CN113392609A - 一种功率模块开通振荡电流确定方法 - Google Patents

一种功率模块开通振荡电流确定方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种功率模块开通振荡电流确定方法。方法包括根据开关等效电路模型的参数确定电流上升阶段的电流变化率和压降；获取上管SiCMOSFET的漏源极电容随电压的变化曲线；根据压降和漏源极电容随电压的变化曲线确定的上管SiC MOSFET的漏源极电容的取值；确定电流从稳态电流上升至峰值电流的时间；根据电流从稳态电流上升至峰值电流的时间和电流变化率确定下管SiC MOSFET在开通过程中产生的电流过冲值；根据开通振荡过程的等效电路简化的二阶振荡电路确定开通振荡过程中的衰减系数和固有角频率；根据电流过冲值和衰减系数和固有角频率确定开通电流振荡方程。本发明能够提高开通振荡电流的计算精度。

Description

一种功率模块开通振荡电流确定方法
技术领域
本发明涉及SiC二极管的功率模块领域，特别是涉及一种功率模块开通振荡电流确定方法。
背景技术
Si IGBT在很多重大领域都得到了广泛应用，逐渐成为主流的电力电子器件。目前，Si IGBT器件的性能已经接近硅材料所能承受的极限，很难从制造工艺方面满足人们对功率密度、开关频率等更高的要求。自2011年第一代商业化SiC MOSFET诞生之后，基于碳化硅宽禁带半导体材料的新型电力电子器件得到了广泛关注和应用。SiC电力电子器件具有耐高温、耐高压、开关损耗小等优势，可以提高系统的开关频率和功率密度，在未来的高压直流电网建设中具有很大的应用潜力。
SiC器件的开关速度得到极大的提高，但同时也引入了较严重的开关寄生振荡问题。相关研究表明SiC二极管的结电容和快速开关瞬变是导致器件开关寄生振荡的主要原因。因此，相比较与传统的Si IGBT器件，SiC MOSFET、SiC JFET、以及Si IGBT与SiC二极管组成的混合器件的开关寄生振荡问题都更加剧烈。电力电子器件剧烈的开关振荡不仅会危害器件自身的安全，同时会通过传导和辐射耦合影响周围设备的稳定运行，需要对此进行建模预测。
由于SiC二极管具有零反向恢复电流特性，应用SiC二极管的功率模块开通电流振荡完全是由器件输出电容和电路寄生电感造成的，呈现二阶振荡衰减规律。现阶段主要通过建立包含寄生参数的开通等效电路，对此进一步简化分析形成二阶振荡电路模型，推导开通振荡电流的表达式。但现有计算方法没有考虑开通过程不同阶段寄生参数值的变化，导致模型的计算结果与实际的吻合度降低。因此，对器件电容的精确取值可以进一步提高开通振荡电流的计算精度。
发明内容
本发明的目的是提供一种功率模块开通振荡电流确定方法，能够提高开通振荡电流的计算精度。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种功率模块开通振荡电流确定方法，包括：
获取功率模块的开关等效电路模型；
获取所述开关等效电路模型的电路参数和器件参数；所述电路参数包括：母排电感、母排电阻、母线电压、负载电感、负载电阻和外部栅极电阻；所述器件参数包括：上管SiCMOSFET的栅漏极电容、栅源极电容、漏源极电容、内部栅极电感、源极电感、漏极电感和内部栅极电阻，下管SiC MOSFET的栅漏极电容、栅源极电容、漏源极电容、内部栅极电感、源极电感、漏极电感和内部栅极电阻，以及上管SiC MOSFET和下管SiC MOSFET之间的连接电感；
根据所述开关等效电路模型的电路参数和器件参数确定电流上升阶段的电流变化率以及压降；降压转移至上管SiC MOSFET；
获取上管SiC MOSFET的漏源极电容随上管SiC MOSFET的电压的变化曲线；
根据压降和上管SiC MOSFET的漏源极电容随上管SiC MOSFET的电压的变化曲线确定上管SiC MOSFET的漏源极电容的取值；
根据上管SiC MOSFET的漏源极电容的取值以及总回路寄生电感确定电流从稳态电流上升至峰值电流的时间；
根据电流从稳态电流上升至峰值电流的时间以及下管SiC MOSFET的电流变化率确定下管SiC MOSFET在开通过程中产生的电流过冲值；
获取开通振荡过程的等效电路；并将等效电路简化为二阶振荡电路；
根据所述二阶振荡电路确定开通振荡过程中的衰减系数和固有角频率；
根据所述电流过冲值以及衰减系数和固有角频率确定开通电流振荡方程。
可选地，所述根据所述开关等效电路模型的电路参数和器件参数确定电流上升阶段的电流变化率以及压降，具体包括：
利用公式
Figure BDA0003143072720000031
确定电流上升阶段的电流变化率；
利用公式
Figure BDA0003143072720000032
确定电流上升阶段的压降；
其中，id2为下管SiC MOSFET的漏极电流，gfs为跨导，Vgon为正栅极电压，Vth为阈值电压，Rg2为下管SiC MOSFET的栅极电阻，Ciss2为下管SiC MOSFET的输入电容，Ls2为下管SiCMOSFET的源极电感，Vdrop为电流上升阶段的压降，Lloop为总回路寄生电感。
可选地，所述根据上管SiC MOSFET的漏源极电容的取值以及总回路寄生电感确定电流从稳态电流上升至峰值电流的时间，具体包括：
利用公式
Figure BDA0003143072720000033
获取下管SiC MOSFET电流从稳态电流上升至峰值电流的时间△t，
Figure BDA0003143072720000034
其中，uCds1为上管SiC MOSFET的漏源极电容的电压，Cds1为上管SiC MOSFET的漏源极电容，iCds1为上管SiC MOSFET的漏源极电容的电流，Ld为总漏极电感，Ls2为下管SiCMOSFET的源极电感。
可选地，所述根据电流从稳态电流上升至峰值电流的时间以及下管SiC MOSFET的电流变化率确定下管SiC MOSFET在开通过程中产生的电流过冲值，具体包括：
利用公式
Figure BDA0003143072720000035
确定下管SiC MOSFET在开通过程中产生的电流过冲值；
其中，Iovershoot为下管SiC MOSFET在开通过程中产生的电流过冲值，Ip为峰值电流，IL为稳态电流。
可选地，所述根据所述二阶振荡电路确定开通振荡过程中的衰减系数和固有角频率，具体包括：
利用公式
Figure BDA0003143072720000036
确定开通振荡过程中的衰减系数；
利用公式
Figure BDA0003143072720000041
确定开通振荡过程中的固有角频率；
其中，Rloop为总回路电阻，δ为衰减系数，ω为固有角频率。
可选地，所述根据所述电流过冲值以及衰减系数和固有角频率确定开通电流振荡方程，具体包括：
利用公式
Figure BDA0003143072720000042
确定开通电流振荡方程；
其中，t为时间变量，t2为电流上升阶段的结束时刻。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明所提供的一种功率模块开通振荡电流确定方法，该方法将开通振荡电流分为电流过冲值和衰减过程两个阶段进行分析，可以详细考虑漏源极电容在开通过程不同阶段的精确电容值，由此很大程度提高了开通振荡电流的计算精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的一种功率模块开通振荡电流确定方法流程示意图；
图2为SiC MOSFET模块的开关等效电路模型结构示意图；
图3为漏源极电容随电压变化的示意曲线示意图；
图4为开通振荡过程的等效电路示意图；
图5为二阶振荡电路示意图；
图6为考虑电容变化的计算结果与实验结果的对比示意图；
图7为不考虑电容变化的计算结果与实验结果的对比示意图。
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。
本发明的目的是提供一种功率模块开通振荡电流确定方法，能够提高开通振荡电流的计算精度。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明所提供的一种功率模块开通振荡电流确定方法流程示意图，如图1所示，一种功率模块开通振荡电流确定方法，包括：
获取功率模块的开关等效电路模型；如图2所示，所述功率模块具体为SiC MOSFET模块，T1和T2分别代表上管SiC MOSFET和下管SiC MOSFET。其中，Cgd1(Cgd2)、Cgs1(Cgs2)和Cds1(Cds2)分别为T1(T2)的栅漏极电容、栅源极电容和漏源极电容，Lg1(Lg2)、Ls1(Ls2)和Ld1(Ld2)分别为T1(T2)的内部栅极电感、源极电感和漏极电感。Rgin1和Rgin2分别为T1和T2的内部栅极电阻。上管T1保持关断，其内部二极管为电感电流提供续流支路。下管T2持续开关动作，Vg为T2的驱动电压，Rgex2为外部栅极电阻。T2管的栅极电阻为Rg2＝Rgex2+Rgin2。Ld3为T1和T2之间的连接电感，Ld4和Rd为母排电感和母排电阻。因此，总漏极电感为Ld＝Ld1+Ld2+Ld3+Ld4+Ls1，总回路电感为Lloop＝Ld+Ls2＝Ld1+Ld2+Ld3+Ld4+Ls1+Ls2。Vdc为母线电压，L和R分别为负载电感和电阻。
获取所述开关等效电路模型的电路参数和器件参数；所述电路参数包括：母排电感、母排电阻、母线电压、负载电感、负载电阻和外部栅极电阻；所述器件参数包括：上管SiCMOSFET的栅漏极电容、栅源极电容、漏源极电容、内部栅极电感、源极电感、漏极电感和内部栅极电阻，下管SiC MOSFET的栅漏极电容、栅源极电容、漏源极电容、内部栅极电感、源极电感、漏极电感和内部栅极电阻，以及上管SiC MOSFET和下管SiC MOSFET之间的连接电感；
根据所述开关等效电路模型的电路参数和器件参数确定电流上升阶段的电流变化率以及压降；降压转移至上管SiC MOSFET；
将MOSFET器件开通过程的电流上升过程简化为线性上升，所述根据所述开关等效电路模型的电路参数和器件参数确定电流上升阶段的电流变化率以及压降，具体包括：
利用公式
Figure BDA0003143072720000061
确定电流上升阶段的电流变化率；
利用公式
Figure BDA0003143072720000062
确定电流上升阶段的压降；
其中，id2为下管SiC MOSFET的漏极电流，gfs为跨导，Vgon为正栅极电压，Vth为阈值电压，Rg2为下管SiC MOSFET的栅极电阻，Ciss2为下管SiC MOSFET的输入电容，Ls2为下管SiCMOSFET的源极电感，Vdrop为电流上升阶段的压降，Lloop为总回路寄生电感。
获取上管SiC MOSFET的漏源极电容随上管SiC MOSFET的电压的变化曲线；
根据压降和上管SiC MOSFET的漏源极电容随上管SiC MOSFET的电压的变化曲线确定上管SiC MOSFET的漏源极电容的取值；
根据上管SiC MOSFET的漏源极电容的取值以及总回路寄生电感确定电流从稳态电流上升至峰值电流的时间；
当id2达到稳态电流IL，T1管的漏源极电容会造成开通电流过冲现象，所述根据上管SiC MOSFET的漏源极电容的取值以及总回路寄生电感确定电流从稳态电流上升至峰值电流的时间，具体包括：
利用公式
Figure BDA0003143072720000063
获取下管SiC MOSFET电流从稳态电流上升至峰值电流的时间△t，
Figure BDA0003143072720000064
其中，uCds1为上管SiC MOSFET的漏源极电容的电压，Cds1为上管SiC MOSFET的漏源极电容，iCds1为上管SiC MOSFET的漏源极电容的电流，Ld为总漏极电感，Ls2为下管SiCMOSFET的源极电感。
根据电流从稳态电流上升至峰值电流的时间以及下管SiC MOSFET的电流变化率确定下管SiC MOSFET在开通过程中产生的电流过冲值；
所述根据电流从稳态电流上升至峰值电流的时间以及下管SiC MOSFET的电流变化率确定下管SiC MOSFET在开通过程中产生的电流过冲值，具体包括：
利用公式
Figure BDA0003143072720000071
确定下管SiC MOSFET在开通过程中产生的电流过冲值；
其中，Iovershoot为下管SiC MOSFET在开通过程中产生的电流过冲值，Ip为峰值电流，IL为稳态电流。
上管T1的漏源极电容Cds1的精确取值对电流过冲值的影响很大。由图1可知，当器件电流上升至电流峰值时，受到回路电感的作用，器件电压会出现部分下跌，下跌的电压Vdrop由上管T1来承受。Cds1的电容值在较小电压范围内变化很大，由数十nF迅速下降至几nF，如图3所示。因此，
Figure BDA0003143072720000072
中的Cds1应取器件电压为Vdrop时的电容值(Cds1_drop)，而不能简单等效为电压为0时的电容值(Cds1_max)。电流上升阶段器件的电压跌落值如
Figure BDA0003143072720000073
所示。根据电容-电压曲线，获取电压Vdrop对应的电容值Cds1_drop，将Cds1_drop代入式
Figure BDA0003143072720000074
可以计算得到器件开通过程的电流过冲值。
获取开通振荡过程的等效电路；并将等效电路简化为二阶振荡电路。t2时刻后，T2的漏源极电压迅速下降，T1的漏源极电容Cds1被充电。T2可等效为导通电阻Ron。因此，开通振荡等效电路如图4所示。由于驱动支路的阻抗远远大于共源极支路，因此开通振荡电路模型可简化为如图5所示的二阶电路。
器件开通过程产生的能量在电容和电感之间转换并呈现振荡过程，最终能量将被消耗在回路电阻中，振荡过程结束。根据所述二阶振荡电路确定开通振荡过程中的衰减系数和固有角频率；
所述根据所述二阶振荡电路确定开通振荡过程中的衰减系数和固有角频率，具体包括：
利用公式
Figure BDA0003143072720000075
确定开通振荡过程中的衰减系数；
利用公式
Figure BDA0003143072720000081
确定开通振荡过程中的固有角频率；
其中，Rloop为总回路电阻，δ为衰减系数，ω为固有角频率。T2进入到开通振荡阶段，T2电压快速下降至0，上管T1承受母线电压，因此Cds1应取器件电压为Vdc时的电容值。
根据所述电流过冲值以及衰减系数和固有角频率确定开通电流振荡方程。
根据所述电流过冲值以及衰减系数和固有角频率确定开通电流振荡方程，具体包括：
利用公式
Figure BDA0003143072720000082
确定开通电流振荡方程；
其中，t为时间变量，t2为电流上升阶段的结束时刻。
为了验证本发明对开通振荡电流的计算精度，将计算结果与实验结果进行对比，如图6所示。同时，为了验证考虑电容随电压变化的精确取值对计算结果的影响程度，将不考虑电容变化的计算结果与实验结果进行对比，如图7所示。由图6和图7可知，与采用固定电容值的振荡电流计算方法相比，本发明提出的计算方法极大地提高了对于开通振荡电流的预测精度。表1给出了本发明的计算结果与实验结果的振荡频率与前五个振荡峰值对比，可以看出该计算结果可以较好地预测实际功率模块开通电流的振荡频率以及振荡衰减过程。
表1考虑电容变化的计算结果与实验结果的振荡频率与幅值对比
开通振荡 实验 计算 差异
振荡频率 2.97MHz 2.94MHz 0.03MHz
电流过冲 12.12A 12.74A 0.62A
第二个峰值 8.64A 10.45A 1.81A
第三个峰值 7.56A 8.58A 1.02A
第四个峰值 6.60A 7.04A 0.44A
第五个峰值 5.52A 5.77A 0.25A
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种功率模块开通振荡电流确定方法，其特征在于，包括：
获取功率模块的开关等效电路模型；
获取所述开关等效电路模型的电路参数和器件参数；所述电路参数包括：母排电感、母排电阻、母线电压、负载电感、负载电阻和外部栅极电阻；所述器件参数包括：上管SiCMOSFET的栅漏极电容、栅源极电容、漏源极电容、内部栅极电感、源极电感、漏极电感和内部栅极电阻，下管SiC MOSFET的栅漏极电容、栅源极电容、漏源极电容、内部栅极电感、源极电感、漏极电感和内部栅极电阻，以及上管SiC MOSFET和下管SiC MOSFET之间的连接电感；
根据所述开关等效电路模型的电路参数和器件参数确定电流上升阶段的电流变化率以及压降；降压转移至上管SiC MOSFET；
获取上管SiC MOSFET的漏源极电容随上管SiC MOSFET的电压的变化曲线；
根据压降和上管SiC MOSFET的漏源极电容随上管SiC MOSFET的电压的变化曲线确定上管SiC MOSFET的漏源极电容的取值；
根据上管SiC MOSFET的漏源极电容的取值以及总回路寄生电感确定电流从稳态电流上升至峰值电流的时间；
根据电流从稳态电流上升至峰值电流的时间以及下管SiC MOSFET的电流变化率确定下管SiC MOSFET在开通过程中产生的电流过冲值；
获取开通振荡过程的等效电路；并将等效电路简化为二阶振荡电路；
根据所述二阶振荡电路确定开通振荡过程中的衰减系数和固有角频率；
根据所述电流过冲值以及衰减系数和固有角频率确定开通电流振荡方程。
2.根据权利要求1所述的一种功率模块开通振荡电流确定方法，其特征在于，所述根据所述开关等效电路模型的电路参数和器件参数确定电流上升阶段的电流变化率以及压降，具体包括：
利用公式
Figure FDA0003143072710000011
确定电流上升阶段的电流变化率；
利用公式
Figure FDA0003143072710000021
确定电流上升阶段的压降；
其中，id2为下管SiC MOSFET的漏极电流，gfs为跨导，Vgon为正栅极电压，Vth为阈值电压，Rg2为下管SiC MOSFET的栅极电阻，Ciss2为下管SiC MOSFET的输入电容，Ls2为下管SiCMOSFET的源极电感，Vdrop为电流上升阶段的压降，Lloop为总回路寄生电感。
3.根据权利要求2所述的一种功率模块开通振荡电流确定方法，其特征在于，所述根据上管SiC MOSFET的漏源极电容的取值以及总回路寄生电感确定电流从稳态电流上升至峰值电流的时间，具体包括：
利用公式
Figure FDA0003143072710000022
获取下管SiC MOSFET电流从稳态电流上升至峰值电流的时间△t，
Figure FDA0003143072710000023
其中，uCds1为上管SiC MOSFET的漏源极电容的电压，Cds1为上管SiC MOSFET的漏源极电容，iCds1为上管SiC MOSFET的漏源极电容的电流，Ld为总漏极电感，Ls2为下管SiC MOSFET的源极电感。
4.根据权利要求3所述的一种功率模块开通振荡电流确定方法，其特征在于，所述根据电流从稳态电流上升至峰值电流的时间以及下管SiC MOSFET的电流变化率确定下管SiCMOSFET在开通过程中产生的电流过冲值，具体包括：
利用公式
Figure FDA0003143072710000024
确定下管SiC MOSFET在开通过程中产生的电流过冲值；
其中，Iovershoot为下管SiC MOSFET在开通过程中产生的电流过冲值，Ip为峰值电流，IL为稳态电流。
5.根据权利要求4所述的一种功率模块开通振荡电流确定方法，其特征在于，所述根据所述二阶振荡电路确定开通振荡过程中的衰减系数和固有角频率，具体包括：
利用公式
Figure FDA0003143072710000025
确定开通振荡过程中的衰减系数；
利用公式
Figure FDA0003143072710000031
确定开通振荡过程中的固有角频率；
其中，Rloop为总回路电阻，δ为衰减系数，ω为固有角频率。
6.根据权利要求5所述的一种功率模块开通振荡电流确定方法，其特征在于，所述根据所述电流过冲值以及衰减系数和固有角频率确定开通电流振荡方程，具体包括：
利用公式
Figure FDA0003143072710000032
确定开通电流振荡方程；
其中，t为时间变量，t2为电流上升阶段的结束时刻。
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