[发明专利]可阵列控制的智能半桥开关模块及其控制方法

说明书

本发明公开了可阵列控制的智能半桥开关模块及其控制方法，在将传统IGBT功率模块内IGBT芯片分成阵列的同时给每个芯片的二极管支路增加了一个电子开关，电子开关可以选用MOSFET。增加的电子开关使得在二极管导通和关断也可控，在二极管支路续流过程中通过对各个二极管支路的分别控制使得其承受的电流应力变得平滑，减小了由于电应力波动对二极管造成的冲击和损耗，增加了功率模块的使用寿命，进一步提高了功率模块自由度和应用灵活性。

技术领域

本发明属于功率模块技术领域，具体涉及可阵列控制的智能半桥开关模块。

背景技术

伴随电力系统高渗透率可再生能源接入和高度电力电子化的发展趋势，大功率电力电子变换器在电力系统中的应用日益广泛，其可靠性问题直接影响系统的性能和运行维护成本。为追求更好的传输性能，电力电子变换器的运行环境日趋复杂，宽范围电流应力波动工作环境将引起电力电子变换器中IGBT功率模块承受深度结温循环，进而导致模块损坏。

目前市场中应用最广的传统IGBT功率模块有存在以下问题：

1、IGBT功率模块内部并联的IGBT芯片导通和关断受同一驱动信号控制，无法根据负载状况灵活调整，并联的二极管在续流过程中也全部导通，不跟随负载变化，使得内部IGBT芯片电流和二极管电流跟随负载电流产生大幅波动，承受较高的热应力循环，芯片极易受损，降低了IGBT功率模块的可靠性和使用寿命；

2、IGBT功率模块输出低功率时，内部所有IGBT芯片仍然同时导通和关断，产生大量开关损耗，使得系统效率低；

3、IGBT功率模块内各芯片在开通过程中存在不均流现象，导致在长期运行条件下IGBT 功率模块内部损耗不均，部分芯片老化失效更快，模块整体使用效率降低。

发明内容

为解决上述问题，本发明通过改进IGBT功率模块和控制方法，提出阵列控制的智能半桥开关模块及其控制方法，新型功率模块中IGBT芯片可以分时分区控制，大大提高了系统的自由度，新型模块可以在低功率时，仅有部分IGBT芯片工作，减小模块损耗，提高系统效率。

为达到上述目的，本发明可阵列控制的智能半桥开关模块，包括固定式芯片组，固定式芯片组包括2n个IGBT芯片，两个串联的IGBT芯片组成一个IGBT芯片单元，每个IGBT芯片由一个IGBT和一个二极管并联而成，二极管支路串接有一个电子开关，每个IGBT芯片有三个控制信号，分别为：IGBT门极G控制信号、射极E控制信号以及电子开关的控制信号，所述IGBT门极G控制信号、射极E控制信号以及电子开关的控制信号均由逻辑分配器控制； 2n个IGBT芯片两两串联组成n个IGBT芯片单元，n个IGBT芯片单元并联形成阵列，阵列的上半桥臂的IGBT芯片基极接正DC源，上半桥臂的IGBT芯片发射极和下半桥臂的IGBT 芯片的基极均接输出端口，下半桥臂的IGBT芯片的射极接负DC源。

进一步的，还包括可配置式芯片组，可配置式芯片组包括若干个并联的IGBT芯片，每个 IGBT芯片包括一个IGBT和与其并联的二极管；可配置式芯片组的每个IGBT芯片的基极由一个双向开关与正DC源和交流输出端相连，发射极由另一个双向开关与负DC源和交流输出相连。

进一步的，可配置式芯片组中的二极管所在支路串接有一个电子开关。

进一步的，串联二极管支路中的电子开关为金属-氧化物半导体场效应晶体管。

一种上述的可阵列控制的智能半桥开关模块的控制方法，根据半桥开关模块的带载状态，来确定投入的IGBT芯片单元的数量，半桥开关模块所带负载越大，投入的IGBT芯片单元越多。

进一步的，当需要投入IGBT芯片单元时，选择电流应力小的IGBT芯片单元导通。

进一步的，将芯片导通区域划分为N种，根据半桥开关模块所带的负载大小，来确定芯片导通区域。