CN110707906A - 一种基于Si/SiC混合开关的逆变器窄脉冲消除方法 - Google Patents

一种基于Si/SiC混合开关的逆变器窄脉冲消除方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于Si/SiC混合开关的逆变器窄脉冲消除方法，包括：窄脉冲检测方法，采用单极性SPWM时，在过零点和电流峰值区域附近引起的Si IGBT窄脉冲；可变开关策略，完成对所述过零点和所述电流峰值区域附近的Si IGBT窄脉冲的消除，从而提高单相逆变器的性能和可靠性；该方法有效地消除了Si IGBT在过零点和电流峰值区域的窄脉冲，降低了逆变器的开关损耗，提高了逆变器的效率和可靠性。

Description

一种基于Si/SiC混合开关的逆变器窄脉冲消除方法
技术领域
本发明涉及电力电子应用技术领域，具体涉及一种基于Si/SiC混合开关的逆变器窄脉冲消除方法。
背景技术
近年来，以碳化硅(SiC)为代表的宽禁带半导体材料打破了电力电子技术发展的瓶颈，在众多领域得到了广泛的应用。新型宽禁带半导体器件(如SiC MOSFET)因其开关损耗低、开关频率高等特点日益流行。然而SiC MOSFET的价格高于硅(Si)IGBT的价格，导致其应用成本增加，使其在光伏发电、电机驱动、不间断电源等方面的应用受到很大限制。
单极性正弦脉冲宽度调制(SPWM)是单相逆变器应用中应用最广泛的技术。然而，单极性SPWM调制会产生窄脉冲，导致逆变器系统的可靠性降低，开关损耗增大，电流谐波增大。目前，针对开关器件窄脉冲的消除方法很多。直接扩展窄脉冲法是一种常见的方法，通过增加开关器件的脉冲宽度来消除窄脉冲，而这种方法可能会导致正常脉冲的损耗，增加开关损耗和电流失真。直接消除窄脉冲法也是一种常见的方法，然而这种方法会增加电流的谐波含量。
Si/SiC混合开关将SiC MOSFET与Si IGBT并联，使SiC MOSFET充分发挥其开关损耗低的显著优势，从而弥补Si IGBT开关损耗较大的不足，从而在总体上使其功率输出能力达到两种器件之和，而成本远小于同等功率输出能力的全SiC MOSFET。Si/SiC混合开关在成本与性能权衡方面的优势被认为是单相逆变器高效和低成本应用的关键因素。由于SiCMOSFET的开关速度比Si IGBT快得多，且Si/SiC混合开关的门极驱动信号存在Ton_delay和Toff_delay，窄脉冲对SiC MOSFET的影响远小于对Si IGBT的影响。因此通过消除硅IGBT的窄脉冲，可以提高基于硅/硅混合开关的单相逆变器的可靠性。
目前对于消除Si/SiC混合开关窄脉冲的研究很少，已有研究内容并不能达到以简便的方法同时消除过零点和电流峰值区域周围的窄脉冲。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供了一种基于Si/SiC混合开关的逆变器窄脉冲消除方法，消除过零点和电流峰值区域的窄脉冲对Si IGBT的影响。
为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
本发明提供了一种基于Si/SiC混合开关的逆变器窄脉冲消除方法，包括：
窄脉冲检测方法，采用单极性SPWM时，在过零点和电流峰值区域附近引起的SiIGBT窄脉冲；
可变开关策略，完成对所述过零点和所述电流峰值区域附近的Si IGBT窄脉冲的消除，从而提高单相逆变器的性能和可靠性。
进一步，Si/SiC混合开关的窄脉冲出现在所述过零点和所述电流峰值区域附近的判断方法为：
S1、计算单桥臂Si/SiC混合开关的脉冲宽度，
Figure BDA0002228977480000031
式中uc,ur(ur1),andδ(δ′，δc)分别表示载波的幅度、调制波的幅度和脉冲宽度，ts＝1/fs，其中fs表示开关频率，调制比Nm＝ur/uc，Nm1＝ur1/uc；增大开关频率、增大调制波ur和ur1的幅度或减小调制波ur和ur1的幅度，将出现窄脉冲，因此结合上式可以检测出Si/SiC混合开关窄脉冲的位置；
Figure BDA0002228977480000032
或
Figure BDA0002228977480000033
式中tn代表最大窄脉冲宽度；
根据(2)和(3)可知Si/SiC混合开关的窄脉冲将出现在过零点和电流峰值区域附近。
进一步，死区时间会进一步增加了窄脉冲的数量，为了消除Si/SiC混合开关的窄脉冲，还需要考虑Ton_delay,Toff_delay和死区时间；
在所述步骤S2中(2)和(3)的基础上，将Si IGBT窄脉冲的位置计算为：
Figure BDA0002228977480000041
或
Figure BDA0002228977480000042
式中td表示死区时间；
根据(4)和(5)，在所述过零点和所述电流峰值区域也会出现窄脉冲。
进一步，所述可变开关策略包括变开关模式策略和变开关频率策略；所述变开关模式策略包括模式Ⅰ和模式Ⅱ两种不同的开关模式，所述模式Ⅰ中只驱动SiC MOSFET；所述模式Ⅱ中同时驱动SiC MOSFET和Si IGBT，其中，所述SiC MOSFET提前开通并延后关断。
进一步，在所述过零点附近没有检测到窄脉冲时，采用所述模式Ⅱ；在所述过零点附近出现窄脉冲时，所述模式Ⅱ变为所述模式Ⅰ；所述变开关频率策略可扩大电流峰值处SiIGBT的脉冲驱动信号。
进一步，采用所述模式Ⅰ和所述模式Ⅱ来减小在所述过零点或所述电流峰值区域附近的窄脉冲对Si IGBT可靠性的影响；
在所述过零点附近时，无需驱动Si IGBT，此时应采用所述模式Ⅰ；
当Si/SiC混合开关的通态电流大于设定值|I1|时，所述模式Ⅰ变为所述模式Ⅱ。
进一步，随着基波电流的增加，电流纹波将逐渐减小；
假设滤波器电容器输出电压((Uac)的谐波可以忽略，则最佳开关频率曲线可计算为：
Figure BDA0002228977480000051
其中，
Figure BDA0002228977480000052
式(6)和式(7)中，Ts(ωct)是开关频率函数，m是调制比，ΔIrms,req是电流纹波所需的均方根(rms)值，ωc是感应电流的角频率。
根据式(6)和式(7)，可以得到归一化的最佳开关频率、电流纹波c和基本电流；
当所述过零点周围的基波电流变大时，可增加开关频率以减小电流纹波c；
当所述电流峰值区域附近的基波电流变大时，可以降低开关频率，以扩大Si IGBT的脉冲宽度，进而降低开关损耗。
本发明的有益效果为：本发明提供的一种基于Si/SiC混合开关的逆变器窄脉冲消除方法，通过窄脉冲检测方法可以检测单极SPWM引起的Si IGBT窄脉冲(脉冲驱动信号小于Si IGBT完全开通和关断所需要的时间)；变开关模式策略包括模式Ⅰ(独立SiC MOSFET驱动模式)和模式Ⅱ(混合开关模式，SiC MOSFET提前开通并延后关断)，在过零点附近没有检测到Si IGBT的窄脉冲时采用模式Ⅱ，出现窄脉冲时模式Ⅱ变为模式Ⅰ；变开关频率策略可扩大电流峰值处Si IGBT的脉冲驱动信号；
通过窄脉冲检测方法检测Si IGBT窄脉冲，采用可变开关策略，有效地消除SiIGBT在过零点区和电流峰值区域的窄脉冲，提高了单相逆变器的性能和可靠性。
附图说明
图1为本发明Si/SiC混合开关脉冲计算图；
图2为模式Ⅰ的示意图；
图3为模式Ⅱ的示意图；
图4为变开关模式策略的示意图；
图5为变开关频率策略归一化的最佳开关频率、电流纹波和基波电流的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一种实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
一种基于Si/SiC混合开关的逆变器窄脉冲消除方法，其特征在于：包括：
窄脉冲检测方法，采用单极性SPWM时，在过零点和电流峰值区域附近引起的SiIGBT窄脉冲；
可变开关策略，完成对所述过零点和所述电流峰值区域附近的Si IGBT窄脉冲的消除，从而提高单相逆变器的性能和可靠性。
Si/SiC混合开关的窄脉冲出现在所述过零点和所述电流峰值区域附近的判断方法为：
S1、计算单桥臂Si/SiC混合开关的脉冲宽度，
Figure BDA0002228977480000071
式中uc,ur(ur1),andδ(δ′，δc)分别表示载波的幅度、调制波的幅度和脉冲宽度，ts＝1/fs，其中fs表示开关频率，调制比Nm＝ur/uc，Nm1＝ur1/uc；增大开关频率、增大调制波ur和ur1的幅度或减小调制波ur和ur1的幅度，将出现窄脉冲，因此结合上式可以检测出Si/SiC混合开关窄脉冲的位置；
Figure BDA0002228977480000072
或
Figure BDA0002228977480000073
式中tn代表最大窄脉冲宽度；
如图1所示，根据(2)和(3)可知Si/SiC混合开关的窄脉冲将出现在过零点和电流峰值区域附近。
由于，死区时间会进一步增加了窄脉冲的数量，为了消除Si/SiC混合开关的窄脉冲，还需要考虑Ton_delay,Toff_delay和死区时间；
在所述步骤S2中(2)和(3)的基础上，将Si IGBT窄脉冲的位置计算为：
Figure BDA0002228977480000081
或
式中td表示死区时间；
根据(4)和(5)，在所述过零点和所述电流峰值区域也会出现窄脉冲。
所述可变开关策略包括变开关模式策略和变开关频率策略；所述变开关模式策略包括模式ⅠS1和模式ⅡS2两种不同的开关模式，所述模式Ⅰ中只驱动SiC MOSFET；所述模式Ⅱ中同时驱动SiC MOSFET和Si IGBT，其中，所述SiC MOSFET提前开通并延后关断。
如图4所示，在所述过零点附近没有检测到窄脉冲时，采用所述模式ⅡS2；在所述过零点附近出现窄脉冲时，所述模式ⅡS2变为所述模式ⅠS1；所述变开关频率策略可扩大电流峰值处Si IGBT的脉冲驱动信号。
采用所述模式ⅠS1和所述模式ⅡS2来减小在所述过零点或所述电流峰值区域附近的窄脉冲对Si IGBT可靠性的影响；
在所述过零点附近时，无需驱动Si IGBT，此时应采用所述模式Ⅰ(仅驱动SiCMOSFET)；
如图2所示和图3所示，当Si/SiC混合开关的通态电流大于设定值|I1|时，所述模式Ⅰ变为所述模式Ⅱ(混合开关模式，SiC MOSFET提前开通并延后关断)，以实现Si IGBT的零电压开启和零电压关闭，使得Si/SiC混合开关的开关损耗最小化。
因降低电流峰值区域附近的开关频率时不会导致电流纹波的大幅度增加，可通过降低开关频率来扩大Si IGBT的脉冲宽度，即合适的开关频率曲线是防止Si IGBT在电流峰值区域(Si/SiC混合开关的通态电流大于|I2|的区域)出现窄脉冲的关键。
随着基波电流的增加，电流纹波将逐渐减小；
假设滤波器电容器输出电压((Uac)的谐波可以忽略，则最佳开关频率曲线可计算为：
其中，
Figure BDA0002228977480000092
式(6)和式(7)中，Ts(ωct)是开关频率函数，m是调制比，ΔIrms,req是电流纹波c所需的均方根(rms)值，ωc是感应电流的角频率，如图5。
根据式(6)和式(7)，可以得到归一化的最佳开关频率、电流纹波和基本电流；
当所述过零点周围的基波电流变大时，可增加开关频率以减小电流纹波S3；如图5所示，小电流纹波S3的两侧为大电流纹波S4。
当所述电流峰值区域附近的基波电流变大时，可以降低开关频率，以扩大Si IGBT的脉冲宽度，进而降低开关损耗。由于电流纹波的变化很小，单相逆变器的功率密度不会降低。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种基于Si/SiC混合开关的逆变器窄脉冲消除方法，其特征在于：包括：
窄脉冲检测方法，采用单极性SPWM时，在过零点和电流峰值区域附近引起的Si IGBT窄脉冲；
可变开关策略，完成对所述过零点和所述电流峰值区域附近的Si IGBT窄脉冲的消除，从而提高单相逆变器的性能和可靠性。
2.根据权利要求1所述的一种基于Si/SiC混合开关的逆变器窄脉冲消除方法，其特征在于，Si/SiC混合开关的窄脉冲出现在所述过零点和所述电流峰值区域附近的判断方法为：
S1、计算单桥臂Si/SiC混合开关的脉冲宽度，
式中uc,ur(ur1),andδ(δ′，δc)分别表示载波的幅度、调制波的幅度和脉冲宽度，ts＝1/fs，其中fs表示开关频率，调制比Nm＝ur/uc，Nm1＝ur1/uc；增大开关频率、增大调制波ur和ur1的幅度或减小调制波ur和ur1的幅度，将出现窄脉冲，因此结合上式可以检测出Si/SiC混合开关窄脉冲的位置；
或
Figure FDA0002228977470000022
式中tn代表最大窄脉冲宽度；
根据(2)和(3)可知Si/SiC混合开关的窄脉冲将出现在过零点和电流峰值区域附近。
3.根据权利要求2所述的一种基于Si/SiC混合开关的逆变器窄脉冲消除方法，其特征在于：死区时间会进一步增加了窄脉冲的数量，为了消除Si/SiC混合开关的窄脉冲，还需要考虑Ton_delay,Toff_delay和死区时间；
在所述步骤S2中(2)和(3)的基础上，将Si IGBT窄脉冲的位置计算为：
或
Figure FDA0002228977470000024
式中td表示死区时间；
根据(4)和(5)，在所述过零点和所述电流峰值区域也会出现窄脉冲。
4.根据权利要求1所述的一种基于Si/SiC混合开关的逆变器窄脉冲消除方法，其特征在于：所述可变开关策略包括变开关模式策略和变开关频率策略；所述变开关模式策略包括模式Ⅰ和模式Ⅱ两种不同的开关模式，所述模式Ⅰ中只驱动SiC MOSFET；所述模式Ⅱ中同时驱动SiC MOSFET和Si IGBT，其中所述SiC MOSFET提前开通并延后关断。
5.根据权利要求4所述的一种基于Si/SiC混合开关的逆变器窄脉冲消除方法，其特征在于：在所述过零点附近没有检测到窄脉冲时，采用所述模式Ⅱ；在所述过零点附近出现窄脉冲时，所述模式Ⅱ变为所述模式Ⅰ；所述变开关频率策略可扩大电流峰值处Si IGBT的脉冲驱动信号。
6.根据权利要求5所述的一种基于Si/SiC混合开关的逆变器窄脉冲消除方法，其特征在于：采用所述模式Ⅰ和所述模式Ⅱ来减小在所述过零点或所述电流峰值区域附近的窄脉冲对Si IGBT可靠性的影响；
在所述过零点附近时，无需驱动Si IGBT，此时应采用所述模式Ⅰ；
当Si/SiC混合开关的通态电流大于设定值|I1|时，所述模式Ⅰ变为所述模式Ⅱ。
7.根据权利要求6所述的一种基于Si/SiC混合开关的逆变器窄脉冲消除方法，其特征在于：随着基波电流的增加，电流纹波将逐渐减小；
假设滤波器电容器输出电压((Uac)的谐波可以忽略，则最佳开关频率曲线a可计算为：
Figure FDA0002228977470000041
其中，
Figure FDA0002228977470000042
式(6)和式(7)中，Ts(ωct)是开关频率函数，m是调制比，ΔIrms,req是电流纹波所需的均方根(rms)值，ωc是感应电流的角频率。
根据式(6)和式(7)，可以得到归一化的最佳开关频率、电流纹波和基本电流；
当所述过零点周围的基波电流b变大时，可增加开关频率以减小电流纹波；
当所述电流峰值区域附近的基波电流b变大时，可以降低开关频率，以扩大Si IGBT的脉冲宽度，进而降低开关损耗。
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