CN112187020B - 开关半导体器件并联电路及其控制方法 - Google Patents

开关半导体器件并联电路及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了功率开关半导体器件并联电路，在N个并联的功率开关半导体器件半桥中点连接N个换流电感，所有换流电感连接到输出端子并通过阻尼电阻与功率二极管半桥中点连接。将这些N个功率开关半导体器件半桥分成主桥臂和辅助桥臂两组，辅助桥臂在主桥臂开通之前开通，使得主桥臂的所有功率开关管实现零电压开通，辅助桥臂开关管实现零电压或零电流开通，显著减小功率开关管的开通损耗。利用换流电感与二极管的寄生输出电容进行谐振，实现输出端子电压的慢速变化，显著减小输出电压的dv/dt。本发明还公开了该电路的工作方法。

Description

开关半导体器件并联电路及其控制方法
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，特别涉及一种开关半导体器件并联技术。
背景技术
近年来，可再生能源与电动汽车正在逐步取代传统化石能源与汽车，这项能源变革的实现需要高效率高功率密度电力电子变换器。作为电力电子变换器的主要器件，功率开关半导体器件的市场份额在不断提升。特别地，随着宽禁带功率开关半导体器件技术的不断成熟，其开关特性与可靠性在持续提升。然而，由于良品率、热管理和成本限制，宽禁带半导体裸片和分立器件的电流等级还比较低，如2020年10月发表在IEEE Transactions onPower Electronics第35卷，第10期，第10879-10891页的"Design of a Paralleled SiCMOSFET Half-Bridge Unit With Distributed Arrangement of DC Capacitors"中所述。因此，多个半导体裸片或分立器件的并联是一种低成本甚至不可避免的方案，如2020年2月发表在IEEE Trans.Ind.Electron.第67卷，第2期，第1508-1519页的“Imbalance CurrentAnalysis and Its Suppression Methodology for Parallel SiC MOSFETs With Aid ofa Differential Mode Choke”中所述。
由于静态和动态电气参数以及布局的不一致或不对称，并联的功率半导体开关管会承受不平衡的电流应力，因此其开关和导通损耗以及热应力也会不同，如2019年11月发表在IEEE Trans.Power Electron第34卷，第11期，第11026-11035页的“MagneticIntegration into a Silicon Carbide(SiC)Power Module for Current Balancing”中所述，从而恶化该并联系统的效率和可靠性。
为了改善并联功率半导体开关管的均流特性，学者提出采用主动驱动，例如发表在2018IEEE Transportation Electrification Conference and Expo,Asia-Pacific(ITEC Asia-Pacific),第1-5页的“The Cost-Efficient Gating Drivers with Master-Slave Current Sharing Control for Parallel SiC MOSFETs”中所述；以及增加无源器件的方法，例如2020年2月发表在IEEE Trans.Ind.Electron.第67卷，第2期，第1508-1519页的“Imbalance Current Analysis and Its Suppression Methodology for ParallelSiC MOSFETs With Aid of a Differential Mode Choke”，以及2019年11月发表在IEEETrans.Power Electron第34卷，第11期，第11026-11035页的“Magnetic Integration intoa Silicon Carbide(SiC)Power Module for Current Balancing”中所述。
虽然以上方法可以改善并联开关管的均流特性，但是在硬开关应用中，并联开关管的开关损耗依然较大。并且，由于快的开关速度，宽禁带半导体开关管的电压变化率(dv/dt噪声)较硅半导体开关管显著增加，其对电力电子系统的电磁兼容造成了更大的挑战。而现存的宽禁带半导体开关管并联方案无法显著减小开关管的电压变化率(dv/dt)。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种减小功率开关半导体器件的损耗、改善其均流特性、减小输出dv/dt噪声的功率开关半导体器件并联电路。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种功率开关半导体器件并联电路，所述电路包括公共母线的正极端子、负极端子、输出端子、至少两个上桥臂开关管、数量与上桥臂开关管相等的下桥臂开关管、数量与上桥臂开关管相等的换流电感、上桥臂二极管、下桥臂二极管和阻尼电阻；其中每个上桥臂开关管的源极与一个对应的下桥臂开关管的漏极连接组成开关管桥臂、上桥臂二极管的阳极与下桥臂二极管的阴极连接组成二极管桥臂；每个换流电感的一端与一个对应的开关管桥臂中点连接，该换流电感的另一端与输出端子连接，阻尼电阻一端与二极管桥臂中点连接，另一端与输出端子连接；所有上桥臂开关管的漏极与公共母线正极端子连接，上桥臂二极管的阴极与公共母线正极端子连接；所有下桥臂开关管的源极与公共母线的负极端子连接，下桥臂二极管的阳极与公共母线负极端子连接。
作为一种优选的方案，所述母线电压为直流电压，输出端子电压为直流或交流电压。
本发明另一个所要解决的技术问题是：提供一种上述功率开关半导体器件并联电路的工作方法。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：所述开关管均由控制电路控制其各自导通和关断。
本发明另一个所要解决的技术问题是：提供一种上述功率开关半导体器件并联电路的工作方法。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：各个所述上桥臂开关管不同时开通和关闭，各个所述下桥臂开关管不同时开通和关闭；二极管桥臂中的上桥臂二极管和下桥臂二极管不同时导通。
本发明另一个所要解决的技术问题是：提供一种上述功率开关半导体器件并联电路的工作方法。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：所述所有上桥臂开关管同时开通和关闭，所述所有下桥臂开关管同时开通和关闭；二极管桥臂中的上桥臂二极管和下桥臂二极管不同时导通。
作为一种优选的方案，开关半导体器件并联电路的工作方法，包括以下步骤：
步骤a)，所有开关管桥臂任意分为所含开关管桥臂数量不为零的第一开关组和第二开关组；
步骤b)，第一开关组的下桥臂开关管同时导通；
步骤c)，第二开关组的上桥臂开关管同时导通；
步骤d)，第一开关组的下桥臂开关管同时关断；
步骤e)，第二开关组的上桥臂开关管同时关断；
步骤f)，第一开关组的上桥臂开关管同时导通；
步骤g)，第二开关组的下桥臂开关管同时开通；
步骤h)，第二开关组的下桥臂开关管同时关断；
步骤i)，第一开关组的上桥臂开关管同时关断；
步骤j)，重复上述步骤a)-i)。
本发明的有益效果是：
当所述电路中功率开关管同步进行工作时，换流电感可以改善并联功率开关管开通和关断时刻的电流，从而实现功率开关管的动态均流。
当所述电路中功率开关管工作在异步模式，换流电感可与功率开关管的输出结电容进行谐振，使所有功率开关管实现零电压或零电流软开关，显著减小开关损耗。
此外，在开关时刻，这些换流电感与二极管的寄生电容以及电阻进行阻尼谐振，从而显著减小并联输出电压的dv/dt噪声。相较传统的宽禁带半导体开关管并联方案，本发明不需要复杂的驱动电路或额外的功率半导体开关管，并且可以同时实现并联开关管的电流均分、降低开关损耗以及减小dv/dt噪声。其可以广泛应用在电动汽车、光伏系统、风力发电系统和数据中心电源等系统中。
附图说明
图1为电路拓扑结构图；
图2为考虑功率开关管和二极管输出结电容时的电路拓扑结构图；
图3为同步工作控制信号时序图；
图4为异步工作控制信号时序图；
图5为异步工作模式下功率开关管的电压电流SPICE仿真波形图；
图6为异步工作模式下电流流通路径图；
具体实施方式
下面结合附图，详细描述本发明的具体实施方案。
如图1所示的功率开关半导体器件并联电路，包括直流母线Vdc的正负极端子、输出端子vc、第一上桥臂开关管SH1、第二上桥臂开关管SH2、…、第N(N≥2)上桥臂开关管SHN、第一下桥臂开关管SL1、第二下桥臂开关管SL2、…、第N下桥臂开关管SLN、第一换流电感L1、第二换流电感L2、…、第N换流电感LN、上桥臂二极管DH下桥臂二极管DL和阻尼电阻R。
其中第一上桥臂开关管SH1的源极与第一下桥臂开关管SL1的漏极连接组成第一开关管桥臂、第二上桥臂开关管SH2的源极与第二下桥臂开关管SL2的漏极连接组成第二开关管桥臂、…、第N上桥臂开关管SHN的源极与第N下桥臂开关管SLN的漏极连接组成第N开关管桥臂、上桥臂二极管DH的阳极与下桥臂二极管DL的阴极连接组成二极管桥臂。
第一换流电感L1的一端与第一开关管桥臂中点v1连接，第一换流电感L1的另一端与输出端子vc连接，第二换流电感L2的一端与第二开关管桥臂中点v2连接，第二换流电感L2的另一端与输出端子vc连接，…，第N换流电感LN的一端与第N开关管桥臂中点vN连接，第N换流电感LN的另一端与输出端子vc连接，阻尼电阻R一端与二极管桥臂中点连接，另一端与输出端子vc连接。
所有上桥臂开关管(SH1,SH2,…,SHN)的漏极与直流母线正极端子连接，上桥臂二极管DH的阴极与直流母线正极端子连接；所有下桥臂开关管(SL1,SL2,…,SLN)的源极与直流母线的负极端子连接，下桥臂二极管DL的阳极与直流母线负极端子连接。在开关管开通和关断时刻，利用换流电感和开关管寄生输出电容进行谐振，开关管实现零电压或者零电流开关。开关管可以为Si MOSFET、SiC MOSFET、GaN HEMT、Si IGBT。公共母线电压可为直流电压，输出端子电压vc可为直流或交流电压。
功率开关半导体器件并联电路的工作方法为所述开关管均由控制电路控制其各自导通和关断。
当考虑功率开关管和二极管输出结电容时，该功率开关半导体器件并联电路的等效拓扑结构如图2所示。
如图3所示，功率开关半导体器件并联电路可以工作在同步工作模式，所述上桥臂开关管(SH1,SH2,…,SHN)同时开通和关闭，所述下桥臂开关管(SL1,SL2,…,SLN)同时开通和关闭；二极管桥臂中的上桥臂二极管与下桥臂二极管不同时导通。
如图4所示，功率开关半导体器件并联电路可以工作在异步工作模式，所述上桥臂开关管(SH1,SH2,…,SHN)不同时开通和关闭，所述下桥臂开关管(SL1,SL2,…,SLN)不同时开通和关闭；二极管桥臂中的上桥臂二极管与下桥臂二极管不同时导通。
具体包括以下步骤：
步骤a)，将并联的N个开关管桥臂分成第二开关组(SH1,…,SHj,SL1,…,SLj)
和第一开关组(SHj+1,…,SHN,SLj+1,…,SLN)，其中小标j取值的范围为1≤j
<N；
步骤b)，第一开关组的下桥臂开关管SLj+1,…,SLN同时导通；
步骤c)，第二开关组的上桥臂开关管SH1,…,SHj同时导通；
步骤d)，第一开关组的下桥臂开关管SLj+1,…,SLN同时关断；
步骤e)，第二开关组的上桥臂开关管SH1,…,SHj同时关断；
步骤f)，第一开关组的上桥臂开关管SHj+1,…,SHN同时导通；
步骤g)，第二开关组的下桥臂开关管SL1,…,SLj同时开通；
步骤h)，第二开关组的下桥臂开关管SL1,…,SLj同时关断；
步骤i)，第一开关组的上桥臂开关管SHj+1,…,SHN同时关断；
步骤j)，重复上述步骤a)-i)。
如图5所示，以N＝3为例，当该功率开关半导体器件并联电路工作在异步模式下时各个功率开关管的电压电流SPICE仿真波形图。SH1-SL1桥臂作为辅助开关管桥臂，SH2-SL2和SH3-SL3桥臂最为主开关管桥臂。可以看到SH1在零电流时刻开通，实现零电压开通，而其余功率开关管开通之前，其对应漏源电压已下降到零，即实现零电压开通。功率开关管的损耗显著减小。
如图6所示，以N＝3为例，当该功率开关半导体器件并联电路工作在异步模式下时阶段的等效电路图。
阶段1[0,t1]：在0时刻之前，主桥臂上管SH2和SH3处于导通状态。负载电流iLo流过主桥臂上管SH2和SH3及主换流电感L2和L3。在t＝0时刻，主桥臂上管SH2和SH3被关断，使得换流电感电流iL2和iL3开始对主桥臂开关管的结电容进行充放电；同时，辅助桥臂开关管的结电容和二极管桥臂结电容也会被充放电，如图6所示。
阶段2[t1,t2]：在t＝t1时刻，主桥臂开关管的结电容充放电结束，主桥臂上开关管结电容电压被充到直流母线电压，同时主桥臂下开关管结电容电压放电到0V。主桥臂下开关管的反向二极管开始导通。此后，给主桥臂下开关管施加开通信号，使得其实现零电压开通。由于辅助电感电流较小，因此此阶段辅助桥臂开关管的结电容以及二极管桥臂结电容仍在被充放电。
阶段3[t2,t3]：在t＝t2时刻，辅助桥臂开关管的结电容充放电结束，辅助桥臂上开关管结电容电压被充到直流母线电压，同时辅助桥臂下开关管结电容电压放电到0V。辅助桥臂下开关管的反向二极管开始导通。此后，给辅助桥臂下开关管施加开通信号，使得其实现零电压开通。三个桥臂的下开关管流过负载电流iLo。
阶段4[t3,t4]：在t＝t3时刻，二极管桥臂谐振电流衰减到0，二极管桥臂中点电压vD下降到等于输出端子电压vc。
阶段5[t4,t5]：在t＝t4时刻，辅助换流电感L1的电流下降到0，辅助桥臂下开关管不再导通电流。此后，只有主桥臂的下开关管流过负载电流iLo。
阶段6[t5,t6]：在t＝t5时刻，辅助桥臂上开关管SH1零电流导通，辅助换流电感L1的电流从0开始上升。同时，二极管桥臂结电容开始充放电。此阶段主桥臂的下开关管仍然流过电流，但是其电流开始下降。
阶段7[t6,t7]：在t＝t6时刻，流过阻尼电阻R的电流降为0，二极管桥臂中点电压vD等于输出端子电压vc。
阶段8[t7,t8]：在t＝t7时刻，流过辅助换流电感的电流iL1上升到等于负载电流iLo，同时流过主换流电感的电流iL2和iL3下降到0。之后iL1开始大于iLo，iL2和iL3开始为负电流，导致主桥臂上开关管的结电容开始放电，主桥臂下开关管的结电容开始充电。二极管桥臂中点电压vD等于输出端子电压vc。同时，辅助桥臂开关管的结电容和二极管桥臂结电容也会被充放电。
阶段9[t8,t9]：在t＝t8时刻，主桥臂上开关管的结电容放电到0，主桥臂下开关管的结电容充电到母线电压Vdc。之后，主桥臂上开关管SH2和SH3的体二极管开始导通。给主桥臂上开关管SH2和SH3施加开通信号，可以使得其实现零电压开通。此阶段主换流电感电流iL2和iL3为负，并持续上升。另一方面，在t＝t8时刻，关断辅助桥臂上开关管SH1，之后辅助桥臂的上桥臂开关管与下桥臂开关管结电容开始分别充电和放电。
阶段10[t9,t10]：在t＝t9时刻，辅助桥臂上开关管结电容充电到母线电压Vdc，而辅助桥臂下开关管结电容放电到0。之后，辅助桥臂下开关管SL1的体二极管开始导通。给辅助桥臂下开关管SL1施加开通信号，可以使得其实现零电压开通。
阶段11[t10,t11]：在t＝t10时刻，流过阻尼电阻R的电流降为0，二极管桥臂中点电压vD等于输出端子电压vc。
阶段12[t11,t12]：在t＝t11时刻，主换流电感电流iL2和iL3上升到0并开始转正，主桥臂上开关管SH2和SH3的电流方向也转为由漏极到源极。
阶段13[t12,t13]：在t＝t12时刻，辅助换流电感电流iL1下降到0并开始转负，同时给辅助桥臂上桥臂开关管与下桥臂开关管的结电容进行放电和充电。主桥臂上开关管SH2和SH3的电流方向也转为由漏极到源极。另外，二极管桥臂结电容也被充放电。
阶段14[t13,t14]：在t＝t13时刻，辅助桥臂上开关管的结电容放电到0，而辅助桥臂下开关管的结电容充电到母线电压Vdc。之后辅助桥臂上开关管的体二极管开始导通，辅助换流电感电流开始上升。
阶段15[t14,t15]：在t＝t14时刻，流过阻尼电阻R的电流降为0，二极管桥臂中点电压vD等于输出端子电压vc。
阶段16[t15,Ts]：在t＝t15时刻，辅助换流电感电流开始上升为0，辅助桥臂开关管的体二极管不再导通。此后，主桥臂上开关管SH2和SH3流过负载电流。
上述的实施例仅例示性说明本发明创造的原理及其功效，以及部分运用的实施例，而非用于限制本发明；应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，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。

Claims (6)

1.一种功率开关半导体器件并联电路，其特征在于：所述电路包括公共母线的正极端子、负极端子、输出端子、至少两个上桥臂开关管、数量与上桥臂开关管相等的下桥臂开关管、数量与上桥臂开关管相等的换流电感、上桥臂二极管、下桥臂二极管和阻尼电阻；其中每个上桥臂开关管的源极与一个对应的下桥臂开关管的漏极连接组成开关管桥臂、上桥臂二极管的阳极与下桥臂二极管的阴极连接组成二极管桥臂；每个换流电感的一端与一个对应的开关管桥臂中点连接，该换流电感的另一端与输出端子连接，阻尼电阻一端与二极管桥臂中点连接，另一端与输出端子连接；所有上桥臂开关管的漏极与公共母线正极端子连接，上桥臂二极管的阴极与母线正极端子连接；所有下桥臂开关管的源极与公共母线的负极端子连接，下桥臂二极管的阳极与公共母线负极端子连接。
2.如权利要求1所述的开关半导体器件并联电路，其特征在于，所述公共母线电压为直流电压，输出端子电压为直流或交流电压。
3.一种如权利要求1所述的开关半导体器件并联电路的工作方法：所述开关管均由控制电路控制其各自导通和关断。
4.一种如权利要求1所述的开关半导体器件并联电路的工作方法：各个所述上桥臂开关管不同时开通和关闭，各个所述下桥臂开关管不同时开通和关闭；二极管桥臂中的上桥臂二极管和下桥臂二极管不同时导通。
5.一种如权利要求1所述的开关半导体器件并联电路的工作方法：所述所有上桥臂开关管同时开通和关闭，所述所有下桥臂开关管同时开通和关闭；二极管桥臂中的上桥臂二极管和下桥臂二极管不同时导通。
6.如权利要求4所述的开关半导体器件并联电路的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤a)，所有开关管桥臂任意分为所含开关管桥臂数量不为零的第一开关组和第二开关组；
步骤b)，第一开关组的下桥臂开关管同时导通；
步骤c)，第二开关组的上桥臂开关管同时导通；
步骤d)，第一开关组的下桥臂开关管同时关断；
步骤e)，第二开关组的上桥臂开关管同时关断；
步骤f)，第一开关组的上桥臂开关管同时导通；
步骤g)，第二开关组的下桥臂开关管同时开通；
步骤h)，第二开关组的下桥臂开关管同时关断；
步骤i)，第一开关组的上桥臂开关管同时关断；
步骤j)，重复上述步骤a)-i)。
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