三电平混合有源中性点钳位逆变器电路布局结构及逆变器装置

本发明涉及电力电子变换器，尤其是涉及一种三电平混合有源中性点钳位逆变器电路布局结构及逆变器装置。

背景技术：

1、混合多电平有源中性点钳位逆变器广泛运用于电机驱动以及新能源等领域，但传统的混合三电平有源中性点钳位变换器存在体积较大，尺寸不易标准化；功率器件大部分为直插式，寄生电感较大，功率回路较长，开关波形和emi(electromagneticinterference，电磁干扰)性能较差；大多运用多层pcb板进行设计，成本较高等缺点。

2、三电平混合有源中性点钳位逆变器是三电平逆变器的一种特殊类型。在该特殊类型变换器设计过程中，主要需要考虑以下问题：第一，直流侧母线电容需要能够均压，在开环控制中电容均压性能与电容充放电所经回路的长短有关，充放电回路越短，上下直流母线电容充放电功率回路越对称，均压效果越好；第二，需着重考虑高频回路设计，合理布置高频解耦电容；第三，高速开关的器件对外界存在电磁干扰，需要对其开关波形进行优化以降低电磁干扰。但现有的三电平混合有源中性点钳位逆变器设计无法满足上述要求。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种低成本高功率密度的三电平混合有源中性点钳位逆变器电路布局结构及逆变器装置，在保证散热和emi的前提下，实现了功率回路的磁场抵消、回路电感的降低以及更高的功率密度。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、一种三电平混合有源中性点钳位逆变器电路布局结构，该结构包括pcb板以及设置于pcb板上的直流侧滤波电容c5、c6，高频解耦电容c1、c2、c3、c4，硅器件s1、s2、s3、s4，氮化镓器件s5、s6，第一驱动电路以及第二驱动电路，所述pcb板包括顶层和底层，所述直流侧滤波电容c5、c6，高频解耦电容c1、c2，硅器件s1、s4，氮化镓器件s5以及第一驱动电路焊接在所述顶层，所述高频解耦电容c3、c4，硅器件s2、s3，氮化镓器件s6以及第二驱动电路焊接在所述底层；

4、所述硅器件s1、s2构成半桥模块，硅器件s3、s4构成半桥模块，氮化镓器件s5、s6构成半桥模块，各所述半桥模块中，电流在所述顶层和底层流向相反；

5、所述第一驱动电路负责驱动氮化镓器件s5，所述第二驱动电路负责驱动氮化镓器件s6。

6、进一步地，所述第一驱动电路、第二驱动电路与对应的氮化镓器件的功率流向相互垂直。

7、进一步地，所述硅器件s1的漏极连接直流正极，硅器件s1的源极与硅器件s2的漏极连接，硅器件s2的源极与中性地pgnd极连接，中性地pgnd极与硅器件s3的漏极连接，硅器件s3的源极与硅器件s4的漏极连接，硅器件s4的源极与直流负极连接，硅器件s2的漏极与高频解耦电容c1、c2的一端以及氮化镓器件s5的漏极连接，氮化镓器件s5的源极连接输出out极，氮化镓器件s5的源极与氮化镓器件s6的漏极连接，氮化镓器件s6的漏极连接输出out极，氮化镓器件s6的源极连接硅器件s4的漏极。

8、进一步地，所述pcb板上设置有用于连接不同器件的顶层铜片和底层铜片。

9、进一步地，所述pcb板上设置有用于实现顶层和底层不同器件连接的过孔。

10、进一步地，所述第一驱动电路、第二驱动电路均分别包括驱动芯片、驱动辅助电源及驱动电阻。

11、进一步地，所述驱动电阻选取为开启10欧姆，关断1欧姆的电阻。

12、进一步地，各所述硅器件和氮化镓器件通过矩阵连接器与外侧驱动板连接。

13、进一步地，所述硅器件s1、s2、s3、s4和氮化镓器件s5、s6为smd贴片式封装器件。

14、本发明还提供一种逆变器装置，包括如上实施的逆变器电路布局结构。

15、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

16、1、本发明中，硅器件s1、s2构成的半桥模块的功率回路面积小，电流在顶层和底层流向相反，实现磁场抵消；硅器件s3、s4构成的半桥模块的功率回路面积小，电流在顶层和底层流向相反，实现磁场抵消；氮化镓器件s5、s6的功率回路面积小，电流在顶层和底层流向相反，实现磁场抵消；磁场抵消可以降低功率回路的寄生电感，优化开关波形，降低电磁辐射干扰，提高整机运行稳定性。本发明将开关器件和解耦电容进行合理布局，使得结构更加紧凑，且很好地实现了磁场抵消，从而最大程度减小驱动回路和主功率回路面积，减少主功率回路与驱动回路的交叉耦合，减少回路的寄生参数，保证电路良好运行。

17、2、本发明中，负责驱动氮化镓器件的高频驱动回路与氮化镓器件的功率流向相互垂直，这一结构降低了功率部分与驱动部分的交叉耦合，能够优化开关波形，提高整机运行稳定性。

18、3、本发明采用的开关器件为smd贴片式封装，相比于传统的直插式器件，降低了器件封装引入的寄生电感，这能够优化开关波形。

19、4、本发明的结构在降低成本的同时，优化了多项指标，如emi抗干扰性能，开关波形，整机效率，可集成度等。

技术特征：

1.一种三电平混合有源中性点钳位逆变器电路布局结构，其特征在于，该结构包括pcb板以及设置于pcb板上的直流侧滤波电容c5、c6，高频解耦电容c1、c2、c3、c4，硅器件s1、s2、s3、s4，氮化镓器件s5、s6，第一驱动电路以及第二驱动电路，所述pcb板包括顶层和底层，所述直流侧滤波电容c5、c6，高频解耦电容c1、c2，硅器件s1、s4，氮化镓器件s5以及第一驱动电路焊接在所述顶层，所述高频解耦电容c3、c4，硅器件s2、s3，氮化镓器件s6以及第二驱动电路焊接在所述底层；

2.根据权利要求1所述的三电平混合有源中性点钳位逆变器电路布局结构，其特征在于，所述第一驱动电路、第二驱动电路与对应的氮化镓器件的功率流向相互垂直。

3.根据权利要求1所述的三电平混合有源中性点钳位逆变器电路布局结构，其特征在于，所述硅器件s1的漏极连接直流正极，硅器件s1的源极与硅器件s2的漏极连接，硅器件s2的源极与中性地pgnd极连接，中性地pgnd极与硅器件s3的漏极连接，硅器件s3的源极与硅器件s4的漏极连接，硅器件s4的源极与直流负极连接，硅器件s2的漏极与高频解耦电容c1、c2的一端以及氮化镓器件s5的漏极连接，氮化镓器件s5的源极连接输出out极，氮化镓器件s5的源极与氮化镓器件s6的漏极连接，氮化镓器件s6的漏极连接输出out极，氮化镓器件s6的源极连接硅器件s4的漏极。

4.根据权利要求1所述的三电平混合有源中性点钳位逆变器电路布局结构，其特征在于，所述pcb板上设置有用于连接不同器件的顶层铜片和底层铜片。

5.根据权利要求1所述的三电平混合有源中性点钳位逆变器电路布局结构，其特征在于，所述pcb板上设置有用于实现顶层和底层不同器件连接的过孔。

6.根据权利要求1所述的三电平混合有源中性点钳位逆变器电路布局结构，其特征在于，所述第一驱动电路、第二驱动电路均分别包括驱动芯片、驱动辅助电源及驱动电阻。

7.根据权利要求6所述的三电平混合有源中性点钳位逆变器电路布局结构，其特征在于，所述驱动电阻选取为开启10欧姆，关断1欧姆的电阻。

8.根据权利要求1所述的三电平混合有源中性点钳位逆变器电路布局结构，其特征在于，各所述硅器件和氮化镓器件通过矩阵连接器与外侧驱动板连接。

9.根据权利要求1所述的三电平混合有源中性点钳位逆变器电路布局结构，其特征在于，所述硅器件s1、s2、s3、s4和氮化镓器件s5、s6为smd贴片式封装器件。

10.一种逆变器装置，其特征在于，包括根据权利要求1-9任一项实施的逆变器电路布局结构。

技术总结
本发明涉及一种三电平混合有源中性点钳位逆变器电路布局结构及逆变器装置，该结构包括PCB板以及设置于PCB板上的直流侧滤波电容C5、C6，高频解耦电容C1、C2、C3、C4，硅器件S1、S2、S3、S4，氮化镓器件S5、S6，第一驱动电路以及第二驱动电路，所述PCB板包括顶层和底层，所述直流侧滤波电容C5、C6，高频解耦电容C1、C2，硅器件S1、S4，氮化镓器件S5以及第一驱动电路焊接在所述顶层，所述高频解耦电容C3、C4，硅器件S2、S3，氮化镓器件S6以及第二驱动电路焊接在所述底层。与现有技术相比，本发明在保证散热和EMI的前提下，实现了功率回路的磁场抵消、回路电感的降低以及更高的功率密度。

技术研发人员：王江峰,刘浩然,袁宇波,刘瑞煌,张宸宇,史明明,葛雪峰,喻建瑜,朱睿,王鑫达,陈武
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/10