一种高速交流电机驱动模块制造技术

本发明专利技术属于电气控制技术领域，具体为一种高速交流电机驱动模块，包括控制器、第一GaN半桥电路(1)、第一电感(Lc1)、第一电容(C1)、第二GaN半桥电路(2)、第二电感(Lc2)、第二电容(C2)、第三GaN半桥电路(3)、第三电感(Lc3)、第三电容(C3)、第一输出电容(C4)、第二输出电容(C5)、第三输出电容(C6)、检测电路和反馈电路。本发明专利技术通过采用LGA封装的GaN HEMT器件实现全桥逆变器的高频化，为提高可靠性采用双面布局结构对栅驱动电路、HEMT器件、电源母线和散热布局进行优化设计，保证GaN器件工作在安全区域状态，从而实现功率模块的高频化和小型化，从而实现高密度功率集成和高效率，可以广泛应用于交流电机控制系统中。

【技术实现步骤摘要】
一种高速交流电机驱动模块
本专利技术涉及一种高速交流电机驱动模块，属于电气控制

技术介绍
三相异步电机(Triple-phaseasynchronousmotor)是感应电动机的一种，是靠同时接入380V三相交流电流(相位差120度)供电的一类电动机，由于三相异步电动机的转子与定子旋转磁场以相同的方向、不同的转速成旋转，存在转差率，所以叫三相异步电动机。三相异步电动机转子的转速低于旋转磁场的转速，转子绕组因与磁场间存在着相对运动而产生电动势和电流，并与磁场相互作用产生电磁转矩，实现能量变换。与单相异步电动机相比，三相异步电动机运行性能好，并可节省各种材料。按转子结构的不同，三相异步电动机可分为笼式和绕线式两种。笼式转子的异步电动机结构简单、运行可靠、重量轻、价格便宜，得到了广泛的应用，其主要缺点是调速困难。绕线式三相异步电动机的转子和定子一样也设置了三相绕组并通过滑环、电刷与外部变阻器连接。调节变阻器电阻可以改善电动机的起动性能和调节电动机的转速。当向三相定子绕组中通入对称的三相交流电时，就产生了一个以同步转速n1沿定子和转子内圆空间作顺时针方向旋转的旋转磁场。由于旋转磁场以n1转速旋转，转子导体开始时是静止的，故转子导体将切割定子旋转磁场而产生感应电动势(感应电动势的方向用右手定则判定)。由于转子导体两端被短路环短接，在感应电动势的作用下，转子导体中将产生与感应电动势方向基本一致的感生电流。转子的载流导体在定子磁场中受到电磁力的作用(力的方向用左手定则判定)。电磁力对转子轴产生电磁转矩，驱动转子沿着旋转磁场方向旋转。当电动机的三相定子绕组(各相差120度电角度)，通入三相对称交流电后，将产生一个旋转磁场，该旋转磁场切割转子绕组，从而在转子绕组中产生感应电流(转子绕组是闭合通路)，载流的转子导体在定子旋转磁场作用下将产生电磁力，从而在电机转轴上形成电磁转矩，驱动电动机旋转，并且电机旋转方向与旋转磁场方向相同。交流电机驱动模块是三相异步交流电机控制系统必备工作模块，高速电机对逆变器模块的要求日益严格，为实现更高速电机，必须提供高速逆变器模块。现有逆变器模块通常采用硅基MOSFET或IGBT器件作为功率开关，导致电机运行速度一般低于20KHz的频率。GaN器件的特性，使得GaN器件的栅极驱动电荷(Qg)很小，结电容也非常小，开关速度比Si器件快得多，采用GaN开关器件使逆变器级能以高于100kHz的频率工作。GaN功率级固有的低开关损耗使得效率可以达到99％以上。更高的效率意味着更小的散热器和需要较少的散热，使设计更加紧凑和更具成本效益。近年来以氮化镓(GaN)为代表的第三代半导体功率器件，因禁带宽、击穿电场强度高、高电子饱和速度快，在大功率、高温、高频、抗辐射的微电子领域，以及短波长光电子领域，有明显优于Si、Ge、GaAs等第一代和第二代半导体材料的性能。GaN功率器件与Si器件相比具有优越的通态特性和非常好的开关特性，因此在较短的时间内就吸引了工业界的关注，从事应用研究的学者们也开展了大量的研究工作，将其应用到POL、DC/DC等低压、小功率的电源装置中。研究表明，用GaN器件替换Si器件可以大幅度提高开关频率，同时保持了良好的效率指标。然而采用提高开关频率的方式来提高功率密度，需要面临两方面的瓶颈问题：一是GaN器件开关过程中开关支路的电流变化非常迅速、di/dt很高，由于功率回路中不可避免的存在寄生电感，当电流迅速变化时，在开关器件两端会产生很高的尖峰过电压。轻则造成电路误动作、EMI超标，重则导致器件击穿损坏。GaN器件很高的开关速度导致其开关过程中的寄生振荡和过电压现象远比Si器件明显。GaN器件由于开关速度更快，因此对电路中的寄生电感更为敏感。如果布线不够优化，寄生电感较大，则会直接影响电路的正常工作。二是随着GaN功率模块的功率密度提高，功率器件的散热要求更为严格。原因在于模块体积减小，散热器结构的选择和位置的摆放对功率模块的性能影响较传统功率模块更敏感。针对采用GaN功率器件进行功率集成时面临的应用挑战，本专利技术在栅驱动电路、器件布局和散热等方面进行了优化设计，提出了一种应用于高速交流电机系统的电机驱动模块。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种高速交流电机驱动模块。一种高速交流电机驱动模块，包括：控制器、第一GaN半桥电路、第一电感Lc1、第一电容C1、第二GaN半桥电路、第二电感Lc2、第二电容C2、第三GaN半桥电路、第三电感Lc3、第三电容C3、第一输出电容C4、第二输出电容C5、第三输出电容C6、检测电路和反馈电路。所述第一GaN半桥电路包括第一栅驱动电路H、第二栅驱动电路L、第一GaN功率开关MH、第二GaN功率开关ML、分别连接在MH和ML栅端的第一限流电阻RH和第二限流电阻RL；所述第二GaN半桥电路包括第三栅驱动电路H1、第四栅驱动电路L1、第三GaN功率开关MH1和第四GaN功率开关ML1、分别连接在MH1和ML1栅端的第三限流电阻RH1和第四限流电阻RL1；所述第三GaN半桥电路包括第五栅驱动电路H2、第六栅驱动电路L2、第五GaN功率开关MH2和第六GaN功率开关ML2、分别连接在MH2和ML2栅端的第五限流电阻RH2和第六限流电阻RL2，上述电路在版图实现时采用双面布局结构；所述一种高速交流电机驱动模块电路的连接关系如下：控制器的第一脉宽信号PWH输出端连接到第一栅驱动电路H的输入端，控制器的第二脉宽信号PWL输出端连接到第二栅驱动电路L的输入端，控制器的第三脉宽信号PWH1输出端连接到第三栅驱动电路H1的输入端，控制器的第四脉宽信号PWL1输出端连接到第四栅驱动电路L1的输入端，控制器的第五脉宽信号PWH2输出端连接到第五栅驱动电路H2的输入端，控制器的第六脉宽信号PWL2输出端连接到第六栅驱动电路L2的输入端；第一栅驱动电路H的输出端连接到第一限流电阻RH的左端，第一限流电阻RH的右端连接到第一GaN功率开关MH的栅端，第二栅驱动电路L的输出端连接到第二限流电阻RL的左端，第二限流电阻RL的右端连接到第二GaN功率开关ML的栅端，第三栅驱动电路H1的输出端连接到第三限流电阻RH1的左端，第三限流电阻RH1的右端连接到第三GaN功率开关MH1的栅端，第四栅驱动电路L1的输出端连接到第四限流电阻RL1的左端，第四限流电阻RL1的右端连接到第四GaN功率开关ML1的栅端，第五栅驱动电路H2的输出端连接到第五限流电阻RH2的左端，第五限流电阻RH2的右端连接到第五GaN功率开关MH2的栅端，第六栅驱动电路L2的输出端连接到第六限流电阻RL2的左端，第六限流电阻RL2的右端连接到第六GaN功率开关ML2的栅端；第一GaN功率开关MH的源端连接到输入高压母线Vbus，第一GaN功率开关(MH)的漏端为半桥输出HB，半桥输出HB连接到第二GaN功率开关(ML)的漏端和第一电感(Lc1)的左端，第二GaN功率开关(ML)的源端连接到输入低压母线Vgnd和第一电容(C1)的下端；第三GaN功率开关(MH1)的源端连接到输入高压母线Vbus，第三GaN功率开关MH1的漏端为半桥输出HB1，半桥输出HB1连接到第四GaN功率开关ML1的漏本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高速交流电机驱动模块，其特征是包括：控制器、第一GaN半桥电路(1)、第一电感(Lc1)、第一电容(C1)、第二GaN半桥电路(2)、第二电感(Lc2)、第二电容(C2)、第三GaN半桥电路(3)、第三电感(Lc3)、第三电容(C3)、第一输出电容(C4)、第二输出电容(C5)、第三输出电容(C6)、检测电路和反馈电路。所述第一GaN半桥电路(1)包括第一栅驱动电路(H)、第二栅驱动电路(L)、第一GaN功率开关(MH)、第二GaN功率开关(ML)、分别连接在MH和ML栅端的第一限流电阻(RH)和第二限流电阻(RL)；所述第二GaN半桥电路(2)包括第三栅驱动电路(H1)、第四栅驱动电路(L1)、第三GaN功率开关(MH1)和第四GaN功率开关(ML1)、分别连接在MH1和ML1栅端的第三限流电阻(RH1)和第四限流电阻(RL1)；所述第三GaN半桥电路(3)包括第五栅驱动电路(H2)、第六栅驱动电路(L2)、第五GaN功率开关(MH2)和第六GaN功率开关(ML2)、分别连接在MH2和ML2栅端的第五限流电阻(RH2)和第六限流电阻(RL2)，上述电路在版图实现时采用双面布局结构；所述一种高速交流电机驱动模块电路的连接关系如下：控制器的第一脉宽信号(PWH)输出端连接到第一栅驱动电路(H)的输入端，控制器的第二脉宽信号(PWL)输出端连接到第二栅驱动电路(L)的输入端，控制器的第三脉宽信号(PWH1)输出端连接到第三栅驱动电路(H1)的输入端，控制器的第四脉宽信号(PWL1)输出端连接到第四栅驱动电路(L1)的输入端，控制器的第五脉宽信号(PWH2)输出端连接到第五栅驱动电路(H2)的输入端，控制器的第六脉宽信号(PWL2)输出端连接到第六栅驱动电路(L2)的输入端；第一栅驱动电路(H)的输出端连接到第一限流电阻(RH)的左端，第一限流电阻(RH)的右端连接到第一GaN功率开关(MH)的栅端，第二栅驱动电路(L)的输出端连接到第二限流电阻(RL)的左端，第二限流电阻(RL)的右端连接到第二GaN功率开关(ML)的栅端，第三栅驱动电路(H1)的输出端连接到第三限流电阻(RH1)的左端，第三限流电阻(RH1)的右端连接到第三GaN功率开关(MH1)的栅端，第四栅驱动电路(L1)的输出端连接到第四限流电阻(RL1)的左端，第四限流电阻(RL1)的右端连接到第四GaN功率开关(ML1)的栅端，第五栅驱动电路(H2)的输出端连接到第五限流电阻(RH2)的左端，第五限流电阻(RH2)的右端连接到第五GaN功率开关(MH2)的栅端，第六栅驱动电路(L2)的输出端连接到第六限流电阻(RL2)的左端，第六限流电阻(RL2)的右端连接到第六GaN功率开关(ML2)的栅端；第一GaN功率开关(MH)的源端连接到输入高压母线Vbus，第一GaN功率开关(MH)的漏端为半桥输出HB，半桥输出HB连接到第二GaN功率开关(ML)的漏端和第一电感(Lc1)的左端，第二GaN功率开关(ML)的源端连接到输入低压母线Vgnd和第一电容(C1)的下端；第三GaN功率开关(MH1)的源端连接到输入高压母线Vbus，第三GaN功率开关(MH1)的漏端为半桥输出HB1，半桥输出HB1连接到第四GaN功率开关(ML1)的漏端和第二电感(Lc2)的左端，第四GaN功率开关(ML1)的源端连接到输入低压母线Vgnd和第二电容(C2)的下端；第五GaN功率开关(MH2)的源端连接到输入高压母线Vbus，第五GaN功率开关(MH2)的漏端为半桥输出HB2，半桥输出HB2连接到第六GaN功率开关(ML2)的漏端和第三电感(Lc3)的左端，第六GaN功率开关(ML2)的源端连接到输入低压母线Vgnd和第三电容(C3)的下端；第一电感(Lc1)的右端连接到第一电容(C1)的上端、检测电路的第一输入端口、第一输出电容(C4)的上端、第三输出电容(C6)的下端和第一相输出高压母线(Uo)；第二电感(Lc2)的右端连接到第二电容(C2)的上端、检测电路的第二输入端口、第一输出电容(C4)的下端、第二输出电容(C5)的上端和第二相输出高压母线(Vo)；第三电感(Lc3)的右端连接到第三电容(C3)的上端、检测电路的第三输入端口、第二输出电容(C5)的下端、第三输出电容(C6)的上端和第三相输出高压母线(Wo)；检测电路的第一输出(f1)、第二输出(f2)和第三输出(f3)分别连接到反馈电路的第一、第二和第三输入端；反馈电路的第一输出(fb1)、第二输出(fb2)和第三输出(fb3)分别连接到控制器的第一、第二和第三输入端。其中，检测电路的第一输出(f1)、第二输出(f2)和第三输出(f3)，分别对应本专利技术所述交流电机驱动模块输出的电压反馈信号、电流反馈信号和温度反馈信号。...

【技术特征摘要】
1.一种高速交流电机驱动模块，其特征是包括：控制器、第一GaN半桥电路(1)、第一电感(Lc1)、第一电容(C1)、第二GaN半桥电路(2)、第二电感(Lc2)、第二电容(C2)、第三GaN半桥电路(3)、第三电感(Lc3)、第三电容(C3)、第一输出电容(C4)、第二输出电容(C5)、第三输出电容(C6)、检测电路和反馈电路。所述第一GaN半桥电路(1)包括第一栅驱动电路(H)、第二栅驱动电路(L)、第一GaN功率开关(MH)、第二GaN功率开关(ML)、分别连接在MH和ML栅端的第一限流电阻(RH)和第二限流电阻(RL)；所述第二GaN半桥电路(2)包括第三栅驱动电路(H1)、第四栅驱动电路(L1)、第三GaN功率开关(MH1)和第四GaN功率开关(ML1)、分别连接在MH1和ML1栅端的第三限流电阻(RH1)和第四限流电阻(RL1)；所述第三GaN半桥电路(3)包括第五栅驱动电路(H2)、第六栅驱动电路(L2)、第五GaN功率开关(MH2)和第六GaN功率开关(ML2)、分别连接在MH2和ML2栅端的第五限流电阻(RH2)和第六限流电阻(RL2)，上述电路在版图实现时采用双面布局结构；所述一种高速交流电机驱动模块电路的连接关系如下：控制器的第一脉宽信号(PWH)输出端连接到第一栅驱动电路(H)的输入端，控制器的第二脉宽信号(PWL)输出端连接到第二栅驱动电路(L)的输入端，控制器的第三脉宽信号(PWH1)输出端连接到第三栅驱动电路(H1)的输入端，控制器的第四脉宽信号(PWL1)输出端连接到第四栅驱动电路(L1)的输入端，控制器的第五脉宽信号(PWH2)输出端连接到第五栅驱动电路(H2)的输入端，控制器的第六脉宽信号(PWL2)输出端连接到第六栅驱动电路(L2)的输入端；第一栅驱动电路(H)的输出端连接到第一限流电阻(RH)的左端，第一限流电阻(RH)的右端连接到第一GaN功率开关(MH)的栅端，第二栅驱动电路(L)的输出端连接到第二限流电阻(RL)的左端，第二限流电阻(RL)的右端连接到第二GaN功率开关(ML)的栅端，第三栅驱动电路(H1)的输出端连接到第三限流电阻(RH1)的左端，第三限流电阻(RH1)的右端连接到第三GaN功率开关(MH1)的栅端，第四栅驱动电路(L1)的输出端连接到第四限流电阻(RL1)的左端，第四限流电阻(RL1)的右端连接到第四GaN功率开关(ML1)的栅端，第五栅驱动电路(H2)的输出端连接到第五限流电阻(RH2)的左端，第五限流电阻(RH2)的右端连接到第五GaN功率开关(MH2)的栅端，第六栅驱动电路(L2)的输出端连接到第六限流电阻(RL2)的左端，第六限流电阻(RL2)的右端连接到第六GaN功率开关(ML2)的栅端；第一GaN功率开关(MH)的源端连接到输入高压母线Vbus，第一GaN功率开关(MH)的漏端为半桥输出HB，半桥输出HB连接到第二GaN功率开关(ML)的漏端和第一电感(Lc1)的左端，第二GaN功率开关(ML)的源端连接到输入低压母线Vgnd和第一电容(C1)的下端；第三GaN功率开关(MH1)的源端连接到输入高压母线Vbus，第三GaN功率开关(MH1)的漏端为半桥输出HB1，半桥输出HB1连接到第四GaN功率开关(ML1)的漏端和第二电感(Lc2)的左端，第四GaN功率开关(ML1)的源端连接到输入低压母线Vgnd和第二电容(C2)的下端；第五GaN功率开关(MH2)的源端连接到输入高压母线Vbus，第五GaN功率开关(MH2)的漏端为半桥输出HB2，半桥输出HB2连接到第六GaN功率开关(ML2)的漏端和第三电感(Lc3)的左端，第六GaN功率开关(ML2)的源端连接到输入低压母线Vgnd和第三电容(C3)的下端；第一电感(Lc1)的右端连接到第一电容(C1)的上端、检测电路的第一输入端口、第一输出电容(C4)的上端、第三输出电容(C6)的下端和第一相输出高压母线(Uo)；第二电感(Lc2)的右端连接到第二电容(C2)的上端、检测电路的第二输入端口、第一输出电容(C4)的下端、第二输出电容(C5)的上端和第二相输出高压母线(Vo)；第三电感(Lc3)的右端连接到第三电容(C3)的上端、检测电路的第三输入端口、第二输出电容(C5)的下端、第三输出电容(C6)的上端和第三相输出高压母线(Wo)；检测电路的第一输出(f1)、第二输出(f2)和第三输出(f3)分别连接到反馈电路的第一、第二和第三输入端；反馈电路的第一输出(fb1)、第二输出(fb2)和第三输出(fb3)分别连接到控制器的第一、第二和第三输入端。其中，检测电路的第一输出(f1)、第二输出(f2)和第三输出(f3)，分别对应本发明所述交流电机驱动...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭晶，
申请(专利权)人：苏州睿度智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32