CN113131723B - 适用于增强型氮化镓器件的半桥电路死区优化设置方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于增强型氮化镓器件的半桥电路死区优化设置方法，适用于氮化镓器件的技术领域；首先将基于增强型氮化镓高电子迁移率晶体管eGaN HEM的半桥电路中续流管关断、主开关管开通与主开关管关断、续流管开通的过程划分为数个阶段；确定半桥电路中点到负载中点的电流方向并判断主开关管和续流管；获取半桥电路及eGaN HEMT的参数信息；求得开关各个阶段的方程组的数值解；通过数值解得到开关过程中每个阶段的持续时间；根据开关过程各阶段的持续时间计算出续流管关断、主开关管开通与主开关管关断、续流管开通过程的最优死区；根据计算出的最优死区，结合电路实际情况进行死区优化设置。实施过程简便，精确度较高，并且具有广泛的实用性。

Description

适用于增强型氮化镓器件的半桥电路死区优化设置方法
技术领域
本发明涉及一种半桥电路死区优化设置方法，尤其适用于氮化镓器件的技术领域使用的一种适用于增强型氮化镓器件的半桥电路死区优化设置方法。
背景技术
第一代半导体器件硅(Si)器件经过几十年的发展，其性能已经接近材料的极限。随着对电力电子设备性能要求的提高，新型宽禁带半导体器件(如碳化硅、氮化镓等)开始取代硅器件出现在各种电力电子领域的应用中。其中第三代半导体器件——氮化镓(GaN)功率半导体器件在性能上具有诸多方面的优势：其击穿场强较大、沟道导通电阻小、功率密度高、输入和输出电容低、开关速度极快。GaN器件的优异特性使得其在高频、高效电力电子变换器领域拥有很大的优势，因此GaN器件非常适用于电动机车、航空工业、新能源发电、微网等领域。
半桥电路是电力电子领域的基础电路，广泛存在于各种电力电子装置之中。将GaN器件应用于半桥电路中能够大幅提升电力电子装置的性能，但这也带来了诸多问题与挑战。
GaN器件具有特殊的第三象限工作特性。eGaN HEMT(enhancement mode GalliumNitride High Electron Mobility Transistor)的导通原理与Si MOSFET不同，只通过沟道中的电子进行导电，没有少子和P-N结，因此eGaN HEMT的反向续流不是通过体二极管进行的。当满足下式时，eGaN HEMT可以进行反向续流：vDS≤-Vth+vGS_off，式中vth为eGaN HEMT的栅极开通阈值电压，vGS_off为驱动芯片的驱动负压，vDS为器件漏、源极电压。当eGaN HEMT栅、源极电压被钳位在驱动负压时，若器件漏、源极电压低于驱动负压与栅极开通阈值电压之差，则eGaN HEMT即可反向导通并进行续流，该状态被称为自换向反向导通(SCRC)，一般发生于死区时间的器件续流阶段。显然当eGaN HEMT进行续流时，其漏、源极电压为一个绝对值较大的负数，因此eGaN HEMT续流损耗Eloss_deadtime＝vDSiDtdead很大，并导致它的死区损耗在其整个工作过程损耗中占比最大。在氮化镓器件的实际应用中，应尽量减小死区损耗以提高效率，因此死区时间的合理设置非常重要。
此外GaN器件高频、高开关速度的工作特性也对死区时间设置提出了较高的要求。死区时的输出电压会偏离PWM调制的电压理论值，导致畸变，并且开关频率越高，死区造成的畸变就越大。
传统的死区设置方法往往需要在实际实验中测量器件开关时的各个参数。然而氮化镓器件开关速度很快(开、管过程往往在几十纳秒左右)，并且工作频率往往较高，给实验测量带来了一定困难；并且氮化镓器件寄生参数较小，更容易受到外围电路与测量设备寄生电容、电感的影响，造成测量结果不够精确。
近年来，随着宽禁带半导体器件的发展，陆续有一些无需进行实验测量，直接对器件开关过程进行分析与计算来得到结果的死区设置方法被提出。这些死区设置方法具有简单高效的优点，但也存在一些问题，譬如几乎都省略了器件与外围电路的寄生电感，将系统简化成 RC网络来进行分析。这样虽然在计算上比较简单高效，但是由于忽略了线路寄生电感的影响，导致计算出的死区时间不够准确。此外，GaN器件与Si、SiC器件工作原理不同，这就造成了开关特性上的区别，对其他半导体器件开关过程的分析并不适用于GaN器件。
发明内容
针对上述技术的不足之处，提供一种适用于增强型氮化镓器件的半桥电路死区优化设置方法，能够克服传统死区设置方法的缺陷，提升最优死区时间计算的精确度，最大程度地降低死区带来的能量损耗及输出波形畸变的问题。并且该方法的实现无需实验测量及额外的硬件，成本较低。本方法可以应用于各种常见的GaN基电路中，譬如Buck电路、Boost电路、三相两电平逆变电路等，包括如下步骤：
适用于增强型氮化镓器件的半桥电路死区优化设置方法，针对含有半桥的电路使用，半桥电路上下开关管相同，并使用相同的驱动电路，半桥电路连接有负载，其特征在于：半桥电路的上下开关管均为增强型氮化镓高电子迁移率晶体管eGaN HEMT，且eGaN HEMT驱动电路的开通与关断回路分离；半桥电路功率回路中各开关管均无反并联的续流二极管；负载侧续流电感较大，可以在开关瞬态保持负载电流的值稳定；
其特征在于：
S1根据增强型氮化镓高电子迁移率晶体管eGaN HEMT的开通、关断特性，将基于eGaN HEMT的半桥电路中续流管关断、主开关管开通以及主开关管关断、续流管开通这两个过程在时间轴上分别划分为多个连续的阶段，分别记作A1～A3，B1～B4，每个阶段均表现开关过程中半桥电路的一种工作状态，工作状态包含数个随时间变化的电压、电流变量，当阶段中某个电压或电流变量达到临界值，使得这个阶段对应的半桥电路工作状态将不再存在时，该阶段结束，同时开始下一个阶段；
S2设从半桥电路的中点O点流向负载侧的电流方向为正向，从负载侧流向半桥中点O 点的电流方向为负向；根据电力电子电路的特性确定中点O点电流方向的正负，并根据电流方向的正负确定主开关管：若电流方向为正，则上管TS(Top Switch)为主开关管，下管BS(Bottom Switch)为续流管；而若电流方向为负，则下管为主开关管，上管TS为续流管；
S3从eGaN HEMT以及eGaN HEMT所在的半桥电路中获取相应的电路参数；
S4根据S3中得到的电路参数，列写半桥电路续流管关断、主开关管开通以及主开关管关断、续流管开通诸阶段的状态方程组；
S5利用Matlab中的ode-45函数，求得步骤S4中所有状态方程组的数值解fk(t)(k＝A1～B4)，并且根据S1中的阶段划分，令数值解fk(t)等于标志该阶段结束的临界值，求得各阶段的持续时间；
S6根据S5中得到的各阶段持续时间计算续流管关断、主开关管开通与主开关管关断、续流管开通这两个过程的理论最优死区，并结合电路的实际情况，包括负载电流、功率及开关频率这些参数为理论最优死区取一定倍数的裕度，进行死区优化设置。
S1中所述的阶段划分为：
续流管关断、主开关管开通的过程分为3个阶段，分别为：阶段A1，续流管关断延迟阶段；阶段A2，续流管关断的主要阶段；阶段A3，主开关管开通延迟阶段；阶段A1结束的标志为续流管栅漏极电压vGD＝Vth+IL/gm；阶段A2结束的标志为续流管漏源极电压vDS＝-VR；阶段A3结束的标志为主开关管栅源极电压vGS＝Vth；
主开关管关断、续流管开通的过程分为4个阶段：阶段B1，主开关管关断延迟阶段；阶段B2，主开关管关断主要阶段与主开关管-续流管换流阶段；阶段B3，剩余换流阶段；阶段B4，续流管开通延迟阶段；阶段B1结束的标志为主开关管栅源极电压vGS＝Vth+IL/gm；阶段 B2结束的标志为续流管漏源极电压vDS＝-VR；阶段B3结束的标志为主开关管漏极电流iD下降到零；阶段B4结束的标志为续流管栅源极电压vGS＝Vth。
所述S3中的电路参数包括：
eGaN HEMT输入电容Ciss、输出电容Coss、米勒电容Crss；eGaN HEMT漏极寄生电感LD，栅极寄生电感LG，共源极寄生电感LS；eGaN HEMT驱动回路电阻Ron与Roff、eGaN HEMT 栅极内部封装电阻Rin；负载电流IL、母线电压Vin、eGaN HEMT反向续流电压VR、eGaN HEMT 的自身跨导gm、eGaN HEMT开通栅极阈值电压Vth；驱动芯片的驱动正压VG_on、驱动负压 VG_off；推挽电路的内电阻ROH与ROL；以及驱动电压上升、下降时间trise与tfall；
并且将驱动芯片输出从驱动负压上升驱动正压以及从驱动正压下降到驱动负压的过程近似地看作线性的斜坡上升/下降过程，利用上述参数求取驱动芯片输出电位从驱动负压上升到驱动正压，以及从驱动正压下降到驱动负压的斜率，以及开通、关断时驱动回路的总电阻：
Figure BDA0003022644290000041
Figure BDA0003022644290000042
式中：krise为驱动芯片输出电位从驱动负压上升到驱动正压的斜率，kfall为驱动芯片输出电位从驱动正压下降到驱动负压的斜率，RG_on＝Ron+Rin+ROH为驱动回路开通总电阻，
RG_off＝Roff+Rin+ROL为驱动回路关断总电阻。
所述步骤S4中各阶段状态方程充分结合了eGaN HEMT的特性与半桥电路的实际工作情况：将驱动电路和主电路中的寄生参数(包括寄生电容、电感)、eGaN HEMT自身封装内电阻、驱动芯片推挽电路电阻及驱动芯片输出电位的上升与下降时间引入了各阶段的电路状态进行表示，从而提升了方程组的阶数与解的精确度，使之能更加精确地反映eGaN HEMT半桥的开关过程。
续流管关断、主开关管开通的过程分为A1、A2、A3三个阶段；开关管关断、续流管开通的过程分为B1、B2、B3、B4四个阶段；步骤S5中将阶段A1的持续时间定义为t1A，阶段A2的持续时间定义为t2A，阶段A3的持续时间定义为t3A，阶段B1的持续时间定义为t1B，阶段 B2的持续时间定义为t2B，阶段B3的持续时间定义为t3B，阶段B4的持续时间定义为t4B；根据各阶段结束的临界值，各阶段的持续时间如下：
t1A为阶段A1方程组的数值解之一，续流管栅漏极电压vGD(t)从VG_on下降到Vth+IL/gm所用的时间；t2A为阶段A2方程组的数值解之一，续流管漏源极电压vDS(t)从0下降到-VR所用的时间；t3A为阶段A3方程组的数值解之一，主开关管栅源极电压vGS(t)从VG_off上升到Vth所用的时间；
t1B为阶段B1方程组的数值解之一，主开关管栅源极电压vGS(t)从VG_on下降到Vth+IL/gm所用的时间；t2B为阶段B2方程组的数值解之一，主开关管漏源极电压vDS(t)从Vin下降到-VR所用的时间；t3B为阶段B3方程组的数值解之一，iD(t)从该阶段初始值下降到0所用的时间；t4B为阶段B4方程组的数值解之一，续流管栅源极电压vGS(t)从VG_off上升到Vth所用的时间；若出现两管之间的换流完成后，半桥上、下管的漏、源极电压仍未达到稳态值的情况，则t2B为iD(t)从IL下降到0所用的时间，t3B为vDS(t)从阶段初始值下降到-VR所用的时间。
所述步骤S6中根据各阶段持续时间得到最优死区时间的方法为：
对于续流管关断、主开关管开通的死区，其最优死区时间为t1A+t2A-t3A；
对于主开关管关断、续流管开通的死区，其最优死区时间为t1B+t2B+t3B-t4B。
求出最优死区时间后，根据电路负载电流、功率及开关频率的实际情况对半桥电路的死区进行优化设置，以达到最佳的效果：为保证在eGaN HEMT参数及电路参数存在误差时也不会存在直通问题，在计算出的理论最优死区的基础上增加0.5～1.5倍最优死区的额外时间裕度；若此时开关频率较高，为了减小死区对系统带来的非线性影响，则适当减小额外时间裕度；若负载电流较大，则适当增加额外时间裕度，以保证关断管彻底关断后开通管才开通。
有益效果：由于采用了上述技术方案，本发明具有如下优点：
1.无需实验测量，直接由计算得到最优死区时间，简单高效；
2.充分考虑了增强型氮化镓器件的特性以及电路中的寄生参数，具有较高的精确度；
3.本发明的死区优化设置方法建立于对增强型氮化镓器件开关过程的详细分析，通过分段式的模型量化了开关瞬态的各个变量，较为准确地计算了开关过程各阶段的时间，从而能够取得最优的死区，理论上消除了死区续流损耗，有效提高了效率；在状态方程矩阵中引入了各种寄生参数以及量化的氮化镓器件自身特性等，使之更符合实际，计算精确度更高，这些参数在以往的传统死区计算方法中往往是被忽略的，此外由于器件工作原理的差别，应用于传统硅器件的开关状态方程也不适用于氮化镓器件。
附图说明
图1是本发明一个实施例的eGaN HEMT半桥电路结构示意图，包含了各种寄生参数；
图2是本发明的eGaN HEMT半桥电路死区设置方法的流程图；
图3是本发明基于eGaN HEMT的半桥续流管关断、主开关管开通期间各阶段的电路分析图；
图4是本发明基于eGaN HEMT的半桥主开关管关断、续流管开通期间各阶段的电路分析图；
图5是本发明计算出的续流管关断、主开关管开通过程最优死区示意图；
图6是本发明计算出的主开关管关断、续流管开通过程最优死区示意图；
图7是基于eGaN HEMT的半桥电路双脉冲实验波形图，半桥电路的死区时间系由本发明中提出的方法进行优化设置的结果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例做进一步说明。
如图1和图2所示，本发明适用于增强型氮化镓器件的半桥电路死区优化设置方法，使用的电路为eGaN HEMT半桥电路，加入了等效为集总元件的寄生电容、电感。半桥电路包括直流电源、两个增强型eGaN HEMT以及负载，上管和下管均为同样型号的eGaN HEMT，即图1中的TS(Top Switch)与BS(Bottom Switch)，Vin是直流电源电压；iL为负载侧电流，并且认为负载侧续流电感较大，可以在开关瞬态保持负载电流的值稳定；O点在上管源极与下管漏极的连接处，为半桥电路的中点，并与负载侧连接。半桥上、下管使用同样的驱动电路，驱动电路中各器件的数值均相同。该半桥电路可以是独立存在，也可以是三相逆变器的一个桥臂或其他电力电子装置的一部分。该半桥电路与一般典型半桥电路的区别除了开关管为eGaN HEMT以外，还在于加入了等效为集总元件的电路寄生电容、电感，其中上管TS栅极寄生电感为LG，连接于驱动电阻RG与驱动电源VG之间；漏极寄生电感为LD，连接于直流电源Vin正极与上管漏极之间；共源极寄生电感为LS，连接于中点O点与上管源极之间；栅源极寄生电容为CGS，连接于上管栅、源极之间；栅漏极寄生电容为CGD，连接于上管栅、漏极之间；漏源极寄生电容为CDS，连接于上管漏、源极之间。下管BS的寄生参数数值与上管完全相同，下管的等效寄生参数集总元件有_bot下标，其中其中下管BS栅极寄生电感为LG_bot，连接于驱动电阻RG_bot与驱动电源VG_bot之间；漏极寄生电感为LD_bot，连接于中点O点与下管漏极之间；共源极寄生电感为LS_bot，连接于直流电源Vin负极与下管源极之间；栅源极寄生电容为CGS_bot，连接于下管栅、源极之间；栅漏极寄生电容为CGD_bot，连接于下管栅、漏极之间；漏源极寄生电容为CDS_bot，连接于下管漏、源极之间。
一种适用于增强型氮化镓器件的半桥电路死区优化设置方法，包括如下步骤：
S1根据增强型氮化镓高电子迁移率晶体管eGaN HEMT的开通、关断特性，将基于eGaN HEMT的半桥电路中续流管关断、主开关管开通以及主开关管关断、续流管开通这两个过程在时间轴上分别划分为多个连续的阶段，每个阶段均开关过程中半桥电路的一种工作状态，工作状态包含数个随时间变化的电压、电流变量，当阶段中某个电压或电流变量达到临界值，使得这个阶段对应的半桥电路工作状态将不再存在时，该阶段结束，同时开始下一个阶段；
所述的阶段划分为：
如图3所示，续流管关断、主开关管开通的过程分为3个阶段分别为图中的(A1)、(A2) 和(A3)所示，分别为：阶段A1，续流管关断延迟阶段；阶段A2，续流管关断的主要阶段；阶段A3，主开关管开通延迟阶段；阶段A1结束的标志为续流管栅漏极电压vGD＝Vth+IL/gm；阶段A2结束的标志为续流管漏源极电压vDS＝-VR；阶段A3结束的标志为主开关管栅源极电压vGS＝Vth；
如图4所示，主开关管关断、续流管开通的过程分为4个阶段分别为图中的(B1)、(B2)、 (B3)、(B4)所示：阶段B1，主开关管关断延迟阶段；阶段B2，主开关管关断主要阶段与主开关管-续流管换流阶段；阶段B3，剩余换流阶段；阶段B4，续流管开通延迟阶段；阶段B1结束的标志为主开关管栅源极电压vGS＝Vth+IL/gm；阶段B2结束的标志为续流管漏源极电压 vDS＝-VR；阶段B3结束的标志为主开关管漏极电流iD下降到零；阶段B4结束的标志为续流管栅源极电压vGS＝Vth。
每个阶段的结束就是下一个阶段的开始，每个阶段开始时电路中各变量的初值即为该变量在上个阶段结束时刻的值f(t)(A1)。
S2设从半桥电路的中点O点流向负载侧的电流方向为正向，从负载侧流向半桥中点O 点的电流方向为负向；根据电力电子电路的特性确定中点O点电流方向的正负，并根据电流方向的正负确定主开关管：若电流方向为正，则上管TS为主开关管，下管BS为续流管；而若电流方向为负，则下管下管为主开关管，上管TS为续流管；
本实施例中的eGaN HEMT半桥，中点O到负载侧的电流方向为正向，因此在该实施例中上管TS为主开关管，下管BS为续流管。
从eGaN HEMT以及eGaN HEMT所在半桥电路中获取必要的参数，包括：eGaN HEMT输入电容Ciss、输出电容Coss、米勒电容Crss；eGaN HEMT漏极寄生电感LD，栅极寄生电感 LG，共源极寄生电感LS；eGaN HEMT驱动回路电阻Ron与Roff、eGaN HEMT栅极内部封装电阻Rin；负载电流IL、母线电压Vin；eGaN HEMT反向续流电压VR、eGaN HEMT的自身跨导gm、eGaN HEMT开通栅极阈值电压Vth。其中负载电流的IL值根据电路及开关过程的具体情况取值会有所不同。以Buck电路为例，续流管关断、主开关管开通时IL应取最小值；主开关管关断、续流管开通时IL应取最大值。
由于驱动芯片输出驱动正压与驱动负压，往往是通过推挽电路实现的，而推挽电路的工作原理决定了驱动芯片的输出不是瞬间达到额定值的。
此外，推挽电路的输出侧存在电阻，这个电阻与驱动芯片外部的驱动电阻呈串联关系，使得实际的驱动回路电阻大于所选用的驱动回路电阻。
由上所述，为了获得较为精确的驱动电路参数，还需从半桥电路所使用的驱动芯片的技术手册中获取必要数据，包括：驱动芯片推挽电路的内电阻ROH与ROL；驱动正压VG_on与驱动负压VG_off；以及驱动电压上升、下降时间trise与tfall，以使得对eGaN HEMT开关过程的分析更加精确。
求取受驱动芯片影响的驱动回路参数。本方法将驱动芯片输出从驱动负压上升驱动正压以及从驱动正压下降到驱动负压的过程近似地看作线性的斜坡上升/下降过程。上升与下降的斜率分别为：
Figure BDA0003022644290000081
驱动回路开通总电阻为RG_on＝Ron+Rin+ROH，驱动回路关断总电阻为RG_off＝Roff+Rin+ROL。
根据得到的参数，为各阶段列写状态方程组。与传统的硅器件的分析不同，本方法的死区设置方法将驱动电路和主电路中的寄生参数(包括寄生电容、电感)、eGaN HEMT自身封装内电阻、驱动芯片推挽电路电阻及驱动芯片输出电位的上升与下降时间引入了各阶段的电路状态方程组中，提升了方程组的阶数与解的精确度，使之能更加精确地反映eGaNHEMT 半桥的开关过程。状态方程中下管涉及的变量带有“_bot”(bottom)下标，上管涉及的变量无特殊标记。在续流管关断延迟阶段A1期间，上管TS关断，负载电流iL经过中点O流过下管 BS进行续流，该阶段的状态方程组为:
Figure BDA0003022644290000082
微分方程组的初值为：
Figure BDA0003022644290000083
续流管关断的主要阶段A2期间，下管BS开始关断，但上管TS还未开通，负载电流iL仍然经过中点O流过下管BS进行续流；同时随着下管工作状态由导通转为反向续流，因此其漏源极电压的变化，引发上、下两管的输出电容充、放电，充、放电电流为iD，由直流电源正极发出，流经上管、中点O与下管，最终回到直流电源负极，本阶段的的状态方程组为：
Figure BDA0003022644290000091
该阶段
Figure BDA0003022644290000092
的值会发生变化。当VG下降至VG_off后，驱动芯片输出的驱动负压达到设定值，恢复稳定，
Figure BDA0003022644290000093
变为零。
微分方程组的初值为
Figure BDA0003022644290000094
主开关管开通延迟阶段A3期间，上管TS收到开通命令，但还未开通，其驱动回路由于驱动正压的出现出现了驱动电路电流iG，由驱动电源正极发出，流经驱动电阻、上管栅极和上管源极，最终回到驱动电源负极；负载电流iL仍然经过中点O流过下管BS进行续流，本阶段的状态方程组为：
Figure BDA0003022644290000101
微分方程组的初值为：
Figure BDA0003022644290000102
主开关管关断延迟阶段B1期间，上管驱动TS回路驱动电压撤去，因此其输入电容开始放电，放电电流iG由上管TS栅极发出，流经驱动电阻进入源极，栅源极电压下降；并且由于上管TS此时还未开始关断，因此直流电源输出iD等于负载电流iL，流经上管、中点O最后进入负载侧，此阶段的状态方程组为:
Figure BDA0003022644290000103
微分方程组的初值为：
Figure BDA0003022644290000104
主开关管关断主要阶段及主开关管-续流管换流阶段B2期间，上管TS开始关断，但尚未完全关断，TS驱动回路中输入电容继续放电，放电电流iG由上管TS栅极发出，流经驱动电阻进入源极；上管TS此时未完全关断，因此仍有直流电源输出iD流经上管、中点O最后进入负载侧；由于上管TS关断期间漏源极电压上升引起上、下管漏源极电压的变化，因此有电流为下管BS的输出电容充电，且下管开始由闭锁进入反向续流状态，充电电流从负载侧出发流过下管BS，其值为负载电流iL减去iD；此阶段的状态方程组为:
Figure BDA0003022644290000111
与阶段A2时的情形相似，该阶段
Figure BDA0003022644290000112
的值会发生变化。当VG下降至VG_off后，驱动芯片输出的驱动负压达到设定值，恢复稳定，
Figure BDA0003022644290000113
变为零。
微分方程组的初值为：
Figure BDA0003022644290000114
若半桥电路负载侧的电感较大或负载电流较大，则换流过程较为缓慢，所以往往当半桥上、下管的漏、源极电压达到稳态值后，两管之间的换流仍未完成，续流管仍处于反向续流状态不会开通。于是此时进入剩余暂态阶段，此时仍有上管输出电容的放电电流iG由上管TS 栅极发出，流经驱动电阻进入源极；直流电源输出流经上管和中点O最后进入负载侧的电流 iD继续减小，同时下管BS逐渐进入反向续流状态，部分负载侧电流从负载侧出发流过下管BS，并且该电流逐渐增大，其值仍为负载电流iL减去iD，直至电流完全从主开关管转移到续流管中。剩余换流阶段B3的状态方程组为:
Figure BDA0003022644290000121
微分方程组的初值为：
Figure BDA0003022644290000122
若负载电流较小，则可能出现两管之间的换流完成后，半桥上、下管的漏、源极电压仍未达到稳态值的情况，此时仍有放电电流iG由上管TS栅极发出，流经驱动电阻进入源极；电流 iD从直流电源输出，流过上管TS与中点，在中点与负载侧电流汇聚，负载侧电流iL流到中点 O与iD汇聚后，汇聚电流iL-iD流过下管BS，流过上管与下管的电流维持着它们的输出电容充放电过程，直到两管的漏、源极电压达到稳态值，则剩余暂态阶段B3的状态方程组为：
Figure BDA0003022644290000123
微分方程组的初值为
Figure BDA0003022644290000124
续流管开通延迟阶段B4期间，下管BS收到开通命令，但还未开通，其驱动回路由于驱动正压的出现了驱动电路电流iG_bot，由驱动电源正极发出，流经驱动电阻、下管栅极和下管源极，最终回到驱动电源负极，此阶段的状态方程组为:
Figure BDA0003022644290000131
微分方程组的初值为：
Figure BDA0003022644290000132
利用Matlab求解以上各阶段的微分方程组。由于这些微分方程组较为复杂，得到解析解较为困难，因此本方法选择Matlab中的ode-45函数进行微分方程组的求解，能够方便快捷地求出以上各阶段方程组在一段时间内的数值解fk(t)(k＝A1～B4)。
将阶段A1的持续时间定义为t1A，阶段A2的持续时间定义为t2A，阶段A3的持续时间定义为t3A，阶段B1的持续时间定义为t1B，阶段B2的持续时间定义为t2B，阶段B3的持续时间定义为t3B，阶段B4的持续时间定义为t4B。根据前述的各阶段结束标志，将各阶段的持续时间规定如下。
t1A为阶段A1方程组的数值解之一，下管栅漏极电压vGD_bot(t)从VG_on下降到Vth+IL/gm所用的时间；t2A为阶段A2方程组的数值解之一，下管漏源极电压vDS_bot(t)从0下降到-VR所用的时间；t3A为阶段A3方程组的数值解之一，上管栅源极电压vGS(t)从VG_off上升到Vth所用的时间。
t1B为阶段B1方程组的数值解之一，上管栅源极电压vGS(t)从VG_on下降到Vth+IL/gm所用的时间；t2B为阶段B2方程组的数值解之一，上管漏源极电压vDS(t)从Vin下降到-VR所用的时间；t3B为阶段B3方程组的数值解之一，iD(t)从该阶段初始值下降到0所用的时间；t4B为阶段B4方程组的数值解之一，下管栅源极电压vGS(t)从VG_off上升到Vth所用的时间。
若出现前述的两管之间的换流完成后，半桥上、下管的漏、源极电压仍未达到稳态值的情况，则t2B为iD(t)从IL下降到0所用的时间；t3B为vDS(t)从阶段初始值下降到-VR所用的时间；其余阶段不变。
对于续流管关断、主开关管开通的死区，其取理论最优值时的临界状态为续流管关断的瞬间主开关管开通，因此其理论最优死区时间为续流管关断各阶段的时间减去主开关管从关断到开始开通的时间，即t1A+t2A-t3A，如图5所示。
对于主开关管关断、续流管开通的死区，其取理论最优值时的临界状态为主开关管关断的瞬间续流管开通，因此其理论最优死区时间为主开关管关断各阶段的时间减去续流管从关断到开始开通的时间，即t1B+t2B+t3B-t4B，如图6所示。
根据求出的理论最优死区，结合电路负载电流、功率及开关频率等实际情况对半桥电路的死区进行优化设置。为保证在eGaN HEMT参数及电路参数存在误差时也不会存在直通问题，可以在计算出的理论最优死区的基础上增加0.5～1.5倍的额外时间裕度。若开关频率较高，为了减小死区对系统带来的非线性影响，可以适当减小额外时间裕度；若负载电流较大，可以适当增加额外时间裕度，以保证关断管彻底关断后开通管才开通。
搭建基于eGaN HEMT的双脉冲实验电路，根据本发明实施例半桥电路的参数进行死区优化设置，其死区设置为由本方法计算得到的结果。进行双脉冲实验，实验波形如图7所示，图7中的(a)为i续流管BS关断、主开关管TS开通的死区波形图，(b)为主开关管TS关断、续流管BS开通的死区示意图；关断管在栅源极电压降低到阈值以下，即完全关断后，开通管的导电沟道才开通。可见本计算方法能够在防止半桥直通的情况下尽可能地减小死区时间，从而降低死区损耗，提升输出质量。
综上所述，本发明提出的适用于增强型氮化镓器件的半桥电路死区优化设置方法充分结合了eGaN HEMT的独特性质，解决了Si、SiC器件的死区计算方法不适用于氮化镓器件的问题；通过半桥电路及各电力电子器件的参数计算得到理论最优死区时间，无需进行实验测量，也不需要额外硬件，使得死区的设置更加方便快捷；并且考虑了电路寄生参数特别是寄生电感的影响，大大提高了计算的精确度，有效降低了eGaN HEMT的死区损耗，提升了系统的效率和输出质量。适用于包括Buck、Boost、单相及三相两电平电压型逆变器在内的多种电力电子电路。

Claims (7)

1.一种适用于增强型氮化镓器件的半桥电路死区优化设置方法，针对含有半桥的电路使用，半桥电路上下开关管相同，并使用相同的驱动电路，半桥电路连接有负载，其特征在于：半桥电路的上下开关管均为增强型氮化镓高电子迁移率晶体管eGaN HEMT，且eGaNHEMT驱动电路的开通与关断回路分离；半桥电路功率回路中各开关管均无反并联的续流二极管；负载侧续流电感较大，可以在开关瞬态保持负载电流的值稳定；
其特征在于：
S1、根据增强型氮化镓高电子迁移率晶体管eGaN HEMT的开通、关断特性，将基于eGaNHEMT的半桥电路中续流管关断、主开关管开通以及主开关管关断、续流管开通这两个过程在时间轴上分别划分为多个连续的阶段，每个阶段均表现开关过程中半桥电路的一种工作状态，工作状态包含数个随时间变化的电压、电流变量，当阶段中某个电压或电流变量达到临界值，使得这个阶段对应的半桥电路工作状态将不再存在时，该阶段结束，同时开始下一个阶段；
S2、设从半桥电路的中点O点流向负载侧的电流方向为正向，从负载侧流向半桥中点O点的电流方向为负向；根据电力电子电路的特性确定中点O点电流方向的正负，并根据电流方向的正负确定主开关管：若电流方向为正，则上管TS为主开关管，下管BS为续流管；而若电流方向为负，则下管为主开关管，上管TS为续流管；
S3、从eGaN HEMT以及eGaN HEMT所在的半桥电路中获取相应的电路参数；
S4、根据S3中得到的电路参数，列写半桥电路续流管关断、主开关管开通以及主开关管关断、续流管开通诸阶段的状态方程组；
S5、利用Matlab中的ode-45函数，求得步骤S4中所有状态方程组的数值解fk(t)(k＝A1～B4)，并且根据S1中的阶段划分，令数值解fk(t)等于标志该阶段结束的临界值，求得各阶段的持续时间；
S6、根据S5中得到的各阶段持续时间计算续流管关断、主开关管开通与主开关管关断、续流管开通这两个过程的理论最优死区，并结合电路的实际情况，包括负载电流、功率及开关频率这些参数为理论最优死区取一定倍数的裕度，进行死区优化设置。
2.根据权利要求1所述的适用于增强型氮化镓器件的半桥电路死区优化设置方法，其特征在于：S1中所述的多个连续的阶段划分为：
续流管关断、主开关管开通的过程分为3个阶段，分别为：阶段A1，续流管关断延迟阶段；阶段A2，续流管关断的主要阶段；阶段A3，主开关管开通延迟阶段；阶段A1结束的标志为续流管栅漏极电压vGD＝Vth+IL/gm；阶段A2结束的标志为续流管漏源极电压vDS＝-VR；阶段A3结束的标志为主开关管栅源极电压vGS＝Vth；
主开关管关断、续流管开通的过程分为4个阶段：阶段B1，主开关管关断延迟阶段；阶段B2，主开关管关断主要阶段与主开关管-续流管换流阶段；阶段B3，剩余换流阶段；阶段B4，续流管开通延迟阶段；阶段B1结束的标志为主开关管栅源极电压vGS＝Vth+IL/gm；阶段B2结束的标志为续流管漏源极电压vDS＝-VR；阶段B3结束的标志为主开关管漏极电流iD下降到零；阶段B4结束的标志为续流管栅源极电压vGS＝Vth。
3.根据权利要求1所述的适用于增强型氮化镓器件的半桥电路死区优化设置方法，其特征在于：所述S3中的电路参数包括：
eGaN HEMT输入电容Ciss、输出电容Coss、米勒电容Crss；eGaN HEMT漏极寄生电感LD，栅极寄生电感LG，共源极寄生电感LS；eGaN HEMT驱动回路电阻Ron与Roff、eGaN HEMT栅极内部封装电阻Rin；负载电流IL、母线电压Vin、eGaN HEMT反向续流电压VR、eGaN HEMT的自身跨导gm、eGaN HEMT开通栅极阈值电压Vth；驱动芯片的驱动正压VG_on、驱动负压VG_off；推挽电路的内电阻ROH与ROL；以及驱动电压上升、下降时间trise与tfall；
并且将驱动芯片输出从驱动负压上升驱动正压以及从驱动正压下降到驱动负压的过程近似地看作线性的斜坡上升/下降过程，利用上述参数求取驱动芯片输出电位从驱动负压上升到驱动正压，以及从驱动正压下降到驱动负压的斜率，以及开通、关断时驱动回路的总电阻：
Figure FDA0003497995020000021
RG_on＝Ron+Rin+ROH
Figure FDA0003497995020000022
RG_off＝Roff+Rin+ROL
式中：krise为驱动芯片输出电位从驱动负压上升到驱动正压的斜率，kfall为驱动芯片输出电位从驱动正压下降到驱动负压的斜率，RG_on＝Ron+Rin+ROH为驱动回路开通总电阻，RG_off＝Roff+Rin+ROL为驱动回路关断总电阻。
4.根据权利要求1所述的适用于增强型氮化镓器件的半桥电路死区优化设置方法，其特征在于：所述步骤S4中各阶段状态方程充分结合了eGaN HEMT的特性与半桥电路的实际工作情况：将驱动电路和主电路中的寄生参数、eGaN HEMT自身封装内电阻、驱动芯片推挽电路电阻及驱动芯片输出电位的上升与下降时间引入了各阶段的电路状态进行表示，从而提升了方程组的阶数与解的精确度，使之能更加精确地反映eGaN HEMT半桥的开关过程。
5.根据权利要求1所述的适用于增强型氮化镓器件的半桥电路死区优化设置方法，其特征在于：续流管关断、主开关管开通的过程分为A1、A2、A3三个阶段；开关管关断、续流管开通的过程分为B1、B2、B3、B4四个阶段；步骤S5中将阶段A1的持续时间定义为t1A，阶段A2的持续时间定义为t2A，阶段A3的持续时间定义为t3A，阶段B1的持续时间定义为t1B，阶段B2的持续时间定义为t2B，阶段B3的持续时间定义为t3B，阶段B4的持续时间定义为t4B；根据各阶段结束的临界值，各阶段的持续时间如下：
t1A为阶段A1方程组的数值解之一，续流管栅漏极电压vGD(t)从VG_on下降到Vth+IL/gm所用的时间；t2A为阶段A2方程组的数值解之一，续流管漏源极电压vDS(t)从0下降到-VR所用的时间；t3A为阶段A3方程组的数值解之一，主开关管栅源极电压vGS(t)从VG_off上升到Vth所用的时间；
t1B为阶段B1方程组的数值解之一，主开关管栅源极电压vGS(t)从VG_on下降到Vth+IL/gm所用的时间；t2B为阶段B2方程组的数值解之一，主开关管漏源极电压vDS(t)从Vin下降到-VR所用的时间；t3B为阶段B3方程组的数值解之一，iD(t)从该阶段初始值下降到0所用的时间；t4B为阶段B4方程组的数值解之一，续流管栅源极电压vGS(t)从VG_off上升到Vth所用的时间；若出现两管之间的换流完成后，半桥上、下管的漏、源极电压仍未达到稳态值的情况，则t2B为iD(t)从IL下降到0所用的时间，t3B为vDS(t)从阶段初始值下降到-VR所用的时间。
6.根据权利要求1所述的适用于增强型氮化镓器件的半桥电路死区优化设置方法，其特征在于：所述S6中根据各阶段持续时间得到最优死区时间的方法为：
对于续流管关断、主开关管开通的死区，其最优死区时间为t1A+t2A-t3A；
对于主开关管关断、续流管开通的死区，其最优死区时间为t1B+t2B+t3B-t4B。
7.根据权利要求1所述的适用于增强型氮化镓器件的半桥电路死区优化设置方法，其特征在于：求出最优死区时间后，根据电路负载电流、功率及开关频率的实际情况对半桥电路的死区进行优化设置，以达到最佳的效果：为保证在eGaN HEMT参数及电路参数存在误差时也不会存在直通问题，在计算出的理论最优死区的基础上增加0.5～1.5倍最优死区的额外时间裕度；若此时开关频率较高，为了减小死区对系统带来的非线性影响，则适当减小额外时间裕度；若负载电流较大，则适当增加额外时间裕度，以保证关断管彻底关断后开通管才开通。
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