CN111130361B - 基于碳化硅器件中点箝位型三电平单相桥臂的叠层母排 - Google Patents

基于碳化硅器件中点箝位型三电平单相桥臂的叠层母排 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于碳化硅器件中点箝位型三电平单相桥臂的叠层母排，包括用于连接功率模块和直流母线电容的混合型叠层母排，叠层母排包括上下依次堆叠的第一层正、负母排、中间层零母排和第三层中间正、负母排，功率模块位于叠层母排下方并设于散热器上；直流母线电容位于叠层母排下方；叠层母排连接功率模块和直流母线电容分别构成上桥臂大换流回路、上桥臂小换流回路、下桥臂大换流回路和上桥臂小换流回路。本发明利用叠层时反向电流产生的磁场相消的原理，对母排上的杂散电感和寄生电容进行了综合优化，有效降低最大换流回路中的杂散电感；增大板间寄生电容，其具有更好的吸收和抗干扰作用。将整个单相桥臂集成在一起，有利于模块化组合。

Description

基于碳化硅器件中点箝位型三电平单相桥臂的叠层母排
技术领域
本发明属于叠层母排技术领域，具体涉及一种基于碳化硅器件的、用于中点箝位型三电平单相桥臂的叠层母排。
背景技术
近年来，中点箝位型三电平变换器在高压大功率变换器领域中得到了广泛的应用。相比传统的两电平变换器，中点箝位型三电平变换器可以将功率器件需承受的电压值降低一半，换言之，在使用相同耐压的功率器件时，可以有效提高变换器的电压等级；可减小输出电压的谐波，有利于实现其正弦化；可采用更加灵活多样的控制策略，降低变换器的损耗。
同时，碳化硅器件由于其优异的电气特性和热特性，开始取代传统的硅IGBT器件，被应用于中点箝位型三电平电路。碳化硅器件拥有更快的开关速度，一方面，有利用降低开关损耗，另一方面，开关过程中将产生更大的di/dt和du/dt，使其对于换流回路中的寄生参数更加敏感，尤其是关断时过大的过电压可能会造成器件的损坏。为了充分发挥碳化硅的特性，需要对换流回路的寄生参数进行进一步优化。
叠层母排作为大功率变换器领域中连接功率器件、电容和电源的功率分配高速公路，是一种优化寄生参数的有效手段。其自身具有低阻抗、低杂散电感、抗干扰、可靠性高等优点，在实际应用中便于安装，使系统整体更加紧凑有序。但目前针对基于碳化硅器件的叠层母排优化设计较少，存在杂散电感较大、未考虑其寄生电容等问题。同时，叠层母排的设计需要根据所用到的功率模块、直流母线电容的封装进一步优化。
发明内容
为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种基于碳化硅器件的、用于中点箝位型三电平单相桥臂的叠层母排，对母排上的杂散电感和寄生电容进行了综合优化，且该叠层母排的结构简单、易于装配。
本发明是通过下述技术方案来实现的。
一种基于碳化硅器件中点箝位型三电平单相桥臂的叠层母排，包括：
叠层母排，用于连接功率模块和直流母线电容的混合型母排；
所述叠层母排包括上下依次堆叠的第一层正、负母排、中间层零母排和第三层中间正、负母排；
所述功率模块，位于叠层母排下方的一对上、下半桥模块和中间半桥模块；功率模块设于散热器上；
所述直流母线电容，位于叠层母排下方另一侧边的一对正、负母线电容；一对正、负母线电容的正极和负极之间连线的延长线的交点形成的角度为120°；
叠层母排连接功率模块和直流母线电容分别构成上桥臂大换流回路、上桥臂小换流回路、下桥臂大换流回路和上桥臂小换流回路。
对于上述技术方案，本发明还有进一步优选的方案：
进一步，所述第一层正、负母排和第三层中间正、负母排分别为一对并列放置的铜排；所述中间层零母排为一体结构的铜排。
进一步，在各铜排上分别设有与功率模块和直流母线电容电气连接和避让的贯通孔；在中间半桥模块驱动端口留出有连接位。
进一步，在第一层正、负母排左侧引出有正、负极端口；在中间层零母排的左侧引出有中性点端口，各端口向下弯折与叠层母排平面成L型。
进一步，第一层正母排用于连接正母线电容的正极和上半桥模块的正端口；
中间层零母排用于连接正母线电容的负极、负母线电容的正极、上半桥模块的负端口和下半桥模块的正端口；
第一层负母排用于连接负母线电容的负极和下半桥模块的负端口；
第三层中间正母排用于连接上半桥模块的中点和中间半桥模块的正端口，第三层中间负母排用于连接下半桥模块的中点和中间半桥模块的负端口。
进一步，一对串联的正、负母线电容并联在电源正负极上，一对上、下半桥模块为碳化硅半桥模块，分别并联在正、负母线电容上，一个中间半桥模块与上、下半桥模块的中点相接。
进一步，叠层母排连接功率模块和直流母线电容构成上桥臂大换流回路：
电流路径从正母线电容的正极流入上半桥模块的正端口；随后从上半桥模块的中点流出至中间半桥模块正端口；随后从中间半桥模块的负端口流出至下半桥模块中点；后从下半桥模块正端口流出至正母线电容的负极。
进一步，叠层母排连接功率模块和直流母线电容构成上桥臂小换流回路：
电流路径从正母线电容的正极流入上半桥模块的正端口；后从上半桥模块的负端口流出至正母线电容的负极。
进一步，叠层母排连接功率模块和直流母线电容构成下桥臂大换流回路：
电流路径从负母线电容的正极出发流入上半桥模块的负端口；后从上半桥模块的中点流出至中间半桥模块正端口；再从中间半桥模块的负端口流出至下半桥模块中点；最后从下半桥模块负端口流出至负母线电容的负极。
进一步，叠层母排连接功率模块和直流母线电容构成上桥臂小换流回路：
电流路径从负母线电容的正极出发流入下半桥模块的正端口；随后从上半桥模块的负端口流出至负母线电容的负极。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：
1.本发明采用合理的器件分布和连接方式，利用叠层时反向电流产生的磁场相消的原理，且对母线电容的端口角度进行优化，有效降低最大换流回路中的杂散电感，减小关断过电压，提高功率器件利用率及运行的可靠性；
2.采用将零母排作为中间层，第一层正母排、负母排置于一侧，第三层中间正母排、中间负母排置于另一侧的设计，增大第一层正负母排与中间层零母排的相对面积，从而增大板间寄生电容，使其具有更好的吸收和抗干扰作用；
3.母排结构简单，设计时综合考虑单相桥臂的功率密度和散热布局，将整个单相桥臂集成在一个长方体结构中，有利于模块化的组合。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：
图1是本发明所涉及的中点箝位型三电平单相桥臂的整体结构图；
图2是中点箝位型三电平单相桥臂的主视图；
图3是中点箝位型三电平单相桥臂的A-A剖视图；
图4是叠层母排的爆炸视图；
图5是中点箝位型三电平单相桥臂的电路图及功率模块分布图；
图6(a)、6(b)是上桥臂大换流回路图及其在叠层母排上的电流路径示意图；
图7(a)、7(b)是上桥臂小换流回路图及其在叠层母排上的电流路径示意图；
图8(a)、8(b)是下桥臂大换流回路图及其在叠层母排上的电流路径示意图；
图9(a)、9(b)是下桥臂小换流回路图及其在叠层母排上的电流路径示意图。
图中：1.叠层母排，1-1.第一层正母排，1-2.第一层负母排，1-3.中间层零母排，1-4.第三层中间正母排，1-5.第三层中间负母排，1-6.正极端口，1-7.负极端口，1-8.中性点端口，1-9.贯通大孔，2.上半桥模块，2-1.上半桥模块中点，2-2.上半桥模块负端口，2-3.上半桥模块正端口，3.下半桥模块，3-1.下半桥模块中点，3-2.下半桥模块负端口，3-3.下半桥模块正端口，4.中间半桥模块，4-1.中间半桥模块中点，4-2.中间半桥模块负端口，4-3.中间半桥模块正端口，5.正母线电容，5-1.正母线电容正极，5-2.正母线电容负极，6.负母线电容，6-1.负母线电容正极，6-2.负母线电容负极，7.散热器。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
图1、图2所示，本发明的基于碳化硅器件中点箝位型三电平单相桥臂的叠层母排结构由五个铜排组成，叠层母排为用于连接功率模块和直流母线电容的混合型母排，共连接三个碳化硅半桥功率模块和两个直流母线电容。功率模块包括分布于叠层母排1下方的上半桥模块2、下半桥模块3、中间半桥模块4，直流母线电容包括位于叠层母排1下方另一侧边的正母线电容5和负母线电容6。
该单相桥臂整体结构图结合其主视图图2以及A-A剖视图图3所示，器件的摆放综合考虑对称性、功率密度和散热。从左至右依次为：宽边对齐、长边并列排布的上半桥模块2和下半桥模块3、竖直摆放的中间半桥模块4以及并列排布的正母线电容5和负母线电容6，其中上半桥模块2和正母线电容5置于同一侧，下半桥模块3和负母线电容6置于另一侧。上半桥模块2、下半桥模块3和中间半桥模块4固定在散热器7上，散热器7与下半桥模块3的高度之和与负母线电容6的高度接近，使之整体为一个长方体模块。
叠层母排的爆炸视图如图4所示，总层数为三层。第一层并列放置第一层正母排1-1和第一层负母排1-2，中间层为中间层零母排1-3，第三层并列放置第三层中间正母排1-4和第三层中间负母排1-5。通过增大第一层正、负母排1-1、1-2与中间层零母排1-3的相对面积，增大极间寄生电容，使其具有更好的吸收效果。同时，减小第一层正、负母排1-1、1-2与第三层中间正、负母排1-4、1-5的寄生电容，降低其对开关损耗的不利影响。在第一层正母排1-1左侧引出有正极端口1-6，在第一层负母排1-2左侧引出有负极端口1-7，中间层零母排1-3的左侧引出有中性点端口1-8，以减小直流路径；端口向下弯折与叠层母排平面成L型，节省空间。同时，在母排各层均开出各铜排上分别设有与功率模块和直流母线电容电气连接贯通小孔以及用于避让电气连接的贯通大孔1-9；在中间半桥模块驱动端口留出有连接位。
正母线电容5、负母线电容6均采用圆柱形的薄膜电容，在不改变其中点位置的前提下，通过参数扫描的方式，对其端子的位置进行优化，一对正、负母线电容的正极和负极之间的连线的延长线的交点形成的角度为120°，见图6(b)所示，进一步降低最大换流回路的杂散电感。
图5是本发明所涉及的中点箝位型三电平单相桥臂的电路图及功率模块分布图，两个串联的直流母线电容(正母线电容5、负母线电容6)并联在电源正负极上，两个碳化硅半桥模块(上半桥模块2、下半桥模块3)分别并联在正母线电容5和负母线电容6上，一个中间半桥模块4与上半桥模块中点2-1、下半桥模块中点3-1相接。相较于传统的功率模块分配方式，此分配方式使参与叠层的母排数降为5，降低换流回路的杂散电感。第一层正母排1-1用于连接正母线电容正极5-1和上半桥模块正端口2-3，中间层零母排1-3用于连接正母线电容负极5-2、负母线电容正极6-1、上半桥模块负端口2-2和下半桥模块正端口3-3；第一层负母排1-2用于连接负母线电容负极6-2和下半桥模块负端口2-2；第三层中间正母排1-4用于连接上半桥模块中点2-1和中间半桥模块正端口4-3；第三层中间负母排1-5用于连接下半桥模块中点3-1和中间半桥模块负端口4-2，中间半桥模块中点4-1连接交流端AC。通过增大正负母排与零母排的相对面积，增大极间寄生电容，使其具有更好的吸收效果。同时，减小正负母排与中间正负母排的寄生电容，降低其对开关损耗的不利影响。
如图图6(a)、图6(b)～图9(a)、图9(b)所示，中点箝位三电平单相桥臂中存在四种换流回路，换流回路上的杂散电感会在器件关断过程中由于电流的变化感应出电压，作用在器件上，造成器件的关断过电压，可能导致器件的损坏。
上桥臂大换流回路如图6(a)、图6(b)所示，电流路径从正母线电容的正极5-1出发，流入上半桥模块的正端口2-3；随后从上半桥模块的中点2-1流出，至中间半桥模块正端口4-3；随后从中间半桥模块的负端口4-2流出，至下半桥模块中点3-1；最后从下半桥模块正端口3-3流出，至正母线电容的负极5-2。
上桥臂小换流回路如图7(a)、图7(b)所示，电流路径从正母线电容的正极5-1出发，流入上半桥模块的正端口2-3；随后从上半桥模块的负端口2-2流出，至正母线电容的负极5-2。
下桥臂大换流回路如图8(a)、图8(b)所示，电流路径从负母线电容的正极6-1出发，流入上半桥模块的负端口2-2；随后从上半桥模块的中点2-1流出，至中间半桥模块正端口4-3；随后从中间半桥模块的负端口4-2流出，至下半桥模块中点3-1；最后从下半桥模块负端口3-2流出，至负母线电容的负极6-2。
上桥臂小换流回路如图9(a)、图9(b)所示，电流路径从负母线电容的正极6-1出发，流入下半桥模块的正端口3-3；随后从上半桥模块的负端口3-2流出，至负母线电容的负极6-2。
叠层母排上的电流路径可以体现电流的基本流向，结合图6(a)、图6(b)～图9(a)、图9(b)，本发明所涉及的叠层母排能较好的利用反向电流磁场相消的原理，降低换流回路中的杂散电感，从而提高中点箝位型三电平单相桥臂的可靠性。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于碳化硅器件中点箝位型三电平单相桥臂的叠层母排，其特征在于，包括：
叠层母排，用于连接功率模块和直流母线电容的混合型母排；
所述叠层母排包括上下依次堆叠的第一层正、负母排、中间层零母排和第三层中间正、负母排；
所述功率模块，位于叠层母排下方的一对上、下半桥模块和中间半桥模块；功率模块设于散热器上；
所述直流母线电容，位于叠层母排下方另一侧边的一对正、负母线电容；一对正、负母线电容的正极和负极之间连线的延长线的交点形成的角度为120°；
叠层母排连接功率模块和直流母线电容分别构成上桥臂大换流回路、上桥臂小换流回路、下桥臂大换流回路和下桥臂小换流回路。
2.根据权利要求1所述的叠层母排，其特征在于，所述第一层正、负母排和第三层中间正、负母排分别为一对并列放置的铜排；所述中间层零母排为一体结构的铜排。
3.根据权利要求2所述的叠层母排，其特征在于，在各铜排上分别设有与功率模块和直流母线电容电气连接和避让的贯通孔；在中间半桥模块驱动端口留出有连接位。
4.根据权利要求1所述的叠层母排，其特征在于，在第一层正、负母排左侧引出有正、负极端口；在中间层零母排的左侧引出有中性点端口，各端口向下弯折与叠层母排平面成L型。
5.根据权利要求4所述的叠层母排，其特征在于，
第一层正母排用于连接正母线电容的正极和上半桥模块的正端口；
中间层零母排用于连接正母线电容的负极、负母线电容的正极、上半桥模块的负端口和下半桥模块的正端口；
第一层负母排用于连接负母线电容的负极和下半桥模块的负端口；
第三层中间正母排用于连接上半桥模块的中点和中间半桥模块的正端口；
第三层中间负母排用于连接下半桥模块的中点和中间半桥模块的负端口。
6.根据权利要求1所述的叠层母排，其特征在于，一对串联的正、负母线电容并联在电源正负极上，一对上、下半桥模块为碳化硅半桥模块，分别并联在正、负母线电容上，一个中间半桥模块与上、下半桥模块的中点相接。
7.根据权利要求1-6任一项所述的叠层母排，其特征在于，叠层母排连接功率模块和直流母线电容构成上桥臂大换流回路：
电流路径从正母线电容的正极流入上半桥模块的正端口；随后从上半桥模块的中点流出至中间半桥模块正端口；随后从中间半桥模块的负端口流出至下半桥模块中点；后从下半桥模块正端口流出至正母线电容的负极。
8.根据权利要求1-6任一项所述的叠层母排，其特征在于，叠层母排连接功率模块和直流母线电容构成上桥臂小换流回路：
电流路径从正母线电容的正极流入上半桥模块的正端口；后从上半桥模块的负端口流出至正母线电容的负极。
9.根据权利要求1-6任一项所述的叠层母排，其特征在于，叠层母排连接功率模块和直流母线电容构成下桥臂大换流回路：
电流路径从负母线电容的正极出发流入上半桥模块的负端口；后从上半桥模块的中点流出至中间半桥模块正端口；再从中间半桥模块的负端口流出至下半桥模块中点；最后从下半桥模块负端口流出至负母线电容的负极。
10.根据权利要求1-6任一项所述的叠层母排，其特征在于，叠层母排连接功率模块和直流母线电容构成上桥臂小换流回路：
电流路径从负母线电容的正极出发流入下半桥模块的正端口；随后从上半桥模块的负端口流出至负母线电容的负极。
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