半桥功率转换器和用于半桥功率转换器的切换方法、及功率开关与流程

1.本发明涉及包括至少一个半桥的功率转换器，所述至少一个半桥包括两个开关，所述两个开关以互补方式从阻断到导通和从导通到阻断被驱动，并且本发明提出了一种改进的控制处理和系统，其消除了两个开关的换向(commutation)之间的死区时间(dead time)。


背景技术：

2.在功率转换器中，在开关转换之间使用两个开关都关闭的死区时间。这种死区时间的主要原因是为了避免控制电压因多种因素而交叠的风险，这些因素包括传播延迟、开启和关闭之间的不匹配、阈值电压在温度上的漂移等，从而导致能损坏器件的贯通电流。为了避免这种情况并确保死区时间期间的电流连续性，使用开关器件的续流二极管、开关器件(诸如mosfet情况下的体二极管)的固有反向能力或侧向氮化镓(gan)器件的第三象限传导能力。
3.虽然绝对必要，但死区时间期间的反向传导相位是转换器运行中的不利因素的原因。为了减少组件数量和相关成本，一些功率模块不配置反并联二极管，并且依赖于开关的反向能力。然而，这种本征二极管的切换性能或传导性能通常明显低于外部二极管(尤其是，肖特基势垒二极管)的切换性能或传导性能。因此，死区时间操作时间对转换器的损耗有重大影响。另一个问题是，不可能调整始终确保二极管不传导的死区时间。
4.此外，由于与死区时间相关的非线性，控制回路中也会产生一些失真。通过使用查找表，可以根据操作点实现智能控制方法来减少死区时间。然后尽可能地限制反向传导时间。同时，需要快速计算能力，通常成本更高。即使死区时间持续时间被优化，它仍然存在。
5.在功率转换器中，两个开关的快速精确控制是必不可少的。由于宽带隙器件(wbg)(诸如碳化硅(sic)或gan)的快速切换能力，切换频率的增加增加了对控制的限制。
6.通常实现的半桥配置要求死区时间，以避免交叉传导和贯通电流，如果控制不当，这可能导致显著的额外损耗，甚至对半导体的损坏。
7.在死区时间/自由转轮转变期间，半导体器件之一可以在反向传导模式下承载电流。然而，在反向传导模式下，可能会产生高损耗，这主要是由于体二极管的不良特性，例如高正向电压、反向恢复电荷。
8.为了缓解损耗问题，可以添加性能更好(较低的压降和零恢复电荷)的反并联二极管(例如，sic肖特基势垒二极管)，以便在死区时间内工作。然而，这是一种成本高昂的解决方案，通常会导致更大的系统(两个组件而不是一个组件)和由于互补接线而产生的附加杂散电感，即使反向恢复问题得到缓解，由于电容电荷导致仍然存在额外损耗。
9.本发明解决的问题：
10.本发明旨在减少死区时间持续时间，并且防止使用额外的快速和昂贵的二极管，并以成本有效的方式抵消贯通电流的出现。


技术实现要素：

11.本公开的目的是利用调整后的控制信号将功率半导体的死区时间和反向传导替换为半桥换向单元的两个开关都传导负载电流的时间段。为了实现这一点，通过调制并联的两个开关器件的栅极电压来控制转变期间的贯通电流。这种控制是基于传感器感测这种器件中的电流导数的。这些传感器的输出的组合被放大，以控制栅极电压，从而实现顺畅的换向，而无需任何器件的反向传导。
12.更准确地说，本公开提出了一种用于半桥功率转换器的切换方法，半桥功率转换器包括在所述转换器的支腿(leg)中的至少一对功率开关，所述至少一对功率开关提供上分支功率开关和下分支功率开关，并且所述半桥功率转换器包括用于所述上分支功率开关的第一栅极控制电路和用于所述下分支功率开关的第二栅极控制电路，其特征在于，所述切换方法包括以下步骤：
[0013]-在切换所述一对功率开关期间，感测所述上分支中的电流导数和所述下分支中电流导数，以提供与所述上功率开关中的功率电流的电流导数成正比的第一信号和与所述下功率开关中的功率电流的电流导数成正比的第二信号
[0014]-对所述第一信号和所述第二信号求和以提供求和后的电流导数信号以及
[0015]-将所述求和后的电流导数信号与所述第一栅极控制电路的功率开关命令信号和所述第二栅极控制电路的功率开关命令信号相加，使得求和后的导数信号调制所述栅极控制电路的栅极换向信号，从而通过减慢所述一对功率开关中的较快功率开关的换向，同时加速所述一对功率开关中的较慢开关的换向来均衡两个功率开关中的电流变化。
[0016]
这种方法允许减少换向死区时间，并且允许在这种换向中控制电流过冲(current overshoot)。
[0017]
在实现模式中：
[0018]
该方法可以包括在将所述求和后的电流导数信号与功率开关命令信号相加之前放大所述求和后的电流导数信号。
[0019]
可以利用单独的第一上传感器和第二上传感器来感测所述上分支中的电流导数，并且可以利用单独的第一下传感器和第二下传感器来感测该下分支中的电流导数，以提供与所述第一栅极控制电路的开关命令信号相加的第一求和后的电流导数信号、以及与所述第二栅极控制电路的开关命令信号相加的第二求和后的电流导数信号。
[0020]
这允许分支的命令电路的传感器彼此隔离。
[0021]
所述方法可以包括使所述第一求和后的电流导数参照所述上分支功率开关的下端的电压，并使所述第二求和后的电流导数参照所述下分支功率开关的下端的电压。需要具有浮动电源的上分支命令电路，因为mosfet开关的源极或上分支的双极开关的发射极处于取决于切换状态的可变电压。
[0022]
本发明还涉及一种半桥功率转换器，该半桥功率转换器包括：转换器的上分支上的上功率开关，所述上功率开关由第一栅极控制驱动器驱动；以及转换器的下分支上的下
功率开关，所述下功率开关由第二栅极控制驱动器驱动，其中，所述栅极控制驱动器均包括用于实现本公开的切换方法的电子电路，其中，所述电子电路对于所述上开关和下开关中的每个都包括在所述上分支上提供第一电流导数信号的至少第一电流导数传感器、在所述下分支上提供第二电流导数信号的至少第二电流导数传感器；调制和调节电路，其用于相加和放大所述第一电流导数信号和第二电流导数信号，以提供放大的求和后的导数信号；以及加法器，其用于将所述导数信号与所述第一栅极驱动器和所述第二栅极驱动器的命令信号相加。
[0023]
这种配置在换向期间提供开关的闭环控制，其不会影响开关在换向外的接通或断开状态。
[0024]
所述调制和调节电路可以通过电源供电，电源的中点是指电源作用于的功率开关的下端电压。
[0025]
这为每个电路提供独立的电源。
[0026]
每个所述调制和调节电路都位于每个功率开关的栅极控制驱动器的预驱动器电路部分之后和栅极缓冲器之前。
[0027]
所述电流导数传感器可以用罗戈夫斯基线圈(rogowski coil)制成。
[0028]
罗戈夫斯基线圈与分支导体隔离，并且提供足够的感测电流导数的信号。
[0029]
所述罗戈夫斯基线圈可以是位于功率开关的功率导体周围的环形罗戈夫斯基线圈。
[0030]
所述罗戈夫斯基线圈均在多层pcb的多个层中安排路线，多层pcb具有用于在垂直于所述pcb的方向上容纳功率导体的中心孔。
[0031]
在特定实施方式中，两个罗戈夫斯基线圈可以在上分支功率开关功率导体和/或下分支功率开关功率导体上交织。
[0032]
这提高了放置在上分支功率开关功率导体和下分支功率开关功率导体上的两个传感器的精度。
[0033]
在具体实施方式中，所述电流导数传感器可以是直罗戈夫斯基线圈，每个直罗戈夫斯基线圈在多层pcb的多个层中安排路线，并由功率导体轨道围绕，所述功率导体轨道沿着与所述线圈垂直的方向围绕所述平面线圈从所述pcb的上侧到下侧安排路线。
[0034]
这样的实施方式有助于减少布线并提供更紧凑的电路。
[0035]
两个直罗戈夫斯基线圈可以在上分支功率开关的功率导体上和/或下分支功率开关的功率导体上交织。
[0036]
本发明还应用于具有所公开的多个半桥转换器的转换器。
[0037]
下面将参考附图详细描述本发明的示例性实施方式。
附图说明
[0038]
图1是应用本公开的转换器的示意图。
[0039]
图2是利用本公开的系统的栅极控制的示意图。
[0040]
图3是根据本公开的换向的示例的图表。
[0041]
图4是本公开的加法器和放大器电路的示例。
[0042]
图5a是可应用的罗戈夫斯基线圈的一般示意图。
[0043]
图5b是本公开的罗戈夫斯基线圈的第一实施方式。
[0044]
图6a是本公开的罗戈夫斯基线圈的另一个实施方式的示意图。
[0045]
图6b是图6a中的双直罗戈夫斯基线圈的示意图。
具体实施方式
[0046]
以下描述基于mosfet应用，但是可以扩展到只需更改电极名称的任何单极(jfet、igfet、hemt)或双极晶体管(bjt或igbt)。
[0047]
图1是dc/dc转换器1的示意图，在具有dc电压源2和电容器3的半桥转换器的支腿中包括两个功率开关10，并且其中，电感负载20在支腿的上分支4中在dc电压源2的dc电压的高电位v
dc
线和完整支腿的中点之间与上功率开关10并联，并且其中，下功率开关在支腿的下分支5中位于完整支腿的中点与dc源的低电位之间。
[0048]
上功率开关由第一栅极控制电路12驱动，并且下功率开关11由第二栅极控制电路13驱动。
[0049]
根据本公开，以相同方向取向的两个电流导数传感器141、142位于上分支导体上，并且以相同方向取向的两个电流导数传感器151、152位于下分支5导体上。
[0050]
本公开的原理基于：
[0051]-感测换向期间流过上分支功率开关和下分支功率开关的电流导数和
[0052]-将上分支电流导数和下分支电流导数相加，放大得到的支腿导数电流
[0053]-根据传感器信号调制功率器件栅极电压，
[0054]
并完成换向。
[0055]
如有必要，还可以对来自电流导数传感器的信号进行滤波。
[0056]
该处理确保换向中的零死区时间，并使用：
[0057]-用于感测流过切换单元的每个器件的电流导数的装置；
[0058]-用于调节来自传感器的电流导数信号的装置；
[0059]-用于用这些电流导数信号之和调制功率器件栅极电压的装置。
[0060]
图2示出本公开的栅极控制电路12、13。上分支和下分支中的每个均有其自己的栅极控制电路。在每个栅极控制电路上，连接上分支的一个导数电流传感器141、142和下分支的一个电流导数传感器151、152。每个栅极控制电路包括预驱动器16，且在由上游电源v
dd1
、v
ee1
供电的控制器输入模块和由下游电源v
dd2x
、v
ee2x
供电的输出模块之间具有绝缘屏障。下游电源还为接收导数电流传感器输出的调制和调节电路18(也称为直通电路stc)和栅极控制电路供电。
[0061]
调制和调节电路18接收由上分支导数电流传感器和下分支导数电流传感器感测到的导数电流，并将其输出信号18a在混频器19处与预驱动器16输出信号16a混频，以提供通过栅极缓冲器17缓冲的命令信号17a，所述栅极缓冲器17连接到支路的功率开关的与栅极控制电路连接的栅极。
[0062]
根据不同信号的性质，调节和调制功能对于定义切换单元的上功率开关和下功率开关是相同的。然而，由于命令开关所需的电位不同(例如在图1中，上部mosfet开关电源的
电位高于下部mosfet开关电源的电位)，因此需要两个栅极控制电路12、13，每个栅极控制电路都具有上传感器141、142和下传感器151、152、预驱动器16、调制和调节电路18和栅极缓冲器17。电流导数传感器也是相同的，并且需要特别注意设计，以便能够将传感器插入电路中的相同位置，以确保两个功率器件的电流导数测量相同。
[0063]
本发明的详细操作将根据以下假设和关于图1的初始状态进行，其中认为mosfet器件10、11在切换单元中，符号包括本征体二极管和输出电容器coss。
[0064]
负载20连接在切换单元的中点和dc电压源2的高电位之间，负载电流被认为是正的，这意味着电流从正dc母线流向切换单元的中间节点，负载电流在转变时间范围内被认为是恒定的，上开关q1 10被认为是“接通的”，这意味着它正在传导负载电流，下开关q2 11被认为是“断开的”，这意味着它阻断了dc电压，没有电流流过它。
[0065]
下面的描述侧重于从q1传导/q2阻断到q1阻断/q2传导的转变，但应用于反向转变。
[0066]
根据图1和基尔霍夫(kirchhoff)电流定律，不同电流之间的关系如(1)所示。
[0067]
iq1+iload-iq2＝0
ꢀꢀꢀ
(1)
[0068]
无死区时间操作的详细描述根据图3进行。对于0≤t＜αt，上开关q1为接通的，下开关q2为断开的。栅极电压分别为处于高(正)状态的v
gs1
和处于低(负)状态的v
gs2
。负载电流i
load
通过q1从源极(s)流向漏极(d)，这意味着i
q1
＝-i
load
。当t＝αi时，来自控制器的互补控制信号sig1和sig2被并行发送到q1和q2，几乎没有任何死区时间，这允许在组件的公差限制内几乎同时控制两个开关。由于传播时间的原因，两个开关的栅-源电压v
gs1
、v
gs2
开始移动且有轻微延迟。由于交叉传导的开始，流过开关的电流与正电流导数增加。如图2所示放置的传感器与负耦合反应；因此，传感器输出电压v
sensor
＝v
bx
＝v
tx
，其中v
tx
和v
bx
分别是上传感器和下传感器的电压，该电压是负的。上传感器和下传感器的输出电压通过与传统预驱动器16并联的调制和放大电路18(直通电路stc)进行求和和放大。因此，栅极缓冲器17的输入端的信号是图2的预驱动器输出16a和stc输出18a的组合。两个栅-源电压根据电流导数被独立调制，以避免通常在交叉传导期间出现的且可能会导致切换单元损坏的任何浪涌电流。开关电流i
q1
和i
q2
在达到稳定状态之前振荡。振荡也由电流导数传感器和stc电路管理。实际上，使用本发明可以减少振荡。这将对绝缘栅双极晶体管(igbt)的v
ge
栅极-发射极电压进行必要的修改。
[0069]
当t＝αt＝t1时，可以认为换向完成，因为q2中的电流i
q2
几乎等于负载电流，而q1中的电流i
q1
几乎等于零。即使仍然存在一些振荡，电流导数也不足以完全激活stc电路。一旦这两个电流变得恒定，stc电路就不再工作，直到下一个转变指令。
[0070]
以下步骤总结了零死区时间控制系统的操作：
[0071]
从控制器向栅极控制电路发送补充指令，而无任何死区时间，
[0072]
q2开始传导，同时q1未完全断开，
[0073]
流过上器件和下器件的电流开始上升，
[0074]
电流导数传感器感测支腿电流的电流导数，
[0075]
对与每个功率器件相关的两个电流导数传感器的输出电压求和，
[0076]
如果需要，可以对线圈的输出电压施加滤波级，
[0077]
来自线圈的信号之和被放大，
[0078]
每个器件的栅极电压根据进行调制，以控制转变电流，使q1关断速度加快，使q2关断速度减慢。
[0079]
当换向完成时，q1为“断开的”，q2为“接通的”；
[0080]
在q2断开和q1接通的情况下，此操作过程是相同的。
[0081]
回到图2，栅极控制电路12、13如下所示。
[0082]
预驱动器16将控制信号从控制器传输到栅极节点，并且像通常在转换器中一样将“功率电路”与控制器部分隔离。根据驱动器架构，对预驱动器的电流能力没有特殊限制。预驱动器功能可以由本领域的任何标准组件实现。
[0083]
电流导数传感器141、142、151、152产生与功率开关的漏极-源极电流的时间变化率成正比的信号。当流过功率器件的i
ds
电流从最高值变为最低值时，相应传感器的输出信号为正。相反，当功率器件的电流i
ds
从最低值变为最高值时，该传感器的输出信号为负。该功能可以通过使用罗戈夫斯基线圈来实现，罗戈夫斯基线圈是围绕主导体的绕线线圈，如下面讨论的图5a所示。
[0084]
图2的调制和放大电路(stc电路)在图4中更详细介绍。该电路被复制用于两个受控功率开关，并且放大来自导数传感器tb
x
和tt
x
的信号，对于开关q1 10和q2 11，x分别为1或2(例如传感器141和151或传感器142和152)。在优选实现中，stc由两个晶体管101和102组成，每个晶体管的相应发射极通过r-c电路(r3 103-c2 105和r4 104-c3 106)连接到中间点。在晶体管的热漂移的情况下，r3 103和r4 104用作负反馈。c2 105和c3 106确保针对放大的ac信号的非常低的阻抗路径。齐纳二极管(dz1)107、电容器c6 108和电阻器r9 109-r10 110作为去耦电压源，因为r9-r10的值被选择为相对高。
[0085]
包括电阻器r5 111、r8 112、r6 113和r7 114的电阻网络被实现为极化两个晶体管101、102，这意味着基极-发射极电压(vbe)接近0.6v。在这种极化下，两个晶体管处于阻断状态和线性部分的极限。所有由两个晶体管和无源组件组成的该组装件用作ab类放大器，其放大来自通过ac耦合电容器c4 115和c5 116连接的电流导数传感器的信号。由放大器的输出和栅极缓冲器之间连接的c1 117和r2 118形成的最后一个r-c组合可以被调谐，以获得期望增益。
[0086]
栅极控制电路和放大器电路的电源是指其作用于的功率开关的下端电压、或mosfet情况下的源电压。这里，这对应于上开关的支腿的中点和下开关的支腿的下点。然后，每个电路都设置有其自己的v
dd
和v
ee
，即v
dd2x
和v
ee2x
，其中x对应于上开关基准或下开关基准。
[0087]
只要切换单元的开关总数是成对的，就可以将针对具有包括两个分支4、5和两个开关的一个支腿的转换器公开的原理扩展到无限数量的开关。
[0088]
对于电流导数传感器，可能的实现是罗戈夫斯基线圈30，如图5a示意性地示出的。这种线圈具有环形绕组31和绕组32内的返回导体。线圈位于与要感测的导体40垂直的平面上，并且具有两个输出端子a、b。
[0089]
为了确保围绕相同导体的两个电流导数传感器感测相同h场，在设计处理中必须
特别小心。选择的解决方案是将两个绕组交织，这通过将传感器设计为由多层pcb制成的交织罗戈夫斯基线圈是很容易实现的，如图5b所示。该配置可用作外部传感器。
[0090]
在pcb具有四层的这种实现中，第一线圈的环形绕组可以通过线路33完成，线路33从上层通过孔37、38到下层线路39，并且所述线圈的返回线路35通过中间层，所述第一线圈具有输入/输出端子33a、35a。第二线圈可以具有输入/输出端子34a、36a、在第一层和第四层中与第一线圈的绕组交织的环形绕组34、39、在第二中间层上的返回线路36。这种设计易于制造、紧凑，并能提供两个交织线圈的良好匹配。
[0091]
在可用于本转换器以外的其它应用的具体实施方式中，如图6a所示，提供了反向罗戈夫斯基线圈传感器或直罗戈夫斯基线圈传感器，其中，线圈位于导体的分支之间以进行感测。这种线圈也可以集成在多层pcb的内层中。线圈绕组在第一层中使用轨道51，在第二层中使用孔53、54和轨道52。第一层和第二层以及孔是pcb的内部轨道和孔，反向罗戈夫斯基线圈感测流经线圈周围并通过41c连接的表面功率轨道41a、41b的电流导数。
[0092]
在图6b中，设计了双线圈，并且具有输入输出端子60a、60b和第二轨道61、62的第二线圈6与第一线圈轨道交织，并通过与第一线圈孔平行的孔63、64连接。这提供了一种紧凑的设计，其可以被直接嵌入到转换器pcb或任何其它设备pcb中，并且不需要电缆布线和端子焊接。
[0093]
如上所述，本发明并不局限于所公开的实施方式，因为转换器也可以是逆变器类型的，具有三个支腿，每个支腿中有传感器，每个栅极控制电路有相加和放大电路，或者转换器每支腿具有多个并联开关，其中，这种并联开关的栅极控制电路装配有本发明的感测和电流调制电路。