一种碳化硅场效应晶体管温度波动抑制电路及方法与流程

1.本发明涉及电力电子器件领域，具体提供一种碳化硅场效应晶体管温度波动抑制电路及方法。


背景技术：

2.电力电子器件作为电能转换、传输和控制的重要元件，参与构建了现代电力网络世界并决定着未来电力网络的发展趋势和功能，新能源领域的发展推进都离不开电力电子器件的支撑。同时各个能源网络之间的联系日益紧密，一旦其中某个组成环节意外损坏将造成严重的影响，也会为相连的其他系统埋下破坏其稳定性和安全性的隐患。如何提高功率器件的可靠性和安全性，进而提升电力电子系统可靠性和安全性就具有实际价值和意义，功率器件的可靠性和安全性也理所应当地成为了人们所重视的基础问题。随着变流器工作频率的不断升高，加上第三代功率半导体器件如碳化硅场效应晶体管(sic mosfet)的迅速发展，电力电子变流器的体积变得越来越小。伴随而来的是温度问题，限制sic mosfet可靠性的因素有很多，其中温度是主要因素，约占了55％
3.通常电力电子变流器都是在非平稳工况条件下工作，非平稳工况导致了变流器中sic mosfet承受随机的功率波动，在功率变化过程中，碳化硅较高的导热系数和杨氏模量可能会导致模接焊料层产生较高的应力。进一步，功率波动会导致sic mosfet产生温度波动，在温度波动的过程中塑性应变和蠕变会引起焊接疲劳，最终导致sic mosfet烧坏，严重影响使用寿命。因此，需要采用主动干预的方式缩小这类温度波动，属于一种主动热管理技术。相关研究中通过调节开关频率进行温度调控，此方法会影响变流器的输出波形，并不能适用于对变流器输出有要求的应用场景。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提出一种碳化硅场效应晶体管温度波动抑制电路及方法，在不改变变流器输出质量基础上，对碳化硅场效应晶体管的门级驱动电路重新设计，实现逆变器中碳化硅场效应晶体管的温度波动抑制。
5.为了实现上述目的，本发明所述的一种碳化硅场效应晶体管温度波动抑制电路，包括直流电源，所述直流电源连接逆变电路，所述逆变电路通过整流桥连接负载，所述逆变电路是由四个碳化硅碳化硅场效应晶体管组成的h桥逆变电路，每个碳化硅碳化硅场效应晶体管表面贴合热电偶，所述热电偶通过温度转换器连接adc采集模块，所述adc采集模块连接dsp控制器，所述dsp控制器通过脉冲宽度调制和输入/输出电路连接门级驱动电路，所述门级驱动电路连接所述的h桥逆变电路，所述门级驱动电路辅助开关sw1和门极电阻r
g1
串联构成的支路一，辅助开关sw2和门级电阻r
g2
串联构成的支路二,单独的门极电阻r
g3
构成支路三，将支路一、支路二和支路三并联后一侧连接门级驱动信号，另一侧与碳化硅碳化硅场效应晶体相连。
6.进一步地，所述热电偶采用pt100型热电偶。
7.进一步地，所述门级驱动电路中的门级电阻r
g1
,r
g2
和r
g3
的阻值均为15ω。
8.用上述的碳化硅场效应晶体管温度波动抑制电路进行碳化硅场效应晶体管温度波动抑制的方法，该方法为：
9.s1.采用pt100型热电偶贴合于sic mosfet表面，实时采集sic mosfet的温度t
sensor
；
10.s2.将采集得到的sic mosfet实时温度通过温度转换器转换为电压信号u
t
，进而通过dsp控制器的adc采集模块；
11.s3.当系统处于稳定运行状态时，在dsp控制器中将此时采集的温度设置为参考温度t
ref
，正常情况下辅助开关s
w1
关断，s
w2
导通；系统功率发生波动，当u
t
》t
ref
时，导通驱动电路中的辅助开关s
w1
，将并联的门极电阻数量调控为3个，以此降低门极电阻的总大小，减小了sic mosfet的开关损耗从而降低了温度t
sensor
；当u
t
《t
ref
时，关断驱动电路中的辅助开关s
w1
和s
w2
，将并联的门极电阻数量调控为1个，以此增加门极电阻的总大小，增加了sic mosfet的开关损耗从而增加了温度t
sensor
。
12.本发明的有益效果是：
13.本发明提出的一种基于门级电阻调控的sic mosfet温度波动抑制方法，通过驱动电路的门级电阻，增加或减小开关损耗从而减小了sic mosfet，避免了非平稳工况下逆变器发生热疲劳失效。
14.传统方法通过调节开关频率进行sic mosfet温度控制，此方法会降低逆变器的输出质量。本发明不但能够实现单独调整某一个sic mosfet的温度，并且不会影响变流器的功率处理能力，不会降低整个系统的输出质量，降低了碳化硅mosfet的失效机率，响应速度较快，效果明显。
附图说明
15.图1为本发明所述的sic mosfet温度波动控制方法电路架构图；
16.图2为本发明所述的基于门级电阻调控的sic mosfet温度波动抑制方法流程图；
17.图3为本发明所述的门级电阻调控电路。
具体实施方式
18.下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
19.如图1所示，本实施例的的一种碳化硅场效应晶体管温度波动抑制电路，包括直流电源，所述直流电源连接逆变电路，所述逆变电路通过整流桥连接负载，所述逆变电路是由四个碳化硅碳化硅场效应晶体管组成的h桥逆变电路，每个碳化硅碳化硅场效应晶体管表面贴合热电偶，所述热电偶通过温度转换器连接adc采集模块，所述adc采集模块连接dsp控制器，所述dsp控制器通过脉冲宽度调制和输入/输出电路连接门级驱动电路，所述门级驱动电路连接所述的h桥逆变电路，所述门级驱动电路辅助开关sw1和门极电阻r
g1
串联构成的支路一，辅助开关sw2和门级电阻r
g2
串联构成的支路二,单独的门极电阻r
g3
构成支路三，将支路一、支路二和支路三并联后一侧连接门级驱动信号，另一侧与碳化硅碳化硅场效应晶体相连。系统的能量传输由直流电源电压v
in
经过逆变电路逆变为高频交流电压v
ab
，其中逆
变电路采用h桥式，即共含有4个碳化硅mosfet(s1，s2，s3和s4)，之后通过整流桥作用于负载上。
20.本实施例中所述热电偶采用pt100型热电偶。
21.本实施例中所述门级驱动电路中的门级电阻r
g1
,r
g2
和r
g3
的阻值均为15ω。
22.用上述的碳化硅场效应晶体管温度波动抑制电路进行碳化硅场效应晶体管温度波动抑制的方法，该方法为：
23.1、采用pt100型热电偶贴合于sic mosfet表面，实时采集sic mosfet的温度t
sensor
；
24.2、将采集得到的sic mosfet实时温度通过温度变送器模块，转换为电压信号u
t
，进而通过dsp控制器的adc模块采集；
25.3、本发明在sic mosfet门级驱动电路部分设计了如图3所示的门极电阻可调电路，通过辅助开关s
w1
和s
w2
不同的开关组合，改变所并联电阻的个数，以此来调控整个门级电阻的阻值，其中r
g1
,r
g2
和r
g3
均为15ω。
26.4、当系统处于稳定运行状态时，在dsp控制器中将此时采集的温度设置为参考温度t
ref
，正常情况下辅助开关s
w1
关断，s
w2
导通。系统功率发生波动，当u
t
》t
ref
时，导通驱动电路中的辅助开关s
w1
，将并联的门极电阻数量调控为3个，以此降低门极电阻的总大小，减小了sic mosfet的开关损耗从而降低了温度t
sensor
；当u
t
《t
ref
时，关断驱动电路中的辅助开关s
w1
和s
w2
，将并联的门极电阻数量调控为1个，以此增加门极电阻的总大小，增加了sic mosfet的开关损耗从而增加了温度t
sensor
；
27.至此，完成了逆变器中，由功率波动引起sic mosfet温度波动的抑制，使sic mosfet的温度接近于参考温度附近。重要的是能够实现sic mosfet温度的独立调控，不会降低整个系统的输出质量，最终提高了sic mosfet的可靠性。
28.以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。