CN109494993A - 一种高电压大电流混合型SiC-IGBT应用单元 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高电压大电流混合型SiC‑IGBT应用单元，包括散热装置、混合型SiC‑IGBT功率器件、驱动板、电气连接部件、绝缘部件、吸收电容、放电电阻、保护架和框架组件；混合型SiC‑IGBT功率器件单侧放置在散热装置一侧，装有驱动板的框架组件放置在散热装置的另一侧，吸收电容和放电电阻放置在散热装置后侧；混合型SiC‑IGBT功率器件、吸收电容和放电电阻与电气连接部件连接；电气连接部件设有用于与外部装置对接的输出接口，该输出接口放置在绝缘部件之上。其能够应用在大功率交流传动系统中，用于实现大功率交流传动系统的轻量化、低损耗和高开关频率等特性。
Description
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，涉及功率器件，尤其是一种高电压大电流混合型SiC-IGBT应用单元。
背景技术
随着电力电子技术的发展，电力电子变换系统对于效率和体积提出更高的要求，目前，Si-IGBT应用中器件功耗与开关频率的矛盾日益突出，为进一步提高系统效率和功率密度，在相同条件下，与Si-IGBT相比，新一代宽禁带半导体器件(以SiC器件为主)具有低功耗、小型化以及高功率密度的性能特点，从而实现功率单元、周边元器件以及冷却系统的小型化、轻量化设计。
现阶段，SiC功率器件主要包含SiC混合型IGBT(Si-IGBT和SiC肖特基二极管)和全SiC功率器件。
目前国外多个公司已经研发出适合轨道交通行业应用的高压大功率全SiC和SiC混合型IGBT模块；但对于3300V等级以上的混合型SiC-IGBT，国外及国内公司还处于产品测试阶段，还未产生批量应用状态。
而现有技术的功率器件为Si-IGBT，其损耗高，限制了开关频率的增长，其特性限制了大功率交流传动技术的发展，具体为：
Si-IGBT是指IGBT材质为硅材料(化学符号为Si)。当前变流技术发展阶段，Si-IGBT为功率变换的主流产品，Si-IGBT已成熟、大批量应用在大功率变流传动技术中。传统Si-IGBT功率器件内部并联使用的续流二极管为Si功率二极管，反向恢复损耗较大，使功率器件整体损耗偏大。在大功率交流传动系统中，开关频率越高，控制越精确，负载所需电压、电流谐波越小，但是由于Si-IGBT功率损耗与开关频率成正比，功率损耗太大，Si-IGBT出现故障而停止工作，故Si-IGBT的特性使得大功率传动系统的控制技术的应用受到很大限制。同时由于Si-IGBT器件损耗增大，为保证其可靠工作，冷却系统也需做的很大，导致整个变流器的重量、体积也很大。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种高电压大电流混合型SiC-IGBT应用单元，其能够应用在大功率交流传动系统中，用于实现大功率交流传动系统的轻量化、低损耗和高开关频率等特性。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
这种高电压大电流混合型SiC-IGBT应用单元，包括散热装置、混合型SiC-IGBT功率器件、驱动板、电气连接部件、绝缘部件、吸收电容、放电电阻、保护架和框架组件；所述混合型SiC-IGBT功率器件单侧放置在散热装置一侧，装有驱动板的框架组件放置在散热装置的另一侧，吸收电容和放电电阻放置在散热装置后侧；混合型SiC-IGBT功率器件、吸收电容和放电电阻与电气连接部件连接；所述电气连接部件设有用于与外部装置对接的输出接口，该输出接口放置在绝缘部件之上。
进一步，上述驱动板为3300V/1200A的IGBT驱动板。
进一步，上述吸收电容和放电电阻组成RC吸收电路用以降低混合型SiC-IGBT功率器件的关断电压。RC吸收电路设置在混合型SiC-IGBT功率器件的一个桥臂上。
进一步，上述吸收电容为8.7uF。
进一步，上述放电电阻为500KΩ，功率为250W。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的高电压大电流混合型SiC-IGBT应用单元，其能够使混合型SiC-IGBT的功耗比Si-IGBT在同等应用条件下缩减约三分之一，从而使整个应用单元功耗减小，有效减小了冷却系统的复杂性。
进一步的，本发明的应用单元结构紧凑，体积相对于现有技术明显减小，使得变流器的整个结构变小。
附图说明
图1为本发明实施例中四象限整流应用单元主电路拓扑结构图；
图2为本发明的应用单元组合视图。
其中：1为散热装置；2为混合型SiC-IGBT；3为驱动板；4为电气连接部件；5为绝缘部件；6为吸收电容C；7为放电电阻；8为保护架；9为框架组件。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图2：本发明的高电压大电流混合型SiC-IGBT应用单元，包括散热装置1、混合型SiC-IGBT功率器件2、驱动板3、电气连接部件4、绝缘部件5、吸收电容6、放电电阻7、保护架8和框架组件9；混合型SiC-IGBT功率器件2单侧放置在散热装置1一侧，装有驱动板3的框架组件9放置在散热装置1的另一侧，吸收电容6和放电电阻7放置在散热装置1后侧；混合型SiC-IGBT功率器件2、吸收电容6和放电电阻7与电气连接部件4连接；电气连接部件4设有用于与外部装置对接的输出接口，该输出接口放置在绝缘部件5之上。
吸收电容6和放电电阻7组成RC吸收电路用以降低混合型SiC-IGBT功率器件2的关断电压。RC吸收电路设置在混合型SiC-IGBT功率器件2的一个桥臂上。
以下结合实施例和附图对本发明做进一步详细说明：
实施例
本实施例以大功率交流传动系统中最常见的四象限整流功率单元为例描述功率器件为混合型SiC-IGBT的应用单元设计过程：
驱动问题：由于混合型SiC-IGBT功率器件封装内部IGBT材质依然为Si，反并联二极管材质为SiC，故混合型SiC-IGBT功率器件的驱动电路还是与IGBT相同。
吸收电路：混合型SiC-IGBT功率器件开通关断过程由于混合型SiC-IGBT中反并联二极管材质为SiC，其反向恢复速度快，损耗低，这就导致整个IGBT模块的关断电压会高，直接影响IGBT性能，故在一个桥臂上装RC吸收电路。RC吸收电路是由一个放电电阻R和尖峰吸收电容C组成。吸收电容的计算如下：
采用在直流回路接吸收电容的方法抑制IGBT的C—E间的电压值。
Lp----主电路母排分布电感，一般取1uH/m；
ΔU---最大电压尖峰
I0-----开关器件的最大工作电流
放电电阻的计算：模块电容的电压需通过电阻放电，R可按下式取值，即R＝t/(Cs*|ln(50/Umax)|)，其中：t为放电时间；Umax为直流回路最大电压。
结构布局：由于混合型SiC-IGBT封装与Si-IGBT做成统型，故Si-IGBT的三维结构完全适用于混合型SiC-IGBT；具体结构如图2所示。
功耗计算：由于混合型SiC-IGBT输入输出特性与Si-IGBT特性完全一致，故其功耗计算方式相同。但由于混合型SiC-IGBT的反并联二极管材质为SiC，故其损耗小于Si-IGBT。
图1为本实施例四象限整流应用单元主电路拓扑结构，其包含功率器件、驱动单元、吸收电路、高压连接装置组成。
进一步，本实施例为3300V/1200A混合型SiC-IGBT应用单元，该应用单元驱动板使用3300V/1200A的IGBT驱动板。经过计算，选择的吸收电容值和电阻值分别为8.7uF，500KΩ(电阻功率250W)。
综上所述，混合型SiC-IGBT利用IGBT内封装中二极管材料为碳化硅(化学符号为SiC)的特性，减少二极管反向恢复损耗，进而减少IGBT整体损耗。解决了功率器件的驱动问题、开关频率增大引起的关断过电压的问题以及功率模块结构与损耗计算问题。本发明适用于混合型SiC-IGBT特性的应用单元，应用在大功率交流传动系统中，用于实现大功率交流传动系统的轻量化、低损耗和高开关频率等特性。
Claims (6)
1.一种高电压大电流混合型SiC-IGBT应用单元，其特征在于，包括散热装置(1)、混合型SiC-IGBT功率器件(2)、驱动板(3)、电气连接部件(4)、绝缘部件(5)、吸收电容(6)、放电电阻(7)、保护架(8)和框架组件(9)；所述混合型SiC-IGBT功率器件(2)单侧放置在散热装置(1)一侧，装有驱动板(3)的框架组件(9)放置在散热装置(1)的另一侧，吸收电容(6)和放电电阻(7)放置在散热装置(1)后侧；混合型SiC-IGBT功率器件(2)、吸收电容(6)和放电电阻(7)与电气连接部件(4)连接；所述电气连接部件(4)设有用于与外部装置对接的输出接口，该输出接口放置在绝缘部件(5)之上。
2.根据权利要求1所述的高电压大电流混合型SiC-IGBT应用单元，其特征在于，所述驱动板(3)为3300V/1200A的IGBT驱动板。
3.根据权利要求1所述的高电压大电流混合型SiC-IGBT应用单元，其特征在于，所述吸收电容(6)和放电电阻(7)组成RC吸收电路用以降低混合型SiC-IGBT功率器件(2)的关断电压。
4.根据权利要求3所述的高电压大电流混合型SiC-IGBT应用单元，其特征在于，所述RC吸收电路设置在混合型SiC-IGBT功率器件(2)的一个桥臂上。
5.根据权利要求1所述的高电压大电流混合型SiC-IGBT应用单元，其特征在于，所述吸收电容(6)为8.7uF。
6.根据权利要求1所述的高电压大电流混合型SiC-IGBT应用单元，其特征在于，所述放电电阻(7)为500KΩ，功率为250W。
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