CN114188923B - 基于SiC MOSFET损耗模型的开关过热保护方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于SiC MOSFET损耗模型的开关过热保护方法，开关为SiC MOSFET，包括以下步骤：构建所述SiC MOSFET的损耗模型，通过采集所述SiC MOSFET的采样电信号，估算所述SiC MOSFET的损耗；基于器件损耗和稳态热网络，通过采集高速/超高速电机控制器上开关器件的散热器的表面温度，估算SiC MOSFET的结温，并与预设的保护阈值进行比较，根据比较结果，对SiC MOSFET进行过热保护；系统包括DSP控制芯片、栅极驱动芯片、三相两电平逆变器、信号采样电路、散热及测温模块，DSP控制芯片用于执行开关过热保护方法；本发明避免器件因过热而失效甚至发生爆炸，危害系统的安全运行。

Description

基于SiC MOSFET损耗模型的开关过热保护方法
技术领域
本申请涉及电机控制系统，具体而言，涉及基于SiC MOSFET损耗模型的开关过热保护方法。
背景技术
对于高速和超高速电机，要达到良好的控制精度需要逆变电路工作在较高的开关频率下，这会导致逆变电路中的开关器件损耗增加。损耗增加会使开关器件的温度不断升高，当达到其阈值时会导致器件过热失效甚至发生爆炸，从而危害系统的安全运行。
而经过多年的发展，硅基半导体功率开关器件的性能已接近其材料应用的极限，在高速和超高速电机的应用中略显吃力，SiC MOSFET速度快、耐高温、损耗低和散热快等特点更符合功率开关器件发展要求，而原有开关器件的损耗计算方法并不适合基于SiCMOSFET的电机控制系统，所以有必要建立适合SiC MOSFET的损耗计算方法，并根据损耗和结温的关系对系统中开关器件的结温进行实时估算和过热保护。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的提出基于SiC MOSFET损耗模型的开关过热保护方法，以实现高速和超高速电机控制系统中的SiC MOSFET尽限应用，并保证系统安全运行。
为了实现上述技术目的，本申请提供了基于SiC MOSFET损耗模型的开关过热保护方法，开关为SiC MOSFET，包括以下步骤：
构建SiC MOSFET的损耗模型，通过采集SiC MOSFET的采样电信号，估算SiCMOSFET的损耗，其中，损耗包括栅极损耗、正向导通通态损耗、第三象限运行通态损耗、开关损耗和体二极管反向恢复损耗；
基于器件损耗和稳态热网络，通过采集高速/超高速电机控制器上开关器件的散热器的表面温度，估算SiC MOSFET的结温，并与预设的保护阈值进行比较，根据比较结果，对SiC MOSFET进行过热保护。
优选地，在构建损耗模型的过程中，栅极损耗的栅极损耗模型为：
Figure BDA0003396188050000021
其中，T为调制波周期，设fsw为开关频率，Qg为栅极电量，Rg_in为栅极内部电阻，ton为开通时间，toff为关断时间。
优选地，在构建损耗模型的过程中，正向导通通态损耗的通态损耗模型为：
Figure BDA0003396188050000022
其中，M为调制比，RDS(on)为SiC MOSFET正向导通的通态电阻，IDS_P为输出电流峰值。
优选地，在构建损耗模型的过程中，采样逆变器的输出电流峰值，并获取输出电流波形对应的等效调制波；
根据占空比与等效调制波的关系式，得到占空比模型；
基于占空比模型，构建SiC MOSFET在正向导通状态下的通态损耗模型，其中，当电流位于正半周波时，SiC MOSFET为正向导通状态。
优选地，输出电流波形的表达式为：
iDS(t)＝IDS_P sinωt；
等效调制波的表达式为：
Figure BDA0003396188050000031
占空比模型为：
Figure BDA0003396188050000041
其中，电压超前电流θ角度，Vdc为直流母线电压。
优选地，第三象限运行通态损耗的通态损耗关系式为：
Figure BDA0003396188050000042
优选地，开关损耗的损耗模型为：
Figure BDA0003396188050000043
其中，Eon和Eoff为器件数据手册提供的开通损耗和关断损耗，UDSN和IDSN为测试Eon和Eoff时器件的漏源电压和漏极电流。
优选地，体二极管反向恢复损耗的损耗模型为：
Figure BDA0003396188050000051
其中，Qrr为反向恢复的电荷量，VD为体二极管正向导通压降，UDSN和IDSN为测试损耗数据时器件的漏源电压和漏极电流。
优选地，器件结温的估算公式为：
Tj＝Th+Ploss(Rth_jc+Rth_ch)
其中，Tj为SiC MOSFET结温，Th为散热器温度，Rth_jc为SiC MOSFET结温到壳温的热阻，Rth_ch为器件壳温到散热器温度的热阻，Ploss为单个SiC MOSFET的总损耗；
Ploss＝PG_in+PQ_fww(on)+PQ_re(on)+PQ_sw+PBD_rr。
优选地，用于保护SiC MOSFET的开关过热保护系统包括DSP控制芯片、栅极驱动芯片、三相两电平逆变器、信号采样电路、散热及测温模块；
DSP控制芯片通过栅极驱动芯片与三相两电平逆变器电性连接；
三相两电平逆变器分别与散热及测温模块无电性连接；
DSP控制芯片用于执行开关过热保护方法，对SiC MOSFET进行过热保护。
本发明公开了以下技术效果：
本发明中涉及的损耗功率是基于SVPWM算法和SiC MOSFET的开关特性进行计算，计算结果精确，器件的损耗功率结合散热器表面温度和稳态热网络模型可以在电机控制器中快速计算SiC MOSFET的结温，从而对其进行保护，避免器件因过热而失效甚至发生爆炸，危害系统的安全运行。
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为本发明所述的对SiC MOSFET进行结温估算和过热保护的电机驱动系统结构图；
图2为本发明所述的三相两电平逆变器电路拓扑；
图3为本发明所述的SVPWM算法的等效调制波波形；
图4为本发明所述的SiC MOSFET正向导通和第三象限运行示意图；
图5为本发明所述的SiC MOSFET结温到散热器表面温度的稳态热网络模型；
图6为本发明所述的实时估算SiC MOSFET结温并进行过热保护的控制流程图。
具体实施方式
下为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
如图1-6所示，本发明提供了基于SiC MOSFET损耗模型的开关过热保护方法，开关为SiC MOSFET，包括以下步骤：
构建SiC MOSFET的损耗模型，通过采集SiC MOSFET的采样电信号，估算SiCMOSFET的损耗，其中，损耗包括栅极损耗、正向导通通态损耗、第三象限运行通态损耗、开关损耗和体二极管反向恢复损耗；
基于器件损耗和稳态热网络，通过采集高速/超高速电机控制器上开关器件的散热器的表面温度，估算SiC MOSFET的结温，并与预设的保护阈值进行比较，根据比较结果，对SiC MOSFET进行过热保护。
进一步优选地，在构建损耗模型的过程中，栅极损耗的栅极损耗模型为：
Figure BDA0003396188050000071
其中，T为调制波周期，设fsw为开关频率，Qg为栅极电量，Rg_in为栅极内部电阻，ton为开通时间，toff为关断时间。
进一步优选地，在构建损耗模型的过程中，正向导通通态损耗的通态损耗模型为：
Figure BDA0003396188050000081
其中，M为调制比，RDS(on)为SiC MOSFET正向导通的通态电阻，IDS_P为输出电流峰值。
进一步优选地，在构建损耗模型的过程中，采样逆变器的输出电流峰值，并获取输出电流波形对应的等效调制波；
根据占空比与等效调制波的关系式，得到占空比模型；
基于占空比模型，构建SiC MOSFET在正向导通状态下的通态损耗模型，其中，当电流位于正半周波时，SiC MOSFET为正向导通状态。
进一步优选地，输出电流波形的表达式为：
iDS(t)＝IDS_P sinωt；
等效调制波的表达式为：
Figure BDA0003396188050000091
占空比模型为：
Figure BDA0003396188050000092
其中，电压超前电流θ角度，Vdc为直流母线电压。
进一步优选地，第三象限运行通态损耗的通态损耗关系式为：
Figure BDA0003396188050000101
进一步优选地，开关损耗的损耗模型为：
Figure BDA0003396188050000102
其中，Eon和Eoff为器件数据手册提供的开通损耗和关断损耗，UDSN和IDSN为测试Eon和Eoff时器件的漏源电压和漏极电流。
进一步优选地，体二极管反向恢复损耗的损耗模型为：
Figure BDA0003396188050000103
其中，Qrr为反向恢复的电荷量，VD为体二极管正向导通压降，UDSN和IDSN为测试损耗数据时器件的漏源电压和漏极电流。
进一步优选地，器件结温的估算公式为：
Tj＝Th+Ploss(Rth_jc+Rth_ch)
其中，Tj为SiC MOSFET结温，Th为散热器温度，Rth_jc为SiC MOSFET结温到壳温的热阻，Rth_ch为器件壳温到散热器温度的热阻，Ploss为单个SiC MOSFET的总损耗；
Ploss＝PG_in+PQ_fw(on)+PQ_re(on)+PQ_sw+PBD_rr。
进一步优选地，用于保护SiC MOSFET的开关过热保护系统包括DSP控制芯片、栅极驱动芯片、三相两电平逆变器、信号采样电路、散热及测温模块；
DSP控制芯片通过栅极驱动芯片与三相两电平逆变器电性连接；
三相两电平逆变器分别与散热及测温模块无电性连接；
DSP控制芯片用于执行开关过热保护方法，对SiC MOSFET进行过热保护。
实施例:该系统主要包括DSP控制芯片、栅极驱动芯片、三相两电平逆变器、信号采样电路、散热及测温模块，该系统的结构如图1。通过信号采样电路获取SiC MOSFET损耗估算所需的电信号，将损耗模型写入DSP程序中并将采样信号带入，在工作中即可实时估算出SiC MOSFET的损耗功率。其中SiC MOSFET损耗主要包括栅极损耗、正向导通通态损耗、第三象限运行通态损耗、开关损耗和体二极管反向恢复损耗。通过温度传感器获得散热器表面的温度，依据SiC MOSFET结温到散热器表面温度的稳态热网络模型估算器件结温，电机控制器根据估算的结温和设置的保护阈值对SiC MOSFET进行过热保护。
SiC MOSFET栅极电阻包括栅极内部电阻和栅极外部电阻，其中栅极内部电阻的损耗会导致SiC MOSFET温度升高，这部分损耗主要在开通和关断过程中产生，故栅极的平均损耗功率的计算公式如式(1)，对其进行整理可得栅极损耗模型如式(2)：
Figure BDA0003396188050000111
Figure BDA0003396188050000112
其中T为调制波周期，设fsw为开关频率，Qg为栅极电量，Rg_in为栅极内部电阻，ton为开通时间，toff为关断时间。
对SiC MOSFET的正向导通通态损耗进行建模，三相两电平逆变器电路拓扑如图2，因为逆变器三相对称，只分析其中一相即可，以A相为例，假设其输出电流波形如式(3)，其中IDS_P为输出电流峰值，且电压超前电流θ角度，则A相的等效调制波如式(4)，等效调制波的波形示意图如图3：
iDS(t)＝IDS_Psinωt (3)
Figure BDA0003396188050000121
其中Vdc为直流母线电压，M为调制比。
调制比表达式如式(5)，其中Um为输出相电压基波峰值。
Figure BDA0003396188050000122
根据占空比与调制波的关系式(6)，得到占空比的模型如式(7)。
Figure BDA0003396188050000123
Figure BDA0003396188050000131
规定电流流出桥臂的方向为正，对A相上管进行分析，当电流位于正半周波时，A相上管导通，则SiC MOSFET正向导通的通态损耗计算公式如式(8)，其中uDS(t)为上管漏源电压的瞬时值。
Figure BDA0003396188050000132
对于SiC MOSFET而言，漏源电压uDS和漏极电流iDS在正向导通状态下近似为线性关系，此时漏源电压应满足式(9)。
uDS(t)＝RDS(on)·iDS(t)＝RDS(on)IDS_Psinωt (9)
其中RDS(on)为SiC MOSFET正向导通的通态电阻，该参数可以通过器件数据手册获得。将各个表达式带入式，进行推导和整理可得正向导通的通态损耗模型，由于
Figure BDA0003396188050000133
且占空比模型分段，正向导通的通态损耗模型也是分段的，如式(10)。
Figure BDA0003396188050000141
如图4，SiC MOSFET因其结构的特殊性，工作时可以实现第三象限运行(即在I-V曲线中漏极电流和漏源电压均为负值的导通状态)，也无需在漏源极两端反并联二极管而使用其自身的体二极管续流。
根据SiC MOSFET第三象限运行的特性曲线可知，第三象限运行时漏源电压和漏极电流仍近似为线性关系，设此时的SiC MOSFET的等效电阻为RSD(on)，该数据可从器件的第三象限特性曲线中获取，输出电流表达式不变，则漏源电压表达式如式(11)。
uDS(t)＝RSD(on)·iDS(t)＝RSD(on)IDS_Psinωt (11)
依旧以A相上管为例进行建模，其第三象限运行的情况出现在输出电流位于负半周时。与正向导通的通态损耗建模的思路和方法类似，对损耗功率的时域表达式进行积分再除去时间得到平均损耗功率，如式(12)。
Figure BDA0003396188050000142
推导和整理后，第三象限运行的通态损耗功率模型如式(13)。
Figure BDA0003396188050000143
对于SiC MOSFET损耗模型，分析SiC MOSFET过程可知单个MOSFET在一个开关周期内开通关断各一次，设f为SVPWM等效调制波频率，则一个调制周期内单个SiC MOSFET要开通和关断各
Figure BDA0003396188050000151
次，SiC MOSFET损耗的计算公式如式(14)，对其进行推导整理可得式(15)。
Figure BDA0003396188050000152
Figure BDA0003396188050000153
其中Eon(t)和Eoff(t)分别为SiC MOSFET开通和关断损耗能量的时域表达式，Eon(n)和Eoff(n)为第n次开通和关断时所损耗的能量，将Eon(n)和Eoff(n)进行近似线性化折算可以满足工程计算需求，则单个SiC MOSFET损耗模型如式(16)。
Figure BDA0003396188050000154
其中Eon和Eoff为器件数据手册提供的开通损耗和关断损耗，UDSN和IDSN为测试Eon和Eoff时器件的漏源电压和漏极电流。
对于SiC MOSFET的体二极管反向恢复损耗，分析SiC MOSFET过程可知单个MOSFET的体二极管在一个开关周期内反向恢复一次，则一个调制周期内单个SiC MOSFET体二极管要反向恢复
Figure BDA0003396188050000155
次，SiC MOSFET体二极管反向恢复损耗的计算公式如式(17)，对其进行推导整理可得式(18)。
Figure BDA0003396188050000156
Figure BDA0003396188050000157
其中Erec(t)为体二极管反向恢复损耗的时域表达式，Erec(n)为体二极管第n次反向恢复时的损耗，将Erec(n)进行线性化近似折算可以满足工程计算需求，则体二极管恢复损耗模型如式(19)-(20)，同样地UDSN和IDSN为测试损耗数据时器件的漏源电压和漏极电流。
Figure BDA0003396188050000161
Erec＝VDIrrtrr＝VDQrr (20)
其中Erec为SiC MOSFET数据手册提供的体二极管反向恢复损耗，计算公式如式，其中trr为反向恢复时间，Irr为反向恢复电流，Qrr为反向恢复的电荷量，VD为体二极管正向导通压降，上述参数数值均可从SiC MOSFET的数据手册中获得，故体二极管的反向恢复损耗如式(21)。
Figure BDA0003396188050000162
通过温度传感器获得散热器表面的温度，因为上述SiC MOSFET损耗模型是短时平均损耗功率，所以依据SiC MOSFET结温到散热器表面温度的稳态热网络模型可以建立温度和损耗功率的关系，该稳态热网络模型如图5，估算器件结温如式(22)。
Tj＝Th+Ploss(Rth_jc+Rth_ch) (22)
其中Tj为SiCMOSFET结温，Th为散热器温度，Rth_jc为SiC MOSFET结温到壳温的热阻，Rth_ch为器件壳温到散热器温度的热阻，Ploss为单个SiC MOSFET的总损耗，其表达式如式(23)。
Ploss＝PG_in+PQ_fw(on)+PQ_re(on)+PQ_sw+PBD_rr (23)
如图6，电机控制器对估算得到的SiC MOSFET结温与预设的温度保护阈值进行比较，如果估算的结温大于等于温度保护阈值，则控制电机降速或停转，避免因为器件过热而危害系统的正常运行，如果估算的结温小于温度保护阈值，则不执行保护操作，系统维持当前状态继续运行。
本发明提供的一种对SiC MOSFET结温进行实时估算和过热保护的电机控制系统。该系统的实现需要：电机控制器对估算开关器件损耗所需要的电信号进行采样，根据采样得到的信号和器件的固有参数计算SiC MOSFET的损耗功率；通过温度传感器获得SiCMOSFET散热器表面的温度，依据结温到散热器表面温度的稳态热网络模型估算器件结温；电机控制器根据估算的结温和设置的保护阈值对SiC MOSFET进行过热保护。本发明中涉及的损耗功率是基于SVPWM算法和SiC MOSFET的开关特性进行计算的，计算结果精确，器件的损耗功率结合散热器表面温度和稳态热网络模型可以在电机控制器中快速计算SiCMOSFET的结温，从而对其进行保护，避免器件因过热而失效甚至发生爆炸，危害系统的安全运行。

Claims (6)

1.基于SiC MOSFET损耗模型的开关过热保护方法，其特征在于，所述开关为SiCMOSFET，包括以下步骤：
构建所述SiC MOSFET的损耗模型，通过采集所述SiC MOSFET的采样电信号，估算所述SiC MOSFET的损耗，其中，所述损耗包括栅极损耗、正向导通通态损耗、第三象限运行通态损耗、开关损耗和体二极管反向恢复损耗；
基于器件损耗和稳态热网络，通过采集高速/超高速电机控制器上开关器件的散热器的表面温度，估算SiC MOSFET的结温，并与预设的保护阈值进行比较，根据比较结果，对所述SiC MOSFET进行过热保护；
在构建损耗模型的过程中，所述栅极损耗的栅极损耗模型为：
Figure FDA0003656495230000011
其中，设fsw为开关频率，Qg为栅极电量，Rg_in为栅极内部电阻，ton为开通时间，toff为关断时间；
在构建损耗模型的过程中，所述正向导通通态损耗的通态损耗模型为：
Figure FDA0003656495230000012
其中，M为调制比，RDS(on)为SiC MOSFET正向导通的通态电阻，IDS_P为输出电流峰值；
在构建损耗模型的过程中，采样逆变器的输出电流峰值，并获取所述输出电流波形对立的等效调制波；
根据占空比与所述等效调制波的关系式，得到占空比模型；
基于所述占空比模型，构建所述SiC MOSFET在正向导通状态下的所述通态损耗模型，其中，当电流位于正半周波时，所述SiC MOSFET为所述正向导通状态；
所述输出电流波形的表达式为：
iDS(t)＝IDS_Psinωt；
所述等效调制波的表达式为：
Figure FDA0003656495230000021
所述占空比模型为：
Figure FDA0003656495230000031
其中，电压超前电流θ角度，VDC为直流母线电压。
2.根据权利要求1所述基于SiC MOSFET损耗模型的开关过热保护方法，其特征在于：
所述第三象限运行通态损耗的通态损耗关系式为：
Figure FDA0003656495230000032
3.根据权利要求2所述基于SiC MOSFET损耗模型的开关过热保护方法，其特征在于：
所述开关损耗的损耗模型为：
Figure FDA0003656495230000041
其中，Eon和Eoff为器件数据手册提供的开通损耗和关断损耗，UDSN和IDSN为测试Eon和Eoff时器件的漏源电压和漏极电流。
4.根据权利要求3所述基于SiC MOSFET损耗模型的开关过热保护方法，其特征在于：
所述体二极管反向恢复损耗的损耗模型为：
Figure FDA0003656495230000042
其中，Qrr为反向恢复的电荷量，VD为体二极管正向导通压降，UDSN和IDSN为测试损耗数据时器件的漏源电压和漏极电流。
5.根据权利要求4所述基于SiC MOSFET损耗模型的开关过热保护方法，其特征在于：
所述器件结温的估算公式为：
Tj＝Th+Ploss(Rth_jc+Rth_ch)
其中，Tj为SiC MOSFET结温，Th为散热器温度，Rth_jc为SiC MOSFET结温到壳温的热阻，Rth_ch为器件壳温到散热器温度的热阻，Ploss为单个SiC MOSFET的总损耗；
Ploss＝PG_in+PQ_fw(on)+PQ_re(on)+PQ_sw+PBD_rr。
6.根据权利要求5所述的基于SiC MOSFET损耗模型的开关过热保护方法，其特征在于，用于保护SiC MOSFET的开关过热保护系统包括DSP控制芯片、栅极驱动芯片、三相两电平逆变器、信号采样电路、散热及测温模块；
所述DSP控制芯片通过所述栅极驱动芯片与所述三相两电平逆变器电性连接；
所述三相两电平逆变器分别与所述散热及测温模块无电性连接；
所述DSP控制芯片用于执行权利要求1-5任一权利要求所述的开关过热保护方法，对所述SiC MOSFET进行过热保护。
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