[发明专利]基于SiC功率器件的三电平牵引功率模块及逆变电路

说明书

本发明涉及一种基于SiC功率器件的三电平牵引功率模块及逆变电路，逆变主电路采用I型三电平逆变桥结构，牵引功率模块自上而下依次集成有控制器、支撑电容模块、叠层母排、驱动模块、SiC功率模块以及散热片；SiC功率模块采用SiC‑MOSFET与SiC‑DIODE功率器件，所述驱动模块与所述SiC功率模块连接，所述控制器与所述驱动模块连接，以控制所述SiC功率模块的通断；所述支撑电容模块与所述SiC功率模块连接，所述SiC功率模块固定连接有散热片。本发明的牵引功率模块采用集成化、系统化设计，利用SiC功率器件的高频、高温特性，有效降低模块的体积与重量，牵引功率模块相比传统基于Si器件的功率模块各方面性能得到大大提高。

技术领域

本发明属于牵引逆变技术领域，尤其涉及一种基于SiC功率器件的三电平牵引功率模块及逆变电路。

背景技术

目前，大功率逆变器多采用Si-IGBT作为核心功率器件，基于Si功率器件的牵引逆变器的开关频率普遍在1kHz以下，为了保证牵引逆变器输出三相电流质量，需采用复杂的分段同步调制控制方法，这样不仅增加了系统控制的复杂度，同时在不同调制切换时容易产电流冲击，影响系统的安全可靠性。同时，Si-IGBT器件损耗较大，导致逆变器散热系统体积重量大。

相比于Si-IGBT，SiC功率器件作为新型宽禁带半导体器件具有低损耗、耐高温等特性，其在高压、大功率、高频化应用领域具备不可比拟的优势。利用SiC功率器件的高工作频率特性，可提高牵引逆变器开关频率，减小磁芯元件尺寸重量，提高功率密度，减小工作噪声，且简化系统电路结构和控制复杂性；同时，功率器件开关损耗降低，提高转换效率，且减少发热，降低散热器尺寸重量。因此，可采用SiC-MOSFET替代Si-IGBT作为逆变器的核心功率器件，对传统逆变器结构进行改进。

发明内容

本发明针对上述基于Si功率器件的逆变器存在的不足，提供了一种基于SiC功率器件的三电平牵引功率模块及逆变电路，牵引功率模块采用集成化、系统化设计，利用SiC功率器件的高频、高温特性，有效降低模块的体积与重量，牵引功率模块相比传统基于Si器件的功率模块得到大大提高。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于SiC功率器件的三电平牵引功率模块，牵引逆变主电路采用I型三电平逆变桥结构；牵引功率模块自上而下依次集成有控制器、支撑电容模块、叠层母排、驱动模块、SiC功率模块以及散热片；SiC功率模块采用SiC-MOSFET与SiC-DIODE功率器件，所述驱动模块与所述SiC功率模块连接，所述控制器与所述驱动模块连接，以控制所述SiC功率模块的通断；所述支撑电容模块与所述SiC功率模块连接，所述SiC功率模块与所述散热片固定连接。

优选的，所述SiC功率模块包括单相桥臂，单相桥臂包括上桥臂SiC-MOSFET模块、下桥臂SiC-MOSFET模块、SiC-DIODE模块，所述上桥臂SiC-MOSFET模块、下桥臂SiC-MOSFET模块以及SiC-DIODE模块呈一字型排布，所述SiC-DIODE模块置于上桥臂SiC-MOSFET模块与下桥臂SiC-MOSFET模块之间。

优选的，所述单相桥臂还包括RC模块，所述RC模块包括串联的电容与电阻，所述RC模块连接上桥臂SiC-MOSFET模块与下桥臂SiC-MOSFET模块的中性点。

优选的，所述SiC功率模块包括第一桥臂、第二桥臂以及第三桥臂，所述第一桥臂、第二桥臂以及第三桥臂采用所述单相桥臂设计；所述第一桥臂、第二桥臂以及第三桥臂依次通过叠层母排连接，所述第一桥臂或第二桥臂与所述第三桥臂呈中心对称分布。