一种为多开关管系统门极驱动电路供能的系统和方法与流程

本发明属于门级驱动电路供能领域，具体涉及为多开关管门极驱动电路供能的系统和方法。

背景技术：

随着电力电子技术的发展，电压越来越高。如高压逆变器、高压静止无功发生器和柔性直流输电系统。在这些应用中，电压通常高达数十千甚至数十万伏，通过机械开关高频率的投切电气设备，非常难以实现。因此通常使用多个高压电力电子开关来进行电能的切换，如igbt(insulatedgatebipolartransistor)，绝缘栅双极型晶体管，igbt的控制电路相对简单、工作频率高、容量大，非常合适对大功率的开关电源进行控制。实现控制igbt的门极驱动单元直接和igbt相连，通过对igbt栅极的控制，使igbt开通和关断动作的控制，从而实现装置的功率变换功能。但是，直接与igbt相连的门极驱动单元缺少工作电源，为了实现igbt的高压应用，必须给门极驱动单元提供稳定可靠的工作电源，现有的一些供能方式存在如功率不够、高压隔离绝缘等级不够、存在安全隐患的问题。给单个门级驱动单元供给工作电源的获取已经成为igbt稳定运行的关键问题。此外，在常见的高压电路中，需要使用多个高压电力电子开关串联的形式，这样多个器件的同时供电问题变得更加困难。同时，门极驱动单元是一种低压小功率的系统，当它应用于大功率系统中时必须提供足够可靠的绝缘和隔离。因此，如何为高压输电系统中的多个高压电力电子开关的门极驱动单元供电是亟待解决的问题。

而经过近年来的发展，无线输电技术日趋成熟，不仅可以实现可靠的电压隔离功能，同时系统的效率也较高，可以实现节能的效果。无线电能传输(也称为非接触电能传输)技术通过电磁感应或磁共振将电能发射端和电能接收端以非接触的方式耦合，进行电能传输。在磁感应式无线输电系统中，空气的击穿电压为3kv/mm，当传输距离达到几百毫米时，可以有效地提供数百千伏的电压隔离能力，这也是采用无线输电技术进行功能的最主要原因。但目前现有的无线输电技术没有应用到门极驱动，更没有给多个高压电力电子开关同时供能的方案。

考虑到以上提及的挑战和困难，本专利提出使用无线电能传输的方式来为多开关管系统门极驱动电路供能电。

技术实现要素：

为解决上述问题，本专利提出了一种为多开关管系统门极驱动电路供能的系统和方法，所述多开关管系统具有由n个电力电子开关依次排列构成的开关单元，n为自然数，且n≥2，每个电力电子开关具有与之一一对应的门级驱动单元，门级驱动单元由多级能量传递系统供电，每个门级驱动单元从与之对应的磁耦合线圈获取电能，每一级线圈从上一级线圈获取能量以供给自身连接的门级驱动单元，同时向下一级线圈提供能量。所述n个电力电子开关为高压电力电子开关,所述n个电力电子开关依次排列为依次串联连接或者依次级联连接。所述多级能量传递系统包括无线能量源电路、n级能量传递电路，n级能量传递电路中每一级能量传递电路分别给与之对应的门级驱动单元提供电能，其中无线能量源电路包括输入源v0，在输入源v0两端依次连接有谐振电容c0、感应电感l0构成能量闭环，每级能量传递电路包括感应电感ln，谐振电容cn，每级能量传递电路的感应电感、谐振电容和门级驱动单元串联连接构成谐振闭环，且感应电感ln的能量从上一级感应电感ln-1中获取，其中n＝1，2，3，….，n，所述n级能量传递电路的能量传递均为非接触传递。

一种为多开关管系统门极驱动电路供能系统的能量分配传递方法为：

(1)：建立各个元件之间的谐振关系；

(2)：确定每一级线圈之间的耦合互感；

(3)：确定各级能量传递电路单元的等效阻抗；

(4)：确定输入功率；

(5)：建立各各级能量传递电路单元多能量表达关系；

(6)：确定各级能量传递电路单元的功率比；

(7)：最终确定决定各级能量传递电路单元能量分配的控制参数。

本发明可给多开关系统中的门极驱动电路提供可靠和稳定的能量来源，可以同时向多个门极驱动单元供电，且每一个能量接收单元不仅可以给自身的负载供电，同时还可以向下一个单元传输电能，对于指导设计该无线能量传输系统的关键参数给出了具体的依据。

附图说明

图1为多开关系统高压电力电子开关的门极驱动供能的分布式无线送能系统框图

图2为磁感应式多级能量传递系统电路图

图3为磁感应式多级能量传递系统的受控源的等效电路

图4为分布式多级能量传递系统中的能量流图

具体实施方式

以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。

此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。

同时，应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以是直接耦接或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。

除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

参见图1所示，在多开关系统中，目前常见的拓扑形式一般采用n个高压电力电子开关串联的形式，这里为方便说明，取n＝8，即由8个高压电力电子开关的构成多开关的一个桥臂，而每个开关器件都有各自对应的门极驱动单元为其提供驱动信号，而每个门级驱动单元的电能获取来自无线能量源，通过磁耦合/感应式无线传能的方式给每个驱动单元供电，并起到高压隔离的效果。

磁耦合/感应式无线传能可以采用磁耦合式的平面线圈实现无线能量传输。对于每一级单元，通过线圈结构的设计使得相邻线圈之间的耦合最大化，而非相邻单元之间的耦合尽量小。每一级线圈可以从上一级线圈获取能量以供给自身连接的驱动电路，同时可以向下一级线圈提供能量。因此，整个系统可以实现向多个负载的持续能量传递，且能够提供所需的高压隔离和绝缘的能力，多级能量传递系统电路图如附图2所示，包括无线能量源电路、n级能量传递电路1—n和n个门级驱动单元负载r1-rn，其中无线能量源电路包括输入源v0，在输入源v0两端依次连接有谐振电容c0、电感l0，每个能量传递电路包括感应电感l1-ln，谐振电容c1-cn，感应电感、谐振电容和负载串联连接构成闭环，感应电感ln的能量从上一级感应电感ln-1中获取。

基于上述多级能量传递系统电路图，其为多开关管系统门极驱动电路供能系统的能量分配传递方法为：

(1)：建立各个元件之间的谐振关系

假设输入源v0的角频率为ω0，则各个元件之间的谐振关系为：

确定每一级线圈之间的耦合互感

每一级线圈之间的耦合系统的互感为：

其中kn为互感系数，ln为每一级线圈的电感值。

(3)：确定各级能量传递电路单元的等效阻抗

每一级线圈之间的磁耦合可以用电流控制电压源来代替，这样其等效电路如图3所示。

图3中各级单元的等效阻抗zn(n＝1,2,3,…,n)，如下所示

进而可以得到输入单元的阻抗z0，

(4)：确定输入功率

根据输入功率与输入电压和阻抗的特性关系，输入功率pin可以表示为

(5)：建立各各级能量传递电路单元多能量表达关系

在此系统中，每一级线圈传递的能量定义为pn(n＝0,1,2,…,n)，每一级负载所消耗的能量定义为prn(n＝1,2,3,..,n)。因此，此系统中的功率流如图4所示。

各级能量流之间的关系可以表示如下。

对接收单元来说，其传递的功率最终被各级负载电阻所消耗。

(6)：确定各级能量传递电路单元的功率比

根据图4，相邻单元之间的功率之比为γn(n＝1,2,3,…,n-1)。

(7)：最终确定决定各级能量传递电路单元能量分配的控制参数

代入(3)中对zn的表达,γn可以化简为

γn由负载电阻rn和互感mn共同决定。因此，在此系统中可以通过设计rn和mn以控制各单元间的能量分配。如第一级和最后一级的能量之比如下。

通过上述分析，本发明可给多开关系统中的门极驱动电路提供可靠和稳定的能量来源。可以同时向多个门极驱动单元供电，且每一个能量接收单元不仅可以给自身的负载供电，同时还可以向下一个单元传输电能，对于其受控源等效电路的能量传递的功率匹配关系进行了说明，对于指导设计该无线能量传输系统的关键参数给出了具体的依据。

这里只说明了本发明的优选实施例，但其意并非限制本发明的范围、适用性和配置。相反，对实施例的详细说明可使本领域技术人员得以实施。应能理解，在不偏离所附权利要求书确定的本发明精神和范围情况下，可对一些细节做适当变更和修改。