CN110601523A - 一种逆变器、控制方法及计算机设备 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电子器件领域技术领域，具体涉及本发明一种逆变器、控制方法及计算机设备，包括顺次连接的直流源、半桥逆变拓扑、低通滤波器和负载，半桥逆变拓扑包括混合器件，所述混合器件由Si IGBT和高频功率器件并联组成；以及与半桥逆变拓扑信号连接，用以对逆变器进行控制的控制单元；本发明通过由Si IGBT和高频功率器件并联组成混合器件，当IGBT或MOSFET发生开路故障时，需采用合适的容错控制策略，即通过降压、降频、改变占空比或停机，以防止逆变器性能和可靠性的进一步恶化或损毁；从而达到提高逆变器性能和内部电力电子器件故障的冗余能力，同时能避免电力电子器件工作结温过高并进一步提高逆变器的使用寿命。

Description

一种逆变器、控制方法及计算机设备
技术领域
本发明属于电子器件领域技术领域，具体涉及一种逆变器、控制方法及计算机设备。
背景技术
电力电子器件是逆变器的核心部分，决定了逆变器的性能和可靠性。随着电力电子技术的发展，以及电力电子装置应用场合越来越复杂，小型化、轻量化变成了电力电子装置发展的趋势，这对电力电子器件的开关损耗以及开关频率提出了更为苛刻的要求。然而，受限于材料特性所决定的性能理论极限，硅（Si）基IGBT的开关频率能力越来越难以满足高功率密度电力电子装置的需求。高压Si超结MOSFET（如CoolMOS）、SiC MOSFET和GaN HEMT器件或相应功率模块的出现有效的解决了这些问题，因其具有极低的导通电阻和更快开关速度,在某些变换器应用场合已然出现了取代Si IGBT的趋势。
然而，受限于昂贵的半导体材料和功率开关器件制程工艺的复杂性，导致高压Si超结MOSFET（如CoolMOS）、SiC MOSFET和GaN HEMT器件或功率模块的价格极其高昂，目前行业面临的一个挑战是如何以较低的成本制造高性能电力电子器件来实现高效节能的变换器。
发明内容
针对以上Si CoolMOS、SiC MOSFET和GaN HEMT等器件成本较高的问题，本发明旨在提供一种应用IGBT和MOSFET并联组成混合器件的高效节能的逆变器。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种逆变器，包括顺次连接的直流源、半桥逆变拓扑、低通滤波器和负载，所述半桥逆变拓扑包括混合器件，所述混合器件由Si IGBT和高频功率器件并联组成；以及与所述半桥逆变拓扑信号连接，用以对逆变器进行控制的控制单元。
进一步的，所述高频功率器件包括但不限于Si基CoolMOS、SiC MOSFET、GaN HEMT。
作为进一步改进，所述混合器件为分立结构或功率模块结构。
一种逆变器控制方法，包括
S1、检测混合器件是否发生故障，如果是则进入下一步骤，若否则在预设时间后重新进行检测；
S2、判断混合器件故障类型，若为短路故障是则切断电源停机处理；若为开路故障则进入下一步骤；
S3、判断开路故障形式是IGBT故障还是高频功率器件，并根据开路故障形式选择对应的控制模式；所述高频功率器件为MOSFET。
进一步的，若开路故障为IGBT故障且负载电流Io小于MOSFET额定电流I1max时；MOSFET的驱动模式和开关频率与健康状态下的恒定控制策略相同， IGBT的驱动信号设为低电平。
作为一种改进，若开路故障为IGBT故障且负载电流Io大于MOSFET额定电流I1max时，降低输出电压以降低负载电流，使Io≤ I1max；同时，IGBT的极驱动信号设为低电平。
进一步的，若开路故障为MOSFET故障且负载电流I o 远小于IGBT额定电流I 2max 时，扩展其脉冲宽度。
作为进一步改进，若开路故障为MOSFET故障且负载电流I o 小于IGBT额定电流I 2max 时，即降低开关频率，扩展脉冲宽度。
作为更进一步改进，若开路故障为MOSFET故障且负载电流I o 大于IGBT额定电流I 2max 时，降低输出电压以降低负载电流，同时降低开关频率，并扩展脉冲宽度。
一种计算机设备，具有处理器和存储器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行上述任一项所述的逆变器控制方法的步骤。
本发明一种逆变器、控制方法及计算机设备，通过由Si IGBT和高频功率器件并联组成混合器件，当IGBT或MOSFET发生开路故障时，需采用合适的容错控制策略，即通过降压、降频、改变占空比或停机，以防止逆变器性能和可靠性的进一步恶化或损毁；从而达到提高逆变器性能和内部电力电子器件故障的冗余能力，同时能避免电力电子器件工作结温过高并进一步提高逆变器的使用寿命。
附图说明
图1是本发明逆变器逻辑结构示意图；
图2是本发明逆变器控制方法流程示意图；
图3是本发明逆变器Si IGBT开路故障示意图；
图4是本发明逆变器Si IGBT短路故障示意图；
图5是本发明逆变器SiC MOSFET开路故障示意图；
图6是本发明逆变器SiC MOSFET短路故障示意图；
图7是本发明不同容错控制模式分类示意图。
具体实施方式
以下结合图1-7具体说明本发明提供的一种逆变器、控制方法及计算机设备。
本发明以基于IGBT/MOSFET混合器件的三相逆变器为例，如图1所示，包括顺次连接的直流源、半桥逆变拓扑、低通滤波器和负载，所述半桥逆变拓扑包括混合器件，所述混合器件由Si IGBT和高频功率器件并联组成；以及与所述半桥逆变拓扑信号连接，用以对逆变器进行控制的控制单元。其中，直流源给三相逆变器提供稳定的直流电，三相半桥逆变拓扑可实现直流电到交流电的转换，低通滤波器采用一阶低通滤波器（LC低通滤波器）。
进一步的，所述高频功率器件选择开关损耗更低、开关速度更快的功率器件，包括但不限于Si基CoolMOS、SiC MOSFET、GaN HEMT。
作为进一步改进，所述混合器件为分立结构或功率模块结构。所述分立结构和功率模块在封装上存在差异；其中分立结构的混合器件为两个分开独立封装的不同类型功率器件，在并联组成的混合器件；而功率模块结构的混合器件为将两种不同类型功率器件集成到一个封装内同时并联组成的混合器件。
为保证任何器件故障后不过多降低系统性能，所有器件的额定电压必须一样，额定电流可根据具体应用场合选择大小。GIGBT、GMOSFET、Sn(n=1, 2,…, 8)、fn (n=1, 2)和Wn(n=1, 2,…, 5)分别表示IGBT的驱动信号、MOSFET的驱动信号、IGBT和MOSFET的不同驱动模式、不同开关频率以及不同脉冲宽度。不同的驱动模式有着不同的开关频率和脉冲宽度，能驱动IGBT和MOSFET在故障后继续稳定可靠运行。其中IGBT由S1，S2，S3，S4或S5等驱动模式进行驱动，MOSFET由S6，S7或S8等驱动模式进行驱动。
如图3-6所示，混合器件故障后的冗余拓扑，其中，Tn（n = 1, 4）代表混合器件。
如图3所示，当T1中IGBT开路故障时，MOSFET仍连接到主电路，这意味着正向导通电流，即负载电流，可流过MOSFET，且续流电流可流过MOSFET的体二极管或沟道。
如图4所示，当T1中IGBT短路故障时，正向导通电流包括短路电流和负载电流。此时，短路电流急剧增大，最终会损坏逆变单元。
如图5所示，当T1中MOSFET开路故障时，IGBT和MOSFET的体二极管仍连接到主电路，这意味着正向导通电流，即负载电流，可流过IGBT，且续流电流可流过MOSFET的体二极管。
如图6所示，当T1中MOSFET短路障时，正向导通电流包括短路电流和负载电流。此时，短路电流急剧增大，最终会损坏逆变单元。
通过分析上述混合器件故障情况，如图1所示，本发明还提出一种逆变器控制方法，包括
S1、检测混合器件是否发生故障，如果是则进入下一步骤，若否则在预设时间后重新进行检测；
S2、判断混合器件故障类型，若为短路故障是则切断电源停机处理，并等待故障器件替换和重启检测信号；若为开路故障则进入下一步骤；
S3、判断开路故障形式是IGBT故障还是高频功率器件，并根据开路故障形式选择对应的控制模式，并等待故障器件替换和重启检测信号；其中，所述高频功率器件为MOSFET。
具体的
正常状态时，IGBT和MOSFET分别由驱动模式S2和S7驱动。
当判断开路故障为IGBT故障且负载电流Io小于MOSFET额定电流I1max时；逆变单元的效率、电压质量和可靠性不受IGBT故障的影响， MOSFET的驱动模式和开关频率与健康状态下的恒定控制策略相同，IGBT的驱动信号设为低电平。如图1和图7所示，IGBT和MOSFET分别由驱动模式S1和S7驱动。
当判断开路故障为IGBT故障且负载电流Io大于MOSFET额定电流I 1max 时，由于过电流将降低MOSFET的可靠性甚至造成损坏，为提高MOSFET的可靠性，可降低输出电压以降低负载电流，使I o ≤ I 1max ；同时，IGBT的极驱动信号设为低电平。如图1和图7所示，IGBT和MOSFET分别由驱动模式S1和S8驱动。
当判断开路故障为MOSFET故障且负载电流I o 远小于IGBT额定电流I 2max 时，即逆变单元空载工作时，由于故障混合器件中仅存在IGBT，且存在T on_delay 和T off_delay ，因此，故障混合器件的脉冲宽度小于健康状态下的脉冲宽度，这也意味着死区时间的增加，从而导致逆变单元电压畸变率增加。为降低逆变单元电压畸变率，故障混合器件中T on_delay 和T off_delay 设置为0，扩展其脉冲宽度。如图1和图7所示，IGBT和MOSFET分别由驱动模式S3和S6驱动。
当判断开路故障为MOSFET故障负载电流I o 小于IGBT额定电流I 2max 时，故障混合器件的开关损耗增加，且逆变单元电压畸变率也有所增加。为降低关损耗和电压畸变率，应降低开关频率，并设故障混合器件中T on_delay 和T off_delay 为0；即降低开关频率，扩展脉冲宽度。如图1和图7所示，IGBT和MOSFET分别由驱动模式S4和S6驱动。
当判断开路故障为MOSFET故障且负载电流I o 大于IGBT额定电流I 2max 时，由于过电流会降低IGBT的可靠性，甚至损坏它。为提高其可靠性，可降低输出电压以降低负载电流，使I o ≤I 2max ；为降低开关损耗，应降低开关频率；为降低电压畸变率，故障混合器件中T on_delay 和T off_delay 设为0；即降低输出电压以降低负载电流，同时降低开关频率，并扩展脉冲宽度。如图1和图7所示，IGBT和MOSFET分别由驱动模式S5和S6驱动。
一种计算机设备，具有处理器和存储器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行上述任一项所述的逆变器控制方法的步骤。
本发明一种逆变器、控制方法及计算机设备，通过由Si IGBT和高频功率器件并联组成混合器件，当IGBT或MOSFET发生开路故障时，需采用合适的容错控制策略，即通过降压、降频、改变占空比或停机，以防止逆变器性能和可靠性的进一步恶化或损毁；从而达到提高逆变器性能和内部电力电子器件故障的冗余能力，同时能避免电力电子器件工作结温过高并进一步提高逆变器的使用寿命。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种逆变器，包括顺次连接的直流源、半桥逆变拓扑、低通滤波器和负载，其特征在于，所述半桥逆变拓扑包括混合器件，所述混合器件由Si IGBT和高频功率器件并联组成；以及与所述半桥逆变拓扑信号连接，用以对逆变器进行控制的控制单元。
2.如权利要求1所述的逆变器，其特征在于，所述高频功率器件包括但不限于Si基CoolMOS、SiC MOSFET、GaN HEMT。
3.如权利要求1所述的逆变器，其特征在于，所述混合器件为分立结构或功率模块结构。
4.一种逆变器控制方法，其特征在于，包括
S1、检测混合器件是否发生故障，如果是则进入下一步骤，若否则在预设时间后重新进行检测；
S2、判断混合器件故障类型，若为短路故障是则切断电源停机处理；若为开路故障则进入下一步骤；
S3、判断开路故障形式是IGBT故障还是高频功率器件，并根据开路故障形式选择对应的控制模式；所述高频功率器件为MOSFET。
5.如权利要求4所述的逆变器控制方法，其特征在于，若开路故障为IGBT故障且负载电流Io小于MOSFET额定电流I1max时；MOSFET的驱动模式和开关频率与健康状态下的恒定控制策略相同， IGBT的驱动信号设为低电平。
6.如权利要求4所述的逆变器控制方法，其特征在于，若开路故障为IGBT故障且负载电流Io大于MOSFET额定电流I1max时，降低输出电压以降低负载电流，使Io ≤ I1max；同时，IGBT的极驱动信号设为低电平。
7.如权利要求4所述的逆变器控制方法，其特征在于，若开路故障为MOSFET故障且负载电流I o 远小于IGBT额定电流I 2max 时，扩展其脉冲宽度。
8.如权利要求4所述的逆变器控制方法，其特征在于，若开路故障为MOSFET故障且负载电流I o 小于IGBT额定电流I 2max 时，即降低开关频率，扩展脉冲宽度。
9.如权利要求4所述的逆变器控制方法，其特征在于，若开路故障为MOSFET故障且负载电流I o 大于IGBT额定电流I 2max 时，降低输出电压以降低负载电流，同时降低开关频率，并扩展脉冲宽度。
10.一种计算机设备，其特征在于，具有处理器和存储器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如权利要求4~9任一项所述的逆变器控制方法的步骤。
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