基于FPGA的SiC功率器件在线结温计算方法技术

本发明专利技术属于半导体技术领域，尤其涉及基于FPGA的SiC功率器件在线结温计算方法。该计算方法包括：1)对驱动脉冲信号进行预处理，输出重构信号；2)对导通电流进行去零漂处理；3)计算脉冲导通期间的平均功率；4)然后进行延时信号复现；5)最后功率损耗脉冲流进入结温模型计算出功率器件结温。本发明专利技术应用于SiC功率器件各种各样的应用场合，提供了以驱动信号为依据计算功耗的处理方法，提出了基于概率统计的在线动态去零漂方法，提出了功率损耗脉冲流构造方法，提出了Foster等效热网络模型最小单元热阻R和热容C并联的离散化模型，进而计算出跟实际波动一致的结温数据。

【技术实现步骤摘要】
基于FPGA的SiC功率器件在线结温计算方法
本专利技术属于半导体
，尤其涉及基于FPGA的SiC功率器件在线结温计算方法。
技术介绍
以碳化硅(SiC)为代表的第三代半导体材料，具有禁带宽度大、击穿电场高、热导率高、开关损耗小、频率高、功率大等优势，被认为是用于高电压、高频率的功率器件的理想半导体材料。随着故障预测与健康管理技术在各行各业的应用推广，SiC器件在各种应用场景中的故障预测与健康管理研究越来越得到广泛的关注。据文献研究显示，SiC功率器件的功率损耗及结温是非常重要的参数，这对产品的故障诊断、寿命预测、维修决策至关重要。纵观现有的功耗计算方法，一种是以正弦波周期为计算时长进行计算的，一种以一个脉冲周期为时长进行计算的，还有一种是以固定时长进行计算的。这三种方法都是求一个时间段内的平均功耗，对于计算结温来说，这几种功耗求解方式得到的稳态特性是一致的，能量相同，只是以不同的方式进入结温模型得出结温。但是，这种平均功耗波动较小，并不能体现实际功耗产生的波动性，更多表现的是稳态特性，相应计算出来的结温波动较小。但是对于寿命预测等结温应用场合，结温数据波动的大小直接影响寿命预测结果。因此，有必要开发符合实际功耗产生方式的算法，即计算每一个开关器件导通期间的平均功耗，再以脉冲功耗流的方式进入结温计算模型，求解对应的结温。功率损耗计算方法上有直接采用简化公式进行估算的，也有以积分方式计算的。现有的简化公式计算中需要用到占空比等参数，但是占空比不是定值，所以精度较低。积分计算方法可以捕捉运行过程中的电流、电压变化，计算出来功耗的精度相对较高。本专利技术中采用积分的方法来计算功率损耗。此外，驱动脉冲作用于功率器件后并不会做到瞬时开断，存在开通过程和关断过程。如果以驱动脉冲作为开断依据而不考虑开通关断过程的话，计算中所用于计算开通与关断损耗的电流必然不准确，计算通态损耗的积分时间段也不准确，也会影响结果的准确性。对驱动脉冲进行合理处理，选择恰当时间的电流进行功率损耗计算，才会得到比较准确的功耗计算结果。对于实际采集到的功率器件导通电流，由于采集设备电源电压不稳、元器件参数变化、温度变化等原因，不可避免地存在零漂。特别是温度变化引起的零漂，在设备运行过程中温度不断变化，很难做静态校正。如果能进行动态零漂识别，将采集到的数据中包含的零漂剔除，得到较准确的功率器件导通电流，那么对于准确计算功率器件功率损耗及结温是非常有意义的。实际应用中，SiC等功率器件的使用频率可能很高，能够在线计算功率损耗及结温计算方法比较缺乏。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于FPGA的SiC功率器件在线结温计算方法，其解决了SiC器件在高频应用场合在线功耗及结温计算问题。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：基于FPGA的SiC功率器件在线结温计算方法，其特征在于，包括以下步骤：1)对驱动脉冲信号g进行预处理，输出重构脉冲信号g1；2)对导通电流进行去零漂处理；3)计算脉冲导通期间的平均功率损耗；4)进行延时信号复现，生成功率损耗脉冲流；5)功率损耗脉冲流进入结温模型计算出功率器件结温。进一步地，步骤1)中脉冲信号g预处理的方法具体包括以下步骤：计算脉冲信号g当前时刻数值un与上一时刻数值un-1的差值un-un-1；当un-un-1＝1上升沿到来时，延时Ton，重构脉冲信号g1输出变为1；当un-un-1＝-1下降沿到来时，延时Toff，重构脉冲信号g1输出变为0。进一步地，步骤2)中导通电流进行去零漂处理包括以下步骤：1)初始化导通电流I数据队列；2)数据更新，将电流I数据队列的队首数据剔除，后边的数据依次前移一位，将最新采集的电流I加入队列队尾；3)对I数据队列进行概率分布求解，把概率分布最大的数据作为零漂数据Iz；4)将当前时刻采集的电流I进行I-Iz处理，作为当前功耗计算的电流输入；5)下一采样时刻继续执行2)、3)、4)步骤。进一步地，步骤3)中脉冲导通期间的平均功率损耗的计算方法包括以下步骤：1)计算重构脉冲信号g1当前时刻数值u1n与上一时刻数值u1n-1的差值：u1n-u1n-1，该差值用于检测重构脉冲信号g1上升沿和下降沿；2)当u1n-u1n-1＝1，即上升沿到来的时候，开始执行以下操作：(a)计算功率器件的开通损耗Eon；(b)存储上一个脉冲上升沿到当前脉冲上升沿时间，即脉冲周期T，然后计时器初始化为零重新开始计时；(c)导通损耗Esal初始化为零开始累积导通损耗值；当u1n-u1n-1＝-1，即下降沿到来的时候，需要依次执行以下操作：(a)存储功率器件导通时间T1；(b)计算功率器件的关断损耗Eoff；(c)导通损耗Esal的累积计算也在这时停止；(d)对这个导通脉冲中所产生的能量求和Eon+Esal+Eoff；3)计算脉冲导通期间的平均功率损耗：进一步地，步骤4)中延时信号复现选择延时多个脉冲的时间，所述脉冲的个数由最宽脉冲周期和最窄脉冲周期比来确定。进一步地，步骤4)中延时信号复现需要存储数据包括：脉冲周期T、器件导通时间T1、器件导通时的平均功率损耗P，然后生成跟脉冲宽度相等的功率损耗脉冲流。进一步地，步骤4)中延时信号复现由并行的两部分组成，具体步骤如下：部分一:a)计算重构脉冲信号g1当前时刻数值u1n与上一时刻数值u1n-1的差值为u1n-u1n-1；b)当u1n-u1n-1＝1，即上升沿到来时，将已结束脉冲的T、T1、P插入存储器的队尾，存储器的长度加1；c)当u1n-u1n-1≠1，即非上升沿的状态，下一次采样时继续执行a)步骤。部分二：a)复现功能延时触发计数开始；b)复现功能延时触发计数脉冲等于N，复现功能触发，flag置1；c)Flag为1，从存储器队首读取最早存储的一组T、T1、P数据，存储器队列长度减1，后边存储的数据依次往前移动一个地址，之后flag置0；d)在flag为0之后，在每一次运算的时候先对T1减去采样时间Ts，直到T1的值为0，这期间脉冲输出为P；e)当T1值为0后，开始T-T1减去采样时间Ts，直到T-T1为零，这期间脉冲输出为0；f)T-T1为零后对flag置1g)下一采样时刻，读取下一组数据重复c),d),e),f)步骤。进一步地，步骤5)结温计算采用Foster等效热网络模型。进一步地，Foster等效热网络模型的最小单元：即热阻R并联热容C的离散在线计算用Tustin积分实现。本专利技术提供了一种可以适应高频应用场合的在线功率损耗及结温计算方法，提出了以驱动信号为依据计算功率损耗的处理方法，以及一种基于数据的导通电流I动态零漂去除方法，提供了功率损耗脉冲流构建方法，构造出符合实际波动的功率损耗脉冲流，提出了Foster等效热网本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于FPGA的SiC功率器件在线结温计算方法，其特征在于，包括以下步骤：/n1)对驱动脉冲信号g进行预处理，输出重构脉冲信号g1；/n2)对导通电流进行去零漂处理；/n3)计算脉冲导通期间的平均功率损耗；/n4)进行延时信号复现，生成功率损耗脉冲流；/n5)功率损耗脉冲流进入结温模型计算出功率器件结温。/n

【技术特征摘要】
1.基于FPGA的SiC功率器件在线结温计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)对驱动脉冲信号g进行预处理，输出重构脉冲信号g1；
2)对导通电流进行去零漂处理；
3)计算脉冲导通期间的平均功率损耗；
4)进行延时信号复现，生成功率损耗脉冲流；
5)功率损耗脉冲流进入结温模型计算出功率器件结温。


2.根据权利要求1所述的在线结温计算方法，其特征在于，所述步骤1)中脉冲信号g预处理的方法具体包括以下步骤：
计算脉冲信号g当前时刻数值un与上一时刻数值un-1的差值为un-un-1；
当un-un-1＝1上升沿到来时，延时Ton，重构脉冲信号g1输出变为1；
当un-un-1＝-1下降沿到来时，延时Toff，重构脉冲信号g1输出变为0。


3.根据权利要求1所述的在线结温计算方法，其特征在于，所述步骤2)中导通电流进行去零漂处理包括以下步骤：
1)初始化导通电流I数据队列；
2)数据更新，将电流I数据队列的队首数据剔除，后边的数据依次前移一位，将最新采集的电流I加入队列队尾；
3)对I数据队列进行概率分布求解，把概率分布最大的数据作为零漂数据Iz；
4)将当前时刻采集的电流I进行I-Iz处理，作为当前功耗计算的电流输入；
5)下一采样时刻继续执行2)、3)、4)步骤。


4.根据权利要求1所述的在线结温计算方法，其特征在于，所述步骤3)中脉冲导通期间的平均功率损耗的计算方法包括以下步骤：
1)计算重构脉冲信号g1当前时刻数值u1n与上一时刻数值u1n-1的差值：u1n-u1n-1，该差值用于检测重构脉冲信号g1上升沿和下降沿；
2)当u1n-u1n-1＝1，即上升沿到来的时候，开始执行以下操作：(a)计算功率器件的开通损耗Eon；(b)存储上一个脉冲上升沿到当前脉冲上升沿时间，即脉冲周期T，然后计时器初始化为零重新开始计时；(c)导通损耗Esal初始化为零开始累积导通损耗值；
当u1n-u1n-1＝-1，即下降沿到来的时候，需要依次执行以下操作：(a)存储功率器件导通时间T1；(b)计算功率器件的关断损耗Eoff；...

【专利技术属性】
技术研发人员：水富丽，吴晓威，刘志敏，杨惠兰，王亮亮，
申请(专利权)人：西安中车永电电气有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西;61