具有基于温度敏感电参数的在线死区时间调整的功率半导体模块的制作方法

1.本公开涉及功率转换器领域，并且尤其涉及转换器的效率和可靠性的改进。


背景技术：

2.众所周知，功率转换器的调谐参数对于改进转换器的效率和可靠性是至关重要的。特别是，众所周知的，转换器的性能与死区时间的持续时间直接相关，其中，死区时间被定义为时间延迟，在此期间，转换器的串联连接的两个电源开关被控制为关闭状态。电源开关的控制通常通过选通信号执行。对于死区时间的最佳值，续流开关(即，在转换器的模块的续流状态(freewheeling state)期间进行传导的开关)被切换到准零电压状态，导致没有开关损耗。然而，死区时间值不足会导致交叉传导或续流开关的硬导通切换。另一方面，过大的死区时间值会导致通过开关的体二极管的传导损耗和/或由于二极管反向恢复而导致的切换损耗。
3.因此，同步整流电路中要调整的重要参数是转换器开关的死区时间。在本领域中，死区时间通常被固定为满足最坏情况条件的恒定高估值(over-estimated value)。例如，死区时间的典型值为1μs。该调整是次优的，因为它不是特定于开关、辅助组件和运行条件的。其它方法通过基于对体二极管的传导状态的检测动态地确定死区时间或通过利用转换器的性能(诸如损耗或效率)的计算来克服该限制。
4.尽管如此，这些方法仍需要高效且深度集成的传感器，这些传感器需要快速和/或与其它传感器结合使用，和/或可能依赖于有关运行条件的假设。因此，这些方法大部分时间都是无效的和/或成本高昂的。


技术实现要素：

5.本公开改进了这种情况。
6.提出了一种控制功率半导体模块的方法，该方法包括以下步骤：
7.a.监测所述模块的至少一个运行参数，所述至少一个参数包括负载电流和/或输入电流、环境温度、输入电压值和/或输出电压值，
8.b.仅当所述至少一个运行参数在第一时间期间保持在预定义范围内时并且仅当所述至少一个运行参数的值的范围在查找表中具有初始未更新状态时，才发起校准阶段至少一次，其中，现存死区时间(prevailing dead-time)来自先前校准阶段，或者如果先前没有运行校准阶段，则现存死区时间被设置为初始高估值，
9.所述校准阶段包括：
10.i.测量第一温度敏感电参数；
11.ii.将现存死区时间减少到临时死区时间；
12.iii.在第一时间之后的第二时间期间，监测所述至少一个运行参数；
13.iv.在所述第二预定义时间之后，测量第二温度敏感电参数，所述第二温度敏感电
参数与第一温度敏感电参数的类型相同；
14.v.仅当
[0015]-在所述第二预定义时间期间，所述至少一个运行参数已保持在所述预定义范围内，并且
[0016]-所述第二温度敏感电参数的值对应于模块开关的比与第一温度敏感电参数对应的温度值更低的温度值时，
[0017]
将临时死区时间的值分配给现存死区时间
[0018]
否则仅当
[0019]-在所述第二预定义时间期间，所述至少一个运行参数已保持在所述预定义范围内，并且
[0020]-所述第二温度敏感电参数的值对应于比模块开关的与第一温度敏感电参数对应的温度值更高的温度值时，
[0021]
更新在所述查找表中的所述至少一个运行参数的值的范围的状态，
[0022]
vi.将现存死区时间连同所述至少一个运行参数的值的范围存储到所述查找表中。
[0023]
功率半导体模块包括串联连接的至少两个开关。在这种情况下，每对开关构成模块的换向单元。功率转换器包括至少一个模块。
[0024]
获得针对至少一个运行参数的值的范围提供模块开关的最小温度值的死区时间。因此，在实现死区时间的该值时会减少损耗，从而提高模块在运行参数的值的范围内的效率和可靠性。特别地，采用本公开的方法，不需要以绝对方式对温度敏感电参数进行校准。事实上，温度敏感电参数的值本身并没有被考虑，而是通过比较来评估死区时间的变化的影响。因此，模块的生产时间被减少，因为不需要对温度敏感电参数进行绝对校准。此外，所提出的方法具有低计算要求并且不依赖于模型，因此该方法可以与运行条件并行执行，从而考虑实际条件，得到调整后的死区时间的简单且精确的确定。
[0025]
在另一方面，提出了一种计算机软件，该计算机软件包括指令以在软件由处理器执行时实现如本文所定义的方法的至少一部分。在另一方面，提出了一种计算机可读非暂时性记录介质，在该计算机可读非暂时性记录介质上登记了软件以在软件由处理器执行时实现如本文定义的方法。在另一方面，提出了一种功率半导体模块，该功率半导体模块被设计成实现如本文所定义的方法的至少一部分。功率半导体模块包括串联连接的至少两个开关。
[0026]
以下特征可以可选性地、单独地或与其它特征组合实现。
[0027]
根据一个实施方式，阶段a.和b.被迭代，直到运行参数的值的范围的状态在查找表中被更新为止。因此，调整后的死区时间对应于通过说明书的方法获得的模块开关的最低温度值。因此，当实现死区时间的该值时，模块的损耗是利用说明书的方法获得的最低值。
[0028]
根据一个实施方式，现存死区时间按照在1ns和100ns之间的步长减少。这样的值的范围使得能够根据所要求的精度调谐调整后的死区时间的值。
[0029]
根据说明书的实施方式，校准阶段在功率半导体模块的运行阶段期间被执行。因此，考虑了实际条件(而在实现模拟或出厂设置时并非如此)，得到响应于实际条件的约束
(包括参数随着老化的漂移)的调整后的死区时间，并且得到损耗在真实条件下的有效减少。
[0030]
根据一个实施方式，温度敏感电参数本身属于被定义为切换频率增加之前和之后温度敏感电参数的值之间的差的类型。这种差分方法(differential approach)增加了温度敏感电参数对模块开关的温度的敏感度。切换频率越高，温度敏感电参数对模块开关的温度的敏感度越高。此外，差分方法减少了测量的偏差，并且能够快速观察死区时间对模块开关的温度的影响。
[0031]
此外，根据一个实施方式，运行参数至少包括具有周期波形的电流(i
load
)，并且针对电流周期波形的预定义电流范围执行切换频率的增加。除了之前的实施方式之外，针对电流周期波形的预定义电流范围增加了温度敏感电参数的敏感度。因此，调整后的死区时间特定于电流周期波形的预定义电流范围。另外，(当电流值进入电流周期波形的预定义电流范围时)也可以在调制时段期间多次执行该方法。
[0032]
此外，根据一个实施方式，针对电流周期波形的不同电流范围依次地执行校准阶段。结果，可以针对电流周期波形的不同电流范围调整不同死区时间。因此，分别针对不同电流范围增加不同死区时间的敏感度。
[0033]
此外，根据一个实施方式，切换频率的每次增加在比所述第一时间和所述第二时间更短并且被包括在所述第一时间和所述第二时间中的预定义时间执行。结果，可以增加不同持续时间内的切换频率，并且评估死区时间的变化对更短时间尺度和更长时间尺度的影响。
[0034]
根据一个实施方式，本文定义的方法的至少一部分被并行地应用于公共功率半导体模块的至少两个并行管芯，所述模块具有至少一个开关，所述至少一个开关由具有单独栅极入口(gate access)的至少所述两个并行管芯制成，并且模块开关的温度对应于管芯的平均温度，并且校准阶段被并行地应用至并行管芯，所述校准阶段还包括平衡阶段，所述平衡阶段包括：
[0035]
增加具有与开关管芯的最高温度值对应的温度敏感电参数的测量值的管芯的死区时间，并且
[0036]
在测量第一温度敏感电参数之后和/或在测量第二温度敏感电参数之后应用所述平衡阶段。
[0037]
结果，模块开关的管芯的温度整体降低且更加平衡。调整死区时间以获得管芯的较低温度差和形成功率半导体模块的开关的部分的管芯的降低的平均温度。
[0038]
除了之前的实施方式之外，迭代地应用平衡阶段，直到所有管芯具有它们的相同值的温度敏感电参数为止。结果，当所有并行管芯具有相同值的温度敏感电参数时，调整后的死区时间对应于利用说明书的方法获得的模块开关的最低温度值。这提高了模块的可靠性和效率。
[0039]
根据一个实施方式，温度敏感电参数属于在栅极的内部栅极电阻和预定义电流值下的导通状态电压当中选择的类型。
[0040]
根据一个实施方式，温度敏感电参数属于被定义为在续流状态下和在体二极管的激发传导状态(provoked conduction state)期间跨模块的开关测量的电压的类型。结果，温度敏感电参数对温度的敏感度增加，得到死区时间的更精细调整，从而减少模块的损耗。
[0041]
根据一个实施方式，功率半导体模块包括：
[0042]-至少一个第一传感器，其用于监测至少一个运行条件，
[0043]-至少一个第二传感器，其用于测量第一温度敏感电参数和第二温度敏感电参数，以及
[0044]-集成电路，在该集成电路上实现该方法以控制死区时间。
[0045]
其它特征、细节和优点将在下面的详细描述和附图中示出。
附图说明
[0046]
[图1]
[0047]
图1例示了作为死区时间d的函数的功率模块中的损耗l。
[0048]
[图2a]
[0049]
图2a表示运行参数op的演变。
[0050]
[图2b]
[0051]
图2b例示了温度敏感电参数tsep的变化。
[0052]
[图2c]
[0053]
图2c示出了死区时间d的演变。
[0054]
[图2d]
[0055]
图2d描绘了运行参数op的特定的值opi的范围的状态stat
opi
的演变。
[0056]
[图3a]
[0057]
图3a是表示根据本公开的用于调整死区时间的方法100的可能阶段的流程图。
[0058]
[图3b]
[0059]
图3b提供了方法的实施方式中的方法100的阶段cal1的细节。
[0060]
[图4a]
[0061]
图4a表示运行参数op的演变。
[0062]
[图4b]
[0063]
图4b例示了温度敏感电参数tsep的变化。
[0064]
[图4c]
[0065]
图4c示出了与电流周期波形的不同电流范围对应的不同死区时间的演变。
[0066]
[图5]
[0067]
图5示出了根据本公开的实施方式的输入信号(pwm
bot
、pwm
top
)的示例。
[0068]
[图6]
[0069]
图6是被设计用于实现根据本公开的方法的集成电路sys的示例。
[0070]
[图7]
[0071]
图7是表示并行地应用至公共功率半导体模块的两个并行管芯的方法100的可能阶段的流程图。
具体实施方式
[0072]
附图呈现了功率半导体模块中用于调整死区时间的方法、计算机程序和实现。功率半导体模块中的方法、计算机程序和实现利用温度敏感电参数tsep响应于死区时间的修
改的变化。这提供了计算要求低并且可以与运行条件并行执行的方法，从而考虑到实际条件，而在实现模拟或工厂设置时情况并非如此。
[0073]
现在参考图1。图1示意性地例示了作为死区时间d的函数的功率模块中的损耗l。对于死区时间的最佳值d
opt
，续流开关在准零电压状态下被接通，从而不导致切换损耗。然而，死区时间值不足(d《d
opt
)会导致交叉传导或续流开关的硬导通切换。另一方面，过大死区时间值(d》d
opt
)会导致通过续流开关和/或有源开关的体二极管的传导损耗和/或由于二极管反向恢复而产生的切换损耗。
[0074]
图2a至图2d例示了在使用根据本公开的方法调整功率半导体模块的死区时间时可以获得的示例值变化。这四个图的图表是同时获取的，并且具有共同时间线(横坐标)。
[0075]
图2a是表示模块的运行参数op的演变的图表。例如，运行参数op可以是被单独或组合获取的例如负载电流、输入电流、环境温度、输入电压值和输出电压值中的一者。对于正弦负载电流，例如选择正弦波形的幅值作为运行参数op的值。
[0076]
运行参数op例如可以通过诸如负载电流的传感器、输入电流的传感器、环境温度的传感器、输入电压的传感器或输出电压的传感器等传感器来测量。这种传感器还可以用于其它电力电子应用。专用传感器也可以被添加到模块中。
[0077]
在一些另选实施方式中，运行参数op(例如，负载电流和/或输入电压和/或输出电压)是受控变量。在这样的实施方式中，从控制器发出的参考值可以被用作运行参数op。
[0078]
在以下实施方式中，运行参数op的变化在整个方法中被连续地监测。
[0079]
图2b是表示温度敏感电参数(以下简称为“tsep”)的变化的图表。tsep是其值随着模块的温度而变化(并且更具体地说，随着模块的元件(诸如，开关或形成开关部件的管芯)的温度而变化)的物理属性或物理属性的组合。在技术领域中，当不可能直接测量所述温度时(例如由于缺乏空间或在紧邻管芯处布置传感器的复杂性)，tsep被用于间接监测管芯的温度。这使得在知晓与温度的绝对值或精确值一样的有价值信息的变化时，能够跟踪温度的变化。例如，tsep可以是管芯的内部栅极电阻或预定义电流值下的导通-阶段电压。在这样的示例中，tsep具有正温度系数：当温度升高时，tsep升高，反之亦然。但是，该方法对于具有负温度系数的tsep(例如，阈值电压)仍然有效。对于具有正温度系数的tsep，tsep的值与管芯的温度呈正相关：当温度升高时，tsep升高，反之亦然。对于负温度系数，这些值呈负相关：当温度升高时，tsep降低，反之亦然。必须注意，所执行的方法不要求连续获取tsep。在某些精确事件和/或定期测量中的准时度量可能就足够了。
[0080]
图2c是表示死区时间d的演变的图表。这种演变取决于运行参数op和tsep的演变。
[0081]
对于功率半导体模块，可以调整多个死区时间。例如，可以针对模块的活动状态调整死区时间，并且可以针对模块的续流状态调整另一个死区时间。所述模块的活动状态被定义为负载电流从所述模块的开关的漏极流向源极的状态。所述模块的所述续流状态被定义为负载电流从所述模块的开关的源极流向漏极的状态。
[0082]
为了调整对应于模块的活动状态的死区时间，例如在模块的活动状态期间或在模块的续流状态期间测量tsep。
[0083]
为了调整对应于模块的续流状态的死区时间，例如在模块的续流状态期间测量tsep。在调整与模块的续流状态对应的死区时间时并且当运行条件op为负载电流和输出电压时，例如可以使用方法100调整与第一对运行条件op对应的一个第一死区时间，然后在不
使用方法100的情况下填充与其它对运行条件op对应的所有死区时间的值。例如，这是通过利用本身已知的电气模型的物理方程式来实现的。例如，这样的模型可以写成：
[0084]
di(1i，vi)＝(d1*11/v1)*vi/li
[0085]
其中，d1是与第一对运行条件i1和v1对应的调整后的第一死区时间，其中，i1是第一负载电流，v1是第一输出电压，di是与第二对运行条件ii和vi对应地进行调整的死区时间，其中，ii是第二负载电流，vi是第二输出电压。
[0086]
在一些示例中，模块的开关由脉宽调制信号(或“pwm信号”)控制。在这种情况下，例如，根据负载电压和电流符号的函数修改pwm信号。死区时间通常主要贡献于相对于续流传导状态的状态。因此，pwm必须根据电流符号补偿该死区时间。
[0087]
图2d是表示运行参数op的特定的值opi的范围的状态stat
opi
的演变的图表。状态stat
opi
在查找表中被存储和更新。对于运行参数的特定的值opi的范围，所述查找表例如包括tsep的值、死区时间d和状态stat
opi
。在一些示例中，对于每个所述状态stat
opi
，查找表另外包括例如与当前周期波形的预定义电流范围对应的一些子状态。利用死区时间的高估值将所述查找表初始化。死区时间da的初始高估值例如为d
a，init
＝1000ns。所有状态和子状态都被初始化为初始未更新值。
[0088]
下面同时分析四张图表。
[0089]
如图3a所示，提出了一种控制功率半导体模块的方法100。在所述方法100的第一阶段101中，监测所述模块的至少一个运行参数op。仅当所述至少一个运行参数op在第一预定义时间δta期间保持在预定义范围内并且仅当所述至少一个运行参数的值的范围在查找表中具有初始未更新状态时，校准阶段cal才被发起至少一次。换言之，仅当同时满足以下两个开始条件时，才会发起校准阶段cal：
[0090]
1.对于所述运行参数op，已经达到稳定状态阶段，该稳定状态阶段通过运行参数的值op在第一预定义时间δta期间保持在预定义范围内来控制；
[0091]
2.所述运行参数的值的范围尚未被校准，该值的范围由在查找表中具有初始未更新状态的运行参数的值的范围控制。
[0092]
校准阶段cal包括基于tsep的变化调整现存死区时间da。从先前校准阶段cal得到现存死区时间da或者如果之前没有运行过校准阶段，则现存死区时间da被设置为初始高估值。
[0093]
为了简单起见，在图2a至图2d的示例中考虑所有运行参数的值的范围都具有初始未更新状态，并且之前没有针对任何运行参数的值的范围运行校准阶段。换言之，在该示例中，发起校准阶段的条件仅取决于运行参数op的稳定性。另外，初始死区时间的值都等于初始值d
a，init
，其默认独立于运行参数的值的范围被选择。
[0094]
在该示例的第一瞬变阶段ts期间，运行参数op被连续监测，如图2a所示。由于运行参数op的值不稳定，因此死区时间d保持在其现存值d
a，init
。换言之，不采取任何行动来人为地增加或减少电流死区时间d。在第一角点p0处检测到第一稳定状态阶段s0。在第一角点p0处对第一稳定状态s0的检测启动计时器，以将稳定状态的持续时间与第一预定义时间δta进行比较。稳定状态s0的持续时间比第一预定义时间δta短。因此，暂停随后的校准阶段并且继续监测运行条件101。
[0095]
在第二角点pi处检测第二稳定状态阶段si。在第二角点pi处对第二稳定状态si的
检测启动计时器以将所述第二稳定状态si的持续时间与第一预定义时间δta进行比较。由于该第二稳定状态si的持续时间比第一预定义时间δta长，因此在该第一预定义时间δta之后在起点pi1处发起校准阶段。
[0096]
在校准阶段cal的第一阶段cal1中，测量tsep的第一值。在该示例中，在起点pil处，tsep的第一值被测量为tsep
a，i1
，如图2b所示。在该示例中，tsep值甚至在任何稳定状态之前都被连续监测。在各种实施方式中，仅当检测到稳定状态时才可以监测tsep。
[0097]
在校准阶段的第二阶段cal2期间，现存死区时间da的值减少到临时死区时间db。例如，现存死区时间da的值按照在1纳秒到100纳秒之间的步长减少。
[0098]
在此示例中，现存死区时间的值d
a，init
减少到临时死区时间d
b，i1
，如图2c所示。
[0099]
在校准阶段cal的第三阶段cal3期间，在第二预定义时间δtb期间监测运行参数op。该第二预定义时间δtb在第一预定义时间δta之后并且被定义为从死区时间d的减少开始。在所述第二预定义时间δtb结束时，在第四阶段cal4期间测量tsep的第二值。根据先前阶段cal1到cal4，死区时间的值d的演变有多种可能性。
[0100]
如果在所述第二预定义时间δtb期间运行参数op没有保持在所述预定义范围内，则终止校准阶段cal。可选地，临时死区时间db被取消(现存死区时间da被恢复)。换言之，当运行条件op在第一δta和第二δtb预定义时间期间不稳定时，该方法返回到监测阶段101并且可能发起校准阶段cal。认为模块的运行状态未处于足够稳定的状态以被实时校准：校准阶段至少暂时中止。
[0101]
如果在所述第二预定义时间δtb期间运行参数op一直保持在所述预定义范围内，则根据所测量的第二温度敏感电参数tsepb的值，存在cal5和cal5’两种可能性：
[0102]-如果第二tsep的所述值tsepb对应于模块开关的比与第一tsep tsepa对应的温度值更低的温度值，则在阶段cal5d中将临时死区时间db的值分配到现存死区时间da。换言之，如果将死区时间从现存值da减少到临时值db会导致模块开关的温度下降，则认为至少在现存运行条件下临时值db比现存值da更合适(更好)。因此，临时值db成为新的现存值da：作为“临时测试”的临时值db被确认并成为运行值。
[0103]-如果第二tsep的所述值tsepb对应于模块开关的比与第一tsep tsepa对应的温度值更高的温度值，则所述至少一个运行参数的值的范围在所述查找中的状态在阶段cal5
′
中被更新。可选地，临时死区时间db被取消(现存死区时间da被恢复)。
[0104]
换言之，如果将死区时间从现存值da减少到假设(临时)值db会导致模块开关的温度升高，则临时值db被认为不如现存值da合适。因此，现存值da被认为是导致模块开关的温度降低的最小值，并且被选择为在所述运行参数op的值的范围下运行的模块的校准后的死区时间值。结果，更新所述查找表中的所述至少一个运行参数的值的范围的状态以报告已执行校准并(至少暂时地)避免相同运行条件的未来校准阶段。
[0105]
在所有情况下，将更新或未更新的现存死区时间da的值与所述至少一个运行参数的值的范围一起存储在查找表中，以便为已经测试过的所述至少一个运行参数的值的范围保持最高效值。
[0106]
因此，在该示例中，在起点pi1处启动计时器以将在起点pi1处开始的稳定状态si1的持续时间与第二预定义时间δtb进行比较。在该第二预定义时间间隔δtb期间，连续监测运行参数op。在该第二预定义时间间隔δtb结束处，在中间点pi2处测量tsep的第二值
tsep
b，i1
。由于运行参数op在第一δta期间和第二δtb预定义时间间隔期间保持在相同的预定义范围opi内，并且第二tsep的值tsep
b，i1
对应于模块开关的比与第一tsep tsep
a，i1
对应的温度值更低的温度值，因此现存死区时间d
a，i2
取临时死区时间的值d
b，i1
。另外，与特定的值opi的范围相对应的状态的值stat
opi
保持为其初始未更新值，以便授权校准阶段的未来迭代以再次增强死区时间值。在阶段cal6期间，现存死区时间d
a，i2
连同所述至少一个运行参数的值opi的范围一起被存储在查找表中。
[0107]
通常，第一预定义时间δta具有几十毫秒和几十秒之间的值。例如，所述第一预定义时间δta可以对应于管芯的热瞬变。为了获得恒定管芯温度值，模块的所有组件可能都已达到热稳定状态。因此，与考虑管芯温度值之间的差的实施方式相比，在寻找恒定管芯温度值时需要更长的预定义时间δta。
[0108]
可以动态地确定所述第一预定义时间δta的值。换言之，“预定义”并不一定意味着“固定”。相反，它可以被预先定义，但是是模块行为的函数。例如，第一预定义时间δta被选择为tsep瞬变的持续时间。例如，这是通过检测tsep何时达到稳定状态来实现的。在一些实现中，所述稳定状态的所述检测包括连续地比较在连续样本中测量的tsep的两个值。只要在连续样本中测量的tsep值不同，就没有达到稳定状态。一旦在连续样本中测量的tsep值相等，则达到稳定状态，并且第一预定义时间δta结束。
[0109]
第二预定义时间δtb可以被选择为等于第一预定义时间δta或者作为第一预定义时间δta的分数。例如，该分数可以在千分之一和千分之一百之间。
[0110]
在一些实施方式中，模块的输出电流信号是正弦曲线。这有时会导致在管芯温度下在输出电流的调制时段处出现一些振荡。在这种情况下，第二预定义时间δtb例如被选择为输出电流的所述调制时段的整数因子。
[0111]
在一些实施方式中，监测阶段101和校准阶段cal可以被迭代，直到运行参数的值的范围的状态在查找表中被更新。这在图3a中用虚线表示。
[0112]
另外，在一些实施方式中，当监测阶段101和校准阶段cal被迭代时，现存死区时间da的值可以通过自适应步骤被减少到临时死区时间db。换言之，用1纳秒到100纳秒之间的值来初始化减量值。在监测阶段101和校准阶段cal的迭代期间，如果将死区时间从现存值da减少到假设(临时)值db导致模块开关的温度的较小下降，则减量值减少。例如，可以实现梯度下降。
[0113]
例如，在图2d上，由于状态stat
opi
的值在点pi2保持其初始未更新值，因此校准阶段的另一次迭代可以在中间点pi2被发起。在起点pi2，测量tsep的第一值tsep
a，i2
，并且现存死区时间d
a，i2
的值从查找表中被检索并且(再次)被减少到临时死区时间d
b，i2
。在第一起点pi2启动计时器，以将持续时间与第二预定义时间δtb进行比较。在该第二预定义时间间隔δtb期间，连续监测运行参数op。在第二预定义时间间隔δtb结束时，tsep的第二值在第二中间点pi3处被测量为tsep
b，i2
。由于在从第一中间点pi2开始的第二预定义时间间隔δtb期间，运行参数op一直保持在相同的预定义范围opi内，但是第二tsep的值tsep
b，i2
对应于模块开关的比与第一温度敏感电参数tsep
a，i2
对应的温度值更高的温度值，因此更新与特定的值opi的范围对应的状态值stat
opi
并且校准阶段结束。现存死区时间d
a，i2
不采用临时死区时间的值d
b，i2
。可选地，临时死区时间d
b，i2
被取消(现存死区时间d
a，i2
被恢复)。最后，对应于该特定的值opi的范围的调整后的死区时间d
a，adjust
是现存死区时间d
a，i2
。
[0114]
在一个实施方式中，方法100在功率半导体模块的运行阶段期间执行。换言之，监测阶段101一直在后台运行，而校准阶段cal在其两个开始条件同时满足时被启动。方法100也可以在强加的固定运行条件op下执行。例如，可以在功率半导体模块的生产线末端或在包括功率半导体模块的最终系统中强加这样的条件。方法100可以在功率半导体模块的寿命中执行一次或定期执行。
[0115]
在上述实施方式中，校准方法是针对所有(针对每个运行条件)执行一次。在各种实施方式中，特别是考虑到在组件的现实生活期间组件的不可避免的自然漂移，最好在组件的运行使用期间多次重新调整模块的死区时间，例如定期地重新调整。为了反复重新调整模块的死区时间，校准阶段cal可以包括以下附加阶段，如图3a中的虚线所示：
[0116]-在cal5’期间更新所述查找表中的所述至少一个运行参数的值的范围的状态启动计时器，该计时器与校准预定义时间at
cal
进行比较。
[0117]
校准预定义时间δt
cal
的值可以在一天到十二个月之间，这取决于组件对漂移的鲁棒性和所要求的精度。最鲁棒的组件在其寿命期间需要较少的重新校准。在调整死区时间方面需要最精确的组件在其寿命期间要求进行最多重新校准。
[0118]
当计时器超过校准预定义时间δt
cal
时，现存死区时间da的值例如连同所述至少一个运行参数的值的范围一起被存储在查找表的堆栈中。人为地修改现存死区时间da的值。例如，现存死区时间da被人为地增加，例如增加10纳秒和100纳秒之间的值。还可以基于存储在查找表的堆栈中的对应于所述至少一个运行参数的值的范围的值来计算现存死区时间da的值。例如，现存死区时间da被计算为存储在所述堆栈中的值的平均值或中间值或加权平均值或加权中间值。在一些实施方式中，权重与堆栈中的顺序成比例：添加到堆栈中的最后值具有比第一个值更高的权重。在人为修改了现存死区时间da的值之后，将所述查找表中的所述至少一个运行参数的值的范围的状态重新初始化为未更新状态。
[0119]
因此，一旦同时满足其两个开始条件，校准阶段cal就被启动。
[0120]
另选地，在某些示例中，除了在阶段cal1和cal4中测量tsep并且迭代地执行死区时间减少之外，还可以更直接地猜测最佳死区时间。损失(p1和p2)可以以如下方式表示：
[0121]
p1＝tsep1/rth，p2＝tsep2/rth，rth是相对于功率模块的按比例热阻。
[0122]
损耗也以如下方式表示：
[0123]
p1＝a+tcond1*pcond，p2＝a+tcond2*pcond，a是常数，包括管芯中的其它损耗，诸如正常传导期间的损耗(即，与死区时间无关)，pcond是体二极管中的传导损耗，通常为vbd*i。
[0124]
最后，可以用以下示例公式假设体二极管的传导时间与死区时间有关：
[0125]
d1＝b+tcond1，d2＝b+tcond2，b为常数
[0126]
重新排列上述等式：
[0127]
b＝(tsep2-tsep1)/(rth*pcond)+d2
[0128]
因此，通过定义d＝b，体二极管的传导时间理论上为零。
[0129]
在一些实施方式中，tsep本身被定义为切换频率增加之前和之后的tsep的值之间的差。
[0130]
换言之，在这些示例中，在校准阶段cal的第一测量阶段cal1期间，测量第一tsep tsep
a，1
。在测量了第一tseptsep
a，1
之后，在至少一个预定义时间δt
sw
内增加切换频率。例
如，切换频率增加了十到一百之间的因数。在至少一个预定义时间δt
sw
结束时，测量另一tsep tsep
a，2
。那么，在第一测量阶段cal1中的第一tsep tsepa被定义为：
[0131]
tsepa＝tsep
a，2-tsep
a，1
[0132]
在第二测量阶段cal2期间应用相同的方法，并且第二tsep tsepb被定义为：
[0133]
tsepb＝tsep
b.2-tsep
b，1
[0134]
第一测量阶段cal1的这些附加阶段在图3b中进行了描绘，并且可以很容易地转移到第二测量阶段cal2。
[0135]
此外，在一些示例中，针对电流周期波形的预定义电流范围增加切换频率。在这些示例中，运行参数至少包括电流，所述电流具有周期波形。换言之，可以针对电流周期波形的幅值的相同的值的范围调整不同死区时间。这些不同死区时间对应于所述周期波形的不同电流范围，并且在存储阶段cal6期间将这些不同死区时间连同运行参数的值的范围和当前周期波形的预定电流范围一起存储在查找表中。因此，除了稳定性条件之外，仅当与电流周期波形的幅值和切换频率增加的预定义电流范围对应的状态具有初始未更新值时，才发起校准阶段cal。
[0136]
在一个实施方式中，针对电流周期波形的不同电流范围依次地执行校准阶段。
[0137]
图4a至图4c示出了在使用根据本公开的方法调整功率半导体模块的死区时间时可以获得的示例值变化、以及在当前周期波形的预定义电流范围内被定义为tsep的值在切换频率增加之前和之后的差的tsep。这三幅图是同时获取的，并且具有共同时间线(横坐标)。
[0138]
图4a表示运行参数i
load
的示例。在该示例中，运行参数i
load
是具有正弦波形的负载电流。该运行参数i
load
在示例的整个持续时间内保持在相同的预定义范围内，因为最大幅值在整个时间内是相同的。
[0139]
图4b是表示tsep响应于切换频率增加的变化和死区时间的变化的图表。
[0140]
图4c是表示三个死区时间d
i+
、di和d
i-的演变的图表。这三个死区时间对应于电流周期波形的不同电流范围。d
i+
、di和d
i-分别对应于高、中和低电流范围的死区时间。
[0141]
在图4a至图4c的示例中，针对中等电流范围增加切换频率。例如，当负载电流的值在负载电流的最大幅值的百分之四十和百分之六十之间时，切换频率增加，所述最大幅值也称为标称电流。这意味着，在图4a至图4c的示例中，高d
i+
和低d
i-电流范围的死区时间目前不被调整，但是该方法也可以应用至各种实施方式中的这些电流范围。
[0142]
下面对这三幅图同时进行分析。
[0143]
在示例的开头，死区时间具有现存值d
ai
，如图4c示。在图4a上，在第一进入横坐标p
sw，a1
处，负载电流i
load
的值进入值i的中间范围。并行地，如图4b所示，tsep的值tsep
a，1
在所述第一进入横坐标p
sw，a1
处被测量。然后，在预定义时间δt
sw
内增加切换频率，在该预定义时间δt
sw
期间负载电流i
load
的值保持在值i的中间范围内。当在特定数量的迭代(正弦信号的时段)内，负载电流i
load
的值进入值i的中间范围时，执行切换频率的所述增加。
[0144]
在图4a至图4c的示例中，当负载电流i
load
的值进入值i的中间范围时，切换频率在预定义时间δt
sw
增加四倍。在这四次迭代结束时，在第一结束横坐标p
sw，a2
处，测量tsep的第二值tsep
a，2
。结果，对应于现存值d
ai
的tsep tsepa的第一值被计算如下：
[0145]
tsepa＝tsep
a，2-tsep
a，1
[0146]
在该具体实施方式中，频率仅在预定义时间δt
sw
期间暂时增加。这使得能够快速获得两个tsep(tsepa和tsepb)之间的差。它对应于死区时间效应评估的差分方法。在各种实施方式中，频率可以在每个完整的预定义时间δta和δtb期间连续增加。
[0147]
并行地，在第一结束横坐标p
sw，a2
处，现存死区时间d
ai
减少到临时死区时间d
bi
。在第二预定义时间δtb之后，在第二进入横坐标p
sw，b1
处，测量tsep的值tsep
b，1
。在此示例中，第二预定义时间δtb被动态地确定为等于管芯响应于死区时间的改变的热瞬变。
[0148]
然后，当负载电流i
load
的值进入值i的中间范围以进行相同次数的迭代时，切换频率在相同的预定义时间δt
sw
内增加。在四次迭代结束时，在第二结束横坐标p
sw，b2
处，测量tsep的第二值tsep
b，2
。结果，对应于临时值d
bi
的tsep的第二值tsepb被计算为：
[0149]
tsepb＝tsep
b，2-tsep
b，1
[0150]
在第二预定义时间δtb期间，运行参数il
oad
的值一直保持在预定义范围内。第二tsep的值tsepb对应于模块开关的比与第一tsep tsepa对应的温度值更低的温度值，如图4b所示。因此，临时死区时间d
bi
的值被分配给现存死区时间d
ai
。
[0151]
在一些实施方式中，tsep属于被定义为在续流状态下和在体二极管的激发传导状态期间跨模块的开关测量的电压的类型。例如，在某些运行条件下，在开关的体二极管中测量的电压比在并行管芯(例如sic mosfet或gan hemt管芯)中测量的电压对管芯的温度更敏感。换言之，在这些示例中，开关的任何部分都没有被接通的时间被人为地增加，以便在续流状态下测量跨模块开关的体二极管的电压。
[0152]
图5示出了针对这些实施方式的输入信号(pwm
bot
、pwm
top
)的示例。底部输入信号pwm
bot
为底部开关的输入信号。
[0153]
在此示例中，激发传导状态或测量阶段s
meas
是针对底部开关的体二极管执行的。所述测量阶段s
meas
仅针对一个切换时段执行，以便限制由于体二极管中的额外损耗引起的温度变化。
[0154]
在其它切换阶段或死区时间阶段sd期间，开关的任何部分都不被导通，即，在等于所应用的死区时间d的持续时间内，pwm
top
＝0和pwm
bot
＝0。所应用的死区时间d的值可以是现存死区时间da的值，或者也可以是临时死区时间死区时间db的值。
[0155]
在测量阶段s
meas
期间，开关的任何部分都不被接通的时段增加到等于所应用的死区时间d和测量死区时间d
meas
之和的总持续时间。例如，测量死区时间d
meas
的值对应于电压传感器的时间响应，范围从一百纳秒到一百微秒。
[0156]
在一些示例中，如图5所示，增加的死区时间的总持续时间使得全部传导时段在底部开关的体二极管传导下执行，即，总持续时间等于底部开关的时段t
bot
，其由以下公式概括：
[0157]
d+d
meas
＝t
bot
[0158]
换言之，底部开关pwm
bot
可以瞬间跳过传导时段，并且在非同步整流状态下运行。
[0159]
此外，还可以针对负载电流周期波形的与模块的续流状态对应的特定电流范围执行死区时间调整方法。在该实施方式中，运行参数至少包括负载电流，所述负载电流具有周期波形。具体电流范围在负载电流周期波形的负幅值到负载电流周期波形的正幅值的范围内。tsep是针对所述特定电流范围在续流状态下跨模块的开关测量的电压。tsep在测量阶段s
meas
期间被测量。当负载电流值在特定电流值的范围内时，测量阶段s
meas
出现。通常选择
特定电流范围，以便在在该特定电流范围处在测量阶段s
meas
期间测量的tsep对温度具有高敏感度。事实上，tsep(即，在续流状态下跨模块开关测量的电压)取决于开关的温度和负载电流值。针对所述特定电流范围测量tsep使得tsep仅依赖于开关的温度成为可能，并且对开关的温度具有高敏感度。
[0160]
图6描绘了被设计用于实现根据本公开的方法的集成电路sys的示例。
[0161]
集成电路sys包括存储器mem
sys
和处理器proc。在一些实施方式中，集成电路sys可以包括专用集成电路asic、现场可编程门阵列fgpa或微控制器。
[0162]
该集成电路sys具有用于输入的至少输入信号pwm
in
、至少tsep的量度和至少运行参数op的量度。在此示例中，测量两个tsep(tsep
bot
、tsep
top
)。
[0163]
集成电路的存储器mem
sys
存储要由处理器proc执行的指令、运行参数i
load
的值和两个tsep(tsep
bot
、tsep
top
)的值。存储器mem
sys
是例如缓冲器。处理器proc执行用于实现根据本公开的方法的指令。集成电路sys输出与输入信号pwm
in
相关的至少两个信号。在此示例中，输入信号pwm
in
是脉宽调制pwm电压，输出信号是两个脉宽调制pwm电压(pwm
bot
、pwm
top
)。
[0164]
在此示例中，半桥h在模块mod中被实现为整流器。该半桥h包括顶部开关sw
top
和底部开关sw
bot
，并且为负载load提供电压vmid。每个开关都是独立控制的。例如，处理器proc通过栅极驱动器amp
top
向顶部开关sw
top
提供顶部输入信号pwm
top
。所述栅极驱动器amp
top
放大输入信号pwm
top
以控制顶部开关sw
top
。具体地，顶部开关sw
top
的死区时间使用本公开中描述的方法进行调整。栅极驱动器amp
top
例如是缓冲器。其应用至底部开关sw
bot
。
[0165]
在一些实施方式中，开关是sic mosfet或gan hemt器件或任何大带隙半导体。
[0166]
在一些实施方式中，至少一个开关由具有单独栅极入口的至少两个并行管芯制成。在这种情况下，tsep是例如与管芯的平均温度相关的量度。方法100可以并行应用至并行管芯并且可以进一步包括如图7所示的平衡阶段bal。所述平衡阶段bal可以在每个测量阶段(cal1、cal4)之后执行，并且可以包括增加具有与模块管芯的最高温度值对应的tsep的测量值的管芯的死区时间。为了清楚起见，在图7中仅表示了第一测量阶段cal1之后的平衡阶段bal。该平衡阶段bal可以递归地执行(如图7中的虚线所示)，直到所有管芯都具有相同的温度为止。
[0167]
在一些实施方式中，该模块包括至少两个功率半导体、监测tsep的电路、至少一个栅极驱动器和电流传感器以用于实现根据本公开的方法。
[0168]
本公开不限于此处描述的方法、模块和计算机程序，它们仅是示例。本发明包括本领域技术人员在阅读本文时将想到的每一个另选方案。

技术特征：
1.一种控制功率半导体模块的方法，所述方法包括以下步骤：a.监测所述模块的至少一个运行参数，所述至少一个运行参数包括负载电流和/或输入电流、环境温度、输入电压值和/或输出电压值，b.仅当所述至少一个运行参数在第一时间期间保持在预定义范围内时，并且仅当所述至少一个运行参数的值的范围在查找表中具有初始未更新状态时，才发起校准阶段至少一次，其中，现存死区时间从先前校准阶段得到，或者如果先前没有运行校准阶段，则所述现存死区时间被设置为初始高估值，所述校准阶段包括：ii.测量第一温度敏感电参数；ii.将现存死区时间减少到临时死区时间；iii.在所述第一时间之后的第二时间期间，监测所述至少一个运行参数；iv.在第二预定义时间之后，测量第二温度敏感电参数，所述第二温度敏感电参数与所述第一温度敏感电参数属于相同类型；v.仅当-在所述第二预定义时间期间，所述至少一个运行参数已保持在所述预定义范围内，并且-所述第二温度敏感电参数的值对应于模块开关的比与所述第一温度敏感电参数对应的温度值更低的温度值，将所述临时死区时间的值分配给所述现存死区时间；否则仅当-在所述第二预定义时间期间，所述至少一个运行参数已保持在所述预定义范围内，并且-所述第二温度敏感电参数的值对应于模块开关的比与所述第一温度敏感电参数对应的温度值更高的温度值，更新所述查找表中的所述至少一个运行参数的值的范围的状态，vi.将所述现存死区时间连同所述至少一个运行参数的值的范围存储到所述查找表中。2.根据权利要求1所述的方法，其中，阶段a.和阶段b.被迭代，直到所述运行参数的值的范围的状态在所述查找表中被更新为止。3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述现存死区时间按照在1ns和100ns之间的步长减少。4.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，其中，在所述功率半导体模块的运行阶段期间执行所述校准阶段。5.根据权利要求1至4中的任一项所述的方法，其中，所述温度敏感电参数属于被定义为在续流状态下并且在体二极管的激发传导状态期间跨所述模块的开关测量的电压的类型。6.根据权利要求1至4中的任一项所述的方法，其中，所述温度敏感电参数本身属于被定义为在切换频率增加之前和之后温度敏感电参数的值之间的差的类型。7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述运行参数至少包括具有周期波形的电流，并
且其中，针对电流周期波形的预定义电流范围执行所述切换频率的增加。8.根据权利要求7所述的方法，其中，针对电流周期波形的不同电流范围依次地执行校准阶段。9.根据权利要求6或7所述的方法，其中，所述切换频率的每次增加在比所述第一时间和所述第二时间短并且被包括在所述第一时间和所述第二时间中的预定义时间执行。10.根据权利要求1至9中的任一项所述的方法，所述方法被并行地应用于共用功率半导体模块的至少两个并行管芯，所述模块具有至少一个开关，所述至少一个开关由具有单独栅极入口的至少所述两个并行管芯制成，其中，所述模块开关的温度对应于所述管芯的平均温度，并且其中，所述校准阶段被并行地应用于所述并行管芯，所述校准阶段还包括平衡阶段，所述平衡阶段包括：增加所述管芯的死区时间，所述死区时间具有与所述模块的管芯的最高温度值对应的所述温度敏感电参数的测量值，在测量所述第一温度敏感电参数之后和/或在测量所述第二温度敏感电参数之后应用所述平衡阶段。11.根据权利要求10所述的方法，其中，迭代地应用所述平衡阶段，直到所有管芯具有它们的相同值的温度敏感电参数为止。12.根据权利要求1至11中的任一项所述的方法，其中，所述温度敏感电参数属于在栅极的内部栅极电阻和处于预定义电流值的导通状态电压当中选择的类型。13.一种计算机程序，所述计算机程序包括用于将根据权利要求1至12中的任一项所述的方法实现到集成电路中的指令。14.一种功率半导体模块，所述功率半导体模块被设计用于实现根据权利要求1至11中的任一项所述的方法。15.根据权利要求14所述的功率半导体模块，所述功率半导体模块包括：-至少一个第一传感器，所述第一传感器用于监测至少一个运行条件，-至少一个第二传感器，所述第二传感器用于测量所述第一温度敏感电参数和所述第二温度敏感电参数，-集成电路，在所述集成电路上实现所述方法以控制所述死区时间。

技术总结
提供了一种控制功率半导体模块的方法，该方法包括：监测至少一个运行参数，并且仅当运行参数保持在一范围内并且运行参数的范围具有初始状态时，才发起校准阶段。校准阶段包括测量第一温度敏感电参数，减少死区时间，监测所述运行参数，测量第二温度敏感电参数，仅当运行参数已保持在所述范围内且第二温度敏感电参数的值对应于较低温度值时，才分配死区时间的值，否则仅当运行参数已保持在所述范围内且第二温度敏感电参数的值对应于较高温度值时，才更新状态，存储死区时间和运行参数的范围。围。围。


技术研发人员：N
受保护的技术使用者：三菱电机株式会社
技术研发日：2021.06.30
技术公布日：2023/9/9