CN215601208U - 一种基于氮化镓器件的三相桥式逆变器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于氮化镓器件的三相桥式逆变器，包括有三相桥式主电路和与其相连并起到控制作用的DSP控制模块，负载接入至所述的三相桥式主电路；其中，三相桥式主电路由接入的直流电供电，且该三相桥式主电路由三个作为桥臂的氮化镓半桥功率级模块组成，每一个氮化镓半桥功率级模块均由氮化镓功率级器件和与其相连的驱动器构成，每一个驱动器均与DSP控制模块相连，并基于DSP控制模块的控制信号来控制对应的氮化镓功率级器件的开启/关闭，从而为负载提供逆变后的交流电。本实用新型具有以下优点和效果：采用氮化镓功率级器件，使得三相桥式逆变器的工作频率可提高到250kHz‑1MHz的范围，提高了逆变器的功率密度，减小了逆变器的体积质量。

Description

一种基于氮化镓器件的三相桥式逆变器

技术领域

本实用新型涉及电力电子变换电路领域，特别涉及一种基于氮化镓器件的三相桥式逆变器。

背景技术

电力电子技术是产业革命和技术革命的主要引领者，无论在要求严格的航空航天领域、研究火热的电动汽车、以及日常生活产品和工业生产制造等方面都对三相桥式逆变电路有更高性能和更高要求。

然，现有的三相桥式逆变器存在以下缺陷：

一、功率密度问题

三相桥式逆变器一直朝着不断提高功率密度方面前进，传统的硅基材料器件以及发展六七十年之久，它的发展已接近其物理极限状态，难以满足未来逆变电源高效率和高功率密度的需求。高频化是提高功率密度的有效方法，其带来很多优点，如减小驱动器体积质量，有效提高逆变电源功率密度，同时优化逆变电源的动态特性。然而，为了减小高频工作带来的效率损失，现有Si器件的开关频率局限在1MHz以下，在高压应用场合甚至是1OOkHz以下，这严重制约了系统功率密度的提升。

二、工作频率问题

电力MOSFET是依靠多子导电，其中不存在少子储存效应，因此其关断是个很迅速的过程，并且它的开关时间在10～100ns之间，其工作频率可以达到100kHz以上，但是最高频率限制在1MHz以下，甚至在高压条件下工作频率不100kHz,由于高频与高功率密度成正比，频率越高其功率密度越大，且体积越小，因此电力MOSFET没有办法进一步小型化。另外，工作在高频率条件下，电力MOSFET的开关损耗和驱动损耗增大，从而使电能的变换效率降低，影响整个系统的可靠性能。而且受到现有封装技术的影响，一些寄生元件的产生无可避免，使器件的电气性能、品质与频率提高受到限制。

三、耐压和耐高温问题

电力MOSFET比信息电子电路中的MOSFET相比，提高了耐电压能力，通过添加一个低掺杂的N-漂移区，使得能够承受的电压更大，虽然可通过增加低掺杂N区可以提高耐压能力，但是随着低掺杂N区的增加会使得通态电阻和损耗明显增加，所以电力MOSFET器件的耐压能力不能超过1000V，因此在高压大功率场合，电力MOSFET的使用受到了限制，而氮化镓器件的击穿场强比硅基材料的击穿场强大10倍左右，因此氮化镓器件在耐压方面也有大优势；从耐高温方面看，传统硅基材料器件的175℃极限温度，氮化镓器件可以轻松工作在200℃，因此对于环境更加恶劣的场合氮化镓器件也能够胜任。

四、传统三相桥式逆变器设计较为复杂

传统三相桥式逆变电路由6个单独电力MOSFET或IGBT功率器件构成，通过外部驱动电路进行开关控制，另外需要添加较多的保护电路，如过电流、过电压保护电路和时序逻辑控制电路来保证逆变电源正常运行。

综上所述，现有技术中传统的三相桥式逆变器采用硅器件搭建，存在着功率密度较低，工作频率相对较低，体积重量较大、耐压耐高温不足以及电路设计复杂的技术问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种基于氮化镓器件的三相桥式逆变器，用于解决现有技术中传统的以硅基器件搭建的三相桥式逆变器中存在的功率密度较低，工作频率相对较低，体积重量较大、耐压耐高温不足以及电路设计复杂的技术问题。

本实用新型的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种基于氮化镓器件的三相桥式逆变器，包括有三相桥式主电路和与其相连并起到控制作用的DSP控制模块，负载接入至所述的三相桥式主电路；

其中，所述的三相桥式主电路由接入的直流电供电，且该三相桥式主电路由三个作为桥臂的氮化镓半桥功率级模块组成，每一个所述的氮化镓半桥功率级模块均由氮化镓功率级器件和与其相连的驱动器构成，每一个所述的驱动器均与DSP控制模块相连，并基于DSP控制模块的控制信号来控制对应的氮化镓功率级器件的开启/关闭，从而为负载提供逆变后的交流电。

进一步设置是：每一个所述的氮化镓半桥功率级模块内均包括有两个所述的氮化镓功率级器件，分别为第一氮化镓功率级器件和第二氮化镓功率级器件，第一氮化镓功率级器件的漏极连接在接入的直流电的正极，第一氮化镓功率级器件的源极与第二氮化镓功率级器件的漏极相连，该端作为对应氮化镓半桥功率级模块的输出端与负载相连，第二氮化镓功率级器件的源极连接在接入的直流电的负极，第一氮化镓功率级器件和第二氮化镓功率级器件的栅极均连接在对应氮化镓半桥功率级模块内所述的驱动器上。

进一步设置是：在所述的三相桥式主电路和DSP控制模块之间连接有PWM缓冲器，所述的PWM缓冲器与各氮化镓半桥功率级模块内的驱动器相连。

进一步设置是：还包括有与所述的PWM缓冲器相连的保护电路，所述的保护电路包括有串联接入至三相桥式主电路内以获取采样电流的采样电阻、并联接入至三个氮化镓半桥功率级模块的输出端以获取采样电压的分压电阻、以及用于获取温度的温度传感器。

本实用新型的有益效果在于：

1、本实用新型提出的基于氮化镓器件的三相桥式逆变器结构简单，采用氮化镓功率级器件，使得三相桥式逆变器的工作频率可提高到250kHz-1MHz的范围，提高了逆变器的功率密度，减小了逆变器的体积质量；且本实用新型能够在小型化和温度较高的应用场合下，提供高功率密度和高工作频率，使电能转换效率得到有效提高，解决现有技术中传统的硅基材料搭建的工作频率相对较低，体积质量较大的技术问题。

2、本实用新型中的三相桥式主电路由三个作为桥臂的氮化镓半桥功率级模块构成，利用氮化镓功率级器件在功率转换方面的显著优势，另外其反向恢复电荷几乎为零，输入电容也非常小，经过封装优化可轻松安装在PCB上，通过自举电容确保有足够的自举电压，并保证氮化镓功率级器件的栅极电压处于安全带电压范围内。

3、本实用新型在三相桥式主电路和DSP控制模块之间连接有PWM缓冲器，基于该PWM缓冲器来实现DSP控制模块产生的三相六路控制数据从A总线传输到B总线，输出使能端口可用于禁止输出以便于有效隔离总线，并可以将过流或过压信号连接到输出使能端口来进行硬件层面上的过流和过压保护。为确保上电前或掉电的高阻态状态，输出使能端口经上拉电阻连接到电源。

4、本实用新型通过设置保护电路来实现过电流、过电压及过热保护，为整个结构的安全可靠性提供了保障。

附图说明

图1为实施例的原理框图。

图中：11、DSP控制模块；21、驱动器；31、第一氮化镓功率级器件；32、第二氮化镓功率级器件；41、PWM缓冲器；51、保护电路。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

如附图1所示，一种基于氮化镓器件的三相桥式逆变器，包括有三相桥式主电路和与其相连并起到控制作用的DSP控制模块11，负载接入至所述的三相桥式主电路；

其中，三相桥式主电路由接入的直流电供电，且该三相桥式主电路由三个作为桥臂的氮化镓半桥功率级模块组成，每一个氮化镓半桥功率级模块均由氮化镓功率级器件和与其相连的驱动器21构成，每一个驱动器21均与DSP控制模块11相连，并基于DSP控制模块11的控制信号来控制对应的氮化镓功率级器件的开启/关闭，从而为负载提供逆变后的交流电。

具体的，每一个氮化镓半桥功率级模块内均包括有两个所述的氮化镓功率级器件，分别为第一氮化镓功率级器件31和第二氮化镓功率级器件32，第一氮化镓功率级器件31的漏极连接在接入的直流电的正极，第一氮化镓功率级器件31的源极与第二氮化镓功率级器件32的漏极相连，该端作为对应氮化镓半桥功率级模块的输出端与负载相连，第二氮化镓功率级器件32的源极连接在接入的直流电的负极，第一氮化镓功率级器件31和第二氮化镓功率级器件32的栅极均连接在对应氮化镓半桥功率级模块内所述的驱动器21上。

在本实施中采用氮化镓半桥功率级模块，利用了氮化镓功率级器件在功率转换方面的显著优势，另外其反向恢复电荷几乎为零，输入电容也非常小，经过封装优化可轻松安装在PCB上，通过自举电容确保有足够的自举电压，并保证氮化镓功率级器的栅极电压处于安全带电压范围内。采用集成有驱动器21的氮化镓半桥功率级模块具有高工作频率、易于使用以及小型化优点，在提高三相桥式逆变器的电能转换效率和开关频率，并实现小型化要求，电路结构简单，布线方便简洁。极大的减小了逆变器的体积质量，具有高工作频率、高输出功率和小型化的优点。

进一步的，在三相桥式主电路和DSP控制模块11之间连接有PWM缓冲器41，PWM缓冲器41与各氮化镓半桥功率级模块内的驱动器21相连。PWM缓冲器41作用为实现DSP控制模块产生的三相六路控制数据从A总线传输到B总线，输出使能端口可用于禁止输出以便于有效隔离总线。

进一步的，还包括有与PWM缓冲器41相连的保护电路51，保护电路51包括有串联接入至三相桥式主电路内以获取采样电流的采样电阻、并联接入至三个氮化镓半桥功率级模块的输出端以获取采样电压的分压电阻、以及用于获取温度的温度传感器

需要说明的是，保护电路51内的采样电阻、分压电阻及温度传感器均属于常规技术；在本实施例中的应用具体为：将采样电阻串联接入三相桥式主电路中，经过运放电路将采集到的电流信号放大；在三个氮化镓半桥功率级模块的输出端并联分压电阻采集到三相桥式主电路的电压信号；通过温度传感器模块采集温度信号。采集到的三路电流信号和电压信号连接比较器后得到的较大的电压或电流信号，一方面利用比较器与设定参考值进行比较运算，并经过或门实现硬件电路层面上过电流和过电压保护，经或门得到的过电流和过电压信号与PWM缓冲器41的输出使能相连接来实现过流和过压保护的功能；另一方面将采集到的电压电流以及温度信号与DSP控制模块11相连，可以实现软件层面上的过流、过压和过热保护功能，还可以将采集到的信号进行闭环控制的反馈信号。

另外，在本实施例中可通过电压转换器将直流侧总线电压降到5V，再将5V转换为3.3V；进一步说明的是，5V电压作为参考电压和氮化镓功率级器件的驱动电源，3.3V电压作为采样电路的参考电压和DSP控制模块11的供电电源。

本具体实施例仅仅是对本实用新型的解释，其并不是对本实用新型的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本实用新型的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (2)

1.一种基于氮化镓器件的三相桥式逆变器，其特征在于：包括有三相桥式主电路和与其相连并起到控制作用的DSP控制模块(11)，负载接入至所述的三相桥式主电路；

其中，所述的三相桥式主电路由接入的直流电供电，且该三相桥式主电路由三个作为桥臂的氮化镓半桥功率级模块组成，每一个所述的氮化镓半桥功率级模块均由氮化镓功率级器件和与其相连的驱动器(21)构成，每一个所述的驱动器(21)均与DSP控制模块(11)相连，并基于DSP控制模块(11)的控制信号来控制对应的氮化镓功率级器件的开启/关闭，从而为负载提供逆变后的交流电；

在所述的三相桥式主电路和DSP控制模块(11)之间连接有PWM缓冲器(41)，所述的PWM缓冲器(41)与各氮化镓半桥功率级模块内的驱动器(21)相连；

还包括有与所述的PWM缓冲器(41)相连的保护电路(51)，所述的保护电路(51)包括有串联接入至三相桥式主电路内以获取采样电流的采样电阻、并联接入至三个氮化镓半桥功率级模块的输出端以获取采样电压的分压电阻、以及用于获取温度的温度传感器，所述采样电流和采样电阻通过比较器以实现硬件电路层面上过电流和过电压保护，所述采样电流、采样电压以及温度通过DSP控制模块以实现软件层面上的过流、过压和过热保护。

2.根据权利要求1所述的一种基于氮化镓器件的三相桥式逆变器，其特征在于：每一个所述的氮化镓半桥功率级模块内均包括有两个所述的氮化镓功率级器件，分别为第一氮化镓功率级器件(31)和第二氮化镓功率级器件(32)，第一氮化镓功率级器件(31)的漏极连接在接入的直流电的正极，第一氮化镓功率级器件(31)的源极与第二氮化镓功率级器件(32)的漏极相连，该端作为对应氮化镓半桥功率级模块的输出端与负载相连，第二氮化镓功率级器件(32)的源极连接在接入的直流电的负极，第一氮化镓功率级器件(31)和第二氮化镓功率级器件(32)的栅极均连接在对应氮化镓半桥功率级模块内所述的驱动器(21)上。

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