CN110868090A - SiC功率模块和包括其的电力机车蓄电池充电电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种SiC功率模块，与高频变压器配合用于电力机车蓄电池充电电路，SiC功率模块包括：功率模块输入端、半桥逆变器、整流器和功率模块输出端，其中，功率模块输入端用于输入直流电压，半桥逆变器连接到功率模块输入端上，用于将直流电压逆变为交流电压并输送给充电电路的高频变压器，半桥逆变器包括两个输入电容器和构成桥臂的两个SiC开关器件，SiC开关器件由IGBT开关管和碳化硅二极管组成，交流电压通过高频变压器被隔离变压，并经过整流器输送给功率模块输出端。本发明还公开了一种包括SiC功率模块的电力机车蓄电池充电电路。

Description

SiC功率模块和包括其的电力机车蓄电池充电电路
技术领域
本发明涉及一种SiC功率模块以及一种包括SiC功率模块的电力机车蓄电池充电电路。
背景技术
电力机车在启动或运行过程，蓄电池是必不可少的一个设备，能够为蓄电池稳定可靠的充电，为110V负载供电的电路研制成为了电力机车电气设计中一个重要的环节。
蓄电池充电电路一般由机车辅助供电线路中包含的直流电源直接供电或采用电力机车上常见380V交流电源作为蓄电池充电电路的电源输入。蓄电池充电电路中主要的电路变换器件是功率模块和高频变压器，功率模块中的开关器件通常采用半导体硅材料制备的IGBT和二极管，开关器件在导通过程和开关过程中都会有功率损耗，需要设计较大的散热片。
发明内容
为解决以上问题，本发明的一个目的是提供一种SiC功率模块以及一种包括SiC功率模块的电力机车蓄电池充电电路。
本发明提供了一种SiC功率模块，其与高频变压器配合用于电力机车蓄电池充电电路，SiC功率模块包括：功率模块输入端、半桥逆变器、整流器和功率模块输出端，其中，功率模块输入端用于输入直流电压，半桥逆变器连接到功率模块输入端上，用于将直流电压逆变为交流电压并输送给充电电路的高频变压器，半桥逆变器包括两个输入电容器和构成桥臂的两个SiC开关器件，SiC开关器件由IGBT开关管和碳化硅二极管组成，交流电压通过高频变压器被隔离变压，并经过整流器输送给功率模块输出端。
根据本发明有利的是，整流器被构造为全桥整流器或半桥整流器，构成整流器的整流二极管被构造为碳化硅二极管。
根据本发明有利的是，SiC功率模块集成有驱动板卡，驱动板卡包括门极驱动单元。
根据本发明有利的是，SiC功率模块集成有散热器。
根据本发明有利的是，整流器包括彼此串联的充电电容器和充电电阻。
本发明还提出一种电力机车蓄电池充电电路，该充电电路包括上述根据本发明的SiC功率模块。
根据本发明有利的是，充电电路包括从充电电路输入端接收三相电压的三相不控整流桥，通过三相不控整流桥将三相电压转变为直流电压。
根据本发明有利的是，三相电压来自机车辅助变流器输出电源。
根据本发明有利的是，充电电路还包括滤波电路，滤波电路连接在功率输出模块输出端上，其具有串联的续流电感以及并联的输出稳压电容器。
根据本发明有利的是，充电电路在三相不控整流桥与SiC功率模块之间包括：并联的中间串联RC电路，中间串联RC电路由RC电路电阻和RC电路电容器串联组成；串联的电抗器。
从以下结合附图的本发明的详细描述中，本发明的前述及其它的目的、特征、方面和优点将变得更为明显。
附图说明
附图被包含于本文以提供对本发明的进一步的理解，并且被并入本说明书中，构成本说明书的一部分，附图示出了本发明的实施例，并与下面的描述一起用于说明本发明的理念。
在附图中：
图1示出了根据本发明的电力机车蓄电池充电电路的电气原理图；
图2示出了作为电力机车蓄电池充电电路关键部分的混合SiC功率模块的外形图；
图3示出了高频变压器输入电压波形。
附图标记列表
100 SiC功率模块
110 半桥逆变器
111 平衡电阻
112 平衡电阻
113 输入电容器
114 输入电容器
115 SiC开关器件
116 SiC开关器件
120 整流器
121 整流二极管
122 整流二极管
123 充电电容器
124 充电电阻
125 连接端子
126 连接端子
127 连接端子
130 驱动板卡
200 三相不控整流器
300 中间串联RC电路
301 电抗器
302 RC电路电阻
303 RC电路电容器
400 高频变压器
500 滤波电路
501 续流电感
502 输出稳压电容器
BAT 蓄电池
CVS 三相不控整流桥
TF 高频变压器
Up 高频变压器输入端电压
UE 半桥逆变器输入直流电压
T 半桥逆变器工作周期
tON 半桥逆变器IGBT导通时间
具体实施方式
下面将参照附图详细描述本发明。
尽管本发明很容易具有多种不同形式的实施例，但示出在附图中且本文将详细说明的是几个具体实施例，同时应理解的是，本说明书应视为本发明原理的一个示例，且不意欲将本发明限制于本文所示出的附图。
同样地，对一特征或方面的引用意欲描述本发明的一实例的一特征或方面，不意味着其每个实施例必须具有所述的特征或方面。此外，应该注意的是，说明书示出了多个特征。尽管某些特征已组合在一起以说明潜在的系统设计，但是这些特征还可以采用其它未明确公开的组合。因此，除非另有说明，所述组合不意欲为限制。
在附图中所示出的实施例中，方向表示诸如上、下、左、右、前和后等不是绝对的，而是相对的，用于解释本发明中不同部件的结构和运动。当部件处于图中所示的位置时，这些表示是恰当的。但是，如果元件位置的说明发生变化，那么认为这些表示也将相应地发生变化。
图1示出了根据本发明的电力机车蓄电池充电电路的电气原理图。该充电电路用于给电力机车蓄电池充电。如图1所示，根据本发明的蓄电池充电电路，其组成部件分为三相不控整流器200、SiC功率模块100、高频变压器400和其它部件。AC380V电路输入电源来自机车辅助变流器输出电源，三相电压经过三相不控整流桥(CVS)200，变换成脉动直流电压，该三相不控整流桥200优选被构造为SiC不控整流模块，该SiC不控整流模块的电子器件由SiC制成。在三相不控整流桥200与SiC功率模块100之间，该充电电路包括并联设置的中间串联RC电路300，该中间串联RC电路300由RC电路电阻302、RC电路电容器303组成，并包括串联的电抗器301、尤其是输入平波电感或者说直流电压平波电抗器，用以吸收和过滤交流脉动直流电压的交流成分，从而提供一个较为理想的直流电压。
根据本发明，充电电路具有SiC功率模块100，SiC功率模块100参见图2被集成式地构造，主要包括：功率模块输入端、半桥逆变器110、整流器120和功率模块输出端。功率模块输入端用于从三相不控整流桥200接收直流电压，半桥逆变器110连接到功率模块输入端上，用于将直流电压逆变为交流电压并然后将其输送给充电电路的高频变压器300，其中，半桥逆变器110具有电容器支路和构成桥臂的两个SiC开关器件115、116，并联有大阻值的两个平衡电阻111和112用于输入电容器113和114的电压平衡，通过输入电容器113、114和SiC开关器件115、116组成的单相半桥逆变电路将直流电压逆变为高频的交流方波电压。该高频的交流方波电压通过高频变压器(TF)400被隔离变压，再经过包括整流二极管121和122的全波整流器120进行整流，整流后的直流电压通过功率模块输出端被输送给滤波电路500。
根据本发明，滤波电路500后置连接到SiC功率模块100上，其具有串联的续流电感501和并联的充电电路输出稳压电容器502。滤波后的直流电压被输出作为DC110V电源。DC110V电源供给机车上的蓄电池充电，同时也可以给DC110V负载供电。
参考图1和图2，根据本发明的集成式SiC功率模块100主要包括：2个输入电容器113和114；平衡电阻111和112；混合SiC开关器件115、116构成的桥臂；2个SiC整流二极管121和122；充电电容器123和充电电阻124；驱动板卡130，驱动板卡130例如具有门极驱动单元；以及1个P21型散热器140。示例性地，该功率模块总重量20kg，整体尺寸(L×W×H)为368×370×284mm，其中散热器140采用专用铝(Al)散热基板。图2中“125”、“126”、“127”、“+”和“-”分别对应图1中SiC功率模块100中的相应连接端子。
根据本发明的蓄电池充电电路，其中功率模块中所涉及的整流二极管都采用碳化硅材料，半桥逆变桥臂中的SiC开关器件115、116采用混合SiC功率模块，例如将IGBT开关管与碳化硅肖特基续流二极管结合。碳化硅二极管开关损耗非常低，功率模块采用碳化硅半导体技术，模块的散热量减少约50％。
本发明的蓄电池充电电路由于功率模块采用碳化硅器件造成发热量的显著减少，在满足散热的情况下提高了开关器件的工作频率。高频变压器400运行时，随着半桥逆变器110的IGBT开关管交替导通，磁通量变化也是交替的，高频变压器400工作电压的高频化，使变压器体积可以有利地做得更小，这是因为高频变压器设计中，随着变压器的工作频率的提高，变压器磁芯、绕线匝数会减小，相应的变压器体积会减小。图3示例性示出了变压器输入电压波形。
前述的实施例和优点仅是示例性的，而不能视为对本发明的限制。本文的描述旨在示例，而不是限制权利要求的范围。对于本领域的技术人员而言，多种替换方案、改型和修改都是显而易见的。本文所描述的示例性实施例的特征、结构、方法以及其它特性可以多种方式组合，从而得到其它的和/或可替换的示例性实施例。
由于在不背离本发明的特性的情况下，可以多种形式来体现本发明的特征，所以还应该理解的是，上述实施例不局限于以上描述的任何细节，除非另外注明，而应该宽泛地解释为处于所附权利要求限定的范围内，因此，落入权利要求的范围和界限或者这种范围和界限的等效方案内的所有修改和改型都应该为所附权利要求涵盖。

Claims (10)

1.一种SiC功率模块(100)，其与高频变压器(400)配合用于电力机车蓄电池充电电路，其特征在于，所述SiC功率模块(100)包括：功率模块输入端、半桥逆变器(110)、整流器(120)和功率模块输出端，其中，
所述功率模块输入端用于输入直流电压，
所述半桥逆变器(110)连接到所述功率模块输入端上，用于将所述直流电压逆变为交流电压并输送给充电电路的所述高频变压器(400)，所述半桥逆变器(110)包括两个输入电容器(113、114)和构成桥臂的两个SiC开关器件(115、116)，所述SiC开关器件(115、116)由IGBT开关管和碳化硅二极管组成，
所述交流电压通过所述高频变压器(400)被隔离变压，并经过所述整流器(120)输送给功率模块输出端。
2.根据权利要求1所述的SiC功率模块，其特征在于，所述整流器(120)被构造为全桥整流器或半桥整流器，构成所述整流器(120)的整流二极管(121、122)被构造为碳化硅二极管。
3.根据权利要求1或2所述的SiC功率模块，其特征在于，所述SiC功率模块(100)集成有驱动板卡(130)，所述驱动板卡(130)包括门极驱动单元。
4.根据权利要求1或2所述的SiC功率模块，其特征在于，所述SiC功率模块(100)集成有散热器(140)。
5.根据权利要求1或2所述的SiC功率模块，其特征在于，所述整流器(120)包括彼此串联的充电电容器(123)和充电电阻(124)。
6.一种电力机车蓄电池充电电路，其特征在于，所述充电电路包括根据权利要求1至5中任一项所述的SiC功率模块(100)。
7.根据权利要求6所述的电力机车蓄电池充电电路，其特征在于，所述充电电路包括从充电电路输入端接收三相电压的三相不控整流桥(200)，通过所述三相不控整流桥(200)将所述三相电压转变为所述直流电压。
8.根据权利要求7所述的电力机车蓄电池充电电路，其特征在于，所述三相电压来自机车辅助变流器输出电源。
9.根据权利要求6所述的电力机车蓄电池充电电路，其特征在于，所述充电电路还包括滤波电路(500)，所述滤波电路(500)连接在所述功率模块输出端上，其具有串联的续流电感(501)以及并联的输出稳压电容器(502)。
10.根据权利要求7所述的电力机车蓄电池充电电路，其特征在于，所述充电电路在所述三相不控整流桥(200)与所述SiC功率模块(100)之间包括：并联的中间串联RC电路(300)，所述中间串联RC电路(300)由RC电路电阻(302)和RC电路电容器(303)串联组成；串联的电抗器(301)。
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