一种车用碳化硅功率模块的控制方法及系统与流程

1.本发明主要涉及功率半导体技术领域，具体涉及一种车用碳化硅功率模块的控制方法及系统。


背景技术：

2.碳化硅器件主要应用于电动汽车的主逆变器(inverter)、车载充电单元(obc)和dc/dc转换器等，碳化硅器件能够提高电动汽车续航里程和充电效率。碳化硅器件的主要优点是：功率密度高、系统效率高，车用碳化硅模块和igbt模块相比可以提高5％的系统效率、高压应用，1200v碳化硅在800v电池电压情况下比硅更有优势。
3.电动汽车的工作环境温度为-40℃～+105℃，碳化硅mosfet在高压应用时，漏-源击穿电压vdss会随着温度降低而降低，低温下，碳化硅mosfet更容易被电压击穿。以a公司碳化硅mosfet为例：
4.表1a公司1200v碳化硅mosfet vdss特性
5.温度漏-源击穿电压vdss-50℃1176v25℃1200v110℃1224v
6.电动汽车的电池电压最大可达到850v，在杂散电感比较大的电机控制器系统中，碳化硅mosfet的漏-源极关断电压尖峰可以达到1150v。车用碳化硅mosfet的漏-源击穿电压vdss为1200v，如表1所示，-50℃时，a公司1200v碳化硅mosfet的漏-源击穿电压vdss降低到1176v，低温时碳化硅mosfet更容易被过压击穿。
7.为了解决上述问题，目前现有技术是通过信号发生器装置(如dsp等)发出缓慢的下降沿信号，延长栅极-源极电容的放电时间。电动汽车上用的碳化硅mosfet的关断时间通常在100ns左右，碳化硅mosfet每个周期的持续开通时间在5us和10us之间。如果增大20ns的关断时间，需要整个信号传输回路要做到0.4％～0.2％的精度，在工程上比较难实现，成本也高。


技术实现要素：

8.本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的问题，本发明提供一种能够提高系统低温启动和低温运行的可靠性，防止碳化硅mosfet在低温下击穿，同时也能在常温下降低电机控制器系统的开关损耗，提高系统寿命的车用碳化硅功率模块的控制方法及系统。
9.为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
10.一种车用碳化硅功率模块的控制方法，包括步骤：
11.获取车用碳化硅功率模块所在的环境温度；
12.当环境温度值低于预设值时，选择低温工作模式，增大驱动板栅极电阻，从而增加
碳化硅mosfet的关断时间，以降低关断电压尖峰；
13.当环境温度值处于预设阈值范围时，选择常温模式，减小驱动板栅极电阻，从而减少碳化硅mosfet的开通时间和关断时间，以降低开通损耗和关断损耗。
14.作为上述技术方案的进一步改进：
15.所述预设值为0℃，所述预设阈值为0℃-40℃。
16.本发明还公开了一种车用碳化硅功率模块的控制装置，包括：
17.温度采集单元，用于获取车用碳化硅功率模块所在的环境温度；
18.逻辑处理单元，用于当环境温度值低于预设值时，选择低温工作模式，增大驱动板栅极电阻，从而增加碳化硅mosfet的关断时间，以降低关断电压尖峰；
19.当环境温度值处于预设阈值范围时，选择常温模式，减小驱动板栅极电阻，从而减少碳化硅mosfet的开通时间和关断时间，以降低开通损耗和关断损耗。
20.作为上述技术方案的进一步改进：
21.所述温度采集单元包括温度采集电阻、运算放大器u1和运算放大器u2，所述温度采集电阻的输出端分别与所述运算放大器u1的同相输入端和运算放大器u2的反相输入端相连，所述运算放大器u1的输出端输出温度采样信号；当所述环境温度值低于预设值时，所述运算放大器u2的输出端输出低电平，当所述环境温度值高于预设值时，所述运算放大器u2的输出端输出高电平。
22.所述逻辑处理单元包括变压器、mos管t1、mos管t2、第一电阻单元和第二电阻单元，所述变压器的输入端与运算放大器u2的输出端相连，所述变压器的输出端与mos管t1的栅极相连，所述mos管t1的漏极与mos管t2的栅极相连，所述mos管t2的漏极与第一电阻单元的一端相连，所述mos管t2的源极与第二电阻单元的一端相连，所述第一电阻单元的另一端和第二电阻单元的另一端均与碳化硅mosfet的栅极相连。
23.所述第一电阻单元和第二电阻单元均为多个并联的电阻构成。
24.本发明进一步公开了一种车用碳化硅功率模块，包括碳化硅mosfet和如上所述的车用碳化硅功率模块的控制装置。
25.本发明进一步公开了一种车用碳化硅功率模块的控制系统，包括
26.第一程序模块，用于获取车用碳化硅功率模块所在的环境温度；
27.第二程序模块，用于当环境温度值低于预设值时，选择低温工作模式，增大驱动板栅极电阻，从而增加碳化硅mosfet的关断时间，以降低关断电压尖峰；
28.当环境温度值处于预设阈值范围时，选择常温模式，减小驱动板栅极电阻，从而减少碳化硅mosfet的开通时间和关断时间，以降低开通损耗和关断损耗。
29.本发明还公开了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序在被处理器运行时执行如上所述的车用碳化硅功率模块的控制方法的步骤。
30.本发明进一步公开了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序在被处理器运行时执行如上所述的车用碳化硅功率模块的控制方法的步骤。
31.与现有技术相比，本发明的优点在于：
32.本发明基于上述碳化硅mosfet的特性，在低温工作模式时，通过加大驱动板的栅极电阻，通过延长栅极-源极电容的放电时间，可以降低漏极-源极导电沟道的关断速度，降
低漏极-源极电流的关断变化率，从而降低漏极-源极的关断电压尖峰；而在常温工作模式时，减小驱动板栅极电阻，从而减少碳化硅mosfet的开通时间和关断时间，降低开通损耗和关断损耗，防止碳化硅mosfet在常温时热失效(在常温和高温时，增大栅极电阻会加大碳化硅mosfet的开通损耗、关断损耗，在一些设计余量不多的方案中，增加栅极电阻会导致碳化硅mosfet热失效)。即本发明能够提高系统低温启动、低温运行的可靠性，防止碳化硅mosfet在低温下击穿；同时也能在常温下降低电机控制器系统的开关损耗，提高系统寿命。
附图说明
33.图1为本发明的方法在具体应用时的实施例图。
34.图2为本发明中的温度采集单元在实施例的电路原理图。
35.图3为本发明中的逻辑处理单元在实施例的电路原理图。
36.图例说明：1、温度采集单元；2、逻辑处理单元。
具体实施方式
37.以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
38.如图1所示，本发明实施例的车用碳化硅功率模块的控制方法，通过采集环境温度，再根据环境温度来选择适当的适当的栅极电阻，在低温下降低关断电压尖峰，同时不增加常温下的损耗，具体包括步骤：
39.获取车用碳化硅功率模块所在的环境温度；
40.当环境温度值低于预设值(如0℃)时，选择低温工作模式，增大驱动板栅极电阻，从而增加碳化硅mosfet的关断时间，降低关断电压尖峰，防止碳化硅mosfet在低温时电压击穿；
41.当环境温度值处于预设阈值范围(如0℃-40℃)时，选择常温工作模式，减小驱动板栅极电阻，从而减少碳化硅mosfet的开通时间和关断时间，降低开通损耗和关断损耗，防止碳化硅mosfet在常温时热失效。
42.其中碳化硅mosfet为电压控制型器件，栅极-源极等效为电容。信号源给栅极-源极电容充电时，栅极-源极电压上升，当电压上升到阈值电压时，漏极-源极形成导电沟道，碳化硅mosfet开通，栅极-源极电压继续上升到导通电压，漏极-源极导电沟道加宽，碳化硅mosfet处于导通状态；信号源给栅极-源极电容放电时，栅极-源极电压下降，当电压下降到阈值电压以下时，漏极-源极导电沟道关断，碳化硅mosfet处于关断状态。
43.本发明基于上述碳化硅mosfet的特性，在低温工作模式时，通过加大驱动板的栅极电阻，通过延长栅极-源极电容的放电时间，可以降低漏极-源极导电沟道的关断速度，降低漏极-源极电流的关断变化率，从而降低漏极-源极的关断电压尖峰；而在常温工作模式时，减小驱动板栅极电阻，从而减少碳化硅mosfet的开通时间和关断时间，降低开通损耗和关断损耗，防止碳化硅mosfet在常温时热失效(在常温和高温时，增大栅极电阻会加大碳化硅mosfet的开通损耗、关断损耗，在一些设计余量不多的方案中，增加栅极电阻会导致碳化硅mosfet热失效)。即本发明能够增加系统低温启动、低温运行的可靠性，防止碳化硅mosfet在低温下击穿；同时也能在常温下降低电机控制器系统的开关损耗，提高系统寿命；相对于脉冲调节的方式，其成本低且较易实现。
44.如图1所示，本发明实施例的车用碳化硅功率模块的控制装置，包括：
45.温度采集单元1，用于获取车用碳化硅功率模块所在的环境温度；
46.逻辑处理单元2，用于当环境温度值低于预设值时，选择低温工作模式，增大驱动板栅极电阻，从而增加碳化硅mosfet的关断时间，以降低关断电压尖峰，防止碳化硅mosfet在低温时电压击穿；
47.当环境温度值处于预设阈值范围时，选择常温模式，减小驱动板栅极电阻，从而减少碳化硅mosfet的开通时间和关断时间，以降低开通损耗和关断损耗。防止碳化硅mosfet在常温时热失效。
48.如图2所示，温度采集单元1包括温度采集电阻、运算放大器u1和运算放大器u2，温度采集电阻的输出端分别与运算放大器u1的同相输入端和运算放大器u2的反相输入端相连，u1输出信号temp为碳化硅mosfet温度采样信号。当温度低于0℃时，u2输出信号io1为低电平；当温度高于0℃时，u2输出信号io1为高电平。
49.如图3所示，逻辑处理单元2包括变压器、mos管t1、mos管t2、第一电阻单元和第二电阻单元，变压器的输入端与运算放大器u2的输出端相连，变压器的输出端与mos管t1的栅极相连，mos管t1的漏极与mos管t2的栅极相连，mos管t2的漏极与第一电阻单元的一端相连，mos管t2的源极与第二电阻单元的一端相连，第一电阻单元的另一端和第二电阻单元的另一端均与碳化硅mosfet的栅极相连。其中第一电阻单元包括并联的电阻r1和r2，第二电阻单元包括并联的电阻r3和r4。u2输出信号io1通过变压器传输，控制mos管t1和t2，调节栅极电阻阻值，具体为：
50.io1为低电平时，t1导通，t2关断，栅极电阻由r3和r4并联组成，进入低温模式状态工作；
51.io1为高电平时，t1关断，t2导通，栅极电阻由r1、r2、r3、r4并联组成，进入常温模式下工作。
52.本发明实施例还公开了一种车用碳化硅功率模块，包括碳化硅mosfet和如上所述的车用碳化硅功率模块的控制装置。同样具有如上控制装置所述的优点。
53.本发明实施例进一步公开了一种车用碳化硅功率模块的控制系统，包括
54.第一程序模块，用于获取车用碳化硅功率模块所在的环境温度；
55.第二程序模块，用于当环境温度值低于预设值时，选择低温工作模式，增大驱动板栅极电阻，从而增加碳化硅mosfet的关断时间，以降低关断电压尖峰；
56.当环境温度值处于预设阈值范围时，选择常温模式，减小驱动板栅极电阻，从而减少碳化硅mosfet的开通时间和关断时间，以降低开通损耗和关断损耗。
57.本发明实施例的车用碳化硅功率模块的控制系统，与上述控制方法相对应，同样具有如上控制方法所述的优点。
58.本发明实施例还公开了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序在被处理器运行时执行如上所述的车用碳化硅功率模块的控制方法的步骤。本发明实施例进一步公开了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序在被处理器运行时执行如上所述的车用碳化硅功率模块的控制方法的步骤。本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，计算机程序可存储于一个计算机可读存储介质中，该计算机程序
在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，计算机程序包括计算机程序代码，计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。计算机可读介质可以包括：能够携带计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、u盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。存储器可用于存储计算机程序和/或模块，处理器通过运行或执行存储在存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现各种功能。存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(smart media card,smc)，安全数字(secure digital,sd)卡，闪存卡(flash card)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其它易失性固态存储器件等。
59.以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。