一种SiC功率器件控制方法及装置器与流程

本发明涉及电力电子新材料器件控制器领域，尤其涉及一种sic功率器件控制方法及装置。

背景技术：

近些年来能源和环境问题日益凸显，节能环保和低碳发展逐渐成为全球共识。降低能耗、提升能源使用效率是当今世界各国节能减排的重大举措。sic功率器件是第三代半导体，较传统的si器件，具有宽禁带，临界电场击穿强度高和导热率高等特征。新型材料sic功率器件阻断电压高、通态电阻低、开关损耗小且耐高温工作，能大幅度降低系统的功耗，缩小系统的体积。

因此，采用新型sic功率器件可使电力电子系统的功率、温度、频率、可辐射能力、效率和可靠性倍增，带来体积、重量及成本的大幅减低，因此，设计一种对新型sic功率器件的专用高效控制器是迫切需要的。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种sic功率器件控制方法及装置。

为达到上述目的，本发明的技术方案具体是这样实现的：

本发明的一个方面提供了一种sic功率器件控制方法，包括：模拟信号采样模块对sic功率器件的工作电压及电流进行采样，将采集到的采样信号发送至故障处理模块和mcu模块；故障处理模块接收采样信号，并将采样信号与设定值进行比较，获得比较结果，将比较结果发送至mcu模块；mcu模块接收采样信号，对采样信号进行预处理，得到采样真实值，并将采样真实值经过数字加速器的快速控制算法进行计算，得到计算结果，根据计算结果生成pwm波，并输出pwm波；以及接收比较结果，根据比较结果进行故障处理。

其中，输出pwm波包括：mcu模块将pwm波发送至pwm波缓冲模块；pwm波缓冲模块缓存pwm波，并输出pwm波。

其中，方法还包括：can通讯模块获取用户需求信息，并将用户需求信息传输至mcu模块；mcu模块接收用户需求信息，并根据用户需求信息生成反馈信息，将反馈信息传输至can通讯模块；can通讯模块将反馈信息进行输出。

其中，故障处理模块将采样信号与设定值进行比较，获得比较结果，将比较结果发送至mcu模块包括：故障处理模块在判断采样信号大于设定值时，产生故障信号，将故障信号发送给mcu模块。

其中，故障处理模块将故障信号发送给mcu模块包括：故障处理模块按照预设优先级将故障信号发送给mcu模块；mcu模块接收比较结果，根据比较结果进行故障处理处理包括：mcu模块根据故障信号的优先级进行相应故障处理。

本发明另一方面提供了一种sic功率器件控制装置，包括：模拟信号采样模块，用于对sic功率器件的工作电压及电流进行采样，将采集到的采样信号发送至故障处理模块和mcu模块；故障处理模块，用于接收采样信号，并将采样信号与设定值进行比较，获得比较结果，将比较结果发送至mcu模块；mcu模块，用于接收采样信号，对采样信号进行预处理，得到采样真实值，并将采样真实值经过数字加速器的快速控制算法进行计算，得到计算结果，根据计算结果生成pwm波，并输出pwm波；以及接收比较结果，根据比较结果进行故障处理。

其中，装置还包括：pwm波缓冲模块；mcu模块，还用于将pwm波发送至pwm波缓冲模块；pwm波缓冲模块，用于缓存pwm波，并输出pwm波。

其中，装置还包括：can通讯模块；can通讯模块，用于获取用户需求信息，并将用户需求信息传输至mcu模块；mcu模块，还用于接收用户需求信息，并根据用户需求信息生成反馈信息，将反馈信息传输至can通讯模块；can通讯模块，还用于将反馈信息进行输出。

其中，故障处理模块，具体用于在判断采样信号大于设定值时，产生故障信号，将故障信号发送给mcu模块。

其中，故障处理模块，具体用于按照预设优先级将故障信号发送给mcu模块；mcu模块，具体用于根据故障信号的优先级进行相应故障处理。

由此可见，通过本发明提供的sic功率器件控制方法及装置，采用的硬件电路简单，模拟采样精准，系统可靠稳定，通讯时效性强，控制相关设备动态性能良好，便于sic功率器件安全，精准、稳定的控制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述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，对于本领域的普通技术人员来讲，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他附图。

图1为本发明实施例提供的sic功率器件控制装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的sic功率器件控制装置中预先分析sic功率器件的开关特性及动态性能的原理图；

图3为本发明实施例提供的sic功率器件控制方法的流程图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本发明针对sic功率器件性能及控制特点，设计出了一种专用于sic功率器件的控制器，参见图1，其具体的硬件设计至少包括：模拟信号采样模块、mcu模块和故障处理模块。进一步，sic功率器件控制器还可以包括：pwm波缓冲模块和can通讯模块。

其硬件功能模块可以分别由lmv324l分别与f28035的ad引脚、comp引脚搭建成模拟信号采样模块及故障信号处理模块，由sn74lvc4245a搭建成pwm波缓冲模块，由iso1050搭建出can通讯模块。其连接端口分成模拟信号端口、数字信号端口及通讯信号端口，分别将模拟信号与数字信号分开，将数字控制信号与数字通讯信号分开，降低不同类信号之间的干扰，提升系统可靠性。

其中，本发明实施例提供的sic功率器件控制装置中各个功能模块的作业如下：

模拟信号采样模块，用于对sic功率器件的工作电压及电流进行采样，将采集到的采样信号发送至故障处理模块和mcu模块；

故障处理模块，用于接收采样信号，并将采样信号与设定值进行比较，获得比较结果，将比较结果发送至mcu模块；

mcu模块，用于接收采样信号，对采样信号进行预处理，得到采样真实值，并将采样真实值经过数字加速器的快速控制算法进行计算，得到计算结果，根据计算结果生成pwm波，并输出pwm波；以及接收比较结果，根据比较结果进行故障处理。

在本发明实施例提供的sic功率器件控制装置中包括pwm波缓冲模块的情况下，mcu模块，还用于将pwm波发送至pwm波缓冲模块；pwm波缓冲模块，用于缓存pwm波，并输出pwm波。

本发明实施例提供的sic功率器件控制装置包括can通讯模块的情况下，can通讯模块，用于获取用户需求信息，并将用户需求信息传输至mcu模块；mcu模块，还用于接收用户需求信息，并根据用户需求信息生成反馈信息，将反馈信息传输至can通讯模块；can通讯模块，还用于将反馈信息进行输出。

其中，故障处理模块，具体用于在判断采样信号大于设定值时，产生故障信号，将故障信号发送给mcu模块。进一步，故障处理模块，具体用于按照预设优先级将故障信号发送给mcu模块；mcu模块，具体用于根据故障信号的优先级进行相应故障处理。

在进行本发明设置之初，作为本发明实施例的一个可选实施方式，本发明实施例提供的sic功率器件控制方法还包括：通过sic功率器件的双脉冲实验，分析sic功率器件的开关特性及动态性能，评估出sic功率器件的技术参数，其中技术参数包括但不限于开关损耗、安全工作频率区域、温升情况等。由此可以为控制器及驱动电路设计提供理论依据。其原理图如图2所示。首先，保持sic功率管(mosfet)栅极电压恒定，使sic功率管导通，调节电源恒流输出，通过测试功率管栅源两极电压计算出通态损耗，分析开关损耗；其次，为充分测试功率器件的开关特性，对不同输入电压和不同驱动电阻组合条件下的开关特性分别进行测试，分析开关特性。

通过双脉冲实验结果分析出：sic功率器件兼顾了低导通电阻与高阻断电压的静态性能优势；较同等功率等级si功率器件，同样工作频率下sic功率器件栅极受密勒电容产生的耦合干扰影响较小，且开关速度快，开关损耗小。

基于图1所示的sic功率器件控制器，图3示出了本发明实施例提供的sic功率器件控制方法的流程图，参见图3，本发明实施例提供的sic功率器件控制方法，包括：

s301，模拟信号采样模块对sic功率器件的工作电压及电流进行采样，将采集到的采样信号发送至故障处理模块和mcu模块。

具体地，模拟信号采样模块可以通过外部电阻搭及电流互感器对sic功率器件的工作电压及电流进行衰减再采样，之后将采用信号发送至故障处理模块和mcu模块。

模拟信号采集模块可以包含多路模拟信号采集任务，分别对sic功率器件的工作电压及电流进行采样，监测sic器件的工作环境，采集相应拓扑控制所需的数字量，为精准控制sic功率器件工作提供数据支持。

s302，故障处理模块接收采样信号，并将采样信号与设定值进行比较，获得比较结果，将比较结果发送至mcu模块。

具体地，故障处理模块接收到模拟信号采样模块采样得到的采样信号后，可以通过lmv324l运放跟随器输入到mcu模块内部的模拟比较器与设定值(该设定值为预先设定的保护值)的电压进行比较，产生比较结果。

作为本发明实施例的一个可选实施方式，比较结果可以包括故障信号与正常信号。故障处理模块将采样信号与设定值进行比较，获得比较结果，将比较结果发送至mcu模块包括：故障处理模块在判断采样信号大于设定值时，产生故障信号，将故障信号发送给mcu模块。而故障处理模块在判断采样信号不大于设定值时，产生正常信号，将正常信号发送给mcu模块。进一步，作为本发明实施例的一个可选实施方式，故障处理模块将故障信号发送给mcu模块包括：故障处理模块按照预设优先级将故障信号发送给mcu模块；mcu模块接收比较结果，根据比较结果进行故障处理处理包括：mcu模块根据故障信号的优先级进行相应故障处理。具体地，若是故障信号，还可以对故障信号进行优先级的划分，优先级最高的故障信号可以使mcu模块禁止pwm波发波的功能，停止脉冲信号输出，暂停整机工作。由此通过故障处理模块快速保护，能够使sic功率器件安全、稳定运行。

具体实现时，利用故障处理模块接入模拟采样信号，通过lmv324l运放跟随电路连接到f28035的comp引脚上，实时进行与内部设定值比较，若超出设定值，快速产生故障信号，根据故障优先级进行不同故障处理，保障sic功率器件安全、稳定运行。

由此，将模拟信号采样模块采集到的采样信号连接到故障信号处理模块，经过故障信号处理模块实时进行与设定值比较，超设定值产生故障信号，故障信号根据优先级分别传输给mcu模块内部不同功能模块进行故障处理，例如高级故障信号直接使能pwm波发生模块的禁止功能，禁止pwm波输出，停止设备工作，达到快速保护sic功率器件目的。

s303，mcu模块接收采样信号，对采样信号进行预处理，得到采样真实值，并将采样真实值经过数字加速器的快速控制算法进行计算，得到计算结果，根据计算结果生成pwm波，并输出pwm波；以及接收比较结果，根据比较结果进行故障处理。

具体地，mcu模块对采样信号进行的预处理可以包括但不限于：滤除干扰毛刺信号等操作，精准跟随采样信号。mcu模块接收到模拟采样信号后，会对该信号进行软件滤波，滤除掉不必要的毛刺和干扰，精确采样真实值。然后，这些数据通过f28035的cla数字加速器的快速控制算法计算，直接控制pwm发波的频率和占空比，达到快速控制的目的，且能适应sic功率器件高工作频率的需求。

具体实现时，mcu模块可以采用ti的dsp28035单片机，具有i/o引脚、通讯引脚、ad采样引脚、pwm引脚等功能引脚，内部具有一个32位浮点数字加速器cla，专为独立于tms320c28xcpe内核工作而设计，以分担复杂的高速控制算法。具体的，其针对sic功率器件的控制算法，具有高速数字运算及高速逻辑处理的特点，采用f28035作为主芯片，结合其内部集成的控制加速器(cla)功能优势，协助主核mcu高速完成系统控制算法及策略。利用f28035自带的cla功能，将任务触发速度比较快的sic功率器件控制算法从mcu中卸载出来，将相应采样运算及逻辑控制由cla负责，释放mcu，加速算法运算及逻辑处理，提升系统控制速率及稳定性。

由于不同的sic功率器件具有不同拓扑，而不同拓扑对应不同的控制算法与控制策略，不管应用sic功率器件的全桥llc谐振拓扑，还是vienna整流拓扑，为了彰显新型材料sic功率器件优势，都要依托于高频工作特性，进行高速运算及逻辑处理。考虑到sic功率器件高频工作特性，sic功率器件的控制算法应具有高速数字运算及快速逻辑处理的特点，本发明中的mcu模块采用具有独立数字加速器的mcu，能够胜任拓扑中pwm、pfm等复杂的控制算法及控制策略处理任务。

作为本发明实施例的一个可选实施方式，输出pwm波包括：mcu模块将pwm波发送至pwm波缓冲模块；pwm波缓冲模块缓存pwm波，并输出pwm波。具体地，基于sic功率器件高频工作特性，mcu模块输出的pwm波通过pwm波缓冲模块进行缓冲，使得输出的信号具有频率高、死区保护等特性，能够高效驱动及安全保护sic功率器件运行。具体实现时，pwm波缓冲模块与sic功率器件的驱动相连接，主要起到mcu输出pwm波缓冲，增强带载能力，且能快速保护等功能，有效的增强了控制系统的稳定性。

作为本发明实施例的一个可选实施方式，本发明实施例提供的sic功率器件控制方法还包括：can通讯模块获取用户需求信息，并将用户需求信息传输至mcu模块；mcu模块接收用户需求信息，并根据用户需求信息生成反馈信息，将反馈信息传输至can通讯模块；can通讯模块将反馈信息进行输出。具体地，can通讯模块与上位机或控制器相连接，mcu模块通过该模块实现跟用户建立交互关系，mcu模块获取用户需求信息，用户获取设备工作参数及工作状态信息，进行实时通讯。其中can模块通讯兼容了充电桩应用系统协议要求，时效性高，不丢报文信息。由此可以通过can通讯模块实时与上位机或控制器进行sic功率器件工作数据及状态信息进行通讯。

作为本发明实施例的一个可选实施方式，mcu模块除与各功能模块连接，实现各自功能外，主要还可以实现sic功率器件应用到不同拓扑中的控制策略，使整机达到动态性能好、控制精度高、系统稳定性强等特点。进一步，mcu模块还可以开发出一些i/o功能，用于实现运行灯、故障指示灯等控制。

由此可见，通过本发明实施例提供的sic功率器件控制方法，充分利用了sic半导体禁带宽度高、临界电场击穿强度高和热导率高等特征，能够适应高温、高频率及高压工作条件下，发挥sic功率器件的电力电子器件阻断电压高，通态电阻低、开关损耗小且耐高温工作等优势，能大幅度减低设备的功耗、缩小设备的体积。进一步，电路硬件简单，模拟采样数据精准，滤除不必要的干扰信号，信号时效性强，完全无滞后，便于设备有效、精准和稳定的控制。

另外，mcu模块根据控制算法计算结果及控制策略需求输出pwm波，通过pwm波缓冲模块增强驱动能力，能够使sic功率器件驱动信号稳定、准确，提升系统稳定性。mcu模块根据通过can通讯模块获取用户给定需求和设备控制需求调整pwm波输出，从而控制设备的输出，保持稳定运行。

综上所述，通过本发明实施例提供的sic功率器件控制方法，可以基于对sic功率器件专业性分析与测试，令sic功率器件控制器采用高速数字控制逻辑，并充分考虑sic功率器件的性能特点，具备了采样精准、功率器件控制信号pwm波频率高、控制算法处理速率快、快速保护及实时通讯等优势。该控制器结合sic功率器件特性，适宜工作在高频、高温和大功率电力电子应用领域，具有很大的应用优势和市场潜力。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(cpu)、输入/输出接口、网络接口和内存。

存储器可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(ram)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(rom)或闪存(flashram)。存储器是计算机可读介质的示例。

计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(pram)、静态随机存取存储器(sram)、动态随机存取存储器(dram)、其他类型的随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(cd-rom)、数字多功能光盘(dvd)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitorymedia)，如调制的数据信号和载波。

以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。