSFET的负向桥臂串扰电压；
所述桥臂串扰分析拓扑包括依次连接的直流电源、高频逆变器、原边补偿电容、松耦合变压器、副边补偿电容、整流器和负载；所述高频逆变器包括四个SiC MOSFET结构，其中两个所述SiC MOSFET结构串联构成左半桥对桥臂，另外两个所述SiC MOSFET结构串联构成右半桥对桥臂；各所述SiC MOSFET结构均包括一个SiC MOSFET；所述左半桥对桥臂中的两个SiC MOSFET互补，所述右半桥对桥臂中的两个SiC MOSFET互补；
将一个SiC MOSFET关断时，与该SiC MOSFET互补的另一个SiC MOSFET的正向桥臂串扰电压置为零，根据所述负向桥臂串扰电压构建无线充电系统的驱动电路；
所述计算桥臂串扰分析拓扑中的一个SiC MOSFET关断时，与该SiC MOSFET互补的另一个SiC MOSFET的负向桥臂串扰电压，具体包括：
当桥臂串扰分析拓扑中的一个SiC MOSFET关断时，基于关断延迟和密勒效应，构建电路关系式；所述电路关系式表示另一个SiC MOSFET的电压电容关系；
基于所述电路关系式和变化率，确定另一个SiC MOSFET的负向桥臂串扰电压的表达式；所述变化率为另一个SiC MOSFET的漏源电压从初始值下降到零的线性变化率；
根据洛必达求极限法则，使所述表达式中的所述变化率趋于无穷大，得到另一个SiCMOSFET的负向桥臂串扰电压。
2.根据权利要求1所述的一种无线充电系统的驱动电路构建方法，其特征在于，所述电路关系式为：
其中，Vds1为与关断的SiC MOSFET互补的另一个SiCMOSFET的漏源电压；Vgd1为与关断的SiC MOSFET互补的另一个SiC MOSFET的漏栅电压；Vgs1为与关断的SiC MOSFET互补的另一个SiCMOSFET的栅源电压；Cgd1为与关断的SiC MOSFET互补的另一个SiC MOSFET的漏栅电容；Cgs1为与关断的SiC MOSFET互补的另一个SiC MOSFET的栅源电容；Rg1为内部寄生电阻；Rgext1为外部驱动电阻，t表示时间。
3.根据权利要求1所述的一种无线充电系统的驱动电路构建方法，其特征在于，所述表达式为：
其中，Vgs1为与关断的SiC MOSFET互补的另一个SiCMOSFET的栅源电压；kf为变化率；Cgd1为与关断的SiC MOSFET互补的另一个SiC MOSFET的漏栅电容；Rg1为内部寄生电阻；Rgext1为外部驱动电阻；Cgs1为与关断的SiC MOSFET互补的另一个SiC MOSFET的栅源电容；Udc为直流电源电压。
4.根据权利要求1所述的一种无线充电系统的驱动电路构建方法，其特征在于，所述负向桥臂串扰电压的计算公式为：
其中，Vgs1为与关断的SiC MOSFET互补的另一个SiCMOSFET的栅源电压；kf为变化率；Cgd1为与关断的SiCMOSFET互补的另一个SiC MOSFET的漏栅电容；Cgs1为与关断的SiCMOSFET互补的另一个SiCMOSFET的栅源电容；Udc为直流电源电压。
5.根据权利要求1所述的一种无线充电系统的驱动电路构建方法，其特征在于，所述无线充电系统的驱动电路中的SiCMOSFET采用零压关断。
6.一种无线充电系统的驱动电路构建系统，其特征在于，包括：
负向桥臂串扰电压计算模块，用于计算桥臂串扰分析拓扑中的一个SiC MOSFET关断时，与该SiC MOSFET互补的另一个SiC MOSFET的负向桥臂串扰电压；
所述桥臂串扰分析拓扑包括依次连接的直流电源、高频逆变器、原边补偿电容、松耦合变压器、副边补偿电容、整流器和负载；所述高频逆变器包括四个SiC MOSFET结构，其中两个所述SiCMOSFET结构串联构成左半桥对桥臂，另外两个所述SiC MOSFET结构串联构成右半桥对桥臂；各所述SiC MOSFET结构均包括一个SiC MOSFET；所述左半桥对桥臂中的两个SiCMOSFET互补，所述右半桥对桥臂中的两个SiC MOSFET互补；
驱动电路构建模块，用于将一个SiC MOSFET关断时，与该SiC MOSFET互补的另一个SiCMOSFET的正向桥臂串扰电压置为零，根据所述负向桥臂串扰电压构建无线充电系统的驱动电路；
所述负向桥臂串扰电压计算模块，具体包括：
电路关系构建单元，用于当桥臂串扰分析拓扑中的一个SiC MOSFET关断时，基于关断延迟和密勒效应，构建电路关系式；所述电路关系式表示另一个SiC MOSFET的电压电容关系；
负向串扰表达式确定单元，用于基于所述电路关系式和变化率，确定另一个SiCMOSFET的负向桥臂串扰电压的表达式；所述变化率为另一个SiC MOSFET的漏源电压从初始值下降到零的线性变化率；
负向串扰电压计算单元，用于根据洛必达求极限法则，使所述表达式中的所述变化率趋于无穷大，得到另一个SiC MOSFET的负向桥臂串扰电压。
7.根据权利要求6所述的一种无线充电系统的驱动电路构建系统，其特征在于，所述负向串扰电压计算单元中，所述负向桥臂串扰电压的计算公式为：
其中，Vgs1为与关断的SiC MOSFET互补的另一个SiCMOSFET的栅源电压；kf为变化率；Cgd1为与关断的SiCMOSFET互补的另一个SiC MOSFET的漏栅电容；Cgs1为与关断的SiC MOSFET互补的另一个SiC MOSFET的栅源电容；Udc为直流电源电压。
8.根据权利要求6所述的一种无线充电系统的驱动电路构建系统，其特征在于，所述驱动电路构建模块中，所述无线充电系统的驱动电路中的SiC MOSFET采用零压关断。
CN202110968461.8A 2021-08-23 2021-08-23 一种无线充电系统的驱动电路构建方法及系统 Active CN113708639B (zh)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110968461.8A CN113708639B (zh) 2021-08-23 2021-08-23 一种无线充电系统的驱动电路构建方法及系统
PCT/CN2022/101704 WO2023024688A1 (zh) 2021-08-23 2022-06-28 一种无线充电系统的驱动电路构建方法及系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110968461.8A CN113708639B (zh) 2021-08-23 2021-08-23 一种无线充电系统的驱动电路构建方法及系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113708639A CN113708639A (zh) 2021-11-26
CN113708639B true CN113708639B (zh) 2023-10-27

Family

ID=78654001

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110968461.8A Active CN113708639B (zh) 2021-08-23 2021-08-23 一种无线充电系统的驱动电路构建方法及系统

Country Status (2)

Country Link
CN (1) CN113708639B (zh)
WO (1) WO2023024688A1 (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113708639B (zh) * 2021-08-23 2023-10-27 中国科学院电工研究所 一种无线充电系统的驱动电路构建方法及系统
CN116629183B (zh) * 2023-07-24 2023-10-13 湖南大学 碳化硅mosfet干扰源建模方法、设备及存储介质

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111600461A (zh) * 2020-05-27 2020-08-28 山东大学 一种改进型SiC MOSFET桥臂串扰抑制驱动电路及方法
CN112421797A (zh) * 2020-11-27 2021-02-26 中国科学院电工研究所 一种无线充电系统功率扩容拓扑结构
CN112928902A (zh) * 2021-03-18 2021-06-08 中国科学院电工研究所 一种SiC MOSFET的驱动电路

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8040704B2 (en) * 2007-06-30 2011-10-18 Cuks, Llc Integrated magnetics switching converter with zero inductor and output ripple currents and lossless switching
CN108880206B (zh) * 2018-07-19 2020-03-27 西安理工大学 一种抑制桥臂串扰的自举电源式SiC MOSFET驱动电路
CN110492728A (zh) * 2019-08-20 2019-11-22 国网浙江省电力有限公司电力科学研究院 一种可抑制桥臂串扰的SiC功率器件驱动电路及其控制方法
CN111342642B (zh) * 2020-03-18 2021-02-05 华中科技大学 一种用于碳化硅mosfet驱动的反激式电源控制方法
CN112491253B (zh) * 2020-12-08 2021-11-02 华中科技大学 SiC MOSFET串扰电压的计算、寄生参数提取和驱动参数整定方法
CN113708639B (zh) * 2021-08-23 2023-10-27 中国科学院电工研究所 一种无线充电系统的驱动电路构建方法及系统

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111600461A (zh) * 2020-05-27 2020-08-28 山东大学 一种改进型SiC MOSFET桥臂串扰抑制驱动电路及方法
CN112421797A (zh) * 2020-11-27 2021-02-26 中国科学院电工研究所 一种无线充电系统功率扩容拓扑结构
CN112928902A (zh) * 2021-03-18 2021-06-08 中国科学院电工研究所 一种SiC MOSFET的驱动电路

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
A Multi-Level Gate Driver for Crosstalk Suppression of Silicon Carbide MOSFETs in Bridge Arm;Yaodong Zhu 等;《IEEE Access》;第9卷;第100185-100196页 *
Driving Auxiliary Circuit Based on SiC MOSFET Series Disturbance Suppression;Shen Li 等;《2020 12th IEEE PES Asia-Pacific Power and Energy Engineering Conference (APPEEC)》;第1-5页 *
一种抑制SiC MOSFET桥臂串扰的改进门极驱动设计;李辉;黄樟坚;廖兴林;钟懿;王坤;电工技术学报;34(002);第275-285页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN113708639A (zh) 2021-11-26
WO2023024688A1 (zh) 2023-03-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN113708639B (zh) 一种无线充电系统的驱动电路构建方法及系统
CN102064707B (zh) 共同移相角控制下的输入并联输出并联组合变换器
CN108900089B (zh) 应用于电压传输比大于1的dab全功率软开关控制方法
CN105245113B (zh) 一种抗直通软开关推挽llc谐振变换器
CN108092493B (zh) 一种SiC MOSFET串联电路
CN106655775B (zh) 一种含有软开关的两端口输入ZVT高增益Boost变换器
CN103701356A (zh) 一种双辅助谐振极型三相软开关逆变器
CN108988646B (zh) 零电压开关下电压传输比大于1的dab优化控制方法
CN105207510B (zh) 一种三电平模块并联结构及并联方法
CN104753356A (zh) 一种双向半桥三电平dc-dc变换器电流有效值最小化控制方法
CN102611288B (zh) 氮化镓功率晶体管三电平驱动方法
CN111464062A (zh) 一种超声驱动单元零电压-零电流软开关式驱动方法
CN112910240A (zh) 一种可变栅极电压开通控制电路、功率模块及电力变换器
CN112260549B (zh) 减小谐振式无线电能传输系统原边侧逆变器损耗的方法
CN112688569A (zh) Po模式增强型cllc谐振双向dc/dc变换器拓扑
CN104734496B (zh) 一种sepic馈电升降压变换器
CN108306535B (zh) 单相十一电平逆变器
CN112532092B (zh) 一种SiC和Si混合型三电平ANPC逆变器调制电路
CN114696625A (zh) 一种适用于单移相控制的双有源桥电感范围确定方法
CN103956931A (zh) 一种用于全桥逆变电路的非对称频率调制方法
CN111835223B (zh) 一种基于Si/SiC混合开关的优化方法及系统
Rødal et al. Design Evaluation of Medium-Voltage and High-Power Modularized DC/DC Converters with SiC MOSFETs
CN111600487B (zh) 一种提高充电站能量路由器系统dcdc效率的控制方法
CN102710121B (zh) 软开关非隔离型开关电容调节器
CN206506438U (zh) 一种dc‑dc变换软开关电路

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant