一种针对碳化硅MOSFET负温度系数特性的并联均流方法

技术领域

本发明涉及电力电子开关器件技术领域，具体涉及一种针对碳化硅MOSFET负温度系数特性的并联均流方法。

背景技术

固态功率控制器(Solid-State Power Controller,SSPC)是一种由功率开关、电压电流传感器和单片机组成的智能开关，其内部集成了过压过流保护、状态上报和远程控制等功能，由于其内部不存在机械部件，可以对出现故障的负载设备实现快速的切除；在对负载进行切断时不存在拉弧的问题，电磁兼容性较好，故经常应用在对可靠性要求较高的工业领域，用于对电气负载进行通断控制。

目前常见的高压直流SSPC的工作电压还停留在400V以内，且对600V及其以上的高压SSPC鲜有报道，其主要原因是SSPC常用于控制大电流通断，高压硅基MOSFET的导通电阻较大，导通时损耗较大。由于碳化硅MOSFET具有高耐压、低导通电阻以及较高耐温性，所以SSPC可采用碳化硅MOSFET作为其功率开关来提高其可靠性，为了提高设备的电流等级，通常还会将多个碳化硅MOSFET进行并联使用。但是，当多个并联的碳化硅MOSFET在完全导通后，简单并联在一起的碳化硅MOSFET在低温工作条件下无法实现自动均流，一方面是由于器件自身参数的不一致性，导致流过两个碳化硅MOSFET的电流不同，长期工作下来导致电流大的碳化硅MOSFET提前失效，更为重要的一方面，碳化硅MOSFET在-50～+10℃范围内，其导通电阻是按照负温度系数来变化，即碳化硅MOSFET的发热量较大时，其导通电阻会减小，进而其电流会进一步加大，这会导致其电流失控，尤其是当碳化硅MOSFET在严寒地区工作时，其环境温度长期处于零度以下，即便器件发热也不会使其自身的温度过高，从而使得碳化硅MOSFET将始终处于负温度系数的工作区间，进一步加大并联情况下碳化硅MOSFET的电流失控风险，对器件长期可靠运行产生严重的影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：如何提供一种针对碳化硅MOSFET负温度系数特性的并联均流方法，从而减小电流失控的风险，保障碳化硅MOSFET并联组长期可靠运行。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种针对碳化硅MOSFET负温度系数特性的并联均流方法，通过对并联的多个碳化硅MOSFET的电流进行独立采样，并根据采样的电流对各个碳化硅MOSFET的栅极电压进行单独调节，以实现对多个碳化硅MOSFET的均流控制。

本发明的工作原理为：当并联的碳化硅MOSFET完全导通达到稳态后，各个碳化硅MOSFET稳态不均衡电流差的主要影响因数是各个碳化硅MOSFET之间的导通电阻差，当各个碳化硅MOSFET的导通电阻无限接近时，即可实现并联的多个碳化硅MOSFET的电流均衡，同时，根据碳化硅MOSFET栅极电压与导通电阻之间的关系可以知道，随着栅极电压的升高，其导通电阻会不断下降，因此根据这一特性，可以通过对碳化硅MOSFET栅极电压的调节来实现对其导通电阻的调节，而将各个碳化硅MOSFET导通电阻调节的无限接近则可以实现并联的多个碳化硅MOSFET的电流均衡，故本方案根据采样的电流对各个碳化硅MOSFET的栅极电压进行单独调节，通过对栅极电压的调节来实现对各个碳化硅MOSFET导通电阻的调节，进而实现对流过各个碳化硅MOSFET电流的调节，实现并联状态下电流均衡的效果。

优选的，根据采样到的各个碳化硅MOSFET的电流值计算得到其平均值作为均流控制的目标电流值，然后根据各个碳化硅MOSFET采样到的电流值和目标电流值的差值得到各个碳化硅MOSFET的输出调整量，并以该输出调整量作为相应碳化硅MOSFET栅极电压调节的依据。

优选的，每个碳化硅MOSFET对应一个驱动电路，利用霍尔电流传感器对各个碳化硅MOSFET的电流值进行采样，采样后的电流输入到模数转换器中进行转换以获得各个碳化硅MOSFET流过的实际电流值，计算出各个碳化硅MOSFET电流的平均值作为均流控制的目标电流值，目标电流值和各个碳化硅MOSFET的实际电流值输入到控制器中得到各个碳化硅MOSFET的输出调整量，将该输出调整量输入到对应碳化硅MOSFET的驱动电路中，并通过驱动电路对相应碳化硅MOSFET的栅极电压进行调节。

优选的，驱动电路包括数模转换器和差动放大器，控制器输出控制信号经第一数字隔离器到数模转换器，数模转换器接收到控制信号后输出目标电压给差动放大器的正向输入端，差动放大器的输出端按照设定的增益倍数放大输入的电压并作用到对应碳化硅MOSFET的栅极，以通过对碳化硅MOSFET栅极电压的控制实现对碳化硅MOSFET导通电阻的控制。

优选的，在相邻两个驱动电路的差动放大器的输出端之间串联连接有两个二极管，以使得相邻两个差动放大器的输出端的电压差在1V以内，且在差动放大器的反向输入端输入0.5V基准电压。

优选的，驱动电路还包括硬件保护电路，硬件保护电路包括电压比较器、第二数字隔离器和三极管，各个碳化硅MOSFET的电流值均输入到电压比较器的正向输入端，电压比较器的输出端通过第二数字隔离器与三极管的基极连接，三极管的发射极接地，三极管的集电极用于与差动放大器的正向输入端连接。

优选的，采用线性自抗扰控制方法对各个驱动电路的输出电压进行自动调节，当各个碳化硅MOSFET完全导通达到稳态后开始均流控制，首先通过霍尔电流传感器采样各个碳化硅MOSFET流过的电流，经模数转换器转换后输入到扩张状态观测器中，扩张状态观测器通过采样来的电流值和输出控制量估计出总的扰动和系统状态，再与给定的电流值进行线性组合得到最终的控制输出，输出的数字量结果经第三数字隔离器传输到对应的驱动电路中，经过驱动电路的转换最终作用到碳化硅MOSFET的栅极，实现对单个碳化硅MOSFET导通电阻的单独控制。

优选的，采用多路反激变换器对各个驱动电路进行供电，且多路反激变换器的各个输出端与各个驱动电路一一对应连接，以使得各个驱动电路的驱动供电完全隔离。

与现有技术相比，本发明通过对碳化硅MOSFET并联组建立数学模型，分析了碳化硅MOSFET并联后由于自身参数的不一致性和低温下导通电阻负温度系数的变化导致的不均流问题，提出一种栅源电压可调的驱动电路与线性自抗扰控制算法相结合的碳化硅MOSFET主动均流方法，通过对并联组内单个碳化硅MOSFET栅极驱动电压的动态调节，实现了对其导通电阻的精确控制，将碳化硅MOSFET并联组的电流不均衡度降低至2％左右，因此本方案能够使得并联在一起的碳化硅MOSFET在低温工作条件下能够实现自动均流，从而避免电流失衡，保障器件可靠运行。

附图说明

附图1为碳化硅MOSFET栅极电压与导通电阻之间的关系曲线图；

附图2为两个碳化硅MOSFET并联后的功率回路结构图；

附图3为两个碳化硅MOSFET并联后的简化模型图；

附图4为两个碳化硅MOSFET并联时的栅极电压控制框图；

附图5为两个碳化硅MOSFET并联时的驱动电路结构图；

附图6为多路反激变换器电路结构图；

附图7为多路反激变换器的等效补偿电路图；

附图8为二阶线性自抗扰控制的基本结构图；

附图9为基于LADRC控制的碳化硅MOSFET并联均流系统图；

附图10为并联均流系统的开环传递函数波特图；

附图11为在Simulink中搭建的仿真模型图；

附图12为系统时域响应曲线图；

附图13为反激变换器输入输出波形图；

附图14为未加入均流控制的两个碳化硅MOSFET电流波形图；

附图15为加入均流后两个MOFFET的电流波形图；

附图16为各个负载电流下的电流不均衡度示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一个”“一”或者“该”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件，并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。“上”“下”“左”“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

一种针对碳化硅MOSFET负温度系数特性的并联均流方法，通过对并联的多个碳化硅MOSFET的电流进行独立采样，并根据采样的电流对各个碳化硅MOSFET的栅极电压进行单独调节，以实现对多个碳化硅MOSFET的均流控制。

本发明的工作原理为：当并联连接的碳化硅MOSFET完全导通达到稳态后，各个碳化硅MOSFET稳态不均衡电流差的主要影响因数是各个碳化硅MOSFET之间的导通电阻比，当各个碳化硅MOSFET的导通电阻比无限接近时，即可实现并联连接的多个碳化硅MOSFET的电流均衡，同时，如附图1所示，根据碳化硅MOSFET栅极电压与导通电阻之间的关系可以知道，随着栅极电压的升高，其导通电阻会不断下降，因此根据这一特性，可以通过对碳化硅MOSFET栅极电压的调节来实现对其导通电阻的调节，而通过将各个碳化硅MOSFET导通电阻调节的无限接近则可以实现并联连接的多个碳化硅MOSFET的电流均衡，故本方案根据采样的电流对各个碳化硅MOSFET的栅极电压进行单独调节，可以通过对栅极电压的调节来实现对各个碳化硅MOSFET导通电阻的调节，进而实现对流过各个碳化硅MOSFET电流的调节，实现并联状态下电流均衡的效果。

下面，以两个碳化硅MOSFET并联的情况进行详细的说明：

如附图2所示为两个碳化硅MOSFET并联后的功率回路结构图，图中包含两个碳化硅MOSFET，且两个碳化硅MOSFET的驱动独立工作，要使得负载能够正常工作，只需要打开碳化硅MOSFET Q1和Q2即可，图中L

附图3中各个参数值如下式所示：

附图3中R

电路中的总电流可表示为：

由此可得稳态不均衡电流差Δi＝i

其中，α为：

通过分析可知，在忽略U

在本实施例中，根据采样到的各个碳化硅MOSFET的电流值计算得到其平均值作为均流控制的目标电流值，然后根据各个碳化硅MOSFET采样到的电流值和目标电流值的差值得到各个碳化硅MOSFET的输出调整量，并以该输出调整量作为相应碳化硅MOSFET栅极电压调节的依据。

在本实施例中，每个碳化硅MOSFET对应一个驱动电路，利用霍尔电流传感器对各个碳化硅MOSFET的电流值进行采样，采样后的电流输入到模数转换器中进行转换以获得各个碳化硅MOSFET流过的实际电流值，计算出各个碳化硅MOSFET电流的平均值作为均流控制的目标电流值，目标电流值和各个碳化硅MOSFET的实际电流值输入到控制器中得到各个碳化硅MOSFET的输出调整量，将该输出调整量输入到对应碳化硅MOSFET的驱动电路中，并通过驱动电路对相应碳化硅MOSFET的栅极电压进行调节。

下面，以两个碳化硅MOSFET并联的情况进行详细的说明：

如附图4所示为两个碳化硅MOSFET并联时的栅极电压控制框图，在两个碳化硅MOSFET开通后将流过他们的电流经过霍尔电流传感器H采样后进入到模数转换器(ADC)转化后获得其流过的实际电流，并算出其平均值I

在本实施例中，驱动电路包括数模转换器和差动放大器，控制器输出控制信号经第一数字隔离器到数模转换器，数模转换器接收到控制信号后输出目标电压给差动放大器的正向输入端，差动放大器的输出端按照设定的增益倍数放大输入的电压并作用到对应碳化硅MOSFET的栅极，以通过对碳化硅MOSFET栅极电压的控制实现对碳化硅MOSFET导通电阻的控制。

在本实施例中，在相邻两个驱动电路的差动放大器的输出端之间串联连接有两个二极管，以使得相邻两个差动放大器的输出端的电压差在1V以内，且在差动放大器的反向输入端输入0.5V基准电压。

在本实施例中，驱动电路还包括硬件保护电路，硬件保护电路包括电压比较器、第二数字隔离器和三极管，各个碳化硅MOSFET的电流值均输入到电压比较器的正向输入端，电压比较器的输出端通过第二数字隔离器与三极管的基极连接，三极管的发射极接地，三极管的集电极用于与差动放大器的正向输入端连接。

如附图5所示为两个碳化硅MOSFET并联时的驱动电路结构图，当需要对并联连接的两个碳化硅MOSFET的某个碳化硅MOSFET的导通电阻进行控制时，则可通过控制器内的单片机MCU发出控制信号经第一数字隔离器(Digital Isolator)传递给数模转换器DAC，当数模转换器DAC接收到信号后输出目标电压给差动放大器，该差动放大器会按照一定的增益倍数放大输入的电压并作用到碳化硅MOSFET的栅极，以此实现对单个碳化硅MOSFET导通电阻的控制，其中，V

其中V

本设计中R

在本实施例中，采用多路反激变换器对各个驱动电路进行供电，且多路反激变换器的各个输出端与各个驱动电路一一对应连接，以使得各个驱动电路的驱动供电完全隔离。

本设计的SSPC中存在两个独立输出通道，故需要将两个通道的驱动供电完全隔离开，且碳化硅MOSFET需要负压关断，因此需要设计带多路输出的隔离电源。因此设计了如附图6所示的多路反激变换器.

附图6中的反激变换器提供了两路带负压的直流输出，主要技术指标为P

(1)确定励磁电感量L

由反激变换器的工作模式和能量守恒定律可知：

其中I

为了避免占空比超过50％导致产生次谐波震荡，本设计D

(2)确定磁芯与原边匝数

为了尽可能减小体积并保证效率，本设计综合考量后选择使用锰锌低功率铁氧体ER9.5/5/5S型磁芯，其磁芯有效截面积Ae＝8.47mm

式中I

(3)确定各路绕组匝数

由于DCM模式下，以5V输出为主绕组计算匝比，反激变换器的电压增益与匝比无关，但想要进入DCM模式需要满足最小匝比的要求，故可通过下式确定该值。

式中I

(4)环路补偿设计

由于本设计的反激变换器工作在DCM模式，为了减小体积占用，且本设计的功率较低，故采用原边反馈的方式来实现环路补偿，其与UC2843控制芯片组成的等效补偿电路如附图7所示。

在本实施例中，采用线性自抗扰控制方法对各个驱动电路的输出电压进行自动调节，当各个碳化硅MOSFET完全导通达到稳态后开始均流控制，首先通过霍尔电流传感器采样各个碳化硅MOSFET流过的电流，经模数转换器转换后输入到扩张状态观测器中，扩张状态观测器通过采样来的电流值和输出控制量估计出总的扰动和系统状态，再与给定的电流值进行线性组合得到最终的控制输出，输出的数字量结果经第三数字隔离器传输到对应的驱动电路中，经过驱动电路的转换最终作用到碳化硅MOSFET的栅极，实现对单个碳化硅MOSFET导通电阻的单独控制。

本设计采用的方法为线性自抗扰控制方法(Linear Active DisturbanceRejection Control,LADRC)，相较于传统的PID控制算法，拥有更高的控制精度、更快响应时间和超调抑制能力。二阶线性自抗扰控制的基本结构如附图8所示。

为实现碳化硅MOSFET电流均衡度的自动调节，同时提高其运行的可靠性，本文设计一种基于LADRC控制的碳化硅MOSFET并联均流系统，其结构框图如附图9所示：

当两个碳化硅MOSFET完全导通达到稳态后开始均流控制，首先通过霍尔电流传感器H采样碳化硅MOSFET流过的电流，经模数转换器ADC转换后输入到扩张状态观测器(Linear Extended State Observer,LESO)中，LESO通过采样来的电流值和输出控制量估计出总的扰动和系统状态，再与给定的电流值进行线性组合得到最终的控制输出，由于控制部分和功率部分需要完全隔离，故输出的数字量的结果使用SPI通过第三数字隔离器传输到前文设计的驱动电路Driver1和Driver2中，经过驱动电路的转换最终作用到碳化硅MOSFET的栅极，实现对单个导通电阻的单独控制。

为了减轻扩张状态观测器的计算负担，并减小扰动估计的滞后。本设计采用模型辅助的线性扩张状态观测器，但MOSFET的数学模型不易取得，故根据系统辨识的方法结合实测数据，采用MATLAB中的System Identification工具箱按照二阶系统的的结构进行辨识得到的传递函数如下式所示：

上式中传递函数的输入为栅源电压，输出为漏源电流,考虑扰动的情况下对上式反拉氏变换得到其微分方程，如下式所示：

y″＝-a

＝-a

其中a

其中，

然后对上述状态空间方程建立线性扩张状态观测器，如下式：

其中u

线性误差反馈率采用下式所示方程：

式中u

为验证所设计的算法的可行性，在Simulink中搭建了如附图11所示的仿真模型：

模型中以单位阶跃信号作为电流目标值，并在第一路输出信号处叠加高斯白噪声来模拟外部干扰，得到时域响应曲线如附图12所示，从图中可以看出，噪声信号被很好的抑制，同时系统的调节时间大概在1.1s左右，稳定后电流的不均衡度绝对值之和在2％以内，可满足本设计的要求。

通过上述分析搭建实验平台使用直流阻性负载进行带载测试，其中电源电压为600V直流，最大输出电流为15A。

为使设备能够正常工作，需要使前文所设计的反激变换器能够稳定的工作，在半载情况下，其输入输出波形如附图13所示，图中通道一为V

附图14所示为未加入均流控制的两个碳化硅MOSFET电流波形，可以看出两个碳化硅MOSFET其电流不均衡度的绝对值之和均在10％左右，因此需要适当调整两个碳化硅MOSFET的栅极驱动电压对电流进行均衡。

附图15为加入均流控制后两个MOFFET的电流波形，可以看出其电流在稳定后的不均衡度绝对值之和在2％以内，且调节时间在1.2s左右，调节精度和速度都较高，且对电流过冲有一定的抑制作用。

附图16展示了各个负载电流下的电流不均衡度，其中倒三角形表示加入均流控制前的电流不均衡度，圆圈为加入均流控制后的电流不均衡度，从表中可看出，当设备处于轻载时其电流不均衡度最大，且随着负载加重，其电流不均衡度在不断减小，在加入均流控制后，电流的不均衡度大部分被控制在了2％以内，证明本方法完全能满足均流的要求。

综上，本发明通过对碳化硅MOSFET并联组建立数学模型，分析了碳化硅MOSFET并联后由于自身参数的不一致性和低温下导通电阻负温度系数的变化导致的不均流问题，提出一种栅源电压可调的驱动电路与线性自抗扰控制算法相结合的碳化硅MOSFET主动均流方法，通过对并联组内单个碳化硅MOSFET栅极驱动电压的动态调节，实现了对其导通电阻的精确控制，将碳化硅MOSFET并联组的电流不均衡度降低至2％左右，最后通过仿真和实验验证了本方法的可行性，在实际的工程实践中有较大的应用价值。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。