CN111682741A - 一种开关电路的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种针对并联全控型开关器件开关电路的控制方法，通过驱动开关时序设计，无级调节并联开关管的开通、关断损耗来调整每个开关管的总体损耗，进而使并联的多个开关管的结温温升相同，使系统热设计更加均衡。

Description

一种开关电路的控制方法
技术领域
本发明涉及电力电子领域，尤其涉及一种开关电路的控制方法。
背景技术
在高频电力电子领域，MOSFET作为全控型功率半导体器件获得了广泛的应用。MOSFET是电压驱动型器件，依靠多数载流子导电，导通情况下，MOSFET呈现电阻特性，通态压降与通态电流成正比，通态损耗与通态电流的平方成正比，且MOSFET的通态电阻具有正温度特性，随温度升高快速增大，会进一步增加通态损耗。由于MOS管的正温度特性，使其特别适合并联应用，在需要处理电流较大的场合通常使用MOS管并联。然而并联的MOS管由于环境差异、风道差异以及自身的器件差异等因素依然可能存在较大温差，形成木桶效应，使设计存在短板。
单个MOSFET作为功率开关管，输出电流能力有限，为了扩展开关电路的适用范围，提高MOS管的带载能力，通常将两个或者多个MOS管并联作为整体开关电路使用，如图1所示。
对于并联MOSFET，通常采用同时开通和同时关断的控制方式，充分利用并联优势，但MOS管并联工作需要考虑动态均流和静态均流的影响。虽然MOS管的导通电阻与结温呈现正相关关系，理论上能够均衡多个沟道的电流，高温导通电阻大的沟道流经较小电流，延缓进一步的升温趋势，低温导通电阻小的沟道流经较大电流，加快升温趋势，最终达到多沟道温度的动态平衡。但在实际应用中，系统风散热条件对于并联MOS管存在差异，各个并联MOS管器件无法及时建立完善的温度差自调节机制等因素，最终会造成个别MOS管温度过高，局部高温影响整体散热效果，降低开关整体的过流能力，过高的温度甚至会超过功率管的承受极限，造成MOS管击穿和烧毁。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种针对并联全控型开关器件开关电路的控制方法，通过合理的驱动开关时序设计，无级的调节并联开关管的开通、关断损耗来调整每个开关管的总体损耗，进而使并联（不一定是两个，可以多个）开关管的结温温升相同，使系统热设计更加均衡。
本申请提供了一种并联全控型开关器件开关电路的控制方法，该方法包括：
根据各个并联开关管结温的温度特性设置各个开关管的导通时序；
通过该导通时序调节每个开关管的总损耗，使各个开关管的温升程度趋于相同，使系统热设计更加均衡。
其中开关管可以为双并联MOS管，先导通原始温升较小的MOS管，再导通原始温升较大的MOS管，先导通的MOS管为后导通的MOS管提供了软启动的条件，因此后导通的MOS管可以通过降低开通损耗来降低总体损耗，最终降低温升，同时，先导通的MOS管由于增加的开通损耗，温升有所增加，通过合理配置MOS管间导通延迟时间，使两个并联MOS管的结温温升趋于相同。
该控制方法可包括多种变形，例如MOS管VS 1与MOS管VS 2同时导通，共同承受开通损耗和导通损耗，在关断阶段，提前关断MOS管VS 2，延迟关断MOS管VS 1，减小MOS管VS 2的关断损耗进而减小总损耗最终降低温升，增大MOS管VS 1的关断损耗进而增大总损耗最终提高温升，使两个MOS管的温升程度趋于相同。
或者MOS管VS 2延迟导通并提前关断，减小MOS管VS 2的开通损耗和关断损耗，进而减小总损耗最终降低温升，通过增大MOS管VS 1的开通损耗和关断损耗，进而增大总损耗最终提高温升，使两个MOS管的温升程度趋于相同。
本发明提出的开关电路控制方法，针对并联全控型开关器件，通过控制温升较大的开关管管延迟导通，或提前关断，调节多管开关损耗以调整总体损耗，让多个开关管结温温升趋于相同，使系统热设计更加均衡。
附图说明
图1为常规并联MOSFET开关电路；
图2为MOSFET开关过程典型的电压电流变化曲线；
图3为根据本发明的实施例的开关电路时序图；
图4根据本发明的变形方案1的开关时序图；
图5根据本发明的变形方案2的开关时序图。
具体实施方式
为了使本技术领域人员更好的了解本发明实施方案，下面结合附图和实施方式对本发明进一步的详细说明。
MOSFET作为功率开关管，在实际应用过程中存在器件损耗，对其通断状态进行简化，可以得到MOSFET的开关基本过程和导通特性，如图2所示。其中，ID是流经开关管的电流，UDS是开关管上的电压压降，t0至t1时刻，是开关管的开通阶段，t1至t2时刻，是开关管的导通阶段；t2至t3时刻，是开关管的关断阶段。
各阶段的损耗均与开关管选型、工作温度、驱动电压等因素有关，这些因素将直接导致开关管导通电流、电压压降、开通时间、关断时间产生变化。针对开关过程的分析可知，开通损耗、关断损耗、导通损耗分别为：
Figure 735769DEST_PATH_IMAGE001
Figure 330699DEST_PATH_IMAGE002
Figure 296643DEST_PATH_IMAGE003
MOSFET的开通损耗为Ptd，关断损耗为Poff，导通损耗为Pon，在电路中单周期内（即一次开关过程）的总损耗Ptotal为：
Figure 683631DEST_PATH_IMAGE004
由上述分析可知，MOS管开关过程各阶段的损耗由电压、电流交叠在一起的时间和交叠时间内各自的幅值决定，交叠时间越长，幅值越大，损耗越大。若是在开关过程中交叠的电压或电流趋于0那么开关管的开关损耗也趋于0。
MOS管的总损耗最终会以热能的形式呈现，热量由MOS管产生传到大气环境中，遵循热路欧姆定律：
Figure 37514DEST_PATH_IMAGE005
其中TJ为MOS管的结温，TA为外界环境温度，RthJC为MOS管到大气的热阻，MOS管的热阻，与器件选型、材料结构、封装工艺等因素都有关系。对于不同热阻的MOS管，可通过控制开关总损耗，来达到温升趋于相同的效果。
本发明提出一种开关电路控制方法，控制方法的基本思路是先导通温升较小的MOS管，再导通温升较大的MOS管，先导通的MOS管会承受较大的开通损耗，后开通的MOS管会承受较小的开通损耗，开通损耗的分配与导通错开的时间相关。后导通的MOS管可以通过降低开通损耗来降低其总体损耗，最终降低温升，同时，先导通的MOS管由于增加的开通损耗，温升有所增加，通过合理配置两MOS管间导通延迟时间，使两个并联MOS管的结温温升趋于相同。
以双并联MOS管为例，具体工作原理如下，如图3所示，其中Vg1为先导通MOS管VS1的驱动信号，Vg2为后导通MOS管VS2的驱动信号，I1为流经VS1的电流，I2为流经VS2的电流，UDS为并联MOS管的开关管压降。
①工作模态1[t0，t1]：t0时刻，开通MOS管VS1，VS1硬开通，电压与电流交叠区域的面积较大，承受开通损耗。
②工作模态2[t1，t2]：t1时刻，开通MOS管VS2，VS2两端电压已下降至较小值，在VS2开通过程中，电压与电流交叠面积较小，I1与I2都逐渐增大，最终两并联通道的电流大小根据导通电阻大小关系进行分流。
③工作模态3[t2，t3]：t2时刻，同时关断VS1和VS2，I1与I2均逐渐减小至0，在关断过程中，两个MOS管的电压电流均有交叠部分，共同产生关断损耗，在t3时刻，电流均下降至0，两端电压升至关断电压值，开关电路关断。
上述控制策略可以有多种方式，下面介绍控制策略的变形方案。
变形方案1：如前所述，以双MOS管并联电路为例，变更控制策略，如图4所示，MOS管VS1与VS2同时导通，共同承受开通损耗和导通损耗，在关断阶段，提前关断VS2，延迟关断VS1，减小VS2的关断损耗进而减小总损耗最终降低温升，增大VS1的关断损耗进而增大总损耗最终提高温升，使两个MOS管的温升程度趋于相同。
变形方案2：如前所述，以双MOS管并联电路为例，变更控制策略，如图5所示，MOS管VS2延迟导通并提前关断，减小VS2的开通损耗和关断损耗，进而减小总损耗最终降低温升，通过增大VS1的开通损耗和关断损耗，进而增大总损耗最终提高温升，使两个MOS管的温升程度趋于相同。
变形方案3：如前所述，通过调整各个并联MOS管开关时序来实现温升趋于统一的控制策略，可以推广至所有适合并联的全控型开关器件，包括但不限于MOS管、IGBT。综合考量各个并联开关管结温的温度特性，通过调整各个开关管的导通时序来调节每个开关管的总损耗，使各个开关管的温升程度趋于相同。
上述实施方式仅是示例性的示出本发明，并不企图限制本发明。另外对于没有详细描述的步骤属于本领域技术人员熟知的技术内容。对于涵盖在本发明构思内的相应的变换和更改均在本发明范围内。

Claims (7)

1.一种并联全控型开关器件开关电路的控制方法，该方法包括：
根据系统中各个并联开关管原始结温的实测值设置各个开关管的导通时序；
通过该导通时序调节每个开关管的总损耗，使各个开关管的温升程度趋于相同，使热设计更加均衡。
2.根据权利要求1所述的控制方法，该开关管为MOS管。
3.根据权利要求1所述的控制方法，该开关管为IGBT。
4.根据权利要求2所述的控制方法，其中开关管为双并联MOS管，该方法包括先导通原始温升较小的MOS管，再导通原始温升较大的MOS管，先导通的MOS管会承受较大的开通损耗，后开通的MOS管会承受较小的开通损耗，开通损耗的分配与导通错开的时间相关，后导通的MOS管可以通过降低开通损耗来降低其总体损耗，最终降低温升，同时，先导通的MOS管由于增加的开通损耗，温升有所增加，通过合理配置两MOS管间导通延迟时间，使两个并联MOS管的结温温升趋于相同。
5.根据权利要求3所述的控制方法，其中先导通的MOS管为MOS管VS 1，后导通的MOS管为MOS管VS 2，该方法包括三个工作模态：
工作模态1[t 0，t 1]：t 0时刻，开通MOS管VS 1，MOS管VS 1电压与电流交叠区域的面积较大，MOS管VS 1承受开通损耗；
工作模态2[t 1，t 2]：t 1时刻，开通MOS管VS 2，MOS管VS 2两端电压已下降至较小值，在MOS管VS 2开通过程中，MOS管VS 2电压与电流交叠面积较小，I 1与I 2都逐渐增大，最终两并联通道的电流大小根据MOS管VS 1 和VS 2的导通电阻大小关系进行分流；
工作模态3[t 2，t 3]：t 2时刻，同时关断MOS管VS 1和MOS管VS 2，I 1与I 2均逐渐减小至0，在关断过程中，两个MOS管的电压电流均有交叠部分，共同产生关断损耗，在t 3时刻，电流均下降至0，所述两个MOS管的两端电压升至关断电压值，开关电路关断；
I 1为流经MOS管VS 1的电流，I 2为流经MOS管VS 2的电流， t 0<t 1< t 2<t 3。
6.根据权利要求2所述的控制方法，其中开关管为双并联MOS管，MOS管VS 1与MOS管VS 2同时导通，共同承受开通损耗和导通损耗，在关断阶段，提前关断MOS管VS 2，延迟关断MOS管VS 1，减小MOS管VS 2的关断损耗进而减小其总损耗最终降低温升，增大MOS管VS 1的关断损耗进而增大其总损耗最终提高温升，使两个MOS管的温升程度趋于相同。
7.根据权利要求2所述的控制方法，其中开关管为双并联MOS管，MOS管VS 2延迟导通并提前关断，减小MOS管VS 2的开通损耗和关断损耗，进而减小其总损耗最终降低温升，通过增大MOS管VS 1的开通损耗和关断损耗，进而增大其总损耗最终提高温升，使两个MOS管的温升程度趋于相同。
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