一种基于SiC模块的高功率密度通用电力电子模块

一种基于sic模块的高功率密度通用电力电子模块
技术领域
1.本发明涉及变压器、整流器和电感器制造技术领域，具体为一种基于sic 模块的高功率密度通用电力电子模块。


背景技术：

2.pebb是基于电力电子变换器标准化概念的一种新型电力电子装置组成结构。pebb可以有效地解决传统电力电子设计中存在的不足，如经济性差，需要分别对功率半导体技术、主开关拓扑技术与变流器控制技术这三种技术进行调研，并考虑它们配合后整体系统的性能，增加了人力成本；可靠性低，三种技术组合形式多样，不可能对性能进行事先测试，导致最终整体系统的可靠性难以得到保障；结构复杂，分隔式设计可能因寄生电感等寄生参数降低装置性能，同时系统的散热、通信等方面都需要重新设计。传统电力电子设计中电力电子组件和系统之间缺乏标准化和互操作性。这使得整个系统缺乏亲和力，只有专业人员才能对电力电子应用进行配置和维护。pebb推动电力电子应用更加广泛。多个通用电力电子模块与磁性元件相互配合连接便可构成电力电子变换器的子模块。
3.由硅(silicon，si)制成的半导体器件，如二极管、绝缘栅双极型晶体管、晶闸管和金属氧化物半导体场效应晶体管已经主导了电力电子领域，成为可靠的电力电子系统的一个稳定和成熟的技术基础。最近，半导体器件开始向宽禁带半导体的转变，例如碳化硅(silicon carbide，sic)和氮化镓(gallium nitride， gan)，它们比同类硅具有明显的优势。与si相比，sic具有更高的热导率，更高的击穿临界电场，更高的饱和电子漂移速度以及更低的本征载流子浓度。因此sic器件更适合于高功率、高频率的电力电子应用场合。
4.到目前为止，已经有部分研究设计出了一些通用电力电子模块。然而这些研究都还存在一定的问题。一是目前研究出的通用电力电子模块大多基于si 器件，因此限制了整个pebb功率等级以及功率密度的提升，限制了通用电力电子模块在商业领域的应用。二是采用sic器件的装置工作频率较高，如果在原先设计的基础上直接将si器件更换为sic器件，则可能因为换流回路寄生电感导致的电压过冲而损坏装置。因此总体上讲，通用电力电子模块的设计还不是非常成熟。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于sic模块的高功率密度通用电力电子模块，能够减小设计成本、保证系统整体可靠性、简化系统结构、提升整个系统的可操作性，可应用于大功率的电力电子变换器中。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.一种基于sic模块的高功率密度通用电力电子模块，包括直流滤波电容、检测电路、直流侧母排、sic模块、散热系统、交流侧端子、驱动电路、控制电路以及解耦电容；
8.其中，所述检测电路和控制电路集成在pcb上形成检测控制板，所述直流侧母排和直流滤波电容设置在检测控制板上，所述直流侧母排采用双层叠层母排，直流侧母排包括
dc+铜排和dc-铜排，所述直流滤波电容分别与dc+铜排和dc-铜排连接，所述检测控制板的信息传输端与驱动电路连接，检测控制板上集成有通讯接口；
9.所述sic模块置于所述散热系统上，sic模块的源极与dc+铜排连接，sic 模块的漏极与dc-铜排连接，sic模块内的半桥与所述交流侧端子连接，sic 模块的gs端通过对应引脚与驱动电路连接，所述解耦电容置于sic模块的漏源极之间。
10.优选地，所述直流侧母排还包括外绝缘层和内绝缘层，其中，所述外绝缘层包裹在所述dc+铜排和dc-铜排的外侧，所述内绝缘层置于dc+铜排和dc
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铜排之间。
11.优选地，所述dc+铜排的dc+连接端上套设有电流传感器。
12.优选地，所述直流侧母排与检测控制板之间设有螺母垫片。
13.优选地，所述散热系统采用散热器，所述sic模块置于散热器上，sic模块的外壳与散热器贴合，所述散热器包括通风通道，通风通道的两侧置有散热风扇。
14.优选地，所述直流滤波电容为多个薄膜电容并联构成。
15.优选地，所述dc+铜排和dc-铜排做挖空设计，用于满足直流侧母排的电气绝缘与爬电距离要求。
16.优选地，所述交流侧端子包括交流侧端子绝缘层以及交流侧端子铜排，其中，交流侧端子绝缘层包裹在交流侧端子铜排外侧。
17.优选地，所述交流侧端子与所述sic模块内的半桥中点通过螺丝连接。
18.优选地，所述sic模块采用sic mosfet半桥模块，sic mosfet半桥模块采用econo dual的封装结构。
19.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
20.本发明提供一种基于sic模块的高功率密度通用电力电子模块，该模块内集成了直流滤波电容、检测电路、直流侧母排、sic模块、散热系统、交流侧端子、驱动电路、控制电路以及通讯接口，在能够实现pebb基本功能的基础上，由于采用了sic模块代替常规的si器件，使得本发明所述的通用电力电子模块功率等级显著提升，同时通用电力电子模块内集成有双层的直流侧母排、解耦电容以及散热系统并对模块结构内的各个集成部件做特性化设计，能够保证sic器件在高功率下的稳定运行，避免由于直接换流回路寄生电感导致的电压过冲而损坏装置，各组成部分之间合理的布局使得本发明所述的通用电力电子模块在满足高功率应用要求的同时减小了体积，此外，本发明通过直流侧连接端以及交流侧连接端与系统中其他通用电力电子模块或无源元件连接使用，可拓展性较高，可作为全桥模块组装成任意拓扑结构的电力电子变换器。本发明所述的设计方案减小了设计成本、保证了系统整体可靠性、简化了系统结构、提升了整个系统的可操作性，可应用于大功率电力电子变换器中。
附图说明
21.图1为本发明通用电力电子模块电路原理图；
22.图2为本发明通用电力电子模块结构示意图；
23.图3为本发明通用电力电子模块去除检测控制板后的分解示意图；
24.图4为本发明直流侧母排叠层分解示意图；
25.图5为本发明通用电力电子模块结构尺寸示意图。
26.图中，1-直流滤波电容，2-dc+连接端，3-dc-连接端，4-电流传感器， 5-检测控制板，6-直流侧母排，7-sic模块，8-散热器，9-散热风扇，10-驱动电路，11-交流侧端子，12-ac1连接端，13-ac2连接端，14-通讯接口，15
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解耦电容，16-m6螺母垫片，17-第一外绝缘层，18-dc+铜排，19-内绝缘层， 20-dc-铜排，21-第二外绝缘层。
具体实施方式
27.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
28.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
29.下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
30.本发明一种基于sic模块的高功率密度通用电力电子模块，包括直流滤波电容1、检测电路、直流侧母排6、sic模块7、散热系统、交流侧端子11、驱动电路10、控制电路以及解耦电容15；
31.其中，所述检测电路和控制电路集成在pcb上形成检测控制板5，所述直流侧母排6和直流滤波电容1设置在检测控制板5上，所述直流侧母排6采用双层叠层母排，直流侧母排6包括dc+铜排18和dc-铜排20，所述直流滤波电容1分别与dc+铜排18和dc-铜排20连接，所述检测控制板5的信息传输端与驱动电路10连接，检测控制板5上集成有通讯接口14；
32.所述sic模块7置于所述散热系统上，sic模块7的源极与dc+铜排18 连接，sic模块7的漏极与dc-铜排20连接，sic模块7内的半桥与所述交流侧端子11连接，sic模块7的gs端通过对应引脚与驱动电路10连接，所述解耦电容15置于sic模块7的漏源极之间。
33.本发明提供一种基于sic模块的高功率密度通用电力电子模块，将传统 dc-dc变换器中的直流滤波电容1、功率器件、交流输出端、散热系统、驱动电路10、检测电路以及控制电路集成在一起，该模块内集成了直流滤波电容1、检测电路、直流侧母排6、sic模块7、散热系统、交流侧端子11、驱动电路 10、控制电路以及通讯接口14，在能够实现pebb基本功能的基础上，采用了sic模块7代替常规的si器件，使得本发明所述的通用电力电子模块功率等级显著提升，同时通用电力电子模块内集成有双层的直流侧母排6、解耦电容 15以及散热系统并对模块结构内的各个集成部件做特性化设计，能够保证sic 器件在高功率下的稳定运行，避免由于换流回路寄生电感导致的电压过冲而损坏装置，各组成部分之间合理的布局使得本发明所述的通用电力电子模块在满足高功率应用要求的同时减小了体积，此外，本发明通过直流侧连接端以及交流侧连接端与系统中其他通用电力电子模块或无源元
件连接使用，可拓展性较高，可作为全桥模块组装成任意拓扑结构的电力电子变换器。本发明所述的设计方案减小了设计成本、保证了系统整体可靠性、简化了系统结构、提升了整个系统的可操作性，可应用于大功率电力电子变换器中。
34.本发明中使用sic半桥模块作为功率器件，有效地提高了通用电力电子模块的传输功率与工作频率。为了保证sic器件在高速开关过程中不会因过电压而击穿，本方案采用叠层母排代替传统的导线或单层铜排，减小了器件换流回路的寄生电感，确保sic器件的可靠性工作。此外本方案使用光纤与系统主控制器进行信号的传输与交互，提高了信号传输的可靠性，避免传统模拟信号传输线因电磁干扰而产生的信号传输不稳定的问题。
35.其中，所述直流侧母排6还包括外绝缘层和内绝缘层19，其中，所述外绝缘层包裹在所述dc+铜排18和dc-铜排20的外侧，所述内绝缘层19置于 dc+铜排18和dc-铜排20之间。
36.其中，所述dc+铜排18的dc+连接端2上套设有电流传感器4。
37.其中，所述直流侧母排6与检测控制板5之间设有螺母垫片16。
38.其中，所述散热系统采用散热器8，所述sic模块7置于散热器8上，sic 模块7的外壳与散热器8贴合，所述散热器8包括通风通道，通风通道的两侧置有散热风扇9。
39.其中，所述直流滤波电容1为多个薄膜电容并联构成。
40.其中，所述dc+铜排18和dc-铜排20做挖空设计，用于满足直流侧母排 6的电气绝缘与爬电距离要求。
41.其中，所述交流侧端子11包括交流侧端子绝缘层以及交流侧端子铜排，其中，交流侧端子绝缘层包裹在交流侧端子铜排外侧。
42.实施例
43.本实施例中提供一种基于sic模块的高功率密度通用电力电子模块，包括：
44.直流滤波电容1、检测电路、直流侧母排6、sic模块7、散热系统、交流侧端子11、驱动电路10、控制电路、通讯接口14、解耦电容15以及m6螺母与垫片。
45.本实施例中所述通用电力电子模块电压等级为1200v，电流等级为100a、功率等级为120kw、工作频率10khz。
46.所述直流滤波电容1采用3只耐压1800v、容值90μf的薄膜电容并联组成，整个直流滤波电容网络耐压为1700v，容值为270μf。
47.所述检测电路包含对pebb直流侧电流、直流侧电压以及sic模块7温度的检测。
48.所述直流侧母排6设计为1个双层叠层母排，其中包含有2层外绝缘层、 1层内绝缘层19、1层dc+铜排18以及1层dc-铜排20。
49.所述sic模块7选择2只耐压为1700v的sic mosfet半桥模块，封装结构选择econo dual的封装结构。
50.所述散热系统包括1个铝型材散热器与4个直流散热风扇9。
51.所述交流侧端子11设计为2个单层铜排，其中包含1层外绝缘层以及1 层铜排。
52.所述驱动电路10选择2个1700v sic mosfet半桥驱动，每个半桥驱动为1个sic mosfet半桥模块提供驱动信号。
53.所述通讯接口14选择光纤通讯接口，其通过光纤与所组成的变换器的主控制器进行连接。
54.所述解耦电容15选择2个耐压1700v，容值66nf的贴片电容，以减小 sic mosfet换
流回路的寄生电感。
55.进一步地，所述直流滤波电容1通过螺丝与母排的dc+铜排18以及dc
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铜排20进行电气与机械连接。
56.进一步地，所述检测电路与控制电路集成于一块pcb上，形成检测控制板 5。该检测控制板5直接和直流滤波电容1以及直流侧母排6通过螺丝进行电气与机械连接，对dc+连接端2与dc-连接端3之间的电压进行检测。电流检测使用单独的电流传感器4，该电流传感器4直接套在dc+连接端2，对直流侧电流进行检测。检测与控制板上还应集成所述通讯接口14，通用电力电子模块可以通过通讯接口14与系统主控制器实现信息交互。检测与控制板通过传输线与驱动板进行连接，检测与控制板向驱动板发送pwm波。
57.进一步地，所述直流侧母排6应设计得尽量宽、尽量短，以减小寄生电感。其中2层外绝缘层分别包裹在dc+铜排18或dc-铜排20的外侧，起到与外部绝缘的作用；1层内绝缘层19放置于dc+铜排18或dc-铜排20之间，起到叠层铜排之间绝缘的作用。对于dc+铜排18，将其dc+连接端2向下弯折，使得电流检测可以直接套在dc+连接端2上。此外为了保证叠层母排内部绝缘与爬电距离满足要求，对dc+铜排18进行挖空、下沉设计，对内绝缘层19 进行填充设计、对dc-铜排20进行挖空设计。
58.进一步地，所述2个sic模块7的源极均与直流侧母排6的dc+铜排18 通过螺丝进行电气与机械连接；漏极均与直流侧母排6的dc-铜排20通过螺丝进行电气与机械连接；2个sic模块7内半桥中点分别与2个交流侧端子11 通过螺丝进行电气与机械连接。2个sic模块gs端与驱动电路10通过对应引脚进行电气连接与机械连接。
59.进一步地，所述散热器8使用铝型材散热器，将sic模块7放置于散热器 8上，使sic外壳与散热器8紧贴。所述4个散热风扇9分别放置于散热器8 通风通道的两侧，一侧向内吹风，一侧从内吸风。
60.进一步地，所述交流侧端子11可以与外部磁性元件或其他pebb通过导线进行连接。其中外绝缘层包裹在交流侧端子11铜排外侧，起到与外部绝缘的作用。
61.进一步地，所述2个解耦电容15分别放置于2个sic模块7的漏源极之间。
62.进一步地，所述m6螺母垫片16放置于直流侧母排6和检测与控制板之间，将检测与控制板和直流侧母排6在物理上分隔一段距离。
63.如图1所示，为本发明设计的通用电力电子模块电路原理图，其中直流滤波电容1主要起对输入电压或输出电压进行稳压滤波的作用；检测电路主要起对装置直流电流、直流电压以及sic模块的检测作用；直流侧母排6主要为了代替直流滤波电容1与模块连接的导线，减小sic mosfet换流回路的寄生电感；sic模块选用两个半桥sic mosfet模块，组成全桥电路；本发明将散热系统进行集成，防止sic模块工作过程中因为温度过高发生热击穿；交流侧端子所连接的是h桥的交流信号，需要与外部其他模块或磁性元件进行连接；驱动电路为2个半桥sic mosfet驱动，对sic模块发送驱动信号，控制其开通与关断；控制电路主要通过采样信号与所希望达到的工作要求产生pwm 波并发送给驱动电路；通讯接口主要起到与所要组成的电力电子变换器系统主控制器进行信号传递的作用，电力电子变换器系统主控制器可以发送与其工作过程相对应的控制信号到每个pebb上，以实现系统功能。
64.如图2、3和4所示，直流滤波电容1选择采用3只耐压1800v、容值90μf 的薄膜电容并联，组成的整个直流滤波电容网络耐压为1700v，容值为270μf。直流滤波电容1并排放置
于直流侧母排6下，通过螺丝与母排的dc+铜排18 以及dc-铜排20进行电气与机械连接。dc+连接端2与dc-连接端3分别从直流侧母排的dc+铜排18以及dc-铜排20引出，其中dc+连接端2进行向下弯折设计，使得电流传感器4可以直接套在dc+连接端2上，对直流电流进行检测。
65.检测控制板5上集成了检测电路与控制电路，其中检测电路包含了电压检测电路、电流检测电路以及温度检测电路，其中电压检测电路直接从母排的 dc+铜排18以及dc-铜排20上提取直流电压，电流检测电路则通过电流传感器4提取直流电流。控制电路上还集成有通讯接口14，通用电力电子模块可以通过通讯接口14与系统主控制器实现信息交互。检测控制板5应与2个sic 模块7的驱动电路10利用导线实现电气连接，检测控制板5需要位驱动电路 10传送控制mosfet动作的pwm波。
66.如图4所示，为了尽可能减小换流回路的寄生电感，应将直流侧母排6设计的足够宽、足够短。因此直流侧母排6的宽度设计为整个模块的最大宽度，长度在满足连接要求的前提下尽可能短。直流侧母排6采用叠层式设计，其中包含有2层外绝缘层，分别为第一外绝缘层17以及第二外绝缘层21，第一外绝缘层17放置于dc+铜排18上，第二外绝缘层21放置于dc-铜排20下，2 层外绝缘层均起到与外部绝缘的作用；1层内绝缘层19，放置于dc+铜排18 与dc-铜排之间，起到两层最高电位差达1200v的铜排之间的绝缘；2层铜排，分别为1层dc+铜排18以及1层dc-铜排20，其上分别连接dc+电位以及 dc-电位，作为导体导通电流。此外对母排中各层进行特性化绝缘设计，包括对dc+铜排18进行挖空、下沉设计，对内绝缘层19进行填充设计、对dc
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铜排20进行挖空设计，以保证在耐受电压达1200v、导通电流达100a时内部爬电距离与绝缘距离满足要求，同时便于直流滤波电容1与其进行连接。此外直流侧母排6放置于直流滤波电容1与sic模块7之间，dc+铜排与2个 sic模块7的漏极连接，dc-铜排与2个sic模块7的源极连接。
67.双层叠层母排的优势在于不仅母排中的每个铜排有自感，铜排之间还存在可观的互感，其中的2层铜排上流过的电流方向相反，该互感可以抵消铜排本身的自感，从而减小母排的总电感。叠层母排的总电感可表示为：
[0068][0069]
式中，l
busbar
表示母排中换流回路部分的寄生电感，l
dc+
表示dc+铜排18 的自感，l
dc-表示dc-铜排20的自感，m表示dc+铜排18与dc-铜排20之间的互感。经过验证，该母排l
dc+
＝29.72nh，l
dc-＝29.31nh，m＝20.57nh，则l
busbar
＝17.89nh，该母排换流回路的寄生电感较小，确保sic模块7的可靠工作。
[0070]
本发明中的sic模块7选择2只耐压为1700v的sic mosfet半桥模块，封装结构选择econo dual的封装结构，该封装结构有利于整体模块的集成设计，同时该结构结壳热阻较小，有利于散热设计。散热系统则包括有1个铝型材散热器8以及4个直流散热风扇9，其中散热风扇9通过螺丝固定于散热器8的通风通道两侧，一侧向内吹风，一侧从内吸风。sic模块7放置于散热器8上，使sic模块8的外壳与散热器8紧贴，充分进行散热。sic模块7上直接连接其驱动电路10，每个半桥驱动电路10为1个sic mosfet半桥模块提供驱动信号。sic模块7的半桥中点与交流侧端子11连接，其中一个模块所连接的交流侧端子11引出ac1连接端12，另一个模块所连接的交流侧端子11引出 ac2连接端13。交流侧端子11设计为2个单层铜排，其中包含1层外绝缘层以及1层铜排，其中外绝缘层包裹在交流侧端子铜排外侧，起到与外部绝缘的作用。通过ac1连接端12以及ac2连接端13，所发明pebb可以与外部磁性元件或其他
pebb通过导线进行连接。
[0071]
为了进一步地减小sic器件换流过程中的寄生电感，在2个sic模块7的漏源极之间分别放置1个耐压1700v，容值66nf的贴片电容作为解耦电容15。此外设置额外的m6螺母垫片16，并放置于直流侧母排6和检测控制板5之间，其主要起将检测控制板5和直流侧母排6在物理上进行分隔的作用，在提高装置绝缘强度的同时给予检测控制板5背面放置元器件的空间。
[0072]
如图5所示，给出了本发明高功率密度通用电力电子模块结构尺寸示意图。本发明的通用电力电子模块关键尺寸为：长385mm，宽336mm，高160mm，体积约为0.021m3，其额定功率可以达到120kw，功率密度高达5714kw/m3，实现了高功率密度。
[0073]
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。