面向Si／SiC混合器件逆變器全壽命周期安全工作區(qū)的多開(kāi)關(guān)模式主動(dòng)切換策略

涂春鳴，韓 碩，龍 柳，肖 凡，肖 標(biāo)，郭 祺

（湖南大學(xué) 國(guó)家電能變換與控制工程技術(shù)研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410082）

0 引言

相較于硅基絕緣柵雙極型晶體管（Si insulategate bipolar transistor，Si IGBT），碳化硅金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管（SiC metal-Oxide-semiconductor fieldeffect transistor，SiC MOSFET）具有開(kāi)關(guān)損耗低、開(kāi)關(guān)速度快、耐壓高等優(yōu)點(diǎn)，能顯著提高系統(tǒng)功率密度，在新能源發(fā)電、電動(dòng)汽車(chē)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景［1-5］。然而，受材料和工藝的制約，SiC MOSFET目前存在載流能力不足、成本昂貴等問(wèn)題。因此為了均衡器件的性能與成本，有研究提出了基于大電流Si IGBT 和小電流SiC MOSFET 并聯(lián)使用的混合器件結(jié)構(gòu)，使其在性能接近SiC MOSFET 的同時(shí)大幅降低了成本［6-7］。

混合器件利用SiC MOSFET 先于Si IGBT 開(kāi)通并晚于其關(guān)斷的方式實(shí)現(xiàn)Si IGBT 零電壓開(kāi)關(guān)，從而降低混合器件總損耗［8］。因此有學(xué)者以混合器件最小損耗為控制目標(biāo)，針對(duì)SiC MOSFET 的關(guān)斷延時(shí)開(kāi)展了相關(guān)研究。文獻(xiàn)［9］通過(guò)雙脈沖實(shí)驗(yàn)確定混合器件的最優(yōu)關(guān)斷延時(shí)，但是在應(yīng)用中并未考慮負(fù)載變化對(duì)最優(yōu)關(guān)斷延時(shí)的影響。為此文獻(xiàn)［10-11］提出了基于可變關(guān)斷延時(shí)的最小損耗開(kāi)關(guān)模式，能在線動(dòng)態(tài)調(diào)整關(guān)斷延時(shí)，實(shí)現(xiàn)了變換器效率最優(yōu)。然而，最小損耗開(kāi)關(guān)模式會(huì)導(dǎo)致熱阻較大的SiC MOSFET 承擔(dān)主要的開(kāi)關(guān)損耗，在重載情況下其極易出現(xiàn)過(guò)熱現(xiàn)象。為解決該問(wèn)題，文獻(xiàn)［12-13］提出了結(jié)溫平衡開(kāi)關(guān)模式，通過(guò)控制關(guān)斷延時(shí)重新分配關(guān)斷損耗，從而降低SiC MOSFET 結(jié)溫。文獻(xiàn)［14］提出了基于導(dǎo)通時(shí)變的主動(dòng)熱控制開(kāi)關(guān)模式，通過(guò)在混合器件共同導(dǎo)通期間主動(dòng)關(guān)閉SiC MOSFET一段時(shí)間，將部分導(dǎo)通損耗轉(zhuǎn)移給Si IGBT 以實(shí)現(xiàn)結(jié)溫平衡，提高熱可靠性。上述所有開(kāi)關(guān)模式都只針對(duì)單一目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，存在難以適應(yīng)不同工況的問(wèn)題。若以最小損耗為導(dǎo)向則會(huì)在重載時(shí)犧牲器件的熱可靠性，而以結(jié)溫平衡為導(dǎo)向則會(huì)在輕載時(shí)削弱變換器的效率。

為結(jié)合最小損耗和結(jié)溫平衡2 種開(kāi)關(guān)模式的優(yōu)勢(shì)，有學(xué)者提出了混合器件多開(kāi)關(guān)模式切換策略［15-16］。文獻(xiàn)［17］針對(duì)Buck電路設(shè)計(jì)了多目標(biāo)優(yōu)化開(kāi)關(guān)策略，在中小負(fù)載時(shí)采用最小損耗開(kāi)關(guān)模式，提高運(yùn)行效率；而在重載時(shí)采用結(jié)溫平衡開(kāi)關(guān)模式，提高可靠性。文獻(xiàn)［18-19］基于混合器件熱電耦合模型實(shí)時(shí)計(jì)算器件損耗和結(jié)溫，并通過(guò)反饋控制動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)混合器件的關(guān)斷延時(shí)，以實(shí)現(xiàn)最小損耗與結(jié)溫平衡2 種控制目標(biāo)的在線切換。文獻(xiàn)［20］將多開(kāi)關(guān)模式切換與變開(kāi)關(guān)頻率相結(jié)合，提出一種適用于逆變器效率與熱應(yīng)力均衡的開(kāi)關(guān)策略。

現(xiàn)有研究提出的多開(kāi)關(guān)模式切換策略，通常將150 ℃結(jié)溫限制下，變換器的最大安全運(yùn)行電流設(shè)為開(kāi)關(guān)模式切換的閾值電流。該閾值電流一般通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得，并作為固定值輸入開(kāi)關(guān)模式切換控制器中。然而，在器件老化進(jìn)程中其熱阻是不斷攀升的［21-22］，這使得在相同工況下老化后期的器件更容易超過(guò)限制結(jié)溫，進(jìn)而導(dǎo)致閾值電流發(fā)生偏移。此時(shí)若仍根據(jù)混合器件初始健康狀態(tài)時(shí)的閾值電流進(jìn)行模式切換，將會(huì)給變換器的可靠運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文首先建立了適用于單相逆變器的混合器件損耗模型，并基于此分析了混合器件疲勞老化對(duì)逆變器最大安全運(yùn)行電流的影響。然后提出了一種考慮混合器件全壽命周期下的逆變器安全工作區(qū)刻畫(huà)方法，并根據(jù)該安全工作區(qū)設(shè)計(jì)了面向混合器件不同老化區(qū)間的多開(kāi)關(guān)模式主動(dòng)切換策略。通過(guò)在不同老化程度下動(dòng)態(tài)調(diào)整開(kāi)關(guān)模式切換策略，可以保證全壽命周期內(nèi)逆變器運(yùn)行的可靠性。

1 基于混合器件的單相逆變器運(yùn)行機(jī)理與損耗特性分析

為進(jìn)行混合器件在逆變器中的熱可靠性分析與優(yōu)化，本文首先對(duì)單相逆變器的運(yùn)行機(jī)理與損耗特性進(jìn)行分析，來(lái)建立混合器件的損耗模型。

1.1 混合器件單相逆變器工作模態(tài)分析

基于Si／SiC 混合器件的單相全橋逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中：Udc為逆變器直流側(cè)電壓；IF為負(fù)載電流；L、C、R分別為交流側(cè)濾波電感、濾波電容和負(fù)載；Io為輸出電流；Ton_delay、Toff_delay分別為SiC MOSFET 開(kāi)通、關(guān)斷延時(shí)；Tcond_MOS為SiC MOSFET 中斷導(dǎo)通時(shí)間；VG_MOS、VG_IGBT分別為SiC MOSFET 和Si IGBT的驅(qū)動(dòng)電壓。

圖1 基于Si／SiC混合器件的單相全橋逆變器拓?fù)浼盎旌掀骷Ｓ瞄_(kāi)關(guān)模式Fig.1 Topology of single-phase full-bridge inverter based on Si／SiC hybrid switch and common modes of hybrid switch

混合器件具有靈活的開(kāi)關(guān)模式，根據(jù)控制目標(biāo)主要分為最小損耗控制和結(jié)溫平衡控制兩大類(lèi)，其對(duì)應(yīng)的典型開(kāi)關(guān)模式如圖1中的開(kāi)關(guān)模式1、2所示。開(kāi)關(guān)模式1 為基于可變關(guān)斷延時(shí)的最小損耗開(kāi)關(guān)模式，通過(guò)控制SiC MOSFET開(kāi)通延時(shí)Ton_delay和關(guān)斷延時(shí)Toff_delay，令Si IGBT 零電壓開(kāi)通與關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)減小損耗的目標(biāo)。開(kāi)關(guān)模式2 為基于導(dǎo)通時(shí)變的結(jié)溫平衡開(kāi)關(guān)模式，通過(guò)控制SiC MOSFET 中斷導(dǎo)通時(shí)間Tcond_MOS，將部分導(dǎo)通損耗轉(zhuǎn)移給Si IGBT，實(shí)現(xiàn)SiC MOSFET與Si IGBT結(jié)溫平衡的目標(biāo)。

根據(jù)Si IGBT 以及SiC MOSFET 體二極管的拐點(diǎn)電壓，逆變器每個(gè)基波周期內(nèi)混合器件的導(dǎo)通情況可分4個(gè)階段，示意圖見(jiàn)附錄A圖A1。

階段1：負(fù)載電流IF小于Si IGBT 開(kāi)通臨界電流Ith，此時(shí)僅SiC MOSFET導(dǎo)通。

階段2：負(fù)載電流IF大于Ith，混合器件內(nèi)部SiC MOSFET和Si IGBT共同導(dǎo)通。

階段3：負(fù)載電流反向時(shí)，由SiC MOSFET 實(shí)現(xiàn)續(xù)流功能，由于IF小于體二極管開(kāi)通臨界電流Ith-BD，體二極管不導(dǎo)通，所以僅SiC MOSFET 的導(dǎo)電溝道導(dǎo)通。

階段4：負(fù)載電流IF大于體二極管開(kāi)通臨界電流Ith-BD，此時(shí)SiC MOSFET 導(dǎo)電溝道和體二極管共同導(dǎo)通。

由于混合器件開(kāi)關(guān)頻率較高，負(fù)載電流基波周期遠(yuǎn)大于器件開(kāi)關(guān)周期，所以在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)負(fù)載電流變化微小，可以近似認(rèn)為保持不變?；诖?，本文對(duì)單相逆變器中開(kāi)關(guān)周期內(nèi)混合器件的損耗模型進(jìn)行構(gòu)建。

1.2 適用單相逆變器的混合器件損耗模型構(gòu)建

單相逆變器中的混合器件損耗模型包括SiC MOSFET 和Si IGBT 的導(dǎo)通損耗模型以及開(kāi)關(guān)損耗模型。結(jié)合1.1 節(jié)分析結(jié)果，本文以開(kāi)關(guān)模式1 為例分析計(jì)算單相逆變器中混合器件的損耗，其余開(kāi)關(guān)模式的分析方法類(lèi)似。具體模型構(gòu)建過(guò)程及損耗計(jì)算公式見(jiàn)附錄A式（A1）—（A19）。

2 計(jì)及混合器件全壽命周期的逆變器安全工作區(qū)刻畫(huà)

2.1 考慮混合器件熱限制的逆變器安全工作區(qū)設(shè)計(jì)原則分析

本文從考慮混合器件熱限制以及其老化程度的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)逆變器的安全工作區(qū)。

逆變器的安全工作區(qū)通常以其最大安全運(yùn)行電流為邊界，而該電流受內(nèi)部混合器件的最高限制結(jié)溫約束。參考數(shù)據(jù)手冊(cè)，器件運(yùn)行的限制結(jié)溫一般為150 ℃?；旌掀骷腥我黄骷Y(jié)溫超過(guò)此限制，都可能導(dǎo)致器件熱失效進(jìn)而影響逆變器運(yùn)行的可靠性。因此，設(shè)計(jì)逆變器安全工作區(qū)時(shí)必須考慮混合器件的熱限制。

此外，混合器件疲勞老化對(duì)傳熱路徑的破壞會(huì)引起熱量的累積，從而限制逆變器的最大運(yùn)行電流。因此本文將對(duì)器件疲勞老化下的熱參數(shù)變化規(guī)律開(kāi)展進(jìn)一步的探索與分析。

2.2 老化進(jìn)程中熱參數(shù)變化規(guī)律解析

熱網(wǎng)絡(luò)模型被廣泛應(yīng)用于器件的熱分析中，混合器件的熱網(wǎng)絡(luò)模型見(jiàn)附錄B圖B1。

SiC MOSFET 的結(jié)-殼熱阻抗Zth_j-c_MOS以及Si IGBT 的結(jié)-殼熱阻抗Zth_j-c_IGBT使用Foster 熱阻抗網(wǎng)絡(luò)模型來(lái)等效，其表達(dá)式分別為：

式 中：Rth_MOS，i、Rth_IGBT，i以 及τMOS，i、τIGBT，i分 別 為SiC MOSFET、Si IGBT 第i階熱阻以及時(shí)間常數(shù)；n為Foster熱阻抗網(wǎng)絡(luò)模型階數(shù)。

在已知環(huán)境溫度和器件各自的損耗功率后，根據(jù)混合器件的熱網(wǎng)絡(luò)模型即可計(jì)算SiC MOSFET 和Si IGBT的結(jié)溫Tj_MOS和Tj_IGBT，計(jì)算公式分別為：

式中：Ploss_MOS以及Ploss_IGBT分別為SiC MOSFET 以及Si IGBT 的損耗功率；Zth_c-a為器件殼-環(huán)境的熱阻抗；Tambient為環(huán)境溫度。在器件老化過(guò)程中熱阻近似成指數(shù)級(jí)增大，結(jié)合器件結(jié)溫的計(jì)算公式可知，在最高結(jié)溫約束下，相比于初始健康狀態(tài)，混合器件老化后期逆變器的最大安全運(yùn)行電流將有所下降。即混合器件出廠健康狀態(tài)下的逆變器安全工作區(qū)將難以保證老化后期逆變器的安全運(yùn)行。因此設(shè)計(jì)混合器件逆變器的安全工作區(qū)時(shí)必須覆蓋器件的全壽命周期。

2.3 計(jì)及混合器件全壽命周期的逆變器安全工作區(qū)刻畫(huà)

2.3.1 考慮混合器件全壽命周期的逆變器安全工作區(qū)設(shè)計(jì)

由2.2 節(jié)分析可知器件的熱阻隨老化程度加深而逐漸增大，所以通過(guò)改變熱網(wǎng)絡(luò)模型的熱阻值可以模擬混合器件的不同老化狀態(tài)。文獻(xiàn)［22］定義熱阻增大50 % 為器件失效標(biāo)準(zhǔn)，與器件實(shí)際失效情況較為相符。因此，本文以SiC MOSFET和Si IGBT的結(jié)-殼熱阻增量從0 增加至50 %RthN（RthN為熱阻的額定值），對(duì)混合器件的全壽命周期進(jìn)行完整覆蓋。針對(duì)不同老化程度，以SiC MOSFET和Si IGBT其中之一率先達(dá)到結(jié)溫最大限值150 ℃ 時(shí)的電流峰值作為最大安全運(yùn)行電流，進(jìn)行混合器件全壽命周期的逆變器安全工作區(qū)的設(shè)計(jì)。

2.3.2 安全工作區(qū)刻畫(huà)流程

本文設(shè)計(jì)了具有通用性的混合器件全壽命周期逆變器安全工作區(qū)刻畫(huà)流程，如圖2所示。

1）首先通過(guò)數(shù)值迭代方法對(duì)器件結(jié)溫進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算。設(shè)置環(huán)境溫度和逆變器負(fù)載電流IF后，通過(guò)損耗模型計(jì)算出SiC MOSFET 和Si IGBT 各開(kāi)關(guān)周期的平均損耗Ploss_MOS和Ploss_IGBT，再結(jié)合混合器件的熱網(wǎng)絡(luò)模型迭代計(jì)算出器件最終穩(wěn)態(tài)結(jié)溫Tj_MOS、Tj_IGBT。以第k個(gè)開(kāi)關(guān)周期的混合器件結(jié)溫為例，具體計(jì)算公式分別為：

式中：ΔT和ΔT分別為SiC MOSFET 和SiIGBT 第k個(gè)開(kāi)關(guān)周期的結(jié)-殼之間的溫差；ΔT和ΔT分別為SiC MOSFET 和Si IGBT 第k個(gè)開(kāi)關(guān)周期殼-環(huán)境之間的溫差。

當(dāng)前時(shí)刻的溫差需要利用前一個(gè)開(kāi)關(guān)周期的溫差進(jìn)行計(jì)算，以SiC MOSFET 第k個(gè)開(kāi)關(guān)周期結(jié)-殼之間的溫差為例，計(jì)算公式為：

式中：Tsw為混合器件開(kāi)關(guān)周期。

2）下一步以器件最大結(jié)溫150 ℃ 為限制條件，利用二分法尋找逆變器的最大安全運(yùn)行電流。先設(shè)定初始負(fù)載電流取值范圍為分別為初始負(fù)載電流最小、最大值），取中間值開(kāi)始進(jìn)行區(qū)間刻畫(huà)。若穩(wěn)態(tài)時(shí)2個(gè)器件的最高結(jié)溫Tj_max不等于（150±ε） ℃（ε為計(jì)算精度），則更新下一循環(huán)的電流區(qū)間分別為第1次循環(huán)后負(fù)載電流最小、最大值）為或，并繼續(xù)取中間值開(kāi)展結(jié)溫計(jì)算；當(dāng)Tj_max等于（150±ε） ℃，則認(rèn)為此時(shí)負(fù)載電流為逆變器所能承受的最大電流。

3）最后通過(guò)不斷更新熱網(wǎng)絡(luò)模型中器件的熱阻值來(lái)模擬不同老化狀態(tài)，重復(fù)尋找逆變器的最大安全運(yùn)行電流。老化模擬循環(huán)結(jié)束后，即可刻畫(huà)出混合器件全壽命周期內(nèi)的逆變器安全工作區(qū)。

2.3.3 針對(duì)多開(kāi)關(guān)模式的安全工作區(qū)刻畫(huà)

參考2.2.2 節(jié)所述的安全工作區(qū)刻畫(huà)流程，針對(duì)開(kāi)關(guān)模式1 與開(kāi)關(guān)模式2 分別刻畫(huà)其對(duì)應(yīng)的混合器件全壽命周期下的逆變器安全工作區(qū)，并對(duì)比分析不同開(kāi)關(guān)模式對(duì)安全工作區(qū)的影響。

開(kāi)關(guān)模式1 和開(kāi)關(guān)模式2 下逆變器全壽命周期安全工作區(qū)的刻畫(huà)結(jié)果見(jiàn)附錄B 圖B2。在開(kāi)關(guān)模式1 下，隨著SiC MOSFET 老化程度的增加，逆變器的最大安全運(yùn)行電流逐漸減小，而Si IGBT 的疲勞老化對(duì)其影響較小。在開(kāi)關(guān)模式2 下，逆變器的最大安全運(yùn)行電流則受到SiC MOSFET 和Si IGBT 老化程度的共同影響，在混合器件整個(gè)老化進(jìn)程中呈下降趨勢(shì)。

由于Si IGBT 的老化對(duì)開(kāi)關(guān)模式1 下安全工作區(qū)影響極小，因此以下分析中將Si IGBT 的熱阻標(biāo)準(zhǔn)化值設(shè)為1 p.u.，SiC MOSFET 的熱阻標(biāo)準(zhǔn)化值從1 p.u.變化到1.5 p.u.，對(duì)開(kāi)關(guān)模式1 和開(kāi)關(guān)模式2 下逆變器的三維安全工作區(qū)進(jìn)行二維映射，以進(jìn)一步分析SiC MOSFET 老化程度對(duì)安全工作區(qū)的影響。

由文獻(xiàn)［22］可知，在器件全壽命周期內(nèi)其熱阻增長(zhǎng)速率會(huì)出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)：熱阻增量［0，0.5 %RthN］為線性增長(zhǎng)階段，此時(shí)器件處于健康狀態(tài)；熱阻增量（0.5 %RthN，50 %RthN］為加速老化階段，該區(qū)間內(nèi)器件處于非健康狀態(tài)。因此，本文以熱阻增量0.5 %RthN為拐點(diǎn)對(duì)安全工作區(qū)進(jìn)行切分。

綜合上述分析可知，逆變器的安全工作區(qū)隨著混合器件的老化而動(dòng)態(tài)收窄，將開(kāi)關(guān)模式切換閾值電流看作固定值的傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)策略也不再適用。因此，本文將考慮混合器件老化程度對(duì)多開(kāi)關(guān)模式切換策略進(jìn)行重新設(shè)計(jì)與規(guī)劃。

3 面向逆變器安全工作區(qū)的混合器件多開(kāi)關(guān)模式主動(dòng)切換策略

結(jié)合2.3.3 節(jié)的逆變器安全工作區(qū)刻畫(huà)結(jié)果，以紅色虛線即開(kāi)關(guān)模式1 下混合器件初始熱阻時(shí)的最大安全電流為額定負(fù)載，安全工作區(qū)與負(fù)載工況的對(duì)應(yīng)關(guān)系圖見(jiàn)附錄C圖C1。

由圖可知，開(kāi)關(guān)模式1 下逆變器的安全工作區(qū)間隨著混合器件的老化逐漸收縮到額定負(fù)載以內(nèi)；而開(kāi)關(guān)模式2 下逆變器的安全工作區(qū)不論何種老化情況均大于額定負(fù)載。因此通過(guò)多開(kāi)關(guān)模式切換的方式可以使逆變器具備在混合器件全壽命周期內(nèi)適應(yīng)不同工況的能力。由于器件的老化進(jìn)程會(huì)出現(xiàn)1個(gè)明顯的拐點(diǎn)，本文將針對(duì)混合器件健康和非健康狀態(tài)對(duì)多開(kāi)關(guān)模式切換策略進(jìn)行全面設(shè)計(jì)。

3.1 混合器件健康狀態(tài)下多開(kāi)關(guān)模式切換思路分析

選取Si IGBT 熱阻標(biāo)準(zhǔn)化值為1，SiC MOSFET熱阻標(biāo)準(zhǔn)化值作為變量，健康狀態(tài)下開(kāi)關(guān)模式1 和開(kāi)關(guān)模式2 的二維安全工作區(qū)如圖4 所示。圖中：IF_N為額定工作點(diǎn)下的負(fù)載電流；紅色虛線以下即為健康狀態(tài)時(shí)開(kāi)關(guān)模式1 和開(kāi)關(guān)模式2 對(duì)應(yīng)的逆變器安全工作區(qū)；陰影部分對(duì)應(yīng)的是開(kāi)關(guān)模式1 下逆變器最大安全運(yùn)行電流因器件老化而縮減的部分。以額定工作點(diǎn)為基準(zhǔn)，健康狀態(tài)下的安全工作區(qū)基本無(wú)變化。

圖4 健康狀態(tài)下開(kāi)關(guān)模式切換策略Fig.4 Mode switching strategy under healthy state

因此健康狀態(tài)下的開(kāi)關(guān)模式切換思路為：當(dāng)逆變器工作在區(qū)域A 對(duì)應(yīng)的額定及以下功率時(shí)，混合器件采用開(kāi)關(guān)模式1 運(yùn)行，確保逆變器的最高工作效率；而當(dāng)逆變器因過(guò)載工作在區(qū)域B 時(shí)，需將混合器件切換至開(kāi)關(guān)模式2運(yùn)行，利用開(kāi)關(guān)模式2更大的安全工作區(qū)平衡混合器件內(nèi)部的熱應(yīng)力，進(jìn)而提升逆變器的極限輸出能力。

3.2 混合器件非健康狀態(tài)下多開(kāi)關(guān)模式切換思路分析

隨著老化進(jìn)程的不斷加深，混合器件將由健康狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉墙】禒顟B(tài)。雖然非健康狀態(tài)只占據(jù)器件壽命的較小一部分，但是熱阻在該區(qū)間內(nèi)迅速增大。此時(shí)熱阻變化對(duì)逆變器安全工作區(qū)的影響不可忽略，需根據(jù)不同的工況進(jìn)行開(kāi)關(guān)模式切換。非健康狀態(tài)下開(kāi)關(guān)模式1 和開(kāi)關(guān)模式2 的二維安全工作區(qū)如圖5 所示。圖中：紅色虛線上方即為非健康狀態(tài)下開(kāi)關(guān)模式1 和開(kāi)關(guān)模式2 對(duì)應(yīng)的安全工作區(qū)。區(qū)域C 為開(kāi)關(guān)模式1 下的安全工作區(qū)，且隨著熱阻的不斷增加安全邊界呈現(xiàn)收窄趨勢(shì)；區(qū)域D 是開(kāi)關(guān)模式1 下受器件老化影響所減小的安全工作區(qū)范圍；區(qū)域E 則是開(kāi)關(guān)模式2 對(duì)應(yīng)的安全工作區(qū)，其變化趨勢(shì)同開(kāi)關(guān)模式1相似。

圖5 非健康狀態(tài)下開(kāi)關(guān)模式切換思路Fig.5 Mode switching strategy under unhealthy state

根據(jù)以上分析可以將非健康狀態(tài)下混合器件的模式切換思路分為以下幾種情況。

1）逆變器輕中載運(yùn)行。此時(shí)逆變器工作在區(qū)域C，混合器件采用開(kāi)關(guān)模式1運(yùn)行可使逆變器的工作效率最大化。

2）逆變器額定負(fù)載運(yùn)行。此時(shí)逆變器工作在區(qū)域D，然而受器件老化影響，開(kāi)關(guān)模式1 下逆變器的安全工作區(qū)已經(jīng)收縮到區(qū)域C，混合器件易突破結(jié)溫限制而導(dǎo)致熱失效。此時(shí)混合器件應(yīng)主動(dòng)切換到開(kāi)關(guān)模式2 運(yùn)行，通過(guò)調(diào)節(jié)混合器件的中斷導(dǎo)通時(shí)間將安全工作區(qū)擴(kuò)大至區(qū)域D，確保逆變器依然具有輸出額定功率的能力。

3）逆變器過(guò)載運(yùn)行。此時(shí)負(fù)載電流值進(jìn)入?yún)^(qū)域E，混合器件面臨熱失效風(fēng)險(xiǎn)，此時(shí)應(yīng)主動(dòng)切換至開(kāi)關(guān)模式2運(yùn)行，以提高逆變器的過(guò)載能力。

3.3 面向逆變器安全工作區(qū)的混合器件多開(kāi)關(guān)模式切換流程與方案

結(jié)合健康狀態(tài)和非健康狀態(tài)時(shí)的開(kāi)關(guān)模式切換思路，本文基于逆變器安全工作區(qū)設(shè)計(jì)出附錄C 圖C2所示的多開(kāi)關(guān)模式主動(dòng)切換流程。

老化進(jìn)程判斷模塊采用瞬態(tài)熱阻抗法對(duì)器件熱阻進(jìn)行監(jiān)測(cè)。測(cè)量時(shí)通入加熱電流使器件達(dá)到熱穩(wěn)態(tài)，再切除電流后利用溫敏參數(shù)法測(cè)得結(jié)-殼降溫曲線，進(jìn)而計(jì)算出器件的熱阻參數(shù)。然后根據(jù)當(dāng)前環(huán)境溫度和熱阻信息，結(jié)合全壽命周期安全工作區(qū)給出對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)模式切換條件。針對(duì)混合器件健康狀態(tài)和非健康狀態(tài)下具體的開(kāi)關(guān)模式切換過(guò)程見(jiàn)附錄C。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

采用1 200 V／25 A的Si IGBT（IGW25N120H3）與1 200 V／12.5 A 的SiC MOSFET（C2M0160120D）并聯(lián)組成的混合器件，搭建了相應(yīng)的單相逆變器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如附錄D 圖D1 所示，對(duì)本文所提混合器件全壽命周期內(nèi)的逆變器安全工作區(qū)及多開(kāi)關(guān)模式切換策略進(jìn)行驗(yàn)證。

4.1 考慮混合器件全壽命周期的逆變器安全工作區(qū)準(zhǔn)確性驗(yàn)證

首先驗(yàn)證混合器件全壽命周期內(nèi)逆變器安全工作區(qū)的準(zhǔn)確性。在混合器件健康狀態(tài)下（=1 p.u.，=1 p.u.），選取工作點(diǎn)a1—e1，覆蓋開(kāi)關(guān)模式1 和開(kāi)關(guān)模式2 下逆變器安全工作區(qū)內(nèi)外及其邊界。在混合器件非健康狀態(tài)下（=1 p.u.，=1.3 p.u.），按照同樣思路選取工作點(diǎn)a2—e2，具體的工作點(diǎn)選取圖及各點(diǎn)數(shù)值大小見(jiàn)附錄D 圖D2。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得不同工作點(diǎn)下混合器件的最高運(yùn)行結(jié)溫，如圖6所示。

圖6 逆變器安全工作區(qū)準(zhǔn)確性驗(yàn)證結(jié)果Fig.6 Verification results of inverter safe operating area

混合器件健康狀態(tài)下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6 上圖所示。開(kāi)關(guān)模式1 下逆變器工作在點(diǎn)a1時(shí)，混合器件最高結(jié)溫在110 ℃ 左右，處于逆變器的安全工作區(qū)內(nèi)；逆變器工作在點(diǎn)b1時(shí)，混合器件最高結(jié)溫達(dá)到150 ℃，處于安全工作區(qū)邊界；后續(xù)工作點(diǎn)對(duì)應(yīng)的混合器件結(jié)溫均高于150 ℃，超出安全工作區(qū)范圍。而開(kāi)關(guān)模式2 下逆變器具有更大的安全工作區(qū)，直到負(fù)載電流增大到34.4 A 即點(diǎn)d1時(shí)，混合器件最高結(jié)溫才達(dá)到150 ℃。

混合器件非健康狀態(tài)下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6 下圖所示。開(kāi)關(guān)模式1 下逆變器工作在點(diǎn)a2時(shí)混合器件的最高結(jié)溫在120 ℃ 附近，處于安全工作區(qū)內(nèi)；逆變器工作在點(diǎn)b2時(shí)器件最高結(jié)溫逼近150 ℃，達(dá)到安全工作區(qū)的邊界，此時(shí)負(fù)載電流為30.5 A；工作點(diǎn)c2—e2則全部處于安全工作區(qū)外。開(kāi)關(guān)模式2 下逆變器在點(diǎn)d2時(shí)到達(dá)安全工作區(qū)邊界，此時(shí)負(fù)載電流為33.5 A，僅工作點(diǎn)e2超出了逆變器的安全工作區(qū)。

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果與選取的工作點(diǎn)位置相符，可以說(shuō)明本文所刻畫(huà)的逆變器安全工作區(qū)在混合器件健康狀態(tài)和非健康狀態(tài)都具有較高的準(zhǔn)確性。

4.2 面向逆變器安全工作區(qū)的多開(kāi)關(guān)模式主動(dòng)切換策略驗(yàn)證

下面將進(jìn)一步驗(yàn)證面向逆變器安全工作區(qū)的多開(kāi)關(guān)模式主動(dòng)切換策略的有效性。分別在混合器件健康和非健康狀態(tài)下選取工作點(diǎn)a3—c3、a4—d4，涵蓋所有開(kāi)關(guān)模式切換對(duì)應(yīng)的區(qū)域，具體的工作點(diǎn)選取圖及各點(diǎn)數(shù)值大小見(jiàn)附錄D 圖D3。根據(jù)所選取的工作點(diǎn)，對(duì)不同開(kāi)關(guān)模式切換策略的實(shí)際工作效果進(jìn)行測(cè)試，然后記錄混合器件的運(yùn)行結(jié)溫以及逆變器的最大輸出功率。

混合器件健康狀態(tài)下，采用開(kāi)關(guān)模式1 和本文所提多開(kāi)關(guān)模式切換策略的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖7 所示。由圖7（a）可知：混合器件健康狀態(tài)下，僅采用開(kāi)關(guān)模式1 時(shí)，當(dāng)工作點(diǎn)由a3切換到b3后，逆變器工作在區(qū)域A 邊界，混合器件會(huì)因?yàn)镾iC MOSFET 過(guò)溫而觸發(fā)保護(hù)，此時(shí)逆變器的最大輸出功率不足7 084 W。由于混合器件健康狀態(tài)階段安全工作區(qū)變化較小，因此傳統(tǒng)多開(kāi)關(guān)模式切換策略與本文所提多開(kāi)關(guān)模式切換策略基本一致。由圖7（b）可知：采用本文所提多開(kāi)關(guān)模式切換策略時(shí)，當(dāng)工作點(diǎn)由a3切換到b3后，混合器件將主動(dòng)切換到開(kāi)關(guān)模式2運(yùn)行；當(dāng)工作點(diǎn)切換到c3時(shí)，負(fù)載電流到達(dá)區(qū)域B 的邊界，此時(shí)混合器件結(jié)溫接近150 ℃，逆變器的最大輸出功率提高到7 580 W。

圖7 混合器件健康狀態(tài)下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Experimental results of hybrid switch under healthy state

混合器件非健康狀態(tài)下，采用傳統(tǒng)多開(kāi)關(guān)模式切換策略和本文所提多開(kāi)關(guān)模式切換策略的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖8 所示。由圖8（a）可知：采用傳統(tǒng)多開(kāi)關(guān)模式切換策略時(shí)，當(dāng)逆變器工作點(diǎn)由a4切換到b4后，逆變器工作在區(qū)域C 邊界，此時(shí)SiC MOSFET 已經(jīng)達(dá)到150 ℃ 限制結(jié)溫，觸發(fā)了過(guò)熱保護(hù)。結(jié)合逆變器安全工作區(qū)刻畫(huà)結(jié)果可知，非健康狀態(tài)下傳統(tǒng)策略所設(shè)定的模式切換閾值電流失效，導(dǎo)致逆變器無(wú)法維持原額定功率運(yùn)行。由圖8（b）可知：采用本文所提多開(kāi)關(guān)模式切換策略時(shí)，當(dāng)逆變器工作點(diǎn)從a4切換到b4后，混合器件會(huì)主動(dòng)切換到開(kāi)關(guān)模式2運(yùn)行，其熱可靠性得到了有效保障；當(dāng)工作點(diǎn)切換到c4時(shí)，逆變器仍然可以維持額定輸出功率7 084 W；直到切換到工作點(diǎn)d4，負(fù)載電流到達(dá)區(qū)域E 的邊界，此時(shí)逆變器的極限輸出功率為7 370 W。

圖8 混合器件非健康狀態(tài)下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Experimental results of hybrid switch under unhealthy state

與傳統(tǒng)多開(kāi)關(guān)模式切換策略相比，本文所提策略使得逆變器在混合器件非健康狀態(tài)時(shí)仍然可以維持額定功率運(yùn)行，且極限輸出功率約提升了9.84 %，其在混合器件全壽命周期內(nèi)的可靠性得到了有效保障。

5 結(jié)論

本文基于老化進(jìn)程中混合器件的熱參數(shù)變化規(guī)律，設(shè)計(jì)出一套考慮器件不同老化程度的逆變器安全工作區(qū)刻畫(huà)流程；通過(guò)對(duì)不同開(kāi)關(guān)模式下安全工作區(qū)的分析，提出一種基于混合器件逆變器全壽命周期安全工作區(qū)的多開(kāi)關(guān)模式主動(dòng)切換策略。得到了以下結(jié)論。

1）以逆變器所能承受的最大安全運(yùn)行電流為邊界的安全工作區(qū)受混合器件疲勞老化影響，在整個(gè)老化進(jìn)程中呈現(xiàn)收縮趨勢(shì)。

2）以實(shí)現(xiàn)效率最優(yōu)為目標(biāo)的開(kāi)關(guān)模式1 運(yùn)行下，逆變器的安全工作區(qū)大小主要受SiC MOSFET結(jié)溫限制，且會(huì)在混合器件老化后期收縮到額定負(fù)載電流以下。

3）在以實(shí)現(xiàn)結(jié)溫平衡為目標(biāo)的開(kāi)關(guān)模式2 下，逆變器的安全工作區(qū)覆蓋范圍更廣，即使在老化后期仍然具有輸出額定功率的能力。

4）與傳統(tǒng)多開(kāi)關(guān)模式切換策略相比，本文所提方法在混合器件非健康狀態(tài)下，依然可以在額定負(fù)載時(shí)保持逆變器不降額運(yùn)行；而在過(guò)載時(shí)增大逆變器的最大功率輸出能力，降低器件過(guò)熱風(fēng)險(xiǎn)，可以實(shí)現(xiàn)混合器件全壽命周期內(nèi)逆變器的可靠運(yùn)行。

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