CN109412391A - 基于SiC器件的高集成度双面水冷功率组件 - Google Patents

基于SiC器件的高集成度双面水冷功率组件 Download PDF

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杜会卿
孙科
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Abstract

本发明提出了一种基于SiC器件的高集成度双面水冷功率组件，包括整流单元，逆变单元和制动单元和平板水冷散热器；所述平板水冷散热器一侧布置所述整流单元；另一侧布置所述逆变单元和所述制动单元；所述平板水冷散热器一侧布置所述整流单元；另一侧布置所述逆变单元和所述制动单元；所述整流单元通过正负叠层母排实现与所述逆变单元和制动单元的连接；在所述整流单元的三相交流进线侧设置进水口，在所述逆变单元的三相交流出线侧设置出水口。本发明降低了变频器体积重量、噪声的同时提高了输出性能；采用即插即用式数字化驱动器，可实时监测功率模块温度和电压数据，并反馈七种故障状态，便于故障定位；驱动电源采用隔离电源，提高了供电可靠性。

Description

基于SiC器件的高集成度双面水冷功率组件
技术领域
本发明属于船舶配套领域，具体涉及基于SiC器件的高集成度双面水冷功率组件。
背景技术
全电力推进技术凭借其噪声低、调速性能好、效率高、体积重量小、布置灵活等优点，备受船舶市场青睐。作为系统中推进电机的动力源泉，推进变频器的性能好坏直接关系到推进电机的工作性能，是保证推进系统和整个船舶动力系统高效、高性能运行的关键环节。
功率组件是变频器的核心部件，由半导体器件、驱动器、支撑电容器、传感器、散热器及母排等集成。随着半导体器件技术、高效冷却技术、智能驱动技术的发展，高集成度和智能化成为功率组件发展趋势。同时，在船舶应用环境较为苛刻的场合中，对功率组件的要求越来越高，促使功率组件不断向高频化、高功率密度、高效率和高可靠性等方向发展，在特定场合可能需要同时满足多项性能指标的要求，这对功率组件的设计提出了更大的挑战。
新型SiC半导体器件与Si器件相比，具有更低的导通电阻、更低的结壳热阻、更高的击穿电压和更高的高温工作能力，但若只是用SiC器件去简单的替代现有功率组件中的Si器件，虽然功率组件的性能会得到一定程度的提高，但很难最大程度地发挥SiC器件的优势与潜力，而若要进一步显著提升系统性能，则需综合考虑电、磁、热等方面，对散热效果和器件排布等方面进行优化设计，充分利用现有技术，实现功率组件性能的最优化。
发明内容
本发明的目的旨在提供一种基于SiC器件的高集成度双面水冷功率组件，主要适用于交-直-交电力推进变频器，可极大程度提高系统的功率密度、工作效率和输出性能，满足现代船舶设计需求。
一种基于SiC器件的高集成度双面水冷功率组件，包括整流单元，逆变单元和制动单元和平板水冷散热器；
所述平板水冷散热器一侧布置所述整流单元；另一侧布置所述逆变单元和所述制动单元；所述平板水冷散热器一侧布置所述整流单元；另一侧布置所述逆变单元和所述制动单元；所述整流单元通过正负叠层母排实现与所述逆变单元和制动单元的连接；
在所述整流单元的三相交流进线侧设置进水口，在所述逆变单元的三相交流出线侧设置出水口。
所述整流单元将输入三相交流电压整形为直流电压，并输出至逆变单元和制动单元。
所述整流单元包括3组二极管、直流熔断器、电压传感器、电流传感器和放电电阻，输入三项交流电压通过所述3组二极管构成的六脉波不控整流桥输出直流电压，正线穿过所述直流熔断器后作为正直流母线，负线穿过所述电流传感器作为负直流母线，所述正直流母线和所述负直流母线间并联所述电压传感器和所述放电电阻。
所述逆变单元执行逆变功能，产生符合指令要求的变频变脉宽的脉冲电压施加到电机定子绕组端口，从而驱动推进电机按要求旋转。
所述逆变单元包括支撑电容，3组SiC功率模块，吸收电容和电流传感器；输入直流电压正负线分别连接所述支撑电容两端，通过所述SiC功率模块构成的三相逆变桥输出交流变频电压，并经由所述电流传感器进行采样后输出，所述吸收电容用于吸收由母排杂散电感引起的尖峰电压。
所述制动单元用于当直流母线电压超过最大限值时，将多余能量从中间直流电路引出到制动电阻上。
所述制动单元包括制动模块和二极管，正直流母线接至由制动模块构成的斩波器，二极管阳极接至制动电阻一端，二极管阴极接至制动电阻另一端，同时二极管阳极接至负直流母线。
本发明采用全控型SiC功率模块作为逆变单元主功率器件，开关频率高达15kHz以上，降低变频器体积重量、噪声的同时提高了输出性能；采用即插即用式数字化驱动器，可实时监测功率模块温度和电压数据，并反馈七种故障状态，便于故障定位；驱动电源采用隔离电源，提高了供电可靠性。
本发明驱动器与对外航插接口间采用双层屏蔽层(网状屏蔽与铝箔屏蔽)双绞线缆，提高系统的抗干扰能力。
本发明优化了叠层母排设计，母排内各电连接距离间隔短，降低了回路杂散电感，可靠性高，结构强度好。
附图说明
图1为基于SiC器件的高集成度双面水冷功率组件拓扑结构图；
图2为双面水冷散热器外形图；
图3为双面水冷散热器内部管路图；
图4为功率组件的整流单元结构布局图；
图5为逆变单元和制动单元结构布局图。
图中，1-整流单元、2-逆变单元、3-制动单元、4-二极管模块、5-直流熔断器、6-电压传感器、7-电流传感器、8-放电电阻、9-支撑电容、10-三组SiC功率模块、11-吸收电容、12-电流传感器、13-制动模块；14-平板水冷散热器；15-水冷板进水口；16-水冷板出水口。
具体实施方式
本发明的目的旨在提供一种基于SiC器件的高集成度双面水冷功率组件，主要适用于交-直-交电力推进变频器，可极大程度提高系统的功率密度、工作效率和输出性能，满足现代船舶设计需求。
图1为基于SiC器件的高集成度双面水冷功率组件拓扑结构图,将图1所示的整流单元1、逆变单元2和制动单元3集成为一体，同时实现交直流电能变换和电机能耗制动的功能。
功率组件采用如图2所示的背靠背式双面水冷散热方式，平板水冷散热器14一侧布置整流单元1，另一侧布置逆变2单元和制动单元3，结构紧凑，集成度高；如图3所示，平板水冷散热14器采用双面非对称敷设管路，根据实际的发热量和元件布局，一侧敷设整流单元1，另一侧敷设逆变单元2和制动单元3，同时将水冷板进水口15设置在发热量较小的整流侧，将水冷板出水口16设置在发热量较大的逆变侧，充分利用了整个水冷管路，散热效果优良。
功率组件采用标准化航插接口和快速水路接头，采用螺栓进行紧固安装，维修时只需松开固定螺栓，拔出航空插头和快速接口，即可轻松将功率组件拉出，既缩减了整个装置的维修时间，又防止管路插拔时冷却液的泄露。
功率组件中整流单元1的作用是将输入三相交流电压整形为直流电压，并输出至逆变单元和制动单元。
如图1所示，主回路由三组二极管模块4、直流熔断器5、电压传感器6、电流传感器7和放电电阻8组成，结构中同时还包括复合叠层母排，铜排和绝缘件。输入三相交流电压通过由二极管模块D1～D3构成的六脉波不控整流桥输出直流电压，其中正线穿过熔断器F1后作为正直流母线，负线穿过电流传感器I1后作为负直流母线，正负直流母线间并联电压传感器V1和放电电阻R1。
功率组件中逆变单元主要执行逆变功能，用于产生符合指令要求的变频变脉宽的脉冲电压施加到电机定子绕组端口，从而驱动推进电机按要求旋转。
如图1所示，主回路由支撑电容9、三组SiC功率模块10、吸收电容11和电流传感器12组成，结构中同时还包括数字驱动器、复合叠层母排、铜排和绝缘件。输入直流电压正负线分别连接支撑电容C1两端，进而通过由SiC功率模块Q1～Q3构成的三相逆变桥输出交流变频电压，并经由电流传感器I2～I4进行采样后输出，Cs1～Cs3用于吸收由母排杂散电感引起的尖峰电压。
功率组件中制动单元的作用是当直流母线电压超过某一最大限值时，将多余能量从中间直流电路引出到制动电阻上。
如图1所示，主回路主要由制动模块13组成，结构中同时还包括数字驱动器、复合叠层母排、铜排和绝缘件。输入直流电压正线接至由制动模块Qb1构成的斩波器，二极管阳极接至制动电阻一端，二极管阴极接至制动电阻另一端，同时二极管阳极接至负直流母线。
本发明采用全控型SiC功率模块作为逆变单元主功率器件，开关频率高达15kHz以上，降低变频器体积重量、噪声的同时提高了输出性能；采用即插即用式数字化驱动器，可实时监测功率模块温度和电压数据，并反馈七种故障状态，便于故障定位；驱动电源采用隔离电源，提高了供电可靠性。
本发明驱动器与对外航插接口间采用双层屏蔽层(网状屏蔽与铝箔屏蔽)双绞线缆，提高系统的抗干扰能力。
本发明优化了叠层母排设计，母排内各电连接距离间隔短，降低了回路杂散电感，可靠性高，结构强度好。
本发明的关键点具体如下：功率组件采用多功能集成化设计思想，将整流单元、逆变单元和制动单元集成为一体。功率组件采用背靠背式双面水冷散热方式，结构紧凑，集成度高；平板水冷散热器采用双面非对称敷设管路，散热效果优良。功率组件采用标准化航插接口和快速水路接头，便于维护。采用全控型SiC功率模块作为逆变单元主功率器件，提高了系统的功率密度和工作性能。采用即插即用式数字化驱动器，可实时监测温度和电压数据，并进行故障定位与保护。采用双层屏蔽层(网状屏蔽与铝箔屏蔽)双绞线缆作为高频驱动信号传输通路，提高系统的抗干扰能力。优化叠层母排设计，降低了回路杂散电感，提高了可靠性。

Claims (7)

1.一种基于SiC器件的高集成度双面水冷功率组件，包括整流单元，逆变单元和制动单元和平板水冷散热器；
所述平板水冷散热器一侧布置所述整流单元；另一侧布置所述逆变单元和所述制动单元；所述平板水冷散热器一侧布置所述整流单元；另一侧布置所述逆变单元和所述制动单元；所述整流单元通过正负叠层母排实现与所述逆变单元和制动单元的连接；
在所述整流单元的三相交流进线侧设置进水口，在所述逆变单元的三相交流出线侧设置出水口。
2.根据权利要求1所述的一种基于SiC器件的高集成度双面水冷功率组件，其特征在于，所述整流单元将输入三相交流电压整形为直流电压，并输出至逆变单元和制动单元。
3.根据权利要求2所述的一种基于SiC器件的高集成度双面水冷功率组件，其特征在于，所述整流单元包括3组二极管、直流熔断器、电压传感器、电流传感器和放电电阻，输入三项交流电压通过所述3组二极管构成的六脉波不控整流桥输出直流电压，正线穿过所述直流熔断器后作为正直流母线，负线穿过所述电流传感器作为负直流母线，所述正直流母线和所述负直流母线间并联所述电压传感器和所述放电电阻。
4.根据权利要求1所述的一种基于SiC器件的高集成度双面水冷功率组件，其特征在于，所述逆变单元执行逆变功能，产生符合指令要求的变频变脉宽的脉冲电压施加到电机定子绕组端口，从而驱动推进电机按要求旋转。
5.根据权利要求4所述的一种基于SiC器件的高集成度双面水冷功率组件，其特征在于，所述逆变单元包括支撑电容，3组SiC功率模块，吸收电容和电流传感器；输入直流电压正负线分别连接所述支撑电容两端，通过所述SiC功率模块构成的三相逆变桥输出交流变频电压，并经由所述电流传感器进行采样后输出，所述吸收电容用于吸收由母排杂散电感引起的尖峰电压。
6.根据权利要求3所述的一种基于SiC器件的高集成度双面水冷功率组件，其特征在于，所述制动单元用于当直流母线电压超过最大限值时，将多余能量从中间直流电路引出到制动电阻上。
7.根据权利要求6所述的一种基于SiC器件的高集成度双面水冷功率组件，其特征在于，所述制动单元包括制动模块和二极管，正直流母线接至由制动模块构成的斩波器，二极管阳极接至制动电阻一端，二极管阴极接至制动电阻另一端，同时二极管阳极接至负直流母线。
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