CN220733100U - 一种面向光储充一体化充电站的半导体功率装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种面向光储充一体化充电站的半导体功率装置，应用在功率单元领域，包括功率模块、控制通讯模块、驱动模块、辅助与显示模块与PCB制板，其特征在于，所述功率模块、控制通讯模块、驱动模块、辅助与显示模块均与PCB制板安装，所述PCB制板的底部还安装有正输出端口、保护地端口与负输出端口；本实用新型根据光储充一体化需求将单一的功率模块与通讯、控制、驱动、显示等功能模块组合在一起，减少以往多个PCB制板上布线和焊点的数量，减少体积，更好地适用于光储充一体化充电站***，满足轻量化需求。

Description

一种面向光储充一体化充电站的半导体功率装置

技术领域

本实用新型涉及功率单元领域，特别涉及一种面向光储充一体化充电站的半导体功率装置。

背景技术

光储充一体化充电站由光伏发电、电池储能和充放电三大***组成，并共同连接到公用电网。各***的电压大小与电能形式不同，需要如光伏逆变器、储能变流器、充电桩等转换装置将直流电能与交流电能自由转换。直流变压器作为一种重要电能转换装置，通过高频斩波、变压器隔离、高频整流来实现一种直流电压到与之成正比的另一种或多种直流电压的变换，在光储充一体化充电站中可用于功率传输和电压检测等场合，其中，具体完成电能转换与电能储存的装置就是半导体功率单元，它又是直流变压器的核心部分。

目前，多数半导体功率单元功能模块较少，常包括功率模块、电源模块、驱动模块，其他相关功能模块位于直流变压器的其他单元位置，通过数据线等连接，整体占用体积较大。

同时，在现有技术中，目前各生产商大多数都采用IGBT模块作为功率器件，完成电能由直流电到交流电的转换。功率模块主电路常采用半桥结构，其特点是器件较少、成本较低。为增大直流电压的输出范围，主电路可采用全桥结构，但缺点是器件较多、成本较高、直流侧电压波动较大。

为了解决上述所存在的问题，我们提出一种面向光储充一体化充电站的半导体功率装置。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种面向光储充一体化充电站的半导体功率装置，其优点是体积小、损耗小、成本低。

本实用新型的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种面向光储充一体化充电站的半导体功率装置，包括功率模块、控制通讯模块、驱动模块、辅助与显示模块与PCB制板，其特征在于，所述功率模块、控制通讯模块、驱动模块、辅助与显示模块均与PCB制板安装，所述PCB制板的底部还安装有正输出端口、保护地端口与负输出端口。

采用上述技术方案，通过集成设置出的功率模块、控制通讯模块、驱动模块、辅助与显示模块和PCB制板安装后，能够减小体积、减小损耗、降低成本。

本实用新型进一步设置为：所述功率模块包括贴片电阻、大功率分立IGBT、IGBT散热器、水泥电阻、MOSFE与滤波电容。

采用上述技术方案，通过功率模块的设置，功率模块用于直接参与完成最底层的电能变换，且功率模块的贴片电阻、大功率分立IGBT、IGBT散热器、水泥电阻、MOSFE与滤波电容构成了全桥主电路，全桥主电路分别与驱动模块、正输出端口、保护地端口和负输出端口连接。

本实用新型进一步设置为：所述控制通讯模块包括W7500x微控制器与光纤接口。

采用上述技术方案，控制通讯模块的设置是用于交换机接收上位机的DSP信号。

本实用新型进一步设置为：所述驱动模块包括驱动电路，所述驱动电路由前端电路、选通电路与终端电路组成。

采用上述技术方案，通过驱动模块的设置，驱动模块包括的驱动电路用于接收上位机DSP驱动信号和FPGA驱动信号；而驱动电路的前端电路用于接收信号，处理成互补的两对PWM信号；

选通电路用于选择不同的状态时相应的信号来源；

终端电路用于隔离放大驱动信号；

整个电路根据信号来源的不同分为两个状态：运行状态和非运行状态；

运行状态时，通过光纤接口接收FPGA的驱动信号；

非运行状态时，通过交换机接收DSP的驱动信号。

本实用新型进一步设置为：所述辅助与显示模块包括LED数码管、显示屏、220V端子排、辅助电源和稳压管。

采用上述技术方案，通过辅助与显示模块的设置，辅助与显示模块用于接收W7500x微控制器的驱动信号，按照响应指令在LED数码管和显示屏上显示。

综上所述，本实用新型具有以下有益效果：

1.本实用新型根据光储充一体化需求将单一的功率模块与通讯、控制、驱动、显示等功能模块组合在一起，减少以往多个PCB制板上布线和焊点的数量，减少体积，更好地适用于光储充一体化充电站***，满足轻量化需求；

2、本实用新型通过采用大功率分立IGBT、W7500x微控制器、型号为HIECUBE的辅助电源，稳压管，从器件性能上降低开关损耗、应用损耗和电源损耗；

通过选择大小合适的滤波电容，降低直流电压的纹波影响，使主电路具有良好的整流效果和稳定的波形，使用单相桥式全控整流电路，可以实现输出电流脉动小、功率因数高的效果，降低运行成本；

通过设计驱动电路发出使功率模块中的IGBT可以有序高效的配合的信号，用于控制IGBT的开通和断开，并监测IGBT的故障，保护功率模块元件的正常运行，减少故障损耗，降低维修成本。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图；

图2为本实用新型元件位置示意图；

图3为本实用新型全桥式整流电路拓扑图；

图4为本实用新型前端电路拓扑图；

图5为本实用新型选通电路拓扑图；

图6为本实用新型终端电路拓扑图。

附图标记：1、LED数码管；2、显示屏；3、220V端子排；4、辅助电源；5、贴片电阻；6、大功率分立IGBT；7、IGBT散热器；8、水泥电阻；9、滤波电容；10、W7500x微控制器；11、稳压管；12、驱动电路；13、光纤接口；14、MOSFE；15、功率模块；16、控制通讯模块；17、驱动模块；18、辅助与显示模块；19、PCB制板；20、正输出端口；21、保护地端口；22、负输出端口。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

实施例1：

参考图1、图2和图3，一种面向光储充一体化充电站的半导体功率装置，包括功率模块15、控制通讯模块16、驱动模块17、辅助与显示模块18与PCB制板19，功率模块15、控制通讯模块16、驱动模块17、辅助与显示模块18均与PCB制板19安装，PCB制板19的底部还安装有正输出端口20、保护地端口21与负输出端口22；根据光储充一体化需求将单一的功率模块与通讯、控制、驱动、显示等功能模块组合在一起，减少以往多个PCB制板上布线和焊点的数量，减少体积，更好地适用于光储充一体化充电站***，满足轻量化需求；通过采用大功率分立IGBT、W7500x微控制器、型号为HIECUBE的辅助电源，稳压管，从器件性能上降低开关损耗、应用损耗和电源损耗；通过选择大小合适的滤波电容，降低直流电压的纹波影响，使主电路具有良好的整流效果和稳定的波形，使用单相桥式全控整流电路，可以实现输出电流脉动小、功率因数高的效果，降低运行成本；通过设计驱动电路发出使功率模块中的IGBT可以有序高效的配合的信号，用于控制IGBT的开通和断开，并监测IGBT的故障，保护功率模块元件的正常运行，减少故障损耗，降低维修成本。

进一步的，功率模块15包括贴片电阻5、大功率分立IGBT6、IGBT散热器7、水泥电阻8、MOSFE14与滤波电容9，通过功率模块15的设置，功率模块15用于直接参与完成最底层的电能变换，且功率模块15的贴片电阻5、大功率分立IGBT6、IGBT散热器7、水泥电阻8、MOSFE14与滤波电容9构成了全桥主电路，全桥主电路分别与驱动模块17、正输出端口20、保护地端口21和负输出端口22连接；

具体的，单个功率模块15中，大功率分立IGBT6的数量为四个，滤波电容9的数量为五个；而大功率分立IGBT6兼有高输入阻抗和低导通压降两方面的优点，适合应用于直流电压为600V及以上的变流***，在全桥主电路中，能够降低开关损耗，减少运行成本；

(6)的电压定额考虑到留2-3倍的裕量，所以取U_Tn＝200V；电流定额考虑40℃流过的最大工频正弦半波电流的平均值，所以取I_T(AV)＝85A；开关频率取10kHz；

而滤波电容9考虑直流电压的纹波幅值在可接受范围内，所以取C＞＝0.796mF；

请参阅图3，Q1、Q2、Q3、Q4均为大功率分立IGBT6，C端为集电极，G端为栅极，E端为发射极；

每个全桥主电路包括四个电力电子开关以及五个滤波电容9；MOSFE14的D端为漏极，G端为栅极，S端为源极；

每个电力电子开关都由一个大功率分立IGBT6和一个贴片电阻5并联构成；

Q1的集电极与输入电源连接，栅极与驱动电路12的一路驱动信号连接，发射极与正输出端口20连接；

Q2的集电极与输入电源连接，栅极与另一块驱动电路12的一路驱动信号连接，发射极与负输出端口连接；

Q3的集电极与正输出端口20连接，栅极与驱动电路12的另一路驱动信号连接，发射极与保护地端口连接；

Q4的集电极与负输出端口连接，栅极与另一块驱动电路12的另一路驱动信号连接，发射极与保护地端口21连接；IGBT散热器7与四个大功率分立IGBT6表面直接接触；

五个滤波电容9的正极并联在Q1和Q2的集电极，五个滤波电容9的负极并联在保护地端口21；

MOSFE14的漏极与辅助与显示模块18串联，栅极与贴片电阻5串联，源极与保护地端口21连接，水泥电阻8用于在光储充一体化充电站平台运行完关闭时，释放直流侧电容电压；

通过控制4个电力电子开关的导通或者关断，可以控制功率模块电容的投入或退出，从而控制桥臂电压以及桥臂电流，实现交直流功率变换；一个导通回路中有两个大功率分立IGBT6，采用大功率分立IGBT6同时导通的回路可以有效控制导电，避免续流二极管的使用，从而避免失控现象的发生；同时，该电路具有良好的整流效果和稳定的波形，使用单相桥式全控整流电路，可以实现输出电流脉动小、功率因数高的效果。

进一步的，控制通讯模块16包括W7500x微控制器10与光纤接口13，控制通讯模块16的设置是用于交换机接收上位机的DSP信号；

在该实施例中，W7500x微控制器10通过交换机与上位机连接；光纤接口13的数量为两个，光纤接口13与驱动电路12连接；W7500x微控制器10还分别与稳压管11、LED数码管1、W7500x微控制器10、显示屏2和驱动电路12连接；

且W7500x微控制器10拥有一套全面的省电模式，允许设计低功耗应用程序，也可以通过以减慢***时钟，使得用户可以在时钟未使用时将时钟门控应用到外设以降低功耗；

W7500x微控制器10通过交换机接收上位机的DSP驱动信号，并传入驱动电路12，用于串口设备与以太网交换机之间建立通信通道，使半导体功率单元能够联网，实现远程监控和控制的功能。

进一步的，驱动模块17包括驱动电路12，驱动电路12由前端电路、选通电路与终端电路组成，通过驱动模块17的设置，驱动模块17包括的驱动电路12用于接收上位机DSP驱动信号和FPGA驱动信号；

在该实施例中，驱动电路12输入端在平台状态机启停时接收DSP的驱动信号，在平台状态机启动运行时接收FPGA的驱动信号，输出端与全桥主电路、正输出端口20和保护地端口21连接；

而驱动电路12的前端电路用于接收信号，处理成互补的两对PWM信号；选通电路用于选择不同的状态时相应的信号来源；终端电路用于隔离放大驱动信号；整个电路根据信号来源的不同分为两个状态：运行状态和非运行状态；运行状态时，通过光纤接口13接收FPGA的驱动信号；非运行状态时，通过交换机接收DSP的驱动信号；

整个电路根据信号来源的不同分为两个状态：运行状态和非运行状态。运行状态时，通过光纤接口接收FPGA的驱动信号；非运行状态时，通过交换机接收DSP的驱动信号；

以***运行状态时为例，其工作原理为，请参阅图4：

U1为光纤接口13，U2为或非门，U3为或门；二极管D1、电阻R7、电容C7组成一个RC电路，二极管D2、电阻R8、电容C8组成一个RC电路；C6为直流电源和地之间的0.1uF电容，用于滤波，使电源线和地线之间为低阻抗，电源接近理想电压源；输出端为一对互补的PWM信号PWMA1N和PWMA1P；

请参阅图5：U4为与或门，U5为解码器；C9和C10为直流电源和地之间的0.1uF电容；PWMA1N、PWMA1P、PWMA2N、PWMA2P为来自FPGA的驱动信号，PWMB1N、PWMB1P、PWMB2N、PWMB2P为来自DSP的驱动信号，PWM1N、PWM1P、PWM2N、PWM2P为选通电路输出的驱动信号；

请参阅图6，其中U6为驱动器；输入一对选通电路输出的驱动信号PWM1N、PWM1P；电阻R9和电阻R10为驱动器高压侧逻辑输入端HIN和低压侧逻辑输入端LIN的输入电阻，并经电容C11和电容C12接地；C13和C14为低压侧电源VDD和地端GND和PGND之间的4.7uF电容；启用输入和故障指示输出EN-/FLT经电阻R11与+5V电源相连，经电容C15与地相连；高压侧正电源VB到高压侧负电源VS是高压侧电源电压，并经4.7uF电容C16与正输出端口连接；二极管D3和电阻R13串联再与电阻R12并联组成一个输出电阻，二极管D4和电阻R14串联再与电阻R15并联组成一个输出电阻，高侧栅极驱动器输出HO经过输出电阻发出大功率分立IGBT6Q1的栅极驱动信号，低侧栅极驱动器输出LO经过输出电阻发出大功率分立IGBT6 Q3的栅极驱动信号；该单元针对大功率分立IGBT6进行了优化，为大功率分立IGBT6设计的部件具有不对称欠压锁止电平；

前端电路通过光纤接口13接收来自上位机中FPGA的信号，利用若干基本逻辑或门进行信号处理，将输入信号转变为数字信号，考虑到大功率分立IGBT6并非理想开关元件，故在设计时于前端电路中加入了一种RC电路，使得一对互补大功率分立IGBT6开关管能够在同一时间切换状态，并保持状态互补的关系；前端电路输出的信号输入选通电路，选通电路利用解码器、4个与或门选择FPGA驱动信号，并输入终端电路；终端电路将接收的驱动信号进行隔离放大，从正输出端口输出，传入功率模块Q1的栅极和Q3的栅极中，发出使功率模块中的大功率分立IGBT6可以有序高效的配合的信号，用于控制大功率分立IGBT6的开通和断开，并监测大功率分立IGBT6的故障，保护功率模块元件的正常运行，保证合适的开关频率，具有较强的抗干扰能力，完善了功率回路与控制回路的隔离能力，减少了功率模块故障率和开关损耗。

进一步的，辅助与显示模块18包括LED数码管1、显示屏2、220V端子排3、辅助电源4和稳压管11，通过辅助与显示模块18的设置，辅助与显示模块18用于接收W7500x微控制器10的驱动信号，按照响应指令在LED数码管1和显示屏2上显示；在该实施例中，稳压管11与驱动电路12连接，稳压管11与W7500x微控制器10连接，稳压管11与LED数码管1连接，稳压管11与显示屏2连接，用于输出不同大小的直流电压，为半导体功率单元不同的模块提供不同的工作电源；

其中，选用的辅助电源4型号为HIECUBE，输入电压：85V-265VAC/100V-370VDC，输出电压：5-24V，具有交直流两用和宽输入电压范围的优点，同时还具有高可靠性、低功耗和安全隔离等特性；所选稳压管11的型号为LMR14050，能够在非常小的尺寸内提供高达5A的直流负载电流，具有出色的效率和热性能；在无负载不开关情况下，工作电流一般为40μA；设备关闭时，供电电流一般为1μA；LMR14050在轻负载下实现恒频峰值电流模式控制，以实现高效率，还能够同步到250kHz到2.3MHz频率范围内的外部时钟，这使得设备可以优化到适合较高频率的小板空间，或在较低频率的高效电源转换。

使用过程简述：运行状态时，辅助电源4通过稳压管11为不同模块供电；控制通讯模块16通过交换机接收上位机的DSP信号，W7500芯片经过处理向驱动模块17、辅助与显示模块18发出驱动信号；

驱动模块17的驱动电路12接收上位机DSP驱动信号和FPGA驱动信号，经过判断选通、隔离放大后，将驱动信号传给功率模块15；

功率模块15通过全桥主电路完成电能转化、电能存储；

辅助与显示模块18接收W7500芯片驱动信号，按照响应指令在LED数码管1和显示屏2上显示；停止运行时，辅助电源4关断，功率模块15的水泥电阻8释放直流侧电容电压；

该装置单个功率为1000W，通过串联、并联多个半导体功率单元，实现增大功率，用于在光伏逆变器、储能变流器、充电桩等转换装置上扩容，并实现电能转换与电能存储。

本具体实施例仅仅是对本实用新型的解释，其并不是对本实用新型的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本实用新型的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (1)

1.一种面向光储充一体化充电站的半导体功率装置，包括功率模块(15)、控制通讯模块(16)、驱动模块(17)、辅助与显示模块(18)与PCB制板(19)，其特征在于，所述功率模块(15)、控制通讯模块(16)、驱动模块(17)、辅助与显示模块(18)均与PCB制板(19)安装，所述PCB制板(19)的底部还安装有正输出端口(20)、保护地端口(21)与负输出端口(22)；

所述功率模块(15)包括贴片电阻(5)、大功率分立IGBT(6)、IGBT散热器(7)、水泥电阻(8)、MOSFE(14)与滤波电容(9)；所述控制通讯模块(16)包括W7500x微控制器(10)与光纤接口(13)；

所述驱动模块(17)包括驱动电路(12)，所述驱动电路(12)由前端电路、选通电路与终端电路组成；

所述辅助与显示模块(18)包括LED数码管(1)、显示屏(2)、220V端子排(3)、辅助电源(4)和稳压管(11)。