技术领域
[0001] 本
发明的
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。
背景技术
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 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。
发明内容
[0006] 根据本发明的一个方面，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。
[0007] 根据本发明的另一方面，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。
[0008] 根据本发明的又一方面，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。
[0009] 通过以下详细描述和
附图，本发明的各种其他特征和优点将变得显而易见。
附图说明
[0010] 附图示出了当前设想用于执行本发明的优选实施例。
[0011] 在附图中：
[0012] 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。
[0013] 图2是根据本发明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。
[0014] 图3是根据本发明的实施例的电流感测变压器的详细视图。
[0015] 图4A和图4B是根据本发明的实施例的包括图3的电流感测变压器的电力电子电路的示意图。
[0016] 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。
[0017] 图6是示出根据本发明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
[0018] 参照图2，示出了根据本发明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，PCB 10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PCB 10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。
[0019] 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16的布置。尽管图3示出了相对于半桥电路18的电流互感器14的布置，但是应认识到，也可以利用二极管-固态开关串联连接件来实现电流互感器14的相同布置和构造。如图3所示，一对金属氧化物
半导体场效应晶体管(MOSFET)20、22被布置为在PCB 10上形成半桥电路18，具有连接MOSFET 20、22(即，MOSFET 22的源极至MOSFET 20的漏极)并在其间传送电流的粗
铜初级迹线24。尽管半桥电路18示出为包括MOSFET 20、22，但应认识到，可以替代地使用其他电力半导体装置，包括绝缘栅双极型晶体管(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、可控
硅整流器(SCR)、高电子迁移率晶体管(HEMT)或其他装置或装置组合。此外，已经认识到，可以使用任何数量的合适材料的MOSFET 20、22(或其他电力半导体装置)，示例性材料包括
碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)，但硅(Si)和砷化镓(GaAs)是合适材料的其他示例。
[0020] 在构造电流互感器14时，该互感器的组件之一是由PCB 10内的平面导电迹线26(例如，铜迹线)实现的。在图3的示例中，导电迹线26是平面的，即每个迹线26在PCB 10的一个或多个单独的层中被单独地实现。每条迹线26通过形成在其相对两端的每一个上的导电焊盘30被带到PCB 10的表面28，从而形成焊盘安装的匝。为了将相邻的导电迹线26电气耦接和机械耦接在一起，设置了多个导电连接器32作为变压器14的附加组件。在示例性实施例中，连接器32为导电钉形式，放置成连接相邻的导电迹线26。然而，已经认识到，连接器32可以具有制造它们的替代结构或替代手段。作为一个示例，连接器32可以可替代地具有经由打印应用形成的连接迹线的形式(即3D打印迹线和用于完成电流感测的电路的端子)。作为另一示例，连接器32可以可替代地为
利兹线的形式，其优化电路的AC
电阻。如图3所示，导电连接器32的一端连接到导电迹线26的第一端上的焊盘30，并且导电连接器32的另一端连接到相邻导电迹线26的第二端上的焊盘30，以便将迹线26耦接在一起，其中导电连接器32通过通孔安装或
焊接到初级迹线24任一侧的焊盘30上。导电迹线26和导电连接器(例如，钉，利兹线等)32共同形成电流互感器14中的次级绕组/侧面34的多匝–其中次级绕组/侧面34中的电流与流过其初级绕组/侧面36的电流(即，初级迹线24)成比例。因此，电流互感器
14能够精确地感测半桥电路18中的电流并且输出指示该电流的电流感测信号。
[0021] 有利地，电流互感器14的结构允许将其放置在MOSFET 20、22之间的
指定位置，而不会影响电路布局和/或电路电感，使得电路18的初级迹线24上的原始信号不会受到阻碍或影响。电流互感器14在实现宽带隙装置的电力转换器中特别有用，在这些装置中，由于需要快速切换，因此固态装置的布局很紧凑。
[0022] 现在参考图4A和图4B，示出了根据本发明的实施例的包括如图3所示和所述的电流互感器14的电力电子电路40的示意性电路图。在图4A所示的电力电子电路40中，示出了二极管-固态开关串联连接件42，通过该串联连接件42经由电流互感器14感测电流，其中二极管-固态开关串联连接件42包括MOSFET 44和二极管46，并且具有与二极管46并联耦接的电容器和电感器(未示出)，以在电力电子电路40的运行期间选择性地存储/放电电流。如先前所指出的，应认识到，在电力电子电路40中可以利用其他固态装置/切换装置，例如，如图4B所示，包括一对MOSFET44、48的半桥电路，或串联的其他合适的开关(例如，IGBT、BJT、SCR等)。进一步认识到，虽然电力电子电路40被示为仅包括单相支路和相关联的电流互感器
14，但是本发明的实施例涵盖了包括三相电路的电力电子电路，并且相关的电流互感器14将被包括在三相电路的每个相脚上。
[0023] 在操作中，应认识到，当MOSFET 44导通时，二极管46中存在存储的电荷，该电荷使二极管46表现为短路。可选地，电容器48两端可能存在残留电容，当MOSFET 44导通时，该残留电容也被放电。该电流可导致切换装置中的损耗以及导致电力电子电路40中的EMI。电流互感器14可以操作为以快速方式感测通过电力电子电路40的电流，从而提供对MOSFET 44的栅极52的动态调制，并因此最小化电力电子电路40中的直通电流和导通损耗，从而还减小电路中的振铃和EMI，如下面更详细地阐述的。
[0024] 在操作中，电流互感器14在其次级34输出电流感测信号isense，该电流感测信号isense指示流过连接MOSFET 44和二极管46的粗铜初级迹线24的电流。电流感测信号isense作为输入提供给控制器54，以提供电力电子电路40(即，二极管-固态开关串联连接件42)的运行数据，其中，控制器54是与在电路40中执行脉冲宽度调制(PWM)的控制器/电子设备分开的模拟电路，或者是作为PWM控制器/电子设备的一部分的高速数字控制器。控制器54被编程为接收电流感测信号，并且随后利用用于运行/切换的闭环控制方案，基于该信号控制MOSFET 44的运行/切换。具体地，控制器54分析由此接收到的电流感测信号，以便选择性地产生受控电压脉冲信号(经由电容器50和晶体管55)，该受控电压脉冲信号被提供给MOSFET 44的栅极52以调制其运行。由控制器54产生的脉冲信号用于控制栅极波形/导通信号的形状及其时序。脉冲信号可以施加短时间段，即“短脉冲”，以下拉或整形MOSFET 44的栅极电压，从而限制电力电子电路40中的直通电流直到直通电流条件已解决。
[0025] 参照图4A和图4B所示的特定电路40，示出了一种实现方式，其中，如图4B所示，尽管已认识到顶部组件可以替代为MOSFET 48，通过调制半桥中的MOSFET 44的栅极来通过检测连接MOSFET 44和二极管46的初级迹线24中的电流来使直通电流最小化。例如，在图4B的电路40中，当MOSFET 44的栅极52导通时，MOSFET 48的栅极花费时间过渡到低状态，并且在此持续时间内，出现直通电流。这种直通电流会导致MOSFET 44、48的功耗过大。因此，电流互感器14向控制器54输出电流感测信号isense该电流感测信号isense用于产生受控电压脉冲信号，即“直通电流脉冲”-其通过控制器54中的电容器50进行通信以在短时间内调制晶体管55(例如PNP、MOSFET或类似装置)，以减小MOSFET 44上的栅极驱动电压。这减少了直通电流并带来降低了MOSFET 44、48中消耗的总功率，从而改善了电路40的整体性能。
[0026] 参照图5A至图5D，示出了电力电子电路40的各种运行参数的值，其中，对于经由电流互感器14(图3)实现电流感测的电力电子电路40以及使用感测到的电流来调制施加到MOSFET 44的导通栅极电压以及不包括这样的电流互感器14和相关联的调制方案的电力电子电路40，示出了这些参数的值。从图5A中可以看出，与未进行如峰值切换功率/总功耗62所示的调制相比，当控制器54进行操作以产生由峰值切换功率/总功率耗散60所表示的，调制MOSFET 44的导通栅极电压的脉冲信号时(即如图5C所示，下拉开关44、48中的栅极电压，在56处表示在下部开关44中被下拉，在57处表示在上部开关48中被下拉，而在58处表示对于上部和下部开关44、48没有被下拉)，电力电子电路40中的切换连接件42中的峰值切换功率/总功耗减小。类似地，从图5B中可以看出，如通过直通电流64指示的那样，与未通过直通电流66指示的调制相比，当控制器54操作以产生调制导通MOSFET 44的栅极电压的脉冲信号时(即，下拉开关44、48中的栅极电压，如图5C所示)，电力电子电路40中的直通电流被减小/限制。图5D示出了电流感测变压器14中的电流
水平，该电流水平响应于通过初级迹线24的感测电流而产生，其中在没有控制器54下拉电压的情况下(即没有产生调制MOSFET导通栅极电压的脉冲信号)，在67处指示电流水平，并且其中控制器54产生电压下拉脉冲信号的情况下，在68处指示电流水平，可以看出，由于直通电流激活电压下拉控制器54，在电流感测变压器14中存在负电流。
[0027] 根据本发明的实施例，还认识到，作为电力电子电路40的诊断工具，以及作为分析开发电力电子电路40的长期控制策略的分析工具，可以进一步分析并利用由控制器54执行的，由电流互感器14提供的电流测量和提供给MOSFET 44的栅极电压/信号的相关调制，并为电力电子电路40提供保护。
[0028] 作为第一示例，控制器54可以被进一步编程为
跟踪由此产生的并且被提供给MOSFET 44的栅极52的电压脉冲信号，使得如果脉冲信号的数量超过预定
阈值数量时，控制器54会
声明电力电子电路40中的故障状态-因为超过阈值将指示在电力电子电路40中存在状况/故障，导致需要由控制器54重复产生这种脉冲信号。因此，由控制器54声明故障可以用作电力电子电路40中的保护特征，其可以用作短路保护。
[0029] 作为第二示例，控制器54可以被进一步编程为跟踪由此产生的并且被提供给MOSFET 44的栅极52的电压脉冲信号，作为电力电子电路40中的健康监测和使用寿命分析特征。可以分析电压脉冲信号的数量和频率，以确定例如在给定的测量时间段内产生的脉冲的数量/频率与先前测量的时间段相比是否增加了，以确定这种脉冲的产生趋势。由控制器54在多个测量的时间段上产生的脉冲的识别趋势可用于确定电力电子电路40中特定组件的运行状况已恶化和/或可用于估计电力电子电路40中特定组件的剩余使用寿命。
[0030] 作为第三示例，控制器54可以被进一步编程为跟踪由此产生的并且被提供给MOSFET 44的栅极52的电压脉冲信号，以实现MOSFET 44的切换控制策略(和/或电力电子电路40中的其他固态开关)。即，控制器54可以被编程为对先前提供给MOSFET 44的栅极电压脉冲信号执行解析学分析，以确定用于MOSFET栅极信号的期望的长期调制方案。
[0031] 现在参考图6，并再次参考图4，示出了根据本发明的实施例的用于电力电子电路40中的快速电流感测和切换控制的技术70。在技术70的第一步中，电流互感器14测量电流感测信号isense，该信号指示在连接固态装置(例如图4的二极管-固态开关串联连接件42中的MOSFET 44和二极管46)的粗铜初级迹线24上的电流(或者可选地，图3的半桥电路18的一对MOSFET 20、22)-如步骤72所示，在MOSFET 44接通时测量电流。在步骤74，然后由电力电子电路40的控制器54接收电流感测信号isense，并且控制器54分析所接收的电流感测信号，并且在示例性实施例中，将电流感测信号与预定电流阈值进行比较。作为示例，预定电流阈值可以是电流值，在该电流值之上，确定可能存在不期望的大电流尖峰、EMI以及耗散和切换损耗。然后在步骤75确定电流感测信号是高于还是低于预定电流阈值。
[0032] 如果确定电流感测信号在预定电流阈值之上，如76处所示，则技术70在步骤78继续进行，其中控制器54产生受控电压脉冲信号，该信号被提供给MOSFET 44的栅极52以调制其运行。由控制器54产生的脉冲信号用于控制栅极波形/导通信号的形状及其时序，并且可以短时间施加以下拉或整形MOSFET 44的栅极电压，并且从而限制电力电子电路40中的直通电流，直到直通电流条件解决为止。
[0033] 如果在步骤75确定电流感测信号低于预定电流阈值(如80所示)，则技术70在步骤82继续进行，其中控制器54不向MOSFET 44的栅极52施加电压调制脉冲–即，基于电流感测信号，将未被下拉的栅极电压施加到MOSFET 44的栅极52。技术70因此绕过步骤78，因为确定不需要下拉或对MOSFET 44的栅极电压进行整形。
[0034] 根据一个实施例，并且如在步骤84的幻像所示，可以通过对由电流互感器14提供的电流测量值和提供给MOSFET 44的栅极电压/信号的相关调制进行进一步分析来继续技术70。可以执行电流测量和栅极电压调制的分析，以向电力电子电路40提供保护，作为电力电子电路40的诊断工具，以及作为分析以开发电力电子电路40的长期控制策略。作为一个示例，如果电压脉冲信号的数量超过预定阈值数量，则控制器54可以声明电力电子电路40中的故障状况，并且实施电路保护特征以防止电力电子电路40中的短路。作为另一示例，可以将电压脉冲信号作为健康监测和使用寿命分析功能的一部分进行分析-并确定此类脉冲的产生趋势以确定电力电子电路40中特定组件的健康状况已恶化和/或估计电力电子电路40中特定组件的剩余使用寿命。作为又一示例，可以跟踪电压脉冲信号，以实现用于MOSFET
44的长期切换控制策略。
[0035] 如图6所示，然后，技术70可以通过循环回到步骤72来继续，对下一个电流感测信号isense进行测量(并随后提供给控制器54)以重复该技术以进行快速电流感测和电力电子电路40中的切换控制。
[0036] 有益地，本发明的实施例因此针对一种用于快速和低损耗感测电力电子电路中的现象(例如直通电流)的系统和方法。该系统和相关方法提供了对电力电子电路的精确控制和切换，以最大程度地减小直通电流，导通损耗和EMI。构造电流互感器，以使其对电路电感和电路布局的影响降至最低，这在实施电力电子转换器(例如车载充电器、牵引逆变器)以及48V车载配电的电动汽车中(具有宽带隙装置，例如SiC和GaN开关和/或布局紧凑的其他电力电子电路)尤其有用。电流互感器提供了一种用于快速电流检测的方法，该方法可与控制器结合使用，以动态控制和调制栅极信号以控制固态装置的切换，从而使直通电流、导通损耗和EMI降至最低。电流互感器和相关的控制器是作为一种廉价且可扩展的电路提供的，可以在芯片级和/或模
块级实现，以在每个实施例中，在提供快速和准确的电流感测和切换控制的同时，提供了装置和电路设计的灵活性。可以随时间跟踪电流监测，以实现电路的健康监测和福利监测，以提高长期可靠性。
[0037] 因此，根据本发明的一个实施例，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，以及基于所接收的电流感测信号，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。
[0038] 根据本发明的另一个实施例，用于感测电力电子电路中的电流的电流感测变压器包括形成在PCB的基板上的初级PCB迹线，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。
[0039] 根据本发明的又一个实施例，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所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。
[0040] 已经根据优选实施例描述了本发明的实施例，并且应该认识到，除了明确陈述的内容之外，等效物、替代物和
修改是可以的，并且在所附
权利要求的范围内。
