并联功率模块瞬态均流方法及系统

本发明涉及电力电子，尤其涉及并联功率模块瞬态均流方法及系统。

背景技术：

1、目前广泛在工业应用中使用的功率器件，例如绝缘栅双极性晶体管(insulated-gate bipolar transistor,igbt)，碳化硅金属-氧化物半导体场效应晶体管(sic metal-oxide-semiconductor field-effect transistor,sic mosfet)，在电力传输、轨道交通、电动汽车和可再生能源发电等领域具有电能变换的核心作用。为了提高变流器的功率能力，通常并联多个功率模块来实现。而多模块并联极易产生电流不均衡现象。这种电流不平衡导致功率损失以及变流器系统内电压和电流应力的差异。电热应力失衡加速了模块退化，降低了系统可靠性，增加了故障概率。因此，解决并联功率模块之间电流分布不平衡的问题，提高电应力和损耗的一致性，对于优化功率模块的并联输出性能和可靠性至关重要。

2、在抑制不均匀瞬态电流方面，现有方法主要包括无源技术和有源栅极驱动方法。无源方法通过添加额外的耦合电感器、电阻器或其组合来快速实现均流。然而，这些方法总是改变设备的原始布局，改变并联模块的整体电气和热特性。随着并联设备数量的增加，无源元件的数量也在增加，因此很难减小它们的尺寸和重量。当电流水平和频率发生变化时，被动方法难以做出相应的调整，导致适应性差。这些限制阻碍了无源电流平衡技术的可扩展性和灵活性。而目前有源驱动方法依然存在系统的规模和复杂性增加、难以在单个开关周期内实现电流平衡等不足。

技术实现思路

1、本发明提供并联功率模块瞬态均流方法及系统，解决的技术问题在于：如何在单个开关周期内快速、简单实现多个并联功率模块的电流平衡。

2、为解决以上技术问题，本发明提供并联功率模块瞬态均流方法，包括步骤：

3、s1、采样并联的n个功率模块的电流并转化为感应电压，n≥2；

4、s2、对采样的每个功率模块的感应电压进行积分还原，得到对应的积分电压；

5、s3、将n个积分电压中最大的积分电压作为基准电流等效值，将n个积分电压作为对比电流等效值；

6、s4、计算基准电流等效值与n个对比电流等效值之间的电流等效差值；

7、s5、根据n个电流等效差值生成相应的额外驱动电流注入对应功率模块的栅极。

8、进一步地，所述步骤s5具体包括步骤：

9、将每一个电流等效差值与对应的设定参考值经过高速滞环比较器进行比较，输出对应的控制脉冲；

10、经过信号选通三态门仅保留开通时刻的控制脉冲，再通过高带宽数字隔离器将控制脉冲进行隔离后输入施密特缓冲器进行缓冲；

11、将缓冲后的控制脉冲作为电流镜电路的控制信号，电流镜电路输出驱动电流至相应的功率模块的栅极。

12、进一步地，所述电流镜电路包括n mosfet m1，与n mosfet互补的pmosfet m2、与m2相同的p mosfet m3、防倒灌二极管d1、m1下拉电阻rcm1、输入支路灌电阻rcm2、输出支路灌电阻rcm3以及对应功率模块的驱动电源作为该电流镜电源vdd；其中rcm1耦接于电流镜电路前级施密特缓冲器和驱动地gnd之间，rcm2耦接于m1的源极和驱动地gnd之间，m1栅极连接至电流镜电路前级施密特缓冲器，漏极连接至m2漏极，m2漏极与本身栅极短接，并与m3栅极相连，m2源极连接至m3源极，并与vdd相连，m3漏极连接至d1阳极，rcm3耦接于d1阴极与对应功率模块栅极之间。

13、进一步地，vgp为对应被控功率模块的米勒平台电压，vd1为d1二极管导通压降，ilm为电流镜电路输入侧支路电流，rdsonm3为mosfet m3的导通压降，rgint为对应被控功率模块栅极驱动内阻，δvge(t)为所需补偿的驱动电压值。

14、进一步地，在所述步骤s1中，采用n个印刷电路板罗氏线圈电流传感器即pcb rccs分别套入n个功率模块的电流支路以对n个功率模块进行电流采样，并转化采样的电流为感应电压。

15、进一步地，每个pcb rccs被等效为包括电压源e(t)、线圈自感ls、线圈中的分布电容cs、线圈内阻rs以及终端电阻rd，其中电压源e(t)、自感ls与内阻rs串联后与分布电容cs并联，分布电容cs又与终端电阻rd并联，终端电阻rd的两端连接后级电路。

16、进一步地，终端电阻rd取值为：

17、进一步地，在所述步骤s2中，采用n个有源积分器进行积分还原；每个所述有源积分器包括：积分电阻、积分电容、高带宽运放、积分电容辅助复位电路即aux电路、去偏置调零电路以及高带宽跟随器；所述积分电阻耦接于所述采样单元的输出与所述高带宽运放的反相输入端之间，并与所述积分电容、所述aux电路相连，所述积分电容耦接于所述高带宽运放的反向输入端与输出端之间，并与所述aux电路并联，所述去偏置调零电路耦接于所述高带宽运放的同相输入端与地gnd之间，所述高带宽跟随器耦接于所述高带宽运放的输出与所述最大值选择单元之间；所述高带宽运放的输出等效于对应功率模块电流，并通过所述高带宽跟随器提升输出阻抗。

18、进一步地，在所述步骤s4中，采用n个差分跟随器计算电流等效差值；每个差分跟随器的计算过程为：将一个积分电压与最大电压作为一组输入电压，差分跟随器计算该组输入电压中的积分电压与最大电压之间的差值，得到对应的电流等效差值。

19、本发明还提供一种并联功率模块瞬态均流系统，其关键在于：包括采样单元、有源积分单元、最大值选择单元、电流差计算单元和驱动电流注入单元，所述采样单元、所述有源积分单元、所述最大值选择单元、所述电流差计算单元和所述驱动电流注入单元分别用于执行所述的并联功率模块瞬态均流方法中的步骤s1至s5。

20、本发明提供的并联功率模块瞬态均流方法及系统，其方法首先采样并联的n个功率模块的电流并转化为感应电压，n≥2；然后对采样的每个功率模块的感应电压进行积分还原，得到对应的积分电压；然后将n个积分电压中最大的积分电压作为基准电流等效值，将n个积分电压作为对比电流等效值；然后计算基准电流等效值与n个对比电流等效值之间的电流等效差值；然后根据n个电流等效差值生成相应的额外驱动电流注入对应功率模块的栅极。系统分别设置采样单元、有源积分单元、最大值选择单元、电流差计算单元和驱动电流注入单元实现方法中的各个步骤，这些单元由比较器、电阻、二极管、滤波器等基本的电子元器件搭建而成。与现有有源驱动方法相比，该发明低成本、紧凑的尺寸和快速的响应特性为涉及多个并行模块的工业应用中的电流平衡提供了一种高效实用的解决方案。

技术特征：

1.并联功率模块瞬态均流方法，其特征在于，包括步骤：

2.根据权利要求1所述的并联功率模块瞬态均流方法，其特征在于，所述步骤s5具体包括步骤：

3.根据权利要求2所述的并联功率模块瞬态均流方法，其特征在于：所述电流镜电路包括n mosfet m1，与n mosfet互补的p mosfet m2、与m2相同的p mosfet m3、防倒灌二极管d1、m1下拉电阻rcm1、输入支路灌电阻rcm2、输出支路灌电阻rcm3以及对应功率模块的驱动电源作为该电流镜电源vdd；其中rcm1耦接于电流镜电路前级施密特缓冲器和驱动地gnd之间，rcm2耦接于m1的源极和驱动地gnd之间，m1栅极连接至电流镜电路前级施密特缓冲器，漏极连接至m2漏极，m2漏极与本身栅极短接，并与m3栅极相连，m2源极连接至m3源极，并与vdd相连，m3漏极连接至d1阳极，rcm3耦接于d1阴极与对应功率模块栅极之间。

4.根据权利要求3所述的并联功率模块瞬态均流方法，其特征在于：vgp为对应被控功率模块的米勒平台电压，vd1为d1二极管导通压降，ilm为电流镜电路输入侧支路电流，rdsonm3为mosfet m3的导通压降，rgint为对应被控功率模块栅极驱动内阻，δvge(t)为所需补偿的驱动电压值。

5.根据权利要求1所述的并联功率模块瞬态均流方法，其特征在于：在所述步骤s1中，采用n个印刷电路板罗氏线圈电流传感器即pcb rccs分别套入n个功率模块的电流支路以对n个功率模块进行电流采样，并转化采样的电流为感应电压。

6.根据权利要求5所述的并联功率模块瞬态均流方法，其特征在于：每个pcb rccs被等效为包括电压源e(t)、线圈自感ls、线圈中的分布电容cs、线圈内阻rs以及终端电阻rd，其中电压源e(t)、自感ls与内阻rs串联后与分布电容cs并联，分布电容cs又与终端电阻rd并联，终端电阻rd的两端连接后级电路。

7.根据权利要求6所述的并联功率模块瞬态均流方法，其特征在于，终端电阻rd取值为：

8.根据权利要求1所述的并联功率模块瞬态均流方法，其特征在于：在所述步骤s2中，采用n个有源积分器进行积分还原；每个所述有源积分器包括积分电阻、积分电容、高带宽运放、积分电容辅助复位电路即aux电路、去偏置调零电路以及高带宽跟随器；所述积分电阻耦接于所述采样单元的输出与所述高带宽运放的反相输入端之间，并与所述积分电容、所述aux电路相连，所述积分电容耦接于所述高带宽运放的反向输入端与输出端之间，并与所述aux电路并联，所述去偏置调零电路耦接于所述高带宽运放的同相输入端与地gnd之间，所述高带宽跟随器耦接于所述高带宽运放的输出与所述最大值选择单元之间；所述高带宽运放的输出等效于对应功率模块电流，并通过所述高带宽跟随器提升输出阻抗。

9.根据权利要求1所述的并联功率模块瞬态均流方法，其特征在于：

10.并联功率模块瞬态均流系统，其特征在于：包括采样单元、有源积分单元、最大值选择单元、电流差计算单元和驱动电流注入单元，所述采样单元、所述有源积分单元、所述最大值选择单元、所述电流差计算单元和所述驱动电流注入单元分别用于执行权利要求1至9任一项所述的并联功率模块瞬态均流方法中的步骤s1至s5。

技术总结
本发明涉及电力电子技术领域，具体公开了一种并联功率模块瞬态均流方法及系统，该方法采样并联的N个功率模块的电流并转化为感应电压；对采样的感应电压进行积分还原，得到对应的积分电压；将N个积分电压中最大的作为基准电流等效值，将N个积分电压作为对比电流等效值；计算基准电流等效值与N个对比电流等效值之间的电流等效差值；根据N个电流等效差值生成相应的额外驱动电流注入对应功率模块的栅极。该系统设置采样单元、有源积分单元、最大值选择单元、电流差计算单元和驱动电流注入单元实现方法中的各个步骤，这些单元由比较器、电阻、二极管、滤波器等基本的电子元器件搭建而成。该发明均流效果好、成本低、尺寸紧凑、响应快速。

技术研发人员：宋文胜,唐涛,陈健,胡廷文,岳豪,谢东,麻宸伟
受保护的技术使用者：西南交通大学
技术研发日：
技术公布日：2025/3/27