阅读说明：本技术 逆变器中死区时间调谐的方法和装置 (The method and apparatus that dead time tunes in inverter ) 是由 李恒生 刘燕 于 2019-01-30 设计创作，主要内容包括：一种在具有死区时间控制的逆变电路中防止输入源过载并降低寄生电感的方法。感测电容器感测逆变电路中晶体管的温度。延迟发生器根据从感测电容器接收的晶体管温度而改变延迟时间。死区时间产生单元根据延迟时间的变化改变晶体管的死区时间。(A method of it prevents input source from overloading in the inverter circuit with Power MOSFET and reduces parasitic inductance.Capacitor sensor senses the temperature of transistor in inverter circuit.Delay generator changes delay time according to from the received temperature of transistor of capacitor sensor.Dead time generates the dead time that unit changes transistor according to the variation of delay time.)

逆变器中死区时间调谐的方法和装置

相关申请的交叉引用

本申请是2017年3月15日提交的美国非临时申请15/459,003的部分继续申请，其全部内容通过引用结合于此用于所有目的。

技术领域

本发明涉及通过改变死区时间来防止击穿电流(shoot-through current)并减少逆变电路中功率器件的体二极管导通时间的方法和装置。

背景技术

功率逆变器是将直流(DC)转变为交流(AC)的电子设备或电路。逆变器在现代电子设备中发挥着重要作用，具有广泛的应用，包括不间断电源、太阳能、感应加热、无线电力传输和许多其他技术。不幸的是，一些逆变器常受到击穿电流的影响，这可能导致无数的问题。

防止击穿电流并减少逆变器中体二极管导通时间的新方法和系统将有助于提高技术需求和解决技术问题。

发明内容

一个示例性实施例是一种在具有死区时间控制的逆变电路中防止输入源过载并降低寄生电感的方法。该方法包括：利用第一感测电容器感测所述逆变电路中高侧器件的温度，利用第二感测电容器感测所述逆变电路中低侧器件的温度，根据从所述第一感测电容器接收到的温度，第一延迟发生器改变第一死区时间间隔；根据从所述第二感测电容器接收到的温度，第二延迟发生器改变第二死区时间间隔；通过将所述第一感测电容器连接在所述第一延迟发生器的输出和地之间，将所述第二感测电容器连接在所述第二延迟发生器的输出和地之间，防止所述输入源过载并减小寄生电感。所述第一死区时间间隔对应于高侧器件接通之前的死区时间。所述第二死区时间间隔对应于低侧器件接通之前的死区时间。所述死区时间控制包括基于所述第一死区时间间隔和所述第二死区时间间隔产生死区时间。

另一示例性实施例是一种逆变电路，其在逆变电路中防止输入源过载并降低寄生电感。所述逆变电路包括：第一感测电容器，其热连接到所述逆变电路中的高侧器件；第二感测电容器，其热连接到所述逆变电路中的低侧器件；死区时间产生单元，其通过分别为所述高侧器件和所述低侧器件产生死区时间来防止击穿电流和减小体二极管导通时间，所述死区时间包括第一死区时间间隔和第二死区时间间隔。所述死区时间产生单元包括改变所述第一死区时间间隔的第一延迟发生器和第二延迟发生器。所述第一感测电容器连接在所述第一延迟发生器的输出和地之间。所述第二感测电容器连接在所述第二延迟发生器的输出和地之间。所述第一死区时间间隔对应于所述高侧器件接通之前的死区时间，所述第二死区时间间隔对应于所述低侧器件接通之前的死区时间。

另一示例性实施例是一种在具有死区时间控制的逆变电路中防止输入源过载并降低寄生电感的方法。该方法包括：感测所述逆变电路中至少一个高侧器件的温度和所述逆变电路中至少一个低侧器件的温度；使用至少一个死区时间产生单元，并根据接收到的所述至少一个高侧器件的温度和所述至少一个低侧器件的温度，改变第一死区时间间隔和第二死区时间间隔；通过运行有死区时间的所述逆变电路来防止击穿电流和减少体二极管导通时间，所述死区时间在最大死区时间和最小死区时间内。所述第一死区时间间隔对应于至少一个高侧器件接通之前的死区时间，所述第二死区时间间隔对应于至少一个低侧器件接通之前的死区时间。所述最大死区时间取决于额定温度下至少一个感测电容器的电容，所述最小死区时间取决于居里温度下至少一个感测电容器的电容。

本文还讨论了其他示例性实施例。

附图说明

图1显示一个示例性实施例的在具有死区时间控制的逆变电路中防止输入源过载并降低寄生电感的方法。

图2显示一个示例性实施例的半桥配置中D类逆变电路的框图。

图3显示一个示例性实施例的延迟发生器的框图。

图4显示一个示例性实施例的延迟发生器的框图。

图5显示一个示例性实施例的用于感测电容器的一些特定介电材料的百分比对温度的电容变化率的曲线图。

图6显示现有逆变器和本发明一个示例性实施例的逆变器的信号电压对时间的曲线图。

具体实施方式

如本文所使用的，“体二极管导通时间”是指当功率逆变器中的高侧和低侧器件的沟道都关闭(例如死区间隔)时，电流经由与器件沟道并联的高电阻寄生体二极管路径的时段。

如本文和权利要求中所使用的，“包括”意指包括以下要素但不排除其他要素。

如本文所使用的，“居里温度”是指正温度系数材料改变其特性(例如，电容急剧增加)的一个阈值温度。居里温度的特性用于限制功率器件的最大电流，从而防止击穿电流。

如本文所使用的，由一导线或条形导体连接“仅”指感测电容器和延迟发生器之间的直接连接。

如本文所使用的，“死区时间生成单元”是指将死区时间***脉宽调制器(PWM)信号中的一个电路，例如，传导信号在半桥或全桥中的两个或更多个功率晶体管中不会重叠。

如本文所使用的，“器件”、“高侧器件”、“低侧器件”是指逆变电路中的功率晶体管。

如本文所使用的，“逆变电路”是指将直流(DC)转变为交流(AC)的电子电路。

如本文所使用的，“印刷电路板(PCB)走线”是指使得电流能够流入和流出集成电路的条形导体。PCB是由PCB走线互连的集成电路网络组成。

如本文所使用的，“击穿电流”是指在逆变电路中两个器件都接通时发生的电流冲击，“击穿”指的是从Vamp到地的通过逆变电路中两个器件的电流。

如本文所使用的，“过冲”(overshoot)意指瞬时值超过理想值的，“下冲”(undershoot)意指瞬时值低于理想值。理想值是完全匹配条件的负载电压。“过冲”和“下冲”两者发生在暂态期间，这是信号在不匹配的负载下振铃或振荡的短持续时间。

示例实施例涉及在具有死区时间控制的逆变电路中防止输入源过载并降低寄生电感的装置和方法。

功率逆变器(或逆变器)是将直流(DC)转换为交流(AC)的电子设备或电路。逆变器广泛用于不同的应用，例如感应加热、功率放大器、不间断电源和许多其他应用。有一种类型的逆变器，称为D类逆变器，用于无线功率传输系统，因为这种逆变器具有较高的效率，对负载变化较稳健，并且提供较高的输出功率。

对于D类逆变器和其他逆变器，重要的是避免当逆变电路中的高侧器件和低侧器件同时接通的情况发生。这种情况会产生低阻抗路径并产生大的击穿电流。例如，当两个功率器件全部或部分接通时，这提供了从V_IN到地GND的大电流浪涌的路径，发生击穿电流。结果，逆变电路中的器件升温并浪费电力甚至损坏。

减轻或消除击穿电流的一种方法是使用死区时间发生器或死区时间产生单元。该发生器在器件输入之间产生时间延迟，以避免击穿电流。两个器件都关闭的时间间隔称为死区时间。

当逆变器处于期望的运行时，器件的输入不应同时为高。例如，当用于驱动高侧器件(如晶体管1)的输入A接通时，用于驱动低侧器件(如晶体管2)的输入B要关闭，反之亦然。但是，当输入A和输入B处于切换阶段时，器件可能会遇到不希望的操作。因此，存在一个短时间段，其中两个器件都处于“接通”阶段并且发生短路。在死区时间内，输入A和输入B都处于“关闭”阶段。

当死区时间T_D等于一个预定临界时间T_crit时，电路中没有功率损耗。当T_D小于零时，会发生击穿电流。当T_D大于或等于零且小于T_crit时，电路中存在一些开关损耗。当T_D大于T_crit时，负电流会导致体二极管导通。

示例实施例利用新方法和装置提供死区时间产生的技术解决方案来解决上述问题，防止击穿电流并减少逆变电路中体二极管导通时间。特别地，示例性实施例中的死区时间的产生不限于产生一个仅适合于一个负载条件的固定死区时间。

示例性实施例包括改变死区时间的长度的方法和装置，避免器件故障、功率转换效率低、器件过热、系统工作温度升高和由严重下冲电压引起的驱动器故障。示例性实施例还减轻或消除逆变电路中发生的击穿电流，包括D类逆变电路。

示例性实施例有益于逆变电路的运行并且提高DC到AC的转换效率，这在多种不同的电子器件和应用中是有用的。

举例来说，具有高的体二极管正向偏压的功率器件(例如增强模式GaN HEMT)的效率会受到死区时间长度的严重影响。器件温度与这些功率器件的功率损耗成比例。根据检测到的最小器件温度，逆变器的最佳死区时间值达到最小功率损耗。示例性实施例提供了自动调整死区时间并将逆变电路维持在最佳死区时间值的方法和装置。

本发明示例性实施例防止输入源过载，从而本发明适用于简化电路设计的低电压和高驱动电流应用。

在电气网络中，寄生元件是电路中并不期望的有其预期目的的，被当成电子器件的电路部分。导线有寄生电感，因为任何有电流流过的导线都会在其周围产生磁场。寄生电感由走线长度和工作频率决定。走线长度越长，寄生电感越高。对于具有死区时间控制的逆变电路，寄生电感会对控制的有效性产生重大影响。如果这种电路经历高寄生电感，则在信号错误的情况下，允许电压显著地过冲，根本不保护组件。示例性实施例降低了电路布线的寄生电感。

不同的负载需要控制不同的死区时间，以便在逆变电路中实现最佳效率。示例性实施例可以根据器件温度实现自最佳死区时间控制设置。

作为进一步的益处，示例性实施例降低了购买较高级别组件的材料成本和大散热器和空间的运行成本。例如，示例性实施例降低了逆变电路中实施散热器的重要性并且消除了逆变电路中昂贵的冷却部件的需求。

参考图1，示例性实施例包括一种方法，该方法在具有死区时间控制的逆变电路中防止输入源过载并降低寄生电感。

作为示例，死区时间控制包括基于第一死区时间间隔和第二死区时间间隔产生死区时间。例如，第一死区时间间隔对应于高侧器件接通之前的死区时间，第二死区时间间隔对应于低侧器件接通之前的死区时间。

方框110显示：使用第一感测电容器感测逆变电路中高侧器件的温度。

作为示例，第一感测电容器通过金属线或任何导热材料热连接到高侧器件。

作为示例，高侧器件被散热器围绕或热连接到散热器，第一感测电容器也被散热器围绕或者热连接到散热器。

方框120显示：使用第二感测电容器感测逆变电路中低侧器件的温度。

作为示例，第二感测电容器通过金属线或导热材料热连接到低侧器件。

作为示例，低侧器件被散热器围绕或者热连接到散热器，第二感测电容器也被散热器围绕或者热连接到散热器。

作为示例，高侧器件和低侧器件可以选自一种或多种类型的晶体管，包括但不限于增强型GaN、GaN功率晶体管和MOSFET。高功率密度的器件会导致明显的温度变化。

作为示例，源电压连接到高侧器件的漏极。高侧器件的源极连接到低侧器件的漏极。低侧器件的源极接地。

方框130显示：通过第一延迟发生器并且根据从第一感测电容器接收到的温度，改变第一死区时间间隔。

例如，根据检测或感测到的高侧器件的温度而改变第一感测电容器的电容。根据第一感测电容器的电容变化，自动改变第一延迟发生器产生的第一延迟时间。随着高侧器件的感测温度的变化，这些改变连续地或实时连续地发生。第一死区时间间隔根据RC延迟产生的第一延迟时间的改变而改变。R是死区时间产生单元内的第一定值电阻器的电阻，其中死区时间产生单元包括第一延迟发生器和第二延迟发生器。C是第一感测电容器的电容。

方框140显示：通过第二延迟发生器并且根据从第二感测电容器接收到的温度，改变第二死区时间间隔。

例如，根据检测或感测到的低侧器件的温度而改变第二感测电容器的电容。根据第二感测电容器的电容的变化，自动改变第二延迟发生器产生的第二延迟时间。随着低侧器件的感测温度的变化，这些改变连续或实时地连续地发生。第二死区时间间隔根据R'C'延迟产生的第二延迟时间的改变而改变。R'是死区时间产生单元内的第二定值电阻器的电阻。C'是第二感测电容器的电容。

方框150显示：通过将第一感测电容器连接在第一延迟发生器输出和地之间，以及将第二感测电容器连接在第二延迟发生器输出与地之间，防止输入源过载并降低寄生电感。

作为示例，第一定值电阻器连接在第一延迟发生器的输入和输出之间。

作为示例，第二定值电阻器连接在第二延迟发生器的输入和输出之间。

作为示例，第一延迟发生器仅通过一导线或条状导体与第一感测电容器连接。

作为示例，第二延迟发生器仅通过一导线或条状导体与第二感测电容器连接。

作为示例，第一感测电容器包括串联连接的第一负温度系数电容器和第一正温度系数电容器，第二感测电阻器包括串联连接的第二负温度系数电容器和第二正温度系数电容器。

作为示例，第一负温度系数电容器有介电常数第一正温度系数电容器有介电常数其中T是高侧器件的温度，T_C是居里温度，α₁是常数值，A、B和C是Steinhart-Hart系数，ε₀是真空介电常数。

作为示例，第二负温度系数电容器有介电常数第二正温度系数电容器有介电常数其中T是低侧器件的温度，T_C是居里温度，α₁是常数值，A、B和C是Steinhart-Hart系数，ε₀是真空介电常数。

图2显示了一个示例性实施例的半桥配置中的D类逆变电路的框图。本领域普通技术人员将理解，示例性实施例也适用于其他逆变器配置，例如全桥配置。

电路200包括脉宽调制器(PWM)输入节点201、死区时间产生单元(DT Gen.)206、驱动器202、高侧器件203和低侧器件204、第一感测电容器210和第二感测电容器220。死区时间产生单元206的输入连接到PWM输入节点201。死区时间产生单元206的第一输出HI和第二输出L1通过驱动器202分别连接到高侧器件203和低侧器件204。驱动器202增强第一输出HI和第二输出L1。举例来说，高侧器件203和低侧器件204是N沟道晶体管。因此，死区时间产生单元206的第一输出HI经由驱动器202连接到高侧器件203的栅极，死区时间产生单元206的第二输出LI经由驱动器202连接到低侧器件204的栅极。源电压(VAMP)连接到高侧器件203的漏极，高侧器件的源极连接到低侧器件204的漏极。低侧器件204的源极接地。高侧器件203的源极和低侧器件204的漏极之间的节点连接到滤波器网络205和任何阻抗负载(Zload)，如电阻器、电容器、电感器等。

作为示例，高侧器件203被散热器或覆盖物208围绕，低侧器件204被散热器或覆盖物209围绕。第一感测电容器210嵌入在散热器或覆盖物208中，并热连接到高侧器件203，以感测高侧器件203的温度。第二感测电容器220嵌入在散热器或覆盖物209中，并热连接到低侧器件204，以感测低侧器件204的温度。死区时间产生单元206仅通过一条状导体电连接到第一感测电容器210，死区时间产生单元206也仅通过一条状导体电连接第二感测电容器220。

作为示例，第一感测电容器210包括串联连接的第一负温度系数(NTC)电容器和第一正温度系数(PTC)电容器。第二感测电容器220包括串联连接的第二负温度系数(NTC)电容器和第二正温度系数(PTC)电容器。死区时间产生单元206根据从第一感测电容器210和第二感测电容器220接收到的温度，改变死区时间，死区时间包括高侧器件203的第一死区时间间隔和低侧器件204的第二死区时间间隔。第一死区时间间隔对应于高侧器件203接通之前的死区时间，第二死区时间间隔对应于低侧器件204接通之前的死区时间。

作为示例，电容器的介电常数分别为：

其中，A、B和C是Steinhart-Hart(S-H)系数，T是感测电容器的温度，T_C是感测电容器的居里温度，α₁是恒定值。

图3显示了一示例性实施例的延迟发生器300的框图。包括两种类型电容器的感测电容器310连接在延迟发生器300的输出和地之间。由于传感信号返回路径可以直接连接到地，这种方式大大降低了电路导线的寄生电感，并防止栅极电压过冲和下冲。电容器选自负温度系数(NTC)电容器和正温度系数(PTC)电容器。举例来说，至少一个NTC电容器和至少一个PTC电容器串联连接。定值电阻器303连接在延迟发生器300的输入和输出之间，以产生一个RC延迟电路。举例来说，由于电阻器302限制了负载的输出电压，因此可以选择定值电阻器302以具有低电阻，例如1到5欧姆。感测电容器310位于延迟发生器300的外部，以与逆变电路的晶体管热连接，以感测它们的温度。PTC电容器执行过热保护，这种过热是由击穿或严重的开关损耗引起的。并且NTC电容器用于微调从延迟发生器300产生的延迟时间。

图4显示一个示例性实施例的延迟产生器400的框图以提供灵活性的电路设计。包括两种类型电容器的感测电容器410连接在延迟发生器400的输出和地之间。电容器选自NTC电容器和PTC电容器。举例来说，至少一个NTC电容器和至少一个PTC电容器串联连接。包括两种类型电阻器的感测电阻器403连接在延迟发生器400的输入和输出之间，以产生RC延迟电路。电阻器选自NTC传感器和PTC传感器。感测电容器410和感测电阻器403位于延迟发生器400的外部，以与晶体管热连接，用于感测温度。举例来说，至少一个NTC传感器和至少一个PTC传感器串联连接。PTC电容器和/或PTC传感器执行过热保护，这种过热是由击穿或严重的开关损耗引起的。NTC电容器和/或NTC传感器用于微调从延迟发生器400产生的延迟时间。

图5显示一个示例性实施例的用于感测电容器的一些特定电介质材料的电容变化率(百分比(％)对温度(℃))的曲线图500。这些材料具有特定的温度特性，基于单独或组合的死区时间的要求来选择，以基于一个预定温度系数曲线来构建正或负温度系数电容器用于感测电容器。

图6显示现有逆变器和本发明示例性实施例的逆变器的信号电压(V)对时间(μs)的曲线图600。现有逆变器的印刷电路板(PCB)走线长度是本发明逆变器走线长度的两倍。如图6所示，本发明极大地消除了电压信号的振铃。举例来说，本发明消除负过冲和下冲电压2V并消除正过冲和下冲电压0.5V。

因此，完整地描述了本发明的示例性实施例。尽管该描述涉及特定实施例，但是本领域技术人员会清楚，可以通过改变这些具体细节来实践本发明。因此，本发明不应被解释为限于这里阐述的实施例。