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是时候消灭死区时间了
2023/2/1 15:17:14 材料来源：PSD功率系统设计
作者：EPC全球现场应用工程总监Andrea Gorgerino
在现代电力转换应用中，利用开关电源器件的空载时间一直是一个必要的缺点，设计者已经学会了如何生存，以确保可靠和无忧的运行。
有效与控制死区时间
死区时间是指当接通时间重叠将导致交叉导通电流时，两个器件的关断和接通之间所需的延迟。图1显示了同步降压转换器的一个典型示例，其中Q1和Q2的同时导通会导致输入电压（VIN）短路，这会导致额外的损耗、更高的工作温度，甚至在极端情况下出现故障。这种重叠不是由控制器本身造成的，因为即使控制器信号中存在零重叠，驱动器和FET之间的失配可能导致有效的负死区时间。
图1：同步降压转换器中的死区时间
为了避免这种重叠情况，控制器在栅极驱动器的栅极信号上插入控制死区时间。该控制的目的是确保有效停滞时间始终为正值。控制死区时间由一些初始计算、充分的防护带和彻底的测试确定。使用此预设的死区时间，应用将在大多数情况下工作，具有大量有效死区时间，因此在最坏情况下，重叠仍将具有正有效死区时间。
分析停滞时间时需要考虑的主要影响如下：
- 栅极驱动器上的传播延迟不匹配
- 高压侧和低压侧之间的电源电压差异
- 栅极电阻值的差异
- FET的开启和关闭时间不匹配
- 二极管反向恢复时间和恢复时间的变化
从该列表中可以清楚地看出，计算完美的控制死区时间不是一项容易的任务，因为所有这些参数都会因制造公差和操作温度以及每个器件的电压和电流水平而改变。
死区时间变化的主要因素之一是体二极管反向恢复时间，由于GaN器件中没有这种效应，GaN器件所需的控制和有效死区时间之间的差异比硅MOSFET小得多。
停滞时间对损耗的影响
死区损耗通常在GaN FET的问题中进行讨论，因为在有效死区期间，工作的第三象限中的损耗高于Si MOSFET的体二极管损耗。然而，为了全面了解情况，需要考虑该事件期间损失的所有因素，包括：
- 第三象限传导损耗
- 输出电容损耗
- 反向恢复损耗（仅适用于Si MOSFET）
- 低电压硬开关接通（部分ZVS）
这些影响的详细描述如所示，图2给出了半桥电路空载时间损失影响的总体视图（在本分析中，不包括开启和关闭损耗，因为它们不依赖于空载时间）。
图2：在60 V应用中（4 A步进中为-20 A至 +20 A），eGaN®FET和MOSFET每周期的计算死区损耗与死区时间的关系。注意两个图之间的水平比例差异
当考虑高压侧关闭和低压侧打开之间的死区时间时，根据电流的符号，需要考虑不同的损耗因素：
- 对于关断时的负电流（进入半桥的电流），高压侧的第三象限导通开始，损耗随着死区时间线性增加。在空载时间结束时，低压侧导通，在此硬开关事件期间，发生COSS和反向恢复（MOSFET）损耗。这些损失在图2中以蓝色显示，在这种情况下，为了最大限度地减少损失，应尽可能缩短停滞时间
- 对于正电流（进入半桥的电流），其影响取决于负载电流。如果电感器中有足够的能量使电压完全换向，则可以实现无损耗零电压开关（ZVS）接通。如果没有，器件将开始经历部分ZVS。一旦该切换事件完成，第三象限导通可以开始，并且损耗从那里开始随着死区时间线性增加。这些损耗在图2中以绿色显示，在这种情况下，有一个最佳空载时间，这取决于负载电流
相反的情况发生在低压侧断开和高压侧接通之间的互补死区时间内。
当比较MOSFET和GaN器件时，可以观察到
- 由于较低的COSS，GaN FET实现ZVS的自换向能量约为一半
- GaN和MOSFET的EOSS和ERR损耗约为三分之一
- 由于更高的二极管模式电压降，GaN中的第三象限损耗比MOSFET增加了约2.5倍，尽管与其他三种损耗（部分ZVS、EOsSSS和ERR）相比，这些损耗是次要因素
总之，即使具有较高的第三象限传导损耗，更详细的分析表明，GaN FET不仅能够以较小的死区时间工作，而且总体上具有较低的死区时间损耗。
对控制的影响
先前的分析强调，使用GaN FET可以减少损耗并利用较小的死区时间。在应用级别，使用短停滞时间本身就具有优势。
在硬开关变换器中，死区时间可以改善高频和高阶跃比变换器的控制特性。
在谐振变换器中，器件输出电荷与实现全ZVS所需的能量成比例。能量的减少会导致死区时间的减少，从而提供更大的输送周期和更低的RMS电流，如图3所示。
图3：工作在1.2MHz的GaN FET和Si MOSFET谐振转换器之间的有效占空比比较
对运动的影响
在电机驱动中，减少空载时间将减少零电流交叉期间产生的失真，消除不期望的失真和高阶谐波，如图4所示。这不仅减少了可听噪声，还减少了RMS电流，从而大大提高了系统效率。死区时间实际上是电流波形上的5次和7次谐波的原因。这些谐波在由电机施加到负载的转矩的第六谐波中回旋，并且转矩的第6谐波导致电机绕组中不期望的振动和发热。当比较图4中的电流波形时，空载时间较低的情况下总谐波失真较低，从而增加了有效电机转矩常数Kt [Nm/A]，这反过来导致了更有效的系统运行。
图4：正弦电机驱动中过零失真的死区效应比较
此外，在电机驱动应用中，如果空载时间的减少与PWM频率的增加相结合，则如图5所示，可以提高整个系统的效率效果，其中相同的电机以相同的速度和负载运行，但PWM频率和空载时间不同。空载时间减少的效果在转矩和图片排线中可见。空载时间越低，扭矩越高，电机效率越高。
图5：正弦电机驱动的空载时间减少和PWM频率增加的组合效应
结论
死区时间是电力电子设计中的一个重要考虑因素，GaN FET相对于Si MOSFET的改进的品质因数允许以小得多的死区时间进行操作。最小化这一不需要的操作阶段允许设计者最小化组件级的损失，并优化系统级的效率和操作。虽然GaN FET不能完全消除它，但它对一直存在的死区时间产生了强烈的打击。
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