基于SiC功率器件的三电平牵引功率模块及逆变电路的制作方法

本发明属于牵引逆变技术领域，尤其涉及一种基于sic功率器件的三电平牵引功率模块及逆变电路。

背景技术：

目前，大功率逆变器多采用si-igbt作为核心功率器件，基于si功率器件的牵引逆变器的开关频率普遍在1khz以下，为了保证牵引逆变器输出三相电流质量，需采用复杂的分段同步调制控制方法，这样不仅增加了系统控制的复杂度，同时在不同调制切换时容易产电流冲击，影响系统的安全可靠性。同时，si-igbt器件损耗较大，导致逆变器散热系统体积重量大。

相比于si-igbt，sic功率器件作为新型宽禁带半导体器件具有低损耗、耐高温等特性，其在高压、大功率、高频化应用领域具备不可比拟的优势。利用sic功率器件的高工作频率特性，可提高牵引逆变器开关频率，减小磁芯元件尺寸重量，提高功率密度，减小工作噪声，且简化系统电路结构和控制复杂性；同时，功率器件开关损耗降低，提高转换效率，且减少发热，降低散热器尺寸重量。因此，可采用sic-mosfet替代si-igbt作为逆变器的核心功率器件，对传统逆变器结构进行改进。

技术实现要素：

本发明针对上述基于si功率器件的逆变器存在的不足，提供了一种基于sic功率器件的三电平牵引功率模块及逆变电路，牵引功率模块采用集成化、系统化设计，利用sic功率器件的高频、高温特性，有效降低模块的体积与重量，牵引功率模块相比传统基于si器件的功率模块得到大大提高。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于sic功率器件的三电平牵引功率模块，牵引逆变主电路采用i型三电平逆变桥结构；牵引功率模块自上而下依次集成有控制器、支撑电容模块、叠层母排、驱动模块、sic功率模块以及散热片；sic功率模块采用sic-mosfet与sic-diode功率器件，所述驱动模块与所述sic功率模块连接，所述控制器与所述驱动模块连接，以控制所述sic功率模块的通断；所述支撑电容模块与所述sic功率模块连接，所述sic功率模块与所述散热片固定连接。

优选的，所述sic功率模块包括单相桥臂，单相桥臂包括上桥臂sic-mosfet模块、下桥臂sic-mosfet模块、sic-diode模块，所述上桥臂sic-mosfet模块、下桥臂sic-mosfet模块以及sic-diode模块呈一字型排布，所述sic-diode模块置于上桥臂sic-mosfet模块与下桥臂sic-mosfet模块之间。

优选的，所述单相桥臂还包括rc模块，所述rc模块包括串联的电容与电阻，所述rc模块连接上桥臂sic-mosfet模块与下桥臂sic-mosfet模块的中性点。

优选的，所述sic功率模块包括第一桥臂、第二桥臂以及第三桥臂，所述第一桥臂、第二桥臂以及第三桥臂采用所述单相桥臂设计；所述第一桥臂、第二桥臂以及第三桥臂依次通过叠层母排连接，所述第一桥臂或第二桥臂与所述第三桥臂呈中心对称分布。

优选的，所述驱动模块与所述单相桥臂连接，设置于所述单相桥臂上方；所述驱动模块包括驱动单元与控制单元；所述驱动单元包括第一驱动单元、第二驱动单元，所述第一驱动单元与所述上桥臂sic-mosfet模块连接，所述第二驱动单元与所述下桥臂sic-mosfet模块连接；所述控制单元分别与所述第一驱动单元、第二驱动单元以及控制器连接，根据所述控制器发出的控制指令、以及所述第一驱动单元、第二驱动单元反馈的上、下桥臂sic-mosfet模块的状态信息，进行逻辑处理，生成脉冲通断控制信号并反馈至所述第一驱动单元、第二驱动单元，以驱动所述上桥臂sic-mosfet模块与下桥臂sic-mosfet模块的通断。

优选的，所述散热片内部嵌有热管，所述热管置于所述上桥臂sic-mosfet模块与下桥臂sic-mosfet模块底端。

优选的，所述支撑电容模块采用一体化结构设计，所述支撑电容模块包括正负交互并联设置的多个薄膜电容芯子，各薄膜电容芯子通过叠层母排进行连接。

本发明还提供了一种基于sic功率器件的三电平牵引逆变电路，包括三相逆变桥、支撑电容c1、c2，以及rc吸收电路；所述三相逆变桥采用i型三电平逆变桥；所述支撑电容c1、c2串联后的中性点与三相逆变桥两个串联二极管的中性点连接；各单相逆变桥均并联rc吸收电路，各rc吸收电路包括两个串联的电容与电阻，连接至上、下桥臂的两个中性点。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

本发明提供了一种基于sic功率器件的三电平牵引电路及相应的功率模块，牵引逆变主电路采用i型三电平逆变桥结构，牵引功率模块自上而下依次集成有控制器、支撑电容模块、叠层母排、驱动模块、sic功率模块以及散热片，采用集成化、系统化设计，利用sic功率器件的高频、高温特性，有效降低模块的体积与重量，降低了系统设计的复杂度，较传统基于si功率器件的功率模块各方面性能得到提高。

(1)本发明通过将各单相桥臂的上桥臂sic-mosfet模块、sic-diode模块以及下桥臂sic-mosfet模块呈一字型排布设计，第一桥臂与第三桥臂保持中心对称设计，将第一桥臂与第二桥臂保持一致，功率模块进行合理化排布并基于此设计了低感叠层母排，使系统杂散电感大幅度降低，有效减小功率器件开通关断时的电流、电压尖峰。

(2)将功率器件的驱动控制电路采用模块化设计，每个桥臂单独设计一个驱动模块，对其进行控制，在故障及正常工作时，实现“先关外管，再关内管”的关断时序控制，驱动电路模块化设计可实现三电平电路安全可靠工作，并实现状态信息实时监测。

(3)通过在散热片中添加热管，热管根据各sic-mosfet功率器件进行排布，能够实现良好的散热效果，在满足系统散热要求的前提下减轻了散热片的整体重量，实现了牵引模块小型化、轻量化的设计。

附图说明

图1为本发明的牵引逆变电路原理图；

图2(a)为单相桥臂的大换流回路电流示意图；

图2(b)为单相桥臂的大换流回路电流示意图；

图3为本发明的牵引功率模块结构图；

图4为sic功率模块与叠层母排连接示意图；

图5为sic功率模块与叠层母排结构图；

图6为支撑电容模块内部结构示意图；

图7为sic功率模块与驱动模块结构图；

图8为sic-mosfet驱动控制示意图；

图9为散热片结构示意图；

其中，1-控制器、2-支撑电容模块、21-薄膜电容芯子、3-叠层母排、4-驱动模块、5-sic功率模块、51-第一桥臂、511-上桥臂sic-mosfet模块、512-sic-diode模块、513-下桥臂sic-mosfet模块；52-第二桥臂、521-上桥臂sic-mosfet模块、522-sic-diode模块、523-下桥臂sic-mosfet模块；53-第三桥臂、531-上桥臂sic-mosfet模块、532-sic-diode模块、533-下桥臂sic-mosfet模块；54-rc模块、6-散热片、61-热管。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本申请部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都应当属于本申请保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含一系列步骤或单元的过程、方法或系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。此外，术语“第一”、“第二”和“第三”等是用于区别不同对象，而非用于描述特定顺序。

参考图1所示，图1提供了一种采用i型三电平逆变桥的牵引逆变电路，包括三相逆变桥、支撑电容c1、c2，以及rc吸收电路。其中，三相逆变桥采用i型三电平逆变桥，各单相逆变桥均并联rc吸收电路，各rc吸收电路包括两个串联的电容与电阻，各单相逆变桥及其并联的rc吸收电路组成单相桥臂，即各单相桥臂的上下桥臂分别由两个串联的可控功率器件sic-mosfet组成，两个串联的不可控功率器件sic-diode二极管连接上、下桥臂的两个中性点。支撑电容c1、c2串联后的中性点与各单相逆变桥两个串联二极管的中性点连接。

根据上述的牵引逆变电路，本实施例设计了相应的牵引功率模块，参考图3所示，一种基于sic功率器件的三电平牵引功率模块，自上而下依次集成有控制器1、支撑电容模块2、叠层母排3、驱动模块4、sic功率模块5以及散热片6。其中，sic功率模块5采用sic-mosfet与sic-diode功率器件，驱动模块4与sic功率模块5连接，控制器1与驱动模块4连接，以控制sic功率模块5的各sic-mosfet功率器件的通断；支撑电容模块2与sic功率模块5连接，sic功率模块5底部固定连接有散热片6，为sic功率模块5散热。

进一步参考图1、图3、图4、图5、图6所示，对于sic功率模块5，其包括第一桥臂51、第二桥臂52以及第三桥臂53，第一桥臂51、第二桥臂52以及第三桥臂53依次通过叠层母排3连接；各单相桥臂包括上桥臂sic-mosfet模块、下桥臂sic-mosfet模块以及sic-diode模块，上、下桥臂sic-mosfet模块分别由两个串联的可控功率器件sic-mosfet组成，sic-diode模块由两个串联的不可控功率器件sic-diode组成，为i型三电平逆变桥结构设计。

由于sic-mosfet器件具有快速开通、关断的特性，可有效提高牵引逆变器的开关频率，但同时会造成系统di/dt、dv/dt等参数的升高，当sic-mosfet器件关断时，其尖峰电压也会增加，就会带来触发驱动板有源钳位保护的风险。三电平逆变电路存在大换流回路与小换流回路两种换流回路，参考图2(a)、图2(b)所示，以单相桥臂为例，当sic-mosfet开关状态从0100切换成0110，在这个换流过程中，反向恢复电流穿过c1、t1(二极管)、t2、t3、db及这个大换流回路中的杂散电感，如图2(a)；当sic-mosfet开关状态从0010切换到0110，电流穿过c2、da、t2、t3、t4(二极管)及这个大换流回路中的杂散电感，如图2(b)。当sic-mosfet开关状态从0010切换成0100，t3关断，产生电压尖峰，这个电压尖峰对应的杂散电感为c1、t1(二极管)、t2(二极管)、t3、db所构成的大换流回路的杂散电感；当sic-mosfet开关状态从0010切换为0011，电流穿过c2，db，t4以及这个小换流回路的杂散电感；当开关状态从0011切换至0010，t4关断，产生电压尖峰，这个电压尖峰对应的杂散电感为c2、db、t4所构成的小换流回路的杂散电感。由于大换流回路杂散电感参数明显高于小换流回路，因此实际逆变器功率模块设计时只需要考虑降低大换流回路的杂散电感。

因此，进一步参考图4、图5所示，为了降低大换流回路的杂散电感，本实施例中将各单相桥臂的上桥臂sic-mosfet模块、下桥臂sic-mosfet模块以及sic-diode模块呈一字型排布，sic-diode模块置于上桥臂sic-mosfet模块与下桥臂sic-mosfet模块之间，以保证上、下桥臂大换流环路杂散电感一致性。同时考虑叠层母排3的结构设计紧凑以及对称性，保证功率模块的体积小型化，本实施例将第一桥臂51与第二桥臂52保持一致，第一桥臂51或第二桥臂52与第三桥臂53保持中心对称分布，sic功率器件排布及母排连接示意图如4、图5所示，具体设计为：第一桥臂51的上桥臂sic-mosfet模块511、sic-diode模块512以及下桥臂sic-mosfet模块513呈一字型排布，sic-diode模块512置于上桥臂sic-mosfet模块511与下桥臂sic-mosfet模块513之间；第二桥臂52设计与第一桥臂51相同，与第一桥臂51呈轴对称分布，即第二桥臂52的上桥臂sic-mosfet模块521、sic-diode模块522以及下桥臂sic-mosfet模块523呈一字型排布，sic-diode模块522设于上桥臂sic-mosfet模块521与下桥臂sic-mosfet模块523之间；第三桥臂53与第一桥臂51或第二桥臂52呈中心对称分布，即第三桥臂53的上桥臂sic-mosfet模块531、sic-diode模块532以及下桥臂sic-mosfet模块533呈一字型排布，sic-diode模块532设于上桥臂sic-mosfet模块531与下桥臂sic-mosfet模块533之间，且第三桥臂53的上桥臂sic-mosfet模块531与第一桥臂51的上桥臂sic-mosfet模块511以及第二桥臂52的上桥臂sic-mosfet模块521呈中心对称分布，第三桥臂53的下桥臂sic-mosfet模块533与第一桥臂51的下桥臂sic-mosfet模块513以及第二桥臂52的下桥臂sic-mosfet模块523呈中心对称分布。

本实施例通过对三电平逆变电路大环流回路路径的分析，将功率模块进行合理化排布并基于此设计低感叠层母排，系统杂散电感大幅度降低，将大换流回路杂散电感参数控制在20nh以下，有效减小功率器件开通关断时的电流、电压尖峰。

为了进一步抑制在sic功率模块5换流过程由高di/dt产生的尖峰电压，以及高dv/dt作用在器件分布参数上造成内外管电压不平衡现象，本实施例在每个单相桥臂并联rc吸收电路，电路结构参考图1所示，rc模块排布位置参考图5所示，即各单相桥臂还包括rc模块54，rc模块54包括串联的电容与电阻，rc模块54连接各单相桥臂的上桥臂sic-mosfet模块与下桥臂sic-mosfet模块的中性点，例如第一桥臂51的rc模块54连接上桥臂sic-mosfet模块511与下桥臂sic-mosfet模块513的中性点。

参考图1、图6所示，对于支撑电容模块2，支撑电容c1、c2串联后的中性点与各单相逆变桥两个串联二极管的中性点连接，图6为支撑电容的内部结构示意图，本实施例中支撑电容模块2采用一体化结构设计，支撑电容模块2内部包括正负交互并联设置的多个薄膜电容芯子21，各薄膜电容芯子51通过叠层母排3进行连接，采用正负交互式并联模式，大大降低支撑电容内部电感值，将支撑电容内部电感值降低到10nh以下。

实际设计中，根据逆变器运行状态下的能量波动值δp及系统直流侧稳压δu的要求即可计算出支撑电容c1、c2的容值参数c，即n个薄膜电容芯子并联后，其等效电容:c＝c1+c2+c3+…+cn-1+cn＝n×c1；等效电感为：因此，根据上述公式可以确定出支撑电容内部并联设计的薄膜电容芯子51的具体数量。

对于驱动模块4，参考图1、图7、图8所示，每个桥臂由一个独立的驱动模块4控制，位于sic功率模块5上方，通过针脚与sic-mosfet功率模块5的驱动端焊接，不需增加额外引线连接，减少外部干扰。参考图8所示，各驱动模块4包括驱动单元与控制单元，其中，驱动单元包括第一驱动单元与第二驱动单元，第一驱动单元与上桥臂sic-mosfet模块连接，第二驱动单元与下桥臂sic-mosfet模块连接，分别控制同一桥臂的上、下桥臂sic-mosfet模块；控制单元分别与第一驱动单元、第二驱动单元以及控制器连接，控制单元根据控制器发出的控制指令、以及第一驱动单元、第二驱动单元反馈的上桥臂sic-mosfet模块与下桥臂sic-mosfet模块的状态信息，进行逻辑处理，生成脉冲通断控制指令并反馈至第一驱动单元、第二驱动单元；驱动单元根据控制单元发送的脉冲通断控制指令，通过驱动电路发出相应电平信号，以驱动上桥臂sic-mosfet模块与下桥臂sic-mosfet模块的通断，保证在sic-mosfet发生单管短路、直通短路或桥臂短路时，遵循“先关外管，再关内管”的关断时序控制；同时读取sic-mosfet模块的电流、电压信息，并反馈至控制单元，对同桥臂所有管脚进行软关断操作。

本实施例将每个桥臂设置一个驱动模块，可对三电平输入信号进行逻辑互锁；同时在故障及正常工作时，遵循i型三电平“先关外管，再关内管”的关断时序控制，且对同桥臂所有管脚进行软关断操作，各桥臂设置独立的驱动模块，可实现三电平电路安全可靠工作，并实现状态信息实时监测。

对于控制器1，参考图3、图8所示，控制器1置于最顶层，位于支撑电容模块2的上方，与驱动模块4连接，用于控制整个牵引变流系统。多路pwm信号通过光纤连接到驱动模块4控制sic功率模块5的开通和关断，并将多路状态信号反馈给控制器1作为fpga保护的依据。控制器1设有mvb、can以及以太网通信接口，为牵引逆变器系统内部数据通信、外部网络系统数据通信提供保障。

对于散热片6的设计，参考图9所示，为了降低散热片体积，提高牵引功率模块功率密度，实现牵引逆变器小型化、轻量化的设计，本实施例在散热片6内部嵌有热管61，热管61置于各桥臂的上桥臂sic-mosfet模块与下桥臂sic-mosfet模块底端，实现sic-mosfet功率器件与散热片更高效的热交换，将sic-mosfet的开关频率提高到4～6khz，在满足系统散热要求的前提下散热片的整体重量减小，将散热片的整体重量控制在20kg内，实现了牵引逆变器小型化、轻量化设计。

综上所述，本发明的牵引功率模块采用sic功率器件，突破传统si功率器件的应用极限，有效提高功率器件的开关频率，从而实现高质量三相电流的输出，大大降低了控制系统的复杂度；牵引功率模块采用集成化、系统化设计，利用sic功率器件的高频、高温特性，有效降低模块的体积与重量，牵引功率模块相比传统基于si器件的功率模块各方面性能得到大大提高。