[发明专利]一种基于有限元仿真的多并联开关器件均流优化设计方法

说明书

本发明涉及多器件大功率MOS管的并联均流问题，提出一种基于有限元仿真的多并联开关器件均流优化设计方法。所述多并联开关器件包括：驱动模块、第一个开关管器件、第二个开关管器件、…、第n个开关管器件。人工设定驱动模块与开关器件之间的走线的长度，根据第一个开关管器件、第二个开关管器件、…、第n个开关管器件之间结构对称原则，通过Altium Designer软件设计电路板；确定优化的目标寄生电感值；设定要求误差；结合目标寄生电感值计算初始化驱动模块与开关器件之间的走线的宽度，通过有限元仿真多次迭代优化驱动模块与开关器件之间的走线的宽度。本发明获取的仿真寄生参数准确性高，且有效减小了寄生参数；有效的减小并联不均流，提高系统稳定性。

技术领域

本发明涉及多开关器件并联均流设计领域，尤其涉及一种基于有限元仿真的多并联开关器件均流优化设计方法。

背景技术

近年来，随着电力电子技术的快速发展，对于功率器件的要求越来越高，SiCMOSFET与传统的Si MOSFET相比有更高的开关速度、更低的通态损耗和更高的阻断电压等诸多优点，可以提高系统效率，减小设备体积进而提高设备的功率密度。但是由于目前的工艺水平以及特定需求下成本等的限制，单个SiC MOSFET的通流能力有限，无法满足大功率场合的要求，常常需要将多个SiC MOSFET并联使用，这种并联应用的方案在电机控制与逆变器等领域均有广泛应用。但是，由于并联器件在回路中参数不一致，往往会使各个支路的电流不均衡，这种电流不均衡会对器件造成不容忽视的危害，主要体现在并联器件损耗差异性、器件的电流和电压应力差异性以及开关速度的差异性，这些差异会使某一单个器件长时间工作在损耗和应力过大的工况下而损坏，进而对其他并联的器件以及整个系统带来危害。

这种电流不均衡主要分为静态不均流和动态不均流，导致动态不均流的主要因素有器件自身参数不一致、驱动回路寄生电感不同与温度特性影响等。其中，驱动电路对于并联器件的动态均流起着至关重要的作用，驱动回路中栅极驱动电阻与寄生电感会影响支路间驱动信号的不一致，会导致先开通的开关管承受过电流，可能损坏开关管。常规的设计方案是要求各开关管的驱动回路和主回路都严格对称/等长布置，在多器件并联电路板的布局中，首先，要确保开关管主功率回路的去耦合回路的阻抗最小且各并联开关管之间结构对称，在开关管主功率回路对称的基础之上，各并联开关管的驱动回路很难做到结构对称，这就给多管并联带来设计困难。为解决这一难题，本发明提出基于有限元仿真的多并联开关器件均流优化设计方法。

发明内容

为了解决上述背景技术的难题，本发明提出了基于有限元仿真的多并联开关器件均流优化设计方法。通过有限元仿真分析，得出各个驱动回路的寄生电感值，并根据寄生电感经验表达式对走线布局进行调整，使得各支路在结构不对称(驱动线的宽度及长度不相等)的情况下实现电气特性对称(寄生电感相等)，进而实现各并联开关管的动态均流。

本发明的技术方案为一种基于有限元仿真的多并联开关器件均流优化设计方法。

所述多并联开关器件包括：驱动模块、第一个开关管器件、第二个开关管器件、...、第n个开关管器件；

所述驱动模块与所述第i个开关管器件通过走线连接，i∈[1,n]；

所述多个开关管器件并联连接；

所述驱动回路i为驱动模块与第i个开关管通过导线连接形成的回路；

所述各个驱动回路寄生电感值L_i为同一频率f下的值；

所述基于有限元仿真的多并联开关器件均流优化设计方法，包括以下步骤：

步骤1：人工设定驱动模块与开关器件之间的走线的长度，根据第一个开关管器件、第二个开关管器件、...、第n个开关管器件之间结构对称原则，通过Altium Designer软件设计电路板；

步骤2：确定优化的目标寄生电感值；

步骤3：设定要求误差；