CN112805910A - 硅基设备的性能增强 - Google Patents

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P·M·约翰逊
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Abstract

提供了一种功率转换器。功率转换器包括电连接到源或存储元件的两个或更多个混合开关电路。每个开关电路包括并联连接到硅基设备的宽带隙设备。转换器进一步包括可操作地耦合到第一和第二开关电路的每个设备的控制器。控制器被配置为通过以下步骤来操作每个混合开关电路：（i）激活硅基设备达激活时段，（ii）激活宽带隙设备达小于激活时段的预定占空比，（iii）在宽带隙设备被激活的同时停用硅基设备，以及（iv）停用宽带隙设备。例如，混合开关电路被顺序地操作以将电源的交流电转换成用于功率转换器的链路电压。

Description

硅基设备的性能增强
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年8月8日提交的美国临时申请62/716,011的权益，该申请的公开通过引用以其整体并入。
技术领域
本发明涉及包括以并联布置的多个半导体开关的开关模式功率转换器（SMPC），并且特别地涉及采用软开关技术以提供零电压开关（ZVS）和最小开关损耗的功率转换器。
背景技术
在功率电子学中，可以通过并联电连接多个半导体开关以准许一起承担负载电流来提供高电流功率能力。例如，多个不同的开关设备已经以并联布置使用，因为它们与单个开关相比提供了具有低得多的导电电阻的混合开关电路。进一步举例来说，Si MOSFET和GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）已经以并联布置使用，以用更快的GaN HEMT开关速度来增加Si MOSFET开关速度。
例如，在ZVS应用中，两个设备都以零电压应力接通，并且GaN设备携带关断应力，从而允许混合开关电路受益于GaN设备的更快的下降时间和更低的Eoff损耗。同样举例来说，在硬开关应用中，GaN设备首先接通且最后关断。这需要更复杂的控制，但是也允许组合受益于GaN的更快的上升和下降时间以及更低的Eon和Eoff损耗。然而，在ZVS和硬开关两者的导电区域期间，GaN设备必须与Si设备共享电流，这由于GaN的差的热特性而限制了混合开关电路的电流能力，GaN的差的热特性继而是由于其小的管芯尺寸结合硅的差的热传导引起的。因此，仍然存在对于一种改进的开关电路的持续需要，例如功率转换器，其使用GaN设备和/或其它宽带隙（WBG）设备来优化Si设备的操作。
图1图示了现有技术SMPC，并且被包括作为本发明的背景技术。图1总体上示出了混合开关在SMPC中的作用。SMPC总体上被标志为100，并且由谐振电路拓扑结构180、受控电流源140、开关S1和S2以及任意源或存储元件VDClink进行建模。受控电流源140表示采用ZVS的任意软开关拓扑结构的行为。S1在其两端的电压为0V时接通，这允许SMPC减小损耗。
发明内容
提供了SMPC和相关的开关顺序。在一个实施例中，SMPC包括作为半桥的在公共节点处电连接到电源的第一混合开关电路和第二混合开关电路。每个混合开关电路包括宽带隙（WBG）设备，例如GaN HEMT，其并联连接到硅基设备，例如Si MOSFET。转换器进一步包括可操作地耦合到第一和第二开关电路中的每个设备的控制器。控制器被配置为通过以下步骤来按顺序地且分别地操作第一混合开关电路和第二混合开关电路：（i）激活一个混合开关电路的硅基设备达激活时段，（ii）激活相同混合开关电路的WBG设备达小于激活时段的预定占空比，（iii）在WBG设备被激活的同时停用硅基设备，以及（iv）停用WBG设备。
在作为软开关SMPC内的半桥的一种操作方法中，控制器激活第一硅基设备达激活时段，激活第一WBG设备达小于激活时段的预定占空比，并且在第一WBG设备被激活的同时停用第一硅基设备。在第一WBG被停用之后，控制器然后激活第二硅基设备达激活时段，激活第二WBG设备达小于激活时段的预定占空比，并且在第二WBG设备被激活的同时停用第二硅基设备。
在作为双有源桥（DAB）SMPC的另一种操作方法中，八个混合开关电路包含并联连接的WBG设备和硅基设备。四个混合开关电路以全桥拓扑结构连接在变压器的两侧上。当给定的混合开关电路两端的电压为零时，控制器激活对应的硅基设备达激活时段，并然后激活对应的WBG设备达小于激活时段的预定占空比。当WBG设备仍然活动时，硅基设备被停用。在硅基设备被停用之后，WBG在下一个混合开关电路被激活之前被停用。
本发明提供了优于现有拓扑结构的许多优点。通过在硅基设备关断的同时使用WBG设备仅达短的时段，WBG设备中的RMS电流被保持为低。因此，本发明可以用于在硅基设备的换向期间吸收比其连续额定值更大的电流，而不侵犯其安全操作区域。这允许与硅基设备并联的更低数量的WBG设备和/或具有更低电流额定值的更便宜的WBG设备。此外，通过在并联硅基设备的导电期间保持WBG设备关断，i2R损耗主要局限于硅基设备，该硅基设备可以利用其更大的管芯来吸收和耗散热应力。当根据附图和所附权利要求观察时，根据本发明的以下描述，本发明的这些和其它特征和优点将变得显而易见。
附图说明
图1是利用ZVS的现有技术SMPC的实施例。
图2是根据一个实施例的电路图。
图3是用于图2的电路的操作的时序图。
图4是根据另一个实施例的电路图。
具体实施方式
参考图2，图示了包括半桥的功率转换器，该功率转换器总体上被标志为10。功率转换器10是在本实施例中提供ZVS的SMPC，并且包括连接到半桥转换器的谐振电路拓扑结构18。功率转换器10还包括可操作地耦合到第一和第二混合开关电路S1和S2中的每个开关的控制器12。混合开关电路S1和S2在公共节点16处电连接到受控电流源14。每个混合开关电路S1和S2包括沿着相应的第一和第二分支并联连接的第一和第二不同的开关。每个并联开关电路S1和S2包括并联连接到WBG设备的硅基设备。在所图示的实施例中，硅基设备是SiMOSFET，并且WBG设备是GaN HEMT。其它硅基设备可以包括例如Si绝缘栅双极晶体管（IGBT）。其它WBG设备可以包括例如氮化硅设备、碳化硅设备、氮化硼设备、氮化铝设备和具有金刚石材料的半导体设备。
如上所述，控制器12可操作地连接到开关设备中的每个，使得每个开关设备可以独立地接通和关断。输入节点16连接到受控电流源14并且接受AC电流ihb，并且电压源Vlink串联连接在两个并联电路两端。受控电流源14被描绘为对谐振转换器拓扑结构18的行为进行建模。AC电流不一定是正弦的或具有固定频率，并且可以是高频波形。例如，在其中SMPC被实施为双有源桥（DAB）转换器的实施例中，DAB变压器的漏电感在混合开关电路S1和S2两者都关断的时段期间充当电流源，从而迫使电流进入或离开中点，从而将中点电压从一个轨移动到另一个轨。漏电感中的电流同时由其两端的电压驱动，该电压包括中点电压。因此，电流在其驱动半桥电压时改变。此外，图2中的电压源Vlink表示跨混合开关电路S1和S2的半桥连接、通过SMPC拓扑结构或通过连接到负载而创建的任意源或存储元件。谐振电路拓扑结构18表示较大的电路拓扑结构，其与S1和S2组合包括位于电源和负载之间的整个SMPC。
在图3底部所示的ZVS应用中，控制器12被配置为以下面的方式操作WBG设备和硅基设备中的每一个。首先，S1或S2的硅基设备被接通达激活时段。将近激活时段结束时，对应的WBG设备被接通达小的占空比。硅基设备在WBG设备的占空比期间被关断，在占空比期间之后WBG设备被关断。控制器12等待预定的延迟时段，并然后接通另一个硅基设备达等效的激活时段。将近激活时段结束时，对应的WBG设备被接通达小的占空比。硅基设备在WBG设备的占空比期间被关断，在占空比期间之后WBG设备被关断。控制器12等待预定的延迟时段，并然后再一次开始该过程。预定延迟时段等同于与将要被激活的混合开关电路相对应的漏极到源极电压（Vds1、Vds2）达到零所花费的时间。用于每个开关电路的硅基设备仅在对应的电压Vds1、Vds2超过零伏并且被硅基设备的反并联二极管箝位时接通，在本实施例中大约在0V和7V之间。本领域技术人员将注意到，在图3顶部处的波形对于概念化是高度理想化的。理想化的波形仅用于演示，并且决不限制本发明的操作。
参考图4，示出了双有源桥（DAB）SMPC并且其总体上被标志为20。标记为S1至S8的八个混合开关电路以两个全桥配置连接，在变压器的每一侧上一个全桥配置。每个混合电路包含并联连接的WBG设备和硅基设备。控制器22可操作地耦合到每个混合开关电路中的每个设备。控制器22使用ZVS技术操作SMPC。控制器22通过以下步骤来操作每个开关电路：首先激活硅基设备达激活时段，并然后激活WBG设备达小于激活时段的小的占空比。在WBG设备被激活的同时，硅基设备被停用，并且控制器直到WBG设备被停用为止才激活下一个开关电路。
在上述方法中，由于上述延迟时段，硅基设备和WBG设备以零电压应力接通。在导电期间仅使用硅基设备以利用其更大的管芯来增强热性能。这还允许并联开关电路接受比若两个开关都接通时的电流更大的电流，因为该电路不受WBG设备的较差的热特性的限制，较差的热特性继而是由于其小的管芯尺寸导致的。在硅基设备的接通期间接通WBG设备没有显著的益处，因为硅基设备在接通期间是软开关的并且具有足够快的上升时间。
在换向期间使用WBG设备来承担电压应力，并利用其相对于硅基设备的更快的下降时间和更低的Eoff损耗。在硅基设备被关断的同时使用WBG设备仅达短的时段具有额外的优点。例如，它将WBG设备中的RMS电流保持为低，并且因此设备可以在硅基设备的换向期间吸收比其连续额定值更大的电流。这意味着可以与硅基设备并联使用更低数量的WBG设备和/或可以与硅基设备并联使用具有更低电流额定值的更便宜的WBG设备。
当WBG设备被激活时，在硅基设备被关断的同时硅基设备两端的电压被保持为低。这消除了硅基设备的关断损耗和其米勒坪（miller plateau），从而增加了其关断速度。由于WBG设备具有显著更快的下降时间和更小的关断损耗，所以可以减少开关损耗和总关断时间两者。在硅基设备的导电时段期间不激活WBG设备允许i2R损耗主要局限于硅基设备。这是最佳的，因为硅基设备可以使用其更大的管芯来比WBG设备更有效地吸收和耗散热应力。另外，硅基设备还可以吸收和耗散比WBG设备更大量的热应力。
以上描述是本发明的当前实施例的描述。在不脱离本发明的精神和更广泛的方面的情况下，可以进行各种更改和改变。本公开是出于说明的目的而呈现的，并且不应被解释为对本发明的所有实施例的详尽描述，或者将权利要求的范围限制于结合这些实施例图示或描述的具体元件。以单数形式对元件的任何引用（例如，使用冠词“一”、“一个”、“该”或“所述”）不应被解释为将元件限制为单数。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种用于在开关模式功率转换器中实现零电压开关的方法：
提供串联电连接的第一和第二混合开关电路，所述第一混合开关电路包括并联连接到第一硅基设备的第一宽带隙设备，所述第二混合开关电路包括并联连接到第二硅基设备的第二宽带隙设备；
激活所述第一硅基设备达第一激活时段；
在所述第一激活时段结束时激活所述第一宽带隙设备达小于所述第一激活时段的第一占空比，以掩盖所述第一硅基设备的停用；
激活所述第二硅基设备达第二激活时段；以及
在所述第二激活时段结束时激活所述第二宽带隙设备达小于所述第二激活时段的第二占空比，以掩盖所述第二硅基设备的停用。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在所述第二硅基设备的所述激活之前、在所述第一硅基设备的所述停用之后等待延迟时段。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述延迟时段等于或大于所述第一混合开关电路中的电压达到零所花费的时间。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一硅基设备和所述第二硅基设备各自包括硅MOSFET或硅IGBT。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一宽带隙设备和所述第二宽带隙设备选自由氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）、氮化硼（BN）、铝（AlN）和金刚石组成的分组。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一宽带隙设备的所述第一占空比等于所述第二宽带隙设备的所述第二占空比。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一硅基设备的所述第一激活时段等于所述第二硅基设备的所述第二激活时段。
8.一种混合设备，包括：
第一混合开关电路和第二混合开关电路，每个混合开关电路包括并联连接到硅基设备的宽带隙设备；以及
控制器，所述控制器电连接到所述第一混合开关电路和所述第二混合开关电路；
其中所述第一混合开关电路和所述第二混合开关电路在公共节点处电连接到电源；
其中所述控制器被配置为根据下面的开关顺序分别操作所述第一混合开关电路和所述第二混合开关电路：
（i）激活所述硅基设备达激活时段，
（ii）激活所述宽带隙设备达小于所述激活时段的预定占空比，以及
（iii）在所述宽带隙设备被激活的同时停用所述硅基设备，
其中所述第一和第二混合开关电路被顺序地操作以将所述电源的交流电转换成用于功率转换器的链路电压。
9.根据权利要求8所述的混合设备，其中所述第一混合开关电路和所述第二混合开关电路包括H桥的分支。
10.根据权利要求8所述的混合设备，其中所述H桥是用于双有源桥转换器的初级侧H桥。
11.根据权利要求8所述的混合设备，其中所述H桥是用于双有源桥转换器的次级侧H桥。
12.根据权利要求8所述的混合设备，其中所述第一和第二混合开关电路的所述硅基设备包括硅MOSFET或硅IGBT。
13.根据权利要求8所述的混合设备，其中所述第一和第二混合开关电路的所述宽带隙设备选自由氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）、氮化硼（BN）、铝（AlN）和金刚石组成的分组。
14.一种方法，包括：
提供串联电连接的第一和第二混合开关电路，所述第一混合开关电路包括并联连接到第一硅基设备的第一宽带隙设备，所述第二混合开关电路包括并联连接到第二硅基设备的第二宽带隙设备，其中所述第一和第二混合开关电路在公共节点处连接到电源；
激活所述第一硅基设备达激活时段；
激活所述第一宽带隙设备达小于所述激活时段的第一预定占空比；
在所述第一宽带隙设备被激活的同时停用所述第一硅基设备；
激活所述第二硅基设备达所述激活时段；
激活所述第二宽带隙设备达小于所述激活时段的第二预定占空比；以及
在所述第二宽带隙设备被激活的同时停用所述第二硅基设备，使得所述第一和第二混合开关电路将来自所述电源的交流电转换成用于功率转换器的链路电压。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述第一硅基设备和所述第二硅基设备各自包括硅MOSFET或硅IGBT。
16.根据权利要求14所述的方法，其中所述第一宽带隙设备和所述第二宽带隙设备选自由氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）、氮化硼（BN）、铝（AlN）和金刚石组成的分组。
17.根据权利要求14所述的方法，其中所述第一宽带隙设备的所述第一预定占空比等于所述第二宽带隙设备的所述第二预定占空比。
18.根据权利要求14所述的方法，进一步包括在所述第二硅基设备的所述激活之前、在所述第一硅基设备的所述停用之后等待预定延迟时段。

Claims (20)

1.一种用于在开关模式功率转换器中实现零电压开关的方法：
提供串联电连接的第一和第二混合开关电路，所述第一混合开关电路包括并联连接到第一硅基设备的第一宽带隙设备，所述第二混合开关电路包括并联连接到第二硅基设备的第二宽带隙设备；
激活所述第一硅基设备达第一激活时段；
在所述第一激活时段结束时激活所述第一宽带隙设备以掩盖所述第一硅基设备的停用；
激活所述第二硅基设备达第二激活时段；以及
在所述第二激活时段结束时激活所述第二宽带隙设备以掩盖所述第二硅基设备的停用。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括激活所述第一硅基设备以掩盖所述第一硅基设备的激活达小于所述第一激活时段的占空比。
3.根据权利要求1所述的方法，进一步包括激活所述第二硅基设备以掩盖所述第二硅基设备的激活达小于所述第二激活时段的占空比。
4.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在所述第二硅基设备的所述激活之前、在所述第一硅基设备的所述停用之后等待延迟时段。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述延迟时段等于或大于所述第一混合开关电路中的电压达到零所花费的时间。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一硅基设备和所述第二硅基设备各自包括硅MOSFET或硅IGBT。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一宽带隙设备和所述第二宽带隙设备选自由氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）、氮化硼（BN）、铝（AlN）和金刚石组成的分组。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一宽带隙设备的占空比等于所述第二宽带隙设备的占空比。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一硅基设备的所述第一激活时段等于所述第二硅基设备的所述第二激活时段。
10.一种混合设备，包括：
第一混合开关电路和第二混合开关电路，每个混合开关电路包括并联连接到硅基设备的宽带隙设备；以及
控制器，所述控制器电连接到所述第一混合开关电路和所述第二混合开关电路；
其中所述第一混合开关电路和所述第二混合开关电路在公共节点处电连接到电源；
其中所述控制器被配置为根据下面的开关顺序分别操作所述第一混合开关电路和所述第二混合开关电路：
（i）激活所述硅基设备达激活时段，
（ii）激活所述宽带隙设备达小于所述激活时段的预定占空比，以及
（iii）在所述宽带隙设备被激活的同时停用所述硅基设备，
其中所述第一和第二混合开关电路被顺序地操作以将所述电源的交流电转换成用于功率转换器的链路电压。
11.根据权利要求10所述的混合设备，其中所述第一混合开关电路和所述第二混合开关电路包括H桥的分支。
12.根据权利要求10所述的混合设备，其中所述H桥是用于双有源桥转换器的初级侧H桥。
13.根据权利要求10所述的混合设备，其中所述H桥是用于双有源桥转换器的次级侧H桥。
14.根据权利要求10所述的混合设备，其中所述第一和第二混合开关电路的所述硅基设备包括硅MOSFET或硅IGBT。
15.根据权利要求10所述的混合设备，其中所述第一和第二混合开关电路的所述宽带隙设备选自由氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）、氮化硼（BN）、铝（AlN）和金刚石组成的分组。
16.一种方法，包括：
提供串联电连接的第一和第二混合开关电路，所述第一混合开关电路包括并联连接到第一硅基设备的第一宽带隙设备，所述第二混合开关电路包括并联连接到第二硅基设备的第二宽带隙设备，其中所述第一和第二混合开关电路在公共节点处连接到电源；
激活所述第一硅基设备达激活时段；
激活所述第一宽带隙设备达小于所述激活时段的第一预定占空比；
在所述第一宽带隙设备被激活的同时停用所述第一硅基设备；
激活所述第二硅基设备达所述激活时段；
激活所述第二宽带隙设备达小于所述激活时段的第二预定占空比；以及
在所述第二宽带隙设备被激活的同时停用所述第二硅基设备，使得所述第一和第二混合开关电路将来自所述电源的交流电转换成用于功率转换器的链路电压。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述第一硅基设备和所述第二硅基设备各自包括硅MOSFET或硅IGBT。
18.根据权利要求16所述的方法，其中所述第一宽带隙设备和所述第二宽带隙设备选自由氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）、氮化硼（BN）、铝（AlN）和金刚石组成的分组。
19.根据权利要求16所述的方法，其中所述第一宽带隙设备的所述第一预定占空比等于所述第二宽带隙设备的所述第二预定占空比。
20.根据权利要求16所述的方法，进一步包括在所述第二硅基设备的所述激活之前、在所述第一硅基设备的所述停用之后等待预定延迟时段。
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