CN106887955A - 高压大功率dc/dc模块 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种高压大功率DC/DC模块，包括电路部分，电路部分包括顺次相连的输入滤波回路、变压器和输出整流回路，其中，输入滤波回路包括连接电源输入端的电抗器L1，串联于电抗器L1输出端的电阻R1和电阻R2，串联于电抗器L1输出端的电容C1和电容C2，以及串联于电抗器L1输出端的功率管VT1和功率管VT2，其中，电容C1和电容C2的两端同时与电阻R1和电阻R2的两端并联；功率管VT1和功率管VT2的两端同时并联于电容C1和电容C2的两端；变压器包括输入线圈和输出线圈，输入线圈的其中一端连接电阻R1和电阻R2的中部，另外一端连接于功率管VT1和功率管VT2之间。该DC/DC模块采用半桥隔离拓扑结构，为各种应用提供解决方案。

Description

高压大功率DC/DC模块
技术领域
本发明属于DC/DC模块领域，尤其涉及一种大功率中频DC/DC模块领域。
背景技术
目前，种类繁多的DC/DC拓扑结构，为低压小功率电能变换领域中提供了较为灵活的解决方案。在常规的应用中，通过提高DC/DC拓扑中功率器件的开关频率实现更高效率、更小体积、更轻重量和更低成本，但中高压电力电子功率器件的发展现状尚不理想，实现中高电压、大功率、中高频率的能量变换还存在着明显制约，所以提高中高电压大功率磁集成系统的工作频率可以带来更小的体积、更高的效率和更低的成本，是今后功率传输系统的重要发展方向。
在中高压变流系统应用中，电压等级变换和电气隔离传统上采用工频变压器的方案，但由于工频变压器功率密度小，这对提高能量变换效率减小设备体积和重量尤为不利。为了追求更高效率、更小体积、更轻重量和更低成本，提高磁集成功率传输系统的工作频率可以有效减少系统中磁元件的体积，故高压大功率中频隔离型DC/DC变换器是一种十分具有发展前景的结构。
中高压、大功率的电力电子变换技术虽然和低压小功率电力电子技术一样，都是涉及功率器件、拓扑结构以及控制方法等多个方面，但由于其系统构成更复杂，故在高压大功率应用中拓扑相对单一。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种高压大功率DC/DC模块,该DC/DC模块采用半桥隔离拓扑结构，为各种应用提供解决方案。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种高压大功率DC/DC模块，包括电路部分，电路部分包括顺次相连的输入滤波回路、变压器和输出整流回路，其中，输入滤波回路包括连接电源输入端的电抗器L1，串联于电抗器L1输出端的电阻R1和电阻R2，串联于电抗器L1输出端的电容C1和电容C2，以及串联于电抗器L1输出端的功率管VT1和功率管VT2，其中，电容C1和电容C2的两端同时与电阻R1和电阻R2的两端并联；功率管VT1和功率管VT2的两端同时并联于电容C1和电容C2的两端；变压器包括输入线圈和输出线圈，输入线圈的其中一端连接电阻R1和电阻R2的中部，另外一端连接于功率管VT1和功率管VT2之间；输出整流回路包括两两串联为一组后并联设置的两组二极管，分别为二极管D1和二极管D2串联，二极管D3和二极管D4串联，串联后的两组二极管并联，其中变压器的输出线圈的两端分别连接于二极管D1和二极管D2之间以及二极管D3和二极管D4之间。
作为本发明的进一步优化，电路部分进一步包括谐振软开关电路，谐振软开关电路包括串联设置的功率管VT3和电容C5，其中功率管VT3和电容C5的两端并联于二极管D3和二极管D4的两端。
作为本发明的进一步优化，变压器为大功率中频变压器。
作为本发明的进一步优化，功率管VT1、功率管VT2、功率管VT3和功率管VT4均为3300V高压大功率绝缘栅双极型功率管。
作为本发明的进一步优化，DC/DC模块进一步包括硬件部分，该硬件部分包括易于从变流器箱体内部拆卸维护的PU组件，以及固定安装在箱体内部的电容组件，PU组件和电容组件之间可拆卸的连接。
作为本发明的进一步优化，PU组件与电容组件件通过多块叠层母排电气连接，叠层母排分别为半桥回路母排、谐振回路母排、整流母排、均压电容母排和谐振电容母排，以分别安装电路部分。
作为本发明的进一步优化，PU组件包含用于强迫风冷的散热片，散热片上集成有功率管VT1、功率管VT2、功率管VT3、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4。
作为本发明的进一步优化，PU组件上设置有进风口和出风口，二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4间隔布置于进风口侧，功率管VT1、功率管VT2、功率管VT3间隔布置于出风口侧。
作为本发明的进一步优化，PU组件包括长腰形桶状结构散热风道，散热风道通过铆接固定在散热片底部，进风口处安装有用于将散热翅片密封的密封胶条。
作为本发明的进一步优化，电容组件包括均压电容部分和谐振电容部分，均安装于铝制框架上并整体固定在变流器箱体内部。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
本发明的高压大功率DC/DC模块采用半桥结构具有以下优势：一，相比于全桥拓扑，半桥结构中高压IGBT的使用数量仅是其一半，降低了高压IGBT及其驱动板的使用数量；二，支撑电容C1由两个均压电容串联组成，通过从C1中性点抽出一个抽头连接变压器，将IGBT和变压器的电压应力降低至输入电压的二分之一。
附图说明
图1为本发明高压大功率DC/DC模块的电路拓扑图；
图2为本发明高压大功率DC/DC模块的结构图；
图3为电容组件的结构主视图；
图4为PU组件的结构主视图；
图5为PU组件单元上叠层母排结构主视图；
图6为电容组件上叠层母排结构主视图。
其中，1、PU组件；2、电容组件；3、散热风道；4、散热片；5、功半导体器件；6、PU叠层母排；7、绝缘板；8、驱动板；9、RC吸收回路电容组；10、绝缘子；11、框架；12、均压电容部分；13、谐振电容部分；14、电容叠层母排；15、半桥回路母排；16、谐振回路母排；17、整流母排；18、均压电容母排；19、谐振电容母排。
具体实施方式
下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。
参见图1，是本发明高压大功率DC/DC模块的电路拓扑图。如图1所示，本发明的高压大功率DC/DC模块为高压大功率半桥中频DC/DC的电路拓扑中的核心变流部分，其包括电路部分，以及用于安装该电路部分的硬件部分，其中，电路部分包括顺次相连的输入滤波回路、变压器和输出整流回路，其中，输入滤波回路包括连接电源输入端的电抗器L1，串联于电抗器L1输出端的电阻R1和电阻R2，串联于电抗器L1输出端的C1和电容C2，以及串联于电抗器L1输出端的功率管VT1和功率管VT2，其中，电容C1和电容C2的两端同时与电阻R1和电阻R2的两端并联；功率管VT1和功率管VT2的两端同时并联于电容C1和电容C2的两端；变压器包括输入线圈和输出线圈，输入线圈的其中一端连接电阻R1和电阻R2的中部，另外一端连接于功率管VT1和功率管VT2之间；输出整流回路包括两两串联为一组后并联设置的两组二极管，分别为二极管D1和二极管D2串联，二极管D3和二极管D4串联，串联后的两组二极管并联，其中变压器的输出线圈的两端分别连接于二极管D1和二极管D2之间以及二极管D3和二极管D4之间。
该DC/DC模块高度集成了电压C1、电压C2,电阻R1、电阻R2，斩波IGBT(绝缘栅双极型功率管)VT1、VT2，输出全桥整流二极管D1～D4等，拓扑结构简单，应用范围广。
继续参见图1，本发明的电路部分进一步包括谐振软开关电路，谐振软开关电路包括串联设置的功率管VT3和电容C5，其中功率管VT3和电容C5的两端并联于二极管D3和二极管D4的两端。该谐振软开关电路的结构简单，能够实现斩波回路IGBT零电流的关断，降低IGBT的关断损耗。
另外，上述电路部分中，二极管D1和二极管D2的两端并联有相互串联的电阻R3和电容C3；二极管D3和二极管D4的两端并联有相互串联的电阻R4和电容C4。
变压器为大功率中频变压器，通过提高变压器的工作频率，可以解决传统工频变压器笨重、效率较低的问题，实现整机的小型轻量化，同时又实现了输入和输出的隔离，确保了电气安全隔离
上述中，功率管VT1、功率管VT2、功率管VT3和功率管VT4均优选为绝缘栅双极型功率管。
另外，谐振软开关电路串联有电抗器L2，并联有电容C6，其中，电容C6与电抗器L2串联。电抗器L2以及电容C6的设置，能够将二极管整流后的方波电压变成直流输出。
上述中，电容C1、电容C2和电容C5均由多个电容并联组成，以提高电路拓扑的电气性能。电阻R3和电阻R4均由三个电阻串联而成，以降低散热片表面温升减小对半导体功率器件的影响。
参见图2，是本发明DC/DC模块的硬件部分，该硬件部分包括易于从变流器箱体内部拆卸维护的PU组件1，以及可安装电路部分的电容组件2，PU组件1和电容组件2之间可拆卸的连接，此处可拆卸举例说明可为螺栓连接。
进一步参见图2-图6，进一步详述，PU组件1与电容组件2通过多块叠层母排电气连接，叠层母排分别为半桥回路母排15、谐振回路母排16、整流母排17、均压电容母排18和谐振电容母排19，以分别安装电路部分。其中，半桥回路母排15和谐振回路母排16均为“L”形结构，L形的水平面安装在功率半导体上，垂直面设计多个电气连接点用于与电容母排连接。整流母排17分为母排主体部分和对外连接铜排两大部分，对外输出的四个端子通过引入铜排的方式分成了上下两层结构。谐振电容母排19和均匀电容母排18的结构均为按照电路部分特定的排列串联或并联，并引出对外连接的端子。
继续参见图3，PU组件包含用于强迫风冷的散热片4，散热片上4集成有功率管VT1、功率管VT2、功率管VT3、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4。该PU组件上进一步设置有进风口和出风口，二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4间隔布置于进风口侧，功率管VT1、功率管VT2、功率管VT3间隔布置于出风口侧，PU组件包括长腰形桶状结构散热风道3，散热风道3通过铆接固定在散热片4底部，进风口处安装有用于将散热翅片密封的密封胶条。另外，电路部分中的功率半导体器件5通过螺栓安装在散热片基板上，两者接触面涂抹导热硅脂，确保热传导良好。功率半导体器件5与电容组件2通过PU叠层母排6连接，其水平安装在功率半导体上，并用螺栓进行电气连接和结构固定。绝缘板7通过六根长螺栓固定在散热片基板之上，不但实现光电连接器、驱动板8和RC吸收回路电容组9的安装与固定，又可实现功率半导体高压与驱动低压间的电气隔离与绝缘。PU组件1对外预留电气接口有变压器连接端子“TP+”“TP-”“TS+”“TS-”和低压直流输出“VOUT+”“VOUT-”，优选的实施例，所有端口通过绝缘子10固定在散热片一侧，以使统一对外接线以及布线更美观。
继续参见图4，电容组件2包括均压电容部分12和谐振电容部分13，均安装于铝制框架11上并整体固定在变流器箱体内部。
本发明的大功率中频DC/DC模块应用于高压大功率DC/DC拓扑中，其斩波IGBT和整流二极管均采用3300V高压功率半导体器件,限于高压半导体器件开关损耗较大，这使得功率半导体器件的发热较为严重，故本发明还设置有散热结构。因整流二极管D1～D4损耗最大发热最严重，为了保证其良好散热，优先将其均匀分布于散热片进口侧，斩波IGBT损耗也较大，但由于其散热面积较大故温升相对整流二极管次之，故将其布局在散热片出风口侧，谐振IGBT发热量最小且模块宽度与斩波IGBT相同，所以与斩波IGBT并列于出风口侧。为了保证不同发热量半导体模块间的相互影响，半导体模块间预留足够间隙，使其即可以保证半导体器件温升要求，又尽可能不增大散热片尺寸。
电路拓扑中电阻R1、电阻R2和电阻R3、电阻R4也为发热量较大电气器件，其设置为贴片封装结构，并将其放置在散热片上。其中，电阻R3、R4损耗较大发热量较高，为了降低散热片表面温升减小对半导体功率器件的影响，本发明采用三个电阻串联的结构，即R3由R3-1、R3-2、R3-3三个电阻串联，R4由R4-1、R4-2、R4-3三个电阻串联。

Claims (10)

1.一种高压大功率DC/DC模块，包括电路部分，其特征在于：电路部分包括顺次相连的输入滤波回路、变压器和输出整流回路，其中，输入滤波回路包括连接电源输入端的电抗器L1，串联于电抗器L1输出端的电阻R1和电阻R2，串联于电抗器L1输出端的电容C1和电容C2，以及串联于电抗器L1输出端的功率管VT1和功率管VT2，其中，电容C1和电容C2的两端同时与电阻R1和电阻R2的两端并联；功率管VT1和功率管VT2的两端同时并联于电容C1和电容C2的两端；变压器包括输入线圈和输出线圈，输入线圈的其中一端连接电阻R1和电阻R2的中部，另外一端连接于功率管VT1和功率管VT2之间；输出整流回路包括两两串联为一组后并联设置的两组二极管，分别为二极管D1和二极管D2串联，二极管D3和二极管D4串联，串联后的两组二极管并联，其中变压器的输出线圈的两端分别连接于二极管D1和二极管D2之间以及二极管D3和二极管D4之间。
2.根据权利要求1所述的高压大功率DC/DC模块，其特征在于：电路部分进一步包括谐振软开关电路，谐振软开关电路包括串联设置的功率管VT3和电容C5，其中功率管VT3和电容C5的两端并联于二极管D3和二极管D4的两端。
3.根据权利要求1所述的高压大功率DC/DC模块，其特征在于：变压器为大功率中频变压器。
4.根据权利要求2所述的高压大功率DC/DC模块，其特征在于：功率管VT1、功率管VT2、功率管VT3和功率管VT4均为3300V高压大功率绝缘栅双极型功率管。
5.根据权利要求1所述的高压大功率DC/DC模块，其特征在于：DC/DC模块进一步包括硬件部分，该硬件部分包括易于从变流器箱体内部拆卸维护的PU组件，以及固定安装在箱体内部的电容组件，PU组件和电容组件之间可拆卸的连接。
6.根据权利要求5所述的高压大功率DC/DC模块，其特征在于：PU组件与电容组件件通过多块叠层母排电气连接，叠层母排分别为半桥回路母排、谐振回路母排、整流母排、均压电容母排和谐振电容母排，以分别安装电路部分。
7.根据权利要求5所述的高压大功率DC/DC模块，其特征在于：PU组件包含用于强迫风冷的散热片，散热片上集成有功率管VT1、功率管VT2、功率管VT3、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4。
8.根据权利要求6所述的高压大功率DC/DC模块，其特征在于：PU组件上设置有进风口和出风口，二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4间隔布置于进风口侧，功率管VT1、功率管VT2、功率管VT3间隔布置于出风口侧。
9.根据权利要求8所述的高压大功率DC/DC模块，其特征在于：PU组件包括长腰形桶状结构散热风道，散热风道通过铆接固定在散热片底部，进风口处安装有用于将散热翅片密封的密封胶条。
10.根据权利要求8所述的高压大功率DC/DC模块，其特征在于：电容组件包括均压电容部分和谐振电容部分，均安装于铝制框架上并整体固定在变流器箱体内部。
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