CN109861571A - 一种改善SiC逆变器可靠性的驱动方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种改善SiC逆变器可靠性的驱动方法与系统，其属于使用主动驱动电路调节SiC逆变器各功率单元中功率器件结温的方法，具体通过包括低频判断、结温均衡控制和结温平滑控制的步骤1～7计算出所需的结温温升和电路参数，从而提升或降低逆变器中SiC器件结温，此外该方法和系统可以对任意功率器件进行独立调节。本发明的优点在于，通过SiC逆变器稳定运行时进行结温均衡控制，能降低散热条件最差的功率器件的平均结温，同时在逆变器低输出频率运行时进行结温平滑控制，降低所有功率器件的结温波动，从而提高整机的寿命和可靠性。

Description

一种改善SiC逆变器可靠性的驱动方法与系统

技术领域

本发明属于逆变器功率模块热管理领域，具体涉及一种改善SiC逆变器可靠性的驱动方法与系统。

背景技术

相对于传统硅基器件，碳化硅(SiC)功率器件的主要优点是工作温度高、导通电阻小、开关速度更快。使用SiC功率器件可以有效降低逆变器的损耗和散热需求，提高功率密度和效率，可广泛应用于新能源、电机驱动和电动汽车等领域。

功率器件的可靠性是逆变器的重要指标，现有研究表明，导致SiC功率器件失效的最主要原因之一是过热失效。平均结温越高，结温波动越大，SiC功率器件的老化速度就越快，其有效寿命就越短。

在风机变流系统和电动汽车应用中，负载频率会随着风速或电动汽车频繁启停，SiC逆变器频繁以低频大电流模式运行。逆变器低频运行时会产生非常大的结温波动，恶化功率器件的寿命和可靠性。

此外，在多功率器件SiC逆变器中，每个功率器件与主回路相关联的寄生参数、驱动延迟与散热条件等都不完全相同，则每个器件的工作结温与寿命也不完全相同。SiC逆变器整机寿命取决于寿命最短的功率器件，因此可以通过平衡各个功率器件的结温，提高整个逆变器的寿命。

目前控制结温的方法主要有散热条件控制法、变开关频率法、调制策略控制法、动态电压调节法和电流限幅法。然而，上述SiC功率器件的结温控制方法存在如下的缺陷：

1)散热条件控制法无法适用于被动散热系统或不可控散热系统，且无法对每个功率器件的结温独立控制。

2)变开关频率法只能改变单相桥臂的开关损耗，如果仅对一个功率器件进行变开关频率调节，会产生桥臂直通现象。

3)动态电压调节法仅适用于包含DC-DC模块的逆变系统，且调制比较高时，直流电压调节裕量较小，仅适用于低调制比区域。

4)调制策略控制法可以独立控制每个功率器件的结温，但是由于需要对开通或关断状态进行补偿，会产生比普通调制方法更大的谐波失真(THD)。

5)电流限幅法可以控制器件的结温，但会使得输出功率也受到限制，影响系统的工作性能。

6)栅极电流控制法可以改变器件的开关损耗，无法对导通损耗进行调节，灵活性较低。例如发明专利CN104765300A---《基于驱动电路自适应调节的功率模块热管理装置及方法》中就是通过三极管电流控制电路改变IGBT的栅极电流，以控制结温，其未考虑多个功率器件温度不均衡问题，只是对结温波动有所抑制。

发明内容

(一)要解决的技术问题

基于此，本发明提供了一种改善SiC逆变器可靠性的驱动方法与系统，其属于使用主动驱动电路调节SiC逆变器中各功率器件结温的方法，可以对任意功率器件进行独立调节。该SiC逆变器稳定运行时进行结温均衡控制，降低散热条件最差的功率器件的平均结温；同时在逆变器低输出频率(低频)运行时进行结温平滑控制，降低所有功率器件的结温波动，从而提高整机的寿命和可靠性。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提出了一种改善SiC逆变器可靠性的驱动方法，包括以下步骤：

步骤1：获取每个功率器件的实时结温T_j，i

计算各个功率器件的实时结温T_j，i，并保存最大结温T_max，i，最小结温T_min，i及平均结温T_m，i至存储器中，其中下标i代表SiC逆变器的多个功率器件中的第i个功率器件；

步骤2：低频判断

由输出电流频率判断SiC逆变器是否运行于低输出频率，如果是，则执行步骤3的结温平滑控制，否则跳过步骤3执行步骤4的结温均衡控制；

步骤3：结温平滑控制

保持功率器件升温阶段的结温不变，降温阶段通过增加结温ΔT_ctrl，来降低总结温波动，以提高功率循环次数N_f，首先根据步骤1中记录的结温分别计算出所有功率器件最大结温的平均值T_max，all与最小结温的平均值T_min，all：

然后，根据设定的最小功率循环次数N_f，min，通过数值算法计算降温阶段结温最小值T_f，其满足公式：

A与α是器件相关常数，通常由实验测得，E_a为激活能量常数，取7.8×10⁴J/mol，k_B为玻尔兹曼常量，其值为8.314J/(mol·K)；

最后根据实时结温T_j，i计算每个功率器件所需温升：

ΔT_ctrl，i＝T_f-T_j，i

得出每个功率器件的温升ΔT_ctrl，i后，执行步骤5；

步骤4：结温均衡控制

通过降低散热条件最差的功率器件的平均结温，提高功率循环次数N_f，根据步骤1中保存的每个功率器件的平均结温T_m，i，计算所有功率器件平均结温的平均值T_m，all：

以温度T_m，all作为目标温度计算每个功率器件所需的温升ΔT_ctrl，i，

ΔT_ctrl，i＝T_m，all-T_m，r

ΔT_ctrl，i为正值时器件升温，为负数时器件降温；

步骤5：计算各功率器件所需的芯片损耗P_s；

步骤6：计算门极电压V_g和门极电阻R_g；

步骤7：主动驱动电路工作

控制主动驱动电路动作，改变驱动电压或切换驱动电阻，以改变功率器件的损耗实现结温控制。

进一步的，在所述步骤1中，基于结温检测电路，再根据热敏电参数法或热阻抗网络法，在DSP控制器中计算各个功率器件的实时结温T_j，i。

进一步的，在所述步骤5中，结温T_j由芯片损耗P_s产生，通过驱动电路改变芯片损耗P_s即可实现对结温的控制，根据每个功率器件的热阻参数Z_ja，i和该器件上一次计算的芯片损耗P_last，i，计算各功率器件所需损耗P_s，i为：

P_s，i＝ΔT_ctrl，i/Z_ja，iP_s，i＝ΔT_ctrl，i/Z_ja，i+P_last，i

各功率器件的热阻参数Z_ja，i可由实验或有限元仿真获得，计算后将此次计算结果保存为P_last，i。

进一步的，在所述步骤6中，芯片损耗P_s包含导通损耗P_cond和开关损耗P_sw：

P_s＝P_cond+P_sw

导通损耗P_cond可由导通电阻R_ds，on与输出电流有效值I_rms计算：

P_cond＝R_ds，on×I_rms ²

可由功率器件输出特性曲线可以得到不同驱动电压下的R_ds，on；

功率器件的开关损耗包含开通损耗E_on与关断损耗E_off，开关总损耗P_sw估算如下：

其中f_sw为开关频率，V_dc为直流输入电压，I_g为门极驱动电流，V_drive为驱动电压，R_g为门极电阻，门极电荷Q_g、阈值电压V_th和内部门极电阻R_g，int由模块数据手册提供；根据公式计算各功率器件门极驱动所需的门极电压V_g和门极电阻R_g，如果超出最大/最小取值范围，则取最大/最小值。

进一步的，在所述步骤7中，所述主动驱动电路在传统驱动电路中还加入了有源控制元件，并具体通过DSP控制主动驱动电路动作。

此外，本发明公开了一种改善SiC逆变器可靠性的驱动系统，所述系统包括：

至少一个处理器；以及

与所述处理器通信连接的至少一个存储器，其中：

所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行上述任一项所述的改善SiC逆变器可靠性的驱动方法。

此外，本发明公开了一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行上述任一项所述的改善SiC逆变器可靠性的驱动方法。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：该方法通过主动驱动电路对SiC逆变器每个功率器件的结温精确控制，结温较高的器件降低损耗，结温低的器件增加损耗，使各功率器件的平均结温均衡，结温均衡控制一方面可以降低散热条件最差的功率器件的平均结温，提高整机寿命和可靠性，另一方面使每个功率器件的平均结温趋于平衡，电气性能的一致性得以提升，有利于功率器件的串并联，适合大功率多电平逆变器应用。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1为本发明控制系统的原理框图；

图2为三相SiC逆变器功率单元布局图；

图3为平均结温和结温波动对功率器件寿命的影响的示意图；

图4为提高可靠性SiC逆变器控制策略流程图；

图5为主动驱动电路示意图；

图6为低频运行时功率器件的结温波动曲线图；

图7(a)-7(b)为结温均衡控制前后各功率器件平均结温对比曲线图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

本发明适用于包含多个功率器件的SiC逆变器，例如单相或多相并联/串联的SiC逆变器，图1为其控制系统原理框图，图2为以三相SiC逆变器为例的功率单元布局图。

三相SiC逆变器通常由6个开关单元构成，且为获得较大的功率通常每个开关单元又会采取多个SiC器件并联的方式，如图2所示。在一个逆变器中，每个功率器件与主回路相关联的寄生参数、驱动延迟与散热条件等都不完全相同，则每个器件的工作结温与寿命也不完全相同。SiC逆变器整机寿命取决于寿命最短的功率器件，因此可以通过平衡各个功率器件的结温，提高整个逆变器的寿命。

(1)器件寿命与结温的关系：

由于功率器件材料与封装材料的热膨胀系数不同，当平均结温较高或温度波动较大时，材料之间产生的压缩或拉伸会使功率器件产生疲劳累计失效。衡量器件可靠性的重要指标是功率循环总次数N_f，其Coffin-Manson-Arrhenius模型为：

其中T_m为器件平均结温，ΔT为结温波动，A与a是器件相关常数，通常由实验测得，E_a为激活能量常数，取7.8×10⁴J/mol，k_B为玻尔兹曼常量，其值为8.314J/(mol·K)。

图3是根据Coffin-Manson-Arrhenius模型绘制的平均温度和温度波动对功率循环次数的影响曲线，可以看出平均结温和结温波动影响器件运行寿命，且结温波动对器件运行寿命影响更大。因此为了提高器件可靠性，必须把两者结合考虑，应该在减小温度波动的同时，也降低平均温度，提高器件的功率循环次数。

(2)提高SiC逆变器可靠性控制策略：

本发明提出一种提高SiC逆变器可靠性的驱动方法与系统，由结温检测模块实时获取SiC逆变器中各个功率器件的结温，再通过主动驱动电路动态调节每个功率器件的损耗实现器件结温控制。

图4为本发明的实施流程图，具体实施步骤说明如下：

步骤1：获取每个功率器件的实时结温T_j，i：

基于结温检测电路，再根据热敏电参数法或热阻抗网络法，在DSP控制器中计算各个功率器件的实时结温T_j，i，并保存最大结温T_max，i，最小结温T_min，i及平均结温T_m，i至存储器中，其中下标i代表逆变器多个功率器件中的第i个功率器件；

步骤2：低频判断：

由输出电流频率判断SiC逆变器是否运行于低输出频率，如果是则执行步骤3的结温平滑控制，否则跳过步骤3的结温平滑控制来执行步骤4的结温均衡控制；

步骤3：结温平滑控制：

保持功率器件升温阶段的结温不变，降温阶段通过增加结温ΔT_ctrl，来降低总结温波动，以提高功率循环次数N_f，首先根据步骤1中记录的结温分别计算出所有功率器件最大结温的平均值T_max，all与最小结温的平均值T_min，all：

然后根据设定的最小功率循环次数N_f，min，通过数值算法计算降温阶段结温最小值T_f，其满足公式：

A与α是器件相关常数，通常由实验测得，E_a为激活能量常数，取7.8×10⁴J/mol，k_B为玻尔兹曼常量，其值为8.314J/(mol·K)；

最后根据实时结温T_j，i计算每个功率器件所需温升：

ΔT_ctrl，i＝T_f-T_j，i

得出每个功率器件的温升ΔT_ctrl，i后，执行步骤5；

步骤4：结温均衡控制：

通过降低散热条件最差的功率器件的平均结温，提高功率循环次数N_f，根据步骤1中保存的每个功率器件的平均结温T_m，i，计算所有功率器件平均结温的平均值T_m，all：

以温度T_m，all作为目标温度计算每个功率器件所需的温升ΔT_ctrl，i，

ΔT_ctrl，i＝T_m，all-T_m，i

ΔT_ctrl，i为正值时器件升温，为负数时器件降温；

步骤5：计算各功率器件所需的芯片损耗P_s：

结温T_j由芯片损耗P_s产生，通过驱动电路改变芯片损耗P_s即可实现对结温的控制，根据每个功率器件的热阻参数Z_ja，i和该器件上一次计算的芯片损耗P_last，i，计算各功率器件所需损耗P_s，i为：

P_s，i＝ΔT_ctrl，i/Z_ja，iP_s，i＝ΔT_ctrl，i/Z_ja，i+P_last，i

各功率器件的热阻参数Z_ja，i可由实验或有限元仿真获得，计算后将此次计算结果保存为P_last，i；

步骤6：计算门极电压V_g和门极电阻R_g：

芯片损耗P_s包含导通损耗P_cond和开关损耗P_sw：

P_s＝P_cond+P_sw

导通损耗P_cond可由导通电阻R_ds，on与输出电流有效值I_rms计算：

P_cond＝R_ds，on×I_rms ²

可由功率器件输出特性曲线可以得到不同驱动电压下的R_ds，on；

功率器件的开关损耗包含开通损耗E_on与关断损耗E_off，开关总损耗P_sw估算如下：

其中f_sw为开关频率，V_dc为直流输入电压，I_g为门极驱动电流，V_drive为驱动电压，R_g为门极电阻，门极电荷Q_g、阈值电压V_th和内部门极电阻R_g，int由模块数据手册提供；

根据公式计算各功率器件门极驱动所需的门极电压V_g和门极电阻R_g，如果超出最大/最小取值范围，则取最大/最小值；

步骤7：主动驱动电路工作：

如图5所示，主动驱动电路在传统驱动电路中加入了有源控制元件，通过DSP控制主动驱动电路动作，改变驱动电压或切换驱动电阻，以改变功率器件损耗实现结温控制。

此外，本发明结合图3、图6和图7(a)7(b)说明了该驱动方法与控制策略具备所述的优点：

其中，图6是SiC逆变器低频运行结温变化图，在未加入结温平滑控制时，结温波动达到了50℃左右。加入结温平滑控制后，功率器件升温阶段的结温基本不变，降温阶段通过提升平均结温T_m10℃使得温度循环周期内的结温波动减少到了30℃。功率器件的工作点由图3中的#1移动到工作点#2，功率循环次数N_f增加，提高了整机寿命与可靠性。

在多SiC功率器件的逆变器中，整机寿命取决于功率循环次数N_f最低的功率器件。当逆变器以额定工况稳定运行时，各功率器件的结温波动差异较小，则各器件寿命(或N_f)的差异主要受平均结温的差异影响，即整机的寿命由最高平均结温的功率器件决定。

通过主动驱动电路对每个功率器件的结温精确控制，结温较高的器件降低损耗，结温低的器件增加损耗，使各功率器件的平均结温均衡，如图7(a)7(b)所示。结温均衡控制一方面可以降低散热条件最差的功率器件的平均结温，提高整机寿命，另一方面使每个功率器件的平均结温趋于平衡，电气性能的一致性得以提升，有利于功率器件的串并联，适合大功率多电平SiC逆变器的应用。该驱动方法的步骤1-7分别可以通过功能模块实现，或者也可以整体通过一个功能模块实现，还可以通过非暂态计算机可读存储介质存储的计算机指令来实现，其通过硬件实现的方式不限于上述列出的几种方式。

此外，需要强调的是，本发明的驱动方法和系统特别适用于电动汽车领域，因为电动汽车在启动时由于转速较低，会进行一段时间的低频运行，故需要本发明的步骤2来判断各个功率器件的运行状态，从而通过步骤34来计算各功率器件的额外温升ΔT_ctrl，i，从而合理提升或降低结温来提高器件的寿命。

虽然上述描述中结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (7)

1.一种改善SiC逆变器可靠性的驱动方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：获取每个功率器件的实时结温T_j，i

计算各个功率器件的实时结温T_j，i，并保存最大结温T_max，i，最小结温T_min，i及平均结温T_m，i至存储器中，其中下标i代表SiC逆变器的多个功率器件中的第i个功率器件；

步骤2：低频判断

由输出电流频率判断SiC逆变器是否运行于低输出频率，如果是，则执行步骤3的结温平滑控制，否则跳过步骤3执行步骤4的结温均衡控制；

步骤3：结温平滑控制

保持功率器件升温阶段的结温不变，降温阶段通过增加结温ΔT_ctrl，来降低总结温波动，以提高功率循环次数N_f，首先根据步骤1中记录的结温分别计算出所有功率器件最大结温的平均值T_max，all与最小结温的平均值T_min，all：

然后，根据设定的最小功率循环次数N_f，min，通过数值算法计算降温阶段结温最小值T_f，其满足公式：

A与a是器件相关常数，通常由实验测得，E_a为激活能量常数，取7.8×10⁴J/mol，k_B为玻尔兹曼常量，其值为8.314J/(mol·K)；

最后根据实时结温T_j，i计算每个功率器件所需温升：

ΔT_ctrl，i＝T_f-T_j，i

得出每个功率器件的温升ΔT_ctrl，i后，执行步骤5；

步骤4：结温均衡控制

通过降低散热条件最差的功率器件的平均结温，提高功率循环次数N_f，根据步骤1中保存的每个功率器件的平均结温T_m，i，计算所有功率器件平均结温的平均值T_m，all：

以温度T_m，all作为目标温度计算每个功率器件所需的温升ΔT_ctrl，i，

ΔT_ctrl，i＝T_m，all-T_m，i

ΔT_ctrl，i为正值时器件升温，为负数时器件降温。

步骤5：计算各功率器件所需的芯片损耗P_s；

步骤6：计算门极电压V_g和门极电阻R_g；

步骤7：主动驱动电路工作

控制主动驱动电路动作，改变驱动电压或切换驱动电阻，以改变功率器件的损耗实现结温控制。

2.根据权利要求1所述的驱动方法，其特征在于，在所述步骤1中，基于结温检测电路，再根据热敏电参数法或热阻抗网络法，在DSP控制器中计算各个功率器件的实时结温T_j，i。

3.根据权利要求1所述的驱动方法，其特征在于，在所述步骤5中，结温T_j由芯片损耗P_s产生，通过驱动电路改变芯片损耗P_s即可实现对结温的控制，根据每个功率器件的热阻参数Z_ja，i，和该器件上一次计算的芯片损耗P_last，i，计算各功率器件所需损耗P_s，i为：

P_s，i＝ΔT_ctrl，i/Z_ja，i

P_s，i＝ΔT_ctrl，i/Z_ja，i+P_last，i

各功率器件的热阻参数Z_ja，i可由实验或有限元仿真获得，计算后将此次计算结果保存为P_last，i。

4.根据权利要求1所述的驱动方法，其特征在于，在所述步骤6中，芯片损耗P_s包含导通损耗P_cond和开关损耗P_sw：

P_s＝P_cond+P_sw

导通损耗P_cond可由导通电阻R_ds，on与输出电流有效值I_rms计算：

P_cond＝R_ds，on×I_rms ²

可由功率器件输出特性曲线可以得到不同驱动电压下的R_ds，on；

功率器件的开关损耗包含开通损耗E_on与关断损耗E_off，开关总损耗P_sw估算如下：

其中f_sw为开关频率，V_dc为直流输入电压，I_g为门极驱动电流，V_drive为驱动电压，R_g为门极电阻，门极电荷Q_g、阈值电压V_th和内部门极电阻R_g，int由模块数据手册提供；根据公式计算各功率器件门极驱动所需的门极电压V_g和门极电阻R_g，如果超出最大/最小取值范围，则取最大/最小值。

5.根据权利要求1所述的驱动方法，其特征在于，在所述步骤7中，所述主动驱动电路在传统驱动电路中还加入了有源控制元件，并具体通过DSP控制主动驱动电路动作。

6.一种改善SiC逆变器可靠性的驱动系统，其特征在于，包括：

至少一个处理器；以及

与所述处理器通信连接的至少一个存储器，其中：

所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行如权利要求1至5任一项所述的改善SiC逆变器可靠性的驱动方法。

7.一种非暂态计算机可读存储介质，其特征在于，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行如权利要求1至5任一项所述的改善SiC逆变器可靠性的驱动方法。