CN1356764A - 基于分立元件的电力电子集成模块的制备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于分立元件的电力电子集成模块的制备,首次提出基于分立元件的电力电子集成模块的概念。将功率器件及驱动、控制和保护电路集成为一个独立功能模块,通过外接引脚连接少量外部元件就可以构成具有完成功能的电力电子装置。集成模块对原设计中的技术和工艺难点进行了“封装”,简化了设计难度,使电力电子装置的技术性能和可靠性的全面提高成为可能,并进一步推动电力电子应用领域的拓展。
Description
一、技术领域：
本发明属于电力电子技术领域的电路集成模块，具体地说，是制备一种基于分立元件的电力电子集成模块。
二、背景技术：
电力电子装置通常包含功率电路、驱动电路、控制电路和保护电路等，目前都由分立元件构成。设计人员需要将实现上述功能电路的元器件逐一布局安装在印刷电路板上。这是目前国内外通行的装配设计方法，图6所示的是传统的电力电子装置的设计过程。这种装置设计的方法的不足之处在于设计周期长，设计难度大，设计成本高。而且设计相似的产品时，都必须重复类似的设计过程。这些问题严重制约了电力电子技术的发展和应用领域的拓展。
三、发明内容
针对上述问题，本项发明旨在提出并设计一种集成化的电力电子模块。集成化模块就是将电力电子装置中的功率器件以及驱动、控制和保护电路等集成、压缩为一个具有少量外接引脚的独立功能模块。通过集成，可以使复杂的电路转化为外部结构很简单的模块。集成技术对设计中的技术和工艺的难点进行了“封装”，使设计人员不再需要过多地介入模块内各部分的具体细节，而是通过选择一个或几个集成标准化模块并适当组合，就可完成装置的设计，相应的安装、调试过程也大为简化。原有装置中的诸如分布参数、电磁兼容等关键技术问题也可通过模块本身的优化设计加以解决，从而全面提高电力电子装置的技术性能和可靠性，使结构更复杂、功能更丰富的电力电子***成为可能，进一步拓展电力电子技术的应用领域。图7所示的是采用集成技术后电力电子装置的设计过程。
本发明所采取的技术方案是：基于分立元件的电力电子集成模块的制备，包括通常在电力电子装置上使用的功率电路1、驱动电路2、控制电路3和保护电路4，和少量外部元件或电路，其特点是：将构成电力电子电路的上述各个分立的元器件集成为一体，形成一个独立的、具有完整功能的模块；按以下步骤制备：
1)该模块的功率电路1采用MOSFET或IGBT器件，其散热底板同模块的金属基板间设置一硅橡胶材料的导热绝缘层，并在绝缘层两面均匀涂敷导热硅脂以增强导热效果；
2)功率电路1的功率元件焊接在印刷电路板PCB1的底面，印刷电路板采用环氧基板，以承受较强的压应力。在电路板四周对称位置设安装孔，通过螺丝将电路板与散热底板紧固安装，足够而均匀的安装力使PCB1底面上的每个功率器件和散热底板都能充分接触，确保可靠传热。功率器件相互之间以及螺丝和电路板的电气部分之间预留一定的间距，以满足绝缘的要求；
3)驱动电路2的元件采用中功率三极管构成推挽放大电路，尤其适合驱动大功率器件。驱动信号通过脉冲隔离变压器与功率电路相连，既减小了开关噪声对驱动以及控制电路等的弱电信号的干扰，又使驱动信号之间相互隔离。所有驱动电路均安装在印刷电路板PCB1的正面，既充分利用了模块的几何空间又进一步离远了开关噪声源；
4)控制电路3采用专用PWM控制芯片及阻容元件构成，控制脉冲输出信号经过一级CMOS 6缓冲器的处理，使信号的电流驱动能力进一步提高；保护电路4采用运算放大器构成；二者均安装在印刷电路板PCB2的正面，并和驱动电路2通过连接器CON1和CON2连接，外部连接引线由侧面引出。
输出功率可以从1kW到10kW范围。
本发明的突出特点是集成模块的功率等级高，体积小。现有功率集成模块以单片式开关电源为例，它的输出功率一般在3～10W左右，上限不超过150W，电路拓扑只能采用反激型电路，基本属于小功率范围。而本发明所设计的集成模块输出功率可以从1kW到10kW范围不等，填补了中大功率集成模块设计的空白。
本发明的另一些特点是，功率器件采用MOSFET或IGBT，具体电路拓扑不拘泥于某一特定的形式，以适应大功率场合的全桥型拓扑为主流，也可采用半桥电路或不带隔离变压器的Boost或Buck电路；驱动电路的元件采用中功率三极管BD327/238构成推挽放大电路，统一的推挽驱动模式既适用于驱动MOSFET又可驱动IGBT，是否需要脉冲隔离变压器视具体情况而定；控制电路采用专用PWM控制芯片及阻容元件构成，可以采用电压模式、峰值电流模式或平均电流模式控制；保护电路采用运算放大器构成输入/输出欠/过压、欠/过流保护。
功率电路采用4个IGBT构成全桥电路，4组独立的驱动电路均由中功率三极管BD237/238构成推挽放大电路，分别驱动4个桥臂的IGBT，驱动输出信号通过4个脉冲变压器与主电路隔离；控制电路采用专用PWM芯片UC3875构成移相全桥零电压零电流软开关控制(ZVZCS)，***电路由运算放大器LM324构成电压、电流双闭环平均电流控制模式电路；保护电路采用运算放大器LM324构成输出过压、过流保护。
功率电路采用4个功率MOSFET构成全桥电路；4组独立的驱动电路均由中功率三极管BD237/238构成推挽放大电路，分别驱动4个桥臂的MOSFET，驱动输出信号通过4个脉冲变压器与主电路隔离；控制电路采用专用PWM芯片UC3875构成移相全桥零电压零电流软开关控制(ZVZCS)，并与***电路共同构成电压、电流双闭环峰值电流控制模式电路；保护电路采用运算放大器LM324构成输出过压、过流保护。
功率电路采用4个功率MOSFET和4个软恢复二极管构成零电压转换(ZVT)软开关Boost电路；2组独立的驱动电路均由中功率三极管BD237/238构成推挽放大电路，分别驱动主开关和辅助开关的MOSFET；控制电路采用专用PWM芯片UC3854构成电压、电流双闭环平均电流控制模式电路；并用逻辑控制芯片CD4013构成辅助脉冲形成电路。
本项发明首次提出了具有独创性的基于分立元件的电力电子集成模块的概念。该电力电子集成模块将构成电力电子电路的各个分立的元器件集成为一体，形成一个独立的、具有完整功能的模块。模块通过有限的几个外接引脚连接外部少量元件，就可实现一个电力电子装置完整的功能。
(1)电力电子集成技术对主要的技术和工艺的难点问题实现了“封装”，从而极大地降低了装置设计的难度，使之成为每一个具备基本素质的工程师所能胜任的工作，进而推动了电力电子技术应用领域的拓展。
(2)电力电子集成模块的设计难度虽然较大、设计成本也较高，但批量生产后，其成本可以降低。而对装置来说，设计难度和设计成本将大大降低，设计周期也将缩短。
(3)集成化提高了电力电子装置的技术性能和可靠性，并使结构更复杂、功能更丰富的电力电子***成为可能，这是更加灵活、高效地利用电能的关键。
(4)集成化可以解决诸如分布参数、电磁兼容等许多关键的技术问题，从而全面提高电力电子装置的技术性能。
四、附图说明：
图1是本发明电力电子集成模块的概念示意图；
图2本发明电力电子集成模块的结构示意图；
图3电力电子集成模块的应用实例示意图；
图4是本发明电力电子集成模块样机照片；
图5是本发明用于软开关功率因数校正的集成模块；
图6是传统的电力电子装置的设计过程示意图；
图7采用集成模块后电力电子装置的设计过程示意图。
五、具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
发明人给出了下面的实施例，但本发明并不限于这些实施例。
实施例1：参见图1、2，按本发明所的技术方案，基于分立元件的电力电子集成模块的制备，包括通常在电力电子装置上使用的功率电路1、驱动电路2、控制电路3和保护电路4，和少量外部元件或电路，将构成电力电子电路的上述各个分立的元器件集成为一体，形成一个独立的、具有完整功能的模块；按以下步骤制备：
1)该模块的功率电路1采用MOSFET或IGBT器件，其散热底板同模块的金属基板间设置一硅橡胶材料的导热绝缘层，并在绝缘层两面均匀涂敷导热硅脂以增强导热效果；
2)功率电路1的功率元件焊接在印刷电路板PCB1的底面，印刷电路板采用环氧基板(3-5mm)，以承受较强的压应力。在电路板四周对称位置设安装孔，通过螺丝将电路板与散热底板紧固安装，足够而均匀的安装力使PCB1底面上的每个功率器件和散热底板都能充分接触，确保可靠传热。功率器件相互之间以及螺丝和电路板的电气部分之间预留一定的间距，以满足绝缘的要求；
3)驱动电路2元件采用中功率三极管BD327/238构成推挽放大电路，尤其适合驱动大功率器件。驱动信号通过脉冲隔离变压器与功率电路相连，既减小了开关噪声对驱动以及控制电路等的弱电信号的干扰，又使驱动信号之间相互隔离。所有驱动电路均安装在印刷电路板PCB1的正面，既充分利用了模块的几何空间又进一步离远了开关噪声源；
4)控制电路3采用专用PWM控制芯片及阻容元件构成，控制脉冲输出信号经过一级CMOS 6缓冲器的处理，使信号的电流驱动能力进一步提高；保护电路4采用运算放大器构成；二者均安装在印刷电路板PCB2的正面，并和驱动电路2通过连接器CON1和CON2连接，外部连接引线由侧面引出。
本发明的特点是集成模块的功率等级高，体积小。现有功率集成模块以单片式开关电源为例，它的输出功率一般在3～10W左右，上限不超过150W，电路拓扑只能采用反激型电路，基本属于小功率范围。而本发明所设计的集成模块输出功率可以从1kW到10kW范围不等，填补了中大功率集成模块设计的空白。
另外，与单片式电源模块不同，本发明的集成工艺专为大功率模块设计，它是分大功率器件集成和控制电路集成两步进行，最后再将两部分组合为一体。目的为了克服承受高压、大电流的大功率开关器件的开关噪声对控制信号的电磁干扰。如果只是简单地把这几部分电路组合压接在同一块底板上，各部分之间复杂的电磁干扰势必会使整个模块无法正常工作。
在制备大功率的集成模块过程中，面临的主要问题是：模块体积的减小与功率器件能否良好散热之间的矛盾和主电路、控制电路等的一体化与强电信号对弱电信号的电磁干扰之间的矛盾。具体的工艺难点是：
1)如何确保功率器件可靠散热
实际模块中用到的功率器件一般有4个或更多，因此在焊接和安装时，必须严格做到每一个功率器件的散热基板都和金属底板完全接触，并施以足够的安装力。否则，若有一个功率器件与底板接触不良，必然因散热效果不好导致局部过热而损坏，并会由此引发连锁反应，导致模块整体损坏。另外，焊接功率器件的电路板PCB1和金属散热底板都不易选择厚度过薄的板材，否则在安装力作用下会弯曲变形，同样会导致功率器件与散热底板的接触不良问题。
2)如何克服电磁干扰问题
驱动、控制和保护电路处理的都是微弱的电信号，它们距承受高压、大电流的功率器件越近，越易受到开关噪声的干扰，产生误动作，甚至导致模块整体损坏。处理的办法是主电路和控制电路在几何空间上分处不同的层面；PCB板的地线采用大面积网格填充；必要时可增加屏蔽层(控制电路用屏蔽层包裹)或抗干扰的元件(如共模电感等)。
实施例2：本实施例是应用本发明制备所设计的三相380V交流输入10A/220V直流输出电力操作电源样机，如图3，其功率电路采用4个IGBT构成全桥电路，4组驱动电路均采用中功率三极管BD237/238构成推挽放大，分别驱动4个IGBT，并通过4个脉冲变压器与主电路隔离；控制电路采用专用PWM芯片UC3875构成移相全桥零电压零电流软开关控制(ZVZCS)，***电路由运算放大器LM324构成电压、电流双闭环平均电流控制模式电路，控制脉冲输出信号经过一级CMOS 6缓冲器CD4050的处理，使信号的电流驱动能力进一步提高；保护电路采用运算放大器LM324构成输出过压、过流保护。其制备同实施例1。同不采用集成模块的同类装置相比，该装置结构明显简化、设计和调试容易，可靠性高，并且结构紧凑、体积小、重量轻。
实施例3：图4所示是应用本发明制备所设计的单相220V交流输入20A/48V直流输出通信电源的电力电子集成模块样机照片。其功率电路采用4个功率MOSFET构成全桥电路；4组驱动电路均采用中功率三极管BD237/238构成推挽放大，分别驱动4个功率MOSFET，并通过4个脉冲变压器与主电路隔离；控制电路采用专用PWM芯片UC3875构成移相全桥零电压零电流软开关控制(ZVZCS)，并与***电路共同构成电压、电流双闭环峰值电流控制模式电路，控制脉冲输出信号经过一级CMOS 6缓冲器CD4050的处理，使信号的电流驱动能力进一步提高；保护电路采用多个运算放大器LM324构成输出过压、过流保护。其制备同实施例1。该模块已成功应用于48V/20A通信电源样机，并获得良好的使用效果。
实施例4：图5所示是应用本发明制备所设计的单相220V交流输入380V/10A直流输出软开关功率因数校正(PFC)模块。其功率电路采用4个功率MOSFET和4个软恢复二极管构成零电压转换(ZVT)软开关Boost电路；2组独立的驱动电路均采用中功率三极管BD237/238构成推挽放大，分别驱动主开关和辅助开关的功率MOSFET；控制电路采用专用PWM芯片UC3854构成电压、电流双闭环平均电流控制模式电路，控制脉冲输出信号经过一级CMOS6缓冲器CD4050的处理，使信号的电流驱动能力进一步提高；增加逻辑控制芯片CD4013构成辅助脉冲形成电路。其制备同实施例1。该模块已成功应用于48V/50A通信电源软开关功率因数校正(PFC)模块，并获得良好的使用效果。
Claims (4)
1.一种基于分立元件的电力电子集成模块的制备，包括通常在电力电子装置上使用的功率电路[1]、驱动电路[2]、控制电路[3]和保护电路[4]，和少量外部元件或电路，其特征在于：将构成电力电子电路的上述各个分立的元器件集成为一体，形成一个独立的、具有完整功能的模块；按以下步骤制备
1)该模块的功率电路[1]采用MOSFET或IGBT器件，其散热底板同模块的金属基板间设置一硅橡胶材料的导热绝缘层，并在绝缘层两面均匀涂敷导热硅脂以增强导热效果；
2)功率电路[1]的功率元件焊接在印刷电路板PCB1的底面，印刷电路板采用环氧基板，以承受较强的压应力；在电路板四周对称位置设安装孔，通过螺丝将电路板与散热底板紧固安装，足够而均匀的安装力使PCB1底面上的每个功率器件和散热底板都能充分接触，确保可靠传热；功率器件相互之间以及螺丝和电路板的电气部分之间预留一定的间距，以满足绝缘的要求；
3)驱动电路[2]元件采用中功率三极管构成推挽放大电路，尤其适合驱动大功率器件；驱动信号通过脉冲隔离变压器与功率电路相连，既减小了开关噪声对驱动以及控制电路等的弱电信号的干扰，又使驱动信号之间相互隔离；所有驱动电路均安装在印刷电路板PCB1的正面，既充分利用了模块的几何空间又进一步离远了开关噪声源；
4)控制电路[3]采用专用PWM控制芯片及阻容元件构成，控制脉冲输出信号经过一级CMOS 6缓冲器CD4050的处理，使信号的电流驱动能力进一步提高；保护电路4采用运算放大器构成；二者均安装在印刷电路板PCB2的正面，并和驱动电路2通过连接器CON1和CON2连接，外部连接引线由侧面引出；
输出功率可以从1kW到10kW范围。
2.根据权利要求1所述的基于分立元件的电力电子集成模块的制备，其特征在于：功率电路采用4个IGBT构成全桥电路，4组独立的驱动电路均由中功率三极管BD237/238构成推挽放大电路，分别驱动4个桥臂的IGBT，驱动输出信号通过4个脉冲变压器与主电路隔离；控制电路采用专用PWM芯片UC3875构成移相全桥零电压零电流软开关控制(ZVZCS)，***电路由运算放大器LM324构成电压、电流双闭环平均电流控制模式电路；保护电路采用运算放大器LM324构成输出过压、过流保护。
3.根据权利要求1所述的基于分立元件的电力电子集成模块的制备，其特征在于：功率电路采用4个功率MOSFET构成全桥电路；4组独立的驱动电路均由中功率三极管BD237/238构成推挽放大电路，分别驱动4个桥臂的MOSFET，驱动输出信号通过4个脉冲变压器与主电路隔离；控制电路采用专用PWM芯片UC3875构成移相全桥零电压零电流软开关控制(ZVZCS)，并与***电路共同构成电压、电流双闭环峰值电流控制模式电路；保护电路采用运算放大器LM324构成输出过压、过流保护。
4.根据权利要求1所述的基于分立元件的电力电子集成模块的制备，其特征在于：功率电路采用4个功率MOSFET和4个软恢复二极管构成零电压转换(ZVT)软开关Boost电路；2组独立的驱动电路均由中功率三极管BD237/238构成推挽放大电路，分别驱动主开关和辅助开关的MOSFET；控制电路采用专用PWM芯片UC3854构成电压、电流双闭环平均电流控制模式电路；并用逻辑控制芯片CD4013构成辅助脉冲形成电路。
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