CN105958804A - 一种SiC/Si混合并联开关器件及其优化控制方法 - Google Patents

一种SiC/Si混合并联开关器件及其优化控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种SiC/Si混合并联开关器件及其优化控制方法，包括连接于开关器件的输入端和输出端之间的SiC器件组及并联连接于SiC器件组两端的Si器件组；所述SiC器件组由m个SiC器件并联组成，其中m为1以上的正整数；所述Si器件组由n个Si器件并联组成，其中n为1以上的正整数；根据所述开关器件的输入端和输出端之间负载电流大小，控制SiC器件组和Si器件组开通或关断。本发明可最大程度的减小功率变换器的损耗，提高过载工作能力，扩大混合并联器件的安全工作区；并且，在提高功率变换器功率处理能力的同时使得功率器件的损耗尽可能小，同时降低系统的损耗和成本，并满足功率变换器的过载要求。

Description

一种SiC/Si混合并联开关器件及其优化控制方法
技术领域
本发明涉及一种SiC/Si混合并联开关器件及其优化控制方法，属于功率开关器件的技术领域。
背景技术
近年来，SiC器件以其导通电阻低、开关速度快、耐高温高压等优势成为提高功率变换器效率和功率密度的理想器件。然而，与Si器件相比，SiC器件的成本较高，全SiC器件大功率变换器会大大增加系统的成本。
许多重要场合中对功率变换器都有过载要求，例如在UPS电源中，典型的过载要求为150%过载运行10s到60s，2倍过载运行10到20个周期。SiC器件与Si器件相比，由于SiC器件的管芯较小，其过载能力较低。有研究人员提出采用SiC器件与Si器件混合并联的思路，在负载电流较小时仅让SiC器件导通，负载电流较大时仅让Si器件导通。但对于这种开关模式，并未能充分利用SiC器件开关速度快的优势，不能有效减小混合并联器件的开关损耗。
因此，现有技术中的功率开关器件无法实现开关器件的混合，开关器件的功率损耗大、过载工作能力低，无法实现高效地变换控制。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种SiC/Si混合并联开关器件及其优化控制方法，解决现有功率开关器件无法实现开关器件的混合，开关器件的功率损耗大、过载工作能力低的问题。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种SiC/Si混合并联开关器件，包括连接于开关器件的输入端和输出端之间的SiC器件组及并联连接于SiC器件组两端的Si器件组；所述SiC器件组由m个SiC器件并联组成，其中m为1以上的正整数；所述Si器件组由n个Si器件并联组成，其中n为1以上的正整数；根据所述开关器件的输入端和输出端之间负载电流大小，控制SiC器件组和Si器件组开通或关断。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述每个SiC器件由SiC MOSFET管和二极管并联连接组成。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述每个Si器件由Si IGBT管和二极管并联连接组成。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述开关器件的额定电流及电压等于所替代的器件的电流及电压。
此外，本发明还提出一种SiC/Si混合并联开关器件的优化控制方法，该方法具体包括步骤：
获取开关器件中所有SiC器件和Si器件在通态电压相等条件下的电流临界值I1；
获取开关器件中所有SiC器件在安全工作区内的边界负载电流值之和I2，且所获取的负载电流值之和I2 大于所获取的电流临界值I1 ；
确定所述开关器件的输入端和输出端之间负载电流i L并将其与所得电流临界值I1、边界负载电流值之和I2分别对比，根据对比结果控制SiC器件和Si器件开通或关断以获得开关器件的工作模式。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述开关器件的工作模式具体为，
当负载电流i L小于所获取电流临界值I1时，控制所有SiC器件开通或关断，且Si器件一直保持关断状态；
当负载电流i L大于所获取电流临界值I1且负载电流i L小于所获取负载电流值之和I2时，控制Si器件开通后再控制SiC器件开通，且控制Si器件关断后再控制SiC器件关断；
当负载电流i L大于所获取负载电流值之和I2时，控制SiC器件开通后再控制Si器件开通，且控制SiC器件关断后再控制Si器件关断。
本发明采用上述技术方案，能产生如下技术效果：
本发明提供的一种SiC/Si混合并联开关器件及其优化控制方法，充分利用SiC和Si功率器件各自的导通和开关特性，形成混合并联式的混合开关器件，通过优化控制方法对混合并联开关器件的开关模式进行优化，最大程度的减小功率变换器的损耗，提高过载工作能力，扩大混合并联器件的安全工作区；并且，在提高功率变换器功率处理能力的同时使得功率器件的损耗尽可能小，同时降低系统的损耗和成本，并满足功率变换器的过载要求。
从而使得本发明能够有效减小功率器件的开关损耗，从导通损耗和开关损耗两方面优化开关模式，提高变换器的效率。
附图说明
图1是本发明的SiC/Si混合并联开关器件示意图。
图2是本发明的Si和SiC器件的输出特性对比图。
图3（a）是本发明的Si和SiC器件的开通状态的损耗对比图；图3（b）是本发明的Si和SiC器件的关断状态的损耗对比图。
图4是本发明的基于SiC/Si混合并联开关器件开关模式优化的示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图，对本发明的实施方式进行描述。
如图1所示，本发明提出了一种SiC/Si混合并联开关器件，包括连接于开关器件的输入端和输出端之间的SiC器件组及并联连接于SiC器件组两端的Si器件组；其目的是将相同电流等级的待替代的Si基开关器件或其并联开关器件由m个SiC器件和n个Si器件构成的混合并联开关器件来代替，并通过优化控制方法对混合并联开关器件的开关模式进行优化。
具体地，所述SiC器件组由m个SiC器件并联组成，其中m为1以上的正整数；所述Si器件组由n个Si器件并联组成，其中n为1以上的正整数；进一步地，对于开关器件中，所述每个SiC器件可以由SiC MOSFET管和二极管并联连接组成，由多个SiC器件之间并联后形成SiC器件组连接在开关器件的输入端和输出端；以及，所述每个Si器件可以由Si IGBT管和二极管并联连接组成，由多个Si器件之间并联后形成Si器件组，且同样连接在开关器件的输入端和输出端，使其并联连接于SiC器件组的两端。根据所述开关器件的输入端和输出端之间负载电流大小，控制SiC器件组和Si器件组开通或关断。其中，电路中所述开关器件的额定电流及电压等于所替代的器件的电流及电压，例如，对于一个定额为500A/1200V的待替代的全Si 器件可采用1个额定为100A/1200V的SiC器件和4个100A/1200V 的Si 器件构成的混合并联开关器件来代替。
由所述Si器件和SiC器件的导通压降与负载电流的关系不同，因此为了减小混合并联开关器件的导通损耗，可根据负载电流情况灵活选择使SiC器件导通、Si器件导通或SiC器件和Si器件都导通。而且与Si器件相比，SiC器件的开关速度快，开关损耗低，因此在SiC器件和Si器件都开关动作时，可以通过优化控制使得开关管工作在硬开关或软开关工作模式下，SiC器件的损耗比Si器件小，让其承受硬开关可以减小损耗，以SiC器件承受硬开关，而使Si器件软开关工作，从而有效减小功率器件的开关损耗，从导通损耗和开关损耗两方面优化开关模式，提高变换器的效率。
同时，本发明还提出一种SiC/Si混合并联开关器件的优化控制方法，该方法基于混合并联开关器件，可用于上述的混合并联开关器件中，即方法基于的混合并联开关器件可以包括连接于开关器件的输入端和输出端之间的SiC器件组及并联连接于SiC器件组两端的Si器件组，本方法具体优化控制包括如下步骤：
步骤1、获取开关器件中所有SiC器件和Si器件在通态电压相等条件下的电流临界值I1；如图2所示，将Si和SiC器件的输出特性曲线置于同一坐标系中比较所得交点的纵坐标即为电流临界值I1，该输出特性曲线是指漏极电流和漏源极电压的关系曲线，且是取决于器件本身。其中，当负载电流小于电流临界值I1时，SiC器件的通态电压值小于Si器件；当负载电流大于电流临界值I1时，SiC器件的通态电压值大于Si器件。
步骤2、 获取开关器件中所有SiC器件在安全工作区内的边界负载电流值之和I2，且所获取的负载电流值I2大于所获取的电流临界值I1 ；如图3（a）和图3（b）所示，将Si和SiC器件的开通和关断过程中的损耗对比，可以得出SiC器件相比于Si器件具有更小的开通和关断损耗，其中边界负载电流值之和I2为SiC器件在安全工作区内的边界负载电流值，由SiC器件本身的电流定额决定。
步骤3、确定所述开关器件的输入端和输出端之间负载电流i L并将其与所得电流临界值I1、边界负载电流值之和I2分别对比，如图4所示，根据对比结果控制SiC器件和Si器件开通或关断以获得开关器件的工作模式。
本发明所述的优化控制方法将混合并联开关器件的工作模式按照负载电流等级分为了三个工作模式。即根据负载电流的瞬时值，控制选择SiC/Si混合并联开关器件的工作模式，以此来减小半导体的损耗，确保器件的安全工作以及满足系统过载要求，具体实施如下：
1. 轻载情况下，当负载电流i L小于所获取电流临界值I1时，采用工作模式1，即只有SiC器件进行开通或关断，Si器件一直保持关断状态。如图2和图3（a）、图3（b）所示，在此负载电流区域内，SiC器件的导通损耗和开关损耗都比Si开关器件小。因此，在轻载情况下仅开通、关断SiC开关器件，可以大大减小混合并联结构开关器件中半导体的损耗，从而提高轻载效率。
2. 当负载电流范围为：电流临界值I1<负载电流大小i L ≤SiC器件的负载电流值之和I2，采用工作模式2。在这种模式中，每个开关周期下，SiC器件总是在Si开通后开通，且也总在Si器件关断后再关断。由于负载电流i L大于电流临界值I1，需要Si器件开通，与SiC器件共同承载负载电流，以减小总的导通损耗。另外，这种工作模式保证了Si器件的零点压开通和关断，因此，所有的开关损耗都由SiC器件产生，而相同电流时，SiC器件的开关损耗比Si基开关器件小得多。
3. 当负载电流i L>所获取负载电流值之和I2时，采用工作模式3，即在每个开关周期下，Si器件总在SiC器件开通后开通，并在SiC器件关断后才关断，以确保SiC器件的安全工作区以及满足系统过载要求。
由此，通过优化控制方法对混合并联开关器件的开关模式进行优化，能有效地减小开关器件的开关损耗、导通损耗等，提高功率变换器的效率，确保器件的安全工作并满足系统过载要求。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (6)

1.一种SiC/Si混合并联开关器件，其特征在于，包括连接于开关器件的输入端和输出端之间的SiC器件组及并联连接于SiC器件组两端的Si器件组；所述SiC器件组由m个SiC器件并联组成，其中m为1以上的正整数；所述Si器件组由n个Si器件并联组成，其中n为1以上的正整数；根据所述开关器件的输入端和输出端之间负载电流大小，控制SiC器件组和Si器件组开通或关断。
2. 根据权利要求1所述SiC/Si混合并联开关器件，其特征在于：所述每个SiC器件由SiC MOSFET管和二极管并联连接组成。
3. 根据权利要求1所述SiC/Si混合并联开关器件，其特征在于：所述每个Si器件由SiIGBT管和二极管并联连接组成。
4.根据权利要求1所述SiC/Si混合并联开关器件，其特征在于：所述开关器件的额定电流及电压等于所替代的器件的电流及电压。
5.一种SiC/Si混合并联开关器件的优化控制方法，其特征在于，包括步骤：
获取开关器件中所有SiC器件和Si器件在通态电压相等条件下的电流临界值I1；
获取开关器件中所有SiC器件在安全工作区内的边界负载电流值之和I2，且所获取的负载电流值之和I2 大于所获取的电流临界值I1；
确定所述开关器件的输入端和输出端之间负载电流i L并将其与所得电流临界值I1、边界负载电流值之和I2分别对比，根据对比结果控制SiC器件和Si器件开通或关断以获得开关器件的工作模式。
6.根据权利要求5所述SiC/Si混合并联开关器件的优化控制方法，其特征在于：所述开关器件的工作模式具体为：
当负载电流i L小于所获取电流临界值I1时，控制所有SiC器件开通或关断，且Si器件一直保持关断状态；
当负载电流i L大于所获取电流临界值I1且负载电流i L小于所获取负载电流值之和I2时，控制Si器件开通后再控制SiC器件开通，且控制Si器件关断后再控制SiC器件关断；
当负载电流i L大于所获取负载电流值之和I2时，控制SiC器件开通后再控制Si器件开通，且控制SiC器件关断后再控制Si器件关断。
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