一种基于SiC器件的高功率密度DAB集成模块

一种基于sic器件的高功率密度dab集成模块
技术领域
1.本发明涉及变压器、整流器和电感器制造技术领域，具体为一种基于sic器件的高功率密度dab集成模块。


背景技术：

2.近年来以碳化硅(silicon carbide，sic)为代表的第三代功率半导体器件(即宽禁带功率半导体器件)飞速发展，其具有开关速度快，损耗低，工作温度高等特点，其性能远超现有的硅功率半导体器件，是构建未来绿色能源的重要基石。随着第三代功率半导体技术的不断成熟，其将从新能源汽车，轨道交通，智能电网和新一代移动通讯等一些重要领域开始，逐步取代现有的硅功率器件，全面推动电力电子技术的进一步发展。目前，在宽禁带功率半导体器件逐渐走向成熟的过程中，器件的应用技术还停留在硅功率器件的阶段，成为制约碳化硅器件性能完全展现的瓶颈性问题。
3.双有源桥(dual active bridge，dab)由于dab电路具有功率密度高、控制简单以及实现零电压开通较为简单等优点，已成为中高功率电力电子变换器功率传输级的常用拓扑。
4.然而传统大功率dab装置通常采用硅(silicon，si)器件。由于si器件本身性能的限制，导致传统的si dab可以工作的频率较低。虽然有研究已经制作出了功率等级为10kw的dab变换器，但是其工作频率低于20khz，因此装置中如电感或变压器等磁性元件体积较大，进而导致传统dab电路无法做到较高的功率密度，集成化程度不高。此外传统的dab设计一般将无源元件与有源元件分割开来，使得装置体积进一步增加。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于sic器件的高功率密度dab集成模块，能够提升装置工作频率，减小磁元件和整体装置体积，适用范围广泛。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.一种基于sic器件的高功率密度dab集成模块，包括dab主电路板、sic器件、散热器、电感、变压器以及半桥驱动，所述dab主电路板上集成有输入检测电路、输出检测电路、控制电路接口和驱动电路接口；
8.其中，所述dab主电路板开设有电感区和变压器区，分别用于放置所述电感和所述变压器，所述dab主电路板的输入连接端固定有输入直流滤波电容，dab主电路板的输出连接端固定有输出直流滤波电容，所述sic器件与散热器夹持连接，所述散热器固定设置在所述dab主电路板一侧，所述半桥驱动与所述散热器相对于dab主电路板对称设置在所述dab主电路板的另一侧。
9.优选地，所述输入检测电路包括输入电压检测电路，所述输入电压检测电路集成在所述dab主电路板的输入连接端一侧。
10.优选地，所述输出检测电路包括输出电压检测电路和输出电流检测电路，所述输
出电压检测电路和输出电流检测电路均集成在所述dab主电路板的输出连接端一侧。
11.优选地，所述输入直流滤波电容、输出直流滤波电容、sic器件和散热器均通过引脚焊接与所述dab主电路板连接。
12.优选地，所述电感和变压器均通过导线焊接与所述dab主电路板连接。
13.优选地，所述dab主电路板包括原边侧h桥和副边侧h桥，所述变压器的原边与电感以及原边侧h桥连接，变压器的副边与副边侧h桥连接，所述变压器的变比选取为1。
14.优选地，所述电感的感值选取为30μh，电感与所述原边侧h桥以及所述变压器的原边连接。
15.优选地，所述原边侧h桥采用多个sic mosfet构成，用于将输入直流电转换为方波传输给变压器原边。
16.优选地，所述副边侧h桥采用多个sic mosfet构成，用于将所述变压器副边一侧的方波转换为直流输出。
17.优选地，所述dab主电路板上还集成有供电电路和多个运行指示灯，所述供电电路用于对输入检测电路、输出检测电路和运行指示灯供电。
18.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
19.本发明提供一种基于sic器件的高功率密度dab集成模块，通过对dab主电路板进行挖空并在挖空处放置电感和变压器等磁性元件，使得整个dab模块的最大高度为变压器的高度，从而降低整个模块高度。此外，本发明所述的结构中使sic器件、散热器以及驱动电路的半桥驱动并排分布，使得半桥驱动的宽度代替了散热器的宽度，并通过对装置中其他组成部分的紧密性布局，进一步减小了整个模块的体积，提高了dab模块的功率密度。
20.本发明中选用高压、大功率的sic器件作为功率器件，使得电路承载功率显著提升；同时由于sic器件在高频工作下的优良特性，dab模块工作频率也有显著提高，进而使得dab模块磁性元件的体积相较传统dab装置中的磁性元件大大减小。同时本发明中将检测电路与主功率电路进行集成设计，在减小整个装置体积的同时减小了检测信号传输过程中的寄生参数，提高了信号检测的精度。此外该主电路设计中还包括有控制电路接口与驱动电路接口设计，便于与控制器以及驱动进行集成。
附图说明
21.图1为本发明dab典型电路图；
22.图2为本发明基于sic器件的dab主电路原理图；
23.图3为本发明基于sic器件的dab电压检测电路原理图；
24.图4为本发明基于sic器件的dab电流检测电路原理图；
25.图5为本发明基于sic器件的dab控制电路接口电路原理图；
26.图6为本发明基于sic器件的dab驱动电路接口电路原理图；
27.图7为本发明基于sic器件的dab供电与指示灯电路原理图；
28.图8为本发明高功率密度dab集成模块结构示意图；
29.图9为本发明高功率密度dab集成模块结构剖面示意图；
30.图10为本发明高功率密度dab集成模块结构尺寸示意图；
31.图11为本发明某一实施例中实验测量的本发明基于sic器件的高功率密度dab集
成模块的工作波形图。
32.图中，1-dab主电路板，2-输入连接端，3-输出连接端，4-输入直流滤波电容，5-输出直流滤波电容，6-sic器件，7-散热器，8-电感，9-变压器，10-输入检测电路，11-输出检测电路，12-控制电路接口，13-驱动电路接口，14-半桥驱动。
具体实施方式
33.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
34.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
35.下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
36.本发明一种基于sic器件的高功率密度dab集成模块，包括dab主电路板1、sic器件6、散热器7、电感8、变压器9以及半桥驱动14，所述dab主电路板1上集成有输入检测电路10、输出检测电路11、控制电路接口12和驱动电路接口13；
37.其中，所述dab主电路板1开设有电感区和变压器区，分别用于放置所述电感8和所述变压器9，所述dab主电路板1的输入连接端2固定有输入直流滤波电容4，dab主电路板1的输出连接端3固定有输出直流滤波电容5，所述sic器件6与散热器7夹持连接，所述散热器7固定设置在所述dab主电路板1一侧，所述半桥驱动14与所述散热器7相对于dab主电路板1对称设置在所述dab主电路板1的另一侧。
38.本发明提供一种基于sic器件的高功率密度dab集成模块，通过对dab主电路板1进行挖空并在挖空处放置电感8和变压器9等磁性元件，使得整个dab模块的最大高度为变压器9的高度，从而降低整个模块高度。此外，本发明所述的结构中使sic器件6、散热器7以及半桥驱动14并排分布，使得半桥驱动14的宽度代替了散热器7的宽度，并通过对装置中其他组成部分的紧密性布局，进一步减小了整个模块的体积，提高了dab模块的功率密度。
39.本发明中选用高压、大功率的sic器件6作为功率器件，使得电路承载功率显著提升；同时由于sic器件6在高频工作下的优良特性，dab模块工作频率也有显著提高，进而使得dab模块磁性元件的体积相较传统dab装置中的磁性元件大大减小。同时本发明中将检测电路与主功率电路进行集成设计，在减小整个装置体积的同时减小了检测信号传输过程中的寄生参数，提高了信号检测的精度。此外该主电路设计中还包括有控制电路接口12与驱动电路接口13设计，便于与控制器以及驱动进行集成。
40.其中，所述输入检测电路10包括输入电压检测电路，所述输入电压检测电路集成
在所述dab主电路板1的输入连接端2一侧。
41.其中，所述输出检测电路11包括输出电压检测电路和输出电流检测电路，所述输出电压检测电路和输出电流检测电路均集成在所述dab主电路板1的输出连接端3一侧。
42.其中，所述输入直流滤波电容4、输出直流滤波电容5、sic器件6和散热器7均通过引脚焊接与所述dab主电路板1连接。
43.其中，所述电感8和变压器9均通过导线焊接与所述dab主电路板1连接。
44.其中，所述dab主电路板1上还集成有供电电路和多个运行指示灯，所述供电电路用于对输入检测电路10、输出检测电路11和运行指示灯供电。
45.实施例
46.本实施例中提供一种基于sic器件的高功率密度dab集成模块，包括：
47.dab主电路板1、输入连接端2、输出连接端3、输入直流滤波电容4、输出直流滤波电容5、sic器件6、散热器7、电感8、变压器9、输入检测电路10、输出检测电路11、控制电路接口12、驱动电路接口13以及半桥驱动14；
48.所述dab主电路板1电路如前述一种基于sic器件的高集成化dab主电路设计。
49.所述dab主电路板1上共挖空2个区域，分别放置电感8与变压器9，使整个dab模块的最大高度为磁性元件的高度；
50.所述模块的输入连接端2与输出连接端3分别放置于dab主电路板1输入输出两侧；
51.所述输入直流滤波电容4放置于模块的输入侧，并将其固定于dab主电路板1的下方；
52.所述输出直流滤波电容5放置于模块的输出侧，并将其固定于dab主电路板1的下方；
53.所述sic器件6包括8只分立式sic mosfet，并排固定于dab主电路板1下方；
54.所述散热器7包括4只夹持型半桥散热器，其与整体模块集成于一体，并排固定于dab主电路板1下方；
55.所述电感8磁芯型号选择为etd59/31/22，数量选择为1副。电感8关键尺寸为：长60mm，宽22mm，高63mm；
56.所述变压器9磁芯型号选择为ee65/32/27，数量选择为2副。变压器9关键尺寸为：长65mm，宽54mm，高65mm；
57.所述输入检测电路10、输出检测电路11、控制电路接口12以及驱动电路接口13均集成于dab主电路板1上；
58.所述半桥驱动14包括4个1700v sic mosfet半桥驱动，并排固定于dab主电路板1上方；
59.进一步地，所述输入直流滤波电容4、输出直流滤波电容5、sic器件6以及散热器7与dab主电路板1通过引脚焊接实现电气连接。
60.进一步地，所述电感8以及变压器9与主电路通过导线焊接实现电气连接。
61.进一步地，所述sic器件6的g、s引脚与半桥驱动14通过引脚焊接实现电气连接。
62.进一步地，所述sic器件6与散热器7夹持连接，使sic器件6外壳紧贴于散热器7表面。
63.进一步地，所述输入检测电路10包括输入电压检测电路，其集成于dab主电路板1
的输入侧，便于直接对输入电压进行检测。
64.进一步地，所述输出检测电路11包括输出电压检测电路与输出电流检测电路，其集成于dab主电路板1的输出侧，便于对输出电压以及输出电流进行检测。
65.进一步地，所述4个半桥驱动14与所述4只散热器7关于dab主电路板1对称放置，使驱动的宽度代替散热器7的宽度。
66.本实施例中所述dab集成模块结构，该结构考虑了装置各组成部分的体积，通过对主电路板进行挖空并在挖空处放置磁性元件，使得整个dab模块的最大高度为变压器9的高度。此外该结构中令sic mosfet、散热器7以及半桥驱动14并排分布，使得半桥驱动14的宽度代替了sic mosfet散热器7的宽度，并通过对装置中其他组成部分的紧密性布局，进一步减小了整个模块的体积，提高了dab模块的功率密度。
67.本实施例所述的高功率密度dab集成模块中，dab主电路板1的设计包括：
68.dab主功率电路、电压检测电路、电流检测电路、控制电路接口12、驱动电路接口13以及供电与指示灯电路；
69.所述dab主功率电路指标设计为：输入电压1000v、输出电压1000v、输出电流10a、承载功率10kw、工作频率50khz；
70.所述dab主功率电路包括输入电源连接端、输出负载连接端、输入直流滤波电容4、输出直流滤波电容5、原边侧h桥、副边侧h桥、电感8以及变压器9；
71.所述电压检测电路包括输入电压检测电路与输出电压检测电路；
72.所述电流检测电路包括输出电流检测电路；
73.所述控制电路接口12需要与dab控制器，如dsp进行连接；
74.所述驱动电路接口13需要与sic半桥驱动14模块进行连接；
75.所述供电与指示灯电路包括对电压检测电路、电流检测电路以及指示灯的供电与4种运行状态指示灯。
76.进一步地，所述输入直流滤波电容4选用2个180μf的电容串联而成，总容值为90μf，并在每个电容两端并联均压电阻网络，均压电阻阻值设置为0.8mω。
77.进一步地，所述输出直流滤波电容5选用2个180μf的电容串联而成，总容值为90μf，并在每个电容两端并联均压电阻网络，均压电阻阻值设置为0.8mω。
78.进一步地，所述原边侧h桥由4个sic mosfet组成，将输入直流电转换为方波传输给变压器9原边。
79.进一步地，所述副边侧h桥由4个sic mosfet组成，将变压副边一侧方波转换为直流输出。
80.进一步地，所述电感8感值选取为30μh，其与原边侧h桥以及变压器9原边进行连接。
81.进一步地，所述变压器9变比n选取为1，其原边与电感8以及原边侧h桥进行连接，副边与副边侧h桥进行连接。
82.进一步地，所述电压检测电路需要将0～1500v的电压转换为0～3.3v的电压进而供dsp的adc模块进行采样。
83.进一步地，所述电流检测电路需要将0～15a的输出电流转换为0～3.3v的电压进而供dsp的adc模块进行采样。
84.进一步地，所述供电电路将辅助电源输入的5v供电转换为2个5v电压与1个3.3v电压为检测电路以及运行状态指示灯供电。
85.本实施例中所述dab主电路设计方案，该方案由于选用高压、大功率sic mosfet作为功率器件，使得电路承载功率可高达10kw；此外由于sic器件6在高频工作下的优良特性，dab模块工作频率可以提高至50khz，进而使得模块磁性元件体积相较传统dab装置中的磁性元件大大减小。同时该方案将检测电路与主功率电路进行集成设计，在减小整个装置体积的同时减小了检测信号传输过程中的寄生参数，提高了信号检测的精度。此外该主电路设计中还包括有控制电路接口12与驱动电路接口13设计，便于与控制器以及驱动进行集成。
86.本发明实施例中提出的一种基于sic器件的高功率密度dab集成模块的关键尺寸如图10所示为：长290mm，宽129mm，高65mm，体积约为2432cm3，其输出功率可以达到10kw，功率密度高达4.11w/cm3。
87.具体地，结合附图对本发明所述的dab集成模块进行详细说明。
88.(一)本发明所设计的基于sic器件的高集成化dab主电路设计，包括对主功率电路、电压检测电路、电流检测电路、控制电路接口、驱动电路接口以及供电与指示灯电路的设计。
89.所述主功率电路即指dab主拓扑电路。dab典型电路图如图1所示，其包括输入与输出直流滤波电容5、原边侧h桥、副边侧h桥、电感以及变压器。因此本发明中dab主功率电路拓扑结构设计为典型dab电路，其原副边h桥的功率器件均选取4只1700v sic mosfet。由于sic mosfet在高频、大功率工作条件下具有优良的性能，因此所设计主功率电路技术指标确定为：输入电压1000v、输出电压1000v、输出电流10a、承载功率10kw、工作频率50khz。
90.本发明基于sic器件的dab主电路原理图如图2所示。主功率电路中的输入输出电容均选用2只额定电压600v，容值为180μf的铝电解电容串联组成，因此输入输出电容最高耐压1200v，等效容值为60μf。由于每个电容器的漏电流不同，在进行串联时需要给每个电容并联均压电阻，流过电阻的电流要远大于电容器的漏电流，否则电阻无法控制电压的分配过程。假设流过电阻的电流是电容器漏电流的5倍，而电容器的漏电流设为0.003cuc，则需要的最小均压电阻为0.37mω，考虑一定的裕量，设计中选用6个1.2mω的电阻串并联组成0.8mω的电阻网络。主功率电路中的电感值选取为30μh，该电感与原边侧h桥以及变压器原边进行电路连接，变压器变比n选取为1，其原边与电感以及原边侧h桥连接，副边与副边侧h桥进行连接。
91.本发明基于sic器件的dab电压检测电路原理图如图3所示。所述电压检测电路包括输入电压检测电路与输出电压检测电路。电压检测电路采用电阻分压的方式对0～1500v的电压进行采样，并通过amc1301 dwvr芯片以及电压转换电路最终输出0～3.3v的电压传输给控制器，如dsp的adc模块。
92.本发明基于sic器件的dab电流检测电路原理图如图4所示。所述电流检测电路仅包括输出电流检测电路。电流检测电路利用电阻网络将0～15a的电流转换为电压，并通过amc1301 dwvr芯片以及电压转换电路最终输出0～3.3v的电压传输给控制器。
93.本发明基于sic器件的dab控制电路接口、驱动电路接口、供电与指示灯电路原理图分别如图5、6和7所示。所述控制电路接口由2个16pin的插针模块组成，dab控制器如dsp
可以通过该插针模块与主电路进行连接。所述驱动电路接口则使用4个6pin的插针模块组成，4个半桥sic mosfet驱动可以通过对应的插针与主电路进行连接。所述供电主要包括对运行状态指示灯以及检测电路进行供电，该供电模块需要将辅助电源输入的5v供电转换为2个5v电压与1个3.3v电压，其中使用ise0505芯片对5v-5v进行转换，使用lm1117-3.3对5v-3.3v进行转换。所述指示灯主要指4个运行状态指示灯，其可以通过不同的排列组合显示目前dab运行是否正常以及若不正常其上目前发生了哪些故障，便于维修检查。
94.(二)本发明所设计的高功率密度dab集成模块结构，包括：dab主电路板1、输入连接端2、输出连接端3、输入直流滤波电容4、输出直流滤波电容5、sic器件6、散热器7、电感8、变压器9、输入检测电路10、输出检测电路11、控制电路接口12、驱动电路接口13以及半桥驱动14之间的布局结构。
95.如图8和9所示，所述dab主电路板1的电路设计如前述步骤(一)。所述模块输入连接端2与输出连接端3分别放置于dab主电路板1输入输出两侧，其中输入连接端2与输入电源进行电气连接，输出连接端3与负载进行电气连接。
96.由于该dab集成模块功率等级较大、工作频率较高，因此需要为sic器件6选择合适的散热器7，以防止sic器件6在工作过程中因为损耗产生的温度过高而导致器件发生热损坏。由于考虑到散热系统与dab模块间之间的集成化设计，本发明中的散热器7直接与dab主电路板1通过引脚焊接固定，提高整体模块的集成度。所述半桥驱动14包括4个1700v sic mosfet半桥驱动。参见图9，为了充分利用宽度空间，将8只sic器件6与4只散热器7组合，并与4个半桥驱动14并排分布，利用半桥驱动14的宽度代替散热器7宽度。
97.所述输入直流滤波电容4与输出直流滤波电容5均选用2只铝电解电容串联组成，将其固定与dab主电路板1的下方，并通过引脚与dab主电路板1实现电气连接。
98.由于本发明的dab模块工作频率达50khz，因此可以将电路磁性元件的体积大幅减小。电感8磁芯材料选择3c97铁氧体材料，型号选择为etd59/31/22，磁芯数量为1副，绕组选择线径为0.05mm、总股数为1200的利兹线，其线圈匝数为9匝，其关键尺寸为：长60mm，宽22mm，高63mm；而变压器9磁芯型号选择为ee65/32/27，数量选择为2副，绕组同样选择线径为0.05mm、总股数为1200的利兹线，其原副边线圈匝数均为22匝，其关键尺寸为长65mm，宽54mm，高65mm。
99.对于整体dab模块来说，其输入直流滤波电容4与输出直流滤波电容5高度为40mm，单个散热器7高度为46mm，电感8高度为63mm，变压器9高度为65mm。因此变压器8为整个模块最高的器件，其次为电感9。因此为了充分利用高度空间，对dab主电路板1中挖空两片区域，分别放置电感8与变压器9。
100.由于前述对于基于sic器件的高集成化dab主电路设计将dab主功率电路、电压检测电路、电流检测电路以及控制电路接口集成设计，因此布局中输入检测电路10、输出检测电路11、控制电路接口12以及驱动电路接口13均集成于dab主电路板1上。所述输入检测电路10主要包括输入电压检测电路，对输入电压进行采样，因此将其放置于dab主电路板1的输入侧，以减小检测过程中的寄生参数。所述输出检测电路11主要包括输出电压检测电路以及输出电流检测电路，对输出电压与输出电流进行采样，因此将其放置于dab主电路板1的输出侧，以减小检测过程中的寄生参数。所述控制电路接口12同时要为原副边的4个半桥驱动14发送pwm信号，因此将其放置于4个半桥驱动14的中间位置，此外为了便于与dab模块
的控制器进行连接，将控制电路接口12放置于模块边缘处。所述驱动电路接口13需要连接4个半桥驱动14，因此4个驱动电路接口13并排放置，与半桥驱动14相连接。
101.如图11所示，给出了实验测量的本发明基于sic器件的高功率密度dab集成模块的工作波形。实验条件为：输入电压为1000v，输出电压参考值为1000v，输出负载电阻100ω，工作频率50khz。参见图11，本发明的dab集成模块输出电压稳定为1000v，在承载10kw功率的同时工作稳定，可靠性较高，实现了大功率密度。
102.本发明公开了一种基于sic器件的高功率密度dab集成模块。本发明针对传统si dab电路功率密度较低的问题，提出了一种基于sic器件的高集成化dab主电路设计方案与一种高功率密度dab集成模块结构。本发明通过选用sic mosfet作为功率器件，提升了模块的承载功率与工作频率，进而使得电路磁性元件体积大幅减小。同时本发明充分利用装置整体空间，通过将检测电路与主功率电路间的集成设计、散热系统与dab模块间的集成设计以及对模块各组成部分进行紧凑的结构设计与布局优化，使得dab装置模块化。本发明提出的一种基于sic器件的高功率密度dab集成模块在所处理功率等级高达10kw的同时体积仅为2432cm3，功率密度高达4.11w/cm3。
103.最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。