CN117501603A - 具有动态死区时间的半桥电源 - Google Patents

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Abstract

一种半桥电源包括：电连接到能量源和负载的第一开关；电连接到能量源和负载的第二开关；以及电连接到第一和第二开关的电路，该电路被配置为基于正在被断开第一和第二开关中的一个具有正向电流，为半桥电源提供动态死区时间。

Description

具有动态死区时间的半桥电源
相关申请的交叉引用
本申请要求于2021年6月15日提交的名称为“具有动态死区时间的半桥电源”的美国专利申请第17/304，149号的优先权，其公开内容通过引用整体结合于此。
技术领域
本文涉及具有动态死区时间的半桥电源。
背景技术
半桥转换器具有两个通常由脉宽调制(PWM)方案控制的开关。在现有方法中，固定的断开时间(也称为死区时间)已经应用于两个开关位置。该值已经通过实验确定，并且是可靠性和功率损耗之间的折衷。如果固定死区时间设置得太短，半桥将经历一种称为击穿的效应，此时两个开关的接通状态重叠。这会增加功率损耗，并可能损坏输出级。如果固定死区时间设置得太长，功率损耗会增加，所需输出电压会降低或失真。
一些现有方法试图通过使用栅极驱动器完全在硬件内控制PWM方案来减少功率损耗。在这种尝试中，输出电路监控电压转换，以设置死区时间。然而，这些方法实现起来可能很昂贵，并且可能没有实现功率损耗降低的全部潜力。
发明内容
在第一方面中，半桥电源包括：电连接到能量源和负载的第一开关；电连接到能量源和负载的第二开关；以及电连接到第一和第二开关的电路，该电路被配置为基于正在被断开的第一和第二开关中的一个具有正向电流，为半桥电源提供动态死区时间。
实现方式可以包括以下任何或所有特征。第一和第二开关中的至少一个包括碳化硅MOSFET。第一和第二开关中的至少一个包括IGBT。第一和第二开关中的至少一个包括硅MOSFET。半桥电源包括逆变器。半桥电源还包括电连接到电路的控制器，该控制器包括第一处理器。该电路包括电连接到控制器的逻辑电路。逻辑电路包括现场可编程门阵列。该电路包括执行软件的第二处理器，其中该软件定义了动态死区时间。第二处理器是第一处理器。该电路被配置为从查找表中获得动态死区时间。查找表包括与相应电压和电流相关联的不同动态死区时间。该电路被配置为使用至少基于电流的多项式来获得动态死区时间。该电路被配置为通过控制第一和第二开关的脉宽调制方案来提供动态死区时间。该电路被配置为基于正在被断开的第一和第二开关中的一个具有反向电流，为半桥电源提供固定死区时间。
在第二方面中，半桥电源包括：电连接到能量源和负载的第一开关；电连接到能量源和负载的第二开关；以及用于基于正在被断开的第一和第二开关中的一个具有正向电流来为半桥电源提供动态死区时间的装置。
在第三方面中，一种系统包括：能量源；电机；和第一半桥，该第一半桥包括：电连接到能量源和电机的第一开关；电连接到能量源和电机的第二开关；以及第一电路，其电连接到第一和第二开关，并且被配置为基于正在被断开的第一和第二开关中的一个具有正向电流来为第一半桥提供动态死区时间。
实现方式可以包括以下任何或所有特征。该电机包括第一相绕组、第二相绕组和第三相绕组，其中第一半桥电连接到第一相绕组，该系统还包括：第二半桥，该第二半桥电连接到第二相绕组，并且包括：电连接到能量源和电机的第三开关；电连接到能量源和电机的第四开关；以及第二电路，其电连接到第三和第四开关，并且被配置为基于正在被断开的第三和第四开关中的一个具有正向电流来为第二半桥提供动态死区时间；以及第三半桥，该第三半桥电连接到第三相绕组，并且包括：电连接到能量源和电机的第五开关；电连接到能量源和电机的第六开关；以及第三电路，其电连接到第五和第六开关，并且被配置为基于正在被断开的第五和第六开关中的一个具有正向电流来为第三半桥提供动态死区时间。第一、第二和第三电路包括在公共逻辑电路中。第一、第二和第三电路由执行软件的处理器形成。
附图说明
图1示出了具有可以使用动态死区时间的功率级的系统的示例。
图2示出了PWM方案的示例。
图3A-3B示出了可以使用固定死区时间执行硬切换的场景的示例。
图4A-4B示出了可以使用动态死区时间来执行软切换的示例。
图5A-5B示出了用于向功率级提供死区时间的系统的示例。
不同附图中相同的参考符号表示相同的元件。
具体实施方式
本文描述了用于向使用一个或多个半桥(例如，功率转换器)的功率级提供动态死区时间的系统和技术的示例。这种方法可以减少否则会在半桥中发生的功率损耗。在一些实施方式中，功率级可以形成电机的逆变器，包括但不限于在电动车辆(例如，全电动车辆或混合动力车辆的电动机)的驱动单元中。例如，通过减少切换损耗，本主题可以增加电动车辆的可用行驶里程，而不增加能量存储器(例如，电池组)的大小。逆变器可以在一系列连续的功率水平下运行。在操作过程中，电流的方向有规律地变化。在逆变器的工作波形的每一点处，就管理其性能和降低损耗而言，都可能有一个死区时间的最佳长度。本主题可以应用对应于操作波形的一个或多个方面的动态死区时间。
可以实现这里描述的技术，以便减少在功率级中执行的大量开关操作的损耗。在一些实施方式中，动态死区时间可以应用于开关方案中，基本上是在被断开的开关具有正向电流的每种情况下。例如，这涉及功率级中大约百分之五十的切换事件。这样，在由功率级执行的所有操作的实质份额的每一个中，可以实现功率损耗的减少。
不被动态控制的死区时间可以是固定死区时间。在一些实施方式中，硬切换事件可以被设置为比在没有本公开提供的动态死区时间的情况下用于最小化功率损耗的死区时间更短的死区时间(即，更短的固定死区时间)。例如，为了获得最佳的整体效率，固定死区时间可能已经被设置得足够长以实现一些软切换，但是不会长到在开关的体二极管中产生太多损耗。相反，在这里，通过在系统不处于稳定状态的基本上所有切换情况下提供动态死区时间，可以确保软切换的发生。
本主题可以以相对较低的成本实现。例如，已经实现用于与功率级相关的另一目的的逻辑电路也可以用于提供用于控制开关的动态死区时间。作为另一个示例，已经为了关于功率级的另一个目的而实现的控制器(例如，一个或多个处理器)也可以被编程以提供动态死区时间。
这里的示例指的是功率级。如这里所使用的，功率级包括两个或更多个开关，并且可以通过一种或多种形式的切换事件来执行从输入电压到输出电压的功率转换。功率级可以提供电能从一种形式到另一种形式的转换，这种转换适合于由功率级驱动的特定负载。例如，功率级可以执行从直流(DC)到交流(AC)的转换。作为另一个示例，功率级可以执行DC到DC转换。在一些实施方式中，功率级可以是降压转换器。在一些实施方式中，功率级可以是逆变器。在一些实施方式中，功率级可以用作电源。例如，电源可以工作以产生非恒定的输出电流。
这里的示例指的是开关。如这里所使用的，开关是可以连接或断开电路中两个或更多个导电路径的电气部件。例如，基于开关的设置，开关可以中断电流或允许电流流动。在一些实施方式中，开关可以包括一个或多个半导体器件。例如，开关可以包括晶体管。在一些实施方式中，开关包括金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。例如，开关可以包括碳化硅MOSFET。作为另一个示例，开关可以包括硅MOSFET。在一些实施方式中，开关包括绝缘栅双极晶体管(IGBT)。可以使用其他开关。
这里的示例提到了可以为半桥电源提供动态死区时间的电路。如这里所使用的，电路包括被配置为执行一个或多个操作的一个或多个电子电路。在一些实施方式中，电路可以包括多个器件的逻辑电路。这种器件可以包括但不限于逻辑门(例如，实现逻辑非(NOT)、与(AND)、或(OR)、非与(NAND)、非或(NOR)或异或(XOR)运算中的一个或多个的门)，和/或触发器(flip-flops)。在一些实施方式中，电路可以包括分立电路。在一些实施方式中，电路可以包括集成电路。例如，电路可以包括现场可编程门阵列(FPGA)。电路可以包括处理器(例如，通用处理器或专用处理器)，该处理器被配置用于读取和执行存储在软件中的指令。如这里所使用的，软件包括但不限于固件。
这里的示例指的是车辆。车辆是运输乘客或货物或两者兼有的机器。车辆可以具有一个或多个使用至少一种燃料或其他能量源(例如电)的电机。车辆的示例包括但不限于轿车、卡车和公共汽车。车轮的数量在不同类型的车辆之间可以不同，并且一个或多个(例如，全部)车轮可以用于车辆的推进。
图1示出了具有可以使用动态死区时间的功率级102的系统100的示例。系统100和/或功率级102可以与本文别处描述的一个或多个其他示例一起使用。该系统包括电耦合到功率级102的控制器104。系统100包括负载106。在一些实施方式中，负载106包括电动机，其中控制器104使得功率级102驱动电动机。仅举一个示例，负载106可以是多相(例如，三相)电动机。
控制器104被配置为基于功率级102的电流方向向功率级102提供动态死区时间。在一些实施方式中，控制器104可以被配置成检测功率级102中的电流方向以及电流和/或电压的大小。例如，控制器104可以定义用于操作功率级102的PWM方案，包括动态死区时间。作为另一个示例，控制器104可以接收包括固定死区时间的PWM信号，并且可以操纵PWM信号来为至少一些切换事件产生动态死区时间。控制器104可以包括执行存储在软件中的指令的处理器，或者可以包括逻辑电路(例如，FPGA)，仅举两个示例。
这里的功率级102分别包括DC链路部分108和半桥功率级110A、110B和110C。DC链路部分108可以包括DC端子112A-112B(例如，正极端子(DC+)和负极端子(DC-))，以及电连接在DC端子112A-112B之间的电容器C1。在一些实施方式中，DC端子112A-112B电连接到能量源(例如，一个或多个电池模块的电池组)。例如，能量源可以包括电化学电池(例如，锂离子电池)。
半桥功率级110A-110C中的每一个可以包括开关和一个或多个其他组件。这里，半桥功率级110A分别包括开关Q1和Q2。开关Q1的漏极电连接到DC端子112A。开关Q1的源极电连接到开关Q2的漏极。开关Q1的栅极电连接到栅极驱动器114A。在一些实施方式中，栅极驱动器114A可以电连接到控制器104。例如，控制器104通过栅极驱动器114A向开关Q1提供PWM信号。开关Q1的漏极、源极和栅极可以形成开关Q1的沟道。这里的开关Q1还包括电连接到开关Q1的漏极和源极的体二极管。
开关Q2的源极电连接到DC端子112B。开关Q2的漏极电连接到开关Q1的源极。开关Q2的栅极电连接到栅极驱动器114B。在一些实施方式中，栅极驱动器114B可以电连接到控制器104。例如，控制器104通过栅极驱动器114B向开关Q2提供PWM信号。开关Q2的漏极、源极和栅极可以形成开关Q2的沟道。这里的开关Q2还包括电连接到开关Q2的漏极和源极的体二极管。
这里，半桥功率级110B分别包括开关Q3和Q4。开关Q3和Q4可以分别类似于开关Q1和Q2电连接。例如，开关Q3或Q4的栅极驱动器可以分别实现与栅极驱动器114A-114B不同的PWM方案。
这里，半桥功率级110C分别包括开关Q5和Q6。开关Q5和Q6可以分别类似于开关Q1和Q2电连接。例如，开关Q5或Q6的栅极驱动器可以分别实现与栅极驱动器114A-114B不同的PWM方案。
在这些示例中，开关Q1-Q6被示为MOSFETS，仅用于说明目的。
半桥功率级110A-110C可以与负载106的相应相相关联。在一些实施方式中，绕组116A将半桥功率级110A和负载106彼此连接。绕组116A可以连接到开关Q1的源极和开关Q2的漏极。例如，绕组116A可以被称为负载106的相A。在一些实施方式中，绕组116B将半桥功率级110B和负载106彼此连接。绕组116B可以连接到开关Q3的源极和开关Q4的漏极。例如，绕组116B可以被称为负载106的B相。在一些实施方式中，绕组116C将半桥功率级110C和负载106彼此连接。绕组116C可以连接到开关Q5的源极和开关Q6的漏极。例如，绕组116C可以被称为负载106的C相。
图2示出了PWM方案200和202的示例。PWM方案200和202可以与本文别处描述的一个或多个其他示例一起使用。参考功率级102(图1)，PWM方案200可以用于控制开关Q1。例如，PWM方案200可以应用于栅极驱动器114A。PWM方案202可以用于控制开关Q2。例如，PWM方案202可以应用于栅极驱动器114B。
PWM方案200和202中的每一个被图示为相对于坐标系示出的信号(例如，波形)。参考水平轴来指示时间。PWM信号的电压是参考垂直轴来指示的(例如，以伏特为单位)。这里，15V和–5V的电压仅用于说明目的。任何合适的电压范围都可以分别用于控制开关Q1和Q2。切换阈值(Vth)作为一个示例被示出。例如，切换阈值可以指示开关在相应的接通和断开状态之间转换的电压。
PWM方案200和202中的每一个都包括一系列反映相应开关的相应接通和断开状态的电压转换。这里的PWM方案200包括接通状态200A(例如，当开关Q1接通时)，随后是断开状态200B(例如，当开关Q1断开时)。从接通状态200A到断开状态200B的转变在这里用边界200C标记。这里，PWM方案202包括断开状态202A(例如，当开关Q2断开时)，随后接通状态202B(例如，当开关Q2接通时)。从断开状态202A到接通状态202B的转变在这里用边界202C标记。这里的边界200C和202C定义了当开关Q1和Q2都断开时的一个实例。这个时间间隔在这里被称为死区时间204。例如，死区时间204对应于开关Q1被断开之后和开关Q2被接通之前的时间。
这里的PWM方案200包括接通状态200D(例如，当开关Q1接通时)。从断开状态200B到接通状态200D的转变在这里用边界200E标记。PWM方案202在这里包括断开状态202D(例如，当开关Q2断开时)。从接通状态202B到断开状态202D的转变在这里用边界202E标记。这里的边界200E和202E定义了当开关Q1和Q2都断开时的另一种情况。这个时间间隔在这里被称为死区时间206。例如，死区时间206对应于开关Q2被断开之后和开关Q1被接通之前的时间。
PWM方案200和202可以形成多个动态死区时间和多个固定死区时间。在一些实施方式中，可以至少部分基于电流相对于相应开关的方向来决定是否提供动态死区时间。下面将首先描述一个示例(图3A-3B)，其中电流方向指示的是不应该提供动态死区时间；因此，是可以提供固定死区时间。例如，固定死区时间可以是足以避免直通事件的最小持续时间。此后，将描述一个示例(图4A-4B)，其中电流方向指示应该提供动态死区时间。例如，动态死区时间可以具有基于功率级的电流和/或电压确定的持续时间。
在死区时间204和206的每一个中，取决于当死区时间204和206中的特定一个将要出现时流动的电流的方向，功率级(例如，图1中的功率级102)可以表现出不同的行为。因此，在死区时间204和206中的每一个都会发生两种不同情况中的任何一种。死区时间204和206中的每一个内的行为可以被分成如下表1中的相应情况1和2：
表1
也就是说，表1示出了死区时间204将是动态死区时间(此时电流正流出功率级)，或者是固定死区时间(此时电流正流入功率级)。对于开关Q1，使电流流出功率级对应于正向电流。因此，当开关Q1正被断开时，基于开关Q1具有正向电流，死区时间204将是动态死区时间。
同样，表1示出了死区时间206将是固定死区时间(此时电流正流出功率级)，或者是动态死区时间(此时电流正流入功率级)。对于开关Q2，使电流流入功率级对应于正向电流。因此，当开关Q2正被断开时，基于开关Q2具有正向电流，死区时间206将是动态死区时间。
提供动态死区时间可以减少否则会在切换事件期间发生的切换损耗。为了说明如何降低切换损耗，将使用上述四种情况中的两种。也就是说，下面将描述死区时间206的情况1和情况2，作为系统在确定死区时间时如何聚焦于半桥功率级中的电流的示例。也就是说，图3A-3B对应于死区时间206的情况1，而图4A-4B对应于死区时间206的情况2。对称地，对于四种情况中的另外两种情况——死区时间204的情况1和2——的切换事件的分析是相同的，并且在下文中将不再重复。
图3A-3B示出了可以使用固定死区时间执行硬切换的场景的示例。参考电路300描述了该示例，电路300可以与本文别处描述的一个或多个其他示例一起使用。与图1中具有相同附图标记的组件可以与那些组件相似或相同。仅为了说明的目的，将在电动机的背景下描述这些示例。
电路300示出了开关Q1和Q2中的每一个开关的寄生输出电容。寄生电容可能由于电路300的任何组件的内部电容和/或由于组件彼此接近而出现。即，开关Q1具有电容Cout_Q1，该电容与开关Q1的体二极管并联地电连接到开关Q1的漏极和源极。开关Q2具有电容Cout_Q2，该电容与开关Q2的体二极管并联地电连接到开关Q2的漏极和源极。在电路300的操作期间，一些功率损耗取决于电容Cout_Q1和Cout_Q2如何充电和放电，例如如下所述。
图3A示出了当开关Q1断开时并且在开关Q2断开之前电路300的状态。简要参考图2，这可以对应于开关Q1的断开状态200B，以及开关Q2的接通状态202B。箭头302示意性地指示电机电流从DC端子112B流经开关Q2的通道，流出半桥，并流入绕组116A。此时，电容Cout_Q2完全放电，Cout_Q1充电至DC链路电压。当开关Q2由于栅极驱动器114B处的信号而断开时，电机的电感迫使电流继续。由于开关Q2现在断开，电流从流过开关Q2的沟道转变为流过开关Q2的体二极管，如图3B中箭头302’示意性所示。
此时，系统处于稳定状态，但功耗较高，因为开关Q2的体二极管比开关Q2的沟道具有更高的压降。基本上，整个输出电压，即输出端的电流，可以保持在相同的充电状态。由于稳定状态，将死区时间延长超过最小死区时间可能没有任何好处。
下一个事件是接通开关Q1。为了最小化功率损耗，一旦开关Q2将电流转换到开关Q2的体二极管，就可以接通开关Q1。这应该在固定最小死区时间之后进行，以避免击穿。当开关Q1接通时，它将通过对开关Q2的电容Cout_Q2充电，并通过同时对其自身电容Cout_Q1放电，以及通过由于开关Q2的体二极管的反向恢复而流动的电流来耗散能量。电容Cout_Q1和Cout_Q2在电路300中有效地并联。这些由充电、放电和电流引起的损耗是不可避免的，这种切换事件可以被称为硬切换事件。在本主题中，硬切换事件的死区时间可以被设置为比原本使用的死区时间更短的死区时间。也就是说，在以前的方法中，为了获得最佳的整体效率，固定死区时间可能已经被设置得足够长，以实现一些软切换，但是又不会太长，以至于在开关Q1和Q2的体二极管中产生太多的损耗。因此，在死区时间206的情况1中，即，当根据箭头302的电流是正被断开的开关Q2的反向电流时，可以应用固定最小死区时间。
图4A-4B示出了可以使用动态死区时间来执行软切换的示例。参考电路300来描述该示例，并且具有与图3A-3B中相同的附图标记的组件可以与那些组件相似或相同。仅为了说明的目的，将在电动机的背景下描述这些示例。
图4A-4B对应于死区时间206的情况2。电路操作不同于上述情况1。这里，在命令开关Q2断开时，电流流入半桥，如箭头400示意性所示。这一次，开关Q2阻断了电流的流动，因为开关Q2的沟道被切断，并且开关Q2的体二极管被反向偏置。由于电机的电感中的电流不会瞬间变化，该电流对开关Q2的电容Cout_Q2充电，同时对开关Q1的电容Cout_Q1放电。结果，绕组116A(例如，相_A节点)上的电压上升，直到它达到DC端子112A的值(例如，DC+)。当该充电和放电完成时，电流开始流过开关Q1的体二极管，如图4B中箭头400’示意性所示。接下来，开关Q1可以被接通，以将电流从开关Q1的体二极管移开，并通过开关Q1的沟道发送它。对电容Cout_Q2和Cout_Q1充电和放电的能量分别来自存储在电感器(例如，电机绕组)中的能量。这导致比通过开关通道的电阻元件发送该电流更低的能量损失。当到了接通开关Q1的时刻时，其两端的电压可以为零，这可以被称为软切换事件。
刚刚描述的过程需要时间来完成。确切的时间取决于系统中的电容量(例如，电路300中的电容Cout_Q2和Cout_Q1)，以及切换时流动的电流的大小。例如，系统的电容也可以随着系统电压而变化。因此，可以在死区时间206的情况2中应用动态死区时间，即，当根据箭头400的电流是正被断开的开关Q2的正向电流时。
在一些实施方式中，开关Q1和Q2可以是碳化硅MOSFET。在碳化硅MOSFET中，系统损耗一开始可能相对较低。基于碳化硅衬底的半导体开关器件对切换损耗更敏感，例如当被断开的开关具有正向电流时出现的损耗。使用碳化硅MOSFET可以使功率级(例如逆变器)更有效，但是在轻工作负载下，功率级会达到功率损耗的平稳状态。在这些和/或其他情况下，提供动态死区时间会有所帮助。例如，轻负载下的损耗几乎完全是切换损耗，并且本主题可以减少切换损耗。在一些实施方式中，大功率电动机器(例如，电动汽车)可能具有大功率逆变器，该逆变器通常仅以其输出能力的10％或更少运行。因此，在这种相对较轻的负载下的性能对于整体效率可能是重要的，并且可以通过本主题来改善。
虽然这里的一些示例描述了具有碳化硅MOSFET的三相逆变器的使用，但是也可以使用其他类型的功率级。在一些实施方式中，功率级可以使用IGBT或硅MOSFET形成逆变器。作为另一个示例，功率级可以是转换器或其他电源。
图5A-5B示出了用于向功率级提供死区时间的系统500和502的示例。系统500和502可以与本文别处描述的一个或多个其他示例一起使用。系统500和502示出了以减少功率损耗的方式控制开关的一些可能的方法。
在图5A中，系统500包括控制器504、逻辑电路506和功率级508。例如，控制器504和逻辑电路506可以形成控制器104(图1)。作为另一个示例，功率级508可以是半桥功率级110A-110C中的一个(图1)。
控制器504可以包括处理器510(包括但不限于微处理器)，其被配置为访问存储在软件512中的机器可读指令并相应地执行操作。在一些实施方式中，控制器504是用于电动车辆的驱动单元的电机控制器。在操作中，控制器504可以接收允许其监控与功率级508相关的方面的输入，包括但不限于功率级508的电流水平、电压水平和请求的扭矩。控制器504可以逐周期地输出适于控制功率级508的PWM信号。在一些实施方式中，由控制器504产生的PWM信号可以具有固定死区时间。
在该示例中，逻辑电路506与控制器504分离。在一些实施方式中，逻辑电路506包括被配置为执行其功能的逻辑门的布置。例如，逻辑电路506可以包括FPGA。在一些实施方式中，逻辑电路506可以用作由控制器504执行的一些功能或操作的补充。例如，可以使用逻辑电路506来评估和实施安全限制。作为另一个示例，逻辑电路506可以被配置为合成开关Q2、Q4和Q6(图1)应该做什么，并且在开关的PWM信号中插入死区时间。也就是说，逻辑电路506可以确定动态死区时间并将该动态死区时间应用于功率级508。逻辑电路506可以监控系统电流、电压和电压方向。基于它的输入。逻辑电路506可以为切换事件计算并应用适当的死区时间(例如，动态死区时间)。使用逻辑电路506可以减少控制器504的计算开销。例如，如果以微秒量级的间隔为多个半桥功率级中的每一个计算动态死区时间值(例如，当逆变器以几千赫兹量级的速率工作时)，则这种计算开销可能是相当大的。
逻辑电路506可以使用查找表来确定动态死区时间。在一些实施方式中，查找表可以具有电压和电流的维度。例如，该表可以覆盖关于m个电流仓的n个电压仓，其中n和m是整数。下表2是仅用于说明目的的查找表的示例，其使用5个电压仓和16个电流仓：
表2
表2中的值可以在每个适用的切换事件下提供软切换。可以使用除上面表2中的值之外的其他动态死区时间。动态死区时间的值可以取决于多个因素中的任何一个或全部，包括但不限于开关(例如，MOSFET)的尺寸、功率级(例如，逆变器)的功率以及所使用的电压。
逻辑电路506可以评估电流的方向，以确定是否应该应用动态死区时间。如果正被断开的开关具有反向电流，则逻辑电路506可以确定应该应用最小固定死区时间。例如，这可以是从控制器504接收的PWM信号中的死区时间的长度，并且在这种情况下，逻辑电路506可能不需要修改PWM信号。另一方面，如果被断开的开关具有正向电流，则逻辑电路506可以确定应该应用动态死区时间。逻辑电路506然后可以基于电流和电压的当前水平访问查找表(例如，上面的表2)。逻辑电路506可以根据查找表修改PWM信号以提供一定长度的动态死区时间。这个修改的PWM信号被提供给功率级508。
逻辑电路506(例如，FPGA)可以使用测量分流器(电阻器)两端的电压的芯片来监控电流(例如，用于执行其被编程要做的另一任务)。例如，这种方法可能需要数字滤波器，其可以是逻辑电路506的一部分。在一些实施方式中，可以使用另一个电流传感器，包括但不限于向控制器504(例如，直接向处理器510)输出信号的霍尔效应电流传感器。
虽然刚刚描述的示例使用逻辑器件(例如，FPGA)来修改PWM信号以提供动态死区时间，但是也可以使用其他方法。利用具有足够计算能力的处理器，可以通过软件来控制提供动态死区时间的功能。在图5B中，系统502包括控制器504、控制器514和功率级508。控制器514可以包括处理器516(包括但不限于微处理器)，其被配置为访问存储在软件518中的机器可读指令并相应地执行操作。控制器504和514可以共同形成控制器104(图1)。在一些实施方式中，控制器504和514可以实施为单个控制器(例如，用作电动车辆中驱动单元的电机控制器)。这里，为了简单起见，控制器504和514被示为单独的装置。
软件518可以使用多种方法中的任何一种来控制动态死区时间。在一些实施方式中，软件518可以包括用于确定被断开的开关是否具有反向电流的指令，并且如果是，则软件518可以访问查找表以读取要应用的适用动态死区时间。例如，可以使用上面的表2。
在一些实施方式中，代替使用查找表，软件518可以计算多项式来确定适用的动态死区时间。这可以便于实现用于提供动态死区时间的平滑函数。通常，动态死区时间多项式T可以表示为：
T(I，V)＝a0+a1I+a2V+a3I2+a4IV+a5V2+…，其中，I为电流，V为电压，而an(n＝0，1，2，…)为系数，可根据特定实施方式的特性进行选择。多项式T可以根据需要包括或多或少的涉及I和/或V的项。可以使用其他方法。
本说明书中使用的术语“基本上”和“大约”用于描述和说明小的波动，例如由于处理中的变化。例如，它们可以指小于或等于±5％，例如小于或等于±2％，例如小于或等于±1％，例如小于或等于±0.5％，例如小于或等于±0.2％，例如小于或等于±0.1％，例如小于或等于±0.05％。此外，当在此使用时，不定冠词如“一个”或“一个”表示“至少一个”
应该理解，前述概念和下面更详细讨论的附加概念的所有组合(假设这些概念不是相互矛盾的)被认为是这里公开的发明主题的一部分。特别地，出现在本公开末尾的要求保护的主题的所有组合被认为是这里公开的发明主题的一部分。
已经描述了许多实施方式。然而，应当理解，在不脱离本说明书的精神和范围的情况下，可以进行各种修改。
此外，图中所示的逻辑流不需要所示的特定顺序或连续顺序来实现期望的结果。此外，可以提供其他处理，或者可以从所描述的处理中删除处理，并且可以向所描述的系统添加其他组件，或者从所描述的系统中删除其他组件。因此，其他实施方式也在以下权利要求的范围内。
尽管如这里所描述的，已经示出了所描述的实施方式的某些特征，但是本领域技术人员现在将会想到许多修改、替换、改变和等同物。因此，应当理解，所附权利要求旨在覆盖落在实施方式范围内的所有这样的修改和改变。应该理解的是，它们仅仅是以示例的方式给出的，而不是限制性的，并且可以进行形式和细节上的各种改变。这里描述的装置和/或方法的任何部分可以以任何组合进行组合，除了互斥的组合。这里描述的实现可以包括所描述的不同实现的功能、组件和/或特征的各种组合和/或子组合。

Claims (20)

1.一种半桥电源，包括：
电连接到能量源和负载的第一开关；
电连接到所述能量源和所述负载的第二开关；以及
电路，所述电路电连接到所述第一和第二开关，并且被配置为基于正在被断开的所述第一和第二开关中的一个具有正向电流，为所述半桥电源提供动态死区时间。
2.根据权利要求1所述的半桥电源，其中所述第一和第二开关中的至少一个包括碳化硅MOSFET。
3.根据权利要求1所述的半桥电源，其中所述第一和第二开关中的至少一个包括IGBT。
4.根据权利要求1所述的半桥电源，其中所述第一和第二开关中的至少一个包括硅MOSFET。
5.根据权利要求1所述的半桥电源，其中所述半桥电源包括逆变器。
6.根据权利要求1所述的半桥电源，还包括电连接到所述电路的控制器，所述控制器包括第一处理器。
7.根据权利要求6所述的半桥电源，其中所述电路包括电连接到所述控制器的逻辑电路。
8.根据权利要求7所述的半桥电源，其中所述逻辑电路包括现场可编程门阵列。
9.根据权利要求6所述的半桥电源，其中所述电路包括执行软件的第二处理器，其中所述软件定义所述动态死区时间。
10.根据权利要求9所述的半桥电源，其中所述第二处理器是所述第一处理器。
11.根据权利要求1所述的半桥电源，其中所述电路被配置为从查找表中获得所述动态死区时间。
12.根据权利要求11所述的半桥电源，其中所述查找表包括与相应电压和电流相关联的不同动态死区时间。
13.根据权利要求1所述的半桥电源，其中所述电路被配置为使用至少基于电流的多项式来获得所述动态死区时间。
14.根据权利要求1所述的半桥电源，其中所述电路被配置为通过控制所述第一和第二开关的脉宽调制方案来提供所述动态死区时间。
15.根据权利要求1所述的半桥电源，其中所述电路被配置为基于正在被断开的所述第一和第二开关中一个具有反向电流，为所述半桥电源提供固定死区时间。
16.一种半桥电源，包括：
电连接到能量源和负载的第一开关；
电连接到所述能量源和所述负载的第二开关；以及
用于基于正在被断开的所述第一和第二开关中的一个具有正向电流为所述半桥电源提供动态死区时间的装置。
17.一种系统，包括：
能量源；
电机；以及
第一半桥，所述第一半桥包括：
电连接到所述能量源和电机的第一开关；
电连接到所述能量源和所述电机的第二开关；和
第一电路，所述第一电路电连接到所述第一和第二开关，并且被配置为基于正在被断开的所述第一和第二开关中的一个具有正向电流，为所述第一半桥提供动态死区时间。
18.根据权利要求17所述的系统，其中所述电机包括第一相绕组、第二相绕组和第三相绕组，其中所述第一半桥电连接到所述第一相绕组，所述系统还包括：
第二半桥，所述第二半桥电连接到第二相绕组并且包括：
电连接到所述能量源和所述电机的第三开关；
电连接到所述能量源和所述电机的第四开关；和
第二电路，所述第二电路电连接到所述第三和第四开关，并且被配置为基于正在被断开的所述第三和第四开关中的一个具有正向电流，为所述第二半桥提供动态死区时间；以及
第三半桥，所述第三半桥电连接到第三相绕组，并且包括：
电连接到所述能量源和所述电机的第五开关；
电连接到所述能量源和所述电机的第六开关；和
第三电路，所述第三电路电连接到所述第五和第六开关，并且被配置为基于正在被断开的所述第五和第六开关中的一个具有正向电流，为所述第三半桥提供动态死区时间。
19.根据权利要求18所述的系统，其中所述第一电路、第二电路和第三电路包括在公共逻辑电路中。
20.根据权利要求18所述的系统，其中所述第一电路、第二电路和第三电路由执行软件的处理器形成。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6100645A (en) 1998-06-23 2000-08-08 Electro-Mag International, Inc. Ballast having a reactive feedback circuit
EP1422813A3 (en) 2002-11-19 2005-04-13 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Inverter control method and apparatus
US7508175B2 (en) 2006-09-21 2009-03-24 The Boeing Company System and method for reducing body diode conduction
JP4380726B2 (ja) * 2007-04-25 2009-12-09 株式会社デンソー ブリッジ回路における縦型ｍｏｓｆｅｔ制御方法
JP5574845B2 (ja) 2010-06-22 2014-08-20 株式会社東芝 電力変換装置
CN103222178A (zh) 2010-10-29 2013-07-24 松下电器产业株式会社 逆变器
CN102668348B (zh) 2010-10-29 2014-12-03 松下电器产业株式会社 转换器
US8735968B2 (en) 2010-12-28 2014-05-27 Monolithic Power Systems, Inc. Integrated MOSFET devices with Schottky diodes and associated methods of manufacturing
JP5333485B2 (ja) * 2011-03-04 2013-11-06 株式会社デンソー 電力変換装置
US8884658B2 (en) 2013-03-15 2014-11-11 Atieva, Inc. Inverter with parallel power devices
US10447195B2 (en) 2013-07-23 2019-10-15 Atieva, Inc. Electric vehicle motor torque safety monitor
DE102014214246B3 (de) 2014-04-24 2015-07-09 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Vorrichtung zum Schalten eines halbleiterbasierten Schalters und Sensor zur Erfassung einer Stromänderungsgeschwindigkeit an einem halbleiterbasierten Schalter
US9407189B2 (en) 2014-07-16 2016-08-02 Atieva, Inc. Direct torque control motor controller with torque ripple reduction
US9768607B2 (en) 2015-05-11 2017-09-19 Infineon Technologies Ag System and method for a multi-phase snubber circuit
KR20180057272A (ko) 2016-11-22 2018-05-30 현대자동차주식회사 차량, 차량용 직류-직류 변환기 및 차량용 직류-직류 변환기의 제어 방법
US10756556B2 (en) 2017-03-30 2020-08-25 Gennady PLATONOV Remote controlled device and method for battery charging and maintenance
CN110771024B (zh) 2017-04-21 2022-12-06 Abb电动交通有限公司 用于对电力负载供电的变流器系统
US10644601B2 (en) 2018-06-22 2020-05-05 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. Dead-time conduction loss reduction for buck power converters
KR102182886B1 (ko) 2019-11-11 2020-11-25 주식회사 솔루엠 컨버터의 데드타임 가변 시스템 및 데드타임 가변 방법

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