[发明专利]一种基于碳化硅的智能功率模块及应用

说明书

本发明公开一种基于碳化硅的智能功率模块及应用，属于电力电子技术领域。针对现有技术智能功率模块功能单一，智能化程度不高，器件昂贵易损的问题，本发明提供一种基于碳化硅的智能功率模块，包括驱动芯片、驱动单元和计算单元；驱动单元使用门级驱动电路，从智能功率模块端口测量数据，通过测量数据表征功率器件故障和老化的状态，优化开关轨迹控制；计算单元使用边缘计算模块对测量数据进行计算，通过嵌入式机器学习和回流新数据不断完善模型，增强监测设备性能。基于增强边缘计算的智能门级驱动，实现关键器件在线状态检测，具有过流保护和边缘计算等功能，可用于满足汽车功率级别的驱动电路。该技术提高电动汽车变换器的可靠性和智能化。

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，更具体地说，涉及一种基于碳化硅的智能功率模块及应用。

背景技术

电动汽车主要分几个部件：蓄电池，变换器，电机，电子控制单元(ECU)。这些对整车的性能及安全可靠性起着非常重要的作用。电动汽车是以电动机来驱动车辆前进的车辆。电动汽车的基本工作原理是由蓄电池或其他能够产生电源或电能的装置提供电流，通过电力电子变化器(DC-DC和DC-AC)将电池输出端口的低压直流电源变成能够驱动电动机转动的三相可变交流电源，并通过脉宽调制(PWM)技术来实现电动机转速扭矩等输出参数的控制，再通过动力传动系统驱动汽车前进行驶。

在此能量转换过程中，功率开关器件起着关键的控制作用，在很大程度上决定了系统的价格性能比，也是整个链条中最薄弱的一个环节。当前电动汽车功率变换器所使用的半导体开关器件是基于硅材料的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。这些器件技术成熟，成本较高，故障率也相对较高，属于易耗品。他们开关频率普遍在3-10kHz。现有的驱动电路技术可以实现功率开关器件的导通和闭合，但是不具备智能监测功能。申请人在英国开发了多项技术将故障诊断和剩余寿命预测的功能加载到开关器件驱动电路中，使得开关器件实现了智能化。在工业应用，比较有代表性的产品是来自赛米控高度集成的IPM SKiiP(SEMIKRON智能功率模块)将IGBT模块，驱动和散热集于一身。

近年来，随着以碳化硅(SiC)等材料为代表的第三代半导体开关器件性能的改进和功率的提高，他们的性能更为优越，正在逐步渗透进电动汽车领域。他们的开关频率比传统硅器件提高至少一个数量级(100kHz至MHz)，因此变换器系统的体积重量性能可以大规模改进。同时因为它们很容易从硅技术中继承其现有的较为成熟的封装和集成设计概念和控制策略，也加速了迅速的发展，这在高成本效益要求应用中尤为突出。基于碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的智能功率模块(IPM)也在各生产商的研发计划之中，目前市场尚无类似碳化硅IPM产品面世。现有技术的智能功率模块用于IGBT，仅可以实现有限的温度测量，过流保护，过热保护只有固定的软关断功能，门级电阻固定，无编程功能。

中国专利申请一种边缘计算智能功率模块，申请号CN202011166730.0，公开日2021年2月2日，公开一种边缘计算模块，该方案在现有智能功率模块的基础上，结合边缘计算进行控制，实现与外部信息的交换，但其仍无法实现故障诊断和寿命预测，功能单一，在关键器件发生故障无法及时报警，无法实现可预测维护和在线健康检测，带来安全隐患的同时提高维护成本。

发明内容

1.要解决的技术问题

针对现有技术智能功率模块功能单一，智能化不够，具有安全隐患且维护成本高的问题，本发明提供一种基于碳化硅的智能功率模块及应用，基于增强边缘计算的智能门级驱动，实现对碳化硅的在线故障诊断和健康状态检测，具有过流保护和边缘计算等功能，可用于满足汽车功率级别的驱动电路。

2.技术方案

本发明的目的通过以下技术方案实现。