CN116316503B - 一种桥臂开关管栅源电压尖峰调节装置与实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种桥臂开关管栅源电压尖峰调节装置与实现方法。具体上，通过在振铃阶段对开关管的漏源极并联可变电容，以减小电压电流振铃的幅值，增大电压电流振铃的周期，达到减小漏源电压和漏源电流变化率的目的，最终减小功率电路对驱动电路的干扰，避免驱动电路的过电压与误开通问题。在桥臂结构一个开关切换过程内，仅需要接入一个电容即可改变两个开关管的栅源电压。本发明相比于传统的驱动电路设计，可以实现更大电流电压应力范围的栅源电压调整，对于桥臂结构具有通用性，相比于传统接入固定电容的方法，本发明所公开的方法既减小了振铃阶段电压与电流的变化率，同时兼顾了开关过程的快速性，避免了产生额外的开关损耗。

Description

一种桥臂开关管栅源电压尖峰调节装置与实现方法

技术领域

本发明属于电力电子驱动电路领域，涉及一种桥臂开关管栅源电压尖峰调节装置与实现方法。

背景技术

桥臂结构在电力电子的拓扑中是一种非常常见的结构，通过单个桥臂上下开关管的交替导通，实现电能转换的目的。目前，在双有源桥（DAB），LLC谐振变换器，LCC谐振变换器，同步buck变换器，同步boost变换器中均有桥臂结构的存在。

但是，在桥臂结构开关管的驱动方面，存在着许多问题，尤其是栅源电压尖峰的方面。当变换器处于中大功率的应用背景下，开关管的开关过程中存在剧烈电压电流突变和震荡情况，这些功率回路中的电压和电流震荡将通过开关管的寄生电容，寄生电感耦合至驱动回路，在驱动回路中产生电压尖峰，可能导致驱动回路产生过电压以及误开通的问题。

目前，为了减小桥臂结构开关管驱动回路的电压尖峰，比较简单有效的方法就是改变驱动回路中驱动电阻的数值大小，传统意义上来说，较大的驱动电阻将减小开关管开关切换的速度。但这一方法面临着许多问题，首先，栅源电压的尖峰大小和电阻大小的数值关系并不是单调的；其次，在中大功率的应用背景下，通过改变电阻大小的方式调整电压尖峰的效果并不明显，这一方法有着局限性；最后，常规情况下，一般采用试错法来挑选驱动电阻，这一过程的工作量较大并且挑选出的电阻只适用于某一范围的电流电压应力。目前，在驱动回路中增加钳位电路的方法能对限制电压尖峰起到部分作用，但是，依然面临着适用范围窄的问题，并且引入过多的器件也将加大驱动回路的寄生电感，进一步加大尖峰。智能驱动IC是一种比较新型的驱动电压尖峰解决方案，但是也面临着调节范围窄的问题。在功率侧并联电容以减缓充电放电速度，实现降低电压电流对驱动回路干扰的方法，难以选择合理的电容容值，并且会加大开关损耗。

发明内容

本发明公开一种桥臂开关管栅源电压尖峰调节装置与实现方法。具体上是通过在开关管的功率端两级接入容值合理的可变电容，这将减小开关管后续的电流电压震荡情况，进一步减小震荡传导至驱动回路所引起的电压尖峰。传统上，对开关管并联电容可视作增大开关管的寄生结电容，这将减缓开关管的开关速度进而导致较大的开关损耗。本发明中，通过控制电路结构中的辅助开关的开通与关断，在开关过程结束后接入电容，此方法不会引起额外的开关损耗并且能有效的限制电压电流振铃，从而减小功率回路振铃对驱动回路的影响。同时，通过对桥臂开关切换过程的建模分析，本发明公开了此装置对应的控制逻辑以及具体实现方法，在具体的实现过程中，通过对栅源电压的检测得到电压尖峰的数值，通过此数值可以计算得到可变电容的具体数值。该发明相比于传统上限制桥臂开关管栅源电压尖峰的方法，具有较好的通用性以及更宽的适用范围。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为传统的同步boost变换器拓扑；

图2为桥臂结构开关切换过程的栅源电压、漏源电流、漏源电压波形图；

图3为本发明所公开的可自动调节桥臂结构栅源电压的装置；

图4为经过调整后的波形图与调整前波形图的对比；

图5为具体实现方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以同步boost变换器为例，展开对本发明的详细实施过程：

图1为同步boost变换器的结构，以上管Q ₁关断，同时下管Q ₂开通为例。当上管完全处于关断状态时，下管并未进入导通状态，此时上管将会进入二极管导通续流阶段，此过程持续的时间由人为设置的死区时间决定，但此续流过程将引起较大的二极管导通压降，造成损耗，因此，在合理的死区时间下，续流过程可以省略，此时，上管的关断以及下管的开通将处于同步进行的状态。

图2为同步boost变换器在上管关断，下管开通切换过程中的波形。由于在开关管的漏源极上产生的电压电流变化将通过寄生参数耦合至驱动回路，在驱动回路中产生电压尖峰，具体的关系可以表示为：

上式L _G为驱动电路寄生电感，R _G为驱动电阻，i _G为驱动电流，C _rss为开关管反向寄生电容，C _iss为开关管输入寄生电容，L _CS为共源电感。当t=t ₀时，上管的栅源电流过零，同时下管的栅源电流达到电感电流值，此时可以视作上管和下管已经完成了开关切换过程，即将进入振铃阶段。由于上管已经完全关闭，同时下管的电压已经降至0V并保持不变，上管的漏源电流与电压的关系，以及下管的漏源电流可以表示为：

上式L _loop和R _loop分别为环路寄生电感与环路高频震荡电阻，I _L为电感电流，C _oss为开关管的输出寄生电容，此时上管的栅源电压正处于最大值V _ds,max+V _out。

在上开关管Q ₁的关断过程中，由于此时的电流处于较小的值，因此功率回路电流通过共源电感对驱动回路的干扰远远小于功率回路电压通过反向电容对驱动回路的干扰，同时，驱动回路中寄生电感的压降远小于驱动电阻上的压降，因此不妨将上管的驱动回路方程表示为：

对功率回路的方程进行解微分方程处理，可以得到：

将求解结果带入驱动回路方程中，可以得到最终寄生参数与栅源电压之间的关系。

对于下管而言，由于当漏源电压下降至0V后将保持不变不发生振铃现象，但此时漏源电流较大，会通过共源电感对驱动回路构成影响，此时：

类似地，根据上式，可以化简得到下管Q ₂的驱动回路电压值与开关管Q ₁寄生参数之间的关系。

在振铃阶段中，振铃的周期与赋值与环路的RLC参数有关，如果电容的值增大，则会加大振铃的周期，并且减小振铃的幅值，因此，采用改变振铃阶段开关管的寄生电容大小来改变振铃幅值是可行的方法。并且在桥臂结构的结构中，由于在合理的死区时间下，两个开关管可视作同时进入开关切换过程，因此改变其中一个开关管的寄生电容会同时改变两个开关管的栅源极电流电压波形，进一步地，改变两个开关管的栅源电压波形。

图3为具体的实现装置，相比与同步boost变换器的桥臂结构，增加了第一电压传感器模块，第二电压传感器模块，第三电压传感器模块，第四电压传感器模块，第五电压传感器模块，第一双掷开关，第二双掷开关，第一可变电容，第二可变电容，CPU模块，电流传感器，第一辅助开关，第二辅助开关。具体的实施方法如下：

S1：变换器正常工作，第一电压传感器模块与第二电压传感器模块持续检测栅源电压的值，并且与最大允许驱动电压V _gs,max和阈值电压V _th进行比较。

S2：当检测到开关管的栅源电压超过V _gs,max或V _th时，以上管关断时出现过阈值电压，下管开通时出现过最大允许驱动电压为例，CPU将对辅助开关与可变电容进行调整。

S3：第三电压传感器模块，第四电压传感器模块和第五电压传感器模块将电压差值传递到CPU模块，当第三电压传感器模块出现峰值时，同时上管Q ₁的漏源电流过零，可视作上管Q ₁已经完成关断过程，此时下管的漏源电压已经保持为零，所以此时第三电压传感器模块，第四电压传感器模块和第五电压传感器模块的电压差值为上管的电压峰值超出上管稳定电压应力的值，记作V _ds,max，同时电流传感器将电感电流值传递给CPU模块。

S4：CPU控制第一双掷开关将开关调至1号位，控制第二双掷开关将开关调制4号为，将第一电压传感器和第二电压传感器所监测的到栅源电压峰值与参考值之间的电压差Δv _gs1和Δv _gs4传输至CPU模块。

S5：通过上述功率回路与驱动回路的微分方程所推导出来的栅源电压大小与开关管寄生参数之间的表达式，得到的函数关系：

其中，ΔC _oss,Q11为Δv _gs1调整至0的电容大小，也就是将上管的栅源电压尖峰调整至阈值电压以下所需要的额外电容值；ΔC _oss,Q12为Δv _gs4调整至0的电容大小，也就是将下管的栅源电压尖峰调整至最大允许驱动电压以下所需要的额外电容值。实际上的补偿值ΔC ₁大于等于ΔC _oss,Q11和ΔC _oss,Q11。

S6：CPU模块对第一可变电容进行调整，完成调整后，在接下来的一个周期的上管关断时刻，上管的漏源电压出现峰值时，控制第一辅助开关导通，经过短暂的延时后，第一可变电容正式与上管Q ₁完成并联，在振铃阶段，上管Q ₁总体的输出电容值为C _oss,Q1和可变电容容值C ₁之和。

S7：在此周期的振铃阶段，加入额外电容的开关管的振铃的震荡周期将会延长，并且震荡幅度变小，总体来看减小了dv _ds/dt和di _d/dt，从而减小了电压振铃对上管的干扰以及电流振铃对下管的干扰，避免发生误开通与过电压现象。

S8：当检测到上管和下管的栅源电压的变化率接近零时，CPU控制第一辅助开关关断，此后的上管关断，下管开通的开关切换周期，CPU都将控制第一辅助开关在漏源电压出现峰值时开通，在栅源电压稳定后关断。

S9：当下管处于关断过程，上管处于开通过程，类似地，CPU将第一双掷开关调整为2号位，第二双掷开关调整为3号位，CPU模块根据Δv _gs2和Δv _gs3按照相同的原理整定出下管的第二可变电容的容值C ₂，并且在下管出现漏源电压尖峰时将第二辅助开关开通，增大下管Q ₂的输出电容，进一步地减小了dv _ds/dt和di _d/dt，从而避免下管驱动发生误开通，上管驱动发生过电压现象。

经过电容补偿后的波形图如图4所示，步骤流程图如图5所示。

Claims (8)

1.一种桥臂开关管栅源电压尖峰调节的实现方法，其主要结构除基本的桥臂结构外，还包括第一电压传感器模块、第二电压传感器模块、第三电压传感器模块、第四电压传感器模块、第五电压传感器模块、第一辅助开关、第二辅助开关、第一双掷开关、第二双掷开关、电流传感器模块、CPU模块、第一可变电容、第二可变电容，其中：

第一可变电容通过第一辅助开关与上侧开关管并联；第二可变电容通过第二辅助开关与下侧开关管并联；第一电压传感器模块并联在上侧开关管的栅源极，对上侧开关管栅源电压尖峰进行监测；第二电压传感器模块并联在下侧开关管的栅源极，对下侧开关管栅源电压尖峰进行监测；第三电压传感器模块并联在上侧开关管的漏源极，对上侧开关管的漏源电压进行采样；第四电压传感器模块并联在下侧开关管的漏源极，对下侧开关管的漏源电压进行采样；第五电压传感器模块并联在输出端；第一双掷开关接在上侧开关管的栅源电压对CPU模块的输入端，控制上侧开关管输入CPU模块的电压差值类型；第二双掷开关接在下侧开关管的栅源电压对CPU模块的输入端，控制下侧开关管输入CPU模块的电压差值类型，调节方法具体的实施步骤包括：

S1.电压传感器对驱动电压进行采样监测，并于参考值对比；

S2.监测到驱动电压过阈值或超过最大允许电压时，CPU模块开始工作；

S3.电压传感器和电流传感器将部分功率回路的电压电流值传递给CPU模块；

S4.CPU模块对双掷开关进行调整，将上管和下管的驱动电压与参考值的差值传递给CPU模块；

S5.CPU模块依据驱动电压差值与部分驱动回路的电压电流值，按照所提供的公式与方程进行求解计算，得到可变电容值；

S6.在临近的下一个周期时，当开关管的漏源电压产生峰值时，CPU模块控制对应的辅助开关管导通，实现可变电容并接；

S7.经过补偿后的开关管输出电容，能有效地避免开关管的电压电流振铃所引起的驱动电压问题；

S8.当检测到驱动电压趋于稳定时，CPU模块控制辅助开关管关断；

S9.相反的开关周期中，CPU模块控制另一个开关管的可变电容进行调整，避免驱动电压问题。

2.根据权利要求1所述的一种桥臂开关管栅源电压尖峰调节的实现方法，其特征在于，对于栅源电压尖峰大小的调整，是通过在开关管的漏源极接入可变电容，增大开关管的等效输出电容，减小漏源极电压电流变化率，最终减小栅源电压尖峰。

3.根据权利要求1所述的一种桥臂开关管栅源电压尖峰调节的实现方法，其特征在于，可变电容是通过辅助开关并联接在开关管的漏源极的，并且在开关切换过程完成后，变换器进入振铃阶段时进行接入，此方法既可以增大振铃阶段开关管的等效输出电容容值，又可以避免开关切换过程大电容导致的减缓切换速度和过多的开关损耗。

4.根据权利要求1所述的一种桥臂开关管栅源电压尖峰调节的实现方法，其特征在于，可变电容大小的整定，是通过对振铃阶段采用微分方程进行建模后，可以经过化简得到栅源电压与开关管寄生参数之间的关系，控制其他参数为常数，进一步得到开关管输出电容与栅源电压尖峰之间的函数关系，CPU模块可以根据此函数关系对可变电容容值进行定量调整。

5.根据权利要求1所述的一种桥臂开关管栅源电压尖峰调节的实现方法，其特征在于，可以通过控制桥臂中单个可变电容的接入，实现两个开关管的栅源电压调整，避免关断过程中的开关管产生误开通现象，开通过程中的开关管产生过电压现象。

6.根据权利要求1所述的一种桥臂开关管栅源电压尖峰调节的实现方法，其特征在于，在栅源电压趋于稳定后，CPU模块控制辅助开关断开，避免下一个开关切换过程中输出电容过大引起过多开关损耗。

7.根据权利要求1所述的一种桥臂开关管栅源电压尖峰调节的实现方法，其特征在于，在相反的开关切换过程进行中，可以通过控制另一个开关管上的可变电容接入控制在相反开关切换过程中的栅源电压，避免单个周期内的四种栅源电压问题，当上侧开关管处于关断过程时，控制上侧可变电容的接入避免上侧开关管的误开通与下侧开关管的过电压；当下侧开关管处于关断过程时，控制下侧可变电容的接入避免上侧开关管的过电压与下侧开关管的误开通。

8.根据权利要求1所述的一种桥臂开关管栅源电压尖峰调节的实现方法，其特征在于，对于单个开关管的变换器，此方法能用于控制单开关管的一种开关切换过程的栅源电压尖峰。