CN111934523A - 一种基于模块式碳化硅器件的功率模块 - Google Patents

一种基于模块式碳化硅器件的功率模块 Download PDF

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梁晓兵
赵伟
钟卓颖
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陶然
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Abstract

本申请公开了一种基于模块式碳化硅器件的功率模块，涉及电力电子技术领域，包括：机壳、高频变压器、支撑电容、隔直电容、叠层母排、多个SiC功率器件以及散热器；散热器安装于机壳内；多个SiC功率器件安装在机壳内于散热器表面；叠层母排安装于多个SiC功率器件顶部，且与多个SiC功率器件电连接；支撑电容安装在机壳内于散热器一侧，且通过叠层母排与多个SiC功率器件电连接；高频变压器安装于机壳内；隔直电容安装在机壳内，且连接于SiC功率器件与高频变压器之间。具有更大容量、更高效率以及更小体积的优点，高呢更加适合于电网中的应用。

Description

一种基于模块式碳化硅器件的功率模块
技术领域
本申请涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种基于模块式碳化硅器件的功率模块。
背景技术
目前随着电网中电力电子变换设备应用的不断增加，其能量效率对于电力电子变换器来说非常重要，对电网的能量转换效率起着决定作用。变换器中最关键的零部件就是电力电子器件，目前大范围使用的均为使用硅(Si)材料的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，使用碳化硅(SiC)的极少。与Si功率器件相比，SiC功率器件的能量损耗只有Si功率器件的50％，发热量只有Si器件的50％，且有更高的电流密度，SiC功率器件可以有效实现电力电子系统的高效率、小型化和轻量化，在相同功率等级下，SiC功率器件的体积显著小于Si功率器件。除此之外，SiC功率器件更适合高频下使用，最高频率可达几百kHz，比Si器件最大几十kHz的频率高得多。
目前仅有部分厂家使用TO-247封装的SiC功率器件设计功率模块，但是此类器件功率较小，做出来的功率模块不适合电网中大容量变换器的使用。因此，为了设计更大容量更高效率更小体积的功率模块，本发明提出了一种基于模块式碳化硅功率器件的功率模块，更适合于电网中的应用。
发明内容
有鉴于此，本申请的目的是提供一种基于模块式碳化硅器件的功率模块，具有更大容量、更高效率以及更小体积的优点，高呢更加适合于电网中的应用。
为达到上述技术目的，本申请提供了一种基于模块式碳化硅器件的功率模块，包括：机壳、高频变压器、支撑电容、隔直电容、叠层母排、多个SiC功率器件以及散热器；
所述散热器安装于所述机壳内；
多个所述SiC功率器件安装在机壳内于所述散热器表面；
所述叠层母排安装于多个所述SiC功率器件顶部，且与多个所述SiC功率器件电连接；
所述支撑电容安装在所述机壳内于所述散热器一侧，且通过所述叠层母排与多个所述SiC功率器件电连接；
所述高频变压器安装于所述机壳内；
所述隔直电容安装在所述机壳内，且连接于所述SiC功率器件与所述高频变压器之间。
进一步地，所述散热器具体为风冷散热器。
进一步地，所述机壳内设有隔板；
所述隔板将所述机壳内隔成第一腔室以及第二腔室；
所述散热器、所述叠层母排、多个所述SiC功率器件以及支撑电容均安装于第一腔室；
所述高频变压器以及所述隔直电容安装于所述第二腔室；
所述机壳上分别设有连通所述散热器的散热进口，以及连通所述第二腔室的散热出口；
所述隔板在所述散热器出风方向开设有贯通所述第一腔室以及第二腔室的贯通口。
进一步地，所述支撑电容与开关电源电连接；
多个所述SiC功率器件的驱动电路以及控制电路固定于所述机壳，且与所述开关电源电连接。
进一步地，所述SiC功率器件具体有四个；
四个所述SiC功率器件相互并联，与所述支撑电容组成H桥电路。
进一步地，所述机壳设有交流侧接口结构，与多个所述SiC功率器件电连接。
进一步地，所述交流侧接口结构具体为交流侧接口母排；
所述交流侧接口结构穿过霍尔传感器后固定于所述机壳的前侧面板上。
进一步地，所述机壳设有高频侧接口结构，与所述高频变压器电连接。
进一步地，所述高频侧接口结构具体为具有穿墙套管结构的刀型触头。
进一步地，所述机壳的前侧面板设有测量端子；
所述测量端子通过所述叠层母排与所述支撑电容电连接。
从以上技术方案可以看出，本申请将多个模块式的SiC功率器件安装于散热器表面，再安装叠层母排，并将支撑电容安装于散热器一侧并通过叠层母排实现与SiC功率器件的连接，构建模块式的SiC功率部分，使得最终形成的功率模块具有高效率、小型化、轻量化以及高频优点，实现更大容量、更高效率以及更小体积的目的。同时，结合叠层母排的使用，可以降低回路电感，减少器件开关过程的过电压水平。整体性能更加稳定，更适合于电网中的应用。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本申请中提供的一种基于模块式碳化硅器件的功率模块的结构示意图；
图2为本申请中提供的一种基于模块式碳化硅器件的功率模块的SiC功率器件、支撑电容以及高频变压器之间的电路连接图；
图中：1、机壳；2、开关电源；3、驱动电路；4、支撑电容；5、叠层母排；6、高频变压器；7、隔直电容；8、SiC功率器件；9、高频侧接口结构；10、交流侧接口结构；11、散热器；12、测量端子；13、隔板。
具体实施方式
下面将结合附图对本申请实施例的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请实施例一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请实施例中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请实施例保护的范围。
在本申请实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本申请实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可更换连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请实施例中的具体含义。
本申请实施例公开了一种基于模块式碳化硅器件的功率模块。
请参阅图1，本申请实施例中提供的一种基于模块式碳化硅器件的功率模块的一个实施例包括：
机壳1、高频变压器6、支撑电容4、隔直电容7、叠层母排5、多个SiC功率器件8以及散热器11；散热器11安装于机壳1内；多个SiC功率器件8安装在机壳1内于散热器11表面；叠层母排5安装于多个SiC功率器件8顶部，且与多个SiC功率器件8电连接；支撑电容4安装在机壳1内于散热器11一侧，且通过叠层母排5与多个SiC功率器件8电连接；高频变压器6安装于机壳1内；隔直电容7安装在机壳1内，且连接于SiC功率器件8与高频变压器6之间。
具体来说，机壳1是金属材质，例如铝合金材质等，结构强度好，质量轻盈，具体不做限制。本申请中，应用叠层母排5可以大大降低通流回路面积，从而减小回路电感，降低器件开关过程中的过电压，使用稳定性更好。其中，叠层母排5可以是根据功率模块的功能，变换自身的层数，本领域技术人员可以根据实际需要做适当的变换。由于SiC功率器件8可做到较高额定电压和额定电流，达到容量大的效果，配合高频电压器可以做到较大容量且体积较小，实现整个功率模块在一定体积时的大容量效果，进而实现更大容量，更小体积目的。
从以上技术方案可以看出，本申请将多个模块式的SiC功率器件8安装于散热器11表面，再安装叠层母排5，并将支撑电容4安装于散热器11一侧并通过叠层母排5实现与SiC功率器件8的连接，构建模块式的SiC功率部分，使得最终形成的功率模块具有高效率、小型化、轻量化以及高频优点，实现更大容量、更高效率以及更小体积的目的。同时，结合叠层母排5的使用，可以降低回路电感，减少器件开关过程的过电压水平。整体性能更加稳定，更适合于电网中的应用。
以上为本申请实施例提供的一种基于模块式碳化硅器件的功率模块的实施例一，以下为本申请实施例提供的一种基于模块式碳化硅器件的功率模块的实施例二，具体请参阅图1至图2。
一种基于模块式碳化硅器件的功率模块，包括：机壳1、高频变压器6、支撑电容4、隔直电容7、叠层母排5、多个SiC功率器件8以及散热器11；散热器11安装于机壳1内；多个SiC功率器件8安装在机壳1内于散热器11表面；叠层母排5安装于多个SiC功率器件8顶部，且与多个SiC功率器件8电连接；支撑电容4安装在机壳1内于散热器11一侧，且通过叠层母排5与多个SiC功率器件8电连接；高频变压器6安装于机壳1内；隔直电容7安装在机壳1内，且连接于SiC功率器件8与高频变压器6之间。
进一步地，散热器11具体可以为风冷散热器，可以为市面上应用功率模块中的风冷散热器，例如包括导热翅片以及风扇等结构，导热翅片之间可以形成连通风扇的间隙，实现对机壳1内部的散热处理。SiC功率器件8安装时可以在底部涂抹散热硅脂，再安装于散热器11表面，从而保证SiC功率器件8的可靠散热，具体不做限制。叠层母排5安装于SiC器件的顶部，再与SiC器件上表面的接线端子连接。
进一步地，机壳1内设有隔板13；隔板13将机壳1内隔成第一腔室以及第二腔室；散热器11、叠层母排5、多个SiC功率器件8以及支撑电容4均安装于第一腔室；高频变压器6以及隔直电容7安装于第二腔室；机壳1上分别设有连通散热器11的散热进口，以及连通第二腔室的散热出口；隔板13在散热器11出风方向开设有贯通第一腔室以及第二腔室的贯通口。
具体来说，机壳1内部可以设置隔板13，并利用隔板13隔成第一腔室以及第二腔室，并使得散热器11置于第一腔室，并形成由第一腔室流通至第二腔室的散热气流，实现对流换热，提高散热效果。本实施例中，为了保证较佳的散热效率，可以使得风扇送入的风全部经导热翅片的间隙贯通至第二腔室内，也即是散热器11的风扇从外部经散热进口处往内送风，再通过散热器11的导热翅片之间的间隙、贯通口流通至第二腔室，吹向高频变压器6，对高频变压器6进行散热，再往散热出口流出。本实施例中，隔直电容7可以靠近隔板13设置，而高频变压器6可以在隔直电容7远离隔板13的一侧位置设置，本领域技术人员可以以此为基础做适当的变换，具体不做限制。
进一步地，支撑电容4与开关电源2电连接；多个SiC功率器件8的驱动电路3以及控制电路固定于机壳1，且与开关电源2电连接。当功率模块应用于高压场景时，需要采用多个进行串联以满足绝缘要求，模块电位由低到高分布，驱动电路3、以及控制电路取电连接功率模块内支撑电容4的开关电源2，可以实现高位取能，简单可靠。因为如果从外部低压电源取电，则需要经过隔离变压器以保障绝缘，结构会更加复杂，可靠性。
进一步地，如图2所示，SiC功率器件8具体可以有四个；四个SiC功率器件8相互并联与支撑电容4组成H桥电路，整体形成基于H桥的DAB功率模块，本领域技术人员可以以此为基础做适当的变换，具体不做限制。
进一步地，如图1所示，机壳1设有交流侧接口结构10，与多个SiC功率器件8电连接。其中，交流侧接口结构10具体可以为交流侧接口母排；交流侧接口结构10穿过机壳1内设置的霍尔传感器(图中未示)后固定于机壳1的前侧面板上。
进一步地，机壳1设有高频侧接口结构9，与高频变压器6电连接。高频侧接口结构9具体可以为具有穿墙套管结构的刀型触头。刀型触头结构再功率模块组装时，可采用插接型结构，过盈配合，使得接触电阻小，从而兼顾可靠性和易拆性。总的来说，采用刀型触头结构可靠性高，拆装维护时可实现模块的即插即用。
进一步地，机壳1的前侧面板设有测量端子12；测量端子12通过叠层母排5与支撑电容4电连接。电容电压是设备的重要参数指标之一，通过设置测量端子12可以测量支撑电容4的电容电压值，主要起到两个方面作用，一个是在功率模块进行满功率对拖测试时，方便与直流电源进行连接，另一个是功率模块运行后进行拆装前，可方便测量电容电压是否降低到安全电压，确保安全。
以上对本申请所提供的一种基于模块式碳化硅器件的功率模块进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本申请实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (10)

1.一种基于模块式碳化硅器件的功率模块，其特征在于，包括：机壳、高频变压器、支撑电容、隔直电容、叠层母排、多个SiC功率器件以及散热器；
所述散热器安装于所述机壳内；
多个所述SiC功率器件安装在机壳内于所述散热器表面；
所述叠层母排安装于多个所述SiC功率器件顶部，且与多个所述SiC功率器件电连接；
所述支撑电容安装在所述机壳内于所述散热器一侧，且通过所述叠层母排与多个所述SiC功率器件电连接；
所述高频变压器安装于所述机壳内；
所述隔直电容安装在所述机壳内，且连接于所述SiC功率器件与所述高频变压器之间。
2.根据权利要求1所述的一种基于模块式碳化硅器件的功率模块，其特征在于，所述散热器具体为风冷散热器。
3.根据权利要求2所述的一种基于模块式碳化硅器件的功率模块，其特征在于，所述机壳内设有隔板；
所述隔板将所述机壳内隔成第一腔室以及第二腔室；
所述散热器、所述叠层母排、多个所述SiC功率器件以及支撑电容均安装于第一腔室；
所述高频变压器以及所述隔直电容安装于所述第二腔室；
所述机壳上分别设有连通所述散热器的散热进口，以及连通所述第二腔室的散热出口；
所述隔板在所述散热器出风方向开设有贯通所述第一腔室以及第二腔室的贯通口。
4.根据权利要求1所述的一种基于模块式碳化硅器件的功率模块，其特征在于，所述支撑电容与开关电源电连接；
多个所述SiC功率器件的驱动电路以及控制电路固定于所述机壳，且与所述开关电源电连接。
5.根据权利要求1所述的一种基于模块式碳化硅器件的功率模块，其特征在于，所述SiC功率器件具体有四个；
四个所述SiC功率器件相互并联，与所述支撑电容组成H桥电路。
6.根据权利要求1所述的一种基于模块式碳化硅器件的功率模块，其特征在于，所述机壳设有交流侧接口结构，与多个所述SiC功率器件电连接。
7.根据权利要求6所述的一种基于模块式碳化硅器件的功率模块，其特征在于，所述交流侧接口结构具体为交流侧接口母排；
所述交流侧接口结构穿过霍尔传感器后固定于所述机壳的前侧面板上。
8.根据权利要求1所述的一种基于模块式碳化硅器件的功率模块，其特征在于，所述机壳设有高频侧接口结构，与所述高频变压器电连接。
9.根据权利要求8所述的一种基于模块式碳化硅器件的功率模块，其特征在于，所述高频侧接口结构具体为具有穿墙套管结构的刀型触头。
10.根据权利要求1所述的一种基于模块式碳化硅器件的功率模块，其特征在于，所述机壳的前侧面板设有测量端子；
所述测量端子通过所述叠层母排与所述支撑电容电连接。
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