CN114447936B - 一种碳化硅器件动态电压补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种碳化硅器件动态电压补偿方法，包括：（1）离线测试碳化硅器件在不同电流下的开关延时特性，得到电流与等效开关时间误差之间的数据关系；（2）系统运行时，在每个开关周期采样电流，根据步骤（1）中的所述数据关系，得到当前电流幅值对应的等效开关时间误差数据；（3）根据获取的所述等效开关时间误差数据，得到最终加入动态电压补偿量后的输出占空比时间，控制该碳化硅器件的开通及关断。本发明的动态电压补偿方法补偿由于碳化硅开关特性导致的电压输出误差，保证系统控制精度。

Description

一种碳化硅器件动态电压补偿方法

技术领域

本公开涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种碳化硅器件动态电压补偿方法。

背景技术

电力电子变换器是由多个功率半导体器件组成的能量变换装置，其通过功率半导体器件的开关斩波，实现输出电压波形调制进而实现电压、电流控制。而由于半导体开关器件的非理想特性，其输出电压波形和指令值会产生一定偏差，这影响输出电压、电流的精度，导致了控制误差。碳化硅器件是一种宽禁带半导体器件，为了充分利用碳化硅开关损耗低的优异特性，开关频率选取的都很高，如50kHz，甚至到100kHz，这种快速开关，导致其由于开通和关断延时等非理想特性而造成的等效开关时间误差占整个开关周期比重相比硅基器件明显上升，输出电压与指令电压之间产生的误差加剧，这种偏差极大影响了变换器输出电压及电流控制精度，因此需要一种电压补偿技术，降低由碳化硅开关特性造成的性能偏差。常见的一种电压补偿技术为死区补偿，其通过预先设定的死区时间，计算每个开关周期由死区导致的电压误差，并将该误差叠加到输出电压，以补偿死区对电压的影响。而对于非死区造成的电压误差，也需要一种动态补偿方法，提升变换器输出电压及电流控制精度。

发明内容

有鉴于此，本公开实施例提供一种碳化硅器件动态电压补偿方法，补偿由于碳化硅开关特性导致的电压输出误差，保证系统控制精度。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种碳化硅器件动态电压补偿方法，包括如下步骤：

（1）离线测试碳化硅器件在不同电流下的开关延时特性，得到电流与等效开关时间误差之间的数据关系；

（2）系统运行时，在每个开关周期采样电流，根据步骤（1）中的所述数据关系，得到当前电流幅值对应的等效开关时间误差数据；

（3）根据获取的所述等效开关时间误差数据，得到最终加入动态电压补偿量后的输出占空比时间，控制该碳化硅器件的开通及关断。

进一步地，所述等效开关时间误差包括碳化硅器件开通过程中的等效时间误差、关断过程中的等效时间误差和开关过程中的等效总时间误差。

进一步地，步骤（3）中，采用补偿公式得到最终加入动态电压补偿量后的输出占空比时间，所述补偿公式为：

其中，T_D为补偿后的输出占空比时间，T_{D_org}为未做补偿前输出占空比时间，T_DT为死区补偿量，T_{on_err}-T_{off_err}为开关偏差的补偿量，

为输出电流正负号。

进一步地，所述步骤（1）具体包括：

对该碳化硅器件进行器件开关特性测试，分别记录下不同电流下碳化硅器件开通及关断波形，通过数据提取，得到该碳化硅器件的延时开通时间T_don、延时关断时间T_doff、开通过程电压变化时间T_von、关断过程电压变化时间T_voff，再得到该碳化硅器件开通过程中的等效时间误差T_{on_err}、关断过程中的等效时间误差T_{off_err}、开关过程中的等效总时间误差T_{tot_err}。

进一步地，所述器件开关特性测试为双脉冲测试等器件特性表征测试，记录电流从系统要求的最小值到最大值增加过程中的器件开通及关断波形。

进一步地，步骤（1）中的所述数据关系为：将不同电流与对应等效开关时间误差数据生成的表格或进行拟合得到的拟合曲线。

进一步地，所述拟合曲线保存在该碳化硅变换器的中央控制器存储空间中，使该碳化硅变换器实时查询当前电流幅值对应的等效开关时间误差数据。

进一步地，步骤（2）中还包括，对采样电流进行预测，得到目标输出PWM周期的电流幅值，再根据该电流幅值，在所述拟合曲线中查询得到对应的等效开关时间误差数据。

本发明的一种碳化硅器件动态电压补偿方法，通过动态补偿技术，补偿由于该种开关特性导致的电压输出误差，保证系统控制精度。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，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公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为典型的半桥电路；

图2为补偿前电流为正时输出电压的波形；

图3为补偿前电流为负时输出电压的波形；

图4为某型碳化硅器件在不同电流幅值下与等效开关时间误差的数据关系；

图5为采用本发明的补偿方法补偿后电流为正时输出电压的波形；

图6为采用本发明的补偿方法补偿后电流为负时输出电压的波形；

图7为本发明一种实施例中的补偿方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。

以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本公开，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。

还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本公开的基本构想，图式中仅显示与本公开中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。

如图1所示，图1为典型的半桥电路，其中Vo是桥臂输出电压，io是输出电流。图2、图3分别为电流为正和电流为负时输出电压的波形，理想电压波形如图第一行，为一方波电压。当考虑死区影响后，波形如第二行所示，其中T_DT为死区时间。碳化硅器件在开通和关断过程中，存在延时开通时间T_don、延时关断时间T_doff及开通过程电压变化时间T_von、关断过程电压变化时间T_voff，如图2、3第三行所示，由此造成实际输出电压和指令存在进一步偏差。特别的，图2中，电流为正，半桥电路S1管为硬开关，S2管电流走反向二极管，图中T_don、T_doff、T_von、T_voff时间为S1管开关参数；类似的，图3中，电流为负，半桥电路S2管为硬开关，图中T_don、T_doff、T_von、T_voff时间为S2管开关参数。

研究发现，这种开通关断过程中的电压波形偏差与流过器件的电流相关，图4为某款碳化硅器件在不同电流幅值下的等效开关时间偏差，

其中：

T_{on_err}是器件开通过程中的等效时间误差，

T_{off_err}是器件关断过程中的等效时间误差，

T_{tot_err}是器件开关过程中的等效总时间误差；

可以发现，随着电流增大，开通过程等效时间误差增大，关断过程等效时间误差减小，而等效总时间误差呈单调增加的趋势。

接下来，采用本发明实施例的碳化硅器件动态电压补偿方法对输出电压进行补偿，以降低由碳化硅开关特性造成的性能偏差。

本公开实施例提供一种碳化硅器件动态电压补偿方法，对由于不同电流下开关延时导致的电压误差进行矫正。具体方法如下：

一种碳化硅器件动态电压补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）离线测试得到碳化硅器件在不同电流下的开关延时特性，得到电流与等效开关时间误差之间的数据关系（表格或曲线拟合），器件开通过程中的等效时间误差T_{on_err}、器件关断过程中的等效时间误差T_{off_err}、器件开关过程中的等效总时间误差T_{tot_err}；

（2）系统运行时，在每个开关周期采样电流，通过步骤（1）中的所述数据关系，查表或拟合曲线公式得到当前电流幅值下的器件开通过程中的等效时间误差T_{on_err}、器件关断过程中的等效时间误差T_{off_err}、器件开关过程中的等效总时间误差T_{tot_err}；

电流为正时，补偿后的输出占空比时间T_D 为式（1）：

式（1）

其中，T_{D_org}为未做补偿前输出占空比时间，T_DT为死区补偿量，T_{on_err-}T_{off_err}为开关偏差的补偿量，补偿后电压如图5所示。其输出的电压伏秒和指令电压一致。

类似的，电流为负时，补偿后的输出占空比时间T_D 为式（2）：

式（2）

其中，T_{D_org}为未做补偿前输出占空比时间，-T_DT为死区补偿量，T_{off_err-Ton_err}为开关偏差的补偿量，补偿后电压如图6所示。

进一步考虑电流符号，补偿公式可统一为式（3）：

式（3）

其中，

为输出电流正负号（正电流为1，负电流为-1）。

接下来，以具体实施例对本发明的动态电压补偿方法进一步说明。

实施例1

以某型1200V碳化硅单管器件为例，实施过程如图7所示。首先，对该器件进行器件开关特性测试（如双脉冲测试），电流从系统要求的最小值到最大值逐步增加，本实施例中电流从0A~100A增加，分别记录下不同电流下器件开通及关断波形，通过数据提取，得到该器件的T_don、T_doff、T_von、T_voff时间，并由此得到器件开通过程中的等效时间误差T_{on_err}、器件关断过程中的等效时间误差T_{off_err}、器件开关过程中的等效总时间误差T_{tot_err}。最后生成表格（或拟合得到曲线），输入为电流幅值，输出量为

。把该表格或拟合曲线写入碳化硅变换器的中央控制器存储空间，留待变换器控制时实时查询。

在变换器运行过程中，在每个开关周期通过采样电路得到每相桥臂电流，特别指出，在控制中一般存在控制到输出的延时，即本开关周期进行电流采样及控制算法执行，而输出PWM波形在下一个开关周期最终输出，为提高本发明实施例中动态电压补偿算法的控制精度，可对采样电流进行预测，得到最终需要的输出PWM周期的电流值。在得到电流幅值后，控制中通过查询，得到在该电流幅值下的器件开关过程中的等效总时间误差

。同时，根据采样得到的电流的正负信息，带入公式（3），得到最终加入动态电压补偿量后的占空比，最终把该占空比输出，控制碳化硅器件的开通及关断。通过该动态补偿算法，在电流正、负情况下都能对由非理想开关引入的电压误差进行矫正控制，如图5、6所示。

以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种碳化硅器件动态电压补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）离线测试碳化硅器件在不同电流下的开关延时特性，得到电流与等效开关时间误差之间的数据关系；

（2）系统运行时，在每个开关周期采样电流，根据步骤（1）中的所述数据关系，得到当前电流幅值对应的等效开关时间误差数据；

（3）根据获取的所述等效开关时间误差数据，得到最终加入动态电压补偿量后的输出占空比时间，控制该碳化硅器件的开通及关断；

所述等效开关时间误差包括碳化硅器件开通过程中的等效时间误差、关断过程中的等效时间误差和开关过程中的等效总时间误差；

所述步骤（1）具体包括：

对该碳化硅器件进行器件开关特性测试，分别记录下不同电流下碳化硅器件开通及关断波形，通过数据提取，得到该碳化硅器件的延时开通时间T_don、延时关断时间T_doff、开通过程电压变化时间T_von、关断过程电压变化时间T_voff，再得到该碳化硅器件开通过程中的等效时间误差T_{on_err}、关断过程中的等效时间误差T_{off_err}、开关过程中的等效总时间误差T_{tot_err}；

其中：

T_{on_err}是器件开通过程中的等效时间误差，

T_{off_err}是器件关断过程中的等效时间误差，

T_{tot_err}是器件开关过程中的等效总时间误差；

步骤（3）中，采用补偿公式得到最终加入动态电压补偿量后的输出占空比时间，所述补偿公式为：

其中，T_D为补偿后的输出占空比时间，T_{D_org}为未做补偿前输出占空比时间，T_DT为死区补偿量，T_{on_err}-T_{off_err}为开关偏差的补偿量，

为输出电流正负号。

2.根据权利要求1所述的碳化硅器件动态电压补偿方法，其特征在于，所述器件开关特性测试为双脉冲测试，记录电流从系统要求的最小值到最大值增加过程中的器件开通及关断波形。

3.根据权利要求1所述的碳化硅器件动态电压补偿方法，其特征在于，步骤（1）中的所述数据关系为：将不同电流与对应等效开关时间误差数据进行拟合得到的拟合曲线。

4.根据权利要求3所述的碳化硅器件动态电压补偿方法，其特征在于，所述拟合曲线保存在该碳化硅变换器的中央控制器存储空间中，使该碳化硅变换器实时查询当前电流幅值对应的等效开关时间误差数据。

5.根据权利要求4所述的碳化硅器件动态电压补偿方法，其特征在于，步骤（2）中还包括，对采样电流进行预测，得到目标输出PWM周期的电流幅值，再根据该电流幅值，在所述拟合曲线中查询得到对应的等效开关时间误差数据。

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