开关半导体器件并联电路及其控制方法技术

本发明专利技术公开了功率开关半导体器件并联电路，在N个并联的功率开关半导体器件半桥中点连接N个换流电感，所有换流电感连接到输出端子并通过阻尼电阻与功率二极管半桥中点连接。将这些N个功率开关半导体器件半桥分成主桥臂和辅助桥臂两组，辅助桥臂在主桥臂开通之前开通，使得主桥臂的所有功率开关管实现零电压开通，辅助桥臂开关管实现零电压或零电流开通，显著减小功率开关管的开通损耗。利用换流电感与二极管的寄生输出电容进行谐振，实现输出端子电压的慢速变化，显著减小输出电压的dv/dt。本发明专利技术还公开了该电路的工作方法。

【技术实现步骤摘要】
开关半导体器件并联电路及其控制方法
本专利技术属于电力电子
，特别涉及一种开关半导体器件并联技术。
技术介绍
近年来，可再生能源与电动汽车正在逐步取代传统化石能源与汽车，这项能源变革的实现需要高效率高功率密度电力电子变换器。作为电力电子变换器的主要器件，功率开关半导体器件的市场份额在不断提升。特别地，随着宽禁带功率开关半导体器件技术的不断成熟，其开关特性与可靠性在持续提升。然而，由于良品率、热管理和成本限制，宽禁带半导体裸片和分立器件的电流等级还比较低，如2020年10月发表在IEEETransactionsonPowerElectronics第35卷，第10期，第10879-10891页的"DesignofaParalleledSiCMOSFETHalf-BridgeUnitWithDistributedArrangementofDCCapacitors"中所述。因此，多个半导体裸片或分立器件的并联是一种低成本甚至不可避免的方案，如2020年2月发表在IEEETrans.Ind.Electron.第67卷，第2期，第1508-1519页的“ImbalanceCurrentAnalysisandItsSuppressionMethodologyforParallelSiCMOSFETsWithAidofaDifferentialModeChoke”中所述。由于静态和动态电气参数以及布局的不一致或不对称，并联的功率半导体开关管会承受不平衡的电流应力，因此其开关和导通损耗以及热应力也会不同，如2019年11月发表在IEEETrans.PowerElectron第34卷，第11期，第11026-11035页的“MagneticIntegrationintoaSiliconCarbide(SiC)PowerModuleforCurrentBalancing”中所述，从而恶化该并联系统的效率和可靠性。为了改善并联功率半导体开关管的均流特性，学者提出采用主动驱动，例如发表在2018IEEETransportationElectrificationConferenceandExpo,Asia-Pacific(ITECAsia-Pacific),第1-5页的“TheCost-EfficientGatingDriverswithMaster-SlaveCurrentSharingControlforParallelSiCMOSFETs”中所述；以及增加无源器件的方法，例如2020年2月发表在IEEETrans.Ind.Electron.第67卷，第2期，第1508-1519页的“ImbalanceCurrentAnalysisandItsSuppressionMethodologyforParallelSiCMOSFETsWithAidofaDifferentialModeChoke”，以及2019年11月发表在IEEETrans.PowerElectron第34卷，第11期，第11026-11035页的“MagneticIntegrationintoaSiliconCarbide(SiC)PowerModuleforCurrentBalancing”中所述。虽然以上方法可以改善并联开关管的均流特性，但是在硬开关应用中，并联开关管的开关损耗依然较大。并且，由于快的开关速度，宽禁带半导体开关管的电压变化率(dv/dt噪声)较硅半导体开关管显著增加，其对电力电子系统的电磁兼容造成了更大的挑战。而现存的宽禁带半导体开关管并联方案无法显著减小开关管的电压变化率(dv/dt)。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：提供一种减小功率开关半导体器件的损耗、改善其均流特性、减小输出dv/dt噪声的功率开关半导体器件并联电路。为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案为：一种功率开关半导体器件并联电路，所述电路包括公共母线的正极端子、负极端子、输出端子、至少两个上桥臂开关管、数量与上桥臂开关管相等的下桥臂开关管、数量与上桥臂开关管相等的换流电感、上桥臂二极管、下桥臂二极管和阻尼电阻；其中每个上桥臂开关管的源极与一个对应的桥臂开关管的漏极连接组成开关管桥臂、上桥臂二极管的阳极与下桥臂二极管的阴极连接组成二极管桥臂；每个换流电感的一端与一个对应的开关管桥臂中点连接，该换流电感的另一端与输出端子连接，阻尼电阻一端与二极管桥臂中点连接，另一端与输出端子连接；所有上桥臂开关管的漏极与公共母线正极端子连接，上桥臂二极管的阴极与公共母线正极端子连接；所有下桥臂开关管的源极与公共母线的负极端子连接，下桥臂二极管的阳极与公共母线负极端子连接。作为一种优选的方案，所述母线电压为直流电压，输出端子电压为直流或交流电压。本专利技术另一个所要解决的技术问题是：提供一种上述功率开关半导体器件并联电路的工作方法。为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案为：所述开关管均由控制电路控制其各自导通和关断。本专利技术另一个所要解决的技术问题是：提供一种上述功率开关半导体器件并联电路的工作方法。为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案为：各个所述上桥臂开关管不同时开通和关闭，各个所述下桥臂开关管不同时开通和关闭；同一二极管桥臂中的上桥臂开关管和下桥臂开关管不同时导通。本专利技术另一个所要解决的技术问题是：提供一种上述功率开关半导体器件并联电路的工作方法。为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案为：所述所有上桥臂开关管同时开通和关闭，所述所有下桥臂开关管同时开通和关闭；同一二极管桥臂中的上桥臂开关管和下桥臂开关管不同时导通。作为一种优选的方案，开关半导体器件并联电路的工作方法，包括以下步骤：步骤a)，所有二极管桥臂任意分为所含二极管桥臂数量不为零的第一开关组和第二开关组；步骤b)，第一开关组的下桥臂开关管同时导通；步骤c)，第二开关组的上桥臂开关管同时导通；步骤d)，第一开关组的下桥臂开关管同时关断；步骤e)，第二开关组的上桥臂开关管同时关断；步骤f)，第一开关组的上桥臂开关管同时导通；步骤g)，第二开关组的下桥臂开关管同时开通；步骤h)，第二开关组的下桥臂开关管同时关断；步骤i)，第一开关组的上桥臂开关管同时关断；步骤j)，重复上述步骤a)-i)。本专利技术的有益效果是：当所述电路中功率开关管同步进行工作时，换流电感可以改善并联功率开关管开通和关断时刻的电流，从而实现功率开关管的动态均流。当所述电路中功率开关管工作在异步模式，换流电感可与功率开关管的输出结电容进行谐振，使所有功率开关管实现零电压或零电流软开关，显著减小开关损耗。此外，在开关时刻，这些换流电感与二极管的寄生电容以及电阻进行阻尼谐振，从而显著减小并联输出电压的dv/dt噪声。相较传统的宽禁带半导体开关管并联方案，本专利技术不需要复杂的驱动电路或额外的功率半导体开关管，并且可以同时实现并联开关管的电流均分、降低开关损耗以及减小dv/dt噪声。其可以广泛本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种功率开关半导体器件并联电路，其特征在于：所述电路包括公共母线的正极端子、负极端子、输出端子、至少两个上桥臂开关管、数量与上桥臂开关管相等的下桥臂开关管、数量与上桥臂开关管相等的换流电感、上桥臂二极管、下桥臂二极管和阻尼电阻；其中每个上桥臂开关管的源极与一个对应的桥臂开关管的漏极连接组成开关管桥臂、上桥臂二极管的阳极与下桥臂二极管的阴极连接组成二极管桥臂；每个换流电感的一端与一个对应的开关管桥臂中点连接，该换流电感的另一端与输出端子连接，阻尼电阻一端与二极管桥臂中点连接，另一端与输出端子连接；所有上桥臂开关管的漏极与公共母线正极端子连接，上桥臂二极管的阴极与母线正极端子连接；所有下桥臂开关管的源极与公共母线的负极端子连接，下桥臂二极管的阳极与公共母线负极端子连接。/n

【技术特征摘要】
1.一种功率开关半导体器件并联电路，其特征在于：所述电路包括公共母线的正极端子、负极端子、输出端子、至少两个上桥臂开关管、数量与上桥臂开关管相等的下桥臂开关管、数量与上桥臂开关管相等的换流电感、上桥臂二极管、下桥臂二极管和阻尼电阻；其中每个上桥臂开关管的源极与一个对应的桥臂开关管的漏极连接组成开关管桥臂、上桥臂二极管的阳极与下桥臂二极管的阴极连接组成二极管桥臂；每个换流电感的一端与一个对应的开关管桥臂中点连接，该换流电感的另一端与输出端子连接，阻尼电阻一端与二极管桥臂中点连接，另一端与输出端子连接；所有上桥臂开关管的漏极与公共母线正极端子连接，上桥臂二极管的阴极与母线正极端子连接；所有下桥臂开关管的源极与公共母线的负极端子连接，下桥臂二极管的阳极与公共母线负极端子连接。


2.如权利要求1所述的开关半导体器件并联电路，其特征在于，所述公共母线电压为直流电压，输出端子电压为直流或交流电压。


3.一种如权利要求1所述的开关半导体器件并联电路的工作方法：所述开关管均由控制电路控制其各自导通和关断。


4.一种如权利要求1所述的开关半导体器件并联...

【专利技术属性】
技术研发人员：申彦峰，龙腾，赵晖，
申请(专利权)人：申彦峰，龙腾，赵晖，
类型：发明
国别省市：河北;13