[發明專利]一種基于串聯拓撲結構的功率模塊

在審

• 申請號: 202211720778.0
• 申請日: 2022-12-30
• 公開（公告）號: CN115995987A
• 公開（公告）日: 2023-04-21
• 發明（設計）人: 盛況;張茂盛;任娜;吳新科;王珩宇
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: H02M7/00
• 分類號: H02M7/00;H02M7/487
• 代理公司: 杭州裕陽聯合專利代理有限公司 33289
• 代理人: 金方瑋

公開了一種基于串聯拓撲結構的功率模塊，涉及電力電子技術領域，公開的功率模塊通過第一功率單元和第二功率單元依次串聯的設計將低耐壓電力電子芯片高密度的集成在一起提升功率模塊的耐壓和電流等級，其有益效果在于：提出的第一功率單元的第一DBC結構和與之對稱的第二功率單元的第二DBC結構的設計大幅降低模塊功率主回路寄生電感，提出的將功率模塊輸入測信號端子布局于模塊中心線的設計降低模塊輸入側回路的寄生電感的同時還提升了輸入側回路路徑對稱性和緊湊性，以便驅動電路與所述功率模塊高密度集成。

技術領域

本發明涉及電力電子技術領域，尤其涉及采用有源箝位均壓控制技術的串聯拓撲結構功率模塊及其結構設計。

背景技術

采用低壓器件搭建高壓功率變換系統有兩種可能的解決方案，分別是多電平變換器方案(Multilevel?Converter?Scheme)和電力電子器件串聯方案(Power?DevicesSeries?Scheme)。以級聯H橋多電平變換器(Cascaded?H-Bridge?Multilevel?Converter，CHB)和模塊化多電平變換器(Modular?Multilevel?Converter，MMC)為代表的多電平變換器方案具有模塊化結構、高效率和高可靠性的特點，已被應用于眾多中高功率變換應用場合里。然而，多電平轉換器方案通常不得不使用大尺寸的無源元件，例如，CHB需要配備較大體積的移相變壓器，而MMC中電容器占其子模塊尺寸的70％左右。這些缺點阻礙了多電平轉換器在一些對重量和體積要求嚴格的應用場合的使用，例如電氣化運輸和數據中心等。

電力電子器件串聯方案是將低壓功率器件應用于中高壓應用場合的另外一種較為直接的方式。電力電子器件的串聯方案提高了功率變換系統的耐壓等級，增加了功率變換系統的輸出功率，其相對于多電平技術方案的優點在于串聯后的功率變換系統體積小、無源元件數量少、電路拓撲簡單。但是由于電力電子器件的電性能參數或者外部電路條件存在差異，比如：結電容、柵極的閾值電壓、柵極驅動信號延時、施加在柵極的瞬時驅動電壓等，結果導致串聯電力電子器件的電壓極容易出現不均衡，功率變換系統的電氣可靠性不高的問題。因此，實現串聯器件的電壓均衡(Voltage?Balance)成為采用低耐壓電力電子器件的功率變換系統進一步提升電壓和電流等級的技術關鍵。

均壓控制策略和串聯拓撲結構功率回路的硬件優化設計是實現電力電子器件的串聯均壓(Voltage?Balance?of?Power?Devices?in?Series)的兩個主要技術支撐。均壓控制策略存在兩類技術方案，分別是輸入柵極側均壓控制技術方案和輸出功率側均壓控制技術方案。

輸入柵極側均壓控制技術方案的缺點在于：電路設計和控制策略較為復雜、對高速傳感器和A/D轉換芯片的要求極高、對器件溫度和負載電流變化也極為敏感。該技術方案不得不引入額外的電路，增加驅動回路的復雜性，因為涉及到高速控制所以均壓控制電路成本較高，缺乏實際可用性。

輸出功率側均壓控制技術方案包括無源緩沖電路(Passive?Snubber?Circuit)方案和有源箝位電路(Active?Clamp?Circuits)方案。無源緩沖電路方案由于借助了RC電路(Resistor-Capacitance?circuit)，實際工作中會在會在緩沖電阻(Resistor，R)上產生較大的能量損失，無源元件體積大不利于集成，緩沖電容與開關管的功率回路并聯導致開關管的開關速度較慢。然而，有源電壓箝位電路方案通過在箝位支路引入輔助開關管，將箝位電容的中累積的能量回饋到電路中而不是像RC方案那樣直接消耗掉，該方案均壓電路引入的損耗小；此外，有源箝位電路只有在電力電子器件兩端電壓超過箝位電容兩端電壓時，才會起箝位作用，該方法不會降低主開關管本身的開關速度，不增加主開關的開關損耗。因此，基于有源箝位電路的均壓控制策略是解決串聯器件均壓的一個比較理想的方案。