首页 > 学术百科

科创-低温电力电子

一面向MOSFET开关器件的低温性能测试平台

忍耐是一种美丽1) 研究目标

本项目旨在开发一套面向MOSFET开关器件的低温性能测试平台，并依此设计基于低温电力电子技术的低温直流斩波器实用电路方案，为具有高效、节能的电力电子技术奠定一定的实验基础和技术参考。

2) 研究内容

a) 以英飞凌公司生产的最新MOSFET产品为研究对象，开发一套低温性能测试平台，对低温电力电子技术进行相关实验验证。

b) 根据实验测试获得的低温性能规律，设计基于低温电力电子的低温直流斩波器实用电路方案。

3) 研究方案

a) 如图1所示，低温性能测试平台核心部件包括：MOSFET测试架，MOSFET开关驱动电路，

测试电源，温度测量仪，数字万用表，LabVIEW测量和控制软件，等。其中，MOSFET测试架将实现连续调节MOSFET表面的环境温度的目的，从而实现测试在不同的环境温度下的MOSFET开关性能。

b) 低温直流斩波器实用电路方案包括：升压电路，降压电路，升降压电路 (极性反转)，升降压电路 (极性不变)。以上四种电路方案的本质为引入低温MOSFET来代替常规直流斩波器的二极管，并利用数字化控制方案，以实现更高的运行效率。

图1 MOSFET低温性能测试平台的原理框图

4) 拟解决的关键问题

解决在连续调节MOSFET环境温度的同时，实时监测MOSFET导通电阻的精确测量问题。三聚氰胺

二基于低温MOSFET的低温直流斩波器实用电路方案

1 传统升降压型直流斩波器的缺陷分析

受到自身结构材料和PN结构特征的影响，功率二极管存在一个固定的导通电压降。在功率二极管两端施加电压时，当实际电压达到一个固定导通电压降Ud时，功率二极管才开始导通，并产生相应的工作电流I。由于功率二极管通常工作于大电流状态，在电流值达到额定电流时，其工作电压降一般在1.0-2.0V之间。如图1所示，功率二极管的工作电流和工作电压的相互关系如下：U= Ud + I × Rd，其中，Rd为功率二极管的等效导通电阻。与功率二极管的导通特性不同的是，MOSFET仅仅存在一个导通电阻Rm，其工作电流和工作电压的相互关系如下：U= I × Rm。这样，如果MOSFET的实际导通电阻足够小，其导通损耗功率将会远远小于功率二极管。成都制药一厂

图1 MOSFET及二极管的电压-电流关系曲线

如图2所示，以英飞凌公司生产的N沟道MOSFET管IPB009N03L的工作电流100A为例，其自带的二极管的功率损耗约为200 W，而可控功率开关管MOSFET渗透压仪的等效通态电阻已达到1 mΩ级别，其通态功率损耗约为10 W。因此，在低压大电流工作场合的前提下，采用MOSFET代替功率二极管可以在很大程度上减小电感充放电的功率损耗，提高整个系统的运行效率。

图2 MOSFET及其反向续流二极管的运行损耗功率曲线

2 新型升降压型直流斩波器的电路改进

如图3所示，新型升降压型斩波器主要包括2只MOSFET S1、S2，1只二极管D2，能量缓冲电感器L，能量缓冲电容C，负载电阻R。与传统斩波器不同的是，其在二极管D2的两端，新增了一个并联的MOSFET。利用MOSFET的低导通损耗特性，可以大大降低整个电路的运行损耗。需要说明的是，N沟道的MOSFET具有双向电流流通特性，可以通过正向或反向工作电流。

其基本电路运行原理如下：

1) 当S1闭合时，电源U通过S1，与能量缓冲电感器L形成闭合充电回路，电感电流I(t)上升，如图4所示；

2) 当S1断开时，能量缓冲电感器L通过D2，与能量缓冲电容C及负载电阻R形成闭合放电回路，电感电流下降，负载电压上升，如图5缪里森所示；

3) 经过一个短暂的时间延迟后，再闭合S2，从而使能量缓冲电感器L通过S2，与能量缓冲电容C及负载电阻R形成闭合放电回路，电感电流下降，负载电压上升，如图6所示；

4) 当负载电压U(t)上升至设定的参考值Uref时，S2断开，能量缓冲电感器L再次通过D2，与能量缓冲电容C及负载电阻R形成闭合放电回路，电感电流下降，负载电压上升，如图5所示；

5) 经过一个短暂的时间延迟后，S1重新闭合，电源U通过S1，与能量缓冲电感器L形成闭合充电回路，电感电流I(t)上升，如图4所示。

图3 改进后的升降压型直流斩波器

图4 能量缓冲电感器在充电运行状态时的电路图

图5 能量缓冲电感器在放电运行暂态时的电路图

图6 能量缓冲电感器在放电运行稳态时的电路图

图7和图8分别给出了整个运行过程中的负载电压波形图和电感电流波形图。如此反复，则可以将负载电压U(t)维持在设定的电压范围Ud-Up内，实现从固定电压的电源至负载电阻的升降压直流电能变换。需要指出的是：在t2时刻至t22时刻之间的时间区域，即是电感器L通过二极管D2与缓冲电容C、负载电阻R形成放电回路的暂时运行状态。

图7 负载电压波形图

图8 电感电流波形图

为实现对上述两个MOSFET进行控制，实现电感能量存储与释放，本文采用数字化方案定义不同系统工作状态。引入一种把升降压型直流斩波电路“数字化”的概念，用以简化分析电路工作流程，可为高效、高稳定性的控制奠定了一定基础。以“0”和“1”表示2个功率开关的逻辑状态，“00 - 11”为S葫芦资料1-S2的逻辑状态组合。表1给出了系统运行状态及对应的数字化控制状态。具体流程如下：

(1) 从复位状态（00）到充电状态（10）：“00→10”，闭合S1，电源U、S1和L形成充电回路；

(2) 从充电状态（10）到放电状态暂态（00）：“10→00”，断开S1，负载R、D2和L形成放电回路；

(3) 从放电状态暂态（00）到放电状态稳态（01）：“00→01”，闭合S2，负载R、S2和L形成放电回路；

(4) 从放电状态稳态（01）到放电状态暂态（00）：“01→00”，断开S2，负载R、D2和L形

成放电回路；

(5) 从放电状态暂态（00）到充电状态（10）：“00→10”，闭合S1，电源U、S1和L形成充电回路。

表1 系统运行状态及对应的数字化控制状态

系统运行状态	S1开关	S2开关	数字化状态
初始状态	断开	断开	00
电感充电状态	闭合	断开	10
电感放电暂态	断开	断开	00
电感放电稳态	断开	闭合	01