CN112364591A - SiC MOSFET结温实时动态预测方法及电压检测电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种SiC MOSFET结温实时动态预测方法及电压检测电路，所述的结温在线预测方法包括以下步骤：SiC MOSFET壳温检测、SiC MOSFET实时功率损耗检测、基于勒贝格采样的结温实时动态预测。本发明可以获取未知工作状态下功率器件的实时结温，兼具实时性强和预测精度高的优势。

Description

SiC MOSFET结温实时动态预测方法及电压检测电路

技术领域

本发明涉及一种SiC MOSFET结温实时动态预测方法及电压检测电路，属于电力电子技术与电工技术领域。

背景技术

工业界针对已损坏的电力电子部件的问卷调查表明：在各类部件中，功率部件的损坏几率最高，占34％。功率器件失效的因素分为两类，一类是封装失效，另一类是芯片失效。封装失效主要原因是结温过高导致键合线脱落，或是长期热循环导致焊料层疲劳。芯片失效主要分为热击穿和电击穿，而电击穿的本质最终也是由于温度过高而导致热击穿。这些失效因素均与最高结温、结温波动与平均结温等因素有关。因此，有必要对功率管进行实时结温预测。

目前，国内外常用的功率器件结温测量的方法有四种，分别是：光学法、物理接触法、热网络法和温敏参数法。其中光学法和物理接触法在不打开器件封装的情况下无法获取功率管内部的准确温度分布，不利于实现结温实时监测。目前，常用于结温测量的方法是热网络法和温敏参数法两种。温敏参数法是将器件本身视为温度传感器，通过观测温敏参数的值来反映器件的结温，导通电阻/压降、开/关延时、电压/电流变化率等参数会随着内部结温变化而相应变化，易于实现实时在线监测。热敏参数法因其易于实现结温实时在线监测而被广泛研究，但温敏参数受具体器件的实际任务剖面影响很大，只适用于长期处于单一工作状态的对象。以固态功率控制器(Solid State Power Controllers,SSPC)为例，SSPC中功率管存在多种工作模式，在SSPC短路、限流、过载和“慢通断”等工作模式下，功率管的电压电流变化规律是由控制保护策略、电源、线路共同决定的，利用dv/dt、di/dt、开关延时等热敏感参数测量结温的方法不适用。

热网络法是基于器件的热网络模型、壳温及实时损耗来提取结温。建立热网络模型的要点在于建立准确的实时损耗模型和实时热阻抗模型。目前常用的电热联合方法主要通过搭建仿真热模型来获取器件的热响应。目前，少数一些文献采用迭代算法获取器件的结温，但是这些方法多数以开关周期为单位进行迭代，只适用于开关周期固定或任务剖面单一的对象，不适用于任务剖面多样且当前任务状态未知的对象。

传统系统的采样方式采用传统的黎曼采样，即一种定周期的采样方式，但对于SSPC这样的任务剖面多样且相差较大的对象而言，当系统发生随机的过载事件时，如果设置采样周期长，那么将导致采样精度不能满足要求；如果设置采样周期短，那么控制器程序的频繁运行将会带来过多的系统开销，从而浪费控制的器资源。因此传统的黎曼采样不适用于多任务剖面对象的结温实时预测。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，是针对前述背景中的缺陷和不足，提供一种SiCMOSFET结温实时动态预测方法和电压检测电路，不但在对象当前任务状态未知的情况下准确预测功率器件的结芯温度，还可以在必要的时候采样计算，节约控制器资源。

为了解决上述技术问题，本发明具体采用如下技术方案：

一种SiC MOSFET结温实时动态预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

实时检测SiC MOSFET壳温以及流过SiC MOSFET的电流和SiC MOSFET漏源极电压，得到SiC MOSFET的实时功率损耗；

利用勒贝格采样判断是否发生事件，当发生事件，事件标记值加1，改变当前勒贝格长度；若没有发生事件，则维持原有勒贝格长度，等待事件发生；

当事件标记值达到当前勒贝格长度时，将当前SiC MOSFET壳温和功率损耗离散化为方波信号，输入基于Foster热网络模型的SiC MOSFET热网络模型中进行结温预测。

优选地，判断是否发生事件的方法是：以微机基础速率采样当前SiC MOSFET实际电流，根据实际电流与额定电流的比值判断当前所属勒贝格状态，并与上一时刻勒贝格状态进行对比，如果勒贝格状态发生改变，判断为发生事件，如果勒贝格状态未发生改变，判断为没有发生事件。

进一步优选地，勒贝格状态根据反时限保护曲线划分为：{1，1.2，3，4，5，6}，其中实际电流为1～1.2倍额定电流是正常导通，1.2～6倍额定电流触发反时限保护，大于6倍额定电流时触发短路保护。

本发明还设计了一种宽范围漏源电压检测电路，其特征在于包括大电压采样电路、小电压采样电路、运算放大器U₁、比较器C₁、功率管Q₁、电阻R₁、电阻R₂、电阻R₃。所述运算放大器U₁正输入端接入待检测SiC MOSFET漏源电压V_ds，负输入端分别经电阻R₁接地、经电阻R₂接运算放大器U₁输出端，所述运算放大器U₁的输出端连接比较器C₁的正输入端；所述比较器C₁的负输入端接入参考电平Vref，比较器C₁的输出端连接功率管Q₁的栅极；所述功率管Q₁的源极接地，漏极连接电阻R₃的一端和小电压采样电路的输入端，所述R₃的另一端连接待检测SiC MOSFET漏源电压V_ds和大电压采样电路的输入端。

采用本发明技术方案后带来的有益效果如下：

(1)能够实现多任务剖面下的结温在线预测；

(2)可以实现宽范围的MOSFET漏源电压准确测量，从而实现MOSFET损耗的准确测量，提高结温实时动态预测的精度；

(3)在必要时执行算法，可以节约控制器资源。

附图说明

图1是本发明的基于热模型的SiC MOSFET结温在线预测的流程图；

图2是应用于SSPC的结温在线预测总体原理框图；

图3是本发明的宽范围漏源电压检测电路的原理框图；

图4是本发明的Foster热模型原理框图；

图5是本发明的基于勒贝格采样的结温预测算法的流程图；

图6是本发明的基于勒贝格采样的结温预测算法仿真结果。

具体实施方式

下面结合附图详细介绍本发明所涉及的一些关键技术，以支持权利要求部分；为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

图1是SiC MOSFET结温实时动态预测方法的流程图，包括以下步骤：

建立基于Foster热网络模型的SiC MOSFET热网络模型；

实时检测SiC MOSFET外壳温度和SiC MOSFET的功率损耗；

其中，SiC MOSFET外壳温度通过热电阻置于器件外壳将SiC MOSFET的外壳温度转化为电压进行测量；功率损耗由流过功率管的电流和MOSFET漏源极电压V_ds相乘得到；电流检测电路获取流过功率管的电流，电流检测电路通过检测电阻将回路电流转换为电压进行测量；MOSFET漏源极电压V_ds由宽范围漏源电压检测电路测量得到；

利用勒贝格采样判断是否发生事件，当发生事件，事件标记值加1，改变当前勒贝格长度；若没有发生事件，则维持原有勒贝格长度，等待事件发生；

当事件标记值达到当前勒贝格长度时，将当前SiC MOSFET壳温和功率损耗离散化为方波信号，输入建立的SiC MOSFET热网络模型中进行结温迭代预测。

图2是应用于固态功率控制器(Solid State Power Controllers,SSPC)的结温在线预测总体原理框图，宽范围漏源电压检测电路连接到被测的DC-SSPC的SiC MOSFET的漏极和源极，被测器件的导通电流I_d和壳温T_C分别由检测电阻R_Sense和热敏电阻测量得到，回路的电流、输出电压、输入电压、漏源电压、壳温等模拟量被输入到微控制器的AD采样模块，以实现SSPC的开关控制、反时限保护、立即跳闸保护、过欠压保护和结温在线预测等功能。

图3是宽范围漏源电压检测电路的原理框图，准确测量流经功率管的电压和电流，即可获取功率管的实时损耗，利用检测电阻可以较准确的测量导通电流，因此SiC MOSFET损耗实时在线获取的关键在于精确测量功率管漏源电压V_ds，当功率管稳态导通时，V_ds约为0.2V，受测量设备ADC位数限制，传统SSPC电压检测电路无法兼顾大电压和小电压的测量精度，宽范围漏源电压检测电路可以保证宽范围的电压采样精度。本发明宽范围漏源电压检测电路主要由大电压采样电路、小电压采样电路、运算放大器U₁、比较器C₁、功率管Q₁、电阻R₁、电阻R₂、电阻R₃组成，待测漏源电压V_ds经过运算放大器，放大倍数为R₂/R₁，后与V_ref比较后输出电平驱动MOS管，通过控制MOS管的开通/关断来选择相应的采样电压上传至微机。当(R₂/R₁)V_ds>V_ref时，比较器输出为高电平，MOS管Q₁导通，小电压采样电路的输入为0V，此时大电压采样电路采样上传12～300V范围的V_ds；当(R₂/R₁)V_ds<V_ref时，比较器输出为低电平，MOS管Q₁关断，此时小电压采样电路采样上传0～12V范围的V_ds。大、小电压采样电路结构相同，采用常规的运算放大电路即可实现，通过电阻R₄、R₇、R₅、R₆可以设定不同放大倍数，“大”和“小”是为了区分所采样电压范围的大小。

结温预测算法模块完成未知任务剖面的SSPC的结温预测，基于电热比拟理论，描述任务状态未知的SSPC结温计算方法可以从热力学问题转化为电学问题，建立图4所示的三阶Foster热网络模型，输入功率信息等效为电流源，输入至三阶RC并联单元，壳温信息等效为电压源，可以利用基尔霍夫定律和全响应方程求解计算得到SiC MOSFET结温，Foster热网络模型热阻抗表示为：

其中，Z为MOSFET的等效瞬态热阻抗，R_i为MOSFET的等效热阻，C_i为MOSFET的等效热容，n为Foster热网络模型的阶数；将MOSFET功率损耗输入预先建立的Foster热网络模型中，得到MOSFET的实时结温信息；将未知的功率损耗曲线实时离散化，划分为离散的方波输入信号，当划分的时间长度足够小时，划分后的方波信号输入的结温响应与连续功率信号输入的结温响应可近似相等；以第m个方波输入信号为例，功率器件的结温T_j(m)的计算公式为：

其中，ΔT_jci(m)是MOSFET热网络模型中第i个RC并联单元的温度差(i＝1,2,3)；T_c是功率器件壳温，只需计算得出各个RC并联单元在第m个方波输入的温度差就可以得到功率管结芯的温度，以第i个RC并联单元的温差ΔT_jci(m)为例，利用电网络中的全响应方程可以求解得到ΔT_jci(m)的计算方程为：

其中，i＝1,2,3；R_i为第i个RC并联单元的热阻；C_i为第i个RC并联单元的热容；t_s为方波划分的时间长度；ΔT_jci(m-1)为第i个RC并联单元在第(m-1)个方波输入的温度差；P_m是第m个方波输入的平均功耗，第m个方波信号输入产生的温差ΔT_j(m)的表达式为：

结温计算从第1个方波信号输入开始，在计算第2个方波输入产生的温差时，将用到第1个方波信号的温差，直到后续计算第m个方波信号输入产生的温差时，用到第(m-1)个方波信号产生的温差。

由于SSPC的任务剖面多样且各个任务之间的时间周期相差较大，因此传统的基于黎曼采样的定周期采样方式不适用于SSPC，当系统发生随机的过载事件时，如果设置采样周期t_s长，那么将导致采样精度不能满足要求；如果设置采样周期t_s短，那么控制器程序的频繁运行将会带来过多的系统开销，从而浪费控制的器资源。因此传统的黎曼采样不适用于结温实时预测。

本文的基于热模型的SSPC功率器件结温预测方法结合勒贝格采样进行迭代计算，勒贝格采样是一种基于事件的采样方法，不需要周期性采样，仅在系统离开稳态时触发事件，勒贝格采样的思想是：“只有在必要时执行”，可以降低计算成本，避免不必要的计算增加系统开销，事先划分勒贝格状态，如果系统特征值发生从一个勒贝格状态到另一个的转换，即发生事件，执行后续算法，否则一直等待事件发生；首先定义一个有限离散事件集合：A＝{1,...,A}，每一个事件a∈A对应系统的一个状态值x_a，那么，事件集合A相对应的系统状态值的集合为x_A＝{x_a：a∈A}，称为事件的值的集合；如果在时刻t，系统状态达到x_a，表示在时刻t有事件a发生，描述为：x(t)＝x_a，且x(t-)≠x_a；假设系统的样本路径为：w＝{x(t),t≥0}；该样本路径从一个事件a出发，相应的状态值记做x(0)∈x_A，令t₀＝0，定义第i个事件的发生时刻t_i为t_i＝{t：x(t)∈x_A，x(t)≠x(t_i-1)}；对所有的i＝1,2，...均成立，发生在时刻ti的事件记做a_i∈A；当前状态和最后一个采样状态之间特征值的差异超过预定义的勒贝格状态长度时进行采样，事件发生的瞬间称为“事件标记”，描述SSPC功率器件结温的状态方程可由连续时间微分方程描述为：

其中a为RC并联单元的温度差，F为非线性函数，u为系统的功率损耗输入和壳温输入；

基于勒贝格采样的离散化实时模型为：

其中D是勒贝格长度，描述不同勒贝格状态下的采样间隔，g_t为非线性函数，t_k为第k次采样瞬间；勒贝格状态定义为事件轴上的系统特征状态{F₁,F₂,...F_f}，F₁…F_f为事先划分的勒贝格状态，当系统特征值发生从一个勒贝格状态到另一个的转换，即发生事件，执行后续算法，否则一直等待事件发生。当系统发生过载故障和短路故障时，SSPC以电流为依据进行保护，当电流小于6倍额定电流时，按照反时限保护曲线进行保护，当电流大于6倍额定电流时，触发SSPC短路保护；当系统正常开通、导通、关断时，电流值也会发生相应变化；当系统发生过压或欠压故障时，虽然SSPC的保护依据是电压，但此时系统的电流也会发生改变。因此本文采用系统实际电流与额定电流的比值作为事件发生的依据，根据反时限保护曲线划分勒贝格状态为：{1，1.2，3，4，5，6}。其中1～1.2倍额定电流认为是正常导通，1.2倍额定电流为反时限保护起始保护倍数，1.2～6倍额定电流触发反时限保护，当额定电流大于6倍时，触发短路保护。

图5为基于勒贝格采样的结温预测算法的流程图，基于勒贝格采样的结温预测方法包括以下步骤：

步骤一：初始化勒贝格状态、结温检测速率；

步骤二：以微机基础速率采样当前流经SSPC的电流值，判断当前所属勒贝格状态，并与上一时刻勒贝格状态进行对比，判断是否发生事件；

步骤三：如果发生事件，事件标记值加1，并改变当前勒贝格长度以改变结温迭代预测算法执行的速率；若没有发生事件，则维持原有勒贝格长度，等待事件发生；

步骤四：当事件标记值达到当前勒贝格长度时，将当前SiC MOSFET壳温和功率损耗等效为方波信号，输入步骤四建立的热网络模型中，运行结温实时动态预测算法，得到实时预测结温。

对基于勒贝格采样的结温实时动态预测方法进行仿真，仿真结果如图6所示，对SSPC的正常任务剖面：开通-导通-关断过程进行仿真，开通时间为1.5ms，关断时间为1ms。蓝色曲线反映SiC MOSFET的结温变化情况，橙色曲线反映算法对控制器资源占用程度。其中U％为任务的处理器占用率，表示该任务在一个周期内的执行时间与周期的比值，反映任务的控制器开销。仿真结果表明，与传统的黎曼采样相比，勒贝格采样可以根据特征值的变化实时调控系统的采样频率，仅在系统离开稳态时触发事件，例如在开通/关断瞬态时，触发事件，提高系统的采样率，事件的系统开销为56.79％，此时可以保证较高的精度(0.1％以内)；在稳态导通过程中，降低系统采样率，系统开销仅占12.63％，可以避免不必要的占用控制器资源。由此可见，采用勒贝格采样既可以在保证算法的高精度，又可以节约控制器资源。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (8)

1.一种SiC MOSFET结温实时动态预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

实时检测SiC MOSFET壳温以及流过SiC MOSFET的电流和SiC MOSFET漏源极电压，得到SiC MOSFET的实时功率损耗；

利用勒贝格采样判断是否发生事件，当发生事件，事件标记值加1，改变当前勒贝格长度；若没有发生事件，则维持原有勒贝格长度，等待事件发生；

当事件标记值达到当前勒贝格长度时，将当前SiC MOSFET壳温和功率损耗离散化为方波信号，输入基于Foster热网络模型的SiC MOSFET热网络模型中进行结温预测。

2.如权利要求1所述的SiC MOSFET结温实时动态预测方法，其特征在于基于Foster热网络模型的SiC MOSFET热网络模型为：

其中，Z为SiC MOSFET的等效瞬态热阻抗，R_i为SiC MOSFET的等效热阻，C_i为SiC MOSFET的等效热容，n为Foster热网络模型的阶数，t为时间。

3.如权利要求1所述的SiC MOSFET结温实时动态预测方法，其特征在于将离散化的方波信号输入SiC MOSFET热网络模型得到结温信息，结温温升计算公式为：

其中，ΔT_j(m)为第m个方波信号产生的温差，P_m为第m个方波信号的等效功耗，ΔT_jci(m-1)为Foster热网络模型第i个RC并联单元在第m-1个方波输入的温差，t_s为方波信号划分的时间长度；R_i为SiC MOSFET的等效热阻，C_i为SiC MOSFET的等效热容，n为Foster热网络模型的阶数；

SiC MOSFET的结温计算公式为：

其中，T_j(m)为SiC MOSFET的结温，T_c为SiC MOSFET的壳温，ΔT_jci(m)为Foster热网络模型第i个RC并联单元在第m个方波输入的温差；结温计算从第1个方波信号输入开始，计算第m个方波信号输入产生的温差时，将用到第m-1个方波信号产生的温差。

4.如权利要求1所述的SiC MOSFET结温实时动态预测方法，其特征在于包括初始化勒贝格状态和结温检测速率的步骤。

5.如权利要求1所述的SiC MOSFET结温实时动态预测方法，其特征在于判断是否发生事件的方法是：以微机基础速率采样当前SiC MOSFET实际电流，根据实际电流与额定电流的比值判断当前所属勒贝格状态，并与上一时刻勒贝格状态进行对比，如果勒贝格状态发生改变，判断为发生事件，如果勒贝格状态未发生改变，判断为没有发生事件。

6.如权利要求5所述的基于热模型的SiC MOSFET结温预测方法，其特征在于勒贝格状态根据反时限保护曲线划分为：{1，1.2，3，4，5，6}，其中实际电流为1～1.2倍额定电流是正常导通，1.2～6倍额定电流触发反时限保护，大于6倍额定电流时触发短路保护。

7.如权利要求1所述的基于热模型的SiC MOSFET结温预测方法，其特征在于基于勒贝格采样的离散化实时模型为：

其中D是勒贝格长度，描述不同勒贝格状态下的采样间隔；g_t为非线性函数，t_k为第k次采样瞬间；勒贝格状态定义为事件轴上的系统特征状态{F₁,F₂,...F_f}，F₁…F_f为事先划分的勒贝格状态，当系统特征值发生从一个勒贝格状态到另一个的转换，即发生事件，执行后续算法，否则一直等待事件发生；

描述功率器件结温的状态方程由连续时间微分方程描述为：

其中a为RC并联单元的温度差，F为非线性函数，u为SiC MOSFET的功率损耗输入和SiC MOSFET的壳温输入。

8.一种宽范围漏源电压检测电路，其特征在于包括大电压采样电路、小电压采样电路、运算放大器U₁、比较器C₁、功率管Q₁、电阻R₁、电阻R₂、电阻R₃；所述运算放大器U₁正输入端接入待检测SiC MOSFET漏源电压V_ds，负输入端分别经电阻R₁接地、经电阻R₂接运算放大器U₁输出端，所述运算放大器U₁的输出端连接比较器C₁的正输入端；所述比较器C₁的负输入端接入参考电平V_ref，比较器C₁的输出端连接功率管Q₁的栅极；所述功率管Q₁的源极接地，漏极连接电阻R₃的一端和小电压采样电路的输入端，所述R₃的另一端连接待检测SiC MOSFET漏源电压V_ds和大电压采样电路的输入端。

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