CN111313733A - 一种低寄生振荡两电平SiC MOSFET H桥主电路拓扑 - Google Patents

一种低寄生振荡两电平SiC MOSFET H桥主电路拓扑 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低寄生振荡两电平SiC MOSFET H桥主电路拓扑，其拓扑由以下部件构成：直流电源Vdc，直流母线电容C，负载电感L，负载电阻R，4个铁氧体磁珠FB1、FB2、FB3、FB4，4个SiC MOSFET M1、M2、M3、M4，4个反并联二极管D1、D2、D3、D4。其中，铁氧体磁珠FB1、SiC MOSFET M1、SiC MOSFET M2、铁氧体磁珠FB2依次串联构成第一个半桥，铁氧体磁珠FB3、SiC MOSFET M3、SiC MOSFET M4、铁氧体磁珠FB4依次串联构成第二个半桥，SiC MOSFET M1和SiC MOSFET M2的中间接负载电感L和负载电阻R并与SiC MOSFET M3和SiC MOSFET M4的中间相连接，直流电源Vdc与直流母线电容C及两个半桥并联。在该拓扑中关键部件磁珠FB1、FB2、FB3、FB4起到了抑制电路寄生振荡的作用。

Description

一种低寄生振荡两电平SiC MOSFET H桥主电路拓扑
技术领域
本发明涉及变换器技术领域，具体为一种低寄生振荡两电平SiC MOSFET H桥主电路拓扑。
背景技术
目前，两电平H桥电路广泛应用于光伏发电、微逆电源等场合中。传统的两电平H桥电路采用Si IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor,绝缘栅双极型晶体管)作为开关器件。但由于Si IGBT性能的不足，两电平H桥电路很难得到进一步发展。相比于Si IGBT，SiC MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,金属氧化物半导体场效应晶体管)作为新型的宽禁带电力电子器件之一，具有工作结温高、电压等级高、开关频率高、开关速度快，开关损耗小等优势。这些优势使得其取代Si IGBT，应用于两电平H桥电路时可以极大地提高电路性能。然而，SiC MOSFET的高速开关性能使其对寄生参数十分敏感，当其直接应用于两电平H桥电路中，会产生剧烈振荡现象，这极大地影响了电路的可靠性。
目前，为了解决剧烈振荡现象，需要对两电平SiC MOSFET H桥电路进行精心的低寄生参数设计。这加大了电路的开发难度与时长，不利于SiC MOSFET在电路中的应用。为此，本发明提出一种低寄生振荡两电平SiC MOSFET H桥主电路拓扑，以解决SiC MOSFET应用于实际电路时的剧烈振荡问题，无需对主电路板及驱动电路板进行高难度的低寄生参数设计，只需要在特定位置加入特定选择的磁珠，便可以实现效果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低寄生振荡两电平SiC MOSFET H桥主电路拓扑，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种低寄生振荡两电平SiC MOSFETH桥主电路拓扑，所述拓扑由以下部件构成：直流电源，直流母线电容，负载电感，负载电阻，4个铁氧体磁珠，分别为第一铁氧体磁珠、第二铁氧体磁珠、第三铁氧体磁珠、第四铁氧体磁珠，4个SiC MOSFET，分别为第一SiC MOSFET、第二SiC MOSFET、第三SiC MOSFET、第四SiCMOSFET，4个反并联二极管，分别为第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管；其中，第一铁氧体磁珠、第一SiC MOSFET、第二SiC MOSFET、第二铁氧体磁珠依次串联构成第一个半桥，所述第三铁氧体磁珠、第三SiC MOSFET、第四SiC MOSFET、第四铁氧体磁珠依次串联构成第二个半桥，所述第一SiC MOSFET和第二SiC MOSFET的中间接负载电感和负载电阻并与第三SiC MOSFET和第四SiC MOSFET的中间相连接，直流电源与直流母线电容及两个半桥并联。
优选的，所述铁氧体磁珠的选择步骤如下：
A、当电路未安装磁珠时，将直流电源设置为低压并运行，测出两电平半桥电路中每一个SiC MOSFET的漏源电压并提取其漏源电压的振荡频率，选用的磁珠在此频率时具有最大阻抗；
B、电路工作在额定状态时磁珠的工作结温TO需小于最大允许结温Tmax，磁珠的工作结温可由下式计算：
TO＝PRθ+TC
其中，Rθ为磁珠的热阻，TC为环境温度，P为额定状态下磁珠的发热量；
P＝I2R0D
其中，R0为该磁珠的直流电阻，D为此磁珠对应的SiC MOSFET的占空比；其中，第一铁氧体磁珠对应第一SiC MOSFET,第二铁氧体磁珠对应第二SiC MOSFET，第三铁氧体磁珠对应第三SiC MOSFET,第四铁氧体磁珠对应第四SiC MOSFET。
优选的，其使用方法包括以下步骤：
A、当第一SiC MOSFET、第四SiC MOSFET由关断状态变为开通状态，第二SiCMOSFET、第三SiC MOSFET由开通状态变为关断状态后，第一SiC MOSFET、第四SiC MOSFET可等效为导线，第一铁氧体磁珠、第四铁氧体磁珠处于饱和状态，第二SiC MOSFET、第三SiCMOSFET可简化为第二电容、第三电容，第一电感、第二电感、第三电感、第四电感为寄生电感，第一电感、第二电感、第三电感、第四电感分别为第一SiC MOSFET、第二SiC MOSFET、第三SiC MOSFET、第四SiC MOSFET的漏极与源极引脚总电感；此时电路中的电流由电源正极流到电感和电感再经过负载电感和负载电阻流到电感，第四电感和第二电感最后流到电源负极构成一个电流回路；
B、此时，电路中有2个振荡回路，以振荡回路1为例，振荡回路1是从电源正极到第一电感和电感再经过电感，第二铁氧体磁珠，第二电容和第二电感最后到电源负极；
未加磁珠时，测得的振荡频率ω0如下式：
Figure BDA0002434758730000031
其中Ltotal为回路中第一电感Ldc1、电感L1、电感L2和电感Ldc2之和；
选择的铁氧体磁珠在频率ω0时具有最大阻抗值，所以第二铁氧体磁珠FB2对回路1中的振荡起到抑制作用；同样的，第三铁氧体磁珠FB3对回路2中的振荡起到了抑制作用；
C、同理，当第一SiC MOSFET、第四SiC MOSFET由开通状态变为关断状态，第二SiCMOSFET、第三SiC MOSFET由关断状态变为开通状态后，此时电路中的第一铁氧体磁珠、第四铁氧体磁珠对抑制电路的寄生振荡起到作用。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明低寄生振荡两电平SiC MOSFET H桥主电路拓扑中关键部件第一铁氧体磁珠FB1、第二铁氧体磁珠FB2、第三铁氧体磁珠FB3、第四铁氧体磁珠FB4的安装位置对所有SiC MOSFET的封装方式都适用。
(2)本发明提出的低寄生振荡两电平SiC MOSFET H桥主电路拓扑不仅能够使开关损耗大幅度减小，而且不需要降低开通速度就能使电路没有剧烈振荡，实现系统振荡、降低损耗、开关速度三者之间的权衡。
(3)本发明提出的低寄生振荡两电平SiC MOSFET H桥主电路拓扑不需要进行高难度的低寄生参数设计，简单方便，成本较低，利于在实际电路中应用。
附图说明
图1为根据本发明一个实施例的低寄生振荡两电平SiC MOSFET H桥主电路拓扑；
图2为根据本发明实施例的低寄生振荡两电平SiC MOSFET H桥主电路等效电路图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-2，本发明提供一种技术方案：一种低寄生振荡两电平SiC MOSFET H桥主电路拓扑，其特征在于：所述拓扑由以下部件构成：直流电源Vdc，直流母线电容C，负载电感L，负载电阻R，4个铁氧体磁珠，分别为第一铁氧体磁珠FB1、第二铁氧体磁珠FB2、第三铁氧体磁珠FB3、第四铁氧体磁珠FB4，4个SiC MOSFET，分别为第一SiC MOSFET M1、第二SiCMOSFET M2、第三SiC MOSFET M3、第四SiC MOSFET M4，4个反并联二极管，分别为第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4；其中，第一铁氧体磁珠FB1、第一SiC MOSFETM1、第二SiC MOSFET M2、第二铁氧体磁珠FB2依次串联构成第一个半桥，所述第三铁氧体磁珠FB3、第三SiC MOSFET M3、第四SiC MOSFET M4、第四铁氧体磁珠FB4依次串联构成第二个半桥，所述第一SiC MOSFET M1和第二SiC MOSFET M2的中间接负载电感L和负载电阻R并与第三SiC MOSFET M3和第四SiC MOSFET M4的中间相连接，直流电源Vdc与直流母线电容C及两个半桥并联。
本发明中，铁氧体磁珠的选择步骤如下：
A、当电路未安装磁珠时，将直流电源Vdc设置为低压(如10V)并运行，测出两电平半桥电路中每一个SiC MOSFET的漏源电压并提取其漏源电压的振荡频率，选用的磁珠在此频率时具有最大阻抗；
B、电路工作在额定状态时磁珠的工作结温TO需小于最大允许结温Tmax，磁珠的工作结温可由下式计算：
TO＝PRθ+TC
其中，Rθ为磁珠的热阻，TC为环境温度，P为额定状态下磁珠的发热量；
P＝I2R0D
其中，R0为该磁珠的直流电阻，D为此磁珠对应的SiC MOSFET的占空比；其中，第一铁氧体磁珠FB1对应第一SiC MOSFET M1,第二铁氧体磁珠FB2对应第二SiC MOSFET M2,第三铁氧体磁珠FB3对应第三SiC MOSFET M3,第四铁氧体磁珠FB4对应第四SiC MOSFET M4。
工作原理：本发明的使用方法包括以下步骤：
A、当第一SiC MOSFET M1、第四SiC MOSFET M4由关断状态变为开通状态，第二SiCMOSFET M2、第三SiC MOSFET M3由开通状态变为关断状态后，第一SiC MOSFET M1、第四SiCMOSFET M4可等效为导线，第一铁氧体磁珠FB1、第四铁氧体磁珠FB4处于饱和状态，第二SiCMOSFET M2、第三SiC MOSFET M3可简化为第二电容C2、第三电容C3，第一电感Ldc1、第二电感Ldc2、第三电感Ldc3、第四电感Ldc4为寄生电感，第一电感Ldc1、第二电感Ldc2、第三电感Ldc3、第四电感Ldc4分别为第一SiC MOSFET M1、第二SiC MOSFET M2、第三SiC MOSFET M3、第四SiCMOSFET M4的漏极与源极引脚总电感；此时电路中的电流由电源Vdc正极流到电感Ldc1和电感L1再经过负载电感L和负载电阻R流到电感L4，第四电感Ldc4和第二电感Ldc2最后流到电源Vdc负极构成一个电流回路；
B、此时，电路中有2个振荡回路，以振荡回路1为例，振荡回路1是从电源Vdc正极到第一电感Ldc1和电感L1再经过电感L2，第二铁氧体磁珠FB2，第二电容C2和第二电感Ldc2最后到电源Vdc负极；
未加磁珠时，测得的振荡频率ω0如下式：
Figure BDA0002434758730000061
其中Ltotal为回路中电感Ldc1、电感L1、电感L2和电感Ldc2之和；
选择的铁氧体磁珠在频率ω0时具有最大阻抗值，所以第二铁氧体磁珠FB2对回路1中的振荡起到抑制作用；同样的，第三铁氧体磁珠FB3对回路2中的振荡起到了抑制作用；
C、同理，当第一SiC MOSFET M1、第四SiC MOSFET M4由开通状态变为关断状态，第二SiC MOSFET M2、第三SiC MOSFET M3由关断状态变为开通状态后，此时电路中的第一铁氧体磁珠FB1、第四铁氧体磁珠FB4对抑制电路的寄生振荡起到作用。
综上所述，本发明低寄生振荡两电平SiC MOSFET H桥主电路拓扑中关键部件第一铁氧体磁珠FB1、第二铁氧体磁珠FB2、第三铁氧体磁珠FB3、第四铁氧体磁珠FB4的安装位置对所有SiC MOSFET的封装方式都适用；本发明提出的低寄生振荡两电平SiC MOSFET H桥主电路拓扑不仅能够使开关损耗大幅度减小，而且不需要降低开通速度就能使电路没有剧烈振荡，实现系统振荡、降低损耗、开关速度三者之间的权衡；本发明提出的低寄生振荡两电平SiC MOSFET H桥主电路拓扑不需要进行高难度的低寄生参数设计，简单方便，成本较低，利于在实际电路中应用。
本发明未详述之处，均为本领域技术人员的公知技术。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (3)

1.一种低寄生振荡两电平SiC MOSFET H桥主电路拓扑，其特征在于：所述拓扑由以下部件构成：直流电源Vdc，直流母线电容C，负载电感L，负载电阻R，4个铁氧体磁珠，分别为第一铁氧体磁珠FB1、第二铁氧体磁珠FB2、第三铁氧体磁珠FB3、第四铁氧体磁珠FB4，4个SiCMOSFET，分别为第一SiC MOSFET M1、第二SiC MOSFET M2、第三SiC MOSFET M3、第四SiCMOSFET M4，4个反并联二极管，分别为第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4；其中，第一铁氧体磁珠FB1、第一SiC MOSFET M1、第二SiC MOSFET M2、第二铁氧体磁珠FB2依次串联构成第一个半桥，所述第三铁氧体磁珠FB3、第三SiC MOSFET M3、第四SiCMOSFET M4、第四铁氧体磁珠FB4依次串联构成第二个半桥，所述第一SiC MOSFET M1和第二SiC MOSFET M2的中间接负载电感L和负载电阻R并与第三SiC MOSFET M3和第四SiC MOSFETM4的中间相连接，直流电源Vdc与直流母线电容C及两个半桥并联。
2.根据权利要求1所述的一种低寄生振荡两电平SiC MOSFET H桥主电路拓扑，其特征在于：所述铁氧体磁珠的选择步骤如下：
A、当电路未安装磁珠时，将直流电源Vdc设置为低压并运行，测出两电平半桥电路中每一个SiC MOSFET的漏源电压并提取其漏源电压的振荡频率，选用的磁珠在此频率时具有最大阻抗；
B、电路工作在额定状态时磁珠的工作结温T0需小于最大允许结温Tmax，磁珠的工作结温可由下式计算：
TO＝PRθ+TC
其中，Rθ为磁珠的热阻，TC为环境温度，P为额定状态下磁珠的发热量；
P＝I2R0D
其中，R0为该磁珠的直流电阻，D为此磁珠对应的SiC MOSFET的占空比；其中，第一铁氧体磁珠FB1对应第一SiC MOSFET M1，第二铁氧体磁珠FB2对应第二SiC MOSFET M2,第三铁氧体磁珠FB3对应第三SiC MOSFET M3,第四铁氧体磁珠FB4对应第四SiC MOSFET M4。
3.实现权利要求1所述的一种低寄生振荡两电平SiC MOSFET H桥主电路拓扑的使用方法，其特征在于：其使用方法包括以下步骤：
A、当第一SiC MOSFET M1、第四SiC MOSFET M4由关断状态变为开通状态，第二SiCMOSFET M2、第三SiC MOSFET M3由开通状态变为关断状态后，第一SiC MOSFET M1、第四SiCMOSFET M4可等效为导线，第一铁氧体磁珠FB1、第四铁氧体磁珠FB4处于饱和状态，第二SiCMOSFET M2、第三SiC MOSFET M3可简化为第二电容C2、第三电容C3，第一电感Ldc1、第二电感Ldc2、第三电感Ldc3、第四电感Ldc4为寄生电感，第一电感Ldc1、第二电感Ldc2、第三电感Ldc3、第四电感Ldc4分别为第一SiC MOSFET M1、第二SiC MOSFET M2、第三SiC MOSFET M3、第四SiCMOSFET M4的漏极与源极引脚总电感；此时电路中的电流由电源Vdc正极流到电感Ldc1和电感L1再经过负载电感L和负载电阻R流到电感L4，第四电感Ldc4和第二电感Ldc2最后流到电源Vdc负极构成一个电流回路；
B、此时，电路中有2个振荡回路，以振荡回路1为例，振荡回路1是从电源Vdc正极到第一电感Ldc1和电感L1再经过电感L2，第二铁氧体磁珠FB2，第二电容C2和第二电感Ldc2最后到电源Vdc负极；
未加磁珠时，测得的振荡频率ω0如下式：
Figure FDA0002434758720000021
其中Ltotal为回路中电感Ldc1、电感L1、电感L2和电感Ldc2之和；
选择的铁氧体磁珠在频率ω0时具有最大阻抗值，所以第二铁氧体磁珠FB2对回路1中的振荡起到抑制作用；同样的，第三铁氧体磁珠FB3对回路2中的振荡起到了抑制作用；
C、同理，当第一SiC MOSFET M1、第四SiC MOSFET M4由开通状态变为关断状态，第二SiCMOSFET M2、第三SiC MOSFET M3由关断状态变为开通状态后，此时电路中的第一铁氧体磁珠FB1、第四铁氧体磁珠FB4对抑制电路的寄生振荡起到作用。
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