一种高压碳化硅功率器件的驱动电路与控制方法、系统

本发明属于功率半导体器件驱动，具体涉及一种高压碳化硅功率器件的驱动电路与控制方法。

背景技术：

1、传统电网正向以电力电子技术广泛应用为代表的新型电力系统方向发展，中高压兆瓦级高效高功率密度电力电子柔性设备是新型电力系统的核心装备，对高压大功率器件提出了较高的性能要求。然而，目前常用的功率器件耐压一般为1200v/1700v，在应用于10kv以上中高压配电网时，需采用多个器件串并联并配合隔离变压器构建柔性设备的功率电路。这导致现有中高压柔性设备存在成本高、效率低、体积大、可靠性差等问题，增加了配电网的投资成本和运行损耗，阻碍了新一代柔性设备技术在配电网中的大规模应用。

2、随着耐压可达10kv以上的高压碳化硅器件(如sic-mosfet或sic-igbt等)技术进步，中高压柔性设备迎来了新的发展机遇。驱动电路是实现高压碳化硅功率器件安全可靠工作的关键环节，在应用于中高压电能变换装备时，驱动电路面临如下挑战：1)系统工作电压可达10kv以上，这要求驱动电路与装备控制电路(如数字信号处理器电路)之间的隔离电压承受能力需达数10kv以上；2)高压碳化硅功率器件的开关速度可达100kv/us，系统对地寄生电容需尽可能小以减少电磁干扰。传统的高压碳化硅器件的驱动电路方案与常规低压器件的驱动方案相同，即通过隔离辅助电源从装备控制回路(低压侧)取电，为驱动电路供电。上述两个挑战对驱动电路产生的压力则转化到隔离辅助电源上，要求隔离辅助电源的原边(系统低压侧)和副边(系统高压侧)隔离电压等级达数10kv以上、寄生电容为5pf以下。现有的隔离辅助电源方案大多了采用高频隔离变压器，这使得高压碳化硅功率器件所需的隔离变压器设计变得尤为困难，实际中需要显著增加隔离变压器的体积和成本。此外，现有的隔离变压器技术实现的原边-副边寄生电容最低也有2pf，在100kv/us的开关速度下，产生的共模电流幅值可达0.2a，这对于系统的控制回路将产生极强的电磁干扰。实际的中高压电能变换装备需要的功率器件数量较大，如此强的电磁干扰将严重威胁系统的安全稳定运行。这些缺点已成为阻碍高压碳化硅功率器件广泛应用的主要问题之一。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于：为了显著减少共模电流和系统电磁干扰，提高基于高压碳化硅功率器件的中高压电能变换系统的安全稳定运行能力，提供一种无需复杂隔离变压器的辅助电源方案。

2、本发明采用以下技术方案以解决所提出的技术问题：

3、首先，本发明提出一种高压碳化硅功率器件驱动电路的辅助电源电路，该辅助电源电路包括储能单元、充电单元、自取能单元、无线通信单元、供电使能开关、供电切换单元，其中：

4、所述储能单元的一端与无线通信单元连接，用于为无线通信单元提供电能，储能单元的另一端通过供电使能开关与供电切换单元的第一输入端连接；

5、所述自取能单元的一端与高压碳化硅功率器件的功率回路连接，另一端分别与充电单元、供电切换单元的第二输入端连接；

6、供电切换单元通过驱动电路与高压碳化硅功率器件连接；

7、外部上级控制器通过无线通信单元控制供电使能开关闭合，使得储能单元先向驱动电路供电，待驱动电路工作正常后，自取能单元从高压碳化硅功率器件的功率回路获取电能，通过充电单元向储能单元提供电能，供电切换单元用于选择储能单元或自取能单元向驱动电路供电。

8、进一步的，作为本发明进一步的优化方案，高压碳化硅功率器件包括金属氧化物半导体场效应晶体管mosfet，或者绝缘栅双极型晶体管igbt；其中对于mosfet器件，其功率回路是指由漏极和源极构成的通路；对于igbt器件，其功率回路是指由集电极和发射极构成的通路。

9、当高压碳化硅功率器件为金属氧化物半导体场效应晶体管mosfet时，自取能单元包括阻尼电阻、隔直电容、降压变压器、整流桥、滤波电容；其中阻尼电阻、隔直电容与降压变压器的高压绕组串联后，与mosfet器件的漏极和源极构成的通路d-s并联，降压变压器的低压绕组接入整流桥，滤波电容并联接入整流桥的直流母线侧；整流桥为半波整流、全桥整流或者其它整流电路。

10、其中，通过隔直电容将d-s通路电压中的直流分量去除，转化为高压高频矩形波电压，然后通过降压变压器将高压高频矩形波电压转换为低压高频矩形波电压，再将低压高频矩形波电压通过整流桥转换为低压直流电压，滤波电容用于平滑直流电压，阻尼电阻用于防止线路上的电容和电感发生谐振。

11、进一步的，作为本发明进一步的优化方案，供电切换单元由二极管、p沟道低压mosfet、驱动电阻构成，其中自取能单元的电压输出端与二极管的阳极连接，二极管的阴极与驱动电路的供电电压端相接；供电使能开关的输出端与p沟道低压mosfet的漏极连接后与驱动电路的电压输入端相接，p沟道低压mosfet的栅极分别与自取能单元的输出电压端、驱动电阻的一端连接，驱动电阻的另一端接地。

12、当自取能单元的输出电压＞储能单元通过供电使能开关产生的输出电压时，二极管导通，p沟道低压mosfet截止，此时自取能单元通过供电切换单元向驱动电路提供电压；反之，二极管截止，p沟道低压mosfet导通，此时储能单元通过供电切换单元向驱动电路提供电压。

13、同时，本发明还提出一种高压碳化硅功率器件驱动电路的辅助电源电路的控制方法，包括如下步骤：

14、s1、上级控制器通过无线通信单元发出控制指令，将供电使能开关闭合，储能单元通过供电切换单元向高压碳化硅功率器件的驱动电路提供电能；

15、s2、自取能单元从高压碳化硅功率器件的功率回路获取电能；

16、s3、自取能单元通过充电单元向储能单元提供电能；

17、s4、供电切换单元选择储能单元或自取能单元向驱动电路提供电能；选择方法为：若自取能单元的输出电压高于储能单元的输出电压，则选择自取能单元为驱动电路供电，否则选择储能单元为驱动电路供电；

18、s5、在高压碳化硅功率器件需要停止开关动作时，上级控制器通过无线通信单元发出控制指令，将供电使能开关关断，储能单元和自取能单元均停止向驱动电路供电。

19、其次，本发明还提出一种电子系统，包括：至少一个处理器；以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行本发明所提出的方法。

20、最后，本发明还提出一种存储有计算机指令的计算机可读存储介质，所述计算机指令用于使所述计算机执行本发明所提出的方法。

21、本发明采用以上技术方案，与现有技术相比具有的有益效果如下：

22、首先，本发明的辅助电源电路方案与系统的控制回路没有电气连接，显著降低了系统低压侧和高压侧寄生电容，进而显著降低高压碳化硅器件快速开关动作对控制回路产生的共模电流和电磁干扰，提高了系统安全稳定运行能力。

23、同时，本发明中高频变压器的原边和副边不需要承受全部的系统工作电压，且寄生电容不会产生共模电流，因此可以采用成熟的低成本、紧凑化变压器设计方案，大大降低了辅助电源的设计难度。