CN116761372B - 基于碳化硅器件的高速电机控制器低寄生电感主拓扑结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高速电机控制器主拓扑结构技术领域，特别涉及基于碳化硅器件的高速电机控制器低寄生电感主拓扑结构；基板，用于实现电子元器件的电性连接，基板上安装有碳化硅器件；驱动板，设置在基板的上方，用于传递碳化硅器件的控制信号；电容板组件A，设置在基板和驱动板的中间，用于吸收主拓扑的碳化硅器件在开关过程中产生的高频脉冲电压；电容板组件B，电容板组件B设置在基板的侧边，且电容板组件B与电容板组件A并联；电容板组件B用于将主拓扑的母线纹波电压变平滑；本发明降低主电路的寄生电感，降低功率器件的Vds电压过冲，且多个并联的功率器件的电流均流度较好。

Description

基于碳化硅器件的高速电机控制器低寄生电感主拓扑结构

技术领域

本发明涉及高速电机控制器主拓扑结构技术领域，特别涉及基于碳化硅器件的高速电机控制器低寄生电感主拓扑结构。

背景技术

随着氢燃料电池、电动汽车、集中式空调等行业的发展，功率大、体积小、重量轻、转速高的电机需求越来越来显著。这种大功率、高速、高功率密度的电机控制器离不开碳化硅器件的应用。碳化硅的高电压、高电密、高频率、易散热、低损耗等优点在高速电机控制器中得以应用。

目前碳化硅器件按照封装类型可分为贴片单管、插件单管、半桥模块、全桥模块等，现阶段碳化硅器件的半桥模块、全桥模块存在型谱不全，性价比不高等缺点；插件单管实现大功率控制器时，需要多管并联方式实现；插件单管实现多管并联时，存在生产安装困难、工艺复杂、生产效率不高等缺点，给大批量生产带来困难；贴片单管实现大功率控制器时，同样需要多管并联方式实现；贴片单管实现多管并联时，克服了生产安装困难、工艺复杂、生产效率不高的情况，但贴片单管实现多管并联时，存在主拓扑布局困难，很难兼顾主电路寄生电感过大问题、驱动电路距离较远，难以实现多管并联均流问题、碳化硅器件较好的散热问题。

下面为传统的贴片单管碳化硅器件实现多管并联主拓扑布局的二种方案：

方案一，如图1所示，传统的贴片单管碳化硅器件实现多管并联主拓扑布局的方案包括散热器100、散热器100的内部有散热水道101、基板200(铜基板/铝基板）、碳化硅器件300、驱动板400、电容基板500、电容501；将碳化硅器件300焊接在基板200上，基板200用来实现碳化硅器件300的电气连接，并且使碳化硅器件300的热量传导到散热器100上，同时基板200使碳化硅器件300与散热器100电气绝缘；散热器100的作用是将碳化硅器件300产生的热量通过散热水道101传递到外边；驱动板400的作用是传递碳化硅器件300的控制信号；电容501将主拓扑的母线纹波电压变平滑，同时用于吸收主拓扑的碳化硅器件300在开关过程中产生的高频脉冲电压。

方案1的缺点：方案1中，主电路的寄生电感一般控制在80nH~100nH、开关速度为30nS、工作电流为150Apk；过冲电压为:△U=L*di/dt=100nH*150Apk/30nS=500V，由此可知，电容基板500距离碳化硅器件300较远、寄生电感较大，在碳化硅器件300关断时，碳化硅器件300的Vds容易产生电压过冲，使碳化硅器件300过压损坏。

方案二，如图2所示，传统的贴片单管碳化硅器件实现多管并联主拓扑布局的方案包括散热器100、散热器100的内部有散热水道101、基板200、碳化硅器件300、驱动板400、电容基板500、电容501；将碳化硅器件300焊接在基板200(铜基板/铝基板）上，基板200用来实现碳化硅器件300的电气连接，并且使碳化硅器件300的热量传导到散热器100上，同时基板200使碳化硅器件300与散热器100电气绝缘；散热器100的作用是将碳化硅器件300产生的热量通过散热水道101传递到外边；驱动板400的作用是传递碳化硅器件300的控制信号；电容501将主拓扑的母线纹波电压变平滑、同时用于吸收主拓扑的碳化硅器件300在开关过程中产生的高频脉冲电压。

方案2的缺点：方案2中，驱动电路的寄生电感一般控制在20nH~30nH、开关速度为30nS、工作电流为6Apk；过冲电压为:△U=L*di/dt=30nH*6Apk/30nS=6V，驱动信号的电压过冲是影响多管并联均流的重要因素，由此可知，驱动板400距离碳化硅器件300较远，使驱动信号较远、驱动寄生电感较大；在碳化硅器件300多管并联时，很难保证每个碳化硅器件300的寄生电感的感抗一致，即很难保证每个碳化硅器件300电流波形一致，电流应力大的碳化硅器件300较容易损坏。

现提出一种基于碳化硅器件的高速电机控制器低寄生电感主拓扑结构以解决现有技术中存在的问题。

发明内容

本发明目的是：提供基于碳化硅器件的高速电机控制器低寄生电感主拓扑结构，以解决现有技术中的相关问题。

本发明的技术方案是：基于碳化硅器件的高速电机控制器低寄生电感主拓扑结构，包括：基板，用于实现电子元器件的电性连接，所述基板上安装有碳化硅器件；

驱动板，设置在基板的上方，用于传递碳化硅器件的控制信号；

电容板组件A，设置在基板和驱动板的中间，用于吸收主拓扑的碳化硅器件在开关过程中产生的高频脉冲电压；

电容板组件B，所述电容板组件B设置在基板的侧边，且所述电容板组件B与所述电容板组件A并联；所述电容板组件B用于将主拓扑的母线纹波电压变平滑；

其中，所述电容板组件A的容值不大于所述电容板组件B的容值。

优选的，所述电容板组件A包括电容基板A、高频吸收电容，所述高频吸收电容的整体厚度小于10㎜；

所述电容板组件B包括电容基板B、直流滤波电容，所述直流滤波电容的整体厚度为30-40㎜。

优选的，所述高频吸收电容的容值为直流滤波电容的容值的0.01-0.02倍。

优选的，所述电容板组件A与驱动板中间设有屏蔽层，用于屏蔽碳化硅器件的开关过程对驱动板上的驱动电路产生的干扰。

优选的，所述碳化硅器件包括多个功率开关组件，每个功率开关组件包括多个并联的功率开关单元；每个功率开关组件中的多个功率开关单元在基板上按倾斜直线排布，相邻的两列功率开关单元之间呈“八”字形或倒“八”字形。

优选的，设控制器的最大输出电流为I安培,每个功率开关组件中有N个功率开关单元，则相邻两列的功率开关单元之间的最大间距为I/5㎜，最小间距为I/（5N）㎜。

优选的，所述碳化硅器件的四周设置有用于吸收高频电压纹波的多个陶瓷电容。

优选的，述的基于碳化硅器件的高速电机控制器低寄生电感主拓扑结构，其特征在于：所述基板的下端面固定有对碳化硅器件进行散热的散热器，所述散热器的内部设有水道。

优选的，所述直流滤波电容设置在电容基板B的下端面，所述电容基板B与基板处于同一安装高度。

与现有技术相比，本发明的优点是：

（1）本发明实施例兼顾了基板上的碳化硅器件距离电容板组件A和驱动板的距离，使电容板组件A与碳化硅器件距离较近、同时驱动板与碳化硅器件距离同样较近，在碳化硅器件多管并联开关时，使主电路Vds的过冲电压较小；同时使碳化硅器件的驱动电路的寄生电感较小，在碳化硅器件多管并联开关时，使驱动电路阻抗一致性较好，电流应力均流度较好；基板的侧面增加的电容板组件B，避免了电容板组件A的容量不足，同时保证了滤波效果。

（2）本发明中，相邻的两列功率开关单元之间呈“八”字形或倒“八”字形，充分的利用基板的铜箔面积，减小高速电机控制器体积、提高了控制器的功率密度。

（3）本发明中，电容板组件A与驱动板中间设有屏蔽层，用于屏蔽碳化硅器件的开关过程对驱动板上的驱动电路产生的干扰，保证碳化硅器件的驱动信号工作正常。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为现有技术中方案一所述的主拓扑结构示意图；

图2为现有技术中方案二所述的主拓扑结构示意图；

图3为实施例一所述基于碳化硅器件的高速电机控制器低寄生电感主拓扑结构示意图；

图4为实施例二所述基于碳化硅器件的高速电机控制器低寄生电感主拓扑结构示意图；

图5为所述碳化硅器件在基板上的安装示意图；

图6为所述电流在AC_U和DC-之间的流动示意图；

图7为现有技术中6个功率开关组件在基板上的排布结构示意图。

其中：100、散热器，101、水道，200、基板，300、碳化硅器件，400、驱动板，600、电容基板A，601、高频吸收电容、700、电容基板B，701、直流滤波电容，800、屏蔽层；

11、三相输出接线柱，12、电容基板B700接线柱，13、电容基板A600接线柱，14、贴片式单管碳化硅器件，15、陶瓷电容。

具体实施方式

下面结合具体实施例，对本发明的内容做进一步的详细说明：

在发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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，仅是为了便于描述发明和简化描述，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，因此不能理解为对发明的限制。

实施例1,如图3所示，基于碳化硅器件300的高速电机控制器低寄生电感主拓扑结构，包括基板200、驱动板400、电容板组件A、电容板组件B、散热器100，其中，电容板组件A的容值不大于电容板组件B的容值。基板200，用于实现电子元器件的电性连接，基板200上安装有碳化硅器件300，本实施例中，基板200可以采用铜基板或者铝基板；碳化硅器件300包括多个功率开关组件，每个功率开关组件包括多个并联的功率开关单元；每个功率开关组件中的多个功率开关单元在基板200上按倾斜直线排布，相邻的两列功率开关单元之间呈“八”字形或倒“八”字形。设控制器的最大输出电流为I安培,每个功率开关组件中有N个功率开关单元，则相邻两列的功率开关单元之间的最大间距为I/5㎜，最小间距为I/（5N）㎜。

本实施例中，图5为碳化硅器件300在基板200上的安装示意图，基板200上还安装有三相输出接线柱11、电容基板B接线柱12、电容基板A接线柱13；碳化硅器件300包括6个功率开关组件，每个功率开关组件包括6个并联的功率开关单元，每个功率开关单元均为封装为TO263-7、电压为1200V、内阻为30mΩ的贴片式单管碳化硅器件14；

本实施例中，设控制器的最大输出电流为120安培，流经6个功率开关组件的最大输出电流均为120安培，此处以图5中从左往右数第二个功率开关组件为例来进行说明：当主拓扑结构正常工作时，电流分时段在DC+和AC_U或AC_U和DC-之间流动，也就是电流节点A和电流节点B为120A（电流在A点和B点之间流动），6个并联的贴片式单管碳化硅器件14中，每个贴片式单管碳化硅器件14中的电流即为120/6A,即20A，当电流从A点流到B点时，计算可知电流节点A1、A2、A3、A4、A5、B1、B2、B3、B4、B5处的电流分别为100A、80A、60A、40A、20A、20A、40A、60A、80A、100A，由于贴片式单管碳化硅器件14中载流量越大，相邻两列的对应相同位置的两个贴片式单管碳化硅器件14需要留出布线的面积越宽，如图5所示，所以本实施例中相邻两列的功率开关单元的最大间距H为120/5㎜，即24㎜，以满足功率开关的布线距离需求；最小间距L为120/（5*6）㎜，即4㎜。现有技术中碳化硅器件300在基板200上的排布方式如图7所示，相邻两列的功率开关单元之间均采用最大间距120/5㎜（24㎜）来平行设置，所以现有技术中，设6个并联的贴片式单管碳化硅器件14的沿直线排布的长度为M,则6个功率开关组件所占基板200的矩形面积为（24+24+24+24+24）×M；而本实施例中，设6个并联的贴片式单管碳化硅器件14的沿倾斜直线排布的竖直向的正投影的长度为N,相邻的两列功率开关单元之间呈“八”字形或倒“八”字形排布时，则6个功率开关组件所占基板200的矩形面积为（24+4+24+4+24）×N,，其中，明显（24+24+24+24+24）×M＞（24+4+24+4+24）×N，综上，采用“八”字型或倒“八”字型布局和走线，充分的利用基板200的铜箔面积，减小高速电机控制器体积、提高了控制器的功率密度。

碳化硅器件300的四周设置有用于吸收高频电压纹波的多个陶瓷电容15，进一步减小主电路的寄生电感。驱动板400，设置在基板200的上方，用于传递碳化硅器件300的控制信号；电容板组件A，设置在基板200和驱动板400的中间，用于吸收主拓扑的碳化硅器件300在开关过程中产生的高频脉冲电压；电容板组件A包括电容基板A600、高频吸收电容601，高频吸收电容601的整体厚度小于10㎜，该高频吸收电容601的整体厚度小于10㎜设置，即保证了高频吸收电容601对主拓扑的碳化硅器件300在开关过程中产生的高频脉冲电压的吸收，又保证了电容板组件A和驱动板400与基板200上的碳化硅器件300距离均较近。

电容板组件B，电容板组件B设置在基板200的侧边，且电容板组件B与电容板组件A并联；电容板组件B用于将主拓扑的母线纹波电压变平滑。电容板组件B包括电容基板B700、直流滤波电容701，直流滤波电容701的整体厚度为30-40㎜；直流滤波电容701的整体厚度为30-40㎜即保证驱动电路寄生电感小，然后达到控制器的使用要求，同时没有改变直流滤波电容701的整体厚度。

高频吸收电容601的容值为直流滤波电容701的容值的0.01-0.02倍。该设置即能保证降低高频吸收电容601的高度，让驱动板400离基板200更近，寄生电感更小，同时，保证高频吸收电容601可以有效的吸收控制器的高频文波电压和电流。

基板200的下端面固定有对碳化硅器件300进行散热的散热器100，散热器100的内部设有水道101。直流滤波电容701设置在电容基板B700的下端面，该设置可以利用散热器100对直流滤波电容701进行降温；电容基板B700与基板200处于同一安装高度。

实施一中，主电路的寄生电感一般控制在15nH~20nH、开关速度为30nS、工作电流为150Apk。过冲电压为:△U=L*di/dt=20nH*150Apk/30nS=100V,驱动电路的寄生电感一般控制在5nH~10nH、开关速度为30nS、工作电流为6Apk；过冲电压为:△U=L*di/dt=10nH*6Apk/30nS=2V，由此可知，本实施例兼顾了基板200上的碳化硅器件300距离电容板组件A和驱动板400的距离，使电容板组件A与碳化硅器件300距离较近、同时驱动板400与碳化硅器件300距离同样较近，在碳化硅器件300多管并联开关时，使主电路Vds的过冲电压较小；同时使碳化硅器件300的驱动电路的寄生电感较小，在碳化硅器件300多管并联开关时，使驱动电路阻抗一致性较好，电流应力均流度较好。基板200的侧面增加的电容板组件B，避免了电容板组件A的容量不足，同时保证了滤波效果。

实施例2,如图4所示，本实施例与实施例一不同点在于，电容板组件A与驱动板400中间设有屏蔽层800，屏蔽层800用于屏蔽碳化硅器件300的开关过程对驱动板400上的驱动电路产生的干扰，保证驱动板400的驱动信号工作正常。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明，因此无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

Claims (7)

1.基于碳化硅器件的高速电机控制器低寄生电感主拓扑结构，其特征在于，包括：

基板，用于实现电子元器件的电性连接，所述基板上安装有碳化硅器件；

驱动板，设置在基板的上方，用于传递碳化硅器件的控制信号；

电容板组件A，设置在基板和驱动板的中间，用于吸收主拓扑的碳化硅器件在开关过程中产生的高频脉冲电压；

电容板组件B，所述电容板组件B设置在基板的侧边，且所述电容板组件B与所述电容板组件A并联；所述电容板组件B用于将主拓扑的母线纹波电压变平滑；

其中，所述电容板组件A的容值小于所述电容板组件B的容值；

所述电容板组件A包括电容基板A、高频吸收电容，所述高频吸收电容的整体厚度小于10㎜；

所述电容板组件B包括电容基板B、直流滤波电容，所述直流滤波电容的整体厚度为30-40㎜；

所述高频吸收电容的容值为直流滤波电容的容值的0.01-0.02倍。

2.根据权利要求1所述的基于碳化硅器件的高速电机控制器低寄生电感主拓扑结构，其特征在于：所述电容板组件A与驱动板中间设有屏蔽层，用于屏蔽碳化硅器件的开关过程对驱动板上的驱动电路产生的干扰。

3.根据权利要求1所述的基于碳化硅器件的高速电机控制器低寄生电感主拓扑结构，其特征在于：所述碳化硅器件包括多个功率开关组件，每个功率开关组件包括多个并联的功率开关单元；每个功率开关组件中的多个功率开关单元在基板上按倾斜直线排布，相邻的两列功率开关单元之间呈“八”字形或倒“八”字形。

4.根据权利要求3所述的基于碳化硅器件的高速电机控制器低寄生电感主拓扑结构，其特征在于：设控制器的最大输出电流为I安培,每个功率开关组件中有N个功率开关单元，则相邻两列的功率开关单元之间的最大间距为I/5㎜，最小间距为I/（5N）㎜。

5.根据权利要求1所述的基于碳化硅器件的高速电机控制器低寄生电感主拓扑结构，其特征在于：所述碳化硅器件的四周设置有用于吸收高频电压纹波的多个陶瓷电容。

6.根据权利要求1所述的基于碳化硅器件的高速电机控制器低寄生电感主拓扑结构，其特征在于：所述基板的下端面固定有对碳化硅器件进行散热的散热器，所述散热器的内部设有水道。

7.根据权利要求1所述的基于碳化硅器件的高速电机控制器低寄生电感主拓扑结构，其特征在于：所述直流滤波电容设置在电容基板B的下端面，所述电容基板B与基板处于同一安装高度。