一种用于高频变流器功率模块的直流换流回路模块制造技术

本发明专利技术提供了一种用于高频变流器功率模块的直流换流回路模块，所述直流换流回路模块包括：直流电容，所述直流电容包括多级电容芯体和电容引出电极；叠层母排，所述多级电容芯体通过叠层母排实现直流回路的功率互联；以及SiC功率半导体器件，所述SiC功率半导体器件具有SiC功率半导体器件功率输出端子，所述SiC功率半导体器件功率输出端子与所述电容引出电极直接连接；其中，所述直流换流回路模块不具有直流母排。

A DC converter circuit module for high frequency converter power module

【技术实现步骤摘要】
一种用于高频变流器功率模块的直流换流回路模块
本专利技术涉及电力电子技术应用领域，尤其涉及基于SiC功率半导体器件的高频应用。
技术介绍
传统的Si材料功率器件虽得到广泛应用，但由于其受到自身材料和结构的限制，并不适用于一些高压、高温、高效率以及高功率密度的场合。如今，以碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)材料为代表的宽禁带半导体材料的出现引起了学者们的注意，与传统的Si材料关于物理特性的比较，SiC材料功率器件具有独特的物理结构，概括为如下几点特性及优点：1)较高的击穿场强使其能够实现高电压工作；2)较快的电子饱和漂移速度使其开关损耗较小，更适于高频化工作；3)工作温度很高，简化了冷却系统，减小散热器的体积重量。在相同功率等级下，宽禁带半导体材料功率器件的应用可以降低电路开关损耗，提高电路的开关频率，减小无源元件的体积与重量，增加变流器的功率密度，同时变流器的效率也得到了大幅度的提升。但是，随着SiC半导体器件在变流器功率模块中的应用越来越广泛，对于变流器功率模块的直流换流的设计产生了新的问题和更高的要求，现有的变流器功率模块设计方案的已无法满足使用要求，主要不足描述如下：1、高频SiC变流器功率模块的器件的开关频率较传统的Si器件大幅提升，对于器件到电容的直流换流回路的低感性要求更高，现有技术方案无法满足要求。2、随着SiC变流器功率模块中的器件开关频率提升，对于直流侧电容吸收性能提出更宽、更高频段的吸收要求，现有直流换流回路高频吸收性能无法满足要求。3、随着SiC变流器功率模块中的器件开关频率提升，对于器件到电容的直流换流回路高频电流路径杂散电感和肌肤效应问题更加显著，会带来更大发热，现有直流换流回路设计无法满足要求。因此，亟需一种有效解决高频变流系统中直流换流回路中杂散电感、高频振荡、高频发热等的关键问题，从而实现SiC变流器模块的高频化应用。
技术实现思路
鉴于SiC半导体器件的高频应用特性，为了解决变流器功率模块在直流换流过程中在所面临的电容器低感换流、高频吸收、高频发热等的技术问题，本专利技术提供了一种用于高频变流器功率模块的直流换流回路模块。所述直流换流回路模块包括：直流电容，所述直流电容包括多级电容芯体和电容引出电极；叠层母排，所述多级电容芯体通过叠层母排实现直流回路的功率互联；以及SiC功率半导体器件，所述SiC功率半导体器件具有SiC功率半导体器件功率输出端子，所述SiC功率半导体器件功率输出端子与所述电容引出电极直接连接；其中，所述直流换流回路模块不具有直流母排。在一个实施例中，所述多级电容芯体包括吸收电容芯体、支撑电容芯体以及高频电容芯体。在一个实施例中，所述吸收电容芯体被配置成近吸收SiC功率半导体器件的尖峰过压。在一个实施例中，所述支撑电容芯体被配置成滤出主要频段的纹波，支撑直流母线电压。在一个实施例中，所述高频电容芯体被配置成滤出更高频段的纹波，减少直流回路高频振荡。在一个实施例中，所述高频电容芯体根据实际变流系统参数拆解为多级高频电容芯体。在一个实施例中，所述SiC功率半导体器件功率输出端子与电容引出电极之间通过连接螺栓直接连接。在一个实施例中，所述SiC功率半导体器件为多个半桥SiC功率半导体器件。在一个实施例中，所述直流电容底部安装有散热器台面。在一个实施例中，所述散热器台面上设置有散热器。本专利技术所提出的用于高频变流器功率模块的直流换流回路模块解决了变流器功率模块在直流换流过程中在所面临的电容器低感换流、高频吸收、高频发热等的关键技术问题，其至少有以下技术效果：1)本专利技术的用于高频SiC变流器功率模块的直流换流回路模块中，电容与SiC功率半导体器件采用直接连接的方式，较传统模块省去直流母排环节的杂散电感。2)本专利技术的用于高频SiC变流器功率模块的直流换流回路模块中，直流电容采用多级吸收与低感互联的方案，通过直流电容多级吸收的内部低感互联，解决了SiC变流器功率模块高频电能变化过程中引起的高频振荡问题。3)本专利技术还解决了高频SiC变流器功率模块的直流换流回路高频发热的问题，即通过降低回路杂散参数，降低肌肤效应、增加电容散热能力的方法，综合解决了SiC变流器功率模块高频电能变化过程中引起的高频发热问题。附图说明本专利技术的以上
技术实现思路
以及下面的具体实施方式在结合附图阅读时会得到更好的理解。需要说明的是，附图仅作为所请求保护的专利技术的示例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的元素。图1示出根据本专利技术一实施例的基于SiC功率半导体器件的典型变流器功率模块电路原理图；图2示出根据本专利技术一实施例的基于SiC功率半导体器件的典型变流器功率模块的模块结构图；图3示出图2的变流器功率模块的截面图。具体实施方式以下在具体实施方式中详细叙述本专利技术的详细特征以及优点，其内容足以使任何本领域技术人员了解本专利技术的
技术实现思路
并据以实施，且根据本说明书所揭露的说明书、权利要求及附图，本领域技术人员可轻易地理解本专利技术相关的目的及优点。本专利技术提供了一种使用在变流器功率模块的直流换流回路设计方法，特别是涉及基于SiC功率半导体器件的高频应用，能够有效解决高频变流系统中直流换流回路中杂散电感、高频振荡、高频发热等的关键问题，从而实现SiC变流器模块的高频化应用。本专利技术所述的SiC变流器功率模块的直流换流回路是指SiC功率半导体器件与直流电容之间，通过SiC功率半导体器件开关动作引起的与换流过程有关的电路。由于SiC功率半导体器件的高频特性，其频率较传统的Si基功率半导体器件有着数10倍以上的提升，因此由SiC功率半导体器件开关过程引发的di/dt和dv/dt，直流纹波电压、电流的频谱大幅提升，对于直流换流回路的设计提出更高要求。SiC变流器功率模块的直流换流回路涉及到电路拓扑类型可包括DC-AC(直流－交流)、DC-DC(直流－直流)等多种电能变化方案。作为示例，本专利技术将以典型的三相全桥电路拓扑进行关键技术创新的阐述。图1示出根据本专利技术一实施例的基于SiC功率半导体器件的典型变流器功率模块电路原理图。该变流器功率模块包括直流换流回路模块。该直流换流回路模块包括SiC功率半导体器件1以及与其耦接的直流电容2。如图1所示，所述SiC功率半导体器件1包括3组半桥SiC功率半导体器件。所述直流电容2为多级电容。所述直流电容2至少包括C1(6)、C2(7)、C3(8)。在电路结构的功能上可看出本方案中直流换流回路中采用多级电容配置，可从功能上划分为：吸收电容(C1)、支撑电容(C2)和高频电容(C3)，每级电容设置有不同工作点(LC特性)参数；其中吸收电容(C1)主要功能是就近吸收SiC功率半导体开关器件尖峰过压，支撑电容(C2)主要功能是滤出主要频段的纹波，支撑直流母线电压；高频电容(C3)主要功能是滤出更高频段的纹波，减少直流回路高频振荡。另外，高频电容(C3)可根据本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于高频变流器功率模块的直流换流回路模块，其特征在于，所述直流换流回路模块包括：/n直流电容，所述直流电容包括多级电容芯体和电容引出电极；/n叠层母排，所述多级电容芯体通过叠层母排实现直流回路的功率互联；以及/nSiC功率半导体器件，所述SiC功率半导体器件具有SiC功率半导体器件功率输出端子，所述SiC功率半导体器件功率输出端子与所述电容引出电极直接连接；/n其中，所述直流换流回路模块不具有直流母排。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于高频变流器功率模块的直流换流回路模块，其特征在于，所述直流换流回路模块包括：
直流电容，所述直流电容包括多级电容芯体和电容引出电极；
叠层母排，所述多级电容芯体通过叠层母排实现直流回路的功率互联；以及
SiC功率半导体器件，所述SiC功率半导体器件具有SiC功率半导体器件功率输出端子，所述SiC功率半导体器件功率输出端子与所述电容引出电极直接连接；
其中，所述直流换流回路模块不具有直流母排。


2.如权利要求1所述的用于高频变流器功率模块的直流换流回路模块，其特征在于，所述多级电容芯体包括吸收电容芯体、支撑电容芯体以及高频电容芯体。


3.如权利要求2所述的用于高频变流器功率模块的直流换流回路模块，其特征在于，所述吸收电容芯体被配置成近吸收SiC功率半导体器件的尖峰过压。


4.如权利要求2所述的用于高频变流器功率模块的直流换流回路模块，其特征在于，所述支撑电容芯体被配置成滤出主要频段的纹波，支撑直流母线电压。<...

【专利技术属性】
技术研发人员：范伟，李彦涌，罗剑波，李雪荣，彭凯，李超，黄长强，黄南，朱武，刘华东，杨德勇，
申请(专利权)人：中车株洲电力机车研究所有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南;43