基于混合功率器件疲劳累积效应的多开关模式切换方法

本发明涉及电力电子，具体涉及一种基于混合功率器件疲劳累积效应的多开关模式切换方法。

背景技术：

1、碳化硅金属氧化物半导体场效应管(sic mosfet)凭借开关损耗低、开关速度快、耐压高等优点，正在逐渐取代硅基绝缘栅双极型晶体管(si igbt)。然而，受材料和工艺的制约，sic mosfet存在载流能力不足和成本昂贵等问题，阻碍了其进一步的推广。因此有研究提出了基于大电流si igbt和小电流sic mosfet并联使用的混合功率器件结构，以结合si igbt大载流能力、低成本和sic mosfet高性能的优势。

2、混合功率器件具有灵活的栅极开关时序，根据控制目标主要分为最小损耗开关模式和结温平衡开关模式两大类。

3、其中，最小损耗开关模式(最小损耗开关模式)的时序图如图1所示。通过sicmosfet先开后关的时序，使得si igbt零电压开通和关断，进而减小器件总损耗。同时动态调整关断延时，以实现变换器效率最优的目标。但是该开关模式下大热阻的sic mosfet承担了主要的开关损耗，在重载的情况下其极易出现过热现象。为解决该问题，有研究提出了结温平衡开关模式，通过调整损耗分配的方式，达到降低sic mosfet结温的目的。

4、结温平衡开关模式(结温平衡开关模式)的时序图如图2所示。其开关时序与模式1相同，但是通过控制sic mosfet中断导通时间tcond_mos，将部分导通损耗转移给si igbt，实现sic mosfet与si igbt结温平衡的目标。

5、然而这两类开关模式都只针对单一目标进行优化，存在难以适应不同工况的问题。若以最小损耗为导向则会在重载时牺牲器件的热可靠性，而以结温平衡为导向则会在轻载时牺牲变换器的效率。为结合最小损耗和结温平衡两种开关模式的优势，有相关研究中提出了混合功率器件多开关模式切换策略。该开关策略可根据负载电流大小判断是否进行开关模式切换，在中小负载时采用最小损耗开关模式，提高变换器运行效率；而在重载时采用结温平衡开关模式，提高热可靠性。

6、但是传统的多开关模式切换策略，通常将器件150℃结温限制下，变换器的最大安全运行电流设为模式切换的阈值电流。该阈值电流一般通过实验测得，并作为固定值输入到模式切换控制器中。然而，在器件老化进程中其热阻是不断攀升的，这使得在相同工况下老化后期的器件更容易超过限制结温，进而导致阈值电流发生偏移。若仍根据混合功率器件初始健康状态时的阈值电流进行模式切换判断，将会给老化后期变换器的可靠运行带来严峻挑战。

7、因此，如何提出一种考虑当前混合功率器件老化状态的多开关模式切换方法是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种基于混合功率器件疲劳累积效应的多开关模式切换方法，用以至少解决现有技术中的多开关模式切换方法由于未考虑器件老化进程而导致的变换器运行可靠性差的问题。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、基于混合功率器件疲劳累积效应的多开关模式切换方法，包括以下步骤：

4、获取逆变器在最小损耗开关模式和结温平衡开关模式下三维安全工作区对应的二维映射图；

5、根据二维映射图获取健康状态安全工作区和非健康状态安全工作区；

6、以额定工作点为基准，在健康状态安全工作区内获取额定功率以下工作区a和过载工作区b，当逆变器的工作状态从区域a切换至区域b时，开关模式从最小损耗开关模式切换至结温平衡开关模式；

7、在非健康状态安全工作区内，获取在最小损耗开关模式下器件受老化影响后的安全工作区c和收窄区域d，当逆变器的工作状态从区域c切换至收窄区域d时，开关模式从最小损耗开关模式切换至结温平衡开关模式。

8、优选的，获取逆变器在最小损耗开关模式和结温平衡开关模式下三维安全工作区对应的二维映射图的方法包括：

9、将si igbt的热阻值设为固定值，对最小损耗开关模式和结温平衡开关模式下逆变器的三维安全工作区进行二维映射，获得关于sic mosfet热阻值和负载电流的二维映射图。

10、优选的，三维安全工作区的刻画过程包括：

11、通过改变热网络模型的热阻值来模拟混合器件的不同老化状态，将sic mosfet和si igbt的结壳热阻增量从0增加至50％以完整覆盖混合器件的全寿命周期；

12、根据混合功率器件的开关模式和热电耦合模型计算出150℃结温限制下，不同器件老化程度对应的变换器最大安全运行电流，并以最大安全运行电流为边界刻画全寿命周期内变换器的关于si igbt的热阻值、sic mosfet热阻值和负载电流的三维安全工作区。

13、优选的，逆变器工作在区域c时为轻中载运行，混合器件采用最小损耗开关模式运行。

14、优选的，逆变器工作在区域d时为额定负载运行，最小损耗开关模式自动切换到结温平衡开关模式运行，通过调节混合器件的中断导通时间将安全工作区扩大至区域d。

15、优选的，非健康状态安全工作区内还包括结温平衡开关模式下器件的安全工作区域e，逆变器工作在区域e时为过载运行，混合器件面临热失效风险，采用结温平衡开关模式运行。

16、优选的，最小损耗开关模式为通过sic mosfet先开后关的时序，使得si igbt零电压开通和关断，进而减小器件总损耗。

17、优选的，结温平衡开关模式为采用sic mosfet先开后关的时序，通过控制sicmosfet中断导通时间tcond_mos，将部分导通损耗转移给si igbt，实现sic mosfet与si igbt结温平衡的目标。

18、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了基于混合功率器件疲劳累积效应的多开关模式切换方法，具有以下有益效果：

19、1)本发明考虑器件老化程度对变换器最大安全运行电流的影响，通过动态调整阈值电流的方式，能够保证多开关模式切换策略在混合器件全寿命周期内的有效性；

20、2)额定负载时通过主动切换开关模式，在混合器件非健康状态时，依然可以保持变换器不降额运行；

21、3)在过载时通过开关模式切换使得变换器的最大功率输出能力有所提高，有效降低了器件过热风险，可以保障混合器件全寿命周期内逆变器的可靠运行。

技术特征：

1.基于混合功率器件疲劳累积效应的多开关模式切换方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于混合功率器件疲劳累积效应的多开关模式切换方法，其特征在于，获取逆变器在最小损耗开关模式和结温平衡开关模式下三维安全工作区对应的二维映射图的方法包括：

3.根据权利要求2所述的基于混合功率器件疲劳累积效应的多开关模式切换方法，其特征在于，三维安全工作区的刻画过程包括：

4.根据权利要求1所述的基于混合功率器件疲劳累积效应的多开关模式切换方法，其特征在于，逆变器工作在区域c时为轻中载运行，混合器件采用最小损耗开关模式运行。

5.根据权利要求1所述的基于混合功率器件疲劳累积效应的多开关模式切换方法，其特征在于，逆变器工作在区域d时为额定负载运行，最小损耗开关模式自动切换到结温平衡开关模式运行，通过调节混合器件的中断导通时间将安全工作区扩大至区域d。

6.根据权利要求1所述的基于混合功率器件疲劳累积效应的多开关模式切换方法，其特征在于，非健康状态安全工作区内还包括结温平衡开关模式下器件的安全工作区域e，逆变器工作在区域e时为过载运行，混合器件面临热失效风险，采用结温平衡开关模式运行。

7.根据权利要求1所述的基于混合功率器件疲劳累积效应的多开关模式切换方法，其特征在于，最小损耗开关模式为通过sic mosfet先开后关的时序，使得si igbt零电压开通和关断，进而减小器件总损耗。

8.根据权利要求1所述的基于混合功率器件疲劳累积效应的多开关模式切换方法，其特征在于，结温平衡开关模式为采用sic mosfet先开后关的时序，通过控制sic mosfet中断导通时间tcond_mos，将部分导通损耗转移给si igbt，实现sic mosfet与si igbt结温平衡的目标。

技术总结
基于混合功率器件疲劳累积效应的多开关模式切换方法，包括以下步骤：获取最小损耗开关模式和结温平衡开关模式下三维安全工作区对应的二维映射图；根据二维映射图获取健康状态安全工作区和非健康状态安全工作区；以额定工作点为基准，当逆变器的工作状态从区域A切换至区域B时，开关模式从最小损耗开关模式切换至结温平衡开关模式；在非健康状态安全工作区内，当逆变器的工作状态从区域C切换至收窄区域D时，开关模式从最小损耗开关模式切换至结温平衡开关模式。本发明保证了逆变器在非健康状态时仍然可以维持额定功率运行，且其在混合器件全寿命周期内的可靠性得到了有效保障。

技术研发人员：涂春鸣,韩硕,龙柳,肖凡,肖标,郭祺,朱梓贤
受保护的技术使用者：湖南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16