一种基于SiIGBT/SiCMOS混合并联器件的串联变换器制造技术

本实用新型专利技术公开了一种基于Si IGBT/SiC MOS混合并联器件的串联变换器，该变换器为半桥结构，上桥臂和下桥臂均由(n+r)个混合并联器件串联组成，其中n个器件维持正常运行，r个器件用作冗余，每个混合并联器件由a个SiC MOS和b个IGBT并联组成，每个IGBT/SiC MOS包含一个驱动器，变换器包含一个总的中央控制器。本实用新型专利技术提出的变换器兼顾高压大功率和高频高功率密度的优势，可有效提高变换器的电压功率等级，同时该串联变换器可满足低导通损耗、低开关损耗、低成本、大短路耐量的特点，在满足高压大功率的市场需求同时满足高频高功率密度的发展趋势。度的发展趋势。度的发展趋势。

【技术实现步骤摘要】
一种基于Si IGBT/SiC MOS混合并联器件的串联变换器


[0001]本技术涉及电力电子
，尤其是涉及一种基于Si IGBT/SiC MOS混合并联器件的串联变换器，属于高压大功率变换器的


技术介绍

[0002]目前电力电子技术广泛应用于电机驱动、柔直和不间断电源等多个领域。工业应用对电力电子变换器的高压大功率需求越来越高，由于导通电阻、器件结构和生产工艺的约束，单个功率器件电压等级无法满足应用需要，因此在一些应用场合采用器件串联的方式提高电力电子变换器的电压等级，满足应用需求。与此同时，为了减小变换器的体积和重量，高效高功率密度成为电力电子变换器的发展趋势，而减小功率器件的损耗和增大功率器件的开关频率是实现高效高功率的有效途径。
[0003]由于Si IGBT开关损耗较大，基于Si IGBT的串联变换器可满足高压大功率的应用需求，但工作频率较低，无法满足高效高功率密度的发展趋势。与传统硅基器件相比，宽禁带半导体器件SiC MOSFET具有击穿电压高、开关损耗低、开关频率高、运行温度高等特点，基于SiC MOSFET的串联变换器既可满足高压大功率的应用需求，又可满足高效高功率密度的发展趋势，但由于衬底成本较高和外延工艺不够成熟，SiCMOSFET的成品率较低，器件价格较高，且芯片面积较小，过载及短路能力弱。

技术实现思路

[0004]本技术的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种基于Si IGBT/SiC MOS混合并联器件的串联变换器，可兼具低开通损耗、低开关损耗、低成本、高过载和短路能力、高频等性能。
[0005]为此，本技术采用以下技术方案：
[0006]一种基于Si IGBT/SiC MOS混合并联器件的串联变换器，其特征在于，所述串联变换器为半桥结构，上下桥臂对称，上桥臂和下桥臂均由n+r个混合并联器件串联组成，其中n个混合并联器件维持所述串联变换器正常运行，r个混合并联器件用作冗余作用，所述串联变换器中每个混合并联器件由a个SiC MOS和b个IGBT并联组成，由于SiCMOS的价格昂贵，SiC MOS的数量取1～2个，IGBT的数量由变换器、SiC MOS和IGBT 的额定电流决定，IGBT的数量等于变换器的额定电流减去SiC MOS的额定电流然后除以IGBT的额定电流得到，混合并联器件中每个SiC MOS的漏极与每个IGBT的集电极连接，每个SiC MOS的源极与每个IGBT的发射极连接，串联变换器中每个功率器件包含一个独立的驱动器，驱动器负责驱动信号的接受、功率器件的驱动和反馈信号的发送，串联变换器包含一个总的中央控制器。
[0007]进一步优选的，所述混合并联器件中的SiC MOS和IGBT电压等级相同。
[0008]进一步优选的，所述混合并联器件中的SiC MOS和IGBT为分离式功率器件或功率模块。
[0009]进一步优选的，所述驱动信号与反馈信号通过光纤传输。
[0010]进一步优选的，所述中央控制器为FPGA或CPLD等数字控制逻辑芯片，所述中央控制器与各个功率器件通过信号线路连接，负责每个功率器件的驱动信号序列、反馈信号的接收、器件健康状态的判断、控制策略的调整。若串联变换器中某一功率器件失效，故障运行控制策略能够在一个开关周期(微秒级)内判断失效的位置、上传串联变换器的运行状况，并采用相应控制策略旁路故障器件、投入冗余器件，以维持串联变换器的正常运行。
[0011]本技术基于器件串联的方式提出的变换器可有效提高变换器的电压功率等级，同时该串联变换器可满足低导通损耗、低开关损耗、低成本、大短路耐量的特点，在满足高压大功率的市场需求同时满足高频高功率密度的发展趋势。
[0012]本技术的有益效果是：
[0013]1、本技术提出的基于Si IGBT/SiC MOS混合并联器件的串联变换器可有效提高变换器的电压功率等级，可根据应用需求灵活配置串联器件的数量以及混合并联器件中器件的数量，满足工业应用需求。
[0014]2、本技术提出的基于Si IGBT/SiC MOS混合并联器件的串联变换器兼具SiIGBT低导通损耗、高过载和短路能力、低成本和SiC MOS低开关损耗、高频的优势，极大提高了串联变换器的效率，与基于SiC MOS的串联变换器相比，其中部分高成本的SiC MOS可替换为低成本的Si IGBT，降低了变换器的成本，满足高频高功率密度的应用需求。
[0015]3、本技术提出的基于Si IGBT/SiC MOS混合并联器件的串联变换器具有故障运行能力，在某一功率器件失效的条件下，与之并联的功率器件仍可正常导通维持变换器的正常运行。
附图说明
[0016]图1是基于Si IGBT/SiC MOS混合并联器件的串联变换器电路原理图；
[0017]图2是串联变换器可靠性、成本与冗余器件数量的关系图；
[0018]图3是基于搭建的串联变换器样机的实验测试电路图；
[0019]图4是器件开路故障条件下的控制时序图；
[0020]图5是基于实验样机器件开路故障条件下的测试波形图；
[0021]图6是器件短路故障条件下的控制时序图；
[0022]图7是基于实验样机器件短路故障条件下的测试波形图。
具体实施方式
[0023]下面将结合本技术的附图，对本技术实施例的技术方案进行清楚、完整的描述。
[0024]如图1所示，本技术提出了一种基于Si IGBT/SiC MOS混合并联器件的串联变换器，该串联变换器为半桥结构，包含直流正、直流负和交流三个输出端子，上下桥臂对称，上桥臂和下桥臂均由n+r个混合并联器件串联组成，其中n个器件维持串联变换器正常运行，r个器件用作冗余作用，串联变换器中每个混合并联器件由a个SiC MOS 和b个IGBT并联组成，即混合并联器件中每个SiC MOS的漏极与每个IGBT的集电极连接，每个SiC MOS的源极与每个IGBT的发射极连接，串联变换器中每个功率器件包含一个独立的驱动器，驱动器负责驱动信号的接受、功率器件的驱动和反馈信号的发送，串联变换器包含一个总的中央
控制器，负责每个功率器件的驱动信号序列、反馈信号的接收、器件健康状态的判断、控制策略的调整。
[0025]所述混合并联器件中的SiC MOS和IGBT电压等级相同且SiC MOS和IGBT为分离式功率器件或功率模块，例如SiC MOS和IGBT均可采用1200V电压等级的器件， SiC MOS可选择Rohm分立器件SCT3105KLHR或功率模块BSM180D12P2C101，IGBT 可选择英飞凌IKW25N120H3或功率模块FF900R12ME7_B11，若SiC MOS和IGBT均采用分立器件，则混合器件和串联变换器通过叠层PCB连接，若SiC MOS和IGBT均采用功率模块，则混合器件和串联变换器通过叠层母排连接。
[0026]串联变换器中驱动信号与反本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于Si IGBT/SiC MOS混合并联器件的串联变换器，其特征在于，所述串联变换器为半桥结构，上下桥臂对称，上桥臂和下桥臂均由n+r个混合并联器件串联组成，其中n个混合并联器件维持所述串联变换器正常运行，r个混合并联器件用作冗余作用，所述串联变换器中每个混合并联器件由a个SiC MOS和b个IGBT并联组成，混合并联器件中每个SiC MOS的漏极与每个IGBT的集电极连接，每个SiC MOS的源极与每个IGBT的发射极连接，串联变换器中每个功率器件包含一个独立的驱动器，驱动器负责驱动信号的接受、功率器件的驱动和反馈信号的发送，所述串联变换器包含一个总的中央控制器。2.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢瑞，林斌，陈晴，徐晗，王霄鹤，李景一，傅春翔，施朝晖，徐鸥洋，
申请(专利权)人：中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，
类型：新型
国别省市：