一种提升逆变器中SiCMOSFET器件运行寿命的方法技术

本发明专利技术公开一种提升逆变器中SiC MOSFET器件运行寿命的方法，在包括主桥臂A、B、C的三相逆变器中，设有用于分时导通的冗余桥臂D和用于换相的双向可控硅T

【技术实现步骤摘要】
一种提升逆变器中SiC MOSFET器件运行寿命的方法


[0001]本专利技术涉及功率半导体器件
，具体涉及一种提升逆变器中碳化硅（SiC）MOSFET器件运行寿命的方法。

技术介绍

[0002]21 世纪以来，世界各国高度重视化石能源大规模开发利用带来的资源紧张、气候变化等问题，加快开发利用新能源成为世界各国的普遍共识和一致行动。新能源迎来了规模化发展的时代，技术经济性持续提升。我国在“碳达峰，碳中和”目标的指引下，新能源将进一步进入加速发展期，逐步减少、替代化石能源，成为推动能源向清洁低碳转型的生力军。
[0003]以太阳能发电和风电为例，这两种发电方式里变流器都起到了至关重要的作用：风力发电里机侧变流器的作用是将交流电整流成直流电，而网侧变流器的作用则是将直流电逆变为交流电，太阳能发电中变流器的作用则是将直流电变为交流电。综上，变流器在风电或者光伏发电系统中都占据了核心部分。根据相关研究表明，在风电、光伏发电以及牵引变流器等领域，功率器件是相当脆弱的器件。虽然功率器件制造商会从制造工艺上提高功率器件的可靠性，且应用工程师也会在驱动电路中配备相应的保护电路。但是由于SiC MOSFET处理功率的波动性、间歇性、不确定性仍然会造成SiC MOSFET的老化甚至失效。
[0004]现有技术中，针对三相逆变器中SiC MOSFET运行寿命的技术受到局限性，大多数都基于改变开关频率或者改变调制方式等方法来降低开关损耗，但是这类方法只能降低三相逆变器中SiC MOSFET的开关损耗，而无法降低SiC MOSFET的导通损耗，当三相逆变器处于导通损耗占比较大的工况下时，改变开关频率或者调制方式的方法并不能很好的降低SiCMOSFET的损耗，从而无法较好的提升SiC MOSFET器件的运行寿命。

技术实现思路

[0005]针对现有技术存在的上述不足，本专利技术的目的是提供一种提升三相逆变器中SiC MOSFET运行寿命的方法，解决主桥臂导通损耗过高，容易导致SiC MOSFET器件老化过快或者失效过早的问题。
[0006]实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种提升逆变器中SiC MOSFET器件运行寿命的方法，其特征在于，在包括主桥臂A、B、C的三相逆变器中，设有用于分时导通的冗余桥臂D和用于换相的双向可控硅T
A
、T
B
和T
C
；其中，用于所述分时导通的冗余桥臂D的中点与三个用于换相的双向可控硅T
A
、T
B
和T
C
的一端相连，同时冗余桥臂也与母线相连；三个用于换相的双向可控硅T
A
、T
B
和T
C
的另一端与三相逆变器中的三相桥臂中点相连；由控制器发出控制指令，根据三相主桥臂A、B、C各相输出电流的相位，来决定是否需要进行分时导通控制；当判断某相电流进入较大区间时，由控制器开通与该相连接的双向可控硅并且把该相桥臂的驱动信号给予冗余桥臂，并把该相桥臂上的SiC MOSFET关断，
从而使该相桥臂暂时“休息”，实现降低该桥臂结温峰值和结温波动幅值的目的，进而实现三相主桥臂A、B、C和冗余桥臂D及双向可控硅T
A
、T
B
和T
C
的分时导通与换相，以提升三相逆变器中SiC MOSFET运行寿命。因为基于三相逆变器输出电流是呈正弦变化，当三相逆变器中某相输出电流进入较大区间时，以A相为例，当A相输出电流到60
°‑
120
°
和240
°‑
300
°
时，A相输出电流较大，通过导通与该相相连的双向可控硅以及转移该相的驱动信号到冗余桥臂的驱动信号上，并关断该相桥臂上的SiC MOSFET，以实现冗余桥臂替代该相桥臂工作，降低该相桥臂上的SiC MOSFET的损耗，从而降低该相桥臂的结温峰值和结温波动幅值，从而提升逆变器中SiC MOSFET的运行寿命。
[0007]进一步，对A相进行分时导通时，首先通过控制器（软件）关闭A相桥臂的SiC MSOFET，然后再通过软件控制把A相桥臂的调制波给冗余桥臂D，使冗余桥臂D能够替代A相桥臂完成逆变功能，最后再触发双向可控硅T
A
，从而冗余桥臂D和双向可控硅T
A
一起导通，达到替代A相桥臂工作的原理；B相和C相控制同理；每个双向可控硅实现对应桥臂的分时导通。
[0008]结束对A相桥臂分时导通时，需要根据双向可控硅T
A
的电流方向来进行冗余桥臂D的驱动信号控制；如果双向可控硅的电流流向是流出冗余桥臂D，即从T
A
的T2端流向T1端，则结束A相桥臂分时导通时，则需要打开冗余桥臂D的下管SiC MOSFET，从而把双向可控硅T
A
的T2端接负母线，由于在A相桥臂上管SiC MOSFET打开时双向可控硅T
A
的T1端与正母线相连，此时双向可控硅T
A
承受与导通时电流流向相反的反向电压，且不给双向可控硅T
A
提供驱动脉冲，双向可控硅T
A
便可以在规定时间内关断，完成结束对A相桥臂分时冗余。若电流方向为流入冗余桥臂D，则需要打开冗余桥臂D的上管SiC MOSFET，同理当A相桥臂下管SiC MOSFET打开时，双向可控硅T
A
承受反向电压，便可以成功关断。
[0009]进一步，当三相桥臂无需分时导通时，由控制器对SiC MOSFET器件的驱动电路发出驱动信号，使A桥臂、B桥臂和C桥臂正常完成逆变功能，D桥臂不工作，实现三相逆变器桥臂中的SiC MOSFET正常驱动和分时导通切换。
[0010]由于A、B和C相桥臂的每个分时区间之间距离30
°
，在输出电流频率为50Hz的工况下，每个分时区间之间时差为1.67ms，因此有足够时间进行分时导通切换。
[0011]针对A相桥臂分时区间选择方法如下：因为A、B和C相桥臂的输出电流是一个正弦波，以A相桥臂上管SiC MOSFET为例，假设功率因数为1，A相桥臂输出电流表达式为，根据SPWM原理，A相桥臂上管SiC MOSFET在0
‑
180
°
区间的损耗也呈正弦状，与A相输出电流变化趋势相同。由于A相输出电流在60
°‑
120
°
和240
°‑
300
°
区间较大，故绝大部分损耗集中在60
°‑
120
°
和240
°‑
300
°
。所以当A相输出电流进入这60
°‑
120
°
和240
°‑
300
°
区间时，对A相桥臂进行分时导通，A相桥臂输出电流不位于这两个区间则A相桥臂不进行分时导通。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种提升逆变器中SiC MOSFET器件运行寿命的方法，其特征在于，在包括主桥臂A、B、C的三相逆变器中，设有用于分时导通的冗余桥臂D和用于换相的双向可控硅T
A
、T
B
和T
C
；其中，用于所述分时导通的冗余桥臂D的中点与三个用于换相的双向可控硅T
A
、T
B
和T
C
的一端相连，同时冗余桥臂也与母线相连；三个用于换相的双向可控硅T
A
、T
B
和T
C
的另一端与三相逆变器中的三相桥臂中点相连；由控制器发出控制指令，根据三相主桥臂A、B、C各相输出电流的相位，来决定是否需要进行分时导通控制；当判断某相电流进入较大区间时，由控制器开通与该相连接的双向可控硅并且把该相桥臂的驱动信号给予冗余桥臂，并把该相桥臂上的SiC MOSFET关断，从而使该相桥臂暂时“休息”，实现降低该桥臂结温峰值和结温波动幅值的目的，进而实现三相主桥臂A、B、C和冗余桥臂D及双向可控硅T
A
、T
B
和T
C
的分时导通与换相，以提升三相逆变器中SiC MOSFET运行寿命。2.根据权利要求1所述SiC MO...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙鹏菊，兰昱锋，马兴，李强，房新斌，谢明航，罗全明，杜雄，
申请(专利权)人：国网重庆市电力公司电力科学研究院国家电网有限公司，
类型：发明
国别省市：