[发明专利]基于Si IGBT/SiC MOS混合并联器件的串联变换器及其故障运行控制方法

说明书

本发明公开了一种基于Si IGBT/SiC MOS混合并联器件的串联变换器及其故障运行控制方法，该变换器为半桥结构，上桥臂和下桥臂均由(n+r)个混合并联器件串联组成，其中n个器件维持正常运行，r个器件用作冗余，每个混合并联器件由a个SiC MOS和b个IGBT并联组成，每个IGBT/SiC MOS包含一个驱动器，变换器包含一个总的中央控制器，负责器件的驱动序列、状态监测和控制策略调整。若变换器中某一功率器件失效，故障运行控制策略能够在一个开关周期内判断失效的位置、上传变换器的运行状况，并采用控制策略维持正常运行。本发明提出的变换器兼顾高压大功率和高频高功率密度的优势，提出的故障控制策略可保证变换器在器件故障情况下继续正常运行，提升了系统的容错性。

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，尤其是涉及一种基于Si IGBT/SiC MOS混合并联器件的串联变换器及其故障运行控制方法，属于高压大功率变换器的技术领域。

背景技术

目前电力电子技术广泛应用于电机驱动、柔直和不间断电源等多个领域。工业应用对电力电子变换器的高压大功率需求越来越高，由于导通电阻、器件结构和生产工艺的约束，单个功率器件电压等级无法满足应用需要，因此在一些应用场合采用器件串联的方式提高电力电子变换器的电压等级，满足应用需求。与此同时，为了减小变换器的体积和重量，高效高功率密度成为电力电子变换器的发展趋势，而减小功率器件的损耗和增大功率器件的开关频率是实现高效高功率的有效途径。

由于Si IGBT开关损耗较大，基于Si IGBT的串联变换器可满足高压大功率的应用需求，但工作频率较低，无法满足高效高功率密度的发展趋势。与传统硅基器件相比，宽禁带半导体器件SiC MOSFET具有击穿电压高、开关损耗低、开关频率高、运行温度高等特点，基于SiC MOSFET的串联变换器既可满足高压大功率的应用需求，又可满足高效高功率密度的发展趋势，但由于衬底成本较高和外延工艺不够成熟，SiC MOSFET的成品率较低，器件价格较高，且芯片面积较小，过载及短路能力弱。不仅如此，目前的SiC MOSFET模块均采用焊接式封装工艺，功率芯片通过绑定线实现互连，失效后呈现出开路故障模式。基于SiCMOSFET的串联变换器中某一功率器件失效将造成整个变换器的停机，变换器可靠性低，大大降低了系统的容错率，增加了系统的后期维护成本。

综上，目前存在较大的问题为：现有技术中的串联变换器无法同时满足低开通损耗、低开关损耗、低成本、高过载和短路能力、高频的应用需求，且现有的串联变换器不具备故障运行能力，变换器中某个功率器件的失效将导致整个变换器停止运行，降低了系统的可靠性，提高维护成本并造成一定程度的经济损失。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种基于Si IGBT/SiC MOS混合并联器件的串联变换器及其故障运行控制方法，可兼具低开通损耗、低开关损耗、低成本、高过载和短路能力、高频等性能，并在变换器中功率器件故障失效的条件下维持变换器的正常运行，并向系统上传该变换器的健康状态，以便在系统停止工作时进行检修与维护，大大提高了系统的可靠性与容错率。

为此，本发明采用以下技术方案：