CN221177562U - 一种应用中点钳位型三电平单元的功率模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种应用中点钳位型三电平单元的功率模块，涉及功率模块器件技术领域，包括：三相全桥回路，三相全桥回路的输入端连接层叠母排；输出铜排，输出铜排连接三相全桥回路的三相输出端；三相全桥回路包括三个中点钳位型三电平单元，各中点钳位型三电平单元并联，各中点钳位型三电平单元的输出端作为三相全桥回路的三相输出端，各中点钳位型三电平单元的输入端连接作为三相全桥回路的输入端。有益效果是在功率模块中采用了包括三个中点钳位型三电平单元的三相全桥回路，提高了功率模块的输出额定电流，增大了额定容量；通过将中点钳位型三电平单元中的三个子单元采用相同的结构形成模块化子单元并排排列，能够减小功率模块的体积。

Description

一种应用中点钳位型三电平单元的功率模块

技术领域

本实用新型涉及功率模块器件技术领域，尤其涉及一种应用中点钳位型三电平单元的功率模块。

背景技术

自从IGBT被列为国家“02专项”的重点扶持项目，IGBT国产化已成为国家关键半导体器件的发展重点之一，相关产业也进入高速发展阶段。随着国产IGBT品牌的崛起，广阔的IGBT市场中也涌现出一批包括中车时代电气、比亚迪、斯达半导等在内的掌握IGBT核心技术的中国企业，在产业政策和市场需求的驱动下，IGBT国产化进程加速启动。

NPC三电平拓扑最早在80年代被提出，近年来，随着电力电子技术在电力行业的发展，NPC三电平技术开始越来越多的用到各个领域，包括逆变器，储能变流器等都有着广泛的应用。相较于传统两电平,三电平具备输出电压电流波形畸变小、器件开关损耗小、直流电流纹波小等优点,利于减小滤波电路体积、提升***效率,被越来越多地应用到新能源发电及储能等各个领域。但是现在功率模块没有应用中点钳位型三电平单元(NPCI)会有体积大，输出电压电流波形畸变高、器件开关损耗高、直流电流纹波大、效率低等问题。

实用新型内容

针对现有技术中存在的问题，本实用新型提供一种应用中点钳位型三电平单元的功率模块，包括：

三相全桥回路，所述三相全桥回路的输入端连接层叠母排；

输出铜排，所述输出铜排连接所述三相全桥回路的三相输出端；

所述三相全桥回路包括三个所述中点钳位型三电平单元，各所述中点钳位型三电平单元并联，各所述中点钳位型三电平单元的输出端作为所述三相全桥回路的三相输出端，各所述中点钳位型三电平单元的输入端连接作为所述三相全桥回路的输入端。

优选的，所述中点钳位型三电平单元的输入端包括第一输入端、第二输入端和第三输入端，所述三相全桥回路的输入端包括第一输入端、第二输入端和第三输入端，每个所述中点钳位型三电平单元均包括：

第一子单元，所述第一子单元的第一输入端作为所述中点钳位型三电平单元的第一输入端；

第二子单元，所述第二子单元的第一输入端和所述第一子单元的第二输入端连接作为所述中点钳位型三电平单元的所述第二输入端，所述第二子单元的第二输入端作为所述中点钳位型三电平单元的第三输入端；

第三子单元，所述第三子单元的中点作为所述中点钳位型三电平单元的输出端，所述第三子单元的第一输入端连接所述第一子单元的中点，所述第三子单元的第二输入端连接所述第二子单元的中点；

所述中点钳位型三电平单元的第一输入端作为所述三相全桥回路的第一输入端，所述中点钳位型三电平单元的第二输入端作为所述三相全桥回路的第二输入端，所述中点钳位型三电平单元的第三输入端作为所述三相全桥回路的第三输入端。

优选的，所述第一子单元、所述第二子单元和所述第三子单元均包括：

第一绝缘栅双极型晶体管，所述第一绝缘栅双极型晶体管的发射极作为所述第一输入端；

第二绝缘栅双极型晶体管，所述第二绝缘栅双极型晶体管的集电极作为所述第二输入端，所述第一绝缘栅双极型晶体管的集电极和所述第二绝缘栅双极型晶体管的发射极连接作为所述中点。

优选的，还包括第一直流支撑电容和第二直流支撑电容；

所述第一直流支撑电容的一端连接外部电源的负极和所述三相全桥回路的第一输入端；

所述第二直流支撑电容的一端连接所述外部电源的正极和所述三相全桥回路的第二输入端；

所述第一直流支撑电容的另一端和所述第二直流支撑电容的另一端连接所述三相全桥回路的第三输入端。

优选的，相邻的所述中点钳位型三电平单元之间连接有温控开关，各所述温控开关连接散热器。

优选的，所述输出铜排为山字形，所述输出铜排每个峰顶对应连接一个所述中点钳位型三电平单元的输出端。

优选的，所述层叠母排上开设有三个接线口，分别对应所述三相全桥回路的第一输入端、所述三相全桥回路的所述第二输入端和所述三相全桥回路的所述第三输入端。

优选的，所述层叠母排、所述三相全桥回路和所述输出铜排沿第一方向依次连接；

所述三相全桥回路中各所述中点钳位型三电平单元沿垂直于所述第一方向的第二方向并排排列。

优选的，还包括上盖，所述上盖沿所述第二方向盖设于所述各所述中点钳位型三电平单元上。

上述技术方案具有如下优点或有益效果：

1)在功率模块中采用了包括三个中点钳位型三电平(NPCI)单元的三相全桥回路，提高了功率模块的输出额定电流，增大了额定容量，满足了实际要求；

2)通过将中点钳位型三电平(NPCI)单元中的三个子单元采用相同的结构形成模块化子单元并且按照并排排列，能够节省功率模块的体积。

附图说明

图1为本实用新型的较佳的实施例中，一种应用中点钳位型三电平单元的功率模块的结构示意图；

图2为本实用新型的较佳的实施例中，三相全桥回路的等效电路图；

图3为本实用新型的较佳的实施例中，一种应用中点钳位型三电平单元的功率模块的实物结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。本实用新型并不限定于该实施方式，只要符合本实用新型的主旨，则其他实施方式也可以属于本实用新型的范畴。

本实用新型的较佳的实施例中，基于现有技术中存在的上述问题，现提供一种应用中点钳位型三电平单元的功率模块，如图1和图3所示，包括：

三相全桥回路1，三相全桥回路1的输入端连接层叠母排2；

输出铜排3，输出铜排3连接三相全桥回路1的三相输出端；

三相全桥回路1包括三个中点钳位型三电平单元11，各中点钳位型三电平单元11并联，各中点钳位型三电平单元11的输出端作为三相全桥回路1的三相输出端，各中点钳位型三电平单元11的输入端连接作为三相全桥回路1的输入端。

具体的，本实施例中，在功率模块中应用了中点钳位型三电平(NPCI)单元，将三个NPCI型三电平并联作为三相全桥回路；本实用新型中的功率模块包括输入环节、逆变环节、输出环节等部分组成；

其中，输入环节为叠层母排2，外部的储能设备通过外部叠层母排2与功率模块连接，为功率模块提供直流电压；

其中，逆变环节为三相全桥回路1，三相全桥回路1包括三个桥臂，一个中点钳位型三电平单元11为一个桥臂，三个桥臂分别输出U、V、W相；

其中，输出环节为输出铜排3，将三相输出U、V、W合并为一相对外输出；

能够将连接外部的储能设备将存储的能量从直流电经过三相全桥回路进行逆变，变成恒压恒频的交流电为其他设备提供电源。

本实用新型的较佳的实施例中，中点钳位型三电平单元11的输入端包括第一输入端、第二输入端和第三输入端，三相全桥回路的输入端包括第一输入端、第二输入端和第三输入端，每个中点钳位型三电平单元11均包括：

第一子单元111，第一子单元111的第一输入端作为中点钳位型三电平单元11的第一输入端；

第二子单元112，第二子单元112的第一输入端和第一子单元111的第二输入端连接作为中点钳位型三电平单元11的第二输入端，第二子单元112的第二输入端作为中点钳位型三电平单元11的第三输入端；

第三子单元113，第三子单元113的中点作为中点钳位型三电平单元11的输出端，第三子单元113的第一输入端连接第一子单元111的中点，第三子单元113的第二输入端连接第二子单元112的中点；

中点钳位型三电平单元11的第一输入端作为三相全桥回路1的第一输入端，中点钳位型三电平单元11的第二输入端作为三相全桥回路1的第二输入端，中点钳位型三电平单元11的第三输入端作为三相全桥回路1的第三输入端。

本实用新型的较佳的实施例中，第一子单元111、第二子单元112和第三子单元113均包括：

第一绝缘栅双极型晶体管IGBT1，第一绝缘栅双极型晶体管IGBT1的发射极作为第一输入端；

第二绝缘栅双极型晶体管IGBT2，第二绝缘栅双极型晶体管IGBT2的集电极作为第二输入端，第一绝缘栅双极型晶体管IGBT1的集电极和第二绝缘栅双极型晶体管IGBT2的发射极连接作为中点。

具体的，本实施例中，如图2所示，其中以一个中点钳位型三电平单元11为例，可以看出，中点钳位型三电平单元11可以由三个相同的子单元111、112、113组成，每个子单元均包括两个串联的绝缘栅双极型晶体管IGBT1和IGBT2，以此方式可以实现模块化，便于后续维修更换，在本实施例中，有两个IGBT当作二极管使用，所以在图示中用二极管符合代替。

对于每一个中点钳位型三电平单元，作为三相全桥回路中的一个桥臂，均包括6个带二极管的IGBT，其中有两个IGBT当作旁路的钳位二极管使用；

以一个桥臂为例，如图1所示，可以分为上桥臂和下桥臂，每个IGBT的基极均连接外部的控制器实现控制通断，当上桥臂的两个IGBT导通时，图中的A点位的点位与正母线DC+(外部电源的正极)相同为U，此时每个IGBT承受的应力平台电压为U/2；当下桥臂的两个IGBT导通时，图中的A点位的点位与负母线DC-(外部电源的负极)相同为-U，此时每个IGBT承受的应力平台电压为-U/2；当上桥臂第二个IGBT及旁路钳位二极管导通时，该桥臂处于续流状态，A点电位与母线中点N的电位相同为0，从上面描述的三种情况可知，A点电位可呈现U/2、0、-U/2三种电平状态，故称之为三电平。

本实用新型的较佳的实施例中，如图1所示，还包括第一直流支撑电容CA1和第二直流支撑电容CA2；

第一直流支撑电容CA1的一端连接外部电源DC的负极和三相全桥回路的第一输入端；

第二直流支撑电容CA2的一端连接外部电源DC的正极和三相全桥回路的第二输入端；

第一直流支撑电容CA1的另一端和第二直流支撑电容CA2的另一端连接三相全桥回路1的第三输入端。

具体的，本实施例中，两个直流支撑电容CA1、CA2作为储能装置，安装在功率模块外部，通过叠层母排2与功率模块连接，为功率模块提供直流电压，经过三相全桥回路的逆变转换为恒压恒频的交流电输出，在连接有外部电源DC时，直接为功率模块提供直流电，或者外部电源DC对两直流支撑电容充电CA1、CA2储能，随后两直流支撑电容充电CA1、CA2的储能释放为功率模块提供直流电。

本实用新型的较佳的实施例中，如图3所示，相邻的中点钳位型三电平单元11之间连接有温控开关KT1、KT2，各温控开关KT1、KT2连接散热器。

具有的，本实施例中，本实用新型的功率模块还包括温度告警和散热的功能，通过温控开关KT1、KT2对功率模块内部温度进行监视，当内部温度达到设定温度后进行故障报警，通过散热器13(图中未示出)对模块内部热量进行散热，避免温度过高。

本实用新型的较佳的实施例中，如图3所示，输出铜排3为山字形，输出铜排3每个峰顶对应连接一个中点钳位型三电平单元11的输出端。

本实用新型的较佳的实施例中，如图3所示，层叠母排2上开设有三个接线口21，分别对应三相全桥回路1的第一输入端、三相全桥回路1的第二输入端和三相全桥回路1的第三输入端。

具体的，本实施例中，如图3所示，山字形的输出铜排3的三个峰顶分别连接一个中点钳位型三电平单元11的输出端，将三相输出U、V、W合并为一相对外输出，在层叠母排2上开设三个接线口21分别对应三相全桥回路的第一输入端、第二输入端和第三输入端，在连接外部的储能设备时，通过接口快速连接。

本实用新型的较佳的实施例中，如图3所示，层叠母排2、三相全桥回路1和输出铜排3沿第一方向依次连接；

三相全桥回路1中各中点钳位型三电平单元11沿垂直于第一方向的第二方向并排排列。

本实用新型的较佳的实施例中，如图3所示，还包括上盖4，上盖4沿第二方向盖设于各中点钳位型三电平单元11上。

具体的，本实施例中，由于中点钳位型三电平单元11中的三个子单元采用模块化形式集成了两个串联绝缘栅双极型晶体管，如图中的排布方式，将三相全桥回路1中的三个中点钳位型三电平单元11并排排布，将层叠母排2和输出铜排3连接在三相全桥回路1的两端，可以减少整体体积。

以上所述仅为本实用新型较佳的实施例，并非因此限制本实用新型的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本实用新型的保护范围内。

Claims (9)

1.一种应用中点钳位型三电平单元的功率模块，其特征在于，包括：

三相全桥回路，所述三相全桥回路的输入端连接层叠母排；

输出铜排，所述输出铜排连接所述三相全桥回路的三相输出端；

所述三相全桥回路包括三个所述中点钳位型三电平单元，各所述中点钳位型三电平单元并联，各所述中点钳位型三电平单元的输出端作为所述三相全桥回路的三相输出端，各所述中点钳位型三电平单元的输入端连接作为所述三相全桥回路的输入端。

2.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述中点钳位型三电平单元的输入端包括第一输入端、第二输入端和第三输入端，所述三相全桥回路的输入端包括第一输入端、第二输入端和第三输入端，每个所述中点钳位型三电平单元均包括：

第一子单元，所述第一子单元的第一输入端作为所述中点钳位型三电平单元的第一输入端；

第二子单元，所述第二子单元的第一输入端和所述第一子单元的第二输入端连接作为所述中点钳位型三电平单元的所述第二输入端，所述第二子单元的第二输入端作为所述中点钳位型三电平单元的第三输入端；

第三子单元，所述第三子单元的中点作为所述中点钳位型三电平单元的输出端，所述第三子单元的第一输入端连接所述第一子单元的中点，所述第三子单元的第二输入端连接所述第二子单元的中点；

所述中点钳位型三电平单元的第一输入端作为所述三相全桥回路的第一输入端，所述中点钳位型三电平单元的第二输入端作为所述三相全桥回路的第二输入端，所述中点钳位型三电平单元的第三输入端作为所述三相全桥回路的第三输入端。

3.根据权利要求2所述的功率模块，其特征在于，所述第一子单元、所述第二子单元和所述第三子单元均包括：

第一绝缘栅双极型晶体管，所述第一绝缘栅双极型晶体管的发射极作为所述第一输入端；

第二绝缘栅双极型晶体管，所述第二绝缘栅双极型晶体管的集电极作为所述第二输入端，所述第一绝缘栅双极型晶体管的集电极和所述第二绝缘栅双极型晶体管的发射极连接作为所述中点。

4.根据权利要求2所述的功率模块，其特征在于，还包括第一直流支撑电容和第二直流支撑电容；

所述第一直流支撑电容的一端连接外部电源的负极和所述三相全桥回路的第一输入端；

所述第二直流支撑电容的一端连接所述外部电源的正极和所述三相全桥回路的第二输入端；

所述第一直流支撑电容的另一端和所述第二直流支撑电容的另一端连接所述三相全桥回路的第三输入端。

5.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，相邻的所述中点钳位型三电平单元之间连接有温控开关，各所述温控开关连接散热器。

6.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述输出铜排为山字形，所述输出铜排每个峰顶对应连接一个所述中点钳位型三电平单元的输出端。

7.根据权利要求2所述的功率模块，其特征在于，所述层叠母排上开设有三个接线口，分别对应所述三相全桥回路的第一输入端、所述三相全桥回路的所述第二输入端和所述三相全桥回路的所述第三输入端。

8.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述层叠母排、所述三相全桥回路和所述输出铜排沿第一方向依次连接；

所述三相全桥回路中各所述中点钳位型三电平单元沿垂直于所述第一方向的第二方向并排排列。

9.根据权利要求8所述的功率模块，其特征在于，还包括上盖，所述上盖沿所述第二方向盖设于所述各所述中点钳位型三电平单元上。