CN111313677B - 一种同步工作型SiC MOSFET Boost直流-直流变换器死区设置方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种同步工作型SiC MOSFET Boost直流‑直流变换器死区设置方法，包括以下步骤：S1、获取变换器输出电压及输入电感电流；S2、通过SiC MOSFET及其驱动的数据手册获取相关参数信息；S3、利用所提公式计算SiC MOSFET漏源电压为输出电压时的输出电荷；S4、利用所提公式计算死区时间一T₁，并将续流SiC MOSFET关断后的死区设为N倍的死区时间一，1.5≤N≤2；S5、利用所提公式计算死区时间二T₂；S6、将死区时间二T₂与N倍的T₁及变换器允许的最大死区时间T_max比较，并根据比较结果将主动SiC MOSFET关断后的死区设为死区时间二、N倍的T₁或最大死区时间。本发明不仅可以同时降低二极管与输出电容带来的损耗，而且无需死区设置硬件电路，实现简单，成本较低。

Description

一种同步工作型SiC MOSFET Boost直流-直流变换器死区设 置方法

技术领域

本发明涉及变换器技术领域，具体为一种同步工作型SiC MOSFET Boost直流-直流变换器死区设置方法。

背景技术

Boost直流-直流变换器作为常见的变换器之一，广泛应用于开关电源、光伏发电、电池能源管理等领域。传统的Boost直流-直流变换器通常采用Si IGBT(Insulated GateBipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)作为其开关器件，受限于Si IGBT的器件极限，变换器的性能已经很难满足一些应用场合的需求。SiC MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)因为其出色的动静态性能，成为取代Si IGBT的最有潜力的器件。采用SiC MOSFET构成的Boost直流-直流变换器可以运行在同步工作模式，这有利于减小器件运行时的损耗。但是由于同步工作模式存在直通风险，所以必须设置死区，即其中一个器件关断到另一个器件开通前必须设置一个间隔时间。

传统的固定死区设置虽然可以保证同步工作型SiC MOSFET Boost直流-直流变换器工作时不会出现直通问题，但是却会使变换器中二极管产生巨大的损耗或者使输出电容带来巨大的损耗，降低变换器的效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种同步工作型SiC MOSFET Boost直流-直流变换器死区设置方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种同步工作型SiC MOSFET Boost直流-直流变换器死区设置方法，包括以下步骤：

S1、获取变换器输出电压及输入电感电流；

S2、通过SiC MOSFET及其驱动的数据手册获取相关参数信息；

S3、利用所提公式计算SiCMOSFET漏源极电压为输出电压时的输出电荷；

S4、利用所提公式计算死区时间一T₁，并将续流SiC MOSFET关断后的死区设为N倍的死区时间一，1.5≤N≤2；

S5、利用所提公式计算死区时间二T₂；

S6、将死区时间二T₂与N倍的T₁及变换器允许的最大死区时间T_max比较，并根据比较结果将主动SiC MOSFET关断后的死区设为死区时间二、N倍的T₁或最大死区时间。

优选的，通过根据变换器输出电压、输入电感电流以及SiC MOSFET与其驱动板的相关参数信息，计算死区时间一T₁与死区时间二T₂。将续流SiC MOSFET关断后的死区设置为N倍的T₁，其中1.5≤N≤2，并根据T₂与N·T₁以及变换器允许最大死区时间T_max的大小比较结果，将主动SiC MOSFET关断后的死区设定为T₂、N·T₁或T_max。

优选的，还需要测量变换器输出电压v_out及输入电感电流i_L。

优选的，所述SiC MOSFET及其驱动板的参数信息包括SiC MOSFET的内部驱动电阻R_gin、输入电容C_iss、门槛电压V_th、额定工作电压V_r下的输出电容C_ossr及输出电荷Q_ossr、驱动板的驱动电阻R_driver、驱动电容C_driver、驱动电压最小值V_min及驱动电压最大值V_max。

优选的，根据以下公式计算SiC MOSFET漏源电压为输出电压v_out时的输出电荷Q_oss(v_out)：

Q_oss(v_out)＝Q_ossr-C_ossr·(V_r-v_out)。

优选的，根据以下公式计算死区时间一T₁：

将续流SiC MOSFET M₂关断后的死区时间设置为N倍的T₁，1.5≤N≤2。

优选的，根据以下公式计算死区时间二T₂：

优选的，根据比较结果将主动SiC MOSFET关断后的死区设为死区时间二T₂、N倍的T₁或变换器允许的最大死区时间T_max，具体包括：

如果死区时间二T₂满足N·T₁≤T₂≤T_max，则将主动SiC MOSFET关断后的死区时间设定为T₂；

如果死区时间二T₂满足T₂<N·T₁，则将主动SiC MOSFET关断后的死区时间设定为N·T₁；

如果死区时间二T₂满足T₂>T_max，则将主动SiC MOSFET关断后的死区时间设定为T_max。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明不仅可以同时降低二极管与输出电容带来的损耗，而且无需死区设置硬件电路，实现简单，成本较低。

附图说明

图1为根据本发明一个实施例的同步工作型SiC MOSFET Boost直流-直流变换器的结构示意图；

图2为根据本发明实施例的同步工作型SiC MOSFET Boost直流-直流变换器死区设置方法的流程图；

图3为根据本发明一个具体实施例的同步工作型SiC MOSFET Boost直流-直流变换器死区设置方法的流程图；

图4为根据本发明一个实施例的同步工作型SiC MOSFET Boost直流-直流变换器的SiC MOSFET理想驱动电压图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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。

如图1所示，本发明实施例的同步工作型SiC MOSFET Boost直流-直流变换器包括两个SiC MOSFET，即图1中的M₁与M₂，其中M₁为主动SiC MOSFET，M₂为续流SiC MOSFET，D₁与D₂分别为M₁与M₂的反并联SiC SBD(Schottky Barrier Diode,肖特基势垒二极管)。本发明实施例的同步工作型SiC MOSFET Boost直流-直流变换器可以对低压直流电进行变换，转换为可调高压直流电，提供给高压直流负载。如图1所示，V_dc为直流母线电压，L为输出电感，C为输出电容，R为高压直流负载，v_out为输出电压。

在本发明的实施例中，通过实时测量输出电压及输入电感电流的值动态调节死区时间。

如图2所示，本发明实施例的同步工作型SiC MOSFET Boost直流-直流变换器死区设置方法，包括以下步骤：

S1，获取变换器输出电压及输入电感电流。

在本发明的实施例中，可通过同步工作型SiC MOSFET Boost直流-直流变换器中已有的直流电压及电流采样单元检测变换器输出电压v_out与输入电感电流i_L。

S2，通过SiC MOSFET及其驱动的数据手册获取相关参数信息。

SiC MOSFET及其驱动板的参数信息可于厂家提供的相应数据手册中获取。在本发明的一个实施例中，需要获取的相关参数信息有SiC MOSFET的内部驱动电阻R_gin、输入电容C_iss、门槛电压V_th、额定工作电压V_r下的输出电容C_ossr及输出电荷Q_ossr、驱动板的驱动电阻R_driver、驱动电容C_driver、驱动电压最小值V_min及驱动电压最大值V_max。

S3，利用所提公式计算SiC MOSFET漏源极电压为输出电压v_out时的输出电荷。

具体地，可根据以下公式计算此输出电荷Q_oss(v_out)：

Q_oss(v_out)＝Q_ossr-C_ossr·(V_r-v_out)。

S4，利用所提公式计算死区时间一T₁，并将续流SiC MOSFET关断后的死区设为N倍的死区时间一，1.5≤N≤2。

具体地，可根据以下公式计算死区时间一T₁：

将续流SiC MOSFET关断后的死区时间设定为N倍的死区时间T₁，其中，1.5≤N≤2，N为裕量系数，即将续流SiC MOSFET关断后的死区时间设定为(1.5～2.5)×T₁。

S5，利用所提公式计算死区时间二T₂。

具体地，可根据以下公式计算死区时间二T₂：

S6，将死区时间二T₂与N倍的T₁及变换器允许的最大死区时间T_max比较，并根据比较结果将主动SiC MOSFET关断后的死区设为死区时间二、N倍的T₁或变换器允许的最大死区时间。

具体地：如果死区时间二满足N·T₁≤T₂≤T_max，则将主动SiC MOSFET关断后的死区时间设定为T₂；如果死区时间二T₂满足T₂<N·T₁，则将主动SiC MOSFET关断后的死区时间设定为N·T₁；如果死区时间二T₂满足T₂>T_max，则将主动SiC MOSFET关断后的死区时间设定为变换器允许的最大死区时间T_max。

在一个具体实施例中，如图3所示，同步工作型SiC MOSFET Boost直流-直流变换器死区设置方法可包括以下步骤：

S101，测量变换器输出电压及输入电感电流。

S102，从SiC MOSFET及对应驱动数据手册读取相关参数，包括SiC MOSFET的内部驱动电阻、输入电容、门槛电压、额定工作电压下的输出电容及输出电荷、驱动的驱动电阻、驱动电容、驱动电压最小值及驱动电压最大值。

S103，计算SiC MOSFET漏源极电压为输出电压时的输出电荷。

S104，利用所提公式计算死区一T₁，将M₂关断后的死区设为N倍T₁，其中1.5≤N≤2。

S105，利用所提公式计算死区二T₂。

S106，根据可实现性确定M₁关断后的死区最大允许值T_max。

S107，判断T₂与N·T₁及T_max的大小关系。如果T₂<N·T₁，则执行步骤S108；如果N·T₁≤T₂≤T_max，则执行步骤S109；如果T₂>T_max，则执行步骤S110。

S108，将M₁关断后的死区设为N·T₁。

S109，将M₁关断后的死区设为T₂。

S110，将M₁关断后的死区设为T_max。

也就是说，本发明实施例的续流SiC MOSFET关断后的死区与主动SiC MOSFET关断后的死区需要单独设置，其中续流SiC MOSFET关断后的死区由SiC MOSFET及其驱动板的相关参数决定，主动SiC MOSFET关断后的死区不仅与SiC MOSFET及其驱动板的相关参数有关，还由变换器实时输出电压及输入电感电流决定。

下面以图1为例详细说明同步工作型SiC MOSFET Boost直流-直流变换器的工作过程及对应的死区。

首先，M₁开通，电流的流通路径为直流电源V_dc正极流向电感L再通过M₁的沟道回到V_dc负极；然后，M₁开始关断，此时M₂并不立刻开通，M₁沟道中的电流逐渐减小，D₂中的电流逐渐增大；在M₁开始关断(M₁驱动电压开始下降)经一段时间后，M₂开始开通(M₂驱动电压开始上升)，M₂的沟道开始续流。当M₂导通一段时间后，其开始关断，此时M₁并不立刻开通，M₂沟道中的电流逐渐减小，D₂中的电流逐渐增大；在M₂开始关断(M₂驱动电压开始下降)经一段时间后，M₁开始开通(M₁驱动电压开始上升)。这便是同步工作型SiC MOSFET Boost直流-直流变换器的工作过程。

从M₂驱动电压开始下降到M₁驱动电压开始上升之间的间隔时间便为续流SiCMOSFET关断后的死区；从M₁驱动电压开始下降到M₂驱动电压开始上升之间的间隔时间便为主动SiC MOSFET关断后的死区，如图4所示。为了计算这两个死区时间，需要考虑SiCMOSFET的驱动电压从V_max下降到门槛电压V_th的时间T_f、SiC MOSFET M₁关断时驱动电压从下降到门槛电压V_th开始到其漏源电压达到输出电压v_out的时间T_d以及SiC MOSFET的驱动电压从V_min上升到门槛电压V_th的时间T_r。这三个时间分别为：

式中，R_gin、C_iss及V_th分别为SiC MOSFET的内部驱动电阻、输入电容及门槛电压，R_driver、V_min及V_max分别为驱动板的驱动电阻、驱动电压最小值及驱动电压最大值，i_L为输入电感电流，Q_oss(v_out)为SiC MOSFET漏源极电压为输出电压v_out时的输出电荷，其计算公式为：

Q_oss(v_out)＝Q_ossr-C_ossr·(V_r-v_out)

式中，C_ossr及Q_ossr为SiC MOSFET漏源电压为额定电压V_r时的输出电容及输出电荷。

对于续流SiC MOSFET M₂关断后的过程而言，当其驱动电压从V_max降为V_th时，M₁的驱动电压正好从V_min上升到V_th，则可以保证M₁与M₂不会产生直通且D₂不会产生额外的损耗，所以此死区时间可以设为：

为了防止SiC MOSFET及其驱动的参数不准确以及温度、电磁干扰对死区带来的影响，在设置续流SiC MOSFET关断后的死区时需要考虑一定的裕量，一般取1.5～2.5倍的T₁作为续流SiC MOSFET关断后的死区时间。

对于主动SiC MOSFET M₁关断后的过程而言，其驱动电压从V_max降为V_th后，其漏源电压逐渐上升到输出电压v_out时，M₂的驱动电压正好从V_min上升到V_th，则可以保证M₁与M₂不会产生直通且M₂的输出电容不会产生额外的损耗，所以此死区时间可以设为：

从式中可以得知，当输入电感电流i_L过小时，死区将非常大，实际电路中无法实现，当i_L过大时，死区将接近上述死区时间一T₁。为此，设置两个门槛值N·T₁(其中，N为裕量系数，且1.5≤N≤2)及变换器允许最大死区T_max，当N·T₁≤T₂≤T_max，主动SiC MOSFET关断后的死区时间设定为T₂；当T₂<N·T₁，则将主动SiC MOSFET关断后的死区时间设定为N·T₁；当T₂>T_max，则将主动SiC MOSFET关断后的死区时间设定为T_max。

采用此方法，实时测量输出电压v_out及输入电感电流i_L的值，便可以在同步工作型SiC MOSFET Boost直流-直流变换器输出电压及功率改变时动态调整死区时间，使变换器可靠工作的同时，减小二极管损耗与输出电容带来的损耗，提高效率。

综上所述，根据本发明实施例的同步工作型SiC MOSFET Boost直流-直流变换器死区设置方法，通过根据SiC MOSFET及其驱动板的参数信息以及输出电压、输入电感电流的测量值，便可以得到死区时间一T₁及死区时间二T₂。将续流SiC MOSFET关断后的死区设定为N倍的T₁，1.5≤N≤2，并根据T₂与N·T₁以及变换器允许的最大死区T_max的比较结果，将主动SiC MOSFET关断后的死区设为T₂、N·T₁或T_max。由此，可以减小变换器运行时的二极管损耗与输出电容带来的损耗，而且，由于此死区设置方法通过软件实现，无需额外的硬件电路，所以具有成本低、易于实现的优点。

综上所述，本发明不仅可以同时降低二极管与输出电容带来的损耗，而且无需死区设置硬件电路，实现简单，成本较低。

本发明未详述之处，均为本领域技术人员的公知技术。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (1)

1.一种同步工作型SiC MOSFET Boost直流-直流变换器死区设置方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、获取变换器输出电压及输入电感电流；

S2、通过SiC MOSFET及其驱动板的数据手册获取相关参数信息；

S3、利用公式一计算SiC MOSFET漏源电压为输出电压时的输出电荷；

所述SiC MOSFET及其驱动板的参数信息包括SiC MOSFET的内部驱动电阻R_gin、输入电容C_iss、门槛电压V_th、额定工作电压V_r下的输出电容C_ossr及输出电荷Q_ossr、驱动板的驱动电阻R_driver、驱动电容C_driver、驱动电压最小值V_min及驱动电压最大值V_max；变换器输出电压v_out及输入电感电流i_L；

所述公式一为：Q_oss(v_out)＝Q_ossr-C_ossr·(V_r-v_out)；

S4、利用公式二计算死区时间一T₁，并将续流SiC MOSFET关断后的死区设为N倍的死区时间一，1.5≤N≤2；

所述公式二为：

将续流SiC MOSFET关断后的死区时间设置为N倍的T₁，1.5≤N≤2；

S5、利用公式三计算死区时间二T₂；

所述公式三为：

S6、将死区时间二T₂与N倍的T₁及变换器允许的最大死区时间T_max比较，并根据比较结果将主动SiC MOSFET关断后的死区设为死区时间二、N倍的T₁或最大死区时间；具体包括：

如果死区时间二T₂满足N·T₁≤T₂≤T_max，则将主动SiC MOSFET关断后的死区时间设定为T₂；

如果死区时间二T₂满足T₂<N·T₁，则将主动SiC MOSFET关断后的死区时间设定为N·T₁；

如果死区时间二T₂满足T₂>T_max，则将主动SiC MOSFET关断后的死区时间设定为T_max。

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