高压隔离型scr和igbt驱动器的无线供电方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电力电子设备领域，基于无线供电技术的高压隔离型SCR和IGBT驱动 器，主要应用于高压电力电子设备功率器件的驱动，采用无线供电技术，将驱动器电源的 原副边隔离，实现了电力电子设备高压隔离驱动器电源的无线供电，从根本上解决了制 约驱动器的高压隔离问题。
【背景技术】
[0002] 随着高压大功率电力电子设备的不断发展，各路串接在一起的驱动器电源之间， 往往需要承受极高的工作电压。近来，多级高压隔离技术越来越多的被应用于电路的驱动 系统中，以满足高隔离电压的需要，但同时也使得驱动器越来越复杂。目前，SCR和IGBT作 为电力电子的主流功率器件，均向着更高耐压等级的方向发展，这要求驱动器电源具有更 高的隔离电压等级。为了整个系统能够可靠安全稳定运行，首先要保证SCR和IGBT驱动器 隔离电源工作的可靠性。
[0003] 传统的高压隔离技术，是基于电磁感应原理，即变化的电场产生磁场，变化的磁场 产生电场。用于高压供电的隔离变压器和电流型传感器均是基于电磁感应原理的隔离变压 器，它通过交变磁场把电源输出的能量传送到负载。一般的变压器原边和副边由闭合铁心 (或其他磁性材料）连接在一起，原线圈和副线圈之间紧密耦合，不可分离。
[0004] 传统的驱动器电源高压隔离技术，要实现高压隔离，必须要设计出高压隔离的电 源变压器。首先要解决绝缘材料问题，为了保证原、副边可以承受极高的耐压，必须选用绝 缘强度足够高的绝缘材料和线缆，绝缘材料在厚度上也要适当考虑。其次要解决装配工艺 问题，原边和副边由闭合磁性材料连接在一起，原线圈和副线圈之间紧密耦合，就需要对线 包结构工艺、装配过程、灌注处理等有严格的要求。再次要解决多路输出问题，对于采用三 相供电的电力电子设备，往往要求6路、或12路、或18路，甚至更多路互相隔离的驱动器， 显然在满足绝缘耐压和装配工艺的前提下，受材料、温升、与其他参数的影响，电源变压器 体积必然会变大，成本也会很高。驱动器由于采用了传统高压隔离电源变压器，且在PCB上 进行装配，驱动器设计就必须考虑原副边的电气间隙和爬电距离，从而给设计灵活性和保 证可靠性增加了难度，更是增加了驱动器体积。
[0005] 传统的SCR和IGBT驱动器高压隔离采用高压隔离电源变压器实现，多路驱动就需 要配置多个高耐压高绝缘的隔离变压器，或一个多路输出的高耐压高绝缘隔离变压器。由 于高耐压、高绝缘的要求，必然使驱动器体积变大和成本增加。同时，因为驱动器的高压隔 离电源变压器原边和副边必须在闭合磁性材料内耦合，且由于高耐压、高绝缘的要求，也必 然使变压器绝缘材料的选择，制作工艺等难度增加，驱动器设计也需要考虑爬电距离和电 气间隙等，且可靠性不能保障。特别是基于当前SCR和IGBT等功率器件向着更高耐压等级 的方向发展，高压隔离驱动器的要求势必也会相应提高。
【发明内容】
[0006] 针对现有技术的缺陷，为了改善解决电力电子设备中高压隔离型SCR和IGBT驱动 器的供电问题，本发明提供一种高压隔离型SCR和IGBT驱动器的无线供电方法，其中SCR 是晶闸管，IGBT是绝缘栅双极型晶体管，均具有通用含义。本发明采用无线能量传输技术， 从根本上实现原边供电与各驱动器副边供电，以及各驱动器之间的高压隔离。
[0007] 本发明的技术方案如下： 高压隔离型SCR和IGBT驱动器的无线供电方法，所述高压隔离型SCR和IGBT驱动器 包括原边供电电路和副边电源接收电路，所述原边供电电路和副边电源接收电路分别密封 并隔离，所述原边供电电路和副边电源接收电路之间通过无线能量传输的方式对驱动器进 行供电，所述高压隔离型SCR和IGBT驱动器的无线供电方法包括以下步骤： 51、 根据隔离型SCR和IGBT驱动器供电电源、功率输出及效率的要求选择合适的开关 电源拓扑； 52、 根据选择的开关电源拓扑计算原、副边电源匝数比； 53、 将原边供电电路无线供电的发射线圈作为开关电源变压器的原边线圈进行连接固 定； 54、 将副边电源接收电路的接收线圈与原边供电电路发射线圈在空间上隔离并按一定 的角度放置固定； 55、 将副边电源接收电路无线供电的接收线圈输出端连接整流滤波器件后给隔离型 SCR和IGBT驱动器副边供电； 56、 调节开关电源的开关频率参数，确定最尚的传输效率。
[0008] 进一步，步骤S1中所述的开关电源拓扑有单管反激变换器、单管正激变换器、双 管正激变换器、双管反激变换器、半桥变换器或全桥变换器。
[0009] 进一步，步骤S2中所述计算原、副边电源匝数比的方法为： 设隔离型SCR和IGBT驱动器采用全桥变换器拓扑，变换器原边工作电压Vd。为24Vd。， 传输效率为50%，开关频率为100kHz，副边输出电压V。为30Vdc， 由
电压方程式得副边与原边电源匝数比为：
其中，_为副边匝数；为原边匝数；fc为开通时间；，为开光周期，且 r= 2.5r
[0010] 进一步，步骤S4中所述角度的范围为0° ~90°，0°是指原、g[J边线圈平行。
[0011] 进一步，步骤S6中所述开关电源的开关频率参数有开关频率、原副边匝数、距离 或角度。
[0012] 进一步，所述原边供电电路由原边线圈、磁芯及其控制驱动电路构成，副边电源接 收电路由副边线圈、磁芯及整流滤波电路构成。
[0013] 进一步，所述无线能量传输的方式是指电磁感应耦合、电磁共振或辐射。
[0014] 再进一步，所述原边供电电路的控制驱动电路为桥式逆变电路、单管正反激式电 路或半桥式电路。
[0015] 本发明的有益效果如下：本发明提出的高压隔离型SCR和IGBT驱动器的无线供电 方法，驱动器与原边供电没有任何电气和物理连接，且原边供电与驱动器可以分别独立封 装，很容易达到高耐压和高绝缘的要求，自然也克服了传统驱动器电源变压器存在的缺点。 本发明采用电磁感应方式，将原边电源进行调制，通过供电线圈将能量发射出去，同时，互 相隔离的各驱动器采用受电线圈将无线能量聚集，即接收到供电线圈的电流，给各自驱动 器供电，使得原、副边无任何电气和物理连接，不仅摆脱了绝缘材料和装配工艺问题，而且 避免了绝缘材料接触点暴露在外，使各驱动器在安全性、灵活性、密封性、美观性等方面表 现的更好，真正实现了高压隔离供电，弥补了传统驱动器接触式电能传输的固有缺陷。
【附图说明】
[0016] 图1为电磁感应无线供电原理框图； 图2为高压隔离型SCR和IGBT驱动器的无线供电方法的供电原理图； 图3为高压隔离型SCR和IGBT驱动器无线供电实现电路图。
【具体实施方式】
[0017] 下面将结合附图对本发明进行描述。应该理解，本文所说明的发明可以有各种具 体形式体现，并且在本文中公开的任何具体功能仅仅是代表性的，且不应该解释为局限于 在此阐述的实施例。相反，提供这些实施例使得本公开将是完全清晰的，并将本发明的范围 充分地传达给本领域技术人员。
[0018] 在下文中，将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。
[0019] 高压隔离型SCR和IGBT驱动器的无线供电方法，所述高压隔离型SCR和IGBT驱 动器包括原边供电电路1和副边电源接收电路2,如图1所示，所述原边供电电路和副边电 源接收电路分别密封并隔离，所述原边供电电路和副边电源接收电路之间通过无线能量传 输的方式对驱动器进行供电，所述高压隔离型SCR和IGBT驱动器的无线供电方法包括以下 步骤： 51、 根据隔离型SCR和IGBT驱动器供电电源、功率输出及效率的要求选择合适的开关 电源拓扑，所述的开关电源拓扑有单管反激变换器、单管正激变换器、双管正激变换器、双 管反激变换器、半桥变换器或全桥变换器； 52、 根据选择的开关电源拓扑计算原、副边电源匝数比； 53、 将原边供电电路无线供电的发射线圈作为开关电源变压器的原边线圈进行连接固 定； 54、 将副边电源接收电路的接收线圈与原边供电电路发射线圈在空间上隔离并按一定 的角度放置固定，所述角度的范围为0° ~90°，0°是指原、副边线圈平行； 55、 将副边电源接收电路无线供电的接收线圈输出端连接整流滤波器件后给隔离型 SCR和