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CN104779815A - 一种可替换IGBT模块的SiC MOSFET智能功率集成模块 - Google Patents

一种可替换IGBT模块的SiC MOSFET智能功率集成模块 Download PDF

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CN104779815A
CN104779815A CN201510155623.0A CN201510155623A CN104779815A CN 104779815 A CN104779815 A CN 104779815A CN 201510155623 A CN201510155623 A CN 201510155623A CN 104779815 A CN104779815 A CN 104779815A
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王康平
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Abstract

本发明公开了一种可替换IGBT模块的SiC MOSFET智能功率集成模块，包括底板、交流功率端子、输入端子、第一控制端子及第二控制端子，底板上集成有SiC MOSFET功率单元、母线电容、第一驱动电路及第二驱动电路。本发明可以有效的降低驱动回路及功率回路的寄生电感，减少功率回路和驱动回路的振荡，提高半导体开关的工作可靠性和工作效率。

Description

一种可替换IGBT模块的SiC MOSFET智能功率集成模块
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，涉及一种功率集成模块，具体涉及一种可替换IGBT模块的SiC MOSFET智能功率集成模块。
背景技术
Si IGBT器件由于其优良的导通特性，被广泛用于功率变换电路中，例如电力拖动，空调等等。然而，IGBT器件开关速度不高，且反向并联的二极管存在反向恢复问题，致使开关损耗很大，这限制了功率变换电路的效率的提升，另一方面，也限制了开关频率的提高。低的开关频率使得功率变换器中无源器件(例如电容和电感)的体积很大，这将增加功率变换器的体积、重量和成本。SiC MOSFET器件相比于IGBT器件，同等耐压等级下，由于SiC MOSFET的导通电阻小，且关断过程没有拖尾电流的问题，所以在同等的工作条件下开关损耗会小很多。SiC开启电压小，所以从小电流到大电流的宽电流范围内都能够实现低导通损耗。此外由于SiC MOSFET器件没有拖尾电流的问题，所以它的关断损耗很小。研究表明，用SiC器件替换IGBT器件可以大幅度提高开关频率，同时保持了良好的效率指标。
然而，SiC器件在应用中给使用者带来了个更大的挑战。SiC器件的栅极驱动电荷(Qg)很小，结电容也非常小，因此开关速度比IGBT器件快得多。好的一面是可以提高开关频率，但坏的一面就是开关过程中开关支路的电流变化非常迅速、di/dt很高。由于功率回路中不可避免的存 在寄生电感，当电流迅速变化时，在开关器件两端会产生很高的尖峰过电压。轻则造成电路误动作、电磁干扰超标，重则导致器件击穿损坏。SiC器件很高的开关速度导致其开关过程中的寄生振荡和过电压现象远比IGBT器件明显。另一方面，SiC器件的驱动驱动回路的寄生震荡也很重要。以美国科锐公司的器件为例，其阈值电压只有2.2V，在器件关断时，驱动回路的振荡很容易造成器件的误导通。相比之下，IGBT器件的阈值电压约为5.5V。针对这一问题，SiC器件栅极回路的寄生电感、以及驱动电路的输出阻抗必须严格控制。这些因素增加了SiC器件应用中的难度，阻碍了SiC器件的广泛应用。
传统的IGBT模块通常只包括一对或多对IGBT器件，从而形成一个或多个桥臂，方便使用，并且具有较好的散热性能，降低了应用的难度。在实际应用中，由于母线吸收电容和驱动电路安装在在模块外部，致使驱动回路寄生电感和功率回路寄生电感电路较大，这对SiC器件而言是不可接受的，所以此种集成并不适用方案于SiC器件。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种可替换IGBT模块的SiC MOSFET智能功率集成模块，该模块可以有效的降低驱动回路及功率回路的寄生电感，减少功率回路和驱动回路的振荡。
为达到上述目的，本发明所述的可替换IGBT模块的SiC MOSFET智能功率集成模块包括底板、交流功率端子、输入端子、第一控制端子及第二控制端子，底板上集成有SiC MOSFET功率单元、母线电容、第一驱动电路及第二驱动电路；
第一驱动电路包括第一辅助电源、第一驱动芯片及第一驱动电平转换电路，第二驱动电路包括第二辅助电源、第二驱动芯片及第二驱动电平转换电路，第一控制端子与第一辅助电源的控制端及第一驱动电平转换电路的输入端相连接，第二控制端子与第二辅助电源的控制端及第二驱动电平转换电路的输入端相连接，第一驱动芯片的电源接口与第一辅助电源相连接，第一驱动芯片的输入端与第一驱动电平转换电路的输出端相连接，第二驱动芯片的电源接口与第二辅助电源相连接，第二驱动芯片的输入端与第二驱动电平转换电路的输出端相连接，第一驱动芯片的输出端及第二驱动芯片的输出端分别与SiC MOSFET功率单元中上桥臂的控制端及下桥臂的控制端相连接；
所述SiC MOSFET功率单元的输入端与输入端子相连接，SiC MOSFET功率单元的输出端与交流功率端子相连接，母线电容并联于SiC MOSFET功率单元中桥臂的两端。
所述SiC MOSFET功率单元为半桥功率模块、全桥功率模块或三相全桥功率模块。
所述底板还集成有用于检测半导体器件工作温度的温度检测单元，温度检测单元连接有温度检测端子。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的可替换IGBT模块的SiC MOSFET智能功率集成模块通过将SiC MOSFET功率单元、母线电容、第一驱动电路及第二驱动电路集成于同一底板上，缩小功率回路和驱动回路的面积，从而降低驱动回路及功率回路的寄生电感，减小功率回路和驱动回路的振动，从而确 保SiC器件的安全，进而降低SiC器件的应用难度。同时本发明与外接电路的接线端子与现有的IGBT完全兼容，可以直接替换IGBT模块，有利于SiC器件的推广使用，同时简化应用用户的设计工作，节省设备升级改造的成本。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
其中，1为SiC MOSFET功率单元、2为第一辅助电源、3为第一驱动芯片、4为第一驱动电平转换电路、5为第二辅助电源、6为第二驱动芯片、7为第二驱动电平转换电路、8为温度检测单元、9为母线电容。 
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1，本发明所述的可替换IGBT模块的SiC MOSFET智能功率集成模块包括底板、交流功率端子、输入端子、第一控制端子及第二控制端子，底板上集成有SiC MOSFET功率单元1、母线电容9、第一驱动电路及第二驱动电路；第一驱动电路包括第一辅助电源2、第一驱动芯片3及第一驱动电平转换电路4，第二驱动电路包括第二辅助电源5、第二驱动芯片6及第二驱动电平转换电路7，第一控制端子与第一辅助电源2的控制端及第一驱动电平转换电路4的输入端相连接，第二控制端子与第二辅助电源5的控制端及第二驱动电平转换电路7的输入端相连接，第一驱动芯片3的电源接口与第一辅助电源2相连接，第一驱动芯片3的输入端与第一驱动电平转换电路4的输出端相连接，第二驱动芯片6的电源接口与第二辅助电源5相连接，第二驱动芯片6的输入端 与第二驱动电平转换电路7的输出端相连接，第一驱动芯片3的输出端及第二驱动芯片6的输出端分别与SiC MOSFET功率单元1中上桥臂的控制端及下桥臂的控制端相连接；所述SiC MOSFET功率单元1的输入端与输入端子相连接，SiC MOSFET功率单元1的输出端与交流功率端子相连接，母线电容9并联于SiC MOSFET功率单元1中桥臂的两端。
需要说明的是，所述SiC MOSFET功率单元1为半桥功率模块、全桥功率模块或三相全桥功率模块；底板还集成有用于检测半导体器件工作温度的温度检测单元8，温度检测单元8连接有温度检测端子。
本发明的具体工作过程为：
第一控制信号经第一控制端子进入到第一辅助电源2及第一驱动电平转换电路4中，使第一辅助电源2为第一驱动芯片3提供电能，第一驱动电平转换电路4对所述第一控制信号进行电平转换，并将电平转换后的第一控制信号输入到第一驱动芯片3中，第一驱动芯片3驱动SiCMOSFET功率单元1内上桥臂的开关管工作。第二控制信号经第一控制端子进入到第二辅助电源5及第二驱动电平转换电路7中，使第二辅助电源5为第二驱动芯片6提供电能，第二驱动电平转换电路7对所述第二控制信号进行电平转换，并将电平转换后的第二控制信号输入到第二驱动芯片6中，第二驱动芯片6驱动SiC MOSFET功率单元1内下桥臂的开关管工作。本发明所述的可替换IGBT模块的SiC MOSFET智能功率集成模块将母线电容9与SiC MOSFET功率单元1、第一驱动电路及第二驱动电路集成于同一模块内，减少母线电容9与各半导体器件之间的距离，缩小功率回路的回路面积，从而降低驱动回路及功率回路的寄 生电感，减小功率回路和驱动回路的振动。

Claims (3)

1.一种可替换IGBT模块的SiC MOSFET智能功率集成模块，其特征在于，包括底板、交流功率端子、输入端子、第一控制端子及第二控制端子，底板上集成有SiC MOSFET功率单元(1)、母线电容(9)、第一驱动电路及第二驱动电路；
第一驱动电路包括第一辅助电源(2)、第一驱动芯片(3)及第一驱动电平转换电路(4)，第二驱动电路包括第二辅助电源(5)、第二驱动芯片(6)及第二驱动电平转换电路(7)，第一控制端子与第一辅助电源(2)的控制端及第一驱动电平转换电路(4)的输入端相连接，第二控制端子与第二辅助电源(5)的控制端及第二驱动电平转换电路(7)的输入端相连接，第一驱动芯片(3)的电源接口与第一辅助电源(2)相连接，第一驱动芯片(3)的输入端与第一驱动电平转换电路(4)的输出端相连接，第二驱动芯片(6)的电源接口与第二辅助电源(5)相连接，第二驱动芯片(6)的输入端与第二驱动电平转换电路(7)的输出端相连接，第一驱动芯片(3)的输出端及第二驱动芯片(6)的输出端分别与SiC MOSFET功率单元(1)中上桥臂的控制端及下桥臂的控制端相连接；
所述SiC MOSFET功率单元(1)的输入端与输入端子相连接，SiCMOSFET功率单元(1)的输出端与交流功率端子相连接，母线电容(9)并联于SiC MOSFET功率单元(1)中桥臂的两端。
2.根据权利要求1所述的可替换IGBT模块的SiC MOSFET智能功率集成模块，其特征在于，所述SiC MOSFET功率单元(1)为半桥功率模块、全桥功率模块或三相全桥功率模块。
3.根据权利要求1所述的可替换IGBT模块的SiC MOSFET智能功率集成模块，其特征在于，所述底板还集成有用于检测半导体器件工作温度的温度检测单元(8)，温度检测单元(8)连接有温度检测端子。
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