一種智能功率模塊自適應死區時間產生電路及應用方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及用于一種智能功率模塊自適應死區時間產生電路及應用方法，屬于智能功率模塊中柵極驅動電路設計領域。
【背景技術】
[0002]智能功率模塊就是將功率開關器件(IGBT或者M0SFET)和柵極驅動電路(HVIC)集成在一起，同時還集成有各種保護功能的功率驅動類產品。與傳統分立方案相比，智能功率模塊以其高集成度、高可靠性等優勢贏得越來越大的市場，尤其是在電機驅動、智能開關電源、汽車電子等方面有著廣泛的用途。目前該類產品的國內市場基本上被國外產品所占領，因此研究和設計智能功率模塊對實現該類產品的國產化，促進產業的發展有著現實的意義。
[0003]如圖1所示，一種常用的三相智能功率模塊包括了 U、V、W三相驅動電路。每一相驅動電路由柵極驅動電路(HVIC)以及高側MOSFET M1、低側MOSFET M2、自舉二極管(BSD)組成。柵極驅動電路將輸入的低側輸入信號LIN和高側輸入信號HIN分別轉換為控制低側MOSFET柵端的低側輸出信號LO和控制高側MOSFET柵端的高側輸出信號HO。為了確保高側MOSFET和低側MOSFET不會同時導通，通常會在高側輸入信號HIN和低側輸入信號LIN之間插入死區時間，在低側MOSFET關斷后高側MOSFET才會導通，同時在高側MOSFET關斷后低側MOSFET才會導通。如圖2a所示的信號時序圖，高側輸入信號HIN和低側輸入信號LIN之間沒有死區時間(LIN的下降沿與HIN的上升沿之間，以及HIN的下降沿與LIN的上升沿之間)，而如圖2b所示的信號時序圖，高側輸出信號HO和低側輸出信號LO之間被插入了死區時間DT (L0的下降沿與HO的上升沿之間，以及HO的下降沿與LO的上升沿之間)，該死區時間通常大于高側和低側通路的傳輸延遲差和MOSFET的導通關斷時間差。但是死區時間越大，會導致PWM信號有效的占空比縮小，從而引起系統效率的降低，尤其是對開關速率較快的應用場景，由死區時間而損失的效率會更明顯。
[0004]現實應用中，智能功率模塊的輸入控制信號由前級MCU或者ASIC來提供，基于控制算法或者系統可靠性的考慮，往往MCU或者ASIC輸出的控制信號會存在自帶死區時間或者不帶死區時間兩種情況。現在的做法是智能功率模塊中的死區時間產生電路不管輸入的控制信號有無自帶死區時間，都會強制插入額外的死區時間，從而避免在輸入信號自帶死區情況下產生更多的效率損失。或者通過更復雜的檢測算法和控制環路來自動調整輸出的死區時間，這種方式往往實現復雜，而控制算法和環路響應時間不好控制，會帶來更多的可靠性風險。
【發明內容】
[0005]本發明所要解決的技術問題是提供一種智能功率模塊自適應死區時間產生電路，整體結構簡單，能夠針對輸入信號之間的死區時間實現智能檢測，并實現智能控制，提高智能功率模塊的工作效率。
[0006]本發明為了解決上述技術問題采用以下技術方案:本發明設計了一種智能功率模塊自適應死區時間產生電路，用于針對高側輸入信號和低側輸入信號，進行死區時間控制，獲得高側輸出信號和低側輸出信號；該自適應死區時間產生電路包括直通保護電路、第一單邊延遲產生電路、第二單邊延遲產生電路、第一死區時間比較及產生電路和第二死區時間比較及產生電路；其中，第一單邊延遲產生電路的延遲時間與第二單邊延遲產生電路的延遲時間相等；高側輸入信號和低側輸入信號同時分別經直通保護電路分別輸出；然后，針對同時經由直通保護電路分別輸出的高側輸入信號和低側輸入信號，第一死區時間比較及產生電路分別接收低側輸入信號和經過第一單邊延遲產生電路的高側輸入信號，進行死區時間分析與控制，并輸出低側輸出信號；第二死區時間比較及產生電路分別接收高側輸入信號和經過第二單邊延遲產生電路的低側輸入信號，進行死區時間分析與控制，并輸出高側輸出信號。
[0007]作為本發明的一種優選技術方案:所述第一單邊延遲產生電路包括電流偏置MOS管MP2、開關MOS管麗2、電容Cd2和比較器Comp2 ;所述第一死區時間比較及產生電路包括與非門Nand2 ;其中，電流偏置MOS管MP2的柵極接收智能功率模塊中的偏置電流，電流偏置MOS管MP2的漏極連接智能功率模塊中的電源正極；電流偏置MOS管MP2的源極、開關MOS管的麗2的源極、電容Cd2的一端和比較器Comp2的正向輸入端四者相連；開關MOS管麗2的柵極接收所述經由直通保護電路輸出的高側輸入信號，開關MOS管麗2的漏極與電容Cd2的另一端相連并接地；比較器Comp2的反向輸入端接入基準電壓，比較器Comp2的輸出端與第一死區時間比較及產生電路中與非門Nand2的一輸入端相連，與非門Nand2的另一輸入端接收所述經由直通保護電路分別輸出的低側輸入信號，與非門Nand2的輸出端輸出低側輸出信號；所述第二單邊延遲產生電路包括電流偏置MOS管MPl、開關MOS管麗1、電容Cdl和比較器Compl ;第二死區時間比較及產生電路包括與非門Nandl ;其中，電流偏置MOS管MPl的柵極接收智能功率模塊中的偏置電流，電流偏置MOS管MPl的漏極連接智能功率模塊中的電源正極；電流偏置MOS管MPl的源極、開關MOS管的麗I的源極、電容Cdl的一端和比較器Compl的正向輸入端四者相連；開關MOS管麗I的柵極接收所述經由直通保護電路輸出的低側輸入信號，開關MOS管MNl的漏極與電容Cdl的另一端相連并接地；比較器Compl的反向輸入端接入基準電壓，比較器Compl的輸出端與第二死區時間比較及產生電路中與非門Nandl的一輸入端相連，與非門Nandl的另一輸入端接收所述經由直通保護電路分別輸出的高側輸入信號，與非門Nandl的輸出端輸出高側輸出信號。
[0008]作為本發明的一種優選技術方案:所述第一單邊延遲產生電路包括非門Invl、電流偏置MOS管MP3、開關MOS管麗3、電容Cd3和比較器Comp3 ;所述第一死區時間比較及產生電路包括與非門Nand3 ;其中，所述經由直通保護電路輸出的高側輸入信號經過非門Invl輸送至電流偏置MOS管MP3的柵極，電流偏置MOS管MP3的漏極與電容Cd3的一端相連后，與智能功率模塊中的電源正極相連接；電流偏置MOS管MP3的源極、電容Cd3的另一端、開關MOS管麗3的源極、比較器Comp3的反向輸入端四者相連接；開關MOS管麗3的柵極接收智能功率模塊中的偏置電流，開關MOS管麗3的漏極接地；比較器Comp3的正向輸入端接入基準電壓，比較器Comp3的輸出端與第一死區時間比較及產生電路中與非門Nand3的一輸入端相連，與非門Nand3的另一輸入端接收所述經由直通保護電路分別輸出的低側輸入信號，與非門Nand3的輸出端輸出低側輸出信號；所述第二單邊延遲產生電路包括非門Inv2、電流偏置MOS管MP4、開關MOS管MN4、電容Cd4和比較器Comp4 ;所述第二死區時間比較及產生電路包括與非門Nand4 ;其中，所述經由直通保護電路輸出的高側輸入信號經過非門Inv2輸送至電流偏置MOS管MP4的柵極，電流偏置MOS管MP4的漏極與電容Cd4的一端相連后，與智能功率模塊中的電源正極相連接；電流偏置MOS管MP4的源極、電容Cd4的另一端、開關MOS管MN4的源極、比較器Comp4的反向輸入端四者相連接；開關MOS管MN4的柵極接收智能功率模塊中的偏置電流，開關MOS管MN4的漏極接地；比較器Comp4的正向輸入端接入基準電壓，比較器Comp4的輸出端與第二死區時間比較及產生電路中與非門Nand4的一輸入端相連，與非門Nand4的另一輸入端接收所述經由直通保護電路分別輸出的低側輸入信號，與非門Nand4的輸出端輸出低側輸出信號。
[0009]本發明如上所述一種智能功率模塊自適應死區時間產生電路，采用以上技術方案與現有技術相比，具有以下技術效果:本發明設計一種智能功率模塊自適應死區時間產生電路，整體結構簡單