本發(fā)明涉及一種適用于SiC基橋臂功率電路的死區(qū)時(shí)間優(yōu)化控制方法，屬于橋臂電路死區(qū)時(shí)間控制技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

在橋臂電路的設(shè)計(jì)中，為了避免上、下管同時(shí)導(dǎo)通，出現(xiàn)橋臂直通現(xiàn)象，需要在PWM控制信號中設(shè)置死區(qū)時(shí)間，但是當(dāng)死區(qū)時(shí)間設(shè)置過短時(shí)，上、下管易發(fā)生直通導(dǎo)致過大的功耗乃至故障；而當(dāng)死區(qū)時(shí)間設(shè)置過長時(shí)，又會因續(xù)流二極管導(dǎo)通時(shí)間過長增加電路損耗，降低效率。因此對于電壓源型變換器來說，死區(qū)時(shí)間的設(shè)置與整機(jī)可靠性和效率有很大關(guān)系。另外，死區(qū)時(shí)間的長短還會對功率變換器的輸出電壓質(zhì)量產(chǎn)生影響。

對于SiC基電壓源型變換器，由于SiC器件開關(guān)速度快，死區(qū)時(shí)間設(shè)定對變換器性能影響更為突出。首先，死區(qū)時(shí)間與器件的開關(guān)時(shí)間有關(guān)，而SiC器件的開關(guān)時(shí)間又與負(fù)載大小有較大關(guān)系。死區(qū)時(shí)間的傳統(tǒng)設(shè)置方法是通過測量開關(guān)器件在重載、高溫工作條件下的關(guān)斷時(shí)間，以此為依據(jù)來設(shè)置死區(qū)時(shí)間，若SiC基電壓源型變換器仍采用這種方法則會導(dǎo)致死區(qū)時(shí)間過大，不能充分發(fā)揮SiC器件給變換器帶來的性能優(yōu)勢，而且會導(dǎo)致續(xù)流二極管的損耗增大。可見，死區(qū)時(shí)間的合理調(diào)整對于SiC基電壓型變換器非常重要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：提供一種適用于SiC基橋臂功率電路的死區(qū)時(shí)間優(yōu)化控制方法，對電壓源型變換器橋臂中開關(guān)器件死區(qū)時(shí)間的設(shè)置進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，在保證系統(tǒng)可靠性的前提下，降低由死區(qū)時(shí)間帶來的功率損耗，提高變換器的工作效率。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：

一種適用于SiC基橋臂功率電路的死區(qū)時(shí)間優(yōu)化控制方法，該優(yōu)化控制方法將實(shí)時(shí)在線測量得到的開關(guān)管漏源電壓上升時(shí)間t_vr、計(jì)算得到的柵極電壓下降至閾值電壓的時(shí)間t_gs、離線測量得到的溝道電流下降時(shí)間t_cf、預(yù)設(shè)的最大死區(qū)時(shí)間t_dt(max)一起輸入微控制器中，微控制器根據(jù)以下比較公式對上述四種時(shí)間進(jìn)行比較，并輸出最優(yōu)死區(qū)時(shí)間t_dt(opt)；所述比較公式為：

$t_{dt\left(opt\right)}=min\left(max\right(t_{cf(I_{L\left(max\right)},T_{j\left(max\right)})},t_{vr},t_{gs}),t_{dt\left(max\right)}),$

其中，表示負(fù)載最大、結(jié)溫最高工作條件時(shí)，離線測量得到的溝道電流下降時(shí)間。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述開關(guān)管漏源電壓上升時(shí)間t_vr的測量方法為：

在上管電路中加入柵源電壓檢測電路H、漏源電壓檢測電路H、邊沿檢測器H、上管輔助調(diào)節(jié)電路、上管信號隔離電路；在下管電路中加入柵源電壓檢測電路L、漏源電壓檢測電路L、邊沿檢測器L、下管輔助調(diào)節(jié)電路、下管信號隔離電路；在整個(gè)SiC基橋臂功率電路中加入信號隔離電路；

當(dāng)上管關(guān)斷時(shí)，邊沿檢測器H通過柵源電壓檢測電路H以一定頻率檢測上管柵源電壓，當(dāng)上管柵源電壓下降時(shí)，邊沿檢測器H輸出脈沖信號s_H1，經(jīng)信號隔離電路送入上管輔助調(diào)節(jié)電路，上管輔助調(diào)節(jié)電路輸出反饋信號s_H(aux)，經(jīng)上管信號隔離電路反饋到邊沿檢測器H，同時(shí)，上管輔助調(diào)節(jié)電路輸出上管柵源電壓下降沿t_H(aux)；同理，下管輔助調(diào)節(jié)電路通過漏源電壓檢測電路L檢測下管柵源電壓下降沿t_L(aux)，t_H(aux)和t_L(aux)之差即為t_vr；

當(dāng)下管關(guān)斷時(shí)，邊沿檢測器L通過柵源電壓檢測電路L以一定頻率檢測下管柵源電壓，當(dāng)下管柵源電壓下降時(shí)，邊沿檢測器L輸出脈沖信號s_L1，經(jīng)信號隔離電路送入下管輔助調(diào)節(jié)電路，下管輔助調(diào)節(jié)電路輸出反饋信號s_L(aux)，經(jīng)下管信號隔離電路反饋到邊沿檢測器L，同時(shí)，下管輔助調(diào)節(jié)電路輸出下管柵源電壓下降沿t_L(aux)；同理，上管輔助調(diào)節(jié)電路通過漏源電壓檢測電路H檢測上管漏源電壓下降沿t_H(aux)，t_L(aux)和t_H(aux)之差即為t_vr。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述柵極電壓下降至閾值電壓的時(shí)間t_gs的計(jì)算方法為：根據(jù)柵極驅(qū)動(dòng)等效電路計(jì)算可得，所述柵極驅(qū)動(dòng)等效電路由柵極驅(qū)動(dòng)電路等效電阻、柵極電路等效電感、源極共模電感和開關(guān)管的輸入電容串聯(lián)而成。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述柵極電壓下降至閾值電壓的時(shí)間t_gs由下述二階電路方程求得：

${\mathrm{LC}}_{iss}\frac{d^2{u}_{GS}}{{{\mathrm{dt}}_{gs}}^2}+R_G{C}_{iss}\frac{{\mathrm{du}}_{GS}}{{\mathrm{dt}}_{gs}}+u_{GS}=0,$

其中，L為柵極電路等效電感與源極共模電感之和，C_iss為開關(guān)管的輸入電容，u_GS為柵極電壓，R_G為柵極驅(qū)動(dòng)電路等效電阻。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述離線測量得到的溝道電流下降時(shí)間t_cf為：離線狀態(tài)下，在負(fù)載最大、結(jié)溫最高工作條件時(shí)測量得到的溝道電流下降時(shí)間。

本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：

1、本發(fā)明適用于SiC基橋臂功率電路的死區(qū)時(shí)間優(yōu)化控制方法，可以根據(jù)負(fù)載情況調(diào)整控制信號的死區(qū)時(shí)間，在保證系統(tǒng)工作的可靠性的基礎(chǔ)上，能有效地降低由死區(qū)時(shí)間帶來的損耗，提高變換器的工作效率。

2、本發(fā)明適用于SiC基橋臂功率電路的死區(qū)時(shí)間優(yōu)化控制方法，能夠充分發(fā)揮SiC器件的性能優(yōu)勢，提高整機(jī)工作效率。

附圖說明

圖1是橋臂式結(jié)構(gòu)電路示意圖。

圖2是橋臂結(jié)構(gòu)電路的典型控制信號示意圖。

圖3是柵極驅(qū)動(dòng)電路等效電路示意圖。

圖4是漏源電壓上升時(shí)間t_vr隨負(fù)載變化影響示意圖。

圖5是本發(fā)明死區(qū)時(shí)間優(yōu)化控制方法的電路框圖。

圖6是漏源電壓上升時(shí)間t_vr測量原理波形示意圖。

圖7是本發(fā)明死區(qū)時(shí)間優(yōu)化控制方法的電路原理圖。

具體實(shí)施方式

下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施方式，所述實(shí)施方式的示例在附圖中示出。下面通過參考附圖描述的實(shí)施方式是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對本發(fā)明的限制。

本發(fā)明提出了一種適用于SiC基橋臂功率電路的死區(qū)時(shí)間優(yōu)化控制方法，通過實(shí)時(shí)檢測開關(guān)管的工作狀態(tài)，可以根據(jù)負(fù)載情況調(diào)整控制信號的死區(qū)時(shí)間，在保證系統(tǒng)工作的可靠性基礎(chǔ)上，有效地降低由冗余死區(qū)時(shí)間帶來的損耗，提高變換器的工作效率。

由圖2所示，在橋臂電路的控制信號中，一個(gè)開關(guān)周期中需要設(shè)置兩段死區(qū)時(shí)間，分別為：(1)上管關(guān)斷，下管開通之前的死區(qū)時(shí)間(t₁～t₂)；(2)下管關(guān)斷，上管開通之前的死區(qū)時(shí)間(t₃～t₄)。

在典型的橋臂結(jié)構(gòu)應(yīng)用中，上管導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載電流由電源，經(jīng)上管、橋臂中點(diǎn)流入負(fù)載端。上管關(guān)斷時(shí)，在死區(qū)時(shí)間(t₁～t₂)內(nèi)，負(fù)載電流會換流至與下管反并聯(lián)的續(xù)流二極管中，此時(shí)橋臂中點(diǎn)的電壓會發(fā)生突變，上管漏源電壓也會發(fā)生突變。下管導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載電流由負(fù)載端，經(jīng)橋臂中點(diǎn)、下管流入接地點(diǎn)。當(dāng)下管關(guān)斷時(shí)，在死區(qū)時(shí)間(t₃～t₄)內(nèi)，負(fù)載電流換流至上管并聯(lián)的續(xù)流二極管中，橋臂中點(diǎn)的電壓會發(fā)生突變，下管漏源電壓也發(fā)生突變。

由以上分析可見，在典型的橋臂結(jié)構(gòu)應(yīng)用中，上、下管關(guān)斷時(shí)漏源電壓均會突變，二者死區(qū)時(shí)間優(yōu)化調(diào)整策略相同。開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，開關(guān)管柵源電壓下降到閾值電壓的時(shí)間t_gs不僅僅與柵極驅(qū)動(dòng)回路參數(shù)有關(guān)，還與功率回路中開關(guān)管溝道電流降低至零的時(shí)間t_cf和漏源電壓上升時(shí)間t_vr有關(guān)。

本發(fā)明中，開關(guān)管柵極電壓下降到閾值電壓的時(shí)間t_gs可以通過如圖3所示的等效電路來計(jì)算；如圖4所示，開關(guān)管溝道電流下降時(shí)間t_cf受負(fù)載影響不大，可以取重載、高溫工作狀態(tài)下的測量結(jié)果；開關(guān)管漏源電壓上升時(shí)間t_vr受負(fù)載的影響比較大，需要在線實(shí)時(shí)測量；為了防止負(fù)載過小時(shí)，測量所得的t_vr特別大，需要預(yù)設(shè)最大死區(qū)時(shí)間t_dt(max)。這些時(shí)間都會輸入微控制器中，微控制器通過下式輸出最適宜的死區(qū)時(shí)間：

$t_{dt\left(opt\right)}=min\left(max\right(t_{cf(I_{L\left(max\right)},T_{j\left(max\right)})},t_{vr},t_{gs}),t_{dt\left(max\right)})---\left(1\right)$

該死區(qū)時(shí)間優(yōu)化調(diào)整控制方法的具體步驟如下：

以圖1所示電路中上管關(guān)斷為例進(jìn)行說明，要對SiC基電壓型變換器中橋臂功率電路死區(qū)時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化，需要知道上管柵源電壓下降時(shí)間t_gs，溝道電流下降時(shí)間t_cf，漏源電壓上升時(shí)間t_vr。圖5給出了本發(fā)明死區(qū)時(shí)間優(yōu)化電路框圖。

具體方法如下：

(1)上管柵源電壓下降時(shí)間t_gs可以通過如圖3所示等效電路計(jì)算獲得，一旦其驅(qū)動(dòng)電路參數(shù)確定，其柵源電壓下降時(shí)間t_gs即可確定。

(2)由于器件溝道電流下降時(shí)間t_cf難以測量，但其受到負(fù)載影響較小，因此t_cf可取負(fù)載最大，結(jié)溫最高工作條件下的溝道電流下降時(shí)間t_cf，可以事先通過離線測量獲得。

(3)上管漏源電壓上升時(shí)間t_vr與負(fù)載大小有關(guān)，需要實(shí)時(shí)測量。圖6給出了t_vr測量原理波形示意圖，為了確定t_vr，需要在橋臂電路中加入兩個(gè)輔助電路：a.柵源電壓檢測電路(GVTD)；b.漏源電壓檢測電路(DVFD)。圖7給出了死區(qū)時(shí)間優(yōu)化控制電路原理圖，GVTD為上管柵源電壓變化檢測電路，DVFD為下管漏源電壓檢測電路(下管漏源電壓下降為零時(shí)，上管漏源電壓即上升為電源電壓)。如圖7所示，邊沿檢測器H通過GVTD以一定頻率檢測上管柵源電壓，當(dāng)上管柵源電壓下降時(shí)，邊沿檢測器H輸出s_H1，經(jīng)信號隔離電路送入微控制器，微控制器中上管輔助調(diào)節(jié)電路輸出反饋信號s_H(aux)，經(jīng)上管信號隔離電路反饋到邊沿檢測器，提高檢測頻率，防止誤檢測。此時(shí)，上管輔助調(diào)節(jié)電路輸出t_H(aux)。相似的，下管輔助調(diào)節(jié)電路通過DVFD檢測下管漏源電壓下降沿，輸出t_L(aux)。t_H(aux)和t_L(aux)之差即為t_vr。

(4)由圖4可見，輕載時(shí)漏源電壓上升時(shí)間t_vr會非常大，如果此時(shí)按照測量結(jié)果選取，死區(qū)時(shí)間設(shè)置過長，因此需預(yù)設(shè)最大死區(qū)時(shí)間t_dt(max)，防止負(fù)載過小時(shí)，死區(qū)時(shí)間過長，影響變換器輸出電壓質(zhì)量和整機(jī)效率。

(5)微控制器采集到上述時(shí)間之后，根據(jù)公式(1)選擇最優(yōu)死區(qū)時(shí)間輸出t_dt(opt)。上管關(guān)斷信號s_H與最優(yōu)死區(qū)時(shí)間t_dt(opt)相加則為下管開通信號S_L。

以上為圖1所示電路中上管關(guān)斷情況，下管關(guān)斷時(shí)的情況與此相似，需要知道下管柵源電壓下降時(shí)間t_gs，溝道電流下降時(shí)間t_cf，漏源電壓上升時(shí)間t_vr。

(1)下管柵源電壓下降時(shí)間t_gs可以通過如圖3所示等效電路計(jì)算獲得。

(2)下管溝道電流下降時(shí)間t_cf通過事先離線測量負(fù)載最大，結(jié)溫最高工作條件下的溝道電流下降時(shí)間。

(3)下管漏源電壓上升時(shí)間t_vr需要實(shí)時(shí)測量。根據(jù)圖7給出的死區(qū)時(shí)間優(yōu)化控制電路原理圖，GVTD為下管柵源電壓變化檢測電路，DVFD為上管漏源電壓檢測電路(上管漏源電壓下降為零時(shí)，下管漏源電壓即上升為電源電壓)。邊沿檢測器L通過GVTD以一定頻率檢測下管柵源電壓，當(dāng)下管柵源電壓下降時(shí)，邊沿檢測器L輸出s_L1，經(jīng)信號隔離電路送入微控制器，微控制器中下管輔助調(diào)節(jié)電路輸出反饋信號s_L(aux)，經(jīng)下管信號隔離電路反饋到邊沿檢測器，提高檢測頻率，防止誤檢測。此時(shí)，下管輔助調(diào)節(jié)電路輸出t_L(aux)。相似的，上管輔助調(diào)節(jié)電路通過DVFD檢測上管漏源電壓下降沿，輸出t_H(aux)。t_L(aux)和t_H(aux)之差即為t_vr。

(4)預(yù)設(shè)最大死區(qū)時(shí)間t_dt(max)，防止負(fù)載過小時(shí)，死區(qū)時(shí)間過長，影響變換器輸出電壓質(zhì)量和整機(jī)效率。

(5)微控制器采集到上述時(shí)間之后，根據(jù)公式(1)選擇最優(yōu)死區(qū)時(shí)間輸出t_dt(opt)。下管關(guān)斷信號s_L與最優(yōu)死區(qū)時(shí)間t_dt(opt)相加則為上管開通信號S_H。

如圖3所示為柵極驅(qū)動(dòng)等效電路，其中：u_dr為驅(qū)動(dòng)電壓信號；R_G為柵極驅(qū)動(dòng)電路等效電阻，為柵極驅(qū)動(dòng)電阻和開關(guān)管柵極內(nèi)部寄生電阻之和；L_G為柵極電路等效電感，L_cm為源極共模電感，L_G+L_cm在計(jì)算過程中記為L；C_iss為開關(guān)管輸入電容；u_GS為柵極電壓。t_gs具體計(jì)算過程如下：

圖3對應(yīng)的二階電路方程為：

${\mathrm{LC}}_{iss}\frac{d^2{u}_{GS}}{{\mathrm{dt}}^2}+R_G{C}_{iss}\frac{{\mathrm{du}}_{GS}}{dt}+u_{GS}=0$

其特征方程為(特征方程是二階微分方程求解的一種中間形態(tài))：

LC_issp²+R_GC_issp+1＝0

其根為p₁、p₂：

$p_1=-\frac{R_G}{2L}+\sqrt{{\left(\frac{R_G}{2L}\right)}^2-\frac{1}{{\mathrm{LC}}_{iss}}}=-\mathrm{\δ}+\sqrt{{\mathrm{\δ}}^2-{\mathrm{\ω}}_0^2}$

$p_2=-\frac{R_G}{2L}-\sqrt{{\left(\frac{R_G}{2L}\right)}^2-\frac{1}{{\mathrm{LC}}_{iss}}}=-\mathrm{\δ}-\sqrt{{\mathrm{\δ}}^2-{\mathrm{\ω}}_0^2}$

其中，

則，u_GS解的形式為：

$u_{GS}=\frac{u_{dr}}{p_2-p_1}(p_2{e}^{p_{1}t}-p_1{e}^{p_{2}t})$

根據(jù)不同的情況，p₁、p₂的形式不同：

(1)當(dāng)時(shí)：

p₁和p₂為不等的負(fù)實(shí)根，則

$u_{GS}=\frac{u_{dr}}{p_2-p_1}(p_2{e}^{p_{1}t}-p_1{e}^{p_{2}t});$

(2)當(dāng)時(shí)：

p₁和p₂為一對共軛負(fù)根，j為虛數(shù)單位，則

$u_{GS}=\frac{u_{dr}}{-j2\mathrm{\ω}}\[-{\mathrm{\ω}}_0{e}^{j\mathrm{\θ}}{e}^{(-\mathrm{\δ}+j\mathrm{\ω})\·t}+{\mathrm{\ω}}_0{e}^{-j\mathrm{\θ}}{e}^{(-\mathrm{\δ}-j\mathrm{\ω})\·t\]};$

(3)當(dāng)時(shí)：

p₁和p₂為重根，則

u_GS＝u_dre^-δt(1+δ·t)。

以上實(shí)施例僅為說明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動(dòng)，均落入本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。