用于快速电流感测和晶体管时序控制的系统和方法技术方案

公开了一种电力电子电路，其包括切换电路，该切换电路包括与第二固态装置串联耦接的第一固态装置，其中，至少第一固态装置包括具有栅极端子的固态开关。电力电子电路还包括电流感测变压器和控制器，电流感测变压器位于第一固态装置和第二固态装置之间，并且被配置为感测在连接第一固态装置和第二固态装置的导电迹线上流动的电流，控制器耦接到切换电路和电流感测变压器，以便与其进行可操作的通信。控制器被编程为从电流感测变压器接收指示在导电迹线上流动的电流的电流感测信号，并且基于所接收的电流感测信号来调制到第一固态装置的栅极端子的栅极电压，从而控制其切换。

System and method for fast current sensing and transistor timing control

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于快速电流感测和晶体管时序控制的系统和方法
本专利技术的实施例总体上涉及电子转换器，并且更具体地，涉及用于快速电流感测和优化在多开关电力转换器中的切换时序的系统。
技术介绍
在电力电子电路中，半桥电路设备用于控制电力转换和流过电子电路的电流。图1示出了已知的半桥电路拓扑2，其中半桥电路2包括一对开关4、6，可以根据脉冲宽度调制(PWM)方案来控制该一对开关4、6以将DC电压(Vdc)转换为电压输出(vout)上的AC波形，以控制AC负载，例如AC电动机。半桥电路2可以用于单相DC-to-DC或DC-to-AC转换器和多相DC-to-DC或DC-to-AC转换器的一相。通常，开关4、6以交替的方式运行，其中一个开关处于导通状态，而另一开关处于断开状态。根据所需频率，通过PWM方案控制哪个开关处于导通状态导致在电压输出(vout)上生成AC波形。应认识到，开关(例如，开关4)从其导通状态到其断开状态(或从其断开状态到导通状态)的过渡不是瞬时过程。即，开关4停止流过其中的电流要花费一些时间。如果另一开关(例如，开关6)在切断流经开关4的电流之前开始传导电流，则可能会产生“击穿”状态，其中DC电压(Vdc)短路，可能损坏电压电源供应Vdc。因此，在半桥电路2的传统实现中，计算了死区时间并将其添加到PWM方案中，以避免同时将两个开关4、6激活到其导通状态。此外，在二极管-固态开关串联连接件中，应认识到，当开关(例如开关4)导通时，二极管中可能存在存储的电荷，这会导致二极管表现为短路，或者二极管(和随附的电容器)两端可能有残留的电容放电。电流的这种放电可能会导致较大的电流尖峰，从而可能导致电力电子电路中的电磁干扰(EMI)、过度耗散和切换损耗。为了避免由于在半桥电路或二极管-固态开关串联连接件中的切换引起的直通条件和/或电流浪涌(以及相关的EMI和切换损耗)的发生，电流感测通常用于控制和调制电子电路中一个或多个开关的选通。通常，通过使用诸如霍尔传感器、低电感分流器、电流感测变压器等电流感测电路来实现这种电流感测。然而，应认识到，这种电流感测电路可能是昂贵的，不准确的，并且在某些情况下，可能会影响电力转换器的布局。即，对于宽带隙装置，传感的速度和时序的控制是许多实现无法实现的关键问题。这种装置中的转换时间约为几纳秒量级，且感测受到寄生元件的严重影响，并且控制需要快速。为了实现速度和有效的时序控制，无论是设计还是布局实现，感测和控制电路都必须具有最小的延迟。具体参考电流感测变压器，应认识到，其尺寸是变压器电磁特性的必须结果，需要诸如绕组、铁氧体或其他磁芯等子组件，并且这些物理限制限制了变压器以与电力转换器、切换电源和其他电子子系统的固态组件相同的速率小型化的能力。因此，在一些需要非常紧凑的布局的实施方式中，例如在实现了电力电子转换器(例如车载充电器、牵引逆变器(以及48V车载配电))且具有宽带隙装置(例如SiC和GaN开关)的电动汽车中，传统的电流感测电路(包括电流感测变压器)可能会对充电器/转换器的布局及其电路电感产生负面影响。因此，期望提供一种用于电流感测的系统和方法，其提供电力电子电路中的精确控制和切换以最小化直通电流、导通损耗和EMI。对于这样的系统和方法，也期望以合理的成本提供对电路电感和电路布局影响最小的这种电流感测和控制。
技术实现思路
根据本专利技术的一个方面，电力电子电路包括切换电路，该切换电路包括与第二固态装置串联耦接的第一固态装置，其中，至少第一固态装置包括具有栅极端子的固态开关。电力电子电路还包括电流感测变压器和控制器，电流感测变压器位于第一固态装置和第二固态装置之间，并被配置为感测在连接第一固态装置和第二固态装置的导电迹线上流动的电流，控制器耦接到切换电路和电流感测变压器，以便与其可操作地通信。控制器被编程为从电流感测变压器接收指示在导电迹线上流动的电流的电流感测信号，以及基于接收到的电流感测信号，调制到第一固态装置的栅极端子的栅极电压，以控制其切换。根据本专利技术的另一方面，用于感测电力电子电路中的电流的电流感测变压器包括：初级PCB迹线，形成在PCB的基板上，该初级PCB迹线连接位于PCB上的一对固态装置。电流感测变压器还包括：多个平面导电迹线，形成在PCB的基板的一层或多层内，以便位于初级PCB迹线的下方；以及导电焊盘，形成在PCB的基板的表面上与多个平面导电迹线中的每个平面导电迹线的相对端相对应的位置处，以形成焊盘安装的匝，导电焊盘提供到多个平面导电迹线的电连接。电流感测变压器还包括：耦接到多个平面导电迹线的多个导电连接器，以将相邻的平面导电迹线电气耦接和机械耦接在一起，多个导电连接器在初级PCB迹线上延伸，并且其中，初级PCB迹线形成电流感测变压器的初级侧，并且多个平面导电迹线、导电焊盘和多个导电连接器形成电流感测变压器的次级侧。根据本专利技术的又一方面，在电力转换电路中提供了一种用于执行电流感测和晶体管时序控制的方法，该电力转换电路包括第二固态切换装置和二极管之一以及第一固态切换装置。该方法包括经由电流感测变压器，测量在连接第二固态切换装置和二极管之一以及第一固态切换装置的电力转换电路的初级导电迹线上流动的电流。该方法还包括将指示初级导电迹线上的电流的电流感测信号提供给控制器，以及经由控制器基于接收的电流感测信号，调制到第一固态切换装置的栅极端子的栅极电压，以便控制其切换。通过以下详细描述和附图，本专利技术的各种其他特征和优点将变得显而易见。附图说明附图示出了当前设想用于执行本专利技术的优选实施例。在附图中：图1是用于电力转换器的基本构件的已知半桥电路拓扑的电路图。图2是根据本专利技术的实施例的包括电流感测变压器的电力电子电路的印刷电路板的实施例的透视图和透明视图。图3是根据本专利技术的实施例的电流感测变压器的详细视图。图4A和图4B是根据本专利技术的实施例的包括图3的电流感测变压器的电力电子电路的示意图。图5A至图5D是示出当利用来自电流互感器的测量来实施切换控制策略时，与未实现这种切换控制策略时的参数相比，在图4A和图4B的电力电子电路的操作期间测量的各种参数的曲线图。图6是示出根据本专利技术的实施例的用于电力电子电路中的快速电流感测和切换控制的技术的流程图。具体实施方式参照图2，示出了根据本专利技术的实施例的实现电子子系统的印刷电路板(PCB)10，诸如切换电源或包括电力转换器或其他电力电子电路的电路。在该示例中，PCB10包括各种封装和分立的电子组件12，包括功率磁、切换装置，控制电路等，以及适当的连接器(未显示)，子系统可通过这些连接器与机架或更大的系统连接。示出根据实施例的被实现在PCB10的顶表面上的电流感测变压器14。如将在下面进一步详细描述的，根据本文公开的实施例来构造电流互感器14，提供小的占位面积，其最小化对电路布局的影响(即，对PCB10上的封装的固态切换组件16的影响)，并且最小化对电路电感的影响。现在参考图3，更详细地示出电流感测变压器14的构造及其相对于固态装置本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电力电子电路，包括：/n切换电路，包括与第二固态装置串联耦接的第一固态装置，其中，至少所述第一固态装置包括具有栅极端子的固态开关；/n电流感测变压器，位于所述第一固态装置和所述第二固态装置之间，并被配置为感测在连接所述第一固态装置和所述第二固态装置的导电迹线上流动的电流；以及/n控制器，耦接到所述切换电路和所述电流感测变压器，以便与所述切换电路和所述电流感测变压器可操作地通信，所述控制器被编程为：/n从所述电流感测变压器接收指示在所述导电迹线上流动的所述电流的电流感测信号；以及/n基于所接收的电流感测信号，调制到所述第一固态装置的所述栅极端子的栅极电压，以控制所述第一固态装置的切换。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170822 US 15/682,9401.一种电力电子电路，包括：
切换电路，包括与第二固态装置串联耦接的第一固态装置，其中，至少所述第一固态装置包括具有栅极端子的固态开关；
电流感测变压器，位于所述第一固态装置和所述第二固态装置之间，并被配置为感测在连接所述第一固态装置和所述第二固态装置的导电迹线上流动的电流；以及
控制器，耦接到所述切换电路和所述电流感测变压器，以便与所述切换电路和所述电流感测变压器可操作地通信，所述控制器被编程为：
从所述电流感测变压器接收指示在所述导电迹线上流动的所述电流的电流感测信号；以及
基于所接收的电流感测信号，调制到所述第一固态装置的所述栅极端子的栅极电压，以控制所述第一固态装置的切换。


2.根据权利要求1所述的电力电子电路，还包括印刷电路板(PCB)，所述PCB上安装有所述切换电路和所述电流感测变压器，并且其中，所述电流感测变压器包括：
多个平面导电迹线，形成在所述PCB内；
导电焊盘，形成在所述PCB的表面上与所述多个平面导电迹线中的每个平面导电迹线的相对端相对应的位置处，以便提供到所述多个平面导电迹线的电连接；以及
多个导电连接器，耦接到所述多个平面导电迹线，以将相邻的平面导电迹线电气耦接和机械耦接在一起。


3.根据权利要求2所述的电力电子电路，其中，所述多个导电连接器包括以下之一：
预形成的导电钉，耦接到所述PCB的所述表面上的所述导电焊盘，以连接所述相邻的平面导电迹线；以及
利兹线，耦接到所述PCB的所述表面的所述导电焊盘，以连接所述相邻的平面导电迹线；
其中，所述导电钉或利兹线通过通孔安装、焊接或印刷在所述PCB的所述表面的所述导电焊盘上。


4.根据权利要求3所述的电力电子电路，其中，所述多个平面导电迹线和所述多个导电连接器共同形成所述电流感测变压器中的次级变压器侧，其中，连接所述第一固态装置和所述第二固态装置的所述导电迹线形成初级变压器侧。


5.根据权利要求1所述的电力电子电路，其中，所述切换电路包括半桥电路，所述半桥电路包括所述第一固态开关和所述第二固态开关。


6.根据权利要求1所述的电力电子电路，其中，所述切换电路包括包含所述第一固态开关和二极管的二极管-固态开关串联连接件。


7.根据权利要求1所述的电力电子电路，其中，所述固态开关包括金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、高电子迁移率晶体管(HEMT)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)、双极结型晶体管(BJT)、集成栅极换向晶闸管(IGCT)、栅极截止(GTO)晶闸管和可控硅(SCR)中的一个。


8.根据权利要求1所述的电力电子电路，其中，所述固态开关由碳化硅(SiC)或氮化镓(GaN)形成。


9.根据权利要求1所述的电力电子电路，其中，在调制到所述栅极端子的所述栅极电压时，所述控制器被编程为：
比较所述电流感测信号与预定电流阈值；
当所述电流感测信号超过所述预定电流阈值时，产生电压脉冲信号并将所述电压脉冲信号施加到所述第一固态装置的所述栅极端子，以便下拉和/或整形到所述栅极端子的所述栅极电压；以及
当所述电流感测信号低于所述预定电流阈值时，在不产生电压脉冲信号并施加所述电压脉冲信号的情况下，调制到所述第一固态装置的所述栅极端子的所述栅极电压。


10.根据权利要求9所述的电力电子电路，其中，所述控制器还被编程为：
比较所产生的电压脉冲信号的数量与预定阈值脉冲计数；
当所产生的电压脉冲信号的数量超过所述预定阈值脉冲计数时，声明所述电力电子电路中的故障状态；以及
在声明所述故障状态后实施电路保护方案，以便防止所述电力电子电路短路。


11.根据权利要求9所述的电力电子电路，其中，所述控制器还...

【专利技术属性】
技术研发人员：拉曼加姆·拉马哈德兰，罗伯特·詹姆斯·托马斯，阿哈默德·爱拉塞尔，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：美国;US