碳化硅MOSFET的关断暂态过程的建模方法

技术领域

本发明涉及一种建模方法及其应用，尤其是涉及应用于混合式直流断路器的碳化硅MOSFET的关断暂态过程的建模与分析方法。

背景技术

由于直流电网的弱阻尼特性，导致故障后短路电流上升速率快、幅值高。混合式直流断路器对于直流电网安全可靠运行具有至关重要的作用，其不仅继承了机械式断路器的通态损耗低和固态式断路器动作速度快、无弧分断等优点，同时摒弃了机械式断路器的燃弧、可靠性差和固态式断路器的通态损耗高、开断故障电流能力有限等缺点。虽然混合式直流断路器功能实现的拓扑形式多种多样，但经由主支路、转移支路、耗能支路实现特殊设定时序的多次内部换流从而达到直流分断目的是这些拓扑形式的共同特征，其关键在于建立起大于系统电压的暂态开断电压来抑制故障电流。

截止目前，混合式直流断路器大多采用硅IGBT作为转移支路器件，关于碳化硅MOSFET在直流断路器中的研究大多是针对固态式直流断路器开展的。断路器分断暂态过程分为两个时间维度：一种是针对整机关断应力的毫秒级换流过程，一种是针对电力电子器件关断应力的微秒级分段过程。虽然关于硅IGBT在混合式直流断路器中的研究相对完善，但如邓二平等人在《新型通用混合型直流断路器用IGBT测试平台及测试分析》的研究只是针对混合式直流断路器毫秒级整机换流过程；甚少文献对器件关断暂态过程做出系统阐述，如丁骁在《混合式高压直流断路器运行试验方法研究》中对转移支路IGBT器件关断暂态过程进行了阶段化分析，但其忽略了栅极电压在暂态过程中的阶段性变化规律。碳化硅MOSFET大电流关断暂态过程的精确建模对于其在混合式直流断路器中的应用推广至关重要。现有关于碳化硅MOSFET开关暂态分析模型的研究虽然相对成熟，如柯俊吉等人在《考虑寄生参数影响的碳化硅MOSFET开关暂态分析模型》在双脉冲测试下建立了包括所有寄生参数的开关暂态等效电路模型，详细分析器件开通和关断整个开关暂态过程，但现有技术中缺少关于碳化硅MOSFET在混合式直流断路器这种特殊工况下的关断特性的认知，混合式直流断路器用碳化硅MOSFET关断暂态电压建立阶段相关模型及应力考核尚属空白。

发明内容

碳化硅MOSFET具有耐高温、耐高压、高开关速度的优良性能，适合用于混合式直流断路器。然而，由于碳化硅MOSFET具有微秒级开关速度，这也使其关断特性对寄生参数的敏感度大大增强，关断电压过冲问题尤为突出。碳化硅MOSFET动态开关速度主要取决于器件内部寄生电容的充放电过程，因此为了认知混合式直流断路器用碳化硅MOSFET的关断特性，本发明提出一种混合式直流断路器中转移支路碳化硅MOSFET关断暂态过程模型建立方法，考虑碳化硅MOSFET内部寄生参数和外部驱动参数以及转移支路、耗能支路电路参数，通过对转移支路碳化硅MOSFET微秒级关断暂态过程的精确建模，获得器件关断暂态过程中漏极电压、栅极电压表达式，分析关键参数对碳化硅MOSFET关断电压过冲的影响规律，并对器件关断后的振荡阶段进行研究。其技术方案如下：

混合式直流断路器用碳化硅MOSFET的关断暂态建模方法，其特征为：

首先结合混合式直流断路器的拓扑结构，考虑碳化硅MOSFET内部寄生参数和外部驱动参数以及转移支路、耗能支路的电路参数，建立转移支路碳化硅MOSFET的关断暂态分析电路。

其次，对器件关断暂态过程进行阶段化分析：

在关断延时阶段(t

步骤一：在栅极电压u

在米勒平台阶段(t

步骤二：在栅极电压u

在电流下降阶段(t

步骤三：当栅极电压u

步骤四：利用饱和区漏极电流i

步骤五：列写转移支路与耗能支路节点的KCL方程、转移支路与耗能支路所构成回路的KVL方程；

步骤六：列写器件栅极与驱动回路节点的KCL方程、驱动回路的KVL方程；

步骤七：列写器件内部三个寄生电容所构成回路的KVL方程；

步骤八：联立上式，得到栅极电压u

步骤九：将u

在关断后振荡阶段进行如下步骤：

步骤十：对器件关断后进行振荡分析。

有益效果

1：目前缺少混合式直流断路器工况下碳化硅MOSFET作为转移支路器件进行大电流关断时的暂态过程模型，本发明结合混合式直流断路器特有拓扑结构，同时考虑碳化硅MOSFET内部寄生参数和外部驱动参数以及转移支路、耗能支路的电路参数，所建立转移支路碳化硅MOSFET在混合式直流断路器中的微秒级关断暂态模型更为准确、分析过程更为详细。

2：本发明可以对器件关断过程中影响漏极电压过冲、栅极电压反向过冲的各个因素进行灵敏度分析，对混合式直流断路器的关断性能考核的更为全面，为优化混合式直流断路器用碳化硅MOSFET的关断性能提供依据。

附图说明

图1混合是直流断路器经典拓扑结构；

图2转移支路碳化硅MOSFET关断暂态分析等效电路；

图3转移支路碳化硅MOSFET波形及时序示意图；

图4转移支路碳化硅MOSFET关断后振荡分析等效电路；

图5混合式直流断路器用碳化硅MOSFET的关断暂态过程建模方法流程图。

具体实施方式

混合式直流断路器经典拓扑结构如图1所示，主支路、转移支路、耗能支路三部分并联，通过在一定时序下的三部分之间的换流实现故障开断。主支路通常由快速机械开关与电力电子器件串联组成，维持系统正常运行的电流通路；转移支路由电力电子器件或模块组成，用于迅速切断故障电流，耗能支路由压敏电阻或避雷器组成，用于抑制开端过电压，吸收故障能量。转移支路电力电子器件大电流关断特性的研究对于其在混合式直流断路器中的应用推广至关重要。

混合式直流断路器转移支路MOSFET关断过程发生在转移支路向耗能支路换流的过程中，考虑碳化硅MOSFET内部寄生参数和外部驱动参数以及转移支路、耗能支路的电路参数，建立转移支路碳化硅MOSFET在混合式直流断路器中的关断暂态分析等效电路模型如图2所示。该模型中包括栅源极之间寄生电容C

转移支路碳化硅MOSFET关断暂态过程波形及时序示意图如图3所示。u

转移支路器件关断暂态过程可分为四个阶段，分别是：关断延时阶段(t

本发明提出的混合式直流断路器用碳化硅MOSFET的关断电压过冲计算方法流程如图4所示，主要步骤如下：

首先结合混合式直流断路器的拓扑结构，考虑碳化硅MOSFET内部寄生参数和外部驱动参数以及转移支路、耗能支路的电路参数，建立转移支路MOSFET的关断暂态分析电路。

其次，对器件关断暂态过程进行阶段化分析：

在关断延时阶段(t

步骤一：在栅极电压u

在米勒平台阶段(t

步骤二：在栅极电压u

在电流下降阶段(t

步骤三：当栅极电压u

步骤四：利用饱和区漏极电流i

步骤五：列写转移支路与耗能支路节点的KCL方程、转移支路与耗能支路所构成回路的KVL方程；

步骤六：列写器件栅极与驱动回路节点的KCL方程、驱动回路的KVL方程；

步骤七：列写器件内部三个寄生电容所构成回路的KVL方程；

步骤八：联立上式，得到栅极电压u

步骤九：将u

在关断后振荡阶段进行如下步骤：

步骤十：对器件关断后进行振荡分析。

下面，对各个步骤进行详细的阐述。

步骤一：t

步骤二：t

步骤三：t

步骤四：利用饱和区漏极电流i

i

式中，g

步骤五：由于碳化硅MOSFET的关断时间在微妙级，在第二个换流过冲中限流电感上的电流可认为近似不变，列写转移支路与耗能支路节点的KCL方程，其关系满足：

I

假设压敏电阻动作期间其两端电压始终为其压敏电压U

步骤六：器件栅极端与驱动回路节点可列KCL方程为：

驱动回路的栅极电感L

步骤七：对器件内部三个寄生电容列KVL方程为：

u

步骤八：转移支路碳化硅MOSFET的电流向与之并联的压敏电阻转移，器件两端电压取决于压敏电阻上的电流变化，由于压敏电阻的非线性，压敏电阻上的电流变化率di/dt不是一个恒定值。当压敏电阻所在支路电流变化率di/dt最大时，电压过冲达到峰值。

联立式(2)-(8)可得到：

其中

a＝R

由于压敏电阻的非线性伏安特性，其在能量吸收阶段阻值很小，近似短路态，系统处于欠阻尼态，得到栅压表达式如下：

其中

步骤九：将u

将式(11)与步骤五中的KVL方程联立，得到转移支路碳化硅MOSFET关断电压过冲为:

步骤十：t

转移支路碳化硅MOSFET关断电压达到峰值后会以二阶阻尼振荡方式下降至压敏电压，这是由于驱动回路、功率回路中杂散电阻、寄生电感以及器件内部寄生电容共同作用导致。器件关断后等效电路图如图4所示，其中L为限流电感，u

器件关断后振荡分析等效电路属于RLC振荡，会出现过阻尼、临界阻尼和欠阻尼振荡的情况，应尽量保证在器件关断系统处于过阻尼振荡，既保证系统阻尼比为：

上述建模分析得到转移支路碳化硅MOSFET栅极关断电压、漏极关断电压表达式中包含L

此建模分析方法可用于以下需求：

一、分析电路参数或器件内部寄生参数对关断电压的影响。如欲分析R

二、已知部分器件参数或外电路参数时，可将已知参数代入关断电压表达式，得到使关断电压不超过额定电压的其余参数的取值范围。如已知除R

三、已知所有器件参数和外电路参数时，将参数代入关断电压表达式，得到对应的关断电压过冲峰值，将此值与额定电压最大值比较，判断关断电压过冲是否会超过额定电压而导致器件被击穿；得到系统阻尼比，判断器件关断后系统是否会出现欠阻尼情况导致器件无法关断，流通持续增大的故障电流而被击穿。

本发明同时考虑碳化硅MOSFET内部寄生参数和外部驱动参数以及转移支路、耗能支路的电路参数，建立了混合式直流断路器转移支路用碳化硅MOSFET的关断暂态模型；得到器件漏极关断电压、栅极关断电压表达式中包含所有相关的电路参数和器件内部寄生参数，可用于混合式直流断路器用碳化硅MOSFET的关断电压影响因素分析，对器件关断能力更全面地考核；本发明能够用于保证混合式直流断路器转移支路用碳化硅MOSFET的安全运行的参数选取范围给出指导和建议。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。