基于Si和SiC混合器件的多元调控参数综合设计方法

本发明涉及开关管参数调控，尤其指一种基于si和sic混合器件的多元调控参数综合设计方法。

背景技术：

1、目前大部分电力电子变换器件是基于传统硅（silicon，si）半导体材料构造的，但由于si材料固有性能限制，导致变换器存在着损耗大、开关频率低以及功率因数低等问题。而第三代半导体材料碳化硅（silicon carbide，sic）具有十分优异的性能，它在击穿场强、禁带宽度、载流子饱和漂移速度和热导率等多方面具备优势，能有效提高电力电子变换器的效率和功率密度。但目前sic器件的工艺技术尚未成熟与封装技术发展滞后，导致其芯片载流能力不足以及价格昂贵。基于此，相关研究学者提出将大功率的si器件和小功率的sic器件并联组成si igbt/sic mosfet混合器件，以实现两种功率器件性能和成本的折衷，siigbt/sic mosfet混合器件为提升器件性能提供了新的思路。

2、为了推进混合器件的广泛应用，相关学者在si igbt/sic mosfet混合器件的损耗优化与可靠运行方面开展了诸多研究。在损耗优化方面，现有研究对比了si igbt/sicmosfet混合器件多种开关模式，如图2所示，并指出开关模式ⅰ（sic mosfet先开后关模式）可以有效降低混合器件开关损耗。在可靠性方面，现有研究提出一种根据负载电流大小采用不同混合器件开关模式的调控策略，如图3所示，其中模式ⅰ表示混合器件内仅sicmosfet进行开关，si igbt处于关断状态；模式ⅱ表示混合器件内sic mosfet先开后关；在模式ⅲ内利用si igbt先开后关以保障混合器件的可靠性。

3、上述针对si igbt/sic mosfet混合器件的研究往往只针对效率或可靠性，较少同时考虑两项性能指标，未能有效的同时兼顾混合器件的高效与高可靠性。混合器件的损耗优化与可靠性保障二者间相互关联耦合，只考虑某单一指标的优化将会影响甚至可能劣化其他性能指标。同时目前混合器件调控方式较为单一，其可调控潜能有待进一步发掘。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种基于si和sic混合器件的多元调控参数综合设计方法，该方法可以确定调控参数在降低混合器件损耗方面的优先级高低，并采用优先级高的调控参数优化混合器件的损耗，确定优先级高的调控参数值，以及采用优先级低的调控参数抑制混合器件的电流过冲值，将电流过冲值限制在混合器件预设的最大脉冲电流值内，确定优先级低的调控参数值，从而有效兼顾混合器件的效率和可靠性。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方法：一种基于si和sic混合器件的多元调控参数综合设计方法，包括：

3、步骤s1，确定混合器件所应用的开关模式；

4、步骤s2，在步骤s1所确定的开关模式下，先定性分析各调控参数对混合器件损耗和电流过冲的影响，再根据混合器件内si igbt和sic mosfet的具体型号，得出各调控参数对混合器件损耗和电流过冲影响的灵敏度大小；所述调控参数包括混合器件sic mosfet的驱动电压、驱动电阻以及si igbt的驱动电压、驱动电阻；

5、步骤s3，比较步骤s2得到的混合器件sic mosfet的驱动电压、驱动电阻以及siigbt的驱动电压、驱动电阻对混合器件损耗优化的灵敏度高低，确定调控参数降低损耗的优先级；

6、步骤s4，采用优先级高的调控参数优化混合器件的损耗，确定优先级高的调控参数值；

7、步骤s5，采用优先级低的调控参数抑制混合器件的电流过冲值，将峰值电流限制在混合器件预设的最大脉冲电流值内，确定优先级低的调控参数值。

8、进一步的，所述步骤s1中，混合器件所应用的开关模式为sic mosfet先开后关模式。

9、进一步的，所述混合器件损耗包括开关损耗和导通损耗，所述开关损耗包括开通损耗和关断损耗，所述导通损耗为导通功率与负载电流的乘积，其中：

10、1）在sic mosfet先开后关模式下，混合器件的开通损耗和关断损耗分别为：

11、(1)

12、 (2)

13、式中，、分别为混合器件的开通损耗、关断损耗；为sic mosfet的驱动电压；为sic mosfet的驱动电阻；、分别为单一sic mosfet的硬开通损耗和硬关断损耗；为负载电流；为混合器件的总导通电阻；为si igbt的上升时间；为si igbt的关断时间；为sic mosfet的导通电阻；、分别为开通延迟时间和关断延迟时间；为sic msofet开通时间；为si igbt的开通延迟时间；

14、2）在sic mosfet先开后关模式下，混合器件的导通功率如下式：

15、 (3)

16、式中，为混合器件的导通功率；为si igbt的驱动电压；为siigbt的导通电阻；为si igbt导通阈值电压对应的负载电流。

17、再进一步的，所述步骤s2中，在sic mosfet先开后关模式下，混合器件存在电流过冲风险时的峰值电流为：(4)

18、式中，为峰值电流；为过冲电流值，为反向恢复电荷；为反向恢复软度；、、、分别为sic mosfet的跨导、开通阈值电压、栅源极寄生电容、源极寄生电感。

19、再进一步的，所述步骤s2中，在sic mosfet先开后关模式下，根据公式(1)-(2)能确定混合器件的开关损耗与sic mosfet的驱动电压负相关，与sic mosfet的驱动电阻正相关；根据公式(3)能确定混合器件的导通功率与sic mosfet与si igbt的驱动电压负相关；根据公式(4)能确定混合器件的电流过冲与sic mosfet的驱动电压正相关，与sic mosfet的驱动电阻负相关。

20、更进一步的，所述步骤s3中，比较步骤s2得到的sic mosfet的驱动电压与驱动电阻对混合器件开关损耗优化的灵敏度高低，确定在降低混合器件开关损耗方面，sicmosfet的驱动电压为高优先级的调控参数，sic mosfet的驱动电阻为低优先级的调控参数。

21、更进一步的，所述步骤s4中，选取sic mosfet驱动电压的最大值以优化混合器件的开关损耗。

22、再进一步的，所述步骤s4还包括，选取si igbt驱动电压的最大值以优化混合器件的导通损耗。

23、优选的，所述步骤s2还包括，根据各调控参数对混合器件开关损耗和电流过冲影响的灵敏度大小拟合sic mosfet的驱动电压、驱动电阻与混合器件开关损耗之间的关系式；以及拟合sic mosfet的驱动电压、驱动电阻与混合器件峰值电流之间的关系式。

24、优选的，所述步骤s5包括：

25、s501，确定混合器件的最大脉冲电流值；

26、s502，将峰值电流限制在步骤s501确定的最大脉冲电流值内；

27、s503，将步骤s4确定的sic mosfet驱动电压的最大值以及步骤s502确定的峰值电流代入步骤s2拟合的sic mosfet的驱动电压、驱动电阻与混合器件峰值电流之间的关系式中，以得到sic mosfet的驱动电阻数值。

28、本发明提供的基于si和sic混合器件的多元调控参数综合设计方法，可以确定调控参数在降低混合器件损耗方面的优先级高低，并采用优先级高的调控参数优化混合器件的损耗，确定优先级高的调控参数值，以及采用优先级低的调控参数抑制混合器件的电流过冲值，将电流过冲值限制在混合器件预设的最大脉冲电流值内，确定优先级低的调控参数值，从而有效兼顾混合器件的效率和可靠性。本发明简单、有效，且适用范围广，可以为其他类型混合器件调控参数的优化控制提供参考。