基于碳化硅mosfet模块的大功率高功率密度变流器及结构
阅读说明：本技术 基于碳化硅mosfet模块的大功率高功率密度变流器及结构 (High-power-density converter and structure based on silicon carbide MOSFET module ) 是由 原熙博 李炎 张永磊 张雷 徐一埔 叶飞 李哲 李耀华 王子建 于 2020-05-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于碳化硅MOSFET模块的大功率高功率密度变流器及结构,适用于电力电子技术领域。包括五台三相DC/AC变流器、直流汇流母排和交流汇流母排；五台三相DC/AC变流器顺序编号,五台三相DC/AC变流器的直流侧通过两根直流汇流母排与直流电源或电池连接；五台三相DC/AC变流器的交流侧通过三根交流汇流母排与三相电网或三相负载连接。其能够实现直流到交流、交流到直流的能量双向流动。系统整体结构依托碳化硅MOSFET的特性,可实现系统整体的高功率密度设计。(The invention discloses a high-power-density converter and a structure based on a silicon carbide MOSFET module, which are suitable for the technical field of power electronics. The three-phase DC/AC converter comprises five three-phase DC/AC converters, a direct current bus bar and an alternating current bus bar; the five three-phase DC/AC converters are numbered in sequence, and the direct current sides of the five three-phase DC/AC converters are connected with a direct current power supply or a battery through two direct current bus bars; and the alternating current sides of the five three-phase DC/AC converters are connected with a three-phase power grid or a three-phase load through three alternating current bus bars. The bidirectional energy flow from direct current to alternating current and from alternating current to direct current can be realized. The whole structure of the system relies on the characteristics of the silicon carbide MOSFET, and the high-power density design of the whole system can be realized.)
技术领域
本发明设计一种基于碳化硅MOSFET模块的大功率高功率密度变流器及结构，属于电力电子技术领域。
背景技术
随着全球能源危机与环境问题的日益突出，电力电子技术的发展为解决能源问题带来了新的契机。新能源分布式发电的蓬勃发展以及更多应用场景的需求，使得电力电子设备朝着大功率轻量化高功率密度的方向发展。传统行业的发展，对变流器的体积、功率密度也提出了更高的要求，例如多电飞机和电动汽车行业的发展，使用电力驱动系统来代替大量使用的液压，气压驱动系统。如何使得电力电子设备在拥有高功率密度的同时，拥有较高的效率，也是目前电力电子行业研究的热点。采用传统硅基器件的变流器由于开关频率的限制，无源器件在系统体积中的占比会比较大，往往不能实现高功率密度的要求，通常采用硅基器件的风冷大功率变流器的体积在0.3MW/m3左右。宽禁带功率器件由于自身材料的优越性，在电力电子行业崭露头角。采用宽禁带功率器件的变流器在同等功率及损耗下的设备体积要远远小于传统硅IGBT变流器。
现阶段电力电子器件受到耐压、功率等级、开关频率的限制，在大功率应用场合下，通常采用串并联的形式来提升系统的功率输出能力。复杂的系统结构、多变的控制方法等都对大功率电力电子设备实现高效率、高功率密度提出了严峻的挑战。在设备设计之初就应该对器件选型，散热系统，设备结构等进行综合考虑以求达到最优功率密度。并且在变流器与变流器之间，器件与器件之间不可避免出现的环流现象也是应该考虑的问题。
发明内容
：发明所解决的问题是：针对上述技术的不足之处，提出一种结构简单，使用效果好，能够在提升大功率设备功率密度的同时，抑制多控制器结构的并联变流器环流问题的基于碳化硅MOSFET模块的大功率高功率密度变流器及结构。
为实现上述技术目的，本发明的基于碳化硅MOSFET模块的大功率高功率密度的变流器，它包括五台三相DC/AC变流器、直流汇流母排和交流汇流母排；五台三相DC/AC变流器顺序编号，五台三相DC/AC变流器的直流侧通过两根直流汇流母排与直流电源或电池连接；五台三相DC/AC变流器的交流侧通过三根交流汇流母排与三相电网或三相负载连接；
所述三相DC/AC变流器包括三个半桥碳化硅MOSFET功率模块组成的三相两电平半桥电路和控制器，每个半桥碳化硅MOSFET功率模块都连接有一个功率模块驱动板并受其驱动，三个功率模块驱动板分别通过光纤与控制器相连接，控制器生成驱动信号，最终作用于半桥碳化硅MOSFET功率模块控制其开通关断；
三个半桥碳化硅MOSFET功率模块通过正P极和负N极并联，三个半桥碳化硅MOSFET功率模块还并联有直流侧支撑电容部分和直流输出端子，直流侧支撑电容部分的正P极和负N极与直流输出端子的正P、负N极连接，交流输出端子上的ua、ub、uc相分别通过A、B、C三相的滤波电感与三个半桥碳化硅MOSFET功率模块的的交流输出端口分别连接；A、B、C三相的滤波电感与三个半桥碳化硅MOSFET功率模块的的交流输出端口之间的线路上分别设有三个交流电流传感器，三个交流电流传感器通过交流电流采样线与控制器连接，交流电流传感器通过线缆将弱电信号传输给控制器，交流输出端子上的ua、ub、uc相与A、B、C三相的滤波电感之间的线路上分别通过三根交流电压采样线连接至电压采样板，直流输出端子的正P极和负N极上设有两根直流电压采样线与电压采样板相连接，电压采样板与控制器连接，电压采样板通过线缆采集直流侧电压、交流侧电压信号，并将弱电信号传输给控制器。
所述五台三相DC/AC变流器按顺序编号，编号为1号三相DC/AC变流器和3号三相DC/AC变流器上设有控制器，两个控制器共同组成了基于碳化硅MOSFET的大功率高功率密度变流器的控制系统；在1号三相DC/AC变流器中的控制器为主控制器，在3号变流器中的控制器为从控制器。主、从控制器的硬件结构一致，仅仅是功能不一致；主控制器：负责整个系统的控制计算，信号传输及同步，同时负责直流电压、交流电压采样以及编号为1、2号变流器的电流采样、脉冲信号发送、错误信号检测；从控制器：负责编号为3、4、5号三相DC/AC变流器的电流采样、脉冲信号发送、错误信号检测。
所述控制器包括DSP芯片、FPGA芯片和采样芯片，其中DSP芯片、FPGA芯片和采样芯片三个芯片之间通过16路数据总线以及16路的数据地址总线形成三者数据相互连接的线路关系用于数据及信号的传输，采样芯片与12路采样通道相连接用于采集电压电流信号，FPGA芯片还通过线路分别与24路光纤输出端口、12路光纤输入端口连接，用于向变流器中的功率模块驱动板发送脉冲信号，同时接收功率模块驱动板的错误信号，并且还肩负着主从控制器间通信的任务，FPGA芯片还与6路I/O端口相连接，用于接收运行控制按钮的触发信号。
所述所述DSP芯片型号为TI F28335，FPGA芯片型号为XILINX SPARTAN3系列，采样芯片型号为AD7656。
所述单台三相DC/AC变流器的直流侧支撑电容部分采用直流叠层母排的结构将三个碳化硅MOSFET功率模块的正P、负N极分别并联在一起。直流叠层母排正、负极之间并联有直流支撑电容以及直流吸收电容，直流叠层母排减少直流侧的寄生参数，直流支撑电容主要起到支撑直流侧电压的作用，直流吸收电容放置在碳化硅MOSFET功率模块附近，用于进一步的降低接口处的寄生参数；直流支撑电容和直流吸收电容采用分散设计，每个碳化硅MOSFET功率模块上方嵌有一个直流支撑电容和直流吸收电容，有利于减少寄生参数，以及合理的利用设备内部空间。
一种三相DC/AC变流器，包括矩形结构的功率模块驱动板，功率模块驱动板插接在横向排列的三个碳化硅MOSFET功率模块上，碳化硅MOSFET功率模块的下方设有散热器，三个碳化硅MOSFET功率模块分别连接有三个交流母排，碳化硅MOSFET功率模块上方通过直流叠层母排设有并联的三个直流支撑电容和三个直流吸收电容，散热器的一侧通过散热风扇结构面板连接有三个散热风扇，散热器的的另一侧设有交流电感PCB，交流电感PCB通过螺丝与交流母排相互连接，交流母排上设有三个一组共九个交流电感，交流电感上方设有交流电感上部结构件，交流电感上部结构件上设有三个开关电源，三个开关电源上设有开关电源上部结构件，开关电源上部结构件顶部设有电压传采样板和控制器。
所述的单台三相DC/AC变流器的交流侧的滤波电感为单L滤波器，并采用分散方式进行放置，A、B、C三相每一相的滤波电感由三个交流电感并联组成，通过交流电感PCB进行连接，交流电感放置在散热器后端，处于变流器风道的尾端，方便交流电感散热。
散热器、交流电感与交流母排处于散热器结构面板、散热风扇结构件、交流电感上部结构件与变流器外壳所组成的风道中，风道一端有三个散热风扇进行强迫风冷换流。这种设计方式能够将设备中的发热元件集中在风道中，便于系统的散热。
有益效果：
本发明针对现有的大功率变流器设备存在的低功率密度等问题，重新设计了设备的整体结构，在实现了大功率变流器系统输出功率的高效率的同时，大大减小了设备的体积，多个变流器的叠加不需要增加设计成本，同时能够实现整体功率输出的灵活叠加，以5台三相DC/AC变流器并联组成的大功率变流器设备为例，能够实现1.246MW/m3的功率密度，逆变效率超过98％，其结构简单实用效果好，具有广泛的实用性。
附图说明：
图1为本发明的一种大功率变流器拓扑结构示意图；
图2为本发明实施例中单台三相DC/AC变流器的电路结构示意图；
图3为本发明实施例中控制系统结构示意图；
图4为本发明实施例中控制器结构示意图；
图5(a)为本发明实施例中单台三相DC/AC变流器结构示意图；
图5(b)为本发明实施例中单台三相DC/AC变流器结构示意图；
图5(c)为本发明实施例中单台三相DC/AC变流器结构示意图；
图5(d)为本发明实施例中单台三相DC/AC变流器结构示意图；
图5(e)为本发明实施例中单台三相DC/AC变流器结构示意图；
图5(f)为本发明实施例中单台三相DC/AC变流器结构示意图。
图中：1-直流电源或电池，2-三相DC/AC变流器，3-三相电网或三相负载，4-直流汇流母排，5-交流汇流母排，6-碳化硅MOSFET功率模块，7-功率模块驱动板，8-直流侧支撑电容部分，9-交流电感，10-电流传感器，11-电压采样板，12-控制器，13-直流输出端子，14-交流输出端子，15-直流支撑电容，16-直流叠层母排，17-直流吸收电容，18-交流母排，19-散热器，20-散热风扇，21-散热器结构面板，22-散热风扇结构件，23-交流电感上部结构件，24-开关电源，25-开关电源上部结构件，26-交流电感PCB。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述。
如图1所示，本发明的一种基于碳化硅MOSFET模块的大功率高功率密度的变流器，它包括五台三相DC/AC变流器2、直流汇流母排4和交流汇流母排5；五台三相DC/AC变流器2顺序编号，五台三相DC/AC变流器2的直流侧通过两根直流汇流母排4与直流电源或电池1连接；五台三相DC/AC变流器2的交流侧通过三根交流汇流母排5与三相电网或三相负载3连接；
如图2所示，所述三相DC/AC变流器包括三个半桥碳化硅MOSFET功率模块6组成的三相两电平半桥电路和控制器12，每个半桥碳化硅MOSFET功率模块6都连接有一个功率模块驱动板7并受其驱动，三个功率模块驱动板7分别通过光纤与控制器12相连接，控制器12生成驱动信号，最终作用于半桥碳化硅MOSFET功率模块6控制其开通关断；
三个半桥碳化硅MOSFET功率模块通过正P极和负N极并联，三个半桥碳化硅MOSFET功率模块还并联有直流侧支撑电容部分8和直流输出端子13，直流侧支撑电容部分8的正P极和负N极与直流输出端子13的正P、负N极连接，交流输出端子14上的ua、ub、uc相分别通过A、B、C三相的滤波电感与三个半桥碳化硅MOSFET功率模块的的交流输出端口分别连接；A、B、C三相的滤波电感与三个半桥碳化硅MOSFET功率模块的的交流输出端口之间的线路上分别设有三个交流电流传感器10，三个交流电流传感器10通过交流电流采样线与控制器12连接，交流电流传感器10通过线缆将弱电信号传输给控制器12，交流输出端子14上的ua、ub、uc相与A、B、C三相的滤波电感之间的线路上分别通过三根交流电压采样线连接至电压采样板11，直流输出端子13的正P极和负N极上设有两根直流电压采样线与电压采样板11相连接，电压采样板11与控制器12连接，电压采样板11通过线缆采集直流侧电压、交流侧电压信号，并将弱电信号传输给控制器12。
如图3所示，所述五台三相DC/AC变流器2按顺序编号，编号为1号三相DC/AC变流器和3号三相DC/AC变流器上设有控制器12，两个控制器12共同组成了基于碳化硅MOSFET的大功率高功率密度变流器的控制系统；在1号三相DC/AC变流器中的控制器12为主控制器，在3号变流器中的控制器12为从控制器。主、从控制器的硬件结构一致，仅仅是功能不一致；主控制器：负责整个系统的控制计算，信号传输及同步，同时负责直流电压、交流电压采样以及编号为1、2号变流器的电流采样、脉冲信号发送、错误信号检测；从控制器：负责编号为3、4、5号三相DC/AC变流器的电流采样、脉冲信号发送、错误信号检测。
如图4所示，所述控制器12包括DSP芯片、FPGA芯片和采样芯片，其中DSP芯片、FPGA芯片和采样芯片三个芯片之间通过16路数据总线以及16路的数据地址总线形成三者数据相互连接的线路关系用于数据及信号的传输，采样芯片与12路采样通道相连接用于采集电压电流信号，FPGA芯片还通过线路分别与24路光纤输出端口、12路光纤输入端口连接，用于向变流器中的功率模块驱动板7发送脉冲信号，同时接收功率模块驱动板7的错误信号，并且还肩负着主从控制器间通信的任务，FPGA芯片还与6路I/O端口相连接，用于接收运行控制按钮的触发信号；所述所述DSP芯片型号为TI F28335，FPGA芯片型号为XILINX SPARTAN3系列，采样芯片型号为AD7656。
所述单台三相DC/AC变流器2的直流侧支撑电容部分8采用直流叠层母排16的结构将三个碳化硅MOSFET功率模块6的正P、负(N)极分别并联在一起。直流叠层母排16正、负极之间并联有直流支撑电容15以及直流吸收电容17，直流叠层母排16减少直流侧的寄生参数，直流支撑电容15主要起到支撑直流侧电压的作用，直流吸收电容17放置在碳化硅MOSFET功率模块6附近，用于进一步的降低接口处的寄生参数；直流支撑电容15和直流吸收电容17采用分散设计，每个碳化硅MOSFET功率模块6上方嵌有一个直流支撑电容15和直流吸收电容17，有利于减少寄生参数，以及合理的利用设备内部空间。
如图5(a)到图5(f)所示，一种基于碳化硅MOSFET模块的大功率高功率密度的变流器使用的三相DC/AC变流器结构，包括矩形结构的功率模块驱动板7，功率模块驱动板7的下方插接在横向排列的三个碳化硅MOSFET功率模块6上，碳化硅MOSFET功率模块6的下方设有散热器19，三个碳化硅MOSFET功率模块6分别连接有三个交流母排18，碳化硅MOSFET功率模块6上方通过直流叠层母排16设有并联的三个直流支撑电容15和三个直流吸收电容17，散热器19的一侧通过散热风扇结构面板21连接有三个散热风扇20，散热器19的的另一侧设有交流电感PCB 26，交流电感PCB26通过螺丝与交流母排18相互连接，交流母排18上设有三个一组共九个交流电感9，交流电感9上方设有交流电感上部结构件23，交流电感上部结构件23上设有三个开关电源24，三个开关电源24上设有开关电源上部结构件25，开关电源上部结构件25顶部设有电压传采样板11和控制器12。
所述的单台三相DC/AC变流器2的交流侧的滤波电感为单L滤波器，并采用分散方式进行放置，A、B、C三相每一相的滤波电感由三个交流电感9并联组成，通过交流电感PCB26进行连接，交流电感放置在散热器19后端，处于变流器风道的尾端，方便交流电感散热。
散热器19、交流电感9与交流母排18处于散热器结构面板21、散热风扇结构件22、交流电感上部结构件23与变流器外壳所组成的风道中，结构件与外壳通过螺丝紧密固定在一起，风道一端有三个散热风扇20进行强迫风冷换流。这种设计方式能够将设备中的发热元件集中在风道中，便于系统的散热。
直流侧为直流电源，交流侧为三相交流电网的施例工作方式：
a将直流侧汇流母排接口连接直流电源或电池1，交流侧汇流母排通过交流接触器连接三相电网或三相负载3，并检查是否可靠连接；
b将控制其12构成的控制系统上电，此时前面板通电指示灯亮起，散热风扇20开始工，此时会产生风扇轰鸣声。
c检测电压电流，等待启动命令状态；
d打开直流电源或电池1，将直流侧电压调整至650V，交流侧汇流母排4与三相电网或三相负载3连接导通，观察交流电压情况是否达到380V；如满足直流、交流电压要求，则进行下一步骤；如不满足要求，则需关闭交流接触器，直流电源，停机断电检查问题；
e如满足上一步骤要求，则开始正常工作，进行逆变；
f如需停机，切断电源此时设备停止工作；接下来关断交流接触器，切断交流汇流母排4与三相电网或三相负载3的连接；关闭直流电源，等待直流电压恢复到0V。
g再次确认切断强电后，控制系统断电，此时，前面板指示灯灭。将准备、启动、停机按钮恢复。
h完成启动、停机流程。