基于开关管电激发光的电路自适应零电压开关控制方法、电激发光的检测电路及其模组结构与流程

1.本发明涉及一种基于开关管电激发光的电路自适应零电压开关控制方法、电激发光的检测电路及其模组结构。


背景技术：

2.零电压开关(zvs)是消除变流器中大量开关损耗的有效方法，尤其是在高开关频率下运行时。传统的临界导通模式(crm)和新兴的三角型电流导通模式(三角波导通模式tcm)或四边形电流导通模式(qcm)可以在放大电流纹波这一妥协下实现零电压开关。理想的零电压开关应该在零电压的瞬间切换半导体器件的开关状态。然而，实现如此精确的控制几乎是不可实现，因此在实际应用中过大的纹波电流通常是不可避免的，从而导致更大的导通损耗。
3.使用三角波导通模式tcm的碳化硅(sic)半桥桥臂的零电压开关运行状态如图1(a)所示。保证上侧开关管q1实现零电压开关zvs的一种实用方法是通过过度设计反向负载电流i
l
，使其可以在瞬态
②
期间将上侧开关管q1的输出电容(coss)完全放电。然而，过大的反向电流会造成较大电流纹波以及电流有效值，进而导致导通损耗显著增加。这也会在更长的导通时间内，即
③
期间，导致在体二极管上更多的导通损耗。从理论上讲，最佳零电压开关只能在输出电容完全放电(即漏源极电压vds降至零)时到输出电容被反向充电至其体二极管的导通电压(即体二极管开始传导额外的反向电流)时的这段最佳区间内触发上侧开关管q1才能实现，如瞬态
②
的最后阶段所示。
4.然而，在负载电流持续变化的条件下实现最佳零电压开关zvs几乎是不可能的，因为精确检测开关状态并正确地计算所需的反向电流量仍然非常困难。以前的工作采用零电流检测(zcd)来测量零电流点，然后计算延迟以确定零电压时刻。然而，利用电信号实现零电流检测zcd，例如使用电流传感器、饱和电感和漏源极电压测量，会引入额外的损耗和响应延迟，并且由于非常接近高dv/dt和di/dt噪声源，这些测量很容易被电磁噪声干扰。此外，由于输出电容coss的非线性特性和动态变化的系统运行状态，用于确定最佳零电压开关时间的控制算法的分析和编程过程可能会非常复杂且计算量极大。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是：提供一种精确、稳定、通用的电路自适应零电压开关控制方法。
6.为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种电路自适应零电压开关控制方法，通过设置光传感器检测电路中开关管是否有电激发光；如在电路当前开关周期中，设置的光传感器未检测到所需控制的开关管的寄生体二极管或反并联续流二极管的电激发光光子，则电路的开关频率fsw在下一个开关周期中减少变量δfsw，以增加反向电感电流的幅度，同时持续检测是否有电激发光，如果还是没有检测到电激发光，则持续在每下
一个开关周期中，使开关频率以变量δfsw持续下降，并持续检测是否有电激发光，直到设置的光传感器检测到电激发光,即为到达稳定工作状态；
7.如在电路当前开关周期中，设置的光传感器检测到所需控制的开关管的寄生体二极管或反并联续流二极管的电激发光光子，则开关频率fsw将在下一个开关周期增加变量δfsw并持续检测是否有电激发光；如果还是能够检测到电激发光，则持续在每下一个开关周期中，使开关频率以变量δfsw持续增加，并持续检测是否有电激发光，直到设置的光传感器检测不到电激发光,即为到达稳定工作状态；
8.在到达稳定工作状态后，电路开关频率在连续的开关周期中保持往复增减变量δfsw的跳变动作，即电激发光在连续的开关周期中间隔产生，由此电路将实现自适应零电压开关工作状态；
9.变量δfsw为不大于开关频率fsw ii和开关频率fsw iii之间的差值的任意值；开关频率fsw ii为电路在死区时间内将所需控制的开关管的输出电容刚好放电至零时的开关频率，此时为最佳零电压开关区间的开始；开关频率fsw iii为电路在死区时间内将所需控制的开关管两端电压反向充电至体二极管或反并联二极管的导通电压时的开关频率，此时是最佳零电压开关区间的结束。
10.本方案的有益效果是：
11.由于碳化硅(sic)金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)的源极和漏极之间的p-n结中固有地具有一个寄生体二极管。当耗尽层电容被反向充电到寄生体二极管的导通电压时，寄生体二极管在正偏导通下发射光子，即电激发光效应(electroluminescence，el)。电激发光的产生精确地标记了最佳零电压开关区间结束的时刻，并提供了检测零电压开关状态的机会。本控制方法利用电激发光效应来触发功率半导体开关管自己的栅极开关信号，从而实现自适应零电压开关运行。本电路自适应零电压开关控制方法可以使器件在任何负载电流下交替工作在开关状态，且无需测量任何电气参数或了解开关管的精确寄生参数。
12.由于δfsw设置为状态ii和iii的开关频率之间的差值，确保转换器可以在下一个开关周期直接返回到最佳零电压开关区间，这提供了对运行条件变化时的积极响应。
13.本发明另一个所要解决的技术问题是：提供一种用于检测电路开关管的电激发光的检测电路。
14.为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：包括并列设置的第一信号接收放大组件和第二信号接收放大组件，两组信号接收放大组件都接入差分放大器上，差分放大器的输出端连接比较器，比较器的输出端连接数字信号处理器，第一信号接收放大组件包括第一硅光电倍增管以及第一跨阻放大器，第二信号接收放大组件包括第二硅光电倍增管以及第二跨阻放大器，其中第一信号接收放大组件靠近嵌入式印刷电路板功率模块中的待检测开关管裸片，用于感测电激发光，第二信号接收放大组件位于电激发光传输区域之外，以消除由环境光和电磁干扰emi引起的潜在噪声。
15.作为一种优选的方案，所述比较器需要设置阈值电压和迟滞触发电平，阈值电压应高于电激发光传感信号上所有来源引起的噪声总和；比较器的迟滞触发电平大于电路运行期间电激发光传感信号上存在的任何波动的幅度，且阈值电压加迟滞触发电平的值低于电路中开关管电激发光时所触发的电激发光传感信号值。
16.作为一种优选的方案，所述跨阻放大器的增益为5
×
104；所述差分放大器的增益为4.4。
17.作为一种优选的方案，所述跨阻放大器和差分放大器都是具有2.7ghz高带宽的ti opa818。
18.本方案的有益效果是：
19.本方案以差分模式使用两个信号接收放大组件，以提高具有超高放大增益的el检测电路的信噪比(snr)。第一信号接收放大组件的第一硅光电倍增管靠近嵌入印刷电路板功率模块中的待检测开关管裸片放置，用于感测开关管裸片的电激发光el；第二硅光电倍增管位于电激发光el传输区域之外，以消除由环境光和电磁干扰emi引起的潜在噪声，第一硅光电倍增管和第二硅光电倍增管都分别连接到各自的跨阻放大器(tia)，分别组成第一信号接收放大组件和第二信号接收放大组件，以将来自第一硅光电倍增管和第二硅光电倍增管的电流激励转换为电压信号。然后，差分放大器(diff-amp)消除了背景噪声，并进一步增加信号强度。
20.通过两个放大级，待检测开关管裸片的电激发光被转换为范围为几伏的模拟信号vsense。比较器用于将模拟信号vsense数字化，输出数字信号vst，数字信号vst具有“高”或“低”两电平，分别表示转换器在该周期内工作在状态iv或状态iii。通过使用数字信号vst，数字信号处理器可以根据算法在下一个开关周期调整开关频率。
21.硅光电倍增管有一个固有的噪声源，即由其自激活机制引起的暗计数，从而产生暗电流噪声。提高偏置电压可以提高检测光子的灵敏度，但也会增加暗电流噪声强度。
22.比较器设置了电平为25mv的迟滞触发功能，以消除误触发，使得整体触发方案可以提供稳健和快速的响应。
23.为了获得快速的响应，电路中跨阻放大器和差分放大器都是具有2.7ghz高带宽的ti opa818。
24.本发明另一个所要解决的技术问题是：提供一种用于电路自适应零电压开关控制方法的检测电路开关管的电激发光的嵌入式印刷电路板功率模组结构。
25.为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：
26.一种用于电路自适应零电压开关控制方法的检测电路开关管电激发光的嵌入式印刷电路板功率模组结构，包括顶部印刷电路板和底部印刷电路板，需使用自适应零电压开关方法控制的电路中的待检测开关管裸片设置在顶部印刷电路板和底部印刷电路板之间，顶部印刷电路板和底部印刷电路板上在靠近待检测开关管裸片的位置分别设有槽口，设置所述电激发光检测电路的印刷电路板插入槽口中，使第一信号接收放大组件中的第一硅光电倍增管正对待检测开关管裸片。
27.作为一种优选的方案，所述开关管裸片和所述电激发光检测电路中第一硅光电倍增管两者封装在同一功率模块内；如果开关管裸片为垂直型器件，第一硅光电倍增管垂直地放置于开关管裸片的某一侧面；如果开关管裸片为平面型器件，第一硅光电倍增管平行放置于开关管裸片上方。
28.本方案的有益效果是：本嵌入式印刷电路板功率模组结构可以快速安装定位电激发光检测电路的传感印刷电路板，且将需自适应零电压开关zvs控制电路的待检测开关管裸片设置在顶部印刷电路板和底部印刷电路板之间，可以使得待检测开关管裸片发出的电
激发光被更为准确地采集到，从而保证自适应零电压开关zvs控制电路的可靠运行。
29.将开关管裸片和所述电激发光检测电路中第一硅光电倍增管两者封装在同一功率模块内，可以进一步准确地探测功率半导体的发光状态，从而更精准地控制软开关所需要的反向谷底电流。
附图说明
30.图1.(a)半桥的典型tcm零电压开关zvs开关瞬态波形，(b)反向电感电流期间的四个瞬态。
31.图2.电路自适应零电压开关控制方法流程图。
32.图3.降压转换器的典型三角波导通模式tcm开关状态。
33.图4.电激发光检测电路示意图。
34.图5.信号采集电路插入至嵌入式印刷电路板功率模块开槽中的剖面示意图。
35.图6.稳态下自适应实现零电压开关zvs结果的波形。
36.图7.负载从10％跳变到50％期间的波形。
37.图8.负载从50％跳变到10％期间的波形。
38.图中：1差分放大器，2比较器，3数字信号处理器，4第一硅光电倍增管，5第一跨阻放大器，6第二硅光电倍增管，7第二跨阻放大器，8待检测开关管裸片；
39.9顶部印刷电路板，10底部印刷电路板，11槽口，12传感印刷电路板。
具体实施方式
40.下面结合附图，详细描述本发明的具体实施方案。
41.图2、3所示，一种电路自适应零电压开关控制方法：通过设置光传感器检测电路中开关管是否有电激发光；如在电路当前开关周期中，设置的光传感器未检测到所需控制的开关管的寄生体二极管的电激发光光子，则电路的开关频率fsw在下一个开关周期中减少变量δfsw，以增加反向电感电流的幅度，同时持续检测是否有电激发光，如果还是没有检测到电激发光，则持续在每下一个开关周期中，使开关频率以变量δfsw持续下降，并持续检测是否有电激发光，直到设置的光传感器检测到电激发光,即为到达稳定工作状态；
42.如在电路当前开关周期中，设置的光传感器检测到所需控制的开关管的寄生体二极管的电激发光光子，则开关频率fsw将在下一个开关周期增加变量δfsw并持续检测是否有电激发光；如果还是能够检测到电激发光，则持续在每下一个开关周期中，使开关频率以变量δfsw持续增加，并持续检测是否有电激发光，直到设置的光传感器检测不到电激发光,即为到达稳定工作状态；
43.在到达稳定工作状态后，电路开关频率在连续的开关周期中保持往复增减变量δfsw的跳变动作，即电激发光在连续的开关周期中间隔产生，由此电路将实现自适应零电压开关工作状态；
44.变量δfsw为不大于开关频率fsw ii和开关频率fsw iii之间的差值的任意值；开关频率fsw ii为电路在死区时间内将所需控制的开关管的输出电容刚好放电至零时的开关频率，此时为最佳零电压开关区间的开始；开关频率fsw iii为电路在死区时间内将所需控制的开关管两端电压反向充电至体二极管或反并联二极管的导通电压时的开关频率，此
时是最佳零电压开关区间的结束。
45.这种自适应零电压开关zvs控制算法可以扩展到其他电路，例如boost、图腾柱pfc、交错并联变换器等。此外，通过采用具有不同检测波长范围的不同光学传感器，该方法也可以应用于si mosfet、si igbt/frd和gan hemt，因为电激发光el效应仍然存在于这些器件中，尽管由于其不同的带宽而具有不同的光谱。
46.如图4所示，一种用于检测电路开关管的电激发光的检测电路，包括并列设置的第一信号接收放大组件和第二信号接收放大组件，两组信号接收放大组件都接入差分放大器上，差分放大器的输出端连接比较器，比较器的输出端连接数字信号处理器，第一信号接收放大组件包括第一硅光电倍增管以及第一跨阻放大器，第二信号接收放大组件包括第二硅光电倍增管以及第二跨阻放大器，其中第一信号接收放大组件靠近嵌入式印刷电路板功率模块中的待检测开关管裸片，用于感测电激发光，第二信号接收放大组件位于电激发光传输区域之外，以消除由环境光和电磁干扰emi引起的潜在噪声。
47.所述比较器需要设置阈值电压和迟滞触发电平，阈值电压应高于电激发光传感信号上所有来源引起的噪声总和；比较器的迟滞触发电平大于电路运行期间电激发光传感信号上存在的任何波动的幅度，且阈值电压加迟滞触发电平的值低于电路中开关管电激发光时所触发的电激发光传感信号值。
48.跨阻放大器和差分放大器都是具有2.7ghz高带宽的ti opa818。跨阻放大器的增益为5
×
104；差分放大器的增益为4.4。
49.考虑到转换器中的这种权衡和可行的辅助电源，本文使用34v作为偏置电压vbias，提供了一个高于硅光电倍增管击穿电压的5v过压，这会产生在暗室中观察到的相对较低的50mv暗电流噪声。
50.因此，本文为比较器保守地预置了0.4v的阈值电压vth，对应于1.5a的二极管导通电流，以消除所有噪声源的影响，提高信噪比，并保持el检测的高灵敏度，避免了过大的导通电流。
51.如图5所示，一种用于电路自适应零电压开关控制方法的检测电路开关管电激发光的嵌入式印刷电路板功率模组结构，包括顶部印刷电路板和底部印刷电路板，需使用自适应零电压开关方法控制的电路中的待检测开关管裸片设置在顶部印刷电路板和底部印刷电路板之间，顶部印刷电路板和底部印刷电路板上在靠近待检测开关管裸片的位置分别设有槽口，设置所述电激发光检测电路的印刷电路板插入槽口中，使第一信号接收放大组件中的第一硅光电倍增管正对待检测开关管裸片。
52.所述开关管裸片和所述电激发光检测电路中第一硅光电倍增管两者封装在同一功率模块内；如果开关管裸片为垂直型器件，第一硅光电倍增管垂直地放置于开关管裸片的某一侧面；如果开关管裸片为平面型器件，第一硅光电倍增管平行放置于开关管裸片上方。
53.顶部印刷电路板和底部印刷电路板之间电流传导路径的接近度提供了紧密耦合的磁通量，这将为sic mosfet的快速开关提供极低的功率回路杂散电感。
54.为了演示所提出的自适应零电压开关zvs方法，使用两个sic mosfet裸片(额定电压750v；rds,on 14.4mω)，使用一个定制的印刷电路板嵌入式功率模组构建了一个额定功率为5kw的同步降压转换器。该转换器输入电压为400v，输出电压为200v，电感为25uh。在上
桥臂mosfet q1附近的槽口中插入了一个电激发光的检测电路，用于检测上桥臂mosfet q1的电激发光进而确定其开关状态。tms320f28379d用作控制器，根据当前周期中检测到的开关状态调整下一个开关周期中的开关频率fsw。由于在本实验中未封装传感电路和印刷电路板嵌入式模块，因此将整个测试装置放置在暗室中以消除环境光噪声。
55.如图6所示，为在启用自适应零电压开关zvs控制的情况下，在50％额定功率下稳态工作时，开关管q1的漏源极电压vds、电感电流il、模拟信号vsense、数字信号vst以及上桥臂mosfet q1的栅源极电压vgs1和下桥臂mosfet q 2的栅源极电压vgs2。可以看出，模拟信号vsense每隔一个周期有一个脉冲，数字信号vst提供一个低噪声信号，相应地指示开关状态。结果表明，开关频率fsw会自动调整以确保上桥臂mosfet q1的导通处于体二极管导通时刻或刚好在导通时刻之前，即处于状态iii和状态iv之间的边界以实现最佳零电压开关zvs运行。
56.在状态iii的放大图中，可以观察到完美实现了零电压开关zvs。进一步放大漏源极电压vds，在死区时间内，随着输出电容coss反向充电，漏源极电压vds降为零，但没有达到体二极管的导通电压。因此，该算法可以精确控制开关管进入最佳zvs区间。此外，如状态iv的放大图所示，此状态仍然实现了零电压开关zvs，且模拟信号vsense和数字信号vst具有相应的响应动作。进一步放大图中，输出电容coss被反向充电到体二极管导通电压，然后体二极管导通24ns，其中观察到漏源极电压vds具有小负值的平底。这个24ns的传导时间非常短，因此对电感电流il的增加可以忽略不计。因此，本方案可以将谷底电流控制在一致的2a，这也是实现最佳零电压开关zvs的精确值。
57.硅光电倍增管sipm和运算放大器的高带宽提供了从导通到模拟信号vsense开始响应的3ns的延迟时间。此外，主要由于保守预设的比较器阈值电压vth，从模拟信号vsense响应到数字信号vst触发的延迟时间为18ns，这也计入2.5ns的比较器传播延迟。因此，考虑到大多数电力电子设备的开关频fsw不会超过10mhz，总响应速度足以让dsp在下一个周期调整fsw。
58.瞬态负载时自适应零电压开关zvs结果：
59.图7和图8分别显示了负载从额定功率的10％到50％和从50％到10％跳变的瞬态过程。本文所提出的方法可以自动适应新的负载电流并调整开关频率fsw以实现最佳零电压开关。
60.具有相同时间尺度的放大波形图表明，所提出的控制方法可以在负载变化时自适应地更新最佳零电压开关zvs的开关频率fsw。在负载上升和下降变化中，控制器在50％和10％负载下将开关频率fsw分别调整为180khz和336khz。调整自动执行，无需任何先决条件的查表或计算。最佳零电压开关zvs可以始终如一地实现，也可以通过在高负载和低负载下观察恒定的2a谷底电流来检查，因为零电压开关zvs所需的谷底电流与负载无关，但仅由功率器件决定。
61.上述的实施例仅例示性说明本发明创造的原理及其功效，以及部分运用的实施例，而非用于限制本发明；应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种电路自适应零电压开关控制方法，通过设置光传感器检测电路中开关管是否有电激发光；如在电路当前开关周期中，设置的光传感器未检测到所需控制的开关管的寄生体二极管或反并联续流二极管的电激发光光子，则电路的开关频率fsw在下一个开关周期中减少变量δfsw，以增加反向电感电流的幅度，同时持续检测是否有电激发光，如果还是没有检测到电激发光，则持续在每下一个开关周期中，使开关频率以变量δfsw持续下降，并持续检测是否有电激发光，直到设置的光传感器检测到电激发光,即为到达稳定工作状态；如在电路当前开关周期中，设置的光传感器检测到所需控制的开关管的寄生体二极管或反并联续流二极管的电激发光光子，则开关频率fsw将在下一个开关周期增加变量δfsw并持续检测是否有电激发光；如果还是能够检测到电激发光，则持续在每下一个开关周期中，使开关频率以变量δfsw持续增加，并持续检测是否有电激发光，直到设置的光传感器检测不到电激发光,即为到达稳定工作状态；在到达稳定工作状态后，电路开关频率在连续的开关周期中保持往复增减变量δfsw的跳变动作，即电激发光在连续的开关周期中间隔产生，由此电路将实现自适应零电压开关工作状态；变量δfsw为不大于开关频率fsw ii和开关频率fsw iii之间的差值的任意值；开关频率fsw ii为电路在死区时间内将所需控制的开关管的输出电容刚好放电至零时的开关频率，此时为最佳零电压开关区间的开始；开关频率fsw iii为电路在死区时间内将所需控制的开关管两端电压反向充电至体二极管或反并联二极管的导通电压时的开关频率，此时是最佳零电压开关区间的结束。2.一种用于配合如权利要求1所述的电路自适应零电压开关控制方法的检测电路开关管电激发光的检测电路，其特征在于：包括并列设置的第一信号接收放大组件和第二信号接收放大组件，两组信号接收放大组件都接入差分放大器上，差分放大器的输出端连接比较器，比较器的输出端连接数字信号处理器，第一信号接收放大组件包括第一硅光电倍增管以及第一跨阻放大器，第二信号接收放大组件包括第二硅光电倍增管以及第二跨阻放大器，其中第一信号接收放大组件靠近嵌入式印刷电路板功率模块中的待检测开关管裸片，用于感测电激发光，第二信号接收放大组件位于电激发光传输区域之外，以消除由环境光和电磁干扰emi引起的潜在噪声。3.如权利要求2所述的一种用于配合电路自适应零电压开关控制方法的检测电路开关管电激发光的检测电路，其特征在于：所述比较器需要设置阈值电压和迟滞触发电平，阈值电压应高于电激发光传感信号上所有来源引起的噪声总和；比较器的迟滞触发电平大于电路运行期间电激发光传感信号上存在的任何波动的幅度，且阈值电压加迟滞触发电平的值低于电路中开关管电激发光时所触发的电激发光传感信号值。4.如权利要求3所述的一种用于配合电路自适应零电压开关控制方法的检测电路开关管电激发光的检测电路，其特征在于：所述跨阻放大器的增益为5
×
104；所述差分放大器的增益为4.4。5.如权利要求4所述的一种用于配合电路自适应零电压开关控制方法的检测电路开关管电激发光的检测电路，其特征在于：所述跨阻放大器和差分放大器都是具有2.7ghz高带宽的ti opa818。
6.一种用于配合如权利要求2-5中任一项所述的电路自适应零电压开关控制方法的检测电路开关管电激发光的嵌入式印刷电路板功率模组结构，其特征在于：包括顶部印刷电路板和底部印刷电路板，需使用自适应零电压开关方法控制的电路中的待检测开关管裸片设置在顶部印刷电路板和底部印刷电路板之间，顶部印刷电路板和底部印刷电路板上在靠近待检测开关管裸片的位置分别设有槽口，设置所述电激发光检测电路的印刷电路板插入槽口中，使第一信号接收放大组件中的第一硅光电倍增管正对待检测开关管裸片。7.如权利要求6所述的一种用于配合电路自适应零电压开关控制方法的检测电路开关管电激发光的嵌入式印刷电路板功率模组结构，其特征在于：所述开关管裸片和所述电激发光检测电路中第一硅光电倍增管两者封装在同一功率模块内；如果开关管裸片为垂直型器件，第一硅光电倍增管垂直地放置于开关管裸片的某一侧面；如果开关管裸片为平面型器件，第一硅光电倍增管平行放置于开关管裸片上方。

技术总结
本发明公开了一种基于开关管电激发光的电路自适应零电压开关控制方法、电激发光的检测电路及其模组结构。自适应零电压开关控制方法使用电激发光效应来检测开关状态并自主控制器件的栅极开关，该方法在稳态和瞬态负载条件下都有效地实现了自适应零电压开关运行。检测电路以差分模式使用两个信号接收放大组件，以提高具有超高放大增益的电激发光检测电路的信噪比。第一信号接收放大组件的第一硅光电倍增管靠近嵌入式印刷电路板功率模块中的待检测开关管裸片放置，用于感测开关管裸片的电激发光；第二信号接收放大组件的第二硅光电倍增管位于电激发光传输区域之外，以消除由环境光和电磁干扰引起的潜在噪声。光和电磁干扰引起的潜在噪声。光和电磁干扰引起的潜在噪声。


技术研发人员：胡博容 龙腾 姜云磊
受保护的技术使用者：南京能利芯科技有限公司
技术研发日：2023.06.21
技术公布日：2023/9/22