CN116388546A - 利用负电感消除寄生电感的振荡抑制电路及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用负电感消除寄生电感的振荡抑制电路及方法，所述电路包括SiC MOSFET管Q1、SiC MOSFET管Q2、耦合线圈、寄生电感以及负电感模拟器；SiC MOSFET管Q1、SiC MOSFET管Q2依次连接并与直流母线连接构成功率回路，耦合线圈的一次侧电感串联于功率回路中，耦合线圈的二次侧电感与负电感模拟器串联构成二次侧回路；根据负电感模拟器的等效电感与耦合线圈、寄生电感之间的关系来确定负电感模拟器的等效电感，从而确定负电感模拟器中无源元件的参数。本发明可以利用负电感模拟器的等效电感来消除功率回路中的寄生电感，实现开关振荡抑制的目的。
Description
技术领域
本发明属于电力电子器件技术领域，尤其涉及一种利用负电感消除SiC MOSFET功率回路中寄生电感的振荡抑制电路及方法。
背景技术
以碳化硅(silicon carbide，SiC) MOSFET为代表的宽禁带半导体功率器件为电力电子技术的发展注入强大的活力。与传统的硅基器件相比，SiC MOSFET具有高频开关、高温运行以及低损耗等优势，正逐渐代替Si IGBT，被广泛运用于电力牵引、光伏发电、智能电网等领域。
由于SiC MOSFET器件的高频特性，结电容小，栅极电荷低，开关速度快，开关过程中的电压和电流的变化率极大，寄生电感在极大的di/dt（即电流变化率）下，极易产生电压过冲和振荡现象，这个现象在器件设计之初就产生了。此外，剧烈的开关振荡会增加额外的功率损耗，加剧系统的电磁干扰，甚至可能会引起器件误触发从而损坏功率器件。因此，碳化硅MOSFET成为电力电子主流器件仍然面临着艰巨的挑战。为了充分发挥SiC MOSFET极快开关速度和低损耗的优势，必须深入研究SiC MOSFET开关振荡的机理，并且找到合适的开关振荡抑制方法。
碳化硅MOSFET开关振荡抑制的方法主要包括：优化电路板布局与器件封装、增大门极电阻Rg、有源门极驱动技术、外加缓冲电路。以上的振荡抑制方法均能够取得一定的振荡抑制效果，但均无法从根本上解决SiC MOSFET电路中寄生电感的存在。因此，为了提高SiC MOSFET器件的开关速度，对于消除SiC MOSFET寄生电感具有巨大的挑战。
研究如何消除功率模块内的寄生电感，有助于充分发挥SiC MOSFET功率器件的高开关速度优势。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用负电感消除寄生电感的振荡抑制电路及方法，以解决传统振荡抑制方法无法消除功率回路中的寄生电感，进而无法消除开关振荡的问题。
本发明是通过如下的技术方案来解决上述技术问题的：一种利用负电感消除寄生电感的振荡抑制电路，包括SiC MOSFET管Q1、SiC MOSFET管Q2、耦合线圈、寄生电感以及负电感模拟器；所述SiC MOSFET管Q2的漏极与所述耦合线圈的一次侧电感的第一端连接，所述耦合线圈的一次侧电感的第二端通过寄生电感与直流母线正极连接；所述SiC MOSFET管Q2的源极与所述SiC MOSFET管Q1的漏极连接，所述SiC MOSFET管Q1的源极与直流母线负极连接；所述耦合线圈的二次侧电感与所述负电感模拟器串联构成二次侧回路；
所述负电感模拟器的等效电感与所述耦合线圈、寄生电感之间的关系式为：
其中，L eq 为负电感模拟器的等效电感，M为耦合线圈的一次侧电感与二次侧电感之间的互感，L loop 为寄生电感，L 1为耦合线圈的一次侧电感，L 2为耦合线圈的二次侧电感。
进一步地，所述负电感模拟器包括运算放大器、电阻R1~R4以及电容C；所述运算放大器的反相输入端通过电阻R2与电阻R3的第一端连接，所述运算放大器的同相输入端通过电阻R1与电阻R3的第一端连接，所述电阻R3的第一端还与所述耦合线圈的二次侧电感的第一端连接，所述运算放大器的同相输入端还依次通过电容C、电阻R4与所述耦合线圈的二次侧电感的第二端连接，所述电阻R3的第二端、运算放大器的输出端分别与所述耦合线圈的二次侧电感的第二端连接。
进一步地，所述运算放大器采用运算跨阻放大器，所述运算跨阻放大器是基于电流反馈运算放大器来搭建的，所述运算跨阻放大器包括第一电流反馈运算放大器和第二电流反馈运算放大器，所述第一电流反馈运算放大器的负电源端与所述第二电流反馈运算放大器的反相输入端连接，所述第一电流反馈运算放大器的反相输入端作为运算跨阻放大器的同相输入端，所述第二电流反馈运算放大器的反相输入端作为运算跨阻放大器的反相输入端，所述第二电流反馈运算放大器的输出端作为运算跨阻放大器的输出端。
进一步地，所述第一电流反馈运算放大器和第二电流反馈运算放大器均选用型号为AD844的放大器。
进一步地，所述运算放大器采用运算跨阻放大器，所述运算跨阻放大器是基于CMOS管来搭建的。
进一步地，所述负电感模拟器的等效电感L eq 的计算公式为：
其中，C为电容C的容值，R 1为电阻R1的阻值，R 2为电阻R2的阻值，R 3为电阻R3的阻值。
进一步地，在所述SiC MOSFET管Q1、SiC MOSFET管Q2的漏极与源极之间均并联有二极管。
基于同一构思，本发明还提供一种利用负电感消除寄生电感的方法，所述方法包括以下步骤：
在由SiC MOSFET管Q1、SiC MOSFET管Q2以及直流母线依次连接构成的功率回路中增加耦合线圈的一次侧电感，并由所述耦合线圈的二次侧电感与负电感模拟器构成二次侧回路；
根据所述耦合线圈以及功率回路中的寄生电感确定负电感模拟器的等效电感，具体确定公式为：
其中，L eq 为负电感模拟器的等效电感，M为耦合线圈的一次侧电感与二次侧电感之间的互感，L loop 为寄生电感，L 1为耦合线圈的一次侧电感，L 2为耦合线圈的二次侧电感；
根据所述负电感模拟器的等效电感确定所述负电感模拟器中无源元件的取值，利用所述无源元件的取值实现所述负电感模拟器的等效电感，进而利用所述负电感模拟器的等效电感消除所述功率回路中的寄生电感。
有益效果
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明所提供的一种利用负电感消除寄生电感的振荡抑制电路，利用耦合线圈将功率回路与二次侧回路隔离，由耦合线圈的二次侧电感与负电感模拟器构成二次侧回路，根据耦合线圈的一次侧电感、二次侧电感和互感以及寄生电感计算出抵消寄生电感所需在二次侧回路的等效电感，再根据等效电感确定负电感模拟器中无源元件的参数，按照确定的无源元件参数进行负电感模拟器中无源元件的选择即可实现任意寄生电感的消除，进而实现开关振荡抑制，通过对负电感模拟器的运算放大器外围电路结构和元件参数进行改变，可以实现功率回路中任意寄生参数的消除。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述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个实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例中振荡抑制电路图；
图2是本发明实施例中基于CFOA搭建的运算跨阻放大器OTRA的内部结构图；
图3是本发明实施例中振荡抑制电路拓扑结构等效图；
图4（a）是本发明实施例中负电感模拟器的等效电路原理图；
图4（b）是本发明实施例中振荡抑制电路的一次侧等效电路原理图；
图5是本发明实施例中基于CMOS管搭建的运算跨阻放大器OTRA的内部结构图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明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作出创造性劳动的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。
下面以具体地实施例对本申请的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。
如图1所示，本发明实施例所提供的一种利用负电感消除寄生电感的振荡抑制电路包括SiC MOSFET管Q1、SiC MOSFET管Q2、耦合线圈、寄生电感L loop 以及负电感模拟器；SiCMOSFET管Q2的漏极与耦合线圈的一次侧电感L 1的第一端连接，耦合线圈的一次侧电感L 1的第二端通过寄生电感L loop 与直流母线正极连接；SiC MOSFET管Q2的源极与SiC MOSFET管Q1的漏极连接，SiC MOSFET管Q1的源极与直流母线负极连接；耦合线圈的二次侧电感L 2与负电感模拟器串联构成二次侧回路。SiC MOSFET管Q1和SiC MOSFET管Q2的栅极均由控制模块来控制，V G1为SiC MOSFET管Q1的驱动信号，V G2为SiC MOSFET管Q2的驱动信号，L load 为负载电感，R G1为SiC MOSFET管Q1的栅极电阻，R G2为SiC MOSFET管Q2的栅极电阻。
由SiC MOSFET管Q1、SiCMOSFET管Q2以及直流母线依次连接构成的功率回路，功率回路中的寄生电感为L loop ，为了能够消除功率回路的寄生电感，在功率回路中加入了耦合线圈，进而在功率回路中加入耦合线圈的一次侧电感L 1。耦合线圈的二次侧电感L 2与负电感模拟器串联构成二次侧回路，利用耦合线圈能够在功率回路中折和二次侧回路的等效阻抗。
在本发明的一个具体实施方式中，如图1所示，负电感模拟器包括运算放大器、电阻R1~R4以及电容C；运算放大器的反相输入端通过电阻R2与电阻R3的第一端连接，运算放大器的同相输入端通过电阻R1与电阻R3的第一端连接，电阻R3的第一端还与耦合线圈的二次侧电感L 2的第一端连接，运算放大器的同相输入端还依次通过电容C、电阻R4与耦合线圈的二次侧电感L 2的第二端连接，电阻R3的第二端、运算放大器的输出端分别与耦合线圈的二次侧电感L 2的第二端连接。
本发明的负电感模拟器仅采用一个运算放大器和5个无源元件（即电容C和电阻R1~R4）组成，结构和工作原理简单。
本实施例中，运算放大器采用运算跨阻放大器OTRA，运算跨阻放大器OTRA可以基于CFOA（Current Feedback Operational Amplifier，电流反馈运算放大器）来实现。如图2所示，运算跨阻放大器OTRA包括第一电流反馈运算放大器和第二电流反馈运算放大器，第一电流反馈运算放大器的负电源端与第二电流反馈运算放大器的反相输入端连接，第一电流反馈运算放大器和第二电流反馈运算放大器的同相输入端均接地。第一电流反馈运算放大器的反相输入端作为运算跨阻放大器OTRA的同相输入端，第二电流反馈运算放大器的反相输入端作为运算跨阻放大器OTRA的反相输入端，第二电流反馈运算放大器的输出端作为运算跨阻放大器OTRA的输出端。
第一电流反馈运算放大器和第二电流反馈运算放大器均选用型号为AD844系列的放大器，其电源电压为±5V。
图3示出了振荡抑制电路拓扑结构等效图，图3中，v in 表示一次侧等效电压。运算放大器可以采用以下方程来描述：
其中，V p 为运算放大器的同相输入端的输入电压，V n 为运算放大器的反相输入端的输入电压，V o 为运算放大器的输出电压，I p 为运算放大器的同相输入端的输入电流，I n 为运算放大器OTRA的反相输入端的输入电流，R m 为运算放大器的跨阻增益。
由于运算放大器的输入端子内部接地，导致电路对杂散电容不敏感。对于理想工作，跨阻增益R m 接近无穷大，迫使输入电流相等。
本实施例中，负电感模拟器的输入导纳方程可表示为：
其中，G 1=1/R 1，G 2=1/R 2，G 3=1/R 3，G 4=1/R 4，s=jω，Y eq 为负电感模拟器的输入导纳，C为电容C的容值，R 1为电阻R1的阻值，R 2为电阻R2的阻值，R 3为电阻R3的阻值，R 4为电阻R4的阻值，ω为角频率。
为了使负电感模拟器的输入导纳Y eq 为纯电感，且为负电感值，需要满足：
由于等效电感等于输入导纳的倒数，因此负电感模拟器的等效电感可表示为：
其中，L eq 为负电感模拟器的等效电感。
为了进一步简化，如果G 1=0，则将负电感无损条件修改为：
此时，负电感模拟器的等效电感可表示为：
由式（4）或式（6）可知，可以通过调节电容C和电阻R1~R4的取值来调节负电感模拟器的等效电感。式（4）和（6）均可实现负电感的模拟。
图4（a）示出了负电感模拟器的等效电路原理图，图4（b）示出了振荡抑制电路的一次侧等效电路原理图，由图4（a）和图4（b）可知：
其中，Z eq 为耦合线圈的二次侧电感到一次侧的等效阻抗，M为耦合线圈的一次侧电感与二次侧电感之间的互感。由式（7）可知，当二次侧加入负电感模拟器后，等效阻抗Z eq 相当于负电感。为了能够将功率回路的寄生电感抵消，假设：
由式（7）和式（8）可得：
由式（9）可得：
由式（10）可知，当得到功率回路的寄生电感L loop 和耦合线圈的参数（即M、L 1、L 2）时，能够计算出抵消寄生电感L loop 所需要在二次侧回路的等效电感，即负电感模拟器的等效电感L eq ，然后根据等效电感L eq 调节负电感模拟器的电容C、电阻R1~R4的取值，以达到等效电感L eq ，即可实现对任意寄生电感L loop 的消除。因此，通过对运算放大器外围电路结构和元件参数进行改变，可以实现功率回路中任意寄生参数的消除。
在本发明的另一种具体实施方式中，运算跨阻放大器OTRA可以基于CMOS管来实现，如图5所示，图5中，M1~M14均表示CMOS管。
本发明振荡抑制电路应用于半桥电路，借助于耦合负电感来实现寄生电感的抵消，从而实现开关振荡抑制；本发明振荡抑制电路首先借助于耦合线圈将功率回路与二次侧回路隔离，其次借助于有源元件运算放大器及其外围电路来搭建负电感模拟器，最后通过负电感模拟器的等效电感到功率回路中将功率回路的寄生电感抵消，从而从根本上消除开关振荡的目的。
基于同一构思，本发明实施例还提供一种利用负电感消除寄生电感的方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1：在由SiC MOSFET管Q1、SiC MOSFET管Q2以及直流母线依次连接构成的功率回路中增加耦合线圈的一次侧电感，并由耦合线圈的二次侧电感与负电感模拟器构成二次侧回路，如图1所示。
步骤2：根据耦合线圈以及功率回路中的寄生电感确定负电感模拟器的等效电感L eq ，具体确定公式如（10）所示。
本实施例中，根据耦合线圈以及功率回路中的寄生电感确定负电感模拟器的等效电感的具体实现过程为：
步骤2.1：根据负电感模拟器的等效电路以及功率回路的等效电路得到耦合线圈与负电感模拟器的等效电感的关系式，如式（7）所示；
步骤2.2：根据功率回路的等效电路确定将功率回路的寄生电感抵消需满足的条件，该条件具体如式（8）所示；
步骤2.3：根据关系式（7）和条件式（8）确定负电感模拟器的等效电感。
步骤3：根据负电感模拟器的等效电感L eq 确定负电感模拟器中无源元件的取值，具体确定公式如式（4）或（6）所示。
利用无源元件的取值（即电容C、电阻R1~R4的取值）来实现负电感模拟器的等效电感L eq ，进而利用负电感模拟器的等效电感L eq 通过耦合方式到功率回路中将功率回路的寄生电感L loop 抵消，从而从根本上消除开关振荡的目的。
以上所揭露的仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或变型，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种利用负电感消除寄生电感的振荡抑制电路，其特征在于，所述振荡抑制电路包括SiC MOSFET管Q1、SiC MOSFET管Q2、耦合线圈、寄生电感以及负电感模拟器；所述SiCMOSFET管Q2的漏极与所述耦合线圈的一次侧电感的第一端连接，所述耦合线圈的一次侧电感的第二端通过寄生电感与直流母线正极连接；所述SiC MOSFET管Q2的源极与所述SiCMOSFET管Q1的漏极连接，所述SiC MOSFET管Q1的源极与直流母线负极连接；所述耦合线圈的二次侧电感与所述负电感模拟器串联构成二次侧回路；
所述负电感模拟器的等效电感与所述耦合线圈、寄生电感之间的关系式为：
其中，L eq 为负电感模拟器的等效电感，M为耦合线圈的一次侧电感与二次侧电感之间的互感，L loop 为寄生电感，L 1为耦合线圈的一次侧电感，L 2为耦合线圈的二次侧电感。
2.根据权利要求1所述的利用负电感消除寄生电感的振荡抑制电路，其特征在于，所述负电感模拟器包括运算放大器、电阻R1~R4以及电容C；所述运算放大器的反相输入端通过电阻R2与电阻R3的第一端连接，所述运算放大器的同相输入端通过电阻R1与电阻R3的第一端连接，所述电阻R3的第一端还与所述耦合线圈的二次侧电感的第一端连接，所述运算放大器的同相输入端还依次通过电容C、电阻R4与所述耦合线圈的二次侧电感的第二端连接，所述电阻R3的第二端、运算放大器的输出端分别与所述耦合线圈的二次侧电感的第二端连接。
3.根据权利要求2所述的利用负电感消除寄生电感的振荡抑制电路，其特征在于，所述运算放大器采用运算跨阻放大器，所述运算跨阻放大器是基于电流反馈运算放大器来搭建的，所述运算跨阻放大器包括第一电流反馈运算放大器和第二电流反馈运算放大器，所述第一电流反馈运算放大器的负电源端与所述第二电流反馈运算放大器的反相输入端连接，所述第一电流反馈运算放大器的反相输入端作为运算跨阻放大器的同相输入端，所述第二电流反馈运算放大器的反相输入端作为运算跨阻放大器的反相输入端，所述第二电流反馈运算放大器的输出端作为运算跨阻放大器的输出端。
4.根据权利要求3所述的利用负电感消除寄生电感的振荡抑制电路，其特征在于，所述第一电流反馈运算放大器和第二电流反馈运算放大器均选用型号为AD844系列的放大器。
5.根据权利要求2所述的利用负电感消除寄生电感的振荡抑制电路，其特征在于，所述运算放大器采用运算跨阻放大器，所述运算跨阻放大器是基于CMOS管来搭建的。
6.根据权利要求2所述的利用负电感消除寄生电感的振荡抑制电路，其特征在于，所述负电感模拟器的等效电感L eq 的计算公式为：
其中，C为电容C的容值，R 1为电阻R1的阻值，R 2为电阻R2的阻值，R 3为电阻R3的阻值。
7.一种利用负电感消除寄生电感的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
在由SiC MOSFET管Q1、SiC MOSFET管Q2以及直流母线依次连接构成的功率回路中增加耦合线圈的一次侧电感，并由所述耦合线圈的二次侧电感与负电感模拟器构成二次侧回路；
根据所述耦合线圈以及功率回路中的寄生电感确定所述负电感模拟器的等效电感，具体确定公式为：
其中，L eq 为负电感模拟器的等效电感，M为耦合线圈的一次侧电感与二次侧电感之间的互感，L loop 为寄生电感，L 1为耦合线圈的一次侧电感，L 2为耦合线圈的二次侧电感；
根据所述负电感模拟器的等效电感确定所述负电感模拟器中无源元件的取值。
8.根据权利要求7所述的利用负电感消除寄生电感的方法，其特征在于，根据所述耦合线圈以及功率回路中的寄生电感确定所述负电感模拟器的等效电感的具体实现过程为：
根据负电感模拟器的等效电路以及功率回路的等效电路得到耦合线圈与负电感模拟器的等效电感的关系式，具体为：
其中，Z eq 为耦合线圈的二次侧电感到一次侧的等效阻抗；
根据功率回路的等效电路确定将功率回路的寄生电感抵消需满足的条件，所述条件具体为：
根据所述关系式和所述条件确定所述负电感模拟器的等效电感。
9.根据权利要求7所述的利用负电感消除寄生电感的方法，其特征在于，所述负电感模拟器包括运算放大器、电阻R1~R4以及电容C；所述运算放大器的反相输入端通过电阻R2与电阻R3的第一端连接，所述运算放大器的同相输入端通过电阻R1与电阻R3的第一端连接，所述电阻R3的第一端还与所述耦合线圈的二次侧电感的第一端连接，所述运算放大器的同相输入端还依次通过电容C、电阻R4与所述耦合线圈的二次侧电感的第二端连接，所述电阻R3的第二端、运算放大器的输出端分别与所述耦合线圈的二次侧电感的第二端连接。
10.根据权利要求9所述的利用负电感消除寄生电感的方法，其特征在于，根据所述负电感模拟器的等效电感确定所述负电感模拟器中无源元件的取值的具体公式为：
其中，C为电容C的容值，R 1为电阻R1的阻值，R 2为电阻R2的阻值，R 3为电阻R3的阻值。
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|---|---|---|---|
| CN202310658846.3A Active CN116388546B (zh) | 2023-06-06 | 2023-06-06 | 利用负电感消除寄生电感的振荡抑制电路及方法 |
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|---|---|
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Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE3644477A1 (de) * | 1986-12-24 | 1988-07-07 | Licentia Gmbh | Verfahren zur impedanztransformation |
| CN113701789A (zh) * | 2021-09-03 | 2021-11-26 | 东南大学 | 一种基于负阻电路的无源无线lc中性传感器 |
| CN114430256A (zh) * | 2022-02-08 | 2022-05-03 | 成都通量科技有限公司 | 提升增益的三耦合低噪声放大器、系统及其参数计算方法 |
-
2023
- 2023-06-06 CN CN202310658846.3A patent/CN116388546B/zh active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE3644477A1 (de) * | 1986-12-24 | 1988-07-07 | Licentia Gmbh | Verfahren zur impedanztransformation |
| CN113701789A (zh) * | 2021-09-03 | 2021-11-26 | 东南大学 | 一种基于负阻电路的无源无线lc中性传感器 |
| CN114430256A (zh) * | 2022-02-08 | 2022-05-03 | 成都通量科技有限公司 | 提升增益的三耦合低噪声放大器、系统及其参数计算方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| HAOKAI HUANG DENG: "A switching ringing suppression scheme of SiC MOSFET by Active Gate Drive", 2016 IEEE 8TH INTERNATIONAL POWER ELECTRONICS AND MOTION CONTROL CONFERENCE (IPEMC-ECCE ASIA), pages 1 - 7 * |
| SHIWEI LIANG: "Influence of Device Parameter and Parasitic Inductances on Transient Behaviors of Parallel Connection of SiC GTOs", 2019 IEEE INTERNATIONAL CONFERENCE ON ELECTRON DEVICES AND SOLID-STATE CIRCUITS (EDSSC), pages 1 - 3 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116388546B (zh) | 2023-10-24 |
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