[發明專利]電力電子功率單元模塊

無效

• 申請號: 200910183818.0
• 申請日: 2009-07-31
• 公開（公告）號: CN101615842A
• 公開（公告）日: 2009-12-30
• 發明（設計）人: 趙劍鋒;季振東;吳琳嫻;吳靜;李靜玲;于鵬
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: H02M1/10
• 分類號: H02M1/10;H02M1/32;H02M1/00;H05K7/20;H02J3/01;H02J3/18
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司
• 代理人: 葉連生

技術領域

本發明涉及一種電路集成化模塊，屬于電力電子技術領域。

背景技術

傳統電力電子產品的大致研發過程為：首先，進行理論分析；其次，利用仿真工具進行原理驗證和參數設計工作；然后，進行樣機設計工作；最后，在上述工作基礎上完成產品化過程。但是，就電力電子產品設計開發過程的樣機設計階段而言，目前的狀況是，先完成主電路、驅動電路以及控制電路硬件設計及調試；然后編制控制軟件；最后，進行軟硬件調試，完成初步樣機。由于電路的設計、制作、安裝亦需要花費大量的時間和精力，而且硬件電路一旦設計出來，如調試中出現問題很難改動，甚至需要重新研制，因此整個周期比較長。而且設計相似的產品時，都必須重復類似的設計過程，這些問題嚴重制約了電力電子技術應用領域的拓展。

因此，需提出一種通用簡便的設計方法，提高電力電子產品的研發效率。

發明內容

技術問題：針對上述電力電子裝置開發效率低、重復勞動過多等問題，本發明旨在設計一種集成化的電力電子功率單元模塊，由多個電力電子功率單元模塊組成的電路可以用于大多數電力電子應用場合，各個電力電子功率單元模塊均通過通訊接口連接至上層控制平臺，并由上層控制平臺統一控制。

技術方案：本發明的電力電子功率單元模塊包功率器件單元、驅動及保護電路、檢測及調理電路、控制電路、通訊接口、緩沖電路、散熱器；其中，通訊接口內部的輸入端和輸出端分別接控制電路，驅動及保護電路的輸入端和輸出端分別接控制電路；功率器件單元為由兩個功率器件串聯構成的單橋臂電路，功率器件均帶有與之并聯的快恢復二極管，相串聯的兩個功率器件的兩端分別為直流正端和直流負端，分別接驅動及保護電路、緩沖電路和檢測及調理電路，相串聯的兩個功率器件的中端為交流端；檢測及調理電路的輸出端接控制電路。

通訊接口是指與統一控制平臺的接口；控制電路是把檢測到的故障信號及主電路的電流、電壓信號處理后經通訊接口送給上層控制平臺處理，從而減少上層控制平臺的工作量。

驅動及保護電路有小功率電力電子器件的驅動和保護電路和大功率電力電子器件的驅動和保護電路兩種。小功率電力電子器件的驅動和保護電路由低端驅動芯片及分立元件構成的保護電路兩部分組成，以降低生產成本。低端驅動芯片是指不經外部放大電路只能驅動小功率IGBT或MOSFET的驅動芯片，是指不具有完整保護功能或不具有任何保護功能的驅動芯片；大功率電力電子器件的驅動和保護電路對隔離和抗干擾的要求比較高，采用集成的帶完整保護功能的，可以直接驅動大功率IGBT的驅動芯片；

針對IGBT，驅動及保護電路中的保護是指針對單個IGBT的柵極過壓保護、集電極與發射極間的過壓保護、驅動電源欠壓保護；

檢測及調理電路包括溫度檢測，電壓、電流檢測及AD轉換電路。溫度檢測采用數字輸出溫度傳感器，無需A/D轉換直接連至控制電路，溫度傳感器安裝在靠近功率器件IGBT或MOSFET的散熱板上，檢測的溫度近似認為是功率器件的溫度；電壓、電流檢測分別采用線性霍爾元件，分別檢測主電路的電壓和電流，輸出信號經A/D轉換后送至控制電路；

控制電路可以由單片機或CPLD構成，有三部分電路與之連接：第一部分是與通訊接口的連接，通訊接口向控制電路發出一路PWM驅動信號或復位信號，控制電路向通訊接口送回的是傳感器(主電路電壓、電流和功率器件的溫度)的值和錯誤編碼(過溫、過壓、過流、欠壓)；第二部分是與驅動及保護電路的連接，由于上下管的驅動信號是互補的，故通訊接口送入控制電路的一路PWM驅動信號經處理后可形成帶死區的兩路PWM脈沖信號，然后送到驅動與保護模塊來驅動一個單橋臂，從驅動及保護電路返回的故障信號經控制電路編碼后得到對應于不同故障的錯誤編碼(過壓、驅動電源欠壓)送至通訊接口；第三部分是與檢測及調理電路的連接，由檢測及調理電路向控制電路發送主電路的電壓、電流和功率器件的溫度信號，與控制電路內部已設定的數值比較后對功率器件做出直流過壓保護、過流保護、過溫保護，并通過不同的編碼將傳感器的測量值和故障編碼送出；

通訊接口電路采用光纖通信，其作用是實現上層控制平臺與電力電子功率單元模塊之間的通訊，包括PWM驅動信號或復位信號的發出和故障編碼、傳感器值的返回；緩沖電路主要用于抑制功率器件單元內部的過電壓和du/dt或者過電流和di/dt，同時減小功率器件的開關損耗。緩沖電路可采用C緩沖電路、RC緩沖電路、RCVD緩沖電路等形式。

散熱器相當于一個基座，功率器件單元安裝在散熱器上，其它電路以印制電路板的形式固定于功率器件單元之上，從而形成一個集成的模塊。