基于SiC功率器件的全桥LLC谐振型等离子体电源的制作方法

本发明专利涉及特种电源技术领域，具体是指一种基于sic功率器件的全桥llc谐振型等离子体电源。

背景技术：

等离子体电源朝着高效、高功率密度(小型化)、高频高压等更高要求方向发展，主要通过功率器件的高频化以及降低功耗来实现。目前，国内外大功率等离子体电源因其工作的高压、大电流、强功率等特点，普遍采用si基功率器件；然而，si基功率器件的性能已接近由其材料特性所决定的理论极限，提高频率以及降低功耗的潜力已经极其有限。

新一代sic功率器件与si功率器件相比，在开关性能方面有着显著的优势，具有禁带宽度高、热导率高、临界击穿场强等优点，在改善整机性能、减少开关损耗、减小体积以及提高功率密度上具有良好的前景。但是，目前sic功率器件在等离子体电源上的应用仍处于空白状态；因此，需要研制出一种基于sic功率器件的等离子体电源来提高其电源效率和功率密度。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供一种基于sic功率器件、电源效率高、具有高功率密度、可靠性高、可降低电磁干扰强度并能够实现较大功率输出、具有良好动态响应性能、有利于实现对等离子体负载高速精确调控的全桥llc谐振型等离子体电源。

为了达到上述目的，本发明通过下述技术方案予以实现：一种基于sic功率器件的全桥llc谐振型等离子体电源，其特征在于：包括主电路和控制电路；所述主电路包括依次连接的整流滤波模块、高频全桥逆变模块、高频变压模块和快速整流滤波模块；所述整流滤波模块与三相交流输入电源连接，快速整流滤波模块与负载连接；其中，高频全桥逆变模块采用全桥逆变llc型零电压软开关拓扑结构；所述高频全桥逆变模块、高频变压模块、快速整流滤波模块分别与控制电路连接，以实现由控制电路控制电源输出。本发明等离子体电源中，采用全桥逆变llc型零电压软开关拓扑结构，具有高功率密度，并且能在带载条件下得到极高的转换效率；谐振换流频率高，可使主电路的时间常数减小，控制周期更短，动态性能更好，有利于便捷地实现对等离子体负载高速精确调控。

优选地，所述的高频全桥逆变模块采用全桥逆变llc型零电压软开关拓扑结构是指：高频全桥逆变模块包括sic功率开关管q101、sic功率开关管q102、sic功率开关管q103、sic功率开关管q104、电感l102、电感l103和电容c107；sic功率开关管q101和sic功率开关管q103串联后并联到整流滤波模块上；sic功率开关管q102和sic功率开关管q104串联后并联到整流滤波模块上；sic功率开关管q101和sic功率开关管q103的连接处与sic功率开关管q102和sic功率开关管q104的连接处之间通过依次连接的电感l103、电容c107和电感l102连接；电感l103与高频变压模块并联；sic功率开关管q101还并联有二极管d109和电容c103；sic功率开关管q102还并联有二极管d110和电容c104；sic功率开关管q103还并联有二极管d111和电容c105；sic功率开关管q104还并联有二极管d112和电容c106。本发明中，高频全桥逆变模块采用全桥逆变llc型零电压软开关拓扑结构，适合高压输出的应用场合，可提高效率以及实现高频小型化。高频逆变技术可增强传递功率和提高能量转换效率；llc谐振技术可提高功率密度，并且能在带载条件下得到极高的转换效率；所述零电压软开关模式是这样实现的：sic功率开关管q101～q104利用其并联的二极管d109～d112以及电容c103～c106，当电容c103～c106放电到零时同时使并联二极管d109～d112自然导通，sic功率开关管q101～q104栅源极电压被箝位到零，此时开通sic功率开关管q101～q104可实现零电压开通，利用零电压软开关模式可实现功率换流，降低功率器件开关损耗，满足高效率高功率密度的需要；高频全桥逆变模块的功率开关管需要承受的电压较低，可避免功率开关管的损坏，并且采用sic功率开关管作为功率开关管，耐压值高达1200v；sic功率开关管采用并联方式连接，可满足大功率要求。

优选地，所述高频变压模块包括高频变压器t101；所述快速整流滤波模块包括整流二极管d113、整流二极管d114、电容c108、电容c109和电抗l104；高频变压器t101的初级与高频全桥逆变模块连接；高频变压器t101的次级输出端一通过依次连接的整流二极管d113和电容c108与高频变压器t101的次级输出端二连接；高频变压器t101的次级输出端三通过整流二极管d114与整流二极管d113和电容c108的连接处连接；电抗l104和电容c109串联后并联在电容c108上；电容c109与负载并联。快速整流滤波模块采用全波整流结构，电路结构简单，电流波动幅度小；电抗l104可实现高性能的平滑滤波，有效改善电流纹波，有利于提高焊接质量。

优选地，所述整流二极管d113和整流二极管d114均采用sic肖特基二极管；无反向恢复电流，耐压值高达650v，可大幅降低开关损耗并提高开关频率。

优选地，所述控制电路包括谐振模式控制器、高频驱动模块、峰值电流检测模块，电压反馈模块、过压检测模块、欠压检测模块和供电模块；所述谐振模式控制器通过高频驱动模块与高频全桥逆变模块连接；高频变压模块通过峰值电流检测模块与谐振模式控制器连接；快速整流滤波模块分别通过电压反馈模块和过压检测模块与谐振模式控制器连接；整流滤波模块通过欠压检测模块与谐振模式控制器连接；供电模块分别与谐振模式控制器和高频驱动模块连接。

优选地，所述高频驱动模块包括高频放大器u201、高频放大器u202、隔直电容c201、电压钳位电路一、电压钳位电路二、高频脉冲变压器t201和两个高频驱动信号产生电路；

所述谐振模式控制器包括谐振模式控制芯片；谐振模式控制芯片包括用于产生pfm1信号的接口和用于产生pfm2信号的接口；用于产生pfm1信号的接口通过依次连接的高频放大器u201、隔直电容c201、电压钳位电路一与高频脉冲变压器t201的初级输入端一连接，用于产生pfm2信号的接口通过依次连接的高频放大器u202和电压钳位电路二与高频脉冲变压器t201的初级输入端二连接；

所述高频脉冲变压器t201带有两个次级，两个高频驱动信号产生电路结构相同，且两个高频驱动信号产生电路以相反方向分别连接于两个高频脉冲变压器t201的次级上。

优选地，所述电压钳位电路一包括二极管d201和二极管d202；二极管d201和二极管d202连接后与供电模块连接；二极管d201和二极管d202的连接处分别与隔直电容c201和高频脉冲变压器t201的初级输入端一连接；

所述电压钳位电路二包括二极管d203和二极管d204；二极管d203和二极管d204连接后与供电模块连接；二极管d203和二极管d204的连接处分别与高频放大器u202和高频脉冲变压器t201的初级输入端二连接。

优选地，所述高频驱动信号产生电路包括电阻r201、电阻r202、电阻r203、电阻r204、电阻r205、泄排电阻r206、电容c202、电容c203、二极管d205、二极管d206、二极管d207、二极管d208、稳压二极管zd201、稳压二极管zd202、稳压二极管zd203和n型功率开关管q201；高频脉冲变压器t201的次级输出端一通过依次连接的电阻r202和二极管d205与高频脉冲变压器t201的次级输出端二连接；n型功率开关管q201源极和二极管d206连接后并联在电阻r202上；二极管d207和电阻r203连接形成串接电路，之后与稳压二极管zd201串联后并联在n型功率开关管q201栅源极上；稳压二极管zd203和稳压二极管zd202反向串联后并联在所述串接电路上；电阻r204、二极管d208和泄排电阻r206串联后并联在所述串接电路上；电阻r201与二极管d205并联；电容c202与稳压二极管zd201并联；电阻r205与二极管d208并联；电容c203与泄排电阻r206并联；电容c203的两端分别与高频全桥逆变模块连接。

由于sic功率开关管的开关频率高，因此需要更大的驱动功率，从而对高频驱动模块提出了更高的要求。本发明中高频驱动模块采用两个高频放大器形成一个推挽结构，有着足够的驱动功率来满足sic功率开关管的高开关频率。利用与电容c202并联的稳压二极管zd201产生负压来加速sic功率开关管的关断，有利于防止sic功率开关管的误导通；电容c203为sic功率开关管栅源极并联电容，对驱动电压尖峰起抑制作用。

优选地，所述谐振模式控制芯片是指型号为ncp1395b的谐振模式控制芯片。型号为ncp1395b的谐振模式控制芯片具有可靠和稳固的谐振模式，待机能耗极低，同时提供了所有必须的功能，极大地简化了控制电路的设计；其关键特性包括50khz～1.0mhz的宽频率范围、可调节的死区时间(deadtime)、可调节的软启动、可调节的最小和最大频率、低启动电流、欠压检测、可调节的故障定时器间隔和跳周期可能性等；其保护功能，例如立即关机或基于定时器的事件、欠压等，有助于建立一个更安全的转换器设计，无需增加复杂的电路。

与现有技术相比，本发明具有如下优点与有益效果：

1、本发明等离子体电源具有更高的能效和功率密度：等离子体电源所有功率器件全部采用宽禁带sic功率器件，实现了高频软开关，整机的体积和重量更小，动态损耗更低，功率密度和效率更高，能量转换效率可高达98％以上；

2、本发明等离子体电源具有更好的动态响应性能：采用全桥逆变llc型零电压软开关拓扑结构，谐振换流频率达到500khz，主电路的时间常数减小，控制周期更短，动态性能更好；可靠性高，有利于提高效率，降低电磁干扰强度并能够实现较大功率输出；

3、本发明等离子体电源具有更优异的工艺性能：由于本发明的逆变频率更高，动态响应性能更好，使得本发明更易于实现对等离子体负载高速精确调控。

附图说明

图1是本发明等离子体电源的系统结构框图；

图2是本发明等离子体电源的主电路原理图；

图3是本发明等离子体电源的高频驱动模块的电路原理图；

图4是本发明等离子体电源的谐振模式控制器的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的描述。

实施例

如图1至图4所示，本实施例基于sic功率器件的全桥llc谐振型等离子体电源包括主电路和控制电路；主电路包括依次连接的整流滤波模块、高频全桥逆变模块、高频变压模块和快速整流滤波模块；整流滤波模块与三相交流输入电源连接，快速整流滤波模块与负载连接。

高频全桥逆变模块包括sic功率开关管q101、sic功率开关管q102、sic功率开关管q103、sic功率开关管q104、电感l102、电感l103和电容c107；sic功率开关管q101和sic功率开关管q103串联后并联到整流滤波模块上；sic功率开关管q102和sic功率开关管q104串联后并联到整流滤波模块上；sic功率开关管q101和sic功率开关管q103的连接处与sic功率开关管q102和sic功率开关管q104的连接处之间通过依次连接的电感l103、电容c107和电感l102连接；电感l103与高频变压模块并联；sic功率开关管q101还并联有二极管d109和电容c103；sic功率开关管q102还并联有二极管d110和电容c104；sic功率开关管q103还并联有二极管d111和电容c105；sic功率开关管q104还并联有二极管d112和电容c106。本发明中，高频全桥逆变模块采用全桥逆变llc型零电压软开关拓扑结构，适合高压输出的应用场合，可提高效率以及实现高频小型化。高频逆变技术可增强传递功率和提高能量转换效率；llc谐振技术可提高功率密度，并且能在带载条件下得到极高的转换效率；所述零电压软开关模式是这样实现的：sic功率开关管q101～q104利用其并联的二极管d109～d112以及电容c103～c106，当电容c103～c106放电到零时同时使并联二极管d109～d112自然导通，sic功率开关管q101～q104栅源极电压被箝位到零，此时开通sic功率开关管q101～q104可实现零电压开通；利用零电压软开关模式可实现功率换流，降低功率器件开关损耗，满足高效率高功率密度的需要；高频全桥逆变模块的功率开关管需要承受的电压较低，可避免功率开关管的损坏，并且采用sic功率开关管作为功率开关管，耐压值高达1200v；sic功率开关管采用并联方式连接，可满足大功率要求。

高频变压模块包括高频变压器t101；快速整流滤波模块包括整流二极管d113、整流二极管d114、电容c108、电容c109和电抗l104；高频变压器t101的初级并联在电感l103上；高频变压器t101的次级输出端一通过依次连接的整流二极管d113和电容c108与高频变压器t101的次级输出端二连接；高频变压器t101的次级输出端三通过整流二极管d114与整流二极管d113和电容c108的连接处连接；电抗l104和电容c109串联后并联在电容c108上；电容c109与负载并联。快速整流滤波模块采用全波整流结构，电路结构简单，电流波动幅度小；电抗l104可实现高性能的平滑滤波，有效改善电流纹波，有利于提高焊接质量。

整流二极管d113和整流二极管d114均采用sic肖特基二极管；无反向恢复电流，耐压值高达650v，可大幅降低开关损耗并提高开关频率。

本发明等离子体电源主电路的工作原理是：首先，三相交流输入电源连接整流滤波模块使交流电平滑滤波变为直流电；直流电输入高频全桥逆变模块，经由sic功率开关管q101、sic功率开关管q102、sic功率开关管q103和sic功率开关管q104构成的全桥逆变电路，两路互补的pfm信号控制对角的两个功率开关管同时高频开通或者关断，将直流电转换为高频正弦波交流电；其中二极管d109、二极管d110、二极管d111、二极管d112分别为sic功率开关管q101、sic功率开关管q102、sic功率开关管q103和sic功率开关管q104的反并联二极管；而电容c103、电容c104、电容c105和电容c106分别为sic功率开关管q101、sic功率开关管q102、sic功率开关管q103和sic功率开关管q104的输出滤波电容；然后，高频正弦波交流电流入高频变压模块进行电压变换；经过电压变换之后的高压高频正弦波交流电进入快速整流滤波模块，变成平滑的直流电；其中电抗l104可以进一步降低纹波电流，但因为频率的提高，使得电抗值大大地减小，从而减小电抗的重量和体积。高频全桥逆变模块对输出的电压值进行调制，通过频率的调制从而稳定输出电压，实现恒压输出。

控制电路包括谐振模式控制器、高频驱动模块、峰值电流检测模块，电压反馈模块、过压检测模块、欠压检测模块和供电模块；谐振模式控制器通过高频驱动模块与高频全桥逆变模块连接；高频变压模块通过峰值电流检测模块与谐振模式控制器连接；快速整流滤波模块分别通过电压反馈模块和过压检测模块与谐振模式控制器连接；整流滤波模块通过欠压检测模块与谐振模式控制器连接；供电模块分别与谐振模式控制器和高频驱动模块连接。

高频驱动模块包括高频放大器u201、高频放大器u202、隔直电容c201、电压钳位电路一、电压钳位电路二、高频脉冲变压器t201和两个高频驱动信号产生电路；

谐振模式控制器包括谐振模式控制芯片；谐振模式控制芯片包括用于产生pfm1信号的接口和用于产生pfm2信号的接口；用于产生pfm1信号的接口通过依次连接的高频放大器u201、隔直电容c201、电压钳位电路一与高频脉冲变压器t201的初级输入端一连接，用于产生pfm2信号的接口通过依次连接的高频放大器u202和电压钳位电路二与高频脉冲变压器t201的初级输入端二连接；

高频脉冲变压器t201带有两个次级，两个高频驱动信号产生电路结构相同，且两个高频驱动信号产生电路以相反方向分别连接于两个高频脉冲变压器t201的次级上。

电压钳位电路一包括二极管d201和二极管d202；二极管d201和二极管d202连接后与供电模块连接；二极管d201和二极管d202的连接处分别与隔直电容c201和高频脉冲变压器t201的初级输入端一连接；

电压钳位电路二包括二极管d203和二极管d204；二极管d203和二极管d204连接后与供电模块连接；二极管d203和二极管d204的连接处分别与高频放大器u202和高频脉冲变压器t201的初级输入端二连接。二极管d201和二极管d202以及二极管d203和二极管d204可以将电压值钳位在vcc与地之间。

高频驱动信号产生电路包括电阻r201、电阻r202、电阻r203、电阻r204、电阻r205、泄排电阻r206、电容c202、电容c203、二极管d205、二极管d206、二极管d207、二极管d208、稳压二极管zd201、稳压二极管zd202、稳压二极管zd203和n型功率开关管q201；高频脉冲变压器t201的次级输出端一通过依次连接的电阻r202和二极管d205与高频脉冲变压器t201的次级输出端二连接；n型功率开关管q201源极和二极管d206连接后并联在电阻r202上；二极管d207和电阻r203连接形成串接电路，之后与稳压二极管zd201串联后并联在n型功率开关管q201栅源极上；稳压二极管zd203和稳压二极管zd202反向串联后并联在所述串接电路上；电阻r204、二极管d208和泄排电阻r206串联后并联在所述串接电路上；电阻r201与二极管d205并联；电容c202与稳压二极管zd201并联；电阻r205与二极管d208并联；电容c203与泄排电阻r206并联；

其中一个高频驱动信号产生电路的原理是这样的：当高频脉冲变压器t201的次级输出端一感应输出低电平，高频脉冲变压器t201的次级输出端二感应输出高电平时，高频脉冲变压器t201的次级输出端二通过依次连接二极管d205、电阻r204和r205输出高电平到输出端口g1；高频脉冲变压器t201的次级输出端一通过依次连接二极管d206和稳压二极管201输出低电平到输出端口s1；高频脉冲变压器t201的次级输出端二感应输出高电平经过二极管d205以及所述串接电路给电容c202充电；

当高频脉冲变压器t201的次级输出端一感应输出高电平，高频脉冲变压器t201的次级输出端二感应输出低电平时，高频脉冲变压器t201的次级输出端一通过依次连接电阻r202和电阻r201与高频脉冲变压器t201的次级输出端二连接；所述高电平通过电阻r202和电阻r201分压，电阻r202和电阻r201连接处经过电阻r204和二极管d208输出低电平到输出端口g1；此时n型功率开关管q201导通，电容c202开始放电，电阻r202和电阻r201连接处经过n型功率开关管q201和电容c202输出高电平到输出端口s1；

另一个高频驱动信号产生电路也采用相同工作原理使输出端口g2s2产生高频驱动信号；两个高频驱动信号产生电路的输出端g1s1和g2s2与高频全桥逆变模块连接。

由于sic功率开关管的开关频率高，因此需要更大的驱动功率，从而对高频驱动模块提出了更高的要求。本发明中高频驱动模块采用两个高频放大器形成一个推挽结构，有着足够的驱动功率来满足sic功率开关管的高开关频率。利用与电容c202并联的稳压二极管zd201产生负压来加速sic功率开关管的关断，有利于防止sic功率开关管的误导通；电容c203为sic功率开关管栅源极并联电容，对驱动电压尖峰起抑制作用。

谐振模式控制芯片可以采用数字微处理器芯片，也可以采用专用的谐振模式控制芯片；其中的一种优选的谐振模式控制芯片是指型号为ncp1395b的谐振模式控制芯片。型号为ncp1395b的谐振模式控制芯片具有可靠和稳固的谐振模式，待机能耗极低，同时提供了所有必须的功能，极大地简化了控制电路的设计；其关键特性包括50khz～1.0mhz的宽频率范围、可调节的死区时间(deadtime)、可调节的软启动、可调节的最小和最大频率、低启动电流、欠压检测、可调节的故障定时器间隔和跳周期可能性等；其保护功能，例如立即关机或基于定时器的事件、欠压等，有助于建立一个更安全的转换器设计，无需增加复杂的电路。由于在谐振电路结构中避开谐振尖峰相当重要，因此为了使拓扑工作在合适的工作区域，型号为ncp1395b的谐振模式控制芯片内置了可调节且精确的最低开关频率。

型号为ncp1395b的谐振模式控制芯片这样设置：

管脚fmin和管脚fmax分别为最低和最高工作频率设定端，通过对外部电阻r301和r302的选择，可以设定最低和最高频率值，阻值与频率称非线性关系；

管脚dt为死区时间设定端，根据外部电阻r303确定死区时间，防止高频全桥逆变模块对角桥臂的直通而发生故障；

管脚css为软启动端，其中c301为外部电容，正常软启动工作电压点在3.5v，若反馈电压vfb低于0.6v，则软启动在不停地启动；

管脚fb为稳压反馈端，其中c302为外部电容，r312和r313为分压电阻，d302为稳压二极管，快速整流滤波模块的输出电压值通过电压反馈模块，电压反馈模块里输出光耦的两个输出端口分别和输入端口rt和rt-rtn连接，通过控制光耦的开通和关断来控制输入端口rt和rt-rtn的闭合与断开，当输入端口rt和rt-rtn通过光耦闭合时，电源经过电阻r312和电阻r313进行分压，获得反馈电压，当反馈电压值在0～0.6v时，谐振模式控制器判定为故障；反馈电压值在0.6v～1.3v时，输出波形的频率固定在最小值fmin；反馈电压值在1.3v～6v时，频率的变化量δfsw与反馈电压δvfb呈正比关系；反馈电压超过6v时，谐振模式控制器停止工作。通过改变频率从而稳定快速整流滤波模块的输出电压值；

管脚ctimer故障检测时间设定端，通过外部电阻r304和电容c303的充放电来设定故障检测时间；

管脚bo为欠压保护检测端，c304为外部电容，r305为分压电阻，三相交流输入电源通过整流滤波模块整流滤波后，经过欠压检测模块得到检测电压值brown-downvoltage，输入管脚bo，如果电压值超出1.03v～4.1v范围，则谐振模式控制器停止工作；快速整流滤波模块的输出电压值通过过压检测模块得到检测电压值ovp-sig，当检测到过压信号时，开通pnp型三极管n301，r316为限流电阻，电压vcc经过分压电阻r314和r315后，得到电阻r315上的电压值经过二极管d301输入管脚bo，如果电压值超出1.03v～4.1v范围，则谐振模式控制器停止工作；

管脚a_gnd为模拟地，管脚p_gnd为数字地，将两个地接到gnd上；

管脚sw_a和管脚sw_b分别为低端和高端驱动脉冲输出端，管脚sw_a是用于产生pfm1信号的接口，管脚sw_b是用于产生pfm2信号的接口，经过高频驱动模块的电气隔离和放大，产生驱动信号，来驱动高频全桥逆变模块的四个sic功率开关管，控制其开通或者关断，实现输出电压的恒压特性闭环控制，以符合设定的电压值要求；

管脚vcc为电源端，其中c305和c308为外部电容，d301为稳压二极管；

管脚f-fault和管脚s-fault分别为快速和慢速故障检测引脚，将反馈电压vfb通过电阻r309和电阻r308分别接在管脚f-fault和管脚s-fault。管脚13f-fault故障开启电压为1.05v，故障关闭恢复电压为1.03v，根据反馈电压值vfb控制谐振模式控制器的开启或者关断，其中c306为外部电容，r307为外部电阻。管脚s-fault故障开启电压为1.03v，峰值电流检测模块利用电流传感器获得高频变压模块原边电流值，原边电流值通过输入端口cs流入谐振模式控制器，其中r306、r310和r311为分流电阻，c307为并联电容；当故障发生时，定时器开始倒计时，并在时间结束时关断谐振模式控制器。

电压反馈模块用于检测快速整流滤波模块的输出电压值，可采用现有技术。

欠压检测模块用于检测整流滤波模块的输入电压值，可采用现有技术。

峰值电流检测模块用于获得高频变压模块原边电流值，可采用现有技术。

过压检测模块用于检测快速整流滤波模块的输出电压值，可采用现有技术。

本发明等离子体电源实现了高频高压输出，能够满足高效、高功率密度和小型化的要求，是新一代等离子体电源；其具体优点如下：

1、高频化、小型化：本发明创新性的采用了全sic功率器件，构建了基于全sic功率器件的全桥llc谐振型等离子体电源，实现了高频化，大幅度地减小了高频变压模块、散热系统以及快速整流滤波模块的体积和重量，动态响应好，极大地减小了动态损耗，改善了整机性能；

2、高效化：本发明充分利用型号为ncp1395b的谐振模式控制芯片的强大设计灵活性，外部电路简单，稳固可靠，易于实现等离子体电源的精确控制；采用llc型软开关换流技术，高频全桥逆变模块的能量转换效率高，功率密度高，可靠性好，不仅有利于提高效率，而且能够降低电磁干扰强度、实现较大功率输出。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。