一种基于碳化硅超结晶体管的自动快速充电器的制作方法

本实用新型涉及一种充电器，尤其是涉及一种基于碳化硅超结晶体管的自动快速充电器。

背景技术：

随着新能源发电和充电设备的不断普及，传统硅(Si)功率器件技术已经发展的相当成熟，器件的性能基本达到了理论极限，很难再有大幅度的提升。传统的开关电源一直采用Si BJT或Si IGBT作为主电路的功率管，由于这些传统硅材料的功率管存在二次击穿、功耗较大、驱动电路复杂以及耐高温较差的缺点，大大降低了自动快速充电器自身的耐温、散热性能，给人们正常的生产和生活带来了极大的隐患，因此，人们迫切需要一种新型自动快速充电器。

碳化硅超结晶体管SJT是美国GENESIC研发的替代IGBT的下一代技术，具有更高的开关频率，更低的开关与导通损耗，SJT的驱动电路要比IGBT简单，在开关性能上要优于IGBT；跟Si BJT或Si IGBT相比，具有更好的温度系数，驱动电路相对简单，不存在传统Si三极管的二次击穿问题，其反向偏置安全工作区呈矩形，具有很低的导通压降，开关速度快，工作频率可达数10MHz，且具有300 ℃以上高温工作能力。

因SJT材料具有比Si材料更大的禁带宽度、更高的热导率和更高的临界击穿电场，用SJT材料制成的功率半导体器件可以实现更高的工作频率、承受更高的击穿电压和工作温度，而且器件的开关损耗和通态损耗更低，所以SJT功率器件的应用能够很大程度地减少装置的功率损耗、降低电路结构复杂度、缩小装置体积。

技术实现要素：

本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于碳化硅超结晶体管的自动快速充电器。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于碳化硅超结晶体管的自动快速充电器，该充电器主充电回路包括依次连接的交流输入整流滤波电路、PFC校正电路、直流变换移相全桥电路和输出滤波电路，所述的交流输入整流滤波电路连接220V交流电，所述的直流变换移相全桥电路中的开关管为碳化硅超结晶体管，该充电器还包括输出电压反馈调节驱动电路，所述的输出电压反馈调节驱动电路包括依次连接的电压取样电路、PWM调制电路和耐高温碳化硅超结晶体管驱动电路，所述的电压取样电路连接输出滤波电路电压输出端，所述的耐高温碳化硅超结晶体管驱动电路连接直流变换移相全桥电路中的碳化硅超结晶体管。

所述的耐高温碳化硅超结晶体管驱动电路包括三极管Q1、三极管Q2、三极管 Q3、三极管Q4、三极管Q5、变压器T1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C1、电容C2、电容C3和二极管D，所述的三极管Q1和三极管Q2基极相互连接并连接至PWM调制电路输出端，三极管Q1集电极连接3.3V电源，三极管Q2集电极基地，三极管Q1和三极管Q2发射极相互连接并依次通过电阻R1和电容C1连接变压器T1原边同名端，变压器T1原边异名端接地，变压器T1副边同名端通过电阻R2连接三极管Q3基极，电容C2并联连接电阻R2，三极管Q4基极连接三极管Q3基极，三极管Q3和三极管Q4发射极相互连接并连接变压器T1副边异名端，三极管Q3集电极连接20V电源，三极管Q4集电极连接-5V电源，三极管Q3发射极还通过电容C3连接至三极管Q5基极，所述的电阻R3并联于电容C3上，三极管Q5发射极连接二极管D阴极，二极管D阳极连接三极管Q5基极，三极管 Q5集电极连接-5V电源，三极管Q5发射极为驱动输出端并连接直流变换移相全桥电路中的碳化硅超结晶体管。

所述的二极管D为1N5822肖特基二极管。

所述的输出滤波电路输出额定电压为48V，额定电流为10A。

该充电器还包括监控显示模块，所述的监控显示模块包括液晶显示器、监控指示灯、控制器和充电电压电流检测电路，所述的控制器分别连接液晶显示器和监控指示灯，所述的控制器连接充电电压电流检测电路。

所述的控制器包括DSP28335。

与现有技术相比，本实用新型具有如下优点：

(1)本实用新型直流变换移相全桥电路中的开关管采用碳化硅超结晶体管，降低了功率管本身的电力损耗和开关损耗，大大提高了充电器工作时的稳定性与安全性，提高整机效率，为以后在船舶电气设备启动器直流启动电源或移动通信设备通信电源的应用提供了可靠保障；

(2)本实用新型耐高温碳化硅超结晶体管驱动电路提供了足够大的瞬时电流，缩短输入电容充电时间，加速开关过程，减小寄生电感引起的驱动回路振荡，避免振荡现象所引发的误导通，从而提高驱动电路的可靠性。

附图说明

图1为本实用新型基于碳化硅超结晶体管的自动快速充电器的结构示意图；

图2为本实用新型耐高温碳化硅超结晶体管驱动电路的电路示意图；

图3为本实用新型监控显示模块的结构示意图。

图中，1为交流输入整流滤波电路，2为PFC校正电路，3为直流变换移相全桥电路，4为输出滤波电路，5为负载，6为电压取样电路，7为PWM调制电路， 8为耐高温碳化硅超结晶体管驱动电路，9为监控显示电路，10为控制器，11为辅助电源，12为保护电路。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。注意，以下的实施方式的说明只是实质上的例示，本实用新型并不意在对其适用物或其用途进行限定，且本实用新型并不限定于以下的实施方式。

实施例

如图1所示，一种基于碳化硅超结晶体管的自动快速充电器，该充电器主充电回路包括依次连接的交流输入整流滤波电路1、PFC校正电路2、直流变换移相全桥电路3和输出滤波电路4，交流输入整流滤波电路1连接220V交流电，交流输入整流滤波电路1包括输入EMI滤波、浪涌防护整流以及浪涌电路环节，均为现有电路结构。直流变换移相全桥电路3中的开关管为碳化硅超结晶体管，该实施例中碳化硅超结晶体管采用美国GENESIC公司研发的生产800V/7A SJT，输出滤波电路4连接负载5。输出滤波电路4输出额定电压为48V，额定电流为10A，浮充电压可达52.6V,均充电压可达57.8V,最大输出功率为600W。

该充电器还包括输出电压反馈调节驱动电路，输出电压反馈调节驱动电路包括依次连接的电压取样电路6、PWM调制电路7和耐高温碳化硅超结晶体管驱动电路8，电压取样电路6连接输出滤波电路4电压输出端，耐高温碳化硅超结晶体管驱动电路8连接直流变换移相全桥电路3中的碳化硅超结晶体管。

如图2所示，耐高温碳化硅超结晶体管驱动电路8包括三极管Q1、三极管Q2、三极管Q3、三极管Q4、三极管Q5、变压器T1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C1、电容C2、电容C3和二极管D，三极管Q1和三极管Q2基极相互连接并连接至PWM调制电路7输出端，三极管Q1集电极连接3.3V电源，三极管Q2集电极基地，三极管Q1和三极管Q2发射极相互连接并依次通过电阻R1和电容C1连接变压器T1原边同名端，变压器T1原边异名端接地，变压器T1副边同名端通过电阻R2连接三极管Q3基极，电容C2并联连接电阻R2，三极管Q4基极连接三极管Q3基极，三极管Q3和三极管Q4发射极相互连接并连接变压器T1副边异名端，三极管Q3集电极连接20V电源，三极管Q4集电极连接-5V电源，三极管Q3 发射极还通过电容C3连接至三极管Q5基极，电阻R3并联于电容C3上，三极管 Q5基极发射极连接二极管D阴极，二极管D阳极连接三极管Q5基极，三极管 Q5集电极连接-5V电源，三极管Q5发射极为驱动输出端并连接直流变换移相全桥电路3中的碳化硅超结晶体管，二极管D为1N5822肖特基二极管。

如图3所示，该充电器还包括监控显示模块，监控显示模块包括液晶显示器、监控指示灯、控制器10和监控显示电路9，监控显示电路9包括充电电压电流检测电路，控制器10分别连接液晶显示器和监控指示灯，控制器10连接充电电压电流检测电路。控制器10包括DSP28335。

综上，本实用新型基于碳化硅超结晶体管的自动快速充电器包括三个大模块，分别是高压模块、低压模块和监控显示模块：

高压模块的具体实施过程：具有220V交流电经交流输入整流滤波电路1使输入电压具有较小的开机浪涌电流和较好的电磁兼容性。输入交流电经整流后直接进入PFC校正，此电路的功能是对输入电压进行预调整，输出一个稳定得410V。直流电压给后级直流变换移相全桥电路3，直流变换移相全桥电路3输出直流脉冲，经输出滤波电路4输出额定电压48V，额定电流10A。

低压模块的具体实施过程：低压模块除电压反馈调节驱动电路外，还配置辅助电源11和保护电路12，辅助电源11采用电路结构简单、适宜多路输出的他砺式反激电路，提供低压电源，如3.3V电源、20V电源和-5V电源等。电压取样电路6 采样输出电压，PWM调制电路7通过监控发出频率恒定、脉宽可调的PWM波来调节整流器的输出电压，达到均/浮充转换、电池温度补偿、电池充电限流、整机自测功能。它的控制原理就是通过取样电路输出的电压信号来调整驱动器所输出脉冲宽度的占空比，以保证输出电压的稳定。保护电路12主要包括输入电压异常保护、输出过压保护，过载保护，过热保护，电池防接触火花保护，防电池反接保护。

低压模块中较为重要的是耐高温碳化硅超结晶体管驱动电路8，相对于传统的驱动电路相比有一下几点改进：

(1)驱动电路提供了足够大的瞬时电流，缩短输入电容充电时间，加速开关过程。

(2)选择适当的驱动路阻抗，避免因阻抗过小而引起的驱动回路谐振可能造成误导通或栅极氧化层击穿，也避免回路阻抗太大会减缓输入电容充电时间，延长开关过程而增加的开关损耗。

(3)驱动电路能够提供负压关断，抑制驱动回路谐振，同时也加速了关断过程；阈值电压随温度升高而线性减小，采用负电压关断可以确保可靠关断，防止器件误导通。

(4)使驱动电路紧临被驱动的Si C功率MOSFET，减小寄生电感引起的驱动回路振荡，避免振荡现象所引发的误导通，从而提高驱动电路的可靠性。

耐高温碳化硅超结晶体管驱动电路8的具体工作原理为：

PWM调制电路7输出的控制脉冲经过三极管Q1和三极管Q2组成的推挽电路将电流放大，增强对后以及推挽电路的驱动能力。当控制脉冲到来时，三极管 Q1导通，3.3V电源通过三极管Q1、电阻R1和电容C1加在变压器T1原边，当控制脉冲未来时，三极管Q2导通，变压器T1原边通过电阻R1、电容C1和三极管Q2闭合。电容C1上产生直流压降VC1为脉冲变压器提供复位电压，使得伏秒积为0，防止磁饱和，从而很好地解决了单极性输入时脉冲变压器饱和的问题。电阻R1抑制占空比变化时电容C1和变压器T1漏感一起产生的谐振。

当脉冲变压器T1原边加正压时，变压器T1副边感应出相同的正压，当该正压足够大时三极管Q3将被开通，输出+20V的驱动电压。电阻R2为推挽电路基极限流电阻，电容C2为加速电容，当高电平到来时，电容C2快速将电阻R2短路，增大基极初始驱动电流，从而加速三极管Q3的开通过程，随着电容C2充电过程的进行，驱动电流减小。当变压器T1原边加负压时，三极管Q4导通，输出-5V的驱动电压。此过程中，电容C2进行放电，从而加速三极管Q3的关断和三极管 Q4的导通。本驱动输出电路的输出采用PNP关断电路加速关断过程，当MOSFET 图腾柱输出负压时，PNP双极型晶体管将栅极和负驱动电源短路，SJT的输入电容放电电流限制在一个很小的回路，减小了寄生参数对驱动性能的影响。可变电阻器 R2是栅极外接电阻，抑制开通时的驱动回路振荡。1N5822肖特基二极管提供开通电流回路，并保护三极管Q5的BE结不会被开通时承受的反压击穿。

监控显示模块的具体实施过程：选用DSP28335作为监视模块的CPU,主要作用负责处理从各个传感器所取样的输入信号，然后经过内部处理后再将相应的信号送出都对应的执行单元。液晶显示器显示自动充电器的实时数据、监控信息和报警信息。监控指示灯设置多个，分别为电源指示灯、运行指示灯、浮充指示灯、均充指示灯和报警指示灯，浅灰色灯亮表示监控模块已通电，蓝灯亮表示充电器正常工作，黄灯亮表示切换为浮充，绿灯亮表示转为均充，红白格灯闪烁，表示充电器报警，另外充电器上还设有多个按键，如复位键、返回键、上键、下键和确认键，按下复位键可以使充电器恢复到正常状态，按下返回键和上下键可以查看故障记录，比如交流停电、整流电路故障，同时也可以根据不同的需要从新设定充电参数。

上述实施方式仅为例举，不表示对本实用新型范围的限定。这些实施方式还能以其它各种方式来实施，且能在不脱离本实用新型技术思想的范围内作各种省略、置换、变更。