CN216490246U - 一种基于SIC功率模块的200kW车载逆变控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种基于SIC功率模块的200kW车载逆变控制器，其包括：一体成型的防水外壳、控制电路板卡、SIC功率模块及其驱动模块、进出水接口及水冷散热器、对接控制航插接口、直流母线输入航插接口、交流输出航插接口、输出输入EMI滤波器、母线输入滤波板卡、三相电流互感器、支撑电容及其放电电阻、温度传感器。本实用新型采用3个两单元的SIC功率模块组成了三相逆变全桥拓扑，可提高控制器的开关频率，同时散热采用水冷方式，从而实现整机系统高功率密度、高频高效率、小型化、轻量化。

Description

一种基于SIC功率模块的200kW车载逆变控制器

技术领域

本实用新型涉及电力电子技术领域，尤其涉及SiC功率模块及驱动的应用，涉及到200kW大功率车载逆变器。

背景技术

在电动汽车驱动控制器中，逆变控制器是实现能量交直流转化的关键部件，用于电机的驱动或制动时的能量回收或是提供交流电源。市场对于逆变控制器的能量传输效率、功率密度、价格等方面的要求越来越高。而功率模块又是逆变器实现高传输效率、高功率密度的关键器件，目前电动汽车驱动逆变器绝大部分是基于传统Si(硅)器件IGBT(绝缘栅双极型晶体管)功率模块的设计，存在开关频率低、损耗大的缺点，外围配套滤波器体积大，质量重，制约了逆变控制器功率密度的提高。

SiC(碳化硅)与Si器件相比存在三方面优势：更高的击穿电压强度；更低的损耗；更高的热导率。这些特性意味着SiC器件可以用在高电压、高开关频率、高功率密度的场合。随着SiC模块功率制造水平的提高，SiC 将会是越来越适合车载逆变控制器的半导体器件，采用SiC器件+水冷散热是实现逆变控制器高功率密度的有效手段。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本实用新型的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种基于SIC功率模块的200KW车载逆变控制器，以解决现有技术中车载逆变器体积大，超重量的问题。

为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

本实用新型提供一种基于SIC功率模块的200kW车载逆变控制器，包括：

三相逆变单元：由3个SIC功率模块组成的三相逆变全桥，用于将直流电转化为供电机或交流负载使用的交流电；

功率驱动单元：两单元的隔离集成SIC模块驱动模块直接焊接在三相逆变单元上，再通过排线连接到控制单元，可将控制单元经过控制算法计算出来的占空比变化的脉冲信号转化为SIC模块的驱动信号；

可控制动单元：通过控制单元的母线电压采样，实时监控母线电压值，通过连接在直流母线与逆变单元之间的泄放电路，用于在带电机负载出现电流反灌时，避免因反灌能量导致母线电压过高而损坏逆变器；

采样反馈单元：包括三相电流采样模块、温度采样模块和直流电压采样模块，用于采集三相逆变单元的三相电流信号、功率模块温度信号、进出水口温度和逆变控制器内部温度、直流母线电压信号；

系统控制单元：控制单元集成了DSP、FPGA和ARM三个控制芯片及外围扩展FLASH及RAM；控制单元与采样反馈单元及上位机连接，用于接收上位机指令并发送控制指令以及接收采样反馈单元采集的逆变单元的电流信号、电压信号和温度信号；

支撑电容单元：包括在3个SIC功率模块的正负端子与正负输入接口之间连接的大容量的薄膜电容，在每个SIC功率模块的正负端子之间连接的小容量的薄膜电容，以及在正负母排之间连接的放电电阻，用于滤波并储存电能，消除母线电压波动带来的影响；

电磁屏蔽单元：在输入接口安装了直流共模电感，在母排正负排之间连接了两个安规电容，在正母排与外壳地之间连接了一个安规电容板，在负母排与外壳地之间连接了一个安规电容板，用于处理因采用SIC功率模块，提高了开关频率导致的电磁干扰的问题；

水冷单元：逆变控制器在3个SIC功率模块背面的下方安装了一个水冷单元，包括一水冷散热器，所述水冷散热器上开设有有第一开孔和第二开孔，第一开孔设置在三相逆变单元的右侧下方以供冷却水的流入，第二开孔设置在三相逆变单元的右侧上方以供冷却水的流出，水冷单元用于整机三相逆变控制器进行降温保护；

温度保护单元：在每个SIC功率模块内置了NTC，用于采集功率模块的温度；在水冷散热器的第一开孔位置安装一个温度传感器，用于进水口温度的采集，在水冷散热器的第二开孔位置安装一个温度传感器，用于出水口温度的采集；在功率室安装一个温度传感器，用于逆变控制器内部环境温度的采集。

进一步，所述逆变控制器还包括由一体成型壳体和航空连接器构成的防水外壳。

进一步，所述逆变控制器进行分层分室优化设计，分成功率室与控制室，所述功率室又分成两层，第一层为功率模块及驱动，第二个层为散热器和支持电容。

进一步，所述三相逆变单元、系统控制单元和功率驱动单元中的开关管均采用碳化硅材料制造。

采用上述技术方案，本实用新型具有如下有益效果：

本实用新型提供的逆变控制器由于采用了宽禁带材料的碳化硅半导体作为功率转换器件，与传统基于SI(硅)半导体IGBT的逆变器相比，具有以下优点：结构更加紧凑、体积更小、重量更轻、耐热温度更高、高阻断电压、低损耗、开关速度快，外围配套LC滤波器更小。综合以上优点，在相同的功率等级下，设备中功率器件的数量、散热器的体积、滤波元件体积均能大大减小，同时效率也有大幅度的提升。同时采用了优化的结构布局方式，使整个逆变控制器中的杂散电感大大减少，对于系统间各部件的干扰也相应减少。通过对逆变控制器的优化设计，逆变控制器所占用的空间体积变小、散热更好，所能提供的开关频率达到20kHZ，电流谐波更低；从而实现整机系统高功率密度、高频高效率、小型化、轻量化。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型的基于SIC功率模块的200KW车载逆变控制器的第一视角结构示意图；

图2为本实用新型的基于SIC功率模块的200KW车载逆变控制器的第二视角结构示意图；

图3为本实用新型的基于SIC功率模块的200KW车载逆变控制器的电气原理示意图。

图标：1-控制板卡；2-控制板卡；3-温度传感器；4-进水接口；5-出水接口；6-一体成型外壳；7-控制航空接口；8-输入接口；9-输出接口；10-SIC 驱动模型；11-SIC功率模块；12-水冷散热器；13-支撑电容；14-放电电阻；15-直流共模电感；16-滤波电容板；17-滤波电容板；18-滤波电容板； 19-电流互感器；20-交流共模电感；21-NTC温度传感器；22-母线电压采集接口。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。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。

在本实用新型的描述中，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，也可以是可拆卸连接，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，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

以下结合附图对本实用新型的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限制本实用新型。

如图1-图3所示，本实施例的基于SIC功率模块的200kW车载逆变控制器包括由SIC功率模块11及SIC驱动模型10构成的三相全桥、控制板卡1、控制板卡2、用于EMI的输入输出直流共模电感15和交流共模电感20及滤波电容板16、滤波电容板17、滤波电容板18、用于母线滤波的支撑电容13及放电电阻14、由进出水接口及水冷散热器构成的水冷单元、由温度传感器3和功率模块内置NTC温度传感器21构成温度监测保护系统、由电流互感器19和母线电压采集接口22构成电压电流监测、由一体成型外壳6和控制航空接口7构成防水外壳。一体成型外壳6上安装有输入接口8、输出接口9。SIC功率模块11下面安装了水冷散热器12，在一体成型外壳6的右侧安装了进水接口4和出水接口5。

本申请中SIC功率模块11由SiC-MOSFET和SiC-SBD组合一体成全SiC 功率模块，其具有高电压、高开关频率、低开关损耗、高功率密度等特点。

本申请中控制单元集成了DSP、FPGA和ARM三个控制芯片及外围扩展 FLASH及RAM；ARM为主控制器负责主控系统的逻辑、部分慢速采样、与上位机界面通讯、与手操通讯、扩展RAM、CAN，485通讯等主要功能。DSP 浮点控制，负责控制算法。FPGA双口RAM功能，负责ARM与DSP通讯， PWM信号生成，FO信号综合。

支撑电容13及放电电阻14跟每个SIC功率模块11的正负端子连接，放电电阻接电容端子两端。

交流共模电感20安装在输入口，直流共模电感15安装在输出口，滤波电容板16、滤波电容板17、滤波电容板18分别安装在正负母排、正母排与大地、负母排与大地之间。电流互感器19安装在输入接口位置，母线电压采集接口22跟输入接口连接。

进水接口4安装了温度传感器3，在出水接口5安装了温度传感器3，每一个SIC功率模块11内置了NTC温度传感器21。

本申请逆变控制器的核心为三相功率逆变单元，由3个SIC功率模块并排放置，它们的正负端子均连接在支持电容的正负极，每个模块的分别引出一个输出端子，构成一个三相全桥拓扑结构，同时每个SIC功率模块是由两个碳化硅MOS管串联并且各自反并联一个碳化硅SBD芯片组成，用于将输入的直流电转化为供电机或交流负载使用的稳定的交流电，本实用新型的逆变单元选用碳化硅功率器，SiC MOSFET具有开关频率高，耐压高，速度快、导通电阻小的优点，SiC SBD具有减少开关损耗、反向恢复时间快、正向导通电压VF低、频率高的优点；MOSFET和SBD两者结温可以达到 175℃，能承受更高浪涌电流。

功率驱动单元，采用集成模块的形式，隔离双通道，每个通道驱动一个SICMOSFET，驱动功率达到3W，最高频率高达100KHZ，脉冲电压为负4 至15V，单电源为15V供电。每个集成SIC模块驱动模块直接焊接SIC功率模块上，减小线路干扰；再通过20P的排线连接到控制单元，接收来自控制单元经过控制算法计算出来的占空比变化的脉冲信号转化为SIC模块的驱动信号。

可控制动单元，由直流接触器或SIC MOSFET及驱动+散热器跟放电功率电阻跨接在母线电压正负两端之间，在带电机负载情况下，因反灌能量导致母线电压过高，通过控制单元的母线电压采样，当检测到母线电压高于设定的保护阈值时，控制单元发出控制命令，驱动直流接触器闭合或SIC MOSFET导通，通过泄放电阻将母线电压控制在安全电压范围之内，从而避免因过压损坏逆变控制器。

采样反馈单元，在逆变控制器内部安装了各传感器，包括三相电流采样模块、温度采样模块和直流电压采样模块，用于采集三相逆变单元的三相电流信号、功率模块温度信号、进出水口温度和逆变控制器内部温度、直流母线电压信号。

系统控制单元，控单元集成了DSP、FPGA和ARM三个控制芯片及外围扩展FLASH及RAM。控制单元与采样反馈单元及上位机连接，用于接收上位机指令并发送控制指令以及接收采样反馈单元采集的逆变单元的电流信号、电压信号和温度信号。

支撑电容单元，在3个SIC功率模块的正负端子与正负输入接口之间连接了一个大容量的薄膜电容，同时在每个SIC功率模块的正负端子之间连接了一个小容量的薄膜电容，在正负母排之间连接了一个放电电阻，用于滤波并储存电能，消除母线电压波动带来的影响。

电磁屏蔽单元，为了减小逆变控制器体积和重量，系统将整机开关频率提高到20KHZ，同时又紧凑的空间，处理整机系统的电磁兼容问题，在输入接口安装了一个直流共模电感，在母排正负排之间连接了两个安规电容，在正母排与外壳地之间连接了一个安规电容板，在负母排与外壳地之间连接了一个安规电容板，这直流共模电感与3块电容板处理了直流端的电磁兼容问题；在交流输出端安装了一个交流共模电感，用于处理交流端的电磁兼容问题。

水冷单元，将3个SIC功率模块并排直接安装在水冷散热器，散热器内部设计成独立的水流通道，在水冷散热器上开设有有第一开孔和第二开孔，第一开孔设置在三相逆变单元的右侧下方以供冷却水的流入，第二开孔设置在三相逆变单元的右侧上方以供冷却水的流出，然后将这两个进入水口跟车载的循环散热水路连通，从而将三相逆变控制器热量带到控制器外部。

温度保护单元，每个SIC功率模块内置NTC，用于监控功率模块内部温度，但监控到温度超过设定阈值时，系统立即关闭输出同时报出功率模块过热故障；在水冷散热器的第一开孔位置安装一个温度传感器，用于监控进水口温度，在水冷散热器的第二开孔位置安装一个温度传感器，用于监控出水口温度，当监控到出水口或出水口的温度超过设定阈值时，系统立即关闭输出同时报出水温过高故障；在功率室安装一个温度传感器，用于监控逆变控制器内部环境温度，当监控到内部环境温度超过设定阈值时，系统立即关闭输出同时报出环境温度过热故障。

为达到上述目的，在整机结构布局上，进行分层分室优化设计，分成功率室与控制室，减少功率室对控制室的干扰，功率室又分成两层，第一个层为功率模块及驱动，第二个层为散热器和支持电容。进行独立的对外接口设计，在逆变控制器的前侧的左部设置了输出接口，在前侧的中部设置了输入接口，在前侧的右部设置了控制接口，在逆变控制器的右侧下部中间位置安装了冷却水进口，冷却水出口。

在本实用新型的一实施例中，电流采样模块采集三相相电流。

在本实用新型的一实施例中，三相逆变单元、控制单元和驱动单元中的开关管均采用碳化硅材料制造。

在本实用新型的一实施例中，可控制动单元包括内置电阻和外接制动电阻，当内置电阻的制动功率不足时，可控制动单元能够扩展逆变控制器的制动效果。

在本实用新型的一实施例中，逆变控制器还包括一体成型的防水外壳，以供容置上述各个部件。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种基于SIC功率模块的200kW车载逆变控制器，其特征在于，包括：

三相逆变单元：由3个SIC功率模块组成的三相逆变全桥，用于将直流电转化为供电机或交流负载使用的交流电；

功率驱动单元：两单元的隔离集成SIC模块驱动模块直接焊接在三相逆变单元上，再通过排线连接到控制单元，可将控制单元经过控制算法计算出来的占空比变化的脉冲信号转化为SIC模块的驱动信号；

可控制动单元：通过控制单元的母线电压采样，实时监控母线电压值，通过连接在直流母线与逆变单元之间的泄放电路，用于在带电机负载出现电流反灌时，避免因反灌能量导致母线电压过高而损坏逆变器；

采样反馈单元：包括三相电流采样模块、温度采样模块和直流电压采样模块，用于采集三相逆变单元的三相电流信号、功率模块温度信号、进出水口温度和逆变控制器内部温度、直流母线电压信号；

系统控制单元：控制单元集成了DSP、FPGA和ARM三个控制芯片及外围扩展FLASH及RAM；控制单元与采样反馈单元及上位机连接，用于接收上位机指令并发送控制指令以及接收采样反馈单元采集的逆变单元的电流信号、电压信号和温度信号；

支撑电容单元：包括在3个SIC功率模块的正负端子与正负输入接口之间连接的大容量的薄膜电容，在每个SIC功率模块的正负端子之间连接的小容量的薄膜电容，以及在正负母排之间连接的放电电阻，用于滤波并储存电能，消除母线电压波动带来的影响；

电磁屏蔽单元：在输入接口安装了直流共模电感，在母排正负排之间连接了两个安规电容，在正母排与外壳地之间连接了一个安规电容板，在负母排与外壳地之间连接了一个安规电容板，用于处理因采用SIC功率模块，提高了开关频率导致的电磁干扰的问题；

水冷单元：逆变控制器在3个SIC功率模块背面的下方安装了一个水冷单元，包括一水冷散热器，所述水冷散热器上开设有第一开孔和第二开孔，第一开孔设置在三相逆变单元的右侧下方以供冷却水的流入，第二开孔设置在三相逆变单元的右侧上方以供冷却水的流出，水冷单元用于整机三相逆变控制器进行降温保护；

温度保护单元：在每个SIC功率模块内置了NTC，用于采集功率模块的温度；在水冷散热器的第一开孔位置安装一个温度传感器，用于进水口温度的采集，在水冷散热器的第二开孔位置安装一个温度传感器，用于出水口温度的采集；在功率室安装一个温度传感器，用于逆变控制器内部环境温度的采集。

2.根据权利要求1所述的基于SIC功率模块的200kW车载逆变控制器，其特征在于，所述逆变控制器还包括由一体成型壳体和航空连接器构成的防水外壳。

3.根据权利要求1所述的基于SIC功率模块的200kW车载逆变控制器，其特征在于，所述逆变控制器进行分层分室优化设计，分成功率室与控制室，所述功率室又分成两层，第一层为功率模块及驱动，第二个层为散热器和支持电容。

4.根据权利要求1所述的基于SIC功率模块的200kW车载逆变控制器，其特征在于，所述三相逆变单元、系统控制单元和功率驱动单元中的开关管均采用碳化硅材料制造。

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