CN110445398A - 一种SiC-MOSFET功率单元 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及功率单元，主要用于机车系统的辅助供电，具体为一种SiC‑MOSFET功率单元。解决现有Si‑IGBT功率单元的结构不能完全适应SiC‑MOSFET功率单元的问题。SiC‑MOSFET功率单元包括左框架、右框架和夹于左、右框架之间的水冷板，固定于水冷板上的SiC‑MOSFET桥臂及其驱动板；在水冷板固定逆变SiC‑MOSFET桥臂的一面固定有电气连接绝缘线架，电气连接绝缘线架为“L”形绝缘条板，“L”形绝缘条板上半部分固定有铜排，铜排上设有三个接线端子，左框架上固定有两个用于高压信号布线的高压绝缘线架，高压绝缘线架为条形板。SiC‑MOSFET桥臂与其驱动板之间采用插头、插孔的连接方式。

Description

一种SiC-MOSFET功率单元
技术领域
本发明涉及功率单元，主要用于机车系统的辅助供电，具体为一种SiC-MOSFET功率单元。
背景技术
随着大功率半导体器件和变流技术飞速发展，要求电力电子装置具有更高的电压，更大的功率容量和更高的可靠性。由于在电压、功率耐量方面的限制， Si-IGBT功率器件不得不采用器件串、并联技术和复杂的电路拓扑来达到实际应用的要求，导致装置的故障率和成本大大增加，制约了现代电力电子技术在机车系统中的应用。近年来，作为一种新型的宽禁带半导体材料，SiC-MOSFET器件具有更高耐压等级、高温工作能力、更低导通损耗和开关损耗，在相同环境、工况及散热条件下，使用MOSFET的功率单元比使用IGBT的功率单元开关频率整体提高一倍，因此效率提高3%，变流器重量减少10%，体积也相应减少，因此，在功率单元中得到应用。
现有Si-IGBT功率单元，由于每块驱动板驱动一个桥臂的Si-IGBT，每块驱动板都需要一路电源信号，因此一个三相逆变电路需要三路电源信号，而变流柜一般只给一路电源信号，现有Si-IGBT功率单元设计采用电源板进行分压或者使用低压连接器进行分压，不仅增加安装空间，还增加设计成本。而SiC-MOSFET功率单元允许的安装空间更小，因此，上述结构不能适应SiC-MOSFET功率单元的需求。
现有Si-IGBT功率单元通过双绞线实现驱动板和Si-IGBT连接，或者驱动板直接焊接在Si-IGBT。采用双绞线连线，单位长度的驱动连线在驱动回路中引入的杂散电感较大，容易干扰驱动信号。Si-IGBT和驱动板在调试和应用过程中属于易损部件，驱动板直接焊接在Si-IGBT，技术人员不易维修和更换驱动板，导致产品维修成本变高。SiC-MOSFET相比Si-IGBT有更高的开关速度，对杂散电感的要求较高，要求尽量小的杂散电感,否则，驱动信号极易受到干扰，因此，上述结构也不能适应SiC-MOSFET功率单元的需求。
现有Si-IGBT功率单元驱动板有过压保护，驱动板需要检测主电路母线电压，而驱动低压信号和高压检测信号之间的布线没有电压隔离措施。而SiC-MOSFET功率单元则要求驱动低压信号和高压检测信号之间的布线需有电压隔离措施。
发明内容
本发明解决现有Si-IGBT功率单元的结构不能完全适应SiC-MOSFET功率单元的问题，提供一种SiC-MOSFET功率单元。在现有Si-IGBT功率单元的基础上，除了将Si-IGBT替换为SiC-MOSFET外，通过局部结构的改进，满足SiC-MOSFET功率单元的设计要求。
本发明是采用如下技术方案实现的：一种SiC-MOSFET功率单元，包括左框架、右框架和夹于左、右框架之间的水冷板，固定于水冷板上的SiC-MOSFET桥臂及其驱动板；在水冷板固定逆变SiC-MOSFET桥臂的一面固定有电气连接绝缘线架，电气连接绝缘线架为“L”形绝缘条板，“L”形绝缘条板由相互垂直的短板和长板构成，短板上开有固定孔，并通过短板上的固定孔将“L”形绝缘条板固定于水冷板上且长板垂直于水冷板，长板的上半部分固定有铜排，铜排上设有三个接线端子，铜排将三个接线端子连接而使三个接线端子等电位，三个接线端子用于驱动板电源信号连接和分压；长板的下半部分设有四个扎带孔，用于驱动低压信号布线固定，即节省了空间又减少了设计成本。
左框架上固定有两个用于高压信号布线的高压绝缘线架，高压绝缘线架为条形板，采用屏蔽性能好的材质，外表面喷涂绝缘层，实现绝缘性能又能减少电磁干扰，这样，高压信号在整个功率单元上部布线，而驱动低压信号通过安装在水冷板上的电气连接绝缘线架布线，形成高低压信号空间隔离。
SiC-MOSFET桥臂与其驱动板之间采用插头、插孔的连接方式，具体是驱动板通过绝缘柱安装在水冷板上，驱动板上的连接端子制成插孔，SiC-MOSFET桥臂上的连接端子制成插头，通过插头和插孔的插接实现SiC-MOSFET桥臂与其驱动板之间的连接；避免引入杂散电感，干扰驱动信号。
本发明带来的有益效果：1）将驱动板的驱动端子直接安装在SiC-MOSFET桥臂的驱动端子上，减少信号干扰，增加产品的可靠性，方便产品维修。2）带有电气连接绝缘线架设计，节省功率单元设计空间，又减少设计成本。3）高低压隔离布线结构布局，实现绝缘性能又能减少电磁干扰。
附图说明
图1为本发明所述SiC-MOSFET功率单元的电路原理图；
图2为本发明所述SiC-MOSFET功率单元中H桥逆变电路原理图；
图3为本发明所述SiC-MOSFET功率单元中全桥整流电路原理图；
图4为本发明所述SiC-MOSFET功率单元中三相逆变电路原理图；
图5为本发明所述SiC-MOSFET功率单元的左侧结构示意图；
图6为本发明所述SiC-MOSFET功率单元的右侧结构示意图；
图7为本发明所述SiC-MOSFET功率单元的水冷板的左侧结构示意图；
图8为本发明所述SiC-MOSFET功率单元的水冷板的右侧结构示意图；
图9为本发明所述SiC-MOSFET功率单元的电气连接绝缘线架的结构示意图；
图10为本发明所述SiC-MOSFET功率单元的SiC-MOSFET桥臂与其驱动板之间的插接结构示意图；
图11为本发明所述SiC-MOSFET功率单元的H桥逆变电路吸收电容固定结构示意图；
图12为本发明所述SiC-MOSFET功率单元的三相逆变电路吸收电容固定结构示意图。
图中：1-SiC-MOSFET桥臂，2-驱动板，3-水冷板，4-吸收电阻，5-电流传感器，6-放电电阻，7-电气连接绝缘线架，8-二极管，9-左框架，10-高压绝缘线架，11-右框架，12-三相逆变复合母排，13-H桥逆变复合母排，14－铜排，15－接线端子，16－扎带孔。
具体实施方式
一种SiC-MOSFET功率单元，包括左框架9、右框架11和夹于左、右框架之间的水冷板3，固定于水冷板3上的SiC-MOSFET桥臂1及其驱动板2；在水冷板3固定逆变SiC-MOSFET桥臂1的一面固定有电气连接绝缘线架7，电气连接绝缘线架7为“L”形绝缘条板，“L”形绝缘条板由相互垂直的短板和长板构成，短板上开有固定孔，并通过短板上的固定孔将“L”形绝缘条板固定于水冷板3上且长板垂直于水冷板3，长板的上半部分固定有铜排14，铜排14上设有三个接线端子15，铜排14将三个接线端子15连接而使三个接线端子15等电位，三个接线端子15用于驱动板2电源信号连接和分压；长板的下半部分设有四个扎带孔16，用于驱动低压信号布线固定，即节省了空间又减少了设计成本。
左框架9上固定有两个用于高压信号布线的高压绝缘线架10，高压绝缘线架10为条形板，采用电导率好的金属材料制成，外表面喷涂绝缘层，实现绝缘性能又能减少电磁干扰，这样，高压信号在整个功率单元上部布线，而驱动低压信号通过安装在水冷板3上的电气连接绝缘线架7布线，形成高低压信号空间隔离。
SiC-MOSFET桥臂1与其驱动板2之间采用插头、插孔的连接方式，具体是驱动板2通过绝缘柱安装在水冷板3上，驱动板2上的连接端子制成插孔，SiC-MOSFET桥臂1上的连接端子制成插头，通过插头和插孔的插接实现SiC-MOSFET桥臂1与其驱动板2之间的连接；避免引入杂散电感，干扰驱动信号。
如图1所示，本发明功率单元的电路拓扑包括H桥逆变电路、全桥整流电路、三相逆变电路、含有吸收电阻、吸收电容的吸收电路、含有电流传感器的电流检测电路等。功率器件采用SiC-MOSFET，此功率单元将直流网压经过全逆变、高频隔离、不控整流、可控逆变转换为三相四线制400V交流电压，提供给空压机、电加热等负载。
如图5－8所示，该功率单元主要由SiC-MOSFET桥臂1、驱动板2、水冷板3、吸收电阻4、电流传感器5、放电电阻6、电气连接绝缘线架7、二极管8、左框架9、高压绝缘线架10、右框架11、三相逆变复合母排12、H桥逆变复合母排13组成。功率单元以水冷板3为基础安装功率器件和电路板。三相逆变电路的SiC-MOSFET桥臂1及其驱动板2、吸收电阻4、放电电阻6、电流传感器5和电气连接绝缘线架7安装在水冷板3左侧；电气连接绝缘线架7固定在驱动板2和吸收电阻4之间；H桥逆变电路的SiC-MOSFET桥臂1及其驱动板2、吸收电阻4、放电电阻6、电流传感器5安装在水冷板3右侧；高压绝缘线架10安装在左框架9上。
如图2－4所示：
主电路部分：
V1～V2为半桥封装的SiC-MOSFET，为逆变电路的2个桥臂，组成H桥逆变电路。
C3～C7为SiC-MOSFET的吸收电容。由于SiC-MOSFET开关速度快，并且功率单元开关频率高，导致SiC-MOSFET在开通和关断的过程中会出现产生较大的电压尖峰，为了消除开关过程中的电压尖峰，因此需要在每个SiC-MOSFET桥臂1上安装一个吸收电容。由于SiC-MOSFET的开关速度快和电路中分布参数影响，导致SiC-MOSFET在开通和关断的过程中会出现产生较大的电压尖峰，因此采用H桥逆变复合母排13把H桥逆变电路的SiC-MOSFET桥臂1连起来，其吸收电容直接通过H桥逆变复合母排13安装在SiC-MOSFET桥臂1上；采用三相逆变复合母排12把三相逆变电路的SiC-MOSFET桥臂1连起来，其吸收电容直接通过三相逆变复合母排12安装在SiC-MOSFET桥臂1上，即节省了空间又减少主电路杂散电感，H桥逆变电路连接示意如图11，三相逆变电路连接示意如图12所示。
R15和R16为放电电阻，在功率单元不工作的时候，放电电阻必须在5分钟内把电容两端电压降到安全工作电压以内。
D1～D4为快恢复二极管模块， D1和D2串联、D3和D4串联组成全桥整流电路。
R7～R14为均压电阻，考虑到不控整流器件采用两个二极管串联存在均压问题，采用并联电阻达到均压的目的。
R1～R6和C1～C2组成RC吸收电路，吸收二极管反向恢复电压尖峰。
V3～V5为半桥封装的SiC-MOSFET，为逆变电路的3个桥臂，组成三相逆变电路。
①和②为H桥逆变电路的直流输入。
③和④为H桥逆变电路的交流输出。
⑤和⑥为全桥整流电路的交流输入。
⑦和⑧为全桥整流电路的直流输出。
⑨和⑩为三相逆变电路的直流输入。
⑾、⑿、⒀为三相逆变电路交流输出。
控制部分：
DRV1～DRV5是SiC-MOSFET的驱动电路，驱动方式采用一个驱动板驱动一个桥臂两支SiC-MOSFET。采用电信号进行驱动供电和PWM信号传输。上下桥臂PWM信号分别采用差分信号的形式，并带死区。驱动器实现对SiC-MOSFET的控制、保护和信号采集。
TA8为电流传感器，用来检测H桥逆变电路的输出电流。
TA11～TA13为电流传感器，用来检测三相逆变电路的输出电流。

Claims (8)

1.一种SiC-MOSFET功率单元，包括左框架(9)、右框架(11)和夹于左、右框架之间的水冷板(3)，固定于水冷板(3)上的SiC-MOSFET桥臂(1)及其驱动板(2)；其特征在于，在水冷板(3)固定逆变SiC-MOSFET桥臂(1)的一面固定有电气连接绝缘线架(7)，电气连接绝缘线架(7)为“L”形绝缘条板，“L”形绝缘条板由相互垂直的短板和长板构成，短板上开有固定孔，并通过短板上的固定孔将“L”形绝缘条板固定于水冷板(3)上且长板垂直于水冷板(3)，长板的上半部分固定有铜排(14)，铜排(14)上设有三个接线端子(15)，铜排(14)将三个接线端子(15)连接而使三个接线端子(15)等电位；左框架(9)上固定有两个用于高压信号布线的高压绝缘线架(10)，高压绝缘线架(10)为条形板。
2.根据权利要求1所述的一种SiC-MOSFET功率单元，其特征在于，长板的下半部分设有四个扎带孔(16)。
3.根据权利要求1或2所述的一种SiC-MOSFET功率单元，其特征在于，高压绝缘线架(10) 采用屏蔽性能好的绝缘材质制成，外表面喷涂绝缘层。
4.根据权利要求1或2所述的一种SiC-MOSFET功率单元，其特征在于，SiC-MOSFET桥臂(1)与其驱动板(2)之间采用插头、插孔的连接方式。
5.根据权利要求4所述的一种SiC-MOSFET功率单元，其特征在于，驱动板(2)通过绝缘柱安装在水冷板(3)上，驱动板(2)上的连接端子制成插孔，SiC-MOSFET桥臂(1)上的连接端子制成插头，通过插头和插孔的插接实现SiC-MOSFET桥臂(1)与其驱动板(2)之间的连接。
6.根据权利要求5所述的一种SiC-MOSFET功率单元，其特征在于，功率单元的电路拓扑包括H桥逆变电路、全桥整流电路、三相逆变电路、含有吸收电阻、吸收电容的吸收电路、含有电流传感器的电流检测电路；三相逆变电路的SiC-MOSFET桥臂(1)及其驱动板(2)、吸收电阻(4)、放电电阻(6)、电流传感器(5)和电气连接绝缘线架(7)安装在水冷板(3)左侧； H桥逆变电路的SiC-MOSFET桥臂(1)及其驱动板(2)、吸收电阻(4)、放电电阻(6)、电流传感器(5)安装在水冷板(3)右侧。
7.根据权利要求6所述的一种SiC-MOSFET功率单元，其特征在于，电气连接绝缘线架(7)固定在逆变SiC-MOSFET桥臂(1)的驱动板(2)和吸收电阻(4)之间。
8.根据权利要求7所述的一种SiC-MOSFET功率单元，其特征在于，每个SiC-MOSFET桥臂(1)上安装一个吸收电容；采用H桥逆变复合母排(13)把H桥逆变电路的SiC-MOSFET桥臂连起来，其吸收电容直接通过H桥逆变复合母排(13)安装在SiC-MOSFET桥臂(1)上；采用三相逆变复合母排(12)把三相逆变电路的SiC-MOSFET桥臂(1)连起来，其吸收电容直接通过三相逆变复合母排(12)安装在SiC-MOSFET桥臂(1)上。
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