專利名稱：一種高性價(jià)比大功率igbt模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到一種大功率IGBT模塊，特別涉及具備IGBT等的絕緣柵型開關(guān)器件并聯(lián)的布 局、驅(qū)動(dòng)、保護(hù)和吸收的大功率智能電力電子模塊。
背景技術(shù)：
目前，電力電子電路或裝置增大輸出電流容量有兩種基本辦法(1)主開關(guān)器件/模塊并聯(lián)； (2)電路并聯(lián)。電路并聯(lián)的方案，擴(kuò)容變得更為方便、快捷，但是功率密度太低，而且輸出端 通常需要采用電感來(lái)平衡輸出電流，體積龐大，適合于電流在3kA以上的應(yīng)用場(chǎng)合，例如電力系 統(tǒng)等。在高功率密度及大電流(通常小于3kA)要求的應(yīng)用環(huán)境，如電動(dòng)汽車、輪船、航天器 應(yīng)用中，這種方案并不是很好的選擇。雖然目前輸出電流能力達(dá)到3kA的功率器件已經(jīng)問世，但 應(yīng)用還未普及，可靠性不高，而且供貨周期長(zhǎng)，價(jià)格高，因此采用功率器件/模塊并聯(lián)增大輸出 電流容量的方案不僅可以獲得較高的功率密度及可靠性，同時(shí)性價(jià)比也較高。
功率器件并聯(lián)來(lái)構(gòu)建大功率電力電子模塊面臨兩道難題并聯(lián)功率器件的可靠運(yùn)行以及與
提高模塊功率密度相關(guān)的布局優(yōu)化、熱管理等。目前IGBT由于具有耐壓高、輸出電流大、易驅(qū) 動(dòng)等特點(diǎn)已經(jīng)成為中大功率電力電子系統(tǒng)的主流功率器件，針對(duì)IGBT并聯(lián)的技術(shù)早在90年代 初已經(jīng)有了相關(guān)研究，但是由于IGBT有兩大類，而且不同廠商的IGBT模塊的特性不盡相同， 即使同一廠商的IGBT器件由于生產(chǎn)工藝的區(qū)別在電路分布參數(shù)上也有細(xì)微的區(qū)別，因此對(duì)并聯(lián) 的IGBT器件選擇極其重要，而且多數(shù)IGBT功率器件包含反并聯(lián)二極管，對(duì)IGBT器件的并聯(lián) 實(shí)質(zhì)上是將IGBT開關(guān)單元和反并聯(lián)續(xù)流二級(jí)管進(jìn)行并聯(lián)，其復(fù)雜程度導(dǎo)致IGBT的并聯(lián)并沒有 像MOSFET的并聯(lián)一樣普及開來(lái)。同時(shí)隨著單個(gè)器件容量的越來(lái)越大，針對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的研究近 十年來(lái)幾乎處于停滯狀態(tài)。隨著全電氣化推進(jìn)技術(shù)被廣泛采用，研究高壓大電流輸出的基于并 聯(lián)IGBT的智能電力電子模塊具有越來(lái)越重要的實(shí)用意義。
目前國(guó)內(nèi)外有關(guān)IGBT模塊方面的專利和文獻(xiàn)，主要集中在IGBT芯片并聯(lián)設(shè)計(jì)、IGBT保 護(hù)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)、串聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和IGBT模塊結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)等方面，IGBT模塊并聯(lián)設(shè)計(jì)并未深 入涉及，而且目前的IGBT模塊并聯(lián)大多為開環(huán)，這種方案中并聯(lián)的各模塊均流以及整個(gè)模塊效 率、壽命并未達(dá)到最優(yōu)，而根據(jù)溫度、功率輸出等條件進(jìn)行閉環(huán)并聯(lián)控制以達(dá)到系統(tǒng)最優(yōu)(效 率和壽命)的方案尚未提及。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有功率器件并聯(lián)大多采用開環(huán)策略，并未實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最優(yōu)等缺點(diǎn)，提 出一種結(jié)構(gòu)緊湊、采用閉環(huán)控制的大功率IGBT模塊。本發(fā)明不僅實(shí)現(xiàn)大功率電流輸出和提高模 塊的可靠性，而且具有很好的經(jīng)濟(jì)性和寬功率輸出范圍的高效性，可滿足電動(dòng)汽車等功率需求 越來(lái)越高，制造成本和空間體積有限，但對(duì)可靠性要求極高的需求。
本發(fā)明采用以下技術(shù)方案
本發(fā)明將n (&2)個(gè)單相半橋IGBT模塊并聯(lián)，組合成為一個(gè)大功率單相半橋IGBT模塊， 由直流能量源供電，負(fù)載接至功率總輸出端口，本發(fā)明大功率單相半橋IGBT模塊集成有IGBT 驅(qū)動(dòng)電路和吸收電路。
本發(fā)明主要由模塊管理控制單元、n個(gè)單相半橋IGBT模塊、IGBT驅(qū)動(dòng)電路、吸收電路以 及冷卻系統(tǒng)組成。每個(gè)單相半橋IGBT模塊由兩個(gè)適合并聯(lián)的NPT型IGBT以及反并聯(lián)的續(xù)流 二極管組成，n個(gè)單相半橋IGBT模塊通過疊層母排與直流能量源連接，每個(gè)單相半橋IGBT模 塊可以獨(dú)立的從直流能量源獲得能量，每個(gè)單相半橋IGBT模塊通過銅排將電流匯流后，通過功 率總輸出端口輸出。IGBT驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)單相半橋IGBT模塊的上下IGBT功率管的驅(qū)動(dòng) 和保護(hù)功能，吸收電路用于吸收功率管關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的電壓尖峰。
模塊管理控制單元為本發(fā)明的核心單元，通過I/0接口與IGBT驅(qū)動(dòng)電路相連，達(dá)到對(duì)每個(gè) 單相半橋IGBT模塊進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制的目的，同時(shí)也通過模擬接口采集到n個(gè)單相半橋IGBT模塊 溫度。
本發(fā)明在現(xiàn)有的IGBT并聯(lián)技術(shù)基礎(chǔ)上，采用閉環(huán)控制策略，每個(gè)單相半橋IGBT模塊的工 作模式由模塊管理控制單元中的功率分配模塊按照系統(tǒng)最優(yōu)算法(效率、可靠性等指標(biāo)綜合最 優(yōu))，并結(jié)合功率、溫度等實(shí)際情況，進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。當(dāng)模塊管理控制單元中的安全控制模塊通 過IGBT驅(qū)動(dòng)電路檢測(cè)到一個(gè)或多個(gè)單相半橋IGBT模塊發(fā)生故障時(shí)，功率分配模塊重新按照系 統(tǒng)最優(yōu)算法并結(jié)合實(shí)際情況實(shí)時(shí)調(diào)整其他正常各個(gè)單相半橋IGBT模塊的工作模式,從而實(shí)現(xiàn)本 發(fā)明大功率單相半橋IGBT模塊在寬的功率輸出范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)較高的效率，同時(shí)，也實(shí)現(xiàn)了每個(gè)單 相半橋IGBT模塊的溫度均勻，這也就進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的可靠性。
本發(fā)明將對(duì)整個(gè)電力電子模塊的大功率需求分配到n個(gè)單相半橋IGBT模塊中，從而減小了 單個(gè)單相半橋IGBT模塊的工作電流，降低了功率元器件的成本和選擇難度(功率器件的價(jià)格隨 工作電流的增大呈幾何倍數(shù)增長(zhǎng))，從而減小了大功率單相半橋IGBT模塊的整體設(shè)計(jì)難度，提 高了模塊的經(jīng)濟(jì)性；同時(shí)本發(fā)明結(jié)構(gòu)緊湊，提高了大功率單相半橋IGBT模塊的功率密度。


下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。
圖I大功率單相半橋IGBT模塊結(jié)構(gòu)示意圖2疊層母線排結(jié)構(gòu)示意圖3模塊管理控制單元結(jié)構(gòu)示意圖4三個(gè)單相半橋IGBT模塊構(gòu)建的大功率IGBT模塊具體實(shí)施方式
示意圖； 圖5小功率需求時(shí)大功率IGBT模塊工作模式示意圖； 圖6中等功率需求時(shí)大功率IGBT模塊工作模式示意圖； 圖7為圖4中第一半橋模塊Ul上管出現(xiàn)故障情況示意圖8為圖4中第一半橋模塊Ul上管、第二半橋模塊U2上管出現(xiàn)故障情況示意圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，本發(fā)明大功率單相半橋IGBT模塊主要由模塊管理控制單元、n (i^2)個(gè)單 相半橋IGBT模塊、IGBT驅(qū)動(dòng)電路1、吸收電路3以及冷卻系統(tǒng)組成。n個(gè)單相半橋IGBT模塊 2并聯(lián)，組合成為一個(gè)大功率單相半橋IGBT模塊，由直流能量源6供電，負(fù)載接至功率總輸出 端口 4，大功率單相半橋IGBT模塊集成有IGBT驅(qū)動(dòng)電路1和吸收電路3。
每個(gè)單相半橋IGBT模塊由兩個(gè)IGBT以及反并聯(lián)的續(xù)流二極管組成，IGBT器件有兩種類 型NPT型和PT型，NPT型IGBT的導(dǎo)通電壓具有正的溫度系數(shù)，比較適合并聯(lián)操作。在選擇 并聯(lián)IGBT器件時(shí)應(yīng)選用NPT型IGBT器件，并且盡量采用同一批次器件，以盡量減少器件參 數(shù)的差別。同時(shí)，該單相半橋IGBT模塊內(nèi)埋有熱敏電阻溫度傳感器，以檢測(cè)模塊內(nèi)部溫度情況。
n個(gè)單相半橋IGBT模塊通過疊層母排與直流能量源連接，每個(gè)單相半橋IGBT模塊可以獨(dú) 立的從直流能量源獲得能量,每個(gè)單相半橋IGBT模塊通過銅排將電流匯流后通過功率總輸出端 口4輸出。疊層母排的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。疊層母排共有三層正母線排L1、中間絕緣層 L2和負(fù)母線排L3?？臻g允許時(shí)，適當(dāng)增大疊層母排的寬度，使得疊層母排的長(zhǎng)/寬比盡量減小， 同時(shí)中間絕緣層L2采用Kapton HN材料，中間絕緣層L2的寬度可以減少到50um，大大減少 了主回路上布線的寄生參數(shù)，這就使得大功率單相半橋IGBT模塊關(guān)斷過程中，由于電路上寄生 電感而產(chǎn)生的尖峰過電壓大大減少。
IGBT驅(qū)動(dòng)電路1實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)單相半橋IGBT模塊的上下IGBT功率管的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)功能， IGBT驅(qū)動(dòng)電路1可選擇目前成熟應(yīng)用的M57962L、 2SD315等。IGBT驅(qū)動(dòng)電路1盡量安裝在 離IGBT器件較近的地方，保證IGBT驅(qū)動(dòng)電路1的可靠性，比如將驅(qū)動(dòng)電路做成PCB板與IGBT 功率管上的驅(qū)動(dòng)保護(hù)引針焊接在一起。
吸收電路3用于吸收功率管關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的電壓尖峰，可選擇目前成熟應(yīng)用的CDE、 ICEL公 司的系列產(chǎn)品，可采用低感薄膜吸收電容作為吸收電路，并且最好直接將吸收電路3安裝在每 個(gè)單相半橋IGBT模塊的集電極和發(fā)射極兩端。
但即使IGBT器件的選擇、驅(qū)動(dòng)電路和優(yōu)化布局已經(jīng)達(dá)到了最優(yōu)化，但其靜態(tài)和動(dòng)態(tài)仍然小 可能達(dá)到理想的均衡。更為重要的是IGBT元件內(nèi)部反并聯(lián)的續(xù)流二極管是雙極性器件，其正向 通態(tài)壓降是負(fù)溫度系數(shù)，因此實(shí)際使用時(shí)對(duì)大功率IGBT模塊進(jìn)行15% 20%的降額使用。
為了解決模塊的散熱問題，本發(fā)明采用水冷散熱器，將每個(gè)單相半橋IGBT模塊底部均勻涂 抹上導(dǎo)熱硅脂，安裝在水冷熬熱器的上表面，散熱器表面粗糙度應(yīng)《1.6，散熱器的管道設(shè)計(jì)充 分考慮到每個(gè)單相半橋IGBT模塊的擺放位置，盡量使管道都均勻覆蓋每個(gè)單相半橋IGBT模塊 的底部。水冷散熱效率大于通常的風(fēng)冷散熱器，散熱器體積大大減少，散熱效率大大提高，保 證了每個(gè)單相半橋IGBT模塊工作時(shí)工作損耗所產(chǎn)生的的熱能及時(shí)耗散掉，使得IGBT工作安全 可靠。
模塊管理控制單元為本發(fā)明大功率單相半橋IGBT模塊的核心，其硬件基于單片機(jī)或者數(shù)字 信號(hào)處理器DSP，如圖3所示，IGBT驅(qū)動(dòng)電路I輸出的多路數(shù)字量信號(hào)通過光耦輸入至DSP 的I/O接口； n個(gè)單相半橋IGBT模塊溫度模擬信號(hào)通過A/D調(diào)理電路，將模擬量轉(zhuǎn)換為0 3.3VDC輸入至DSP的A/D管腳；同時(shí)DSP根據(jù)傳遞的IGBT驅(qū)動(dòng)電路信號(hào)和IGBT模塊的溫 度信號(hào)，通過軟件編程實(shí)現(xiàn)各個(gè)單相半橋IGBT模塊的安全控制和功率分配功能，通過I/0接口 將分配命令發(fā)送給IGBT驅(qū)動(dòng)電路1 。
以下以三個(gè)單相IGBT半橋模塊構(gòu)建的大功率單相半橋IGBT模塊為例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
如圖4所示，本發(fā)明大功率單相半橋IGBT模塊主要由三個(gè)單相IGBT半橋模塊第一半橋模 塊U1 、第二半橋模塊U2 、第三半橋模塊U3構(gòu)建組成，每個(gè)半橋模塊允許通過的最大電流為 Ic，內(nèi)埋的溫度傳感器保護(hù)值設(shè)定為Tc，該三個(gè)半橋模塊U1 、 U2 、 U3分別由直流能量源6 供電，三個(gè)單相半橋模塊U1 、 U2 、 U3的功率通過銅排匯流至功率總輸出端口 4輸出，按照 降額使用的原則，本發(fā)明大功率單相半橋IGBT模塊總的輸出最大電流為2.4Ic。
大功率單相半橋IGBT模塊的效率直接跟其工作時(shí)產(chǎn)生的損耗有關(guān)，損耗越大，效率越低。 IGBT的損耗分成導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗，導(dǎo)通損耗戶"w的計(jì)算方法如下-.
尸"4r、(轉(zhuǎn))."， (1)
式中To:輸出電壓周期，單位S; 流過IGBl的鬼流，單位:A;.
IGBT導(dǎo)通時(shí)，IGBT集電極和發(fā)射極之間的電壓，單位V; T'(t): IGBT導(dǎo)通時(shí)間，單位S; 對(duì)于導(dǎo)通損耗做以下三個(gè)假設(shè)-*輸出正弦電流；
*在通態(tài)情況下，IGBT的管壓降和流過的電流成線性關(guān)系； *調(diào)制函數(shù)滿足下式z(t一0.5(l+msin(a)t+(p))，(p為功率因素角，①t為相角變量。 在以上三個(gè)假設(shè)條件下，通過簡(jiǎn)化可得IGBT的導(dǎo)通損耗滿足下式
<formula>formula see original document page 7</formula>(2)
式中Fc切IGBT管壓降和電流之間線形關(guān)系得截距；r: IGBT管壓降和電流線性關(guān)系 直線的斜率；正弦電流最大值；附調(diào)制比伊功率因素角。 同理可得反向續(xù)流二極管的導(dǎo)通損耗為
<formula>formula see original document page 7</formula> (3)
IGBT的開關(guān)損耗的計(jì)算方法如下
<formula>formula see original document page 7</formula>式中/w,(^r: K3BT開關(guān)頻率；T():輸出電壓周期，單位S; 實(shí)際工作電壓、電流
下，IGBT的開通損耗，單位W; 實(shí)際工作電壓、電流下，IGBT的關(guān)斷損耗，單位W。 對(duì)于開關(guān)損耗做以下兩個(gè)假設(shè)-
* IGBT的開關(guān)損耗和工作電壓、工作電流成正比 輸出為正弦電流。
在以上兩個(gè)假設(shè)條件下，通過簡(jiǎn)化可得IGBT的開關(guān)損耗滿足
<formula>formula see original document page 7</formula> (5)
式中/ 。m:IGBT額定工作電流，單位A; ^。m: IGBT額定工作電壓，單位V; ￡。"/,，F(xiàn),):額定電壓、額定電流下，IGBT開通損耗，單位W; 五。乂4^乂，)額定電壓、額定電流下，IGBT關(guān)斷損耗，單位W-
直流母線電壓，單位V; /皿正弦電流最大值。 同理可得續(xù)流二極管的開關(guān)損耗計(jì)算方法如下-
<formula>formula see original document page 7</formula>(6)
從以上計(jì)算公式可知，損耗計(jì)算的是一個(gè)電流周期內(nèi)一個(gè)IGBT功率管的平均損耗，因此大 功率IGBT模塊的總損耗為<formula>formula see original document page 7</formula>
<formula>formula see original document page 8</formula>大功率單相半橋IGBT模塊的壽命由式(11)計(jì)算
<formula>formula see original document page 8</formula> (11)
上式中W(2),A7))是在IGBT結(jié)溫7)和結(jié)溫變化厶7}下循環(huán)功率曲線，&cfe是功率循環(huán)時(shí)間，
這兩者是由IGBT制造商給出。 IGBT結(jié)溫按照下式計(jì)算
<formula>formula see original document page 8</formula>(12)
式(12)中(&。w—^必),A^—^必),i^,。"/,y^c),分別為IGBT導(dǎo)通損耗系數(shù)，[GBT開關(guān)損耗 系數(shù)，續(xù)流二極管損耗系數(shù)，以及IGBT結(jié)到外表的熱阻，/,為相電流。
由式(ll)、 (12)可以看出，大功率單相半橋IGBT模塊的壽命與溫度變化直接相關(guān)，而溫度 變化與通過模塊的電流相關(guān)。
模塊管理控制單元5中的功率分配模塊根據(jù)當(dāng)前實(shí)際工況功率輸出和溫度分布，按照系 統(tǒng)最優(yōu)算法(模塊效率和壽命指標(biāo)綜合最優(yōu))計(jì)算出這三個(gè)單相半橋IGBT模塊U1 、 U2 、 U3 的工作模式(工作/停止模式),通過I/0接口與IGBT驅(qū)動(dòng)電路1通信，繼而控制這三個(gè)單相半 橋IGBT模塊U1,U2,U3的工作模式，從而達(dá)到寬功率輸出范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)較高效率和保持較高壽命 的目的。系統(tǒng)最優(yōu)算法主要依據(jù)式(1) (12)，以大功率單相半橋IGBT模塊效率和壽命指標(biāo)綜合 最優(yōu)為目標(biāo)，按照目前成熟的自尋優(yōu)法則，可以得出每個(gè)單相半橋IGBT模塊的工作模式。
圖4中的點(diǎn)劃線箭頭給出了大功率單相半橋IGBT模塊內(nèi)部可能的功率流向圖，對(duì)于功率需 求處于低載工況時(shí)，模塊管理控制單元5的功率分配模塊會(huì)根據(jù)當(dāng)前的功率需求和每個(gè)單相半 橋IGBT模塊的溫度，按照系統(tǒng)最優(yōu)算法分配單相半橋IGBT模塊Ul 、 U2 、 U3循環(huán)投入運(yùn)行。 圖5是小功率需求時(shí)大功率單相半橋IGBT模塊工作模式示意圖，如圖5所示，最先單相半橋 IGBT模塊U2工作，單相半橋IGBT模塊UK U3處于停止模式，此時(shí)大功率單相半橋IGBT 模塊的功率流沿著圖4中第二列的箭頭流動(dòng)；若U2的溫度達(dá)到預(yù)先設(shè)定值時(shí)，分配單相半橋 IGBT模塊Ul工作，單相半橋IGBT模塊Ul、 U3處于停止模式，此時(shí)太功率單相半橋IGBT 模塊的功率流沿著圖4中第一列的箭頭流動(dòng)；若單相半橋IGBT模塊U1的溫度達(dá)到預(yù)先設(shè)定值 時(shí)，分配U3工作，單相半橋IGBT模塊U2、 U3處于停止模式，此時(shí)大功率單相半橋IGBT模 塊的功率流沿著圖4中第三列的箭頭流動(dòng);若單相半橋IGBT模塊U3的溫度達(dá)到預(yù)先設(shè)定值時(shí)， 重新分配U2工作，單相半橋IGBT模塊U1、 U3處于停止模式，而后循環(huán)運(yùn)行。
對(duì)于功率需求處于中等負(fù)載工況時(shí)，無(wú)論那個(gè)單相半橋IGBT模塊單獨(dú)工作會(huì)使大功率單相 半橋IGBT模塊的效率和壽命指標(biāo)未達(dá)到綜合最優(yōu)，此時(shí)功率分配模塊會(huì)根據(jù)當(dāng)前的功率需求和 每個(gè)單相半橋IGBT模塊的溫度，按照系統(tǒng)最優(yōu)算法分配U1、 U2、 U3中的某兩個(gè)循環(huán)投入運(yùn) 行，圖6是中等功率需求時(shí)大功率單相半橋IGBT模塊工作模式示意圖，如圖6所示，最先U2 停止，Ul、 U3處于工作模式，此時(shí)大功率單相半橋IGBT模塊的功率流沿著圖4中第一列和第 三列的箭頭流動(dòng)；若U1的溫度達(dá)到預(yù)先設(shè)定值時(shí)，分配單相半橋IGBT模^iUl停止，單相半 橋IGBT模塊U2、 U3處于工作模式，此時(shí)大功率單相半橋IGBT模塊的功率流沿著圖4中第二 列和第三列的箭頭流動(dòng)；若單相半橋IGBT模塊U3的溫度達(dá)到預(yù)先設(shè)定值時(shí)，分配U3停止， 單相半橋IGBT模塊U1、 U2處于工作模式，此時(shí)大功率單相半橋IGBT模塊的功率流沿著圖4 中第一列和第二列的箭頭流動(dòng)；若單相半橋IGBT模塊U2的溫度達(dá)到預(yù)先設(shè)定值時(shí)，重新分配 U2停止，單相半橋IGBT模塊Ul、 U3處于工作模式，而后循環(huán)運(yùn)行。
對(duì)于功率需求處于重載工況時(shí)， 一個(gè)單相半橋K3BT模塊或兩個(gè)單相半橋IGBT模塊處于工 作模式都不能保證大功率單相半橋IGBT模塊的效率和壽命指標(biāo)未達(dá)到綜合最優(yōu)，此時(shí)功率分配 模塊會(huì)再次根據(jù)當(dāng)前的功率需求和每個(gè)單相半橋IGBT模塊的溫度,按照系統(tǒng)最優(yōu)算法將三個(gè)單 相半橋IGBT模塊都投入運(yùn)行，即單相半橋IGBT模塊U1、 U2和U3都處于工作模式，此時(shí)大 功率單相半橋IGBT模塊的功率流沿著圖4中第一列、第二列和第三列的箭頭流動(dòng)。
大功率單相半橋IGBT模塊具有高可靠性，如圖7所示，大功率單相半橋IGBT模塊處于中 等功率負(fù)載工況，單相半橋IGBT模塊U1、 U2處于工作模式，單相半橋IGBT模塊U3處于停 止，當(dāng)模塊管理控制單元5的安全控制模塊通過IGBT驅(qū)動(dòng)電路1檢測(cè)到Ul的上管出現(xiàn)故障后 (通常為斷路，以X號(hào)表示)，功率分配模塊重新按照系統(tǒng)最優(yōu)算法并結(jié)合實(shí)際情況實(shí)時(shí)調(diào)整單 相半橋IGBT模塊U2、 U3的工作模式。從而保證大功率單相半橋IGBT模塊仍能夠在較寬功率 輸出范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)較高的效率。同時(shí)發(fā)出報(bào)警，提示大功率單相半橋IGBT模塊出現(xiàn)一般故障，需 要檢修，但暫時(shí)可以繼續(xù)運(yùn)行。
如圖8所示，大功率單相半橋IGBT模塊處于重載工況，單相半橋IGBG模塊Ul、 U2和 U3處于工作模式，當(dāng)模塊管理控制單元5的安全控制模塊通過IGBT驅(qū)動(dòng)電路1檢測(cè)到單相半 橋IGBT模塊Ul上管和U2上管出現(xiàn)故障后(通常為斷路，以X號(hào)表示〉，大功率單相半橋IGBT 模塊的功率由單相半橋IGBT模塊U3提供，同時(shí)發(fā)出嚴(yán)重故障報(bào)警，此時(shí)大功率單相半橋IGBT 模塊工作于限功率運(yùn)行狀態(tài)，需及時(shí)進(jìn)行檢修。
權(quán)利要求
1、一種高性價(jià)比的大功率IGBT模塊，其特征在于，該大功率IGBT模塊包括模塊管理控制單元(5)、并聯(lián)的n(n≥2)個(gè)單相半橋IGBT模塊、IGBT驅(qū)動(dòng)電路(1)、吸收電路(3)以及冷卻系統(tǒng)；每個(gè)單相半橋IGBT模塊由兩個(gè)NPT型IGBT以及反并聯(lián)的續(xù)流二極管組成，n個(gè)單相半橋IGBT模塊通過疊層母排與直流能量源(6)連接，每個(gè)單相半橋IGBT模塊獨(dú)立從直流能量源(6)獲得能量；每個(gè)單相半橋IGBT模塊通過銅排將電流匯流后，由功率總輸出端口(4)輸出；IGBT驅(qū)動(dòng)電路(1)對(duì)每個(gè)單相半橋IGBT模塊的上下IGBT功率管實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)和保護(hù)，吸收電路用于吸收功率管關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的電壓尖峰；模塊管理控制單元(5)通過I/O接口與IGBT驅(qū)動(dòng)電路相連，通過模擬接口采集n個(gè)單相半橋IGBT模塊溫度，動(dòng)態(tài)分配各個(gè)單相半橋IGBT模塊的工作模式，以達(dá)到系統(tǒng)最優(yōu)的目的；當(dāng)模塊管理控制單元(5)中的安全控制模塊通過IGBT驅(qū)動(dòng)電路檢測(cè)到某些單相半橋IGBT模塊發(fā)生故障后，發(fā)出故障報(bào)警，模塊管理控制單元(5)動(dòng)態(tài)重新分配其余正常的單相半橋IGBT模塊的工作模式。
2、 按照權(quán)利要求1所述的大功率IGBT模塊，其特征在于大功率單相半橋IGBT模塊功率 需求處于低載工況時(shí)，模塊管理控制單元(5)的功率分配模塊分配單相半橋IGBT模塊U1、單 相半橋IGBT模塊U2 、單相半橋IGBT模塊U3循環(huán)投入運(yùn)行；大功率單相半橋IGBT模塊功 率需求處于中等負(fù)載工況時(shí)，功率分配模塊分配三個(gè)單相半橋IGBT模塊U1、 U2、 U3中的某 兩個(gè)循環(huán)投入運(yùn)行；大功率單相半橋IGBT模塊功率需求處于重載工況時(shí)，功率分配模塊將三個(gè) 單相半橋IGBT模塊U1、 U2、 U3都投入運(yùn)行。
3、 按照權(quán)利要求1或2所述的大功率IGBT模塊，其特征在于大功率單相半橋IGBT模塊 處于中等負(fù)載工況時(shí)，IGBT模塊處于中等功率負(fù)載工況，單相半橋IGBT模塊Ul、單相半橋 IGBT模塊U2處于工作模式，單相半橋IGBT模塊U3處于停止，當(dāng)模塊管理控制單元的安全 控制模塊通過IGBT驅(qū)動(dòng)電路檢測(cè)到單相半橋IGBT模塊U1出現(xiàn)故障后，功率分配模塊重新按 照系統(tǒng)最優(yōu)算法并結(jié)合實(shí)際情況實(shí)時(shí)調(diào)整相半橋IGBT模塊U2、U3的工作模式，同時(shí)發(fā)出報(bào)警， 提示該模塊出現(xiàn)一般故障，需要檢修，但暫時(shí)可以繼續(xù)運(yùn)行；大功率單相半橋IGBT模塊處于重 載工況，單相半橋IGBT模塊UK U2和U3處于工作模式，當(dāng)徵決管理控制單元(5)的安全 控制模塊通過IGBT驅(qū)動(dòng)電路()檢測(cè)到單相半橋IGBT模塊Ul和U2出現(xiàn)故障后，大功率單相半橋IGBT模塊的功率由單相半橋IGBT模塊U3提供，同時(shí)發(fā)出嚴(yán)重故障報(bào)警，此時(shí)大功率 單相半橋IGBT模塊工作于限功率運(yùn)行狀態(tài)，需及時(shí)檢修。
全文摘要
一種高性價(jià)比的大功率IGBT模塊，將n(n≥2)個(gè)單相半橋IGBT模塊(2)并聯(lián)，組合成為一個(gè)大功率單相半橋IGBT模塊，由直流能量源(6)供電，負(fù)載接至功率總輸出端口(4)。該大功率IGBT模塊集成有IGBT驅(qū)動(dòng)電路(1)和吸收電路(3)。模塊管理控制單元(5)通過I/O接口與IGBT驅(qū)動(dòng)電路(1)相連，并通過模擬接口采集n個(gè)單相半橋IGBT模塊溫度。模塊管理控制單元?jiǎng)討B(tài)分配每個(gè)單相半橋模塊的工作模式，以使系統(tǒng)最優(yōu)。當(dāng)模塊管理控制單元(5)中的安全控制模塊通過IGBT驅(qū)動(dòng)電路(1)檢測(cè)到某些單相半橋模塊發(fā)生故障，便報(bào)警，模塊管理控制單元(5)重新分配其余正常的單相半橋IGBT模塊的工作模式。本發(fā)明全功率范圍高效、高可靠性、高功率密度、低成本。
文檔編號(hào)H02M1/00GK101188378SQ20071017889
公開日2008年5月28日 申請(qǐng)日期2007年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月6日
發(fā)明者鈞 劉, 張旭輝, 文輝清, 溫旭輝 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院電工研究所