CN113437857B - 基于寄生体二极管导通损耗调节的SiC MOSFET结温平滑控制方法及系统 - Google Patents

基于寄生体二极管导通损耗调节的SiC MOSFET结温平滑控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于寄生体二极管导通损耗调节的结温平滑控制方法及系统，通过评估MOSFET芯片稳态运行时平均结温；判断平均结温和/或基频结温波动幅度的改变量是否发生变化，如果否，则无需采取结温控制措施；如果是，则采取结温控制措施，所述结温控制措施是改变寄生体二极管的持续电流时间；评估MOSFET芯片的实际平均结温，直到实际平均结温符合预设阈值，结束结温控制措施。本发明提出的基于寄生体二极管导通时间调节的SiC MOSFET的结温控制方法，通过控制MOSFET寄生体二极管的导通时间，在不增加其他辅助器件的基础上，可以实现器件结温波动的平滑控制，同时提高器件的可靠性，增加器件的使用寿命，降低了器件使用成本。

Description

基于寄生体二极管导通损耗调节的SiC MOSFET结温平滑控制 方法及系统
技术领域
本发明涉及电力电子变换及功率器件可靠性相关技术领域，特别是一种基于寄生体二极管导通损耗调节的SiC MOSFET结温平滑控制方法。
背景技术
功率器件在电力电子变换器中一直处于关键地位，同时也是系统中最容易损坏的部件之一。功率器件的失效大多与其内部的结温有着密切的联系。为了减小器件因结温变化而受到的热应力，需要采取结温控制措施来减小或平滑其结温的波动，实现结温的主动控制而提高器件的可靠性。碳化硅(SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)作为宽禁带半导体功率器件的典型代表，研究其可靠性具有十分重要的意义。MOSFET的特殊结构导致其体内存在一个寄生体二极管，由于SiC材料的禁带宽度是Si材料的三倍，合理利用寄生体二极管的导通来平滑器件结温波动以提高器件运行可靠性，具有十分重要的意义。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于寄生体二极管导通损耗调节的SiCMOSFET的结温控制方法，该方法用于SiC MOSFET的结温控制。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明提供的基于寄生体二极管导通损耗调节的结温平滑控制方法，包括以下步骤：
评估MOSFET芯片稳态时的平均结温和/或基频结温；
当平均结温和/或基频结温波动幅度的改变量达到预设阈值，则采取结温控制措施调整MOSFET芯片的结温；
评估MOSFET芯片稳态时的实际平均结温和/或基频结温波动幅度的改变量，直到实际平均结温和/或基频结温波动幅度的改变量符合预设阈值，结束结温控制措施。
进一步，所述结温控制措施为改变体二极管的续流时间和/或控制开关频率。
进一步，所述结温控制措施是通过结温控制电路来实现结温调整的。
进一步，所述平均结温是通过以下步骤进行评估的：
获取待测MOSFET管的电流和两端的电压；
通过电流和电压计算其损耗功率后输入到三阶热网络评估待测MOSFET管的平均结温；
通过温度显示模块显示得到的平均结温。
进一步，所述结温控制措施是通过切换寄生体二极管的续流时间来实现的，具体步骤如下：
接收待测MOSFET管的驱动信号；
断开第一延时器支路的切换开关，接通第二延时器支路的切换开关，所述第二延时器支路的续流时间大于第一延时器支路的续流时间；
通过第二延时器支路将待测MOSFET管的驱动信号输入到待测MOSFET管的驱动端。
本发明提供的基于寄生体二极管导通损耗调节的结温平滑控制系统，包括结温评估电路、判断电路和结温控制电路；
所述结温评估电路，用于获取待测MOSFET管的电流和电压值并根据获取的电流和电压值评估平均结温和/或基频结温波动幅度的改变量；
所述判断电路，用于根据平均结温和/或基频结温波动幅度的改变量判断结温控制电路是否需要启动并生成驱动结温控制电路的控制信号；
所述结温控制电路，用于根据在控制信号的作用下调整MOSFET的结温。
进一步，所述待测MOSFET管的电流和电压值的获取是通过采集电路来实现的，所述采集电路包括组成H桥结构的第一MOSFET管、第二MOSFET管、第三MOSFET管、第四MOSFET管以及并联在两桥臂上的负载电感L；
所述第一MOSFET管的漏极与第三MOSFET管漏极连接后与电源的一端连接；
所述第一MOSFET管的源极与第二MOSFET管的漏极连接；
所述第三MOSFET管的源极与第四MOSFET管的漏极连接；
所述第三MOSFET管的源极与第四MOSFET管的源极连接与电源的另一端连接；
所述电感L的一端与所述第一MOSFET管的源极连接；
所述电感L的另一端与第三MOSFET管的源极连接；
进一步，所述结温评估电路包括MOSFET的损耗、第一热阻、第二热阻、第三热阻、第一热容、第二热容、第三热容和器件壳温；
所述第一MOSFET管的电流和两端电压通过计算得到其损耗后输入到三阶热网络中，所述三阶热网络输出端可以评估器件的结温，所述三阶热网络的输出端并联第一热容，所述第一热容的一端与第一热阻的一端连接，所述第一热阻的另一端与第二热容连接，所述第二热容的另一端与三阶热网络的温度0参考点连接；所述第二热阻一端与第一热阻和第二热容的公共端连接，所述第二热阻的另一端与第三热阻和第三热容的一端连接，所述第三热容的另一端与三阶热网络的温度0参考点连接，所述第三热阻的另一端串接器件壳温，所述器件壳温的另一端与三阶热网络的温度0参考点连接。
进一步，所述结温控制电路是通过续流控制电路来实现的，所述续流控制电路包括第一快速切换开关、第二快速切换开关、第一延时器和第二延时器；
所述第一快速切换开关与第一延时器串接，所述第二快速切换开关与第二延时器串接，所述第一快速切换开关和第二快速切换开关的公共端与开关管的驱动端连接，所述第一延时器和第二延时器分别接收开关管的驱动信号；所述第二延时器设定的延时时间大于第一延时器设定的延时时间。
本发明的有益效果在于：
本发明提出的基于寄生体二极管导通时间调节的SiC MOSFET的结温控制方法及系统，通过控制MOSFET寄生体二极管的导通时间，在不增加其他辅助器件的基础上，可以实现器件结温波动的平滑控制，同时提高器件的可靠性，增加器件的使用寿命，降低器件使用成本。
该方法可以平滑和抑制MOSFET结温波动，减小器件所受热应力，以此实现延长器件使用寿命的目的，可以主动控制MOSFET结温的方法。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为MOSFET结构及寄生体二极管示意图。
图2为基于寄生体二极管导通损耗调温的方法流程图。
图3为结温测试主电路。
图4为换流过程。
图5为结温评估电路
图6为续流控制电路。
图7为稳态时器件结温及负载电流。
图8为不采取结温控制措施时结温变化曲线。
图9为增加寄生体二极管导通时间结温变化。
图10为增加寄生体二极管导通时间与提高开关频率结温变化。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例1
如图1所示，图1是MOSFET的结构以及寄生体二极管的示意图，本实施例提供的MOSFET结温控制方法，主要是利用MOSFET特殊结构中特有的寄生体二极管。MOSFET的特殊结构导致其体内有一个寄生的体二极管，并且SiC材料的禁带宽度是Si材料的3倍，所以导致SiC MOSFET的PN结开启电压和正向导通压降比Si器件的高，同时其寄生体二极管的导通损耗大于MOSFET正向导通的损耗，因此SiC MOSFET寄生体二极管的续流时间对整个芯片功耗有重要影响。
本实施例采取改变MOSFET的寄生体二极管续流时间和开关频率二者协同来控制其结温，其基本原理是：当开关管通过的电流突然减小时，会导致器件结温下降。因为芯片内部不同材料的热膨胀系数不同，器件结温的突然变化会导致其承受较大的热应力，这可能会导致器件的疲劳失效，为了避免出现这种情况，需要采取措施对器件进行升温。本实施例提供的结温平滑控制方法是特别针对SiC(碳化硅)MOSFET的，若是普通的MOSFET(Si硅材料)，不采用本实施例提供的方法；因为SiC MOSFET寄生体二极管续流时的导通压降比其正向导通压降更大，所以在电流减小时，通过增加寄生体二极管的续流时间和改变开关频率，可以增加在MOSFET上的损耗，损耗增加可以使器件的结温上升，从而达到减小器件结温波动的目的，以此来减小结温的波动幅度，从而减小器件受到的热应力，提高器件的可靠性，延长器件的使用寿命。
如图2所示，本实施例提供的基于寄生体二极管导通损耗调节的SiC MOSFET结温平滑控制方法，包括以下步骤：
评估MOSFET芯片稳态运行时的平均结温和/或基频结温；
判断平均结温和/或基频结温波动幅度的改变量是否达到预设阈值，如果否，则无需采取结温控制措施；
如果是，则采用改变寄生体二极管续流时间的结温控制措施，使得MOSFTE芯片结温变化达到预设阈值，然后再判断平均结温和/或基频结温波动幅度的改变量是否达到预设阈值，如果是，则结束结温控制措施，如果否，则继续采用改变寄生体二极管续流时间的结温控制措施；
本实施例提供的SiC MOSFET结温控制措施，包括增加体二极管续流时间和/或控制开关频率等其他控制MOSFET芯片结温措施；
直到平均结温和/或基频结温波动幅度的改变量达到预设阈值，结束结温控制措施。
本实施例提供的预设阈值一般设置为与稳态运行时平均结温一致。本实施例提供的结温控制措施可以采用延长体二极管的续流时间或者控制开关频率。
如图3所示，图3是用来结温控制效果的主电路图，为了测试效果，需要采用一种电路拓扑对其进行仿真验证，本实施例采用逆变器电路。
由于半导体芯片的结温无法直接测量得到，只能评估或间接测量，本实施例采用结温评估方法得到MOSFET芯片的结温；
其中，平均结温随负载变化而变化，基波频率的结温简称“基频结温”，基频结温一直都是变化的，根本原因是电力电子变换器中的开关管总是开通一段时间(升温)，然后又关断一段时间(降温)，结温也会跟着上升下降，稳态时波动的幅值不变，当负载功率变化时，基频结温波动的“幅值”会发生变化。
当基频结温波动幅度，或平均结温发生变化时，均需要采用结温平滑控制措施。
本实施例提供的基于寄生体二极管导通损耗调节的SiC MOSFET结温平滑控制系统，包括结温评估电路、判断电路和结温控制电路；所述结温评估电路，用于获取待测MOSFET管的电流和电压值并根据获取的电流和电压值评估结温的平均结温；所述判断电路，用于根据平均结温和/或基频结温判断结温控制电路是否需要启动并生成驱动结温控制电路的控制信号；所述结温控制电路，用于根据在控制信号的作用下调整寄生体二极管的结温。
本实施例的待测MOSFET管的电流和电压值的获取是通过采集电路来实现的，所述采集电路包括组成H桥结构的第一MOSFET管、第二MOSFET管、第三MOSFET管、第四MOSFET管以及并联在两桥臂上的负载电感L；
所述第一MOSFET管的漏极与第三MOSFET管漏极连接后与电源的一端连接；
所述第一MOSFET管的源极与第二MOSFET管的漏极连接；
所述第三MOSFET管的源极与第四MOSFET管的漏极连接；
所述第三MOSFET管的源极与第四MOSFET管的源极连接与电源的另一端连接；
所述电感L的一端与所述第一MOSFET管的源极连接；
所述电感L的另一端与第三MOSFET管的源极连接；
如图4所示，图4是H桥上的开关管换流过程示意图，逆变器的H桥上的开关管存在换流过程，带箭头虚线表示电流的走向。第一阶段是开关管S1、S4关断，而S2、S3两个开关管处于正向导通阶段，没有体二极管续流，此时H桥上电流的走向是：开关管S3-负载L-开关管S2；第二阶段是四个开关管全部处于关断状态，此时通过开关管S1、S4的体二极管续流，H桥上的电流走向是：开关管S4的体二极管-负载L-开关管S1的体二极管；第三阶段是开关管S1、S4的体二极管续流阶段结束，此时开关管S2、S3关断，而S1、S4导通，没有体二极管续流，H桥上的电流走向为：开关管S4-负载L-开关管S1。
如图5所示，本实施例以第一MOSFET管作为开关管为例进行说明，其中，Ploss表示开关管的损耗瞬时功率，Rth1为第一热阻、Rth2为第二热阻、Rth3为第三热阻，Cth1为第一热容、Cth2为第二热容、Cth3为第三热容，Tc是器件壳温。
所述开关管的损耗瞬时功率Ploss可由下式求得：
PlOSS＝Vds(t)id(t)
其中，Vds(t)为MOSFET管漏极与源极之间的瞬时电压；id(t)为MOSFET的漏极瞬时电流；t表示时间。
所述结温评估电路包括开关管损耗瞬时功率Ploss、第一热阻Rth1、第二热阻Rth2、第三热阻Rth3、第一热容Cth1、第二热容Cth2、第三热容Cth3、器件壳温Tc；
所述第一MOSFET管的损耗功率输入到三阶热网络中，所述三阶热网络输出端可以评估器件的结温(图中Tj所在位置)，所述三阶热网络的输出端连接第一热容，所述第一热容的一端与第一热阻的一端连接，所述第一热阻的另一端与第二热容连接，所述第二热容的另一端与三阶热网络的温度0参考点连接；所述第二热阻一端与第一热阻和第二热容的公共端连接，所述第二热阻的另一端与第三热阻和第三热容的一端连接，所述第三热容的另一端与三阶热网络的温度0参考点连接，所述第三热阻的另一端串接器件壳温，所述器件壳温的另一端与三阶热网络的温度0参考点连接。
本实施例中将测得的第一开关管即第一MOSFET管的损耗输入到三阶热网络模型电路中，通过三阶热网络模型可以评估出器件的实时结温。
如图6所示，图6为对MOSFET的续流时间控制电路原理，其中S1连接到开关管的驱动端，PWM为开关管的驱动信号，SW1与SW2均为快速切换开关，DT1与DT2分别代表不同延迟时间(即续流时间)的延时器，其中DT2>DT1。
本实施例的结温控制电路是通过续流控制电路来实现的，所述续流控制电路，用于根据平均结温和预设阈值切换寄生体二极管续流时间，所述续流控制电路包括第一快速切换开关、第二快速切换开关、第一延时器、第二延时器；所述第一快速切换开关与第一延时器串接，所述第二快速切换开关与第二延时器串接，所述第一快速切换开关和第二快速切换开关的公共端与开关管的驱动端连接，所述第一延时器和第二延时器分别接收开关管的驱动信号；所述第二延时器设定的延时时间大于第一延时器设定的延时时间。
由续流控制电路可得，开关管的驱动信号PWM经过不同的延迟时间处理后再输入到开关管的驱动端，而这个延迟时间段内开关管是处于关断状态，即此时间是体二极管续流阶段，所以这个延迟时间就是体二极管的续流时间，通过控制这个续流时间可以对MOSFET的结温进行控制。
本实施例的预设阈值可以根据实际情况进行设置，其中，结温控制措施也可以采用其他结温控制方法联合调节，因此，本实施例的结温控制电路可以采用功率器件结温控制电路，所述功率器件结温控制电路按照申请为CN201510018504.0，名称为一种功率器件结温控制电路及主动热管理方法中的步骤来实现主动热管理。
当器件平均结温变化时(以平均结温下降为例)。当器件平均结温下降时，快速切换开关SW1断开，同时SW2闭合，将续流时间由原来的DT1切换至DT2(其中DT2>DT1)，通过续流时间的增加使开关管上的损耗增加，从而使平均结温上升，达到控制结温的目的。而平均结温上升时续流时间控制过程则与上述过程相反。
如图7所示，图7为稳态时器件结温及负载电流示意图，用于测试在稳态下器件的结温变化曲线和负载电流变化曲线(图中电流是采样后电流大小，为负载电流大小的1/10)，此时开关频率是100kHz,寄生体二极管的导通时间为0.2us。
如图8所示，图8为不采取结温控制措施时结温变化曲线，用于模拟器件结温变化所受干扰，在0.1-0.2s时间段将负载电流减小为原来的3/4，不采取任何结温控制措施，测试器件结温变化曲线。
如图9所示，图9为增加寄生体二极管导通时间结温变化，采取本实施例提供的结温控制措施，在0.1-0.2s电流减小的时间段将寄生体二极管的导通时间由原来的0.2us提升到2us，测试结温变化曲线如图8所示，可以看到在0.1-0.2s时间段器件结温明显上升。
如图10所示，图10为增加寄生体二极管导通时间与提高开关频率结温变化，在采取上一步结温控制措施的基础上，在电流减小时间段将开关频率提升至125kHz，测试结温变化曲线。
通过对比图8、图9和图10的结温变化并测试，其中，图10是采用两种结温控制方法的“联合调节”；可以得到器件平均结温的具体数值变化如表1所列，所述结温控制措施均只在负载电流减小的时间段进行。
表1不同结温控制方法对平均结温的影响
Figure BDA0003129630290000081
对比表格数据可以得出结论：在采取结温控制措施后，器件平均结温差值(低频结温波动)由原来的11.6℃减小为8℃，减小31％，当采用联合手段平滑控制后，低频结温波动减小到仅有2.6℃，大大减小了器件平均结温的波动幅度，减小了器件受到的热应力，从而提高了器件的可靠性，延长了器件的使用寿命。仿真结果证明了本实施例提供的结温控制措施的可行性。
此外，从表1还可以看出，在负载电流较小的区间段内，未施加结温控制时，基频结温波动为22.5℃；采取寄生体二极管导通损耗调温后，基频结温波动为19.4℃，因此温度波动减小了3.1℃，效果非常明显。这主要是因为采用寄生体二极管导通时间调节后，在二极管续流期间芯片结温抬升较多，起到了“填谷”的效果，减小了与MOS管正向导通时的结温之差。由此可以看出，本方法对于平滑基波频率的结温波动幅度效果比较显著。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (7)

1.基于寄生体二极管导通损耗调节的SiC MOSFET结温平滑控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
评估MOSFET芯片稳态时的平均结温和/或基频结温；
当平均结温和/或基频结温波动幅度的改变量达到预设阈值，则采取结温控制措施调整MOSFET芯片结温；
评估MOSFET芯片稳态时的实际平均结温和/或基频结温波动幅度的改变量，直到实际平均结温和/或基频结温波动幅度的改变量符合预设阈值，结束结温控制措施；
所述结温控制措施是通过切换寄生体二极管的续流时间来实现的，具体步骤如下：
接收待测MOSFET管的驱动信号；
断开寄生体二极管的短续流时间的切换开关，接通寄生体二极管的长续流时间的切换开关；
在寄生体二极管的长续流时间的情况下将待测MOSFET管的驱动信号输入到待测MOSFET管的驱动端。
2.如权利要求1所述的基于寄生体二极管导通损耗调节的SiC MOSFET结温平滑控制方法，其特征在于：所述结温控制措施为改变体二极管的续流时间和/或控制开关频率。
3.如权利要求1所述的基于寄生体二极管导通损耗调节的SiC MOSFET结温平滑控制方法，其特征在于：所述结温控制措施是通过结温控制电路来实现结温调整的。
4.如权利要求1所述的基于寄生体二极管导通损耗调节的SiC MOSFET结温平滑控制方法，其特征在于：所述平均结温是通过以下步骤进行评估的：
获取待测MOSFET管的电流和两端的电压；
通过电流和电压计算其损耗功率后输入到三阶热网络评估待测MOSFET管的平均结温；
通过温度显示模块显示得到的平均结温。
5.基于寄生体二极管导通损耗调节的SiC MOSFET结温平滑控制系统，其特征在于：包括结温评估电路、判断电路和结温控制电路；
所述结温评估电路，用于获取待测MOSFET管的电流和电压值并根据获取的电流和电压值评估平均结温和/或基频结温波动幅度的改变量；
所述判断电路，用于根据平均结温和/或基频结温波动幅度的改变量判断结温控制电路是否需要启动并生成驱动结温控制电路的控制信号；
所述结温控制电路，用于根据在控制信号的作用下调整MOSFET芯片的结温；
所述待测MOSFET管的电流和电压值的获取是通过采集电路来实现的，所述采集电路包括组成H桥结构的第一MOSFET管、第二MOSFET管、第三MOSFET管、第四MOSFET管以及并联在两桥臂上的负载电感L；
所述第一MOSFET管的漏极与第三MOSFET管漏极连接后与电源的一端连接；
所述第一MOSFET管的源极与第二MOSFET管的漏极连接；
所述第三MOSFET管的源极与第四MOSFET管的漏极连接；
所述第二MOSFET管的源极与第四MOSFET管的源极连接后与电源的另一端连接；
所述负载电感L的一端与所述第一MOSFET管的源极连接；
所述负载电感L的另一端与第三MOSFET管的源极连接。
6.如权利要求5所述的基于寄生体二极管导通损耗调节的SiC MOSFET结温平滑控制系统，其特征在于：所述结温评估电路包括第一热阻、第二热阻、第三热阻、第一热容、第二热容、第三热容；
所述第一MOSFET管的电流和两端电压通过计算得到其损耗后输入到三阶热网络中，所述三阶热网络输出端可以评估器件的结温，所述三阶热网络的输出端并联第一热容，所述第一热容的一端与第一热阻的一端连接，所述第一热容的另一端与三阶热网络的温度0参考点连接；所述第一热阻的另一端与第二热容连接，所述第二热容的另一端与三阶热网络的温度0参考点连接；所述第二热阻一端与第一热阻和第二热容的公共端连接，所述第二热阻的另一端与第三热阻和第三热容的一端连接，所述第三热容的另一端与三阶热网络的温度0参考点连接，所述第三热阻的另一端串接器件壳温，所述器件壳温的另一端与三阶热网络的温度0参考点连接。
7.如权利要求6所述的基于寄生体二极管导通损耗调节的SiC MOSFET结温平滑控制系统，其特征在于：所述结温控制电路是通过续流控制电路来实现的，所述续流控制电路包括第一快速切换开关、第二快速切换开关、第一延时器和第二延时器；
所述第一快速切换开关与第一延时器串接，所述第二快速切换开关与第二延时器串接，所述第一快速切换开关和第二快速切换开关的公共端与开关管的驱动端连接，所述第一延时器和第二延时器分别接收开关管的驱动信号；所述第二延时器设定的延时时间大于第一延时器设定的延时时间。
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