CN109494972B

CN109494972B - 基于增强型氮化镓器件的死区时间设置方法

Info

Publication number: CN109494972B
Application number: CN201811317196.1A
Authority: CN
Inventors: 郭鸿浩; 陈泓宇; 朱冠宇; 吕鹏程; 郭前岗
Original assignee: Nanjing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Zhongke Blue Valley Semiconductor Guangxi Co ltd
Priority date: 2018-11-07
Filing date: 2018-11-07
Publication date: 2020-12-04
Anticipated expiration: 2038-11-07
Also published as: CN109494972A

Abstract

本发明揭示了一种基于增强型氮化镓器件的死区时间设置方法，其特征在于，S1、选用待设置死区时间的半桥电路，搭建双脉冲测试平台；S2、在半桥电路内设置较大死区时间；S3、在最高电压、最大负载的条件下采用双脉冲信号驱动双脉冲测试平台，测量开通过程和关断过程中的栅源极电压V_GS；S4、根据所测量的开通过程和关断过程中的栅源极电压V_GS得到开通延迟时间和关断延迟时间，随后依据开通延迟时间和关断延迟时间计算得到死区时间。本发明简化了现有的技术方案，仅需要测量栅源极电压就能得到死区时间计算的参数，实施过程更为简便，避免了测量误差。

Description

基于增强型氮化镓器件的死区时间设置方法

技术领域

本发明涉及一种死区时间设置方法，尤其涉及一种基于增强型氮化镓器件的死区时间设置方法，属于电力电子控制技术。

背景技术

基于硅材料电力电子开关器件经过近三十年的发展，其性能已逼近理论极限。近几年，具有较高电子迁移率的宽禁带半导体器件得到了业界的广泛关注，例如碳化硅、氮化镓半导体器件等。目前，增强型氮化镓半导体器件在开关变换器、功率放大器、逆变器等电能变换领域中得到了广泛地应用。随着增强型氮化镓器件的开关频率升高、开关周期减小，需要对死区时间进行更加合理设置，以避免死区时间过大影响变换器性能。同时由于氮化镓器件的开关速度极快，PCB布局要求严格，故而导致其开关时间的测量十分不便。综上所述，简化开关时间的测量、并对死区时间进行合理设置，在本领域内具有重要的应用价值。

目前死区时间的设置方法主要有Infineon公司提供的基于绝缘栅双极性晶体管(IGBT)的死区时间计算方法以及GaN systems公司提供的基于增强型氮化镓(e-GaN)的死区时间设置方法两种，具体而言：

(1)Infineon在应用手册《How to calculate and minimize the dead timerequirement for IGBTs properly》中揭示了IGBT的死区时间计算公式，

Td＝[(td_off_max-td_on_min)+(tpdd_max-tpdd_min)]*1.2，

其中td_off_max为最大的关断延迟时间，即从栅极电压下降到最大值的90％开始，到集电极电流下降到最大值的90％的时间，td_on_min为最小的开通延迟时间，即栅极电压从0上升到集电极电流为最大值的10％的时间。tpdd_max和tpdd_min分别为驱动电路的最大和最小延迟输出时间。由于e-GaN和IGBT开关机理不同，而且在开关过程中存在差异，因此e-GaN与IGBT死区时间设置方法存在一定的不同。

(2)GaN systems在应用手册《Design with GaN Enhancement mode HEMT》中提供了基于增强型氮化镓的死区时间设置公式，

td_pwm>tdelay_skew+(td(off)-td(on))，

其中td(off)为关断延迟时间，即采用栅源极电压从最大值下降到电压为零的时间，td(on)开通延迟时间，即采用栅源极电压从0到漏源极电压开始下降的时间。tdelay_skew为驱动器输出的偏斜延迟时间。由于增强型氮化镓器件的开关速度极快，PCB布局要求严格，死区时间设置又需要同时测量栅极电压和漏源极电压两个参数，给测量带来了较大的困难。而且死区时间设置公式中关断延迟时间取栅极电压从最大值下降到电压为零，取值较保守，得到的死区时间较大。

综上所述，如何在现有技术的基础上提出一种经过简化的增强型氮化镓器件的死区时间设置方法，使死区时间设置更合理，也就成为了业内技术人员新的研究方向。

发明内容

鉴于现有技术存在上述缺陷，本发明提出了一种基于增强型氮化镓器件的死区时间设置方法，包括如下步骤：

S1、选用待设置死区时间的半桥电路，搭建双脉冲测试平台；

S2、在半桥电路内设置较大死区时间；

S3、在最高电压、最大负载的条件下采用双脉冲信号驱动双脉冲测试平台，测量开通过程和关断过程中的栅源极电压V_GS；

S4、根据所测量的开通过程和关断过程中的栅源极电压V_GS得到开通延迟时间和关断延迟时间，随后依据开通延迟时间和关断延迟时间计算得到死区时间。

优选地，S2中所述较大死区时间的计算公式为：

较大死区时间＝(t_{d_off}+t_f)*10，

其中，t_{d_off}表示在器件的数据手册中规定的关断延迟时间，t_f表示在器件的数据手册中规定的下降时间。

优选地，S3中所述在最高电压、最大负载的条件下是指电路在实际运行场合中保持最高电压和最大电流。

优选地，S4中所述根据所测量的开通过程和关断过程中的栅源极电压V_GS得到开通延迟时间和关断延迟时间，具体包括：

当关断过程中V_GS存在米勒平台时，采用关断过程中V_GS从最大值下降到最小阈值电压的时间作为关断延迟时间；

当关断过程中V_GS不存在米勒平台时，采用关断过程中V_GS从最大值下降到电压为零的时间作为关断延迟时间。

采用开通过程中V_GS从最小值上升到最小阈值电压的时间作为开通延迟时间。

优选地，S4中所述依据开通延迟时间和关断延迟时间计算得到死区时间，计算公式为：

t_dead＝(t_{delay_skew}×r₁)+[(t_d(off)×r₂)-(t_d(on)/r₂)]，

其中，t_dead为死区时间，t_{delay_skew}为驱动器输出的偏斜延迟时间。t_d(on)为开通延迟时间，t_d(off)为关断延迟时间，r₁和r₂为余量系数。

优选地，r₁的取值为1.1，r₂的取值为1.3。

与现有技术相比，本发明的优点主要体现在以下几个方面：

本发明提供了一种基于增强型氮化镓器件的死区时间设置方法，简化了现有的技术方案，仅需要测量栅源极电压就能得到死区时间计算的参数，实施过程更为简便。在本发明的实际操作过程中，仅使用普通示波器表笔即可完成测量，无需使用高压探头测量漏源极电压，不仅简化了操作流程，而且避免了当多个信号测量时传输延迟不一致所导致的测量误差。

同时，在本发明的死区时间计算公式中，采用了分离的余量系数，使得死区时间的设置更加灵活、合理，进一步增强了本发明的实用性。

此外，本发明也为同领域内的其他相关问题提供了参考，可以以此为依据进行拓展延伸，运用于同领域内其他死区时间设置的技术方案中，具有十分广阔的应用前景。

以下便结合实施例附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详述，以使本发明技术方案更易于理解、掌握。

附图说明

图1是本发明的流程示意图；

图2是本发明实施例中搭建的测试平台示意图；

图3是本发明实施例中双脉冲信号示意图；

图4是本发明实施例中信号测量示意图；

图5是本发明实施例中不存在米勒平台关断延迟时间测量示意图；

图6是本发明实施例中存在米勒平台开关延迟时间测量示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明揭示了一种基于增强型氮化镓器件的死区时间设置方法，包括如下步骤：

S2、在半桥电路内设置较大死区时间；

以下结合具体实施例对上述方法进行进一步说明。

采用待设置死区时间的半桥电路，搭建的双脉冲测试平台如图2所示，图2中采用功率电感L和上管V1并联，选用低寄生电容的电感，避免开关过程中电流出现震荡。对桥臂下管V2的开关特性测试，从而得到V2的开关延迟时间。当功率电感L和下管V2并联时，可对上管V1的开关特性进行测试。如果要验证死区时间设置的合理性，可在电路中设置电流采样电阻接口，对电流进行采样，采样电阻可选用50毫欧到100毫欧低寄生电感的电阻。如果采样电阻过小，电磁干扰引起的噪声电压会淹没掉测量信号，但过大的电阻会对开关过程产生较大的影响。

在测试电路基础上，先设置较大死区时间，所述较大死区时间的计算公式为：

较大死区时间＝(t_{d_off}+t_f)*10，

根据实际场合运行中，在最高电压和最大负载条件下，采用双脉冲信号驱动电路，所述在最高电压、最大负载的条件下是指电路在实际运行场合中保持最高电压和最大电流。

所述双脉冲波形如图3所示，得到开关过程中栅源极电压V_GS的波形。双脉冲中第一个脉冲的时间为T_on1，第二个脉冲的宽度时间取第一个脉冲时间的1/5即可。T_on1决定开通时刻电流的值，开关时刻电流的值I_SW与脉冲时间T_on1的关系如下，

I_SW＝(V_DC×T_on1)/L，

其中，I_SW为开关时刻的电流值，单位为A。V_DC直流母线电压，单位为V。L为电感的感值，单位为H。T_on1为第一个脉冲开通时间，单位为s。

采用示波器普通探头测量栅源极电压的方法如图4所示，测量时避免使用3英寸标准探头，应采用短线探头对信号测量。栅源极电压在测量时选择靠近氮化镓栅极与源极的测量点，避免寄生电感对测量的影响，提高测量的精度。由于增强型氮化镓开关速度较快，示波器探头要具有足够高的带宽，要能够捕获信号的瞬态变化。

在双脉冲驱动条件下，示波器捕获到栅源极电压后，在第一个脉冲的关断时刻，判断V_GS的关断过程中是否存在米勒平台，当不存在米勒平台时，通过测量V_GS从最大值下降到电压为零的时间作为关断延迟时间，测量示意图如图5所示。当存在米勒平台时，通过测量V_GS从最大值下降到最小阈值电压的时间作为关断延迟时间，测量示意图如图6所示。在第二个脉冲的开通时刻，通过测量V_GS从最小值上升到最小阈值电压的时间作为开通延迟时间，测量示意图如图6所示。

通过以上方式测量的值作为开通延迟时间t_d(on)和关断延迟时间t_d(off)，为了避免测量不合理带来的误差导致死区时间过小，需要增加一定的余量，采用开通延迟时间和关断延迟时间通过下式计算得到死区时间，

t_dead＝(t_{delay_skew}×r₁)+[(t_d(off)×r₂)-(t_d(on)/r₂)]，

通常驱动器偏斜延迟时间相比开关延迟时间的值较大，通过驱动器数据手册提供的数据计算偏斜延迟时间精确可靠，测量V_GS时实际中存在的误差较大，所以死区计算公式中采用两个不同的余量系数计算，一般r₁的取值为1.1，r₂的取值为1.3。

需要验证死区时间设置的合理性时，死区时间设置为计算得到的死区时间t_dead，在最高电压和最大电流条件下，采用双脉冲信号驱动电路，采用示波器探头测量采样电阻的电压，电阻两端的电压与导通的电流的关系如下，

其中，R_S为电流采样电阻，I_D为导通电流，V_RS为采样电阻两端的电压。

由于R_S为定值，电压与电流线性相关，通过电压的波形可以反映电流变化的波形。测量时选择靠近采样电阻的两端，避免寄生电感对测量的影响。同时测量漏源极的电压V_DS，根据关断时刻的电压电流波形计算关断损耗。根据电流波形和关断损耗验证死区时间的合理性。当死区时间设置较小不合理时，电流下降过程中会骤然增加，而且关断损耗相比死区时间合理时的关断损耗会明显较大。

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和基本特征的情况下，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。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims

1.一种基于增强型氮化镓器件的死区时间设置方法，其特征在于，包括如下步骤：

S2、在半桥电路内设置较大死区时间；

2.根据权利要求1所述的基于增强型氮化镓器件的死区时间设置方法，其特征在于，S2中所述较大死区时间的计算公式为：

较大死区时间＝(t_{d_off}+t_f)*10，

3.根据权利要求1所述的基于增强型氮化镓器件的死区时间设置方法，其特征在于：S3中所述在最高电压、最大负载的条件下是指电路在实际运行场合中保持最高电压和最大电流。

4.根据权利要求1所述的基于增强型氮化镓器件的死区时间设置方法，其特征在于，S4中所述根据所测量的开通过程和关断过程中的栅源极电压V_GS得到开通延迟时间和关断延迟时间，具体包括：

5.根据权利要求1所述的基于增强型氮化镓器件的死区时间设置方法，其特征在于，S4中所述根据所测量的开通过程和关断过程中的栅源极电压V_GS得到开通延迟时间和关断延迟时间，具体包括：

6.根据权利要求1所述的基于增强型氮化镓器件的死区时间设置方法，其特征在于，S4中所述依据开通延迟时间和关断延迟时间计算得到死区时间，计算公式为：

t_dead＝(t_{delay_skew}×r₁)+[(t_d(off)×r₂)-(t_d(on)/r₂)]，

其中，t_dead为死区时间，t_{delay_skew}为驱动器输出的偏斜延迟时间，t_d(on)为开通延迟时间，t_d(off)为关断延迟时间，r₁和r₂为余量系数。

7.根据权利要求6所述的基于增强型氮化镓器件的死区时间设置方法，其特征在于：r₁的取值为1.1，r₂的取值为1.3。