一种功率器件多管并联的门极驱动方法

1.本发明属于电子电子器件并联驱动控制技术领域，特别是涉及一种功率器件多管并联的门极驱动方法。


背景技术：

2.现有技术中，由于大功率sic模块的产能不足、材料利用率不高、封装技术不成熟，往往采用低电流等级的分立式sic mosfet并联方案作为一种替代方案，其具有功率密度和效率高、空间布置灵活、器件资源丰富和系统成本降低的优势。多个分立式sic mosfet功率器件并联最大挑战在于多个器件间的应力均衡，因为多个功率器件在并联应用时不可避免地存在电流失配和电气应力不均衡现象，虽然基于正温度系数导通电阻的si基mosfet器件具有一定的静态电流平衡能力，但sic mosfet的导通电阻与运行结温弱正相关，自均流效果不明显，此外，sic mosfet的阈值电压具有非常灵敏的温度依赖性，且为负温度系数，会形成动态不平衡电流和温度正反馈，电热耦合效应将加剧并联器件间的电流失配和热失稳，使得sic mosfet并联难度很大。在以往的工业应用电力电子系统开发过程中，设计人员大多依靠器件数据手册，凭借经验对并联器件进行电流降额使用，且留较大的电流额定值余量，并联器件数越多，电流利用率越小，成本越高。
3.在实际工程中，完全的电流均衡虽然保证了各分立器件电气应力和损耗一致，但是受结构、空间等限制，散热器和流体的空间分布不可能完全对称，各管温升都会有一定的差异；温度差异进而造成各器件与导热界面材料的老化程度不同，加深了并联器件间的热应力差异，使得热应力低的器件不能完全发挥其能力，热应力高的器件先失效并会剧烈加速其它器件失效。
4.对于单管sic mosfet并联控制技术，大多仅对电流均衡进行调控，而几乎没有对电流和结温进行同时调控的研究，而只以电流均衡为目标的门极驱动技术一方面牺牲sic器件的电流利用率和系统经济性；另一方面会降低变换器的安全性与可靠性，故对于sic器件并联的门极驱动，需要在电流均衡为目标的基础上同时考虑各个sic器件结温均衡。目前，改变门极电阻的结温控制方法主要是通过开关电阻网络实现的，结温调节只能在有限的离散式多档调节，无法做到更精确的均衡；此外，这种方法无法调节驱动电压，也就不能控制导通期间的电流实现并联器件的导通损耗调节，由结温均衡所要求的开关损耗与导通损耗不能实现准确且独立的调控，而这将削弱该结温控制策略的效果。如发明人在先申请的中国发明专利cn202210996014中就公开了一种单管功率器件并联的电流和结温均衡调控方法，该方法通过在开关和导通时的电流闭环分时控制，对电流和结温分别进行了并联均衡调控，在一定程度上提高了器件的寿命和可靠性；然而其导通期间的结温均衡控制是电流闭环调节实现的，即处理器基于采样的电流和结温观测，调整各并联器件的占空比，进而调节各器件导通期间的电流指令大小，其只在系统控制层面改变损耗达到结温均衡，未改变驱动参数，即未改变半导体器件级的物理特性层面来调整流过器件的电流，在结温均衡控制时可能会影响下一次的电流均衡控制，易于导致电热耦合效应，从而使得多并联器
件电流利用率不够高，导致运算量大和控制响应较差，在并联器件较多的情况下，其易于导致电流和结温均衡的控制效果不够好，无法进一步提高器件的可靠性和寿命。
5.因此，急需设计一种适用于多个分立式功率器件多管并联的门极驱动方法，用以将电流和结温均衡这两个控制目标的多个控制参数进行无相互影响的独立协同控制，使得电流和结温分别能以更高有效的方式来进行动态规划和均衡调节，提高多管并联sic mosfet的电流和结温均衡的控制效果和精度，以从根本上主动并安全地改善并联sic mosfet开通动态过程的电应力和导通静态过程的热应力分布特性。


技术实现要素：

6.(一)要解决的技术问题
7.基于此，本发明公开了一种功率器件多管并联的门极驱动方法，能解决现有多分立式sic mosfet并联中存在的电流与结温均衡控制不能同时兼顾及驱动参数调控可能发生冲突的问题，通过对电流和结温均衡这两个控制目标的多个的控制参数进行独立协同控制，可在进行门极驱动时更好的主动改善并联sic mosfet器件电热应力分布特性，提高控制效果的同时减少电应力失配导致的多并联器件电流利用率低的问题，以及避免结温失衡引起的多分立功率器件并联运行寿命差异，即通过本发明实现sic mosfet多管并联的高质量门极驱动，提升了分立式sic mosfet并联变换器的经济性和运行可靠性。
8.(二)技术方案
9.本发明公开了一种功率器件多管并联的门极驱动方法，所述门极驱动方法包括：
10.获取各个并联sic mosfet器件的电流，并计算各器件的损耗p
loss
；
11.获取散热器各部分的温度th，并结合所述损耗p
loss
计算得到各个器件的结温tj；
12.对于器件的开关过程，通过各个器件的开关电流i
d_sw
计算得到开通或关断过程期间的均衡电流指令值i
d_sw_balance
，并确定各个器件的开通延迟时间指令t
don
、关断延迟时间指令t
doff
、驱动开通电阻r
gon
以及驱动关断电阻r
goff
；
13.对于器件的导通过程，通过各个器件的所述结温tj确定各器件的平均结温；器件的平均结温t
j_av
计算公式如下：
14.t
j_av
＝f
av
(t
j1
,t
j2
,...t
jn
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
15.其中，f
av
为求平均值函数，通过控制各分立器件的驱动电压指令v
gs
使各分立sic mosfet器件达到结温控制目标，具体并联器件中第i个器件的驱动电压v
gs
指令如下：
[0016]vgs
＝f(t
j_av
,t
ji
,i
di
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0017][0018]
其中，f为根据第i个器件的结温误差(t
j_av-t
ji
)和漏极电流i
di
计算驱动电压v
gs
的关系式函数，对于结温较高的器件，减小器件对应的驱动电压指令v
gs
以减小该器件导通电流，即可减小损耗，实现其结温下降；而对于结温较低的器件，增大其驱动电压指令v
gs
以增大该器件导通电流，即可减小损耗，实现其结温下降；同时保证并联支路的总电流不变；
[0019]
采用有源门极驱动电路对各分立sic mosfet的所述驱动开通电阻r
gon
、驱动关断
电阻r
goff
、驱动电压v
gs
、开通延迟时间t
don
和关断延迟时间t
doff
进行参数调整，以驱动并联sic mosfet器件实现电流和结温的均衡控制。
[0020]
优选的，基于采样获得的各分立sic mosfet器件电流，在电流均衡控制器中对各个器件的开关瞬态电流i
d_sw
大小进行比较，以电流平均为目标，计算得到均衡电流指令值i
d_sw_balance
，根据各器件开关瞬态电流与均衡电流指令值的电流偏差计算得到各器件开通延迟时间t
don
、关断延迟时间t
doff
、驱动开通电阻r
gon
以及驱动关断电阻r
goff
。
[0021]
优选的，结温tj的具体的计算公式如下：
[0022][0023]
其中，f
sw
是器件的开关频率，v
ds
是器件的漏源电压，id为漏极的开关电流，r
gon
为驱动开通电阻，r
goff
为驱动关断电阻，c
iss
为器件输入电容，c
rss
为器件反馈电容，v
miller
为器件的米勒电压，v
cc
、v
ee
分别为器件的驱动正压和驱动负压，v
th
为器件的驱动阈值电压，a0、a1、b0、b1、c0、c1均为拟合系数，v
ref
为参考电压，v
gs
为器件驱动电压，z
th_n
和z
couple
分别是器件的自热阻抗和器件间的耦合热阻抗矩阵。优选的，拟合系数a0、a1、b0、b1、c0、c1是由输出特性曲线中驱动电压、导通电流数据拟合得到。
[0024]
优选的，采用电热比拟原理与热路理论，以在sic mosfet多管并联模块的散热器上安装的单个表贴式热电偶的温度为参考点，考虑sic mosfet多管并联情况下的多热源交叉耦合与散热路径热耦合，建立适用于sic多管并联器件结温提取的交叉耦合热网络模型，以得到自热阻抗矩阵z
th_n
和器件间的耦合热阻抗矩阵z
couple
，实现sic mosfet多管并联情况下的各功率器件结温的在线高精度获取。
[0025]
优选的，并联器件中第i个器件的开通延迟时间指令t
don
计算方式为：
[0026][0027]
τ
gs
＝(r
g,ex
+r
g,in
)
×ciss
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0028]
其中，τ
gsi
与τ
gsav
分别为各个器件和各器件平均的驱动充放电时间常数，r
g,ex
与r
g,in
分别是外部驱动电阻与栅极内部电阻，v
cci
、v
eei
、v
gs,thi
分别为各个器件的驱动正压、驱动负压与驱动阈值电压，v
ccav
、v
eeav
与v
gs,thav
分别为并联器件的驱动正压、驱动负压与驱动阈值电压的平均值，在开通时r
g,ex
即为器件的驱动开通电阻r
gon
，在关断时r
g,ex
即为器件的驱动关断电阻r
goff
。
[0029]
并联器件中第i个器件的关断延迟时间t
doff
计算方式为：
[0030][0031]
其中，v
milleri
为各个器件的米勒平台电压，v
millerav
为各个器件米勒平台电压的平均值；
[0032]
并联器件中第i个器件的驱动开通电阻r
gon
的计算公式如下：
[0033][0034]
其中，g
fs
为sic mosfet的跨导，当漏源电压v
ds
为定值时，定义跨导为g
fs
＝δid/δv
gs
，即g
fs
为栅极电流变化率δid除以栅源极电压变化率δv
gs
，为器件开通/关断过程中漏极电流的变化率；
[0035]
并联器件中第i个器件的驱动关断电阻r
goff
的计算公式如下：
[0036][0037]
其中，i
load
为负载电流。
[0038]
优选的，所述有源门极驱动电路包括依次串联的延迟时间控制器、驱动电压控制电路和驱动电阻控制电路。
[0039]
优选的，所述驱动电压电路包括线性调压器和推挽电路，通过给所述线性调压器施加参考电压v
ref
，控制v
gs+
和v
gs-之间的电压差，再通过推挽电路，从而控制驱动电压v
gs
。
[0040]
优选的，所述驱动电阻控制电路通过分别调节该控制电路中开通支路和关断支路两个mos管的开通和关断，从而控制可调电阻r
mon
和r
moff
的旁路与否，进而达到控制门极驱动导通电阻与驱动关断电阻的值。
[0041]
在另外一方面，本发明还公开了一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行如上述任一项所述的功率器件多管并联的门极驱动方法。
[0042]
(三)有益效果
[0043]
相对于现有技术，本发明具备如下的有益效果：
[0044]
1.本发明的驱动方法通过一个有源门极驱动电路即可调节各并联分立sic mosfet器件的门极驱动电压、驱动电阻、开关延迟时间等可调参数，从而准确实现分立sic mosfet器件的并联动态均流与静态均热协同调控，由于对结温观测模型进行了重新设计，将电流和结温均衡这两个控制目标的多个控制参数进行独立协同控制，故能使得电流和结温分别能以更高有效的方式来进行动态规划和均衡调节，进一步提高了多并联器件电流和结温均衡的控制效果。此外，本发明的有源门极驱动电路结构简单，只需使用延迟时间控制器与驱动电压、驱动电阻控制电路串联组合，即可完成均流和均热的协同参数控制和门极驱动功能。
[0045]
2.本发明的门极驱动方法可主动并安全地改善并联sic mosfet开通动态过程的电应力和导通静态过程的热应力分布特性，减少电应力失配导致的多并联器件电流利用率低的问题和电热耦合效应，以及避免结温失衡引起的多分立功率器件并联运行寿命差异，提高了多并联器件的电流利用率；通过本发明实现sic mosfet多管并联的高质量门极驱动，提升了分立式sic mosfet并联变换器的经济性和运行可靠性。
附图说明
[0046]
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
[0047]
图1为现有技术中sic mosfet功率器件一个开关周期的电流和结温均衡控制过程；
[0048]
图2为本发明中sic mosfet功率器件多管并联的门极驱动系统的系统结构框图；
[0049]
图3为本发明中多分立sic器件并联的结温观测模块示意图；
[0050]
图4为图2中结温均衡调节模块的结构示意图；
[0051]
图5为图2中电流均衡调节模块的结构示意图；
[0052]
图6为图2中驱动参数调整模块的结构示意图；
[0053]
图7为本发明中功率器件多管并联的门极驱动方法的流程图。
具体实施方式
[0054]
下面将结合附图和实施例对本发明进行清楚、完整地描述，同时也叙述了本发明技术方案解决的技术问题及有益效果，需要指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
[0055]
基于现有技术和本发明将要做的改进，本发明首先对多并联sic mosfet电热易于失衡的具体原因进行分析说明，发明人发现在sic mosfet并联器件个数较多的情况下，传统方法可通过调节控制参数实现单一控制目标，但如果只是简单地同时实现，不相互独立的驱动参数调控可能发生冲突，无法实现电流和结温协同调控，从而易于造成电热耦合效应，因为当单一控制电流或结温均衡时，使用统一参数或者相关联的非独立参数会导致另外一项的均衡控制对器件并联的可靠性产生影响(如产生电热失衡)，因此需要设计一种新的方法协同控制多个驱动参数实现动态电流和结温的均衡控制，以最大程度减小两项参数不均衡对sic管并联可靠性的影响，从而进一步提高其控制效果和精度。
[0056]
参见图1可知，如中国专利cn202210996014公开的内容所示，一般sic mosfet的运行过程可以分为开关过程和导通过程。开关过程的开关电流i
d_sw
与导通过程的导通电流i
d_con
分别产生器件的开关损耗p
sw
与器件的导通损耗p
con
。一般的，器件的导通损耗和开关损耗可以使用下式进行计算：
[0057][0058][0059]
其中，r
dson
是mosfet的导通电阻，v
rated
为器件额定电压，v
dc
、e
on
、e
off
分别为直流母线电压、模块开通、关断能量损耗，τ(t)为mosfet的导通占空比函数。器件的开关损耗与导通损耗共同构成了器件总体损耗p
loss
:
[0060]
p
loss
＝p
sw
+p
con
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0061]
器件损耗通过热阻使得器件的结温增加，一般的，器件的结温可以使用下式进行计算：
[0062]
tj＝p
loss
×
(z
th_n
+z
couple
)+thꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0063]
其中，p
loss
为器件的总体损耗，z
th_n
和z
couple
分别是器件的自热阻抗和器件间的耦合热阻抗，th为各并联器件对应的散热器温度。
[0064]
上述的均衡控制属于较为理想的方式，然而随着并联器件的增多等情况出现，各并联单管功率器件在系统中的散热环境会不尽相同，使得各并联单管器件的结温tj不均衡，而不均衡结温tj会影响各个并联器件正温度系数的阈值电压v
th
与负温度系数的器件导通电阻r
dson
，在再次开通后进而再次影响器件电流，使器件电流再次不均衡。然后，器件间不均衡的电流又会导致器件结温不均衡，它们相互影响，交叉耦合，使得整个器件可控性降低。而本发明正是发现了上述不易发现的技术问题，以上述内容作为改进基础，新设计了一种功率器件多管并联的门极驱动方法和系统，从而更好的实现分立sic器件的并联动态均流与静态均热协同精确调控。
[0065]
参见图2和图7所示，本发明的sic mosfet功率器件多管并联的门极驱动系统由电流采样、散热器温度采样、结温观测、电流均衡调节、结温均衡调节、驱动参数调整等模块组成。
[0066]
其中各个功能模块的介绍如下：
[0067]
1)电流采样模块与散热器温度采样模块：电流采样模块与散热器温度采样模块分别获得各分立sic mosfet器件电流与散热器各部分的的温度。值得说明的是，电流采样模块可以通过搭建电流采样电路、加装电流传感器等措施实现，以采样获得的各分立sic mosfet器件电流(包括开关瞬态电流i
d_sw
与完全导通电流i
d_con
)。本发明以加装pcb罗氏线圈为电流传感器的方法为例；散热器温度采样模块检测并联分立式sic器件的散热器温度，本发明则以在sic mosfet多管并联模块的散热器上贴装热电偶获取散热器温度th的方法为例。
[0068]
2)结温观测模块：结温观测模块根据电流采样模块与散热器温度采样模块的结果建模获取各个并联分立式sic器件的结温tj，本发明以考虑sic mosfet多管并联情况下的热耦合的热网络模型法得到各个并联sic器件的结温tj为例进行结温观测模型的建模，具体实现方式可参见图3。
[0069]
3)电流均衡调节模块：电流均衡调节模块基于电流采样模块采样得到的每个分立sic mosfet器件的开关电流i
d_sw
，计算得到开通或关断过程期间的均衡电流指令值i
d_sw_balance
，通过电流均衡控制器计算得到各分立sic mosfet器件的门极驱动开通电阻r
gon
、驱动关断电阻r
goff
、门极驱动开通t
don
和关断延迟时间指令t
doff
，具体实现方式可参见图5。
[0070]
4)结温均衡调节模块：结温均衡调节模块基于结温观测模块输出的结温tj得到的各分立sic mosfet器件的结温，通过结温均衡控制器计算得到各分立sic mosfet器件的驱动电压v
gs
指令，具体实现方式可参见图4。
[0071]
5)驱动参数调整模块：驱动参数调整模块通过有源门极驱动电路调节各分立sic器件的门极驱动电压v
gs
、驱动电阻r
gon
和r
goff
、开关延迟时间t
don
和t
doff
等参数实现并联分立式sic mosfet的电流和结温的均衡控制，具体实现方式可参见图6。
[0072]
参见图7所示，与图2系统功能对应，本发明中功率器件多管并联的门极驱动方法具体包括如下步骤：
[0073]
步骤一：获取各个并联sic mosfet器件的电流，并计算各器件损耗p
loss
。
[0074]
具体的，步骤一中各分立sic mosfet器件的电流包括开关瞬态电流i
d_sw
与完全导通电流i
d_con
。本发明以加装pcb罗氏线圈为电流传感器的方法为例。
[0075]
步骤二：获取散热器各部分的温度th，并结合损耗p
loss
计算得到各个器件的结温tj。
[0076]
具体的，参见图3可知，为了更好的对结温和电流进行均衡控制，本发明重新定义了结温tj的结温观测模型，结温观测模型的建模步骤如下：
[0077]
首先，需要计算各器件损耗p
loss
，针对器件的开关损耗p
sw
，计算公式如下：
[0078][0079]
其中，f
sw
是器件的开关频率，v
ds
是器件的漏源电压，id是漏极电流，即开关瞬态电流，r
gon
为驱动开通电阻，r
goff
为驱动关断电阻，c
iss
为器件输入电容，c
iss
＝c
gs
+c
gd
，c
gs
为器件的栅源极电容，c
gd
为器件的漏栅极电容，c
rss
为器件反馈电容，v
miller
为器件的米勒电压，v
cc
、v
ee
分别为器件的驱动正压和驱动负压，v
th
为器件的驱动阈值电压。
[0080]
而针对器件的导通损耗p
cond
，基于数据手册中的输出特性曲线，对器件损耗与驱动电压及导通电流的数据点进行二次拟合，得到器件导通损耗计算关系式：
[0081]
p
cond
(id,v
gs
)＝[a0(v
gs-v
ref
)2+a1]i
d2
+[b0(v
gs-v
ref
)2+b1]id+c0(v
gs-v
ref
)2+c1ꢀꢀꢀ
(6)
[0082]
上式中，a0、a1、b0、b1、c0、c1均为拟合系数，v
ref
为参考电压，v
gs
为器件驱动电压，即门极驱动电压，id为漏极电流。在具体的实例中，拟合系数a0、a1、b0、b1、c0、c1是由输出特性曲线中驱动电压、导通电流等数据进行拟合得到。其次，从分立式sic器件内部结构和材料参数出发，基于sic mosfet多管并联的电-热分布特性研究，采用电热比拟原理与热路理论，以在sic mosfet多管并联模块的散热器上安装的单个表贴式热电偶的温度为参考点，考虑sic mosfet多管并联情况下的多热源交叉耦合与散热路径热耦合，建立适用于sic多管器件并联结温提取的交叉耦合热网络模型，以得到自热阻抗矩阵z
th_n
和器件间的耦合热阻抗矩阵z
couple
，实现sic mosfet多管并联情况下的各功率器件结温的在线高精度获取。
[0083]
最后，通过上述损耗计算关系式计算得到各个分立器件的损耗p
loss
，并结合散热器温度th以及及多分立并联器件热耦合的热网络模型，可计算得到各个sic器件的结温tj。
[0084]
步骤三：对于器件的开关过程，通过各个器件的开关电流i
d_sw
计算得到其开关的均衡电流值i
d_sw_balance
，并确定各个器件的开通延迟时间指令t
don
、关断延迟时间指令t
doff
、门极驱动开通电阻r
gon
与驱动关断电阻r
goff
。
[0085]
具体的，参见图5可知，步骤三还包括：
[0086]
首先，基于采样获得的各分立sic mosfet器件电流(包括开关瞬态电流i
d_sw
与完全导通电流i
d_con
)，在电流均衡控制器中对各个器件的开关瞬态电流i
d_sw
大小进行比较。
[0087]
其次，计算得到均衡电流指令i
d_sw_balance
，本发明以电流平均计算为例。
[0088]
最后，确定电流平均值后，根据各器件开关瞬态电流与均衡电流指令值的电流偏差在电流均衡控制器中计算各器件开通延迟时间t
don
、关断延迟时间t
doff
、门极驱动开通电阻r
gon
与驱动关断电阻r
goff
,从而达到并联器件开关过程中的电流均衡效果。例如，对于并
联sic mosfet器件中驱动电压稍低，开通电流较大，关断电流较小的器件，应增加其开通延迟时间，减小或不添加其关断延迟时间；对于驱动电压稍高，开通电流较小，关断电流较大的器件，应减小或不添加其开通延迟时间，增加其关断延迟时间，此外还可以通过门极驱动开通电阻与驱动关断电阻调节开通时的漏极电流变化率，以精确控制开通时电流的波形。上述为了实现电流均衡，设置开通延迟时间t
don
、关断延迟时间t
doff
、门极驱动开通电阻r
gon
与驱动关断电阻r
goff
的控制逻辑属于本领域技术人员的常规试验手段，故此处不赘述。
[0089]
对于并联器件中第i个器件的开通延迟时间t
don
计算方法如下：
[0090][0091]
τ
gs
＝(r
g,ex
+r
g,in
)
×ciss
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0092]
其中，τ
gsi
与τ
gsav
分别为各个器件和各器件平均的驱动充放电时间常数，r
g,ex
与r
g,in
分别是外部驱动电阻与栅极内部电阻，v
cci
、v
eei
、v
gs,thi
分别为各个器件的驱动正压、驱动负压与驱动阈值电压，v
ccav
、v
eeav
与v
gs,thav
分别为并联器件的驱动正压、驱动负压与驱动阈值电压的平均值，在开通时r
g,ex
即为器件的驱动开通电阻r
gon
，在关断时r
g,ex
即为器件的驱动关断电阻r
goff
。
[0093]
并联器件中第i个器件的关断延迟时间t
doff
计算方式为：
[0094][0095]
其中，v
milleri
为各个器件的米勒平台电压，v
millerav
为各个器件米勒平台电压的平均值；
[0096]
并联器件中第i个器件的驱动开通电阻r
gon
的计算公式如下：
[0097][0098]
其中，g
fs
为sic mosfet的跨导，当漏源电压v
ds
为定值时，定义跨导为g
fs
＝δid/δv
gs
。为器件开通/关断过程中漏极电流的变化率。
[0099]
并联器件中第i个器件的驱动关断电阻r
goff
的计算公式如下：
[0100][0101]
其中，i
load
为负载电流。
[0102]
上述部分可控的基础变量可作为自变量来控制开通延迟时间t
don
、关断延迟时间t
doff
的值、门极驱动开通电阻r
gon
与驱动关断电阻r
goff
。在开关过程中，通过式10-式11的电阻值r
gon
与r
goff
进行调节，即可实现对开关过程中电流变化率的调整工作，而考虑到调整驱动电阻也会对器件的开通/关断延时产生一定影响，为了避免驱动电阻的调节对延时时间调节产生不可控的影响，故本领域技术人员之后可利用软件或者现有的补偿计算方法
对开通/关断延迟时间t
don
和t
doff
进行补偿，从而达到预期的电流均衡控制效果。
[0103]
步骤四：对于器件的导通过程，对于器件的导通过程，通过各个器件的所述结温tj确定各器件的平均结温；器件的平均结温t
j_av
计算公式如下：
[0104]
t
j_av
＝f
av
(t
j1
,t
j2
,...t
jn
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)
[0105]
其中，f
av
为求平均值函数，通过控制各分立器件的驱动电压指令v
gs
使各分立sic mosfet器件达到结温控制目标，具体并联器件中第i个器件的驱动电压v
gs
指令如下：
[0106]vgs
＝f(t
j_av
,t
ji
,i
di
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(13)
[0107][0108]
其中，f为根据第i个器件的结温误差(t
j_av-t
ji
)和漏极电流i
di
计算驱动电压v
gs
的关系式函数，对于结温较高的器件，减小器件对应的驱动电压指令v
gs
以减小该器件导通电流，即可减小损耗，实现其结温下降；而对于结温较低的器件，增大其驱动电压指令v
gs
以增大该器件导通电流，即可减小损耗，实现其结温下降；同时保证并联支路的总电流不变。
[0109]
具体的，参见图4可知，步骤四中通过结合各个器件的结温t
jn
(下标n为第n个并联器件结温tj的编号)，确定各器件的驱动电压v
gs
，间接实现器件导通电流的调控，从而调节器件的损耗，最终实现调节器件的结温，达到各并联sic mosfet器件静态均热的调控目的。另外值得说明的是，在调整时要使各器件流过电流之和保持不变，以满足系统对于电流的需求，因此在调节过程中，结温较高的器件应减小其导通电流，抑制其温升；结温较低的器件应增加其导通电流，从而最大限度发挥其能力。
[0110]
由式4-6可知，本发明中结温tj的具体的计算公式如下：
[0111][0112]
值得一提的是，因为器件是先开通过程，再导通过程，再关断过程，其存在先后顺序。故本发明先通过步骤三的开关时的电流均衡确定了驱动电阻r
gon
和r
goff
，在驱动电阻r
gon
和r
goff
为确定值后，步骤四中则可以通过动态调整上式15中的驱动电压v
gs
使得各个器件的结温达到均衡状态，且不会影响下次开通时的电流均衡控制参数，实现电流和结温两组控制参数之间的独立，提高多并联sic mosfet器件的电流利用率，并同时完成其驱动工作。
[0113]
步骤五：采用有源门极驱动电路对各分立sic mosfet器件的驱动开通电阻r
gon
、驱动关断电阻r
goff
、驱动电压v
gs
、开通延迟时间t
don
和关断延迟时间t
doff
进行参数调整，以驱动并联sic mosfet器件实现电流和结温的均衡控制。
[0114]
具体的，步骤五可具体通过图6所示的驱动参数调整模块进行控制，有源门极驱动电路调节并联各分立sic器件的门极驱动电压、驱动电阻、开关延迟时间等参数实现分立sic器件的并联动态均流与静态均热协同调控，将结温和电流均衡两者的控制参数独立设
置，并同时使用其进行门极驱动，可利于快速实现电流和结温两者的均衡控制，更好的主动安全改善并联sic mosfet器件电热应力分布特性，减少结温失衡引起的电热耦合恶化效应，提高多管并联器件的控制效果和控制精度。
[0115]
本发明的有源门极驱动电路结构简单，只需使用带开关延迟时间控制功能的控制器与可变的驱动电压电路、驱动电阻控制电路串联组合，即可完成均流和均热的协同控制和门极驱动工作。
[0116]
驱动电压电路由线性调压器和推挽电路组成，通过给线性调压器施加参考电压v
ref
，控制v
gs+
和v
gs-之间的电压降，再通过推挽电路部分，从而改变输出的驱动电压为v
gs+
和v
gs-。
[0117]
驱动电阻电路通过调节控制电路中两个mos管子的开通和关断，从而使得可调电阻r
mon
和r
moff
的旁路与否，进而达到控制驱动导通电阻r
gon
与r
goff
的大小。延迟时间控制器则通过式7-9中的可控的基础变量来调节开通延迟时间指令t
don
与关断延迟时间指令t
doff
。
[0118]
值得说明的是，本发明图6提供的参数控制电路仅为方便理解本发明进行说明的示例，实际使用时可以根据需求对驱动参数控制电路进行修改，其延迟时间控制器、可变的驱动电压电路和驱动电阻控制电路都可以使用现有技术中的常规驱动电路，只要其能够实现对应驱动参数的调节改变功能即可。
[0119]
另外，需要指出的是，本发明的驱动方法中各步骤对应的功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。上述以软件功能单元的形式实现的集成的单元，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述软件功能单元存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)或处理器(processor)执行本发明各个实施例所述方法的部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(read-only memory，rom)、随机存取存储器(random access memory，ram)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0120]
最后说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种功率器件多管并联的门极驱动方法，其特征在于，所述门极驱动方法包括：获取各个并联sic mosfet器件的电流，并计算各器件的损耗p
loss
；获取散热器各部分的温度t
h
，并结合所述损耗p
loss
计算得到各个器件的结温t
j
；对于器件的开关过程，通过各个器件的开关电流i
d_sw
计算得到开通或关断过程期间的均衡电流指令值i
d_sw_balance
，并确定各个器件的开通延迟时间指令t
don
、关断延迟时间指令t
doff
、驱动开通电阻r
gon
以及驱动关断电阻r
goff
；对于器件的导通过程，通过各个器件的所述结温t
j
确定各器件的平均结温；器件的平均结温t
j_av
计算公式如下：t
j_av
＝f
av
(t
j1
,t
j2
,...t
jn
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)其中，f
av
为求平均值函数，通过控制各分立器件的驱动电压指令v
gs
使各分立sic mosfet器件达到结温控制目标，具体并联器件中第i个器件的驱动电压v
gs
指令如下：v
gs
＝f(t
j_av
,t
ji
,i
di
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)其中，f为根据第i个器件的结温误差(t
j_av-t
ji
)和漏极电流i
di
计算驱动电压v
gs
的关系式函数，对于结温较高的器件，减小器件对应的驱动电压指令v
gs
以减小该器件导通电流，即可减小损耗，实现其结温下降；而对于结温较低的器件，增大其驱动电压指令v
gs
以增大该器件导通电流，即可减小损耗，实现其结温下降；同时保证并联支路的总电流不变；采用有源门极驱动电路对各分立sic mosfet的所述驱动开通电阻r
gon
、驱动关断电阻r
goff
、驱动电压v
gs
、开通延迟时间t
don
和关断延迟时间t
doff
进行参数调整，以驱动并联sic mosfet器件实现电流和结温的均衡控制。2.根据权利要求1所述的功率器件多管并联的门极驱动方法，其特征在于，基于采样获得的各分立sic mosfet器件电流，在电流均衡控制器中对各个器件的开关瞬态电流i
d_sw
大小进行比较，以电流平均为目标，计算得到均衡电流指令值i
d_sw_balance
，根据各器件开关瞬态电流与均衡电流指令值的电流偏差计算得到各器件开通延迟时间t
don
、关断延迟时间t
doff
、驱动开通电阻r
gon
以及驱动关断电阻r
goff
。3.根据权利要求1所述的功率器件多管并联的门极驱动方法，其特征在于，各个分立器件的结温t
j
的具体的计算公式如下：其中，f
sw
是器件的开关频率，v
ds
是器件的漏源电压，i
d
为漏极的开关电流，r
gon
为驱动开通电阻，r
goff
为驱动关断电阻，c
iss
为器件输入电容，c
iss
＝c
gs
+c
gd
，c
gs
为器件的栅源极电容，c
gd
为器件的漏栅极电容，c
rss
为器件反馈电容，v
miller
为器件的米勒电压，v
cc
、v
ee
分别为器件
的驱动正压和驱动负压，v
th
为器件的驱动阈值电压，a0、a1、b0、b1、c0、c1均为拟合系数，v
ref
为参考电压，v
gs
为器件驱动电压，z
th_n
和z
couple
分别是器件的自热阻抗和器件间的耦合热阻抗矩阵。4.根据权利要求3所述的功率器件多管并联的门极驱动方法，其特征在于，拟合系数a0、a1、b0、b1、c0、c1是由输出特性曲线中驱动电压、导通电流数据拟合得到。5.根据权利要求3所述的功率器件多管并联的门极驱动方法，其特征在于，采用电热比拟原理与热路理论，以在sic mosfet多管并联模块的散热器上安装的单个表贴式热电偶的温度为参考点，考虑sic mosfet多管并联情况下的多热源交叉耦合与散热路径热耦合，建立适用于sic多管并联器件结温提取的交叉耦合热网络模型，以得到自热阻抗矩阵z
th_n
和器件间的耦合热阻抗矩阵z
couple
，实现sic mosfet多管并联情况下的各功率器件结温的在线高精度获取。6.根据权利要求3～5中任一项所述的功率器件多管并联的门极驱动方法，其特征在于，并联器件中第i个器件的开通延迟时间指令t
don
计算方式为：τ
gs
＝(r
g,ex
+r
g,in
)
×
c
iss
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)其中，τ
gsi
与τ
gsav
分别为各个器件和各器件平均的驱动充放电时间常数，r
g,ex
与r
g,in
分别是外部驱动电阻与栅极内部电阻，v
cci
、v
eei
、v
gs,thi
分别为各个器件的驱动正压、驱动负压与驱动阈值电压，v
ccav
、v
eeav
与v
gs,thav
分别为并联器件的驱动正压、驱动负压与驱动阈值电压的平均值，在开通时r
g,ex
即为器件的驱动开通电阻r
gon
，在关断时r
g,ex
即为器件的驱动关断电阻r
goff
；关断延迟时间t
doff
计算方式为：其中，v
milleri
为各个器件的米勒平台电压，v
millerav
为各个器件米勒平台电压的平均值；并联器件中第i个器件的驱动开通电阻r
gon
的计算公式如下：其中，g
fs
为sic mosfet的跨导，当漏源电压v
ds
为定值时，定义跨导为g
fs
＝δi
d
/δv
gs
，即g
fs
为栅极电流变化率δi
d
除以栅源极电压变化率δv
gs
，为器件开通/关断过程中漏极电流的变化率；并联器件中第i个器件的驱动关断电阻r
goff
的计算公式如下：其中，i
load
为负载电流。7.根据权利要求1所述的功率器件多管并联的门极驱动方法，其特征在于，所述有源门
极驱动电路包括依次串联的延迟时间控制器、驱动电压控制电路和驱动电阻控制电路。8.根据权利要求7所述的功率器件多管并联的门极驱动方法，其特征在于，所述驱动电压电路包括线性调压器和推挽电路，通过给所述线性调压器施加参考电压v
ref
，控制v
gs+
和v
gs-之间的电压差，再通过推挽电路，从而控制驱动电压v
gs
。9.根据权利要求7所述的功率器件多管并联的门极驱动方法，其特征在于，所述驱动电阻控制电路通过分别调节该控制电路中开通支路和关断支路两个mos管的开通和关断，从而控制可调电阻r
mon
和r
moff
的旁路与否，进而达到控制驱动开通电阻r
gon
以及驱动关断电阻r
goff
的值。10.一种非暂态计算机可读存储介质，其特征在于，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行如权利要求1至9任一项所述的功率器件多管并联的门极驱动方法。

技术总结
本发明公开了一种功率器件多管并联的门极驱动方法，该方法通过一个有源门极驱动电路即可调节各并联分立SiC MOSFET器件的门极驱动电压、驱动电阻、开关延迟时间等多个控制参数，从而更好的实现分立SiC MOSFET器件的并联动态均流与静态均热协同调控和驱动，通过对结温观测模型以及对电流和结温的均衡调节模块进行重新设计，协同多个独立控制参数实现动态电流和结温这两个均衡控制目标，解决了现有多分立式SiC MOSFET并联器件中存在的电流/结温均衡控制精度不高和控制效果差的问题，提升了并联器件电流利用率，增强多并联功率器件并联运行可靠性。运行可靠性。运行可靠性。


技术研发人员：刘平 涂春鸣 李文骁 刘永杰 肖凡 郭祺
受保护的技术使用者：湖南大学
技术研发日：2023.05.11
技术公布日：2023/8/14