本发明涉及变换器技术领域，特别涉及一种sicmosfet三相两电平变换器死区设置方法。
背景技术：
随着sicmosfet(metal-oxide-semiconductorfield-effecttransistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)等宽禁带半导体器件的出现，电力电子设备可以具备更多的优势：更高的工作电压、更大的功率、更小的体积、更大的功率密度、更高的开关频率、更低的损耗、更高的工作温度等。这些优势使得sicmosfet电力电子设备更加适用于电动机车、电动飞机、新能源发电、微网等中低压应用领域。其中sicmosfet三相两电平变换器，由于其简单的拓扑与控制策略，是目前最有前景的sicmosfet变换器。然而sicmosfet在三相两电平变换器的使用虽然能带来诸多优势，却给其死区设置带来难题。
传统的固定死区设置方案虽然仍然能保证sicmosfet三相两电平变换器的可靠性，但是却会带来较大的损耗及输出电压损失。目前应用在sicmosfet变换器上的死区设置方案主要有两种：第一种是考虑到充分利用sicmosfet沟道阻抗比二极管阻抗小的优势，尽可能减小死区的设置方案，这种方案虽然能减小二极管续流损耗，但是却有可能带来较大的sicmosfet输出电容损耗，并且降低了系统的可靠性；第二种方案同时减小了二极管续流损耗与sicmosfet输出电容损耗，但是需要额外的死区选择电路，增加了系统的成本与复杂度。
技术实现要素：
本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术中的技术问题之一。为此，本发明的目的在于提出一种sicmosfet三相两电平变换器死区设置方法，不仅能够降低二极管损耗、输出电容损耗及输出电压损失，而且能够降低结构和设置逻辑的复杂度，简单方便，成本较低。
为达到上述目的，本发明提出了一种sicmosfet三相两电平变换器死区设置方法，所述三相两电平变换器包括三相桥臂，每相桥臂的上桥开关管和下桥开关管均为sicmosfet，每相桥臂采用相同的死区设置方法，所述死区设置方法包括以下步骤：获取每相桥臂中点的输出电流；判断所述输出电流的极性，并根据所述输出电流的极性确定该相桥臂上桥开关管和下桥开关管的主动性；获取所述sicmosfet及其驱动板的参数信息，并根据所述参数信息计算前置死区时间和后置死区时间；将主动开关管开通前的死区时间设定为n倍的所述前置死区时间，其中，1.5<n<2.5；设置电流上限值和电流下限值，并根据所述电流上限值和所述电流下限值计算最小死区时间和最大死区时间；将所述输出电流的绝对值与所述电流上限值的绝对值和所述电流下限值的绝对值进行比较，并根据比较结果将主动开关管关断后的死区时间设定为所述后置死区时间、所述最小死区时间或所述最大死区时间。
根据本发明实施例的sicmosfet三相两电平变换器死区设置方法，通过根据sicmosfet及其驱动板的参数信息计算前置死区时间和后置死区时间，将主动开关管开通前的死区时间设定为n倍前置死区时间，并根据设置的电流上限值和电流下限值计算最小死区时间和最大死区时间，然后将输出电流的绝对值与电流上限值的绝对值和电流下限值的绝对值进行比较，并根据比较结果将主动开关管关断后的死区时间设定为后置死区时间、最小死区时间或最大死区时间，由此，不仅能够降低二极管损耗、输出电容损耗及输出电压损失，而且不需要额外的硬件电路，能够降低结构和设置逻辑的复杂度，简单方便，成本较低。
另外，根据本发明上述实施例提出的sicmosfet三相两电平变换器死区设置方法还可以具有如下附加的技术特征：
根据本发明的一个实施例，根据所述输出电流的极性确定该相桥臂上桥开关管和下桥开关管的主动性，具体包括：如果所述输出电流的极性为正，则将上桥开关管确定为主动开关管，并将下桥开关管确定为互补开关管；如果所述输出电流的极性为负，则将下桥开关管确定为主动开关管，并将上桥开关管确定为互补开关管。
进一步地，所述sicmosfet及其驱动板的参数信息包括所述sicmosfet的输入电容ciss、门槛电压vth、母线电压vdc下的输出电容电荷qoss(vdc)、驱动电阻rg、驱动电压最大值vgsmax及最小值vgsmin。
进一步地，根据以下公式计算所述前置死区时间td,ahead和所述后置死区时间td,after：
进一步地，根据以下公式计算所述最小死区时间tmin和所述最大死区时间tmax：
其中，imax为所述电流上限值，以所述最小死区时间tmin为n倍的所述前置死区时间为依据进行设置，imin为所述电流下限值，以所述最大死区时间tmax不大于所述三相两电平变换器正常工作所允许的最大值为依据进行设置。
进一步地，根据比较结果将主动开关管关断后的死区时间设定为所述后置死区时间、所述最小死区时间或所述最大死区时间，具体包括：如果输出电流i满足|imin|≤|i|≤|imax|，则将主动开关关断后的死区时间设定为td,after；如果输出电流i满足|i|＞|imax|，则将主动开关关断后的死区时间设定为tmin；如果输出电流i满足|i|＜|imin|，则将主动开关关断后的死区时间设定为tmax。
附图说明
图1为根据本发明一个实施例的三相两电平变换器的结构示意图；
图2为根据本发明实施例的sicmosfet三相两电平变换器死区设置方法的流程图；
图3为根据本发明一个具体实施例的sicmosfet三相两电平变换器死区设置方法的流程图；
图4为根据本发明一个实施例的三相两电平变换器的a相细节图；
图5为根据本发明一个实施例的某相桥臂的输出电压误差示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面结合附图来描述本发明实施例的sicmosfet三相两电平变换器死区设置方法。
如图1所示，本发明实施例的三相两电平变换器包括三相桥臂，每相桥臂的上桥开关管和下桥开关管均为sicmosfet，即图1中的m1h、m1l、m2h、m2l、m3h、m3l为六个sicmosfet，d1h、d1l、d2h、d2l、d3h、d3l为六个反并联的sicsbd。本发明实施例的三相两电平变换器可对直流电进行逆变，以得到三相电，并提供给三相负载。如图1所示，vdc为直流母线电压，cdc1、cdc2为直流母线电容，n为直流母线电容中点，a、b、c为三相桥臂的中点，ia、ib、ic为三相桥臂的输出电流，la、lb、lc为三相滤波电感，ra、rb、rc为三相电阻负载，o为负载中心点。
在本发明的实施例中，每相桥臂采用相同的死区设置方法。
如图2所示，本发明实施例的sicmosfet三相两电平变换器死区设置方法，包括以下步骤：
s1，获取每相桥臂中点的输出电流。
在本发明的实施例中，可通过sicmosfet三相两电平变换器中已有的电流采样单元检测每相桥臂中点的输出电流，即检测ia、ib、ic。
s2，判断输出电流的极性，并根据输出电流的极性确定该相桥臂上桥开关管和下桥开关管的主动性。
对于任一相输出电流，可先判断其正负极性，如果输出电流的极性为正，则将该相桥臂的上桥开关管确定为主动开关管，并将下桥开关管确定为互补开关管；如果输出电流的极性为负，则将该相桥臂的下桥开关管确定为主动开关管，并将上桥开关管确定为互补开关管。
s3，获取sicmosfet及其驱动板的参数信息，并根据参数信息计算前置死区时间和后置死区时间。
其中，sicmosfet及其驱动板的参数信息可由厂家提供及数据手册中获取。在本发明的一个实施例中，sicmosfet的参数信息可包括sicmosfet的输入电容ciss、门槛电压vth、母线电压vdc下的输出电容电荷qoss(vdc)、驱动电阻rg、驱动电压最大值vgsmax及最小值vgsmin。
具体地，可根据以下公式计算前置死区时间td,ahead和后置死区时间td,after：
s4，将主动开关管开通前的死区时间设定为n倍的前置死区时间，其中，1.5<n<2.5。
其中，n为裕量系数，即将主动开关管开通前的死区时间设定为(1.5～2.5)×td,ahead。
s5，设置电流上限值和电流下限值，并根据电流上限值和电流下限值计算最小死区时间和最大死区时间。
在本发明的一个实施例中，可根据以下公式计算最小死区时间tmin和最大死区时间tmax：
其中，imax为电流上限值，以最小死区时间tmin为n倍的前置死区时间为依据进行设置，imin为电流下限值，以最大死区时间tmax不大于三相两电平变换器正常工作所允许的最大值为依据进行设置。
s6，将输出电流的绝对值与电流上限值的绝对值和电流下限值的绝对值进行比较，并根据比较结果将主动开关管关断后的死区时间设定为后置死区时间、最小死区时间或最大死区时间。
具体地，如果输出电流i满足|imin|≤|i|≤|imax|，则将主动开关关断后的死区时间设定为td,after；如果输出电流i满足|i|＞|imax|，则将主动开关关断后的死区时间设定为tmin；如果输出电流i满足|i|＜|imin|，则将主动开关关断后的死区时间设定为tmax。
在一个具体实施例中，如图3所示，sicmosfet三相两电平变换器死区设置方法可包括以下步骤：
s101，测量桥臂的输出电流i。
s102，判断是否有i＞0。如果是，则执行步骤s103；如果否，则执行步骤s104。
s103，桥臂上方的sicmosfet为主动开关管。
s104，桥臂下方的sicmosfet为主动开关管。
s105，从sicmosfet及其驱动板的数据手册读取参数。
s106，计算td,ahead和td,after。
s107，将主动开关管开通前的死区时间设定为(1.5～2.5)×td,ahead。
s108，根据安全性及可实现性设置电流门槛值imin和imax。
s109，计算tmin和tmax。
s110，将|i|与|imin|、|imax|进行比较。如果|imin|≤|i|≤|imax|，则执行步骤s111；如果|i|＞|imax|，则执行步骤s112；如果|i|＜|imin|，则执行步骤s113。
s111，将主动开关管关断后的死区时间设为td,after。
s112，将主动开关关断后的死区时间设为tmin。
s113，将主动开关关断后的死区时间设为tmax。
也就是说，本发明实施例的主动开关器件开通关断两边的死区时间不对称，开通前的死区时间可由厂家提供的sicmosfet及其驱动板的数据手册中的参数决定，关断后的死区时间可由输出电流大小、厂家提供的sicmosfet及其驱动板的数据手册中的参数决定。
下面以a相为例详细说明sicmosfet三相两电平变换器死区的设置过程。
图4示出了a相的细节，其中，vg1h、vg1l为驱动电压，rg1h、rg1l为驱动电阻，cgs1h、cdg1h、cds1h分别为上开关管的栅源电容、米勒电容、漏源电容，cgs1l、cdg1l、cds1l分别为下开关管的栅源电容、米勒电容、漏源电容。可取：
当ia为正时，m1h为主动开关管。若电路的初始状态为m1l沟道反向续流，下一个工作状态为m1l沟道关闭，当m1l沟道完全关闭后，m1h才可以开始开通。在m1l驱动电压开始下降到m1h驱动电压开始上升之间的间隔时间便为主动开关管开通前的死区时间。此死区的目的是防止m1h与m1l发生直通。m1l从开始关断到沟道完全关断需要的时间为驱动电压从最大值下降到门槛电压的时间，可表示为：
其中，vgs＝vgsmax-vgsmin(vgsmax为驱动电压最大值，vgsmin为驱动电压最小值)，ciss＝cgs+cdg。
m1h从驱动电压开始上升到沟道开始开通的时间为驱动电压从最小值上升到门槛电压的时间，可表示为：
为了防止发生直通，主动开关管开通前的死区时间的最小值为：
为了防止参数的不准确以及电路的干扰对死区时间带来的影响，主动开关开通前的死区应该考虑一定的裕量，取1.5～2.5倍的td,ahead作为主动开关管开通前的死区时间。
若电路的初始状态为m1h沟道正向导通，下一个工作状态为m1h沟道关闭，当m1h沟道完全关闭后，m1l才可以开始开通。在m1h驱动电压开始下降到m1l驱动电压开始上升之间的间隔时间便为主动开关关断后的死区时间。m1h从开始关断到沟道完全关断所需的时间为驱动电压从最大值下降到门槛电压的时间，所以时间与上述tf相同。当m1h沟道完全关断后，m1l的输出电容(cdg1l+cds1l)中存在没有释放出的电荷qoss(vdc)。如果此时m1l沟道马上开通，m1l的输出电容电荷将会通过沟道释放，产生巨大的损耗，直流电源也会通过上管的输出电容向m1l沟道放电，进一步加大损耗。为了消除此损耗，需要在m1l的输出电容电荷通过ia将能量全部回馈给负载后，沟道才可以开通，能量回馈所需的时间为：
m1l从驱动电压开始上升到沟道开始开通的时间为驱动电压由最小值上升到门槛电压的时间，所以时间与上述tr相同。所以主动开关管关断后的死区时间为：
由该式可知，当ia非常小时，td,after会非常大，会超过调制限制的最大值；当ia非常大时，td,after会非常小，可能会带来直通的风险。所以可设置两个输出电流门槛值：imin、imax。当输出电流满足|imin|≤|ia|≤|imax|，主动开关管关断后的死区时间设为td,after；如果输出电流满足|ia|＞|imax|，主动开关管关断后的死区时间设为tmin；如果输出电流满足|ia|＜|imin|，主动开关管关断后的死区时间设为tmax。imin可以通过试凑法得到，以保证tmax不会大于调制实现允许的最大值为准；imax可以保证tmin为1.5～2.5倍的td,ahead。
当ia极性为负时，m1l为主动开关管，死区设置方法与上述相同。上述设置方法在sicmosfet三相两电平变换器每个桥臂均需要执行一遍。b相、c相的死区设置方法与a相相同。
采用上述死区设置方法，电流极性为正时，某相桥臂输出电压误差如图5所示。vgs,act为主动开关的驱动电压，vgs,com为互补开关的驱动电压，δv为输出电压误差，从图中可以看出，主动开关管关断后的死区带来的输出电压误差可以补偿主动开关管开通前的死区带来的部分输出电压误差。当电流极性为负时，主动开关管关断后的死区带来的输出电压误差同样可以补偿主动开关管开通前的死区带来的部分输出电压误差。因此，本发明实施例的方法可以减小输出电压损失。
综上所述，根据本发明实施例的sicmosfet三相两电平变换器死区设置方法，通过根据sicmosfet及其驱动板的参数信息计算前置死区时间和后置死区时间，将主动开关管开通前的死区时间设定为n倍前置死区时间，并根据设置的电流上限值和电流下限值计算最小死区时间和最大死区时间，然后将输出电流的绝对值与电流上限值的绝对值和电流下限值的绝对值进行比较，并根据比较结果将主动开关管关断后的死区时间设定为后置死区时间、最小死区时间或最大死区时间，由此，不仅能够降低二极管损耗、输出电容损耗及输出电压损失，而且不需要额外的硬件电路，能够降低结构和设置逻辑的复杂度，简单方便，成本较低。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。