CN114337347B - 一种延长全SiC单相逆变器寿命的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电力电子变换器控制与智能化电源领域，具体涉及一种延长全SiC逆变器寿命的方法，这种方法包含电流控制环，AD转换模块，SiC MOSFET热敏电参数(TSEPs)在线监测模块、器件老化监测模块和SPWM单极性调制模块。本发明针对全SiC逆变器，将电流闭环控制与SiC MOSFET的老化监测相结合实现了稳定交流输出的同时，提高了整个系统的可靠性，延长了全SiC逆变器的寿命。
Description
技术领域
本发明属于电力电子变换器控制与智能化电源领域，涉及单相全桥逆变电路的控制方法和对其中SiC MOSFET的在线状态监测技术，具体涉及一种延长全SiC逆变器寿命的方法。
背景技术
近年来，SiC MOSFET因其禁带宽度大、击穿电压高、工作温度高和可高频操作等优点广泛应用于各种逆变器中。相比于Si基器件，SiC器件的可靠性较差。为提高全SiC单相逆变器的可靠性并尽可能延长其寿命，必须引入状态监测技术和新的调制策略。
SiC MOSFET作为单相逆变器的核心器件，高频操作可以减小系统中电感电容等无源器件的体积，提高系统的功率密度及转换效率，减小输出电压电流纹波。但它们也是逆变器系统中最脆弱的部分，经调研，电力电子系统中的功率器件的失效比率最高，达37％。除此之外，高频操作还可能导致较大的震荡以及过压过流现象，加速SiC MOSFET的老化及失效，严重影响单相逆变器系统的可靠性及寿命。随着高速计算微处理器和传感器技术的快速发展，对功率器件的状态监测和健康管理技术的研究也日渐深入。目前较为常用的状态监测技术大多基于功率器件的结温，因为结温与器件的老化和失效密切相关。
SiC MOSFET结温估计方法可大致分为三类：光学检测法、物理接触法、RC热网络法和热敏电参数(TSEP)法。热敏电参数法则是利用SiC MOSFET的部分电气特性参数来反映器件的结温，包括器件的饱和电流、漏电流、通态电阻、通态压降、栅极阈值电压、关断延时时间、栅极峰值电流等热敏电参数。热敏电参数法具有更高的可行性、准确性和实时性，已成为器件结温估计及老化监测的主流方法。
单相全桥电压型逆变器广泛应用于不间断电源(UPS)以提供可变交流电源，其控制方法和调制策略也相对复杂。目前较为常用的单相逆变器调制策略包含SPWM单极性调制和双极性调制，这两种方法均较为成熟，结合PI或其他智能优化算法能够完成对逆变器的控制并实现稳定的交流输出，并达到可观的效率。但为了满足较低电流电压纹波和谐波畸变率(THD)的指标，需要逆变器中的开关管工作在高频状态，这势必会加速器件的老化与失效，减少逆变系统的寿命。相比之下，SPWM单极性调制策略(单相全桥逆变器中的一个桥臂开关始终工作在低频)更有利于系统的可靠性的提升。
为了尽可能地延长单相全桥逆变系统的寿命，如何将SiC MOSFET在线状态监测技术与逆变器的控制方法和调制策略有效地结合起来成为了一个亟需解决的问题。
发明内容
本发明以全SiC逆变器为基础，提出一种延长其寿命的控制方法，将电流闭环单极性调制策略与SiC MOSFET的在线状态监测技术相互结合，充分发挥SiCMOSFET高频优势的同时，极大地提升了整个系统的可靠性。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种延长全SiC逆变器寿命的方法，这种方法包含电流控制环，AD转换模块，SiCMOSFET热敏电参数(TSEPs)在线监测模块、器件老化监测模块和SPWM单极性调制模块。
进一步地，所述全SiC逆变器包含输入直流电源Vin，所述直流电源Vin与4个SiCMOSFET S1、S2、S3、S4组成的全桥电路并联连接，SiC MOSFET S1和S2之间的中点a与SiCMOSFET S3和S4之间的中点b连接有输出滤波电感L和输出滤波电容C，输出滤波电容C的两端并联连接负载电阻R；其中，所述输出滤波电感L用于减小电流纹波，输出滤波电容C用于稳定输出电压，减小输出电压纹波。
进一步地，所述SiC MOSFET S1和S2组成的第一桥臂H1与SiC MOSFET S3和S4组成的第二桥臂H2在电路结构上相互对称，并且每个桥臂的开关管均能够工作在50kHz以上；
所述第一桥臂H1的开关管SiC MOSFET S1和S2互补导通，所述第二桥臂H2的开关管SiC MOSFET S3和S4互补导通，第一桥臂H1的开关的驱动信号和第二桥臂H2的开关的驱动信号均留有足够的死区时间，防止桥臂直通；
SiC MOSFET S1与S4支路开通时，第一桥臂H1的a点与第二桥臂H2的b点之间的电压为Vin；SiC MOSFET S1与S3支路开通或S2与S4支路开通时，第一桥臂H1的a点与第二桥臂H2的b点之间的电压为0；SiC MOSFET S2与S3支路开通时，第一桥臂H1的a点与第二桥臂H2的b点之间的电压为-Vin。
进一步地，采用SPWM由各支路开通状态交替产生的具有三种电平的桥臂输入电压Vab经输出滤波电感L和输出滤波电容C组成的滤波网络滤波，得到正弦输出电压Vo和正弦输出电流Io，第一桥臂H1和第二桥臂H2的开关器件在SPWM单极性调制下，必有一对SiC MOSFET器件工作于预期输出交流电压的频率下。
进一步地，所述预期输出交流电压的频率为工频50Hz，低频桥臂器件的开关损耗降低，可靠性增强，第一桥臂H1和第二桥臂H2均既能够作为高频桥臂，也能够作为低频桥臂。高频操作可以减小输出电压和输出电流纹波，降低谐波畸变率，但也会不可避免地增加开关损耗，加速SiC MOSFET的老化，降低系统的可靠性。
进一步地，对各开关管的部分热敏电参数TSEPs进行监测，可有效地估计器件的结温，评估器件的老化状态；第一桥臂H1和第二桥臂H2分别作为高频桥臂或低频桥臂，仅对高频桥臂开关管进行老化监测，若发现某一开关管老化程度超出允许范围，立刻进行高低频桥臂的切换，原高频桥臂器件转为工频，其开关损耗降低，工作寿命得以延长。
进一步地，包括如下步骤：
(1)电流控制环用于追踪参考电流Iref，频率为50Hz的正弦交流电流，产生SPWM脉宽调制占空比；将参考电流Iref与输出电流测量值进行比较，其误差送入电流控制环PI控制器，输出量为占空比；
(2)SiC MOSFET热敏电参数(TSEPs)监测模块利用已有的监测电路在线测量高频工作下开关器件的热敏电参数，所述热敏电参数包括栅极阈值电压Vth，导通电阻Rdson；
(3)器件老化监测模块利用检测到的热敏电参数对高频开关器件进行结温估计与老化监测，将实时监测到的SiC MOSFET导通电阻Rdson和阈值电压Vth与健康状态下测试得到的参数相互比较，判断器件的老化程度是否在允许范围之内，并输出判定信号，决定高低频桥臂是否需要切换；
(4)SPWM单极性调制模块用于产生高低频开关管的控制信号，首先根据判定信号确定两个桥臂的工作频率，利用电流控制环输出的占空比信号与高频载波信号比较产生开关控制信号，结合参考电流的正负确定高频开关控制信号，低频开关控制信号频率与参考电流的频率相同。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于充分利用了单相逆变器拓扑结构对称的特点，将SiC MOSFET的状态监测技术与电流闭环控制相结合，采用SPWM单极性调制策略。与传统的单相逆变器控制方法相比，这种控制方法充分发挥SiC MOSFET高频优势的同时，提高了开关器件的可靠性，延长了整个逆变系统的寿命。
附图说明
图1本发明提出的一种延长全SiC逆变器的寿命的控制方法的原理图；
图2某SiC MOSFET栅极阈值电压Vth，导通电阻Rdson与结温Tj的关系图；
图3某SiC MOSFET在一定条件下加速老化测试图；
图4单相逆变器两桥臂高低频操作切换流程图；
图5第一桥臂开关管S1、S2工作于高频，第二桥臂开关管S3、S4工作于工频的PWM控制信号示意图；
图6第一桥臂开关管S1、S2工作于工频，第二桥臂开关管S3、S4工作于高频的PWM控制信号示意图；
图7本发明在全SiC逆变器实施的具体控制原理图；
图8高低频桥臂切换信号和各开关管控制信号仿真波形；
图9模拟高低频桥臂切换并在电流闭环控制下的单相逆变器参考电流和输出电流波形。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰，下面结合附图对本发明进行进一步的详细说明。
请参阅图1，本发明全SiC逆变器包含输入直流电源Vin，所述直流电源与4个SiCMOSFET S1、S2、S3、S4组成的全桥电路并联连接，SiC MOSFET S1和S2之间的中点a与SiCMOSFET S3和S4之间的中点b连接有输出滤波电感L和输出滤波电容C。
SiC MOSFET S1和S2组成的第一桥臂H1与SiC MOSFET S3和S4组成的第二桥臂H2在电路结构上相互对称并且每个桥臂的开关管均可工作在50kHz以上。
SiC MOSFET S1与S4支路开通时，第一桥臂H1的a点与第二桥臂H2的b点之间的电压为Vin；SiC MOSFET S1与S3支路开通时或S2与S4支路开通时，第一桥臂H1的a点与第二桥臂H2的b点之间的电压为0；SiC MOSFET S2与S3支路开通时，第一桥臂H1的a点与第二桥臂H2的b点之间的电压为-Vin。
采用SPWM单极性调制策略由上述4种开关状态交替产生的具有三种电平的桥臂输入电压Vab经输出滤波电感L和输出滤波电容C组成的滤波网络滤波，可以得到正弦输出电压Vo和正弦输出电流Io。且必有一对器件工作于预期输出交流电压的频率下。
高频操作可以减小输出电压和输出电流纹波，降低谐波畸变率，但也会不可避免地增加开关损耗，加速SiC MOSFET的老化，降低系统的可靠性。低频桥臂器件的开关损耗降低，可靠性增强。第一桥臂H1和第二桥臂H2均既可以作为高频桥臂，也可以作为低频桥臂。
请参阅图2，在SiC MOSFET通有某一固定电流的条件下，给出了其阈值电压Vth和导通电阻Rdson与结温Tj的关系，这两种参数均大致随结温线性变化，且灵敏度较高，可用于对器件结温进行估计。
图3为SiC MOSFET加速老化测试图，对SiC MOSFET通有某一固定电流，连续进行多个实验周期，健康状态下，这两种参数的值基本不变，在4个实验周期之后，两种参数均发生了明显变化，说明器件发生了老化。因此可以根据两种TSEPs的实时监测结果判断器件的老化状态。
图4为单相逆变器两桥臂高低频切换流程图，第一桥臂H1和第二桥臂H2分别作为高频桥臂或低频桥臂，仅对高频桥臂开关管进行状态监测，若发现某一开关管的老化程度超出了允许范围，立即进行高低频桥臂的切换。原高频桥臂器件转为工频，其开关损耗降低，工作寿命得以延长。对各开关管的部分热敏电参数(TSEPs)进行监测，可以有效地估计器件的结温，评估器件的老化状态。
图5为第一桥臂开关管S1、S2工作于高频，第二桥臂开关管S3、S4工作于工频的PWM控制信号示意图；图6为第一桥臂开关管S1、S2工作于工频，第二桥臂开关管S3、S4工作于高频的PWM控制信号示意图。同一桥臂的开关管控制信号互补，高频器件的频率由载波频率决定，低频器件的频率由参考电流的频率决定。
请参阅图7，新型延长全SiC逆变器的控制方法如下：
(1)电流控制环用于追踪参考电流Iref，频率为50Hz的正弦交流电流，产生SPWM脉宽调制占空比。将参考电流与输出电流测量值进行比较，其误差送入电流控制环PI控制器，输出量为占空比；
(2)高频操作开关TSEPs监测模块利用已有监测电路在线测量高频工作下开关器件的部分热敏电参数，包括栅极阈值电压Vth，导通电阻Rdson；
(3)器件老化监测模块利用检测到的热敏电参数对高频开关器件进行结温估计与老化监测。将实时监测到的SiC MOSFET导通电阻Rdson和阈值电压Vth与健康状态下测试得到的参数相互比较，判断器件的老化程度是否在允许范围之内，并输出判定信号，决定高低频桥臂是否需要切换；
(4)SPWM单极性调制模块用于产生高低频开关管的控制信号，首先根据判定信号确定两个桥臂的工作频率，利用电流控制环输出的占空比信号与高频载波信号比较产生开关信号，结合参考电流的正负确定高频开关控制信号，低频开关控制信号频率与参考电流的频率相同。
图8为高低频桥臂切换信号和各开关管控制信号仿真波形。切换信号发生跳变时，各开关管的控制信号在高频和低频之间切换。
图9为高低频桥臂切换电流闭环控制下的单相逆变器输出电流仿真波形。输出电流很好地跟随了参考电流，达到了控制目的。
本发明充分利用了单相逆变器拓扑结构对称的特点，将SiC MOSFET的状态监测技术与电流闭环控制相结合，采用SPWM单极性调制策略。与传统的单相逆变器控制方法相比，本发明控制方法在充分发挥SiC MOSFET高频优势的同时，提高了开关器件的可靠性，延长了整个逆变系统的寿命。
上述实施例仅是本发明的较优实施方式，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修饰、修改及替代变化，均属于本发明技术方案的范围内。
Claims (6)
1.一种延长全SiC单相逆变器寿命的方法，其特征在于，包含电流控制环，AD转换模块，SiC MOSFET热敏电参数在线监测模块、器件老化监测模块和SPWM单极性调制模块；
所述方法包括如下步骤：
(1)电流控制环用于追踪参考电流Iref，频率为50Hz的正弦交流电流，产生SPWM脉宽调制占空比；将参考电流Iref与输出电流测量值进行比较，其误差送入电流控制环PI控制器，输出量为占空比；
(2)SiC MOSFET热敏电参数在线监测模块利用已有的监测电路在线测量高频工作下开关器件的热敏电参数，所述热敏电参数包括栅极阈值电压Vth，导通电阻Rdson；
(3)器件老化监测模块利用检测到的热敏电参数对高频开关器件进行结温估计与老化监测，将实时监测到的SiC MOSFET导通电阻Rdson和阈值电压Vth与健康状态下测试得到的参数相互比较，判断器件的老化程度是否在允许范围之内，并输出判定信号，决定高低频桥臂是否需要切换；
(4)SPWM单极性调制模块用于产生高低频开关管的控制信号，首先根据判定信号确定两个桥臂的工作频率，利用电流控制环输出的占空比信号与高频载波信号比较产生开关控制信号，结合参考电流的正负确定高频开关控制信号，低频开关控制信号频率与参考电流的频率相同。
2.根据权利要求1所述的一种延长全SiC单相逆变器寿命的方法，其特征在于，所述全SiC单相逆变器包含输入直流电源Vin，所述直流电源Vin与4个SiC MOSFET S1、S2、S3、S4组成的全桥电路并联连接，SiC MOSFET S1和S2之间的中点a与SiC MOSFET S3和S4之间的中点b连接有输出滤波电感L和输出滤波电容C，输出滤波电容C的两端并联连接负载电阻R；其中，所述输出滤波电感L用于减小电流纹波，输出滤波电容C用于稳定输出电压，减小输出电压纹波。
3.根据权利要求2所述的一种延长全SiC单相逆变器寿命的方法，其特征在于，所述全SiC单相逆变器SiC MOSFET S1和S2组成的第一桥臂H1与SiC MOSFET S3和S4组成的第二桥臂H2在电路结构上相互对称，并且每个桥臂的开关管均能够工作在50kHz以上；
所述第一桥臂H1的开关管SiC MOSFET S1和S2互补导通，所述第二桥臂H2的开关管SiCMOSFET S3和S4互补导通，第一桥臂H1的开关的驱动信号和第二桥臂H2的开关的驱动信号均留有足够的死区时间，防止桥臂直通；
SiC MOSFET S1与S4支路开通时，第一桥臂H1的a点与第二桥臂H2的b点之间的电压为Vin；SiC MOSFET S1与S3支路开通或S2与S4支路开通时，第一桥臂H1的a点与第二桥臂H2的b点之间的电压为0；SiC MOSFET S2与S3支路开通时，第一桥臂H1的a点与第二桥臂H2的b点之间的电压为-Vin。
4.根据权利要求3所述的一种延长全SiC单相逆变器寿命的方法，其特征在于，采用SPWM由各支路开通状态交替产生的具有三种电平的桥臂输入电压Vab经输出滤波电感L和输出滤波电容C组成的滤波网络滤波，得到正弦输出电压Vo和正弦输出电流Io，第一桥臂H1和第二桥臂H2的开关器件在SPWM单极性调制下，必有一对SiC MOSFET器件工作于预期输出交流电压的频率下。
5.根据权利要求4所述的一种延长全SiC单相逆变器寿命的方法，其特征在于，所述预期输出交流电压的频率为工频50Hz，第一桥臂H1和第二桥臂H2均既能够作为高频桥臂，也能够作为低频桥臂。
6.根据权利要求5所述的一种延长全SiC单相逆变器寿命的方法，其特征在于，对各开关管的热敏电参数TSEPs进行监测，第一桥臂H1和第二桥臂H2分别作为高频桥臂或低频桥臂，仅对高频桥臂开关管进行状态监测，若发现某一开关管的老化程度超出允许范围，立刻进行高低频桥臂的切换，原高频桥臂器件转为工频。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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