CN110890830A - 一种用于高频变流器功率模块的直流换流回路模块 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于高频变流器功率模块的直流换流回路模块，所述直流换流回路模块包括：直流电容，所述直流电容包括多级电容芯体和电容引出电极；叠层母排，所述多级电容芯体通过叠层母排实现直流回路的功率互联；以及SiC功率半导体器件，所述SiC功率半导体器件具有SiC功率半导体器件功率输出端子，所述SiC功率半导体器件功率输出端子与所述电容引出电极直接连接；其中，所述直流换流回路模块不具有直流母排。

Description

一种用于高频变流器功率模块的直流换流回路模块

技术领域

本发明涉及电力电子技术应用领域，尤其涉及基于SiC功率半导体器件的高频应用。

背景技术

传统的Si材料功率器件虽得到广泛应用，但由于其受到自身材料和结构的限制，并不适用于一些高压、高温、高效率以及高功率密度的场合。如今，以碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)材料为代表的宽禁带半导体材料的出现引起了学者们的注意，与传统的Si材料关于物理特性的比较，SiC材料功率器件具有独特的物理结构，概括为如下几点特性及优点：1)较高的击穿场强使其能够实现高电压工作；2)较快的电子饱和漂移速度使其开关损耗较小，更适于高频化工作；3)工作温度很高，简化了冷却系统，减小散热器的体积重量。

在相同功率等级下，宽禁带半导体材料功率器件的应用可以降低电路开关损耗，提高电路的开关频率，减小无源元件的体积与重量，增加变流器的功率密度，同时变流器的效率也得到了大幅度的提升。

但是，随着SiC半导体器件在变流器功率模块中的应用越来越广泛，对于变流器功率模块的直流换流的设计产生了新的问题和更高的要求，现有的变流器功率模块设计方案的已无法满足使用要求，主要不足描述如下：

1、高频SiC变流器功率模块的器件的开关频率较传统的Si器件大幅提升，对于器件到电容的直流换流回路的低感性要求更高，现有技术方案无法满足要求。

2、随着SiC变流器功率模块中的器件开关频率提升，对于直流侧电容吸收性能提出更宽、更高频段的吸收要求，现有直流换流回路高频吸收性能无法满足要求。

3、随着SiC变流器功率模块中的器件开关频率提升，对于器件到电容的直流换流回路高频电流路径杂散电感和肌肤效应问题更加显著，会带来更大发热，现有直流换流回路设计无法满足要求。

因此，亟需一种有效解决高频变流系统中直流换流回路中杂散电感、高频振荡、高频发热等的关键问题，从而实现SiC变流器模块的高频化应用。

发明内容

鉴于SiC半导体器件的高频应用特性，为了解决变流器功率模块在直流换流过程中在所面临的电容器低感换流、高频吸收、高频发热等的技术问题，本发明提供了一种用于高频变流器功率模块的直流换流回路模块。

所述直流换流回路模块包括：

直流电容，所述直流电容包括多级电容芯体和电容引出电极；

叠层母排，所述多级电容芯体通过叠层母排实现直流回路的功率互联；以及

SiC功率半导体器件，所述SiC功率半导体器件具有SiC功率半导体器件功率输出端子，所述SiC功率半导体器件功率输出端子与所述电容引出电极直接连接；

其中，所述直流换流回路模块不具有直流母排。

在一个实施例中，所述多级电容芯体包括吸收电容芯体、支撑电容芯体以及高频电容芯体。

在一个实施例中，所述吸收电容芯体被配置成近吸收SiC功率半导体器件的尖峰过压。

在一个实施例中，所述支撑电容芯体被配置成滤出主要频段的纹波，支撑直流母线电压。

在一个实施例中，所述高频电容芯体被配置成滤出更高频段的纹波，减少直流回路高频振荡。

在一个实施例中，所述高频电容芯体根据实际变流系统参数拆解为多级高频电容芯体。

在一个实施例中，所述SiC功率半导体器件功率输出端子与电容引出电极之间通过连接螺栓直接连接。

在一个实施例中，所述SiC功率半导体器件为多个半桥SiC功率半导体器件。

在一个实施例中，所述直流电容底部安装有散热器台面。

在一个实施例中，所述散热器台面上设置有散热器。

本发明所提出的用于高频变流器功率模块的直流换流回路模块解决了变流器功率模块在直流换流过程中在所面临的电容器低感换流、高频吸收、高频发热等的关键技术问题，其至少有以下技术效果：

1)本发明的用于高频SiC变流器功率模块的直流换流回路模块中，电容与SiC功率半导体器件采用直接连接的方式，较传统模块省去直流母排环节的杂散电感。

2)本发明的用于高频SiC变流器功率模块的直流换流回路模块中，直流电容采用多级吸收与低感互联的方案，通过直流电容多级吸收的内部低感互联，解决了SiC变流器功率模块高频电能变化过程中引起的高频振荡问题。

3)本发明还解决了高频SiC变流器功率模块的直流换流回路高频发热的问题，即通过降低回路杂散参数，降低肌肤效应、增加电容散热能力的方法，综合解决了SiC变流器功率模块高频电能变化过程中引起的高频发热问题。

附图说明

本发明的以上发明内容以及下面的具体实施方式在结合附图阅读时会得到更好的理解。需要说明的是，附图仅作为所请求保护的发明的示例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的元素。

图1示出根据本发明一实施例的基于SiC功率半导体器件的典型变流器功率模块电路原理图；

图2示出根据本发明一实施例的基于SiC功率半导体器件的典型变流器功率模块的模块结构图；

图3示出图2的变流器功率模块的截面图。

具体实施方式

以下在具体实施方式中详细叙述本发明的详细特征以及优点，其内容足以使任何本领域技术人员了解本发明的技术内容并据以实施，且根据本说明书所揭露的说明书、权利要求及附图，本领域技术人员可轻易地理解本发明相关的目的及优点。

本发明提供了一种使用在变流器功率模块的直流换流回路设计方法，特别是涉及基于SiC功率半导体器件的高频应用，能够有效解决高频变流系统中直流换流回路中杂散电感、高频振荡、高频发热等的关键问题，从而实现SiC变流器模块的高频化应用。

本发明所述的SiC变流器功率模块的直流换流回路是指SiC功率半导体器件与直流电容之间，通过SiC功率半导体器件开关动作引起的与换流过程有关的电路。由于SiC功率半导体器件的高频特性，其频率较传统的Si基功率半导体器件有着数10倍以上的提升，因此由SiC功率半导体器件开关过程引发的di/dt和dv/dt，直流纹波电压、电流的频谱大幅提升，对于直流换流回路的设计提出更高要求。SiC变流器功率模块的直流换流回路涉及到电路拓扑类型可包括DC-AC(直流－交流)、DC-DC(直流－直流)等多种电能变化方案。作为示例，本发明将以典型的三相全桥电路拓扑进行关键技术创新的阐述。

图1示出根据本发明一实施例的基于SiC功率半导体器件的典型变流器功率模块电路原理图。该变流器功率模块包括直流换流回路模块。该直流换流回路模块包括SiC功率半导体器件1以及与其耦接的直流电容2。如图1所示，所述SiC功率半导体器件1包括3组半桥SiC功率半导体器件。所述直流电容2为多级电容。所述直流电容2至少包括C1(6)、C2(7)、C3(8)。在电路结构的功能上可看出本方案中直流换流回路中采用多级电容配置，可从功能上划分为：吸收电容(C1)、支撑电容(C2)和高频电容(C3)，每级电容设置有不同工作点(LC特性)参数；其中吸收电容(C1)主要功能是就近吸收SiC功率半导体开关器件尖峰过压，支撑电容(C2)主要功能是滤出主要频段的纹波，支撑直流母线电压；高频电容(C3)主要功能是滤出更高频段的纹波，减少直流回路高频振荡。另外，高频电容(C3)可根据实际变流系统参数还可拆解为多级高频吸收，可实现更高频段和更宽范围的吸收。

图2示出根据本发明一实施例的基于SiC功率半导体器件的典型变流器功率模块的模块结构图。图3示出图2的变流器功率模块的截面图。图2－3的模块结构图是基于图1的电路原理图上示出SiC变流器功率模块结构方案，以进一步说明如何实现多级电容与SiC功率半导体器件低感互联换流回路设计。

参考图2和图3，本发明的用于高频变流器功率模块的直流换流回路模块包括SiC功率半导体器件1、直流电容2、散热器3、交流母排4、连接螺栓5、叠层母排9、SiC功率半导体器件功率输出端子10以及电容引出电极11。所述SiC功率半导体器件1安装于散热器3上。对于一个典型的三相全桥电路而言，所述SiC功率半导体器件1可包括三个半桥SiC功率半导体器件。直流电容2的电极与各桥臂通过连接螺栓5实现直流回路的功率互联，模块的U、V、W三相交流铜排4为交流输出端子。

需要指出的是，本发明的一个重要特征是直流电容2与SiC功率半导体器件1通过连接螺栓5直接连接，即，直流电容2通过连接螺栓5将电容引出电极11(如图3所示)与SiC功率半导体器件功率输出端子10(如图3所示)相耦接，实现可靠功率互联，同时取得最优化低感连接效果。这种方式相较传统模块省去了直流母排环节所引入的杂散电感(由直流母排的端子引入)。

直流电容2内部结构包括如图3所示的三个功能分区：吸收电容芯体6、支撑电容芯体7以及高频电容芯体8。各功能分区根据上述的电路原理说明，执行不同功能，不同频段的纹波吸收。其中，吸收电容芯体6主要功能是就近吸收SiC功率半导体开关器件尖峰过压，支撑电容芯体7主要功能是滤出主要频段的纹波，支撑直流母线电压；高频电容芯体8主要功能是滤出更高频段的纹波，减少直流回路高频振荡。另外，高频电容芯体8可根据实际变流系统参数还可拆解为多级高频吸收，可实现更高频段和更宽范围的吸收。本方案中关键性指标为高频，因此在高频回路中回路电感的因素将会直接影响到电容的吸收效果，因此，为了充分考虑低感回路设计要求，本发明的另一个重要特征为通过电容器2内部设计叠层母排9(如图3所示)，耦接吸收电容芯体6、支撑电容芯体7以及高频电容芯体8，实现直流电容多级吸收的内部低感互联，省去了直流母排环节所引入的杂散电感，最后再通过与SiC功率半导体器件功率端子10配套的电容引出电极11连接，从而实现电容内部的多级吸收与低感互联。

本发明的变流器功率模块在实现低感互联与多级吸收的技术效果同时也解决一个变流器高频化应用换流回路发热的关键性问题。通常Si基半导体器件模块的结构频率提升到一定程度，其高频电流将会带来严重发热，这里边有两个主导因素，一个回路电感，二是回路电流的肌肤效应，因此，本发明中通过上述提出SiC功率半导体器件的功率端子10与电容的电容引出电极11直接连接方式来降低回路电感，再加上电容器内部采用叠层母排9与吸收电容芯体6、支撑电容芯体7、高频电容芯体8实现功率互联，可最大程度的降低肌肤效应的影响，同时图2－3中，直流电容2底部安装有散热器台面12，可通过在散热器台面12上设置散热器3来实现散热，以进一步降低整个直流回路的温升。

本发明提出一种针对基于SiC半导体器件的高频应用特性，针对变流器功率模块在直流换流过程中在所面临的电容器低感换流、高频吸收、高频发热等的关键技术问题，提出一种用在SiC变流器功率模块的直流换流回路的设计方法。本发明至少有以下技术效果：

1)本发明的用于高频SiC变流器功率模块的直流换流回路模块中，电容与SiC功率半导体器件采用直接连接的方式，较传统模块省去直流母排环节的杂散电感。

2)本发明提出的高频SiC变流器功率模块的直流电容多级吸收与低感互联的方案中，通过直流电容多级吸收的内部低感互联，解决了SiC变流器功率模块高频电能变化过程中引起的高频振荡问题。

3)本发明还解决了高频SiC变流器功率模块的直流换流回路高频发热的问题，即通过降低回路杂散参数，降低肌肤效应、增加电容散热能力的方法，综合解决了SiC变流器功率模块高频电能变化过程中引起的高频发热问题。

这里采用的术语和表述方式只是用于描述，本发明并不应局限于这些术语和表述。使用这些术语和表述并不意味着排除任何示意和描述(或其中部分)的等效特征，应认识到可能存在的各种修改也应包含在权利要求范围内。其他修改、变化和替换也可能存在。相应的，权利要求应视为覆盖所有这些等效物。

同样，需要指出的是，虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，在没有脱离本发明精神的情况下还可做出各种等效的变化或替换，例如，两个部件的连接不仅限于卡式连接、螺栓连接，铰链连接也可以实现本发明。因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。

Claims (10)

1.一种用于高频变流器功率模块的直流换流回路模块，其特征在于，所述直流换流回路模块包括：

直流电容，所述直流电容包括多级电容芯体和电容引出电极；

叠层母排，所述多级电容芯体通过叠层母排实现直流回路的功率互联；以及

SiC功率半导体器件，所述SiC功率半导体器件具有SiC功率半导体器件功率输出端子，所述SiC功率半导体器件功率输出端子与所述电容引出电极直接连接；

其中，所述直流换流回路模块不具有直流母排。

2.如权利要求1所述的用于高频变流器功率模块的直流换流回路模块，其特征在于，所述多级电容芯体包括吸收电容芯体、支撑电容芯体以及高频电容芯体。

3.如权利要求2所述的用于高频变流器功率模块的直流换流回路模块，其特征在于，所述吸收电容芯体被配置成近吸收SiC功率半导体器件的尖峰过压。

4.如权利要求2所述的用于高频变流器功率模块的直流换流回路模块，其特征在于，所述支撑电容芯体被配置成滤出主要频段的纹波，支撑直流母线电压。

5.如权利要求2所述的用于高频变流器功率模块的直流换流回路模块，其特征在于，所述高频电容芯体被配置成滤出更高频段的纹波，减少直流回路高频振荡。

6.如权利要求2所述的用于高频变流器功率模块的直流换流回路模块，其特征在于，所述高频电容芯体根据实际变流系统参数拆解为多级高频电容芯体。

7.如权利要求1所述的用于高频变流器功率模块的直流换流回路模块，其特征在于，所述SiC功率半导体器件功率输出端子与电容引出电极之间通过连接螺栓直接连接。

8.如权利要求1所述的用于高频变流器功率模块的直流换流回路模块，其特征在于，所述SiC功率半导体器件为多个半桥SiC功率半导体器件。

9.如权利要求1所述的用于高频变流器功率模块的直流换流回路模块，其特征在于，所述直流电容底部安装有散热器台面。

10.如权利要求6所述的用于高频变流器功率模块的直流换流回路模块，其特征在于，所述散热器台面上设置有散热器。

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