CN114900167A - 一种适用于SiC/Si混并器件的电流比例调节方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种适用于SiC/Si混并器件的电流比例调节方法，通过温度采样电路采样SiC/Si混合并联器件中SiC MOSFET与Si IGBT的壳温；将温度采样电路采样得到的器件壳温输入数字控制器；通过数字控制器在线运算得到器件结温后，输出信号以动态调整器件驱动电路的正向驱动电压，实现SiC/Si混合并联器件的电流比例的动态调节。驱动电路包括：正向驱动电压线性调节电路，正向驱动电压选择电路，正向驱动电压与负向驱动电压之间的图腾柱结构电路以及驱动电阻。本发明能够实现SiC/Si混合并联器件电流比例的动态调整，降低单个器件的电流应力，改善SiC/Si混合并联器件的热平衡度，提升其可靠性。

Description

一种适用于SiC/Si混并器件的电流比例调节方法
技术领域
本发明属于电力电子技术与电工技术领域，涉及一种适用于SiC/Si混并器件的电流比例调节方法，特别涉及一种根据混合并联器件内部结温不平衡度对电流比例进行动态调整的控制方法。
背景技术
为了利用Si IGBT大电流下的导通特性优势与SiC MOSFET开关特性优势，可以将小电流等级的SiC MOSFET与大电流等级的Si IGBT混合并联，并通过设计SiC MOSFET先开通后关断的开关模式，使得SiC/Si混合并联器件表现出SiC MOSFET的高速开关特性。但是，由于混合并联器件内部电流分配不均衡，同时SiC MOSFET还将承担开关损耗，因此作为辅助器件的小电流SiC MOSFET可能出现温度过高甚至超过最高结温限制的问题，加重SiCMOSFET的老化失效问题，限制了混合并联器件的功率能力。
目前文献中针对SiC/Si混合并联器件电流比例问题的研究，常用的方法是通过结温预测模型，提前选取额定电流等级比例合适的SiC MOSFET与Si IGBT进行混合并联。这类方法在选择合适的SiC MOSFET与Si IGBT进行混合并联上综合考虑了器件的可靠性与成本，但对于某一确定的SiC/Si混合并联器件而言，该方法无法在线解决混并器件工作过程中由于内部电流分配不均衡导致的热应力问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于SiC/Si混并器件的电流比例调节方法，通过动态调节器件的正向驱动电压来调节电流比例，减小了混合并联器件内部结温不平衡度，确保器件的可靠性，并提升变换器功率容量。
本发明为实现上述目的采用如下技术方案：
本发明提出一种适用于SiC/Si混并器件的电流比例调节方法，包括：
步骤1，通过温度采样电路采样SiC/Si混合并联器件中SiC MOSFET与Si IGBT的壳温并输入数字控制器；其中，SiC/Si混合并联器件包括SiC MOSFET及并联于SiC MOSFET两端的Si IGBT；
步骤2，通数字控制器在线运算得到器件结温，输出信号以动态调整器件驱动电路的正向驱动电压，实现SiC/Si混合并联器件的电流比例的动态调节。
进一步的，数字控制器在线运算流程包括：
步骤2.1，损耗计算：将混合并联器件的开关延迟时间Ton_delay、Toff_delay以及采样电路采样到的壳温、电压、电流等信号输入数字控制器，计算损耗Ploss；
Ploss＝Ploss_IGBT+Ploss_MOS (3)
＝[D-fsw·(Ton_delay+Toff_delay)]·(Econd_IGBT+Econd_MOS)+fsw·(Eoff_IGBT+Eon_IGBT+Eoff_MOS+Eon_MOS)
步骤2.2，结温计算：根据器件热网络模型与壳温Tc，计算器件结温Tj；
Tj＝Tc+Rth(j-c)Ploss (4)
步骤2.3，归一化处理：将器件结温Tj_MOS、Tj_IGBT除以最大可承受结温得到归一化结温Tj_MOS *、Tj_IGBT *；
步骤2.4，比较结温：比较SiC MOSFET与Si IGBT的归一化结温，根据比较关系输出信号以动态调整器件驱动电路的正向驱动电压。
进一步的，根据混合并联器件中SiC MOSFET与Si IGBT的结温不平衡度来动态改变混合并联器件的电流比例。由于SiC MOSFET与Si IGBT最大可承受结温不同，因此采用器件结温除以最大可承受结温得到的归一化结温进行比较：
当Tj_MOS *＞Tj_IGBT *时，SiC MOSFET的正向驱动电压调整为VDRV_MOS(1)，Si IGBT的正向驱动电压调整为VDRV_IGBT(3)；
当Tj_MOS *＜Tj_IGBT *时，SiC MOSFET的正向驱动电压调整为VDRV_MOS(3)，Si IGBT的正向驱动电压调整为VDRV_IGBT(1)；
当Tj_MOS *＝Tj_IGBT *，SiC MOSFET的正向驱动电压调整为VDRV_MOS(2)，Si IGBT的正向驱动电压调整为VDRV_IGBT(2)。
进一步的，SiC MOSFET正向驱动电压的大小关系为VDRV_MOS(3)＞VDRV_MOS(2)＞VDRV_MOS(1)，Si IGBT正向驱动电压的大小关系为VDRV_IGBT(3)＞VDRV_IGBT(2)＞VDRV_IGBT(1)。其中，VDRV_MOS(2)、VDRV_IGBT(2)为器件手册中的推荐正向驱动电压，其余正向驱动电压VDRV_MOS(3)、VDRV_IGBT(3)、VDRV_MOS(1)、VDRV_IGBT(1)均在推荐驱动电压的基础上上下浮动，且小于器件的栅极耐压，大于器件的开通阈值电压。
进一步的，驱动电路分别与SiC MOSFET、Si IGBT的栅极相连接，驱动电路包括依次连接的正向驱动电压线性调节电路、正向驱动电压选择电路以及图腾柱结构电路；所述正向驱动电压线性调节电路提供负向驱动电压与不同大小的正向驱动电压，所述正向驱动电压选择电路选择一路正向驱动电压，图腾柱结构电路连接于正向驱动电压与负向驱动电压之间，通过驱动电阻与SiC MOSFET、Si IGBT的栅极相连接。
进一步的，正向驱动电压线性调节电路包括串联的隔离型模块电源和低压差线性调压器；其中，隔离型模块电源为驱动电路提供正向供电电压与负向供电电压；低压差线性调压器包括相互并联第一线性调压器、第二线性调压器和第三线性调压器，将模块电源提供的正向供电电压降压成3个不同大小的正向驱动电压。
进一步的，正向驱动电压选择电路包括第一控制管S1、第二控制管S2以及第三控制管S3，分别接入第一线性调压器、第二线性调压器和第三线性调压器，通过改变控制管的驱动信号，实现正向驱动电压的选择。
进一步的，图腾柱结构电路，包括开通控制管Son和关断控制管Soff，其中，开通控制管Son漏极与正向驱动电压相连，开通控制管Son源极与关断控制管Soff漏极及驱动电阻相连，关断控制管Soff源极与负向供电电压相连，开通控制管Son和关断控制管Soff栅极均接收给定的PWM信号。
进一步的，令S1、S2、S3分别表示SiC MOSFET正向驱动电压选择电路中第一控制管S1(MOS)、第二控制管S2(MOS)、第三控制管S3(MOS)的驱动信号，分别控制选择VDRV_MOS(1)、VDRV_MOS(2)、VDRV_MOS(3)；S4、S5、S6分别表示Si IGBT正向驱动电压选择电路中第一控制管S1(IGBT)、第二控制管S2(IGBT)、第三控制管S3(IGBT)的驱动信号，分别控制选择VDRV_IGBT(1)、VDRV_IGBT(2)、VDRV_IGBT(3)。
进一步的，当Tj_MOS *＞Tj_IGBT *时，驱动信号S1、S6置高，SiC MOSFET的正向驱动电压调整为VDRV_MOS(1)，Si IGBT的正向驱动电压调整为VDRV_IGBT(3)；
当Tj_MOS *＜Tj_IGBT *时，驱动信号S3、S4置高，SiC MOSFET的正向驱动电压调整为VDRV_MOS(3)，Si IGBT的正向驱动电压调整为VDRV_IGBT(1)；
当Tj_MOS *＝Tj_IGBT *时，驱动信号S2、S5置高，SiC MOSFET的正向驱动电压调整为VDRV_MOS(2)，Si IGBT的正向驱动电压调整为VDRV_IGBT(2)。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
(1)当SiC MOSFET的归一化结温值大于Si IGBT的归一化结温值时，数字控制器将动态调整正向驱动电压，使得流经SiC MOSFET的电流减小，降低器件的热应力；
(2)当SiC MOSFET的归一化结温值小于Si IGBT的归一化结温值时，数字控制器将动态调整正向驱动电压，使得流经Si IGBT的电流减小，降低器件的热应力；
(3)当SiC MOSFET的归一化结温值与Si IGBT的归一化结温值相近时，正向驱动电压调整为器件手册推荐的正向驱动电压，可以兼顾开关损耗与栅极安全，提高了变换器的可靠性；
(4)通过线性调压器可以实现正向驱动电压的灵活调整。
附图说明
图1是本发明中提出的一种适用于SiC/Si混并器件的电流比例调节方法示意图；
图2是本发明中所述的SiC/Si混合并联器件导通等效电路图；
图3是本发明中所述的开关管导通电阻随正向驱动电压变化示意图；
图4是本发明中所述的SiC/Si混合并联器件电流比例动态调节控制方法示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步描述。
如图1所示是本发明中提出的一种适用于SiC/Si混并器件的电流比例调节方法示意图，包括：SiC/Si混合并联器件，数字控制器，正向驱动电压线性调节电路，正向驱动电压选择电路，正向驱动电压与负向驱动电压之间的图腾柱结构电路以及驱动电阻。
SiC/Si混合并联器件包括SiC MOSFET及并联于SiC MOSFET两端的Si IGBT，SiCMOSFET、Si IGBT的栅极分别连接驱动电路。驱动电路包括依次连接的正向驱动电压线性调节电路、正向驱动电压选择电路以及图腾柱结构电路。
正向驱动电压线性调节电路包括串联的隔离型模块电源和低压差线性调压器；其中，隔离型模块电源为驱动电路提供正向供电电压与负向供电电压；低压差线性调压器包括相互并联第一线性调压器、第二线性调压器和第三线性调压器，将模块电源提供的正向供电电压降压成3个不同大小的正向驱动电压。
其中，SiC MOSFET正向驱动电压分别为VDRV_MOS(1)、VDRV_MOS(2)、VDRV_MOS(3)，关系为VDRV_MOS(3)＞VDRV_MOS(2)＞VDRV_MOS(1)，Si IGBT正向驱动电压分别为VDRV_IGBT(1)、VDRV_IGBT(2)、VDRV_IGBT(3)，关系为VDRV_IGBT(3)＞VDRV_IGBT(2)＞VDRV_IGBT(1)。其中，VDRV_MOS(2)、VDRV_IGBT(2)为器件手册中的推荐正向驱动电压，其余正向驱动电压均在推荐驱动电压的基础上增大或减小。
正向驱动电压选择电路包括第一控制管S1、第二控制管S2以及第三控制管S3，分别接入第一线性调压器、第二线性调压器和第三线性调压器，通过改变控制管的驱动信号，实现正向驱动电压的选择。
其中，S1、S2、S3分别是SiC MOSFET正向驱动电压选择电路中第一控制管S1(MOS)、第二控制管S2(MOS)、第三控制管S3(MOS)的驱动信号。S4、S5、S6分别是Si IGBT正向驱动电压选择电路中第一控制管S1(IGBT)、第二控制管S2(IGBT)、第三控制管S3(IGBT)的驱动信号。
图腾柱结构电路，连接于正向驱动电压与负向驱动电压之间，包括开通控制管Son和关断控制管Soff，其中，开通控制管Son漏极与正向驱动电压相连，开通控制管Son源极与关断控制管Soff漏极及驱动电阻相连，关断控制管Soff源极与负向供电电压相连，开通控制管Son和关断控制管Soff栅极均接收给定的PWM信号。
适用于SiC/Si混并器件的电流比例调节方法包括以下步骤：
步骤1，通过温度采样电路采样SiC/Si混合并联器件中SiC MOSFET与Si IGBT的壳温并输入数字控制器；其中，SiC/Si混合并联器件包括SiC MOSFET及并联于SiC MOSFET两端的Si IGBT。
步骤2，通数字控制器在线运算得到器件结温，输出信号以动态调整器件驱动电路的正向驱动电压，实现SiC/Si混合并联器件的电流比例的动态调节。
如图4所示是本发明中所述的SiC/Si混合并联器件电流比例动态调节控制方法示意图，包括：
损耗计算模块：将混合并联器件的开关延迟时间Ton_delay、Toff_delay以及采样电路采样到的壳温、电压、电流等信号输入数字控制器，计算损耗Ploss；
Ploss＝Ploss_IGBT+Ploss_MOS
＝[D-fsw·(Ton_delay+Toff_delay)]·(Econd_IGBT+Econd_MOS)+fsw·(Eoff_IGBT+Eon_IGBT+Eoff_MOS+Eon_MOS)
其中，P表示损耗，下标IGBT、MOS分别代表Si IGBT、SiC MOSFET，D代表SiC/Si混并器件的占空比，fsw代表SiC/Si混并器件的开关频率，Econd代表导通损耗，Eon代表开通损耗，Eoff代表关断损耗。
结温计算模块：根据器件热网络模型与壳温Tc，计算器件结温Tj；
Tj＝Tc+Rth(j-c)Ploss
其中，Rth(j-c)表示器件内部结到表面壳的热阻
归一化处理模块：将器件结温Tj_MOS、Tj_IGBT除以最大可承受结温得到归一化结温Tj_MOS *、Tj_IGBT *；
结温比较模块：比较SiC MOSFET与Si IGBT的归一化结温，根据比较关系输出信号以动态调整器件驱动电路的正向驱动电压。
具体的，根据混合并联器件中SiC MOSFET与Si IGBT的结温不平衡度来动态改变混合并联器件的电流比例。由于SiC MOSFET与Si IGBT最大可承受结温不同，因此采用器件结温除以最大可承受结温得到的归一化结温进行比较：
当SiC MOSFET的归一化结温值Tj_MOS *大于Si IGBT的归一化结温值Tj_IGBT *时，驱动信号S1、S6置高，SiC MOSFET的正向驱动电压调整为VDRV_MOS(1)，Si IGBT的正向驱动电压调整为VDRV_IGBT(3)；
当SiC MOSFET的归一化结温值Tj_MOS *小于Si IGBT的归一化结温值Tj_IGBT *时，驱动信号S3、S4置高，SiC MOSFET的正向驱动电压调整为VDRV_MOS(3)，Si IGBT的正向驱动电压调整为VDRV_IGBT(1)；
当SiC MOSFET的归一化结温值Tj_MOS *与Si IGBT的归一化结温值Tj_IGBT *接近时，驱动信号S2、S5置高，SiC MOSFET的正向驱动电压调整为VDRV_MOS(2)，Si IGBT的正向驱动电压调整为VDRV_IGBT(2)。
如图2所示是本发明中所述的SiC/Si混合并联器件导通等效电路图，其中，SiCMOSFET等效为导通电阻RDS(on)，IMOS为流经SiC MOSFET的电流；Si IGBT等效为导通电阻RCE(on)和大小为其阈值电压的恒压源UT0，IIGBT为流经Si IGBT的电流；IL为负载电流。
如图3所示是本发明中所述的开关管导通电阻随正向驱动电压变化示意图。其中，横向坐标为正向驱动电压，纵向坐标为开关管导通电阻RDS(on)。开关管导通电阻随着正向驱动电压增大而减小。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种适用于SiC/Si混并器件的电流比例调节方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，通过温度采样电路采样SiC/Si混合并联器件中SiC MOSFET与Si IGBT的壳温并输入数字控制器；其中，SiC/Si混合并联器件包括SiC MOSFET及并联于SiC MOSFET两端的Si IGBT；
步骤2，通数字控制器在线运算得到器件结温，输出信号以动态调整器件驱动电路的正向驱动电压，实现SiC/Si混合并联器件的电流比例的动态调节。
2.根据权利要求1所述的适用于SiC/Si混并器件的电流比例调节方法，其特征在于，数字控制器在线运算流程包括：
步骤2.1，损耗计算：将混合并联器件的开关延迟时间Ton_delay、Toff_delay以及采样电路采样到的壳温、电压、电流信号输入数字控制器，计算损耗Ploss；
Figure FDA0003688183560000011
其中，P表示损耗，下标IGBT、MOS分别代表Si IGBT、SiC MOSFET，D代表SiC/Si混并器件的占空比，fsw代表SiC/Si混并器件的开关频率，Econd代表导通损耗，Eon代表开通损耗，Eoff代表关断损耗；
步骤2.2，结温计算：根据混合并联器件热网络模型与壳温Tc，计算器件结温Tj；
Tj＝Tc+Rth(j-c)Ploss (2)
其中，Rth(j-c)表示器件内部结到表面壳的热阻；
步骤2.3，归一化处理：将器件结温Tj_MOS、Tj_IGBT除以最大可承受结温得到SiC MOSFET归一化结温Tj_MOS *以及Si IGBT的归一化结温Tj_IGBT *；
步骤2.4，比较结温：比较SiC MOSFET与Si IGBT的归一化结温，根据比较关系输出信号以动态调整器件驱动电路的正向驱动电压。
3.根据权利要求2所述的适用于SiC/Si混并器件的电流比例调节方法，其特征在于，步骤2.4具体为：
当Tj_MOS *＞Tj_IGBT *时，SiC MOSFET的正向驱动电压调整为VDRV_MOS(1)，Si IGBT的正向驱动电压调整为VDRV_IGBT(3)；
当Tj_MOS *＜Tj_IGBT *时，SiC MOSFET的正向驱动电压调整为VDRV_MOS(3)，Si IGBT的正向驱动电压调整为VDRV_IGBT(1)；
当Tj_MOS *＝Tj_IGBT *时，SiC MOSFET的正向驱动电压调整为VDRV_MOS(2)，Si IGBT的正向驱动电压调整为VDRV_IGBT(2)。
4.根据权利要求3所述的适用于SiC/Si混并器件的电流比例调节方法，其特征在于，所述的SiC MOSFET正向驱动电压的大小关系为VDRV_MOS(3)＞VDRV_MOS(2)＞VDRV_MOS(1)，Si IGBT正向驱动电压的大小关系为VDRV_IGBT(3)＞VDRV_IGBT(2)＞VDRV_IGBT(1)；其中：VDRV_MOS(2)、VDRV_IGBT(2)为器件手册中的推荐正向驱动电压，其余正向驱动电压VDRV_MOS(3)、VDRV_IGBT(3)、VDRV_MOS(1)、VDRV_IGBT(1)均在推荐驱动电压的基础上上下浮动，且小于器件的栅极耐压，大于器件的开通阈值电压。
5.根据权利要求4所述的适用于SiC/Si混并器件的电流比例调节方法，其特征在于，所述驱动电路分别与SiC MOSFET、Si IGBT的栅极相连接，驱动电路包括依次连接的正向驱动电压线性调节电路、正向驱动电压选择电路以及图腾柱结构电路；所述正向驱动电压线性调节电路提供负向驱动电压与不同大小的正向驱动电压，所述正向驱动电压选择电路选择一路正向驱动电压，图腾柱结构电路连接于正向驱动电压与负向驱动电压之间，通过驱动电阻与SiC MOSFET、Si IGBT的栅极相连接。
6.根据权利要求5所述的适用于SiC/Si混并器件的电流比例调节方法，其特征在于，所述正向驱动电压线性调节电路包括串联的隔离型模块电源和低压差线性调压器；其中，隔离型模块电源为驱动电路提供正向供电电压与负向供电电压；低压差线性调压器包括相互并联第一线性调压器、第二线性调压器和第三线性调压器，将模块电源提供的正向供电电压降压成3个不同大小的正向驱动电压。
7.根据权利要求6所述的适用于SiC/Si混并器件的电流比例调节方法，其特征在于，所述正向驱动电压选择电路包括第一控制管S1、第二控制管S2以及第三控制管S3，分别接入第一线性调压器、第二线性调压器和第三线性调压器，通过改变控制管的驱动信号，实现正向驱动电压的选择。
8.根据权利要求7所述的适用于SiC/Si混并器件的电流比例调节方法，其特征在于，所述图腾柱结构电路，包括开通控制管Son和关断控制管Soff，其中，开通控制管Son漏极与正向驱动电压相连，开通控制管Son源极与关断控制管Soff漏极及驱动电阻相连，关断控制管Soff源极与负向供电电压相连，开通控制管Son和关断控制管Soff栅极均接收给定的PWM信号。
9.根据权利要求4至8任意一项所述的适用于SiC/Si混并器件的电流比例调节方法，其特征在于，令S1、S2、S3分别表示SiC MOSFET正向驱动电压选择电路中第一控制管S1(MOS)、第二控制管S2(MOS)、第三控制管S3(MOS)的驱动信号，分别控制选择VDRV_MOS(1)、VDRV_MOS(2)、VDRV_MOS(3)；S4、S5、S6分别表示Si IGBT正向驱动电压选择电路中第一控制管S1(IGBT)、第二控制管S2(IGBT)、第三控制管S3(IGBT)的驱动信号，分别控制选择VDRV_IGBT(1)、VDRV_IGBT(2)、VDRV_IGBT(3)。
10.根据权利要求9所述的适用于SiC/Si混并器件的电流比例调节方法，其特征在于，
当Tj_MOS *＞Tj_IGBT *时，驱动信号S1、S6置高，SiC MOSFET的正向驱动电压调整为VDRV_MOS(1)，Si IGBT的正向驱动电压调整为VDRV_IGBT(3)；
当Tj_MOS *＜Tj_IGBT *时，驱动信号S3、S4置高，SiC MOSFET的正向驱动电压调整为VDRV_MOS(3)，Si IGBT的正向驱动电压调整为VDRV_IGBT(1)；
当Tj_MOS *＝Tj_IGBT *时，驱动信号S2、S5置高，SiC MOSFET的正向驱动电压调整为VDRV_MOS(2)，Si IGBT的正向驱动电压调整为VDRV_IGBT(2)。
CN202210656539.7A 2022-06-10 2022-06-10 一种适用于SiC/Si混并器件的电流比例调节方法 Pending CN114900167A (zh)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN116827159A (zh) * 2023-03-21 2023-09-29 东莞市海柯电子有限公司 基于拓扑混合结构的功率自调节和开关频率自调节方法
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