一种智能功率模块自适应死区时间产生电路及应用方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于一种智能功率模块自适应死区时间产生电路及应用方法，属于智能功率模块中栅极驱动电路设计领域。
【背景技术】
[0002]智能功率模块就是将功率开关器件(IGBT或者M0SFET)和栅极驱动电路(HVIC)集成在一起，同时还集成有各种保护功能的功率驱动类产品。与传统分立方案相比，智能功率模块以其高集成度、高可靠性等优势赢得越来越大的市场，尤其是在电机驱动、智能开关电源、汽车电子等方面有着广泛的用途。目前该类产品的国内市场基本上被国外产品所占领，因此研究和设计智能功率模块对实现该类产品的国产化，促进产业的发展有着现实的意义。
[0003]如图1所示，一种常用的三相智能功率模块包括了 U、V、W三相驱动电路。每一相驱动电路由栅极驱动电路(HVIC)以及高侧MOSFET M1、低侧MOSFET M2、自举二极管(BSD)组成。栅极驱动电路将输入的低侧输入信号LIN和高侧输入信号HIN分别转换为控制低侧MOSFET栅端的低侧输出信号LO和控制高侧MOSFET栅端的高侧输出信号HO。为了确保高侧MOSFET和低侧MOSFET不会同时导通，通常会在高侧输入信号HIN和低侧输入信号LIN之间插入死区时间，在低侧MOSFET关断后高侧MOSFET才会导通，同时在高侧MOSFET关断后低侧MOSFET才会导通。如图2a所示的信号时序图，高侧输入信号HIN和低侧输入信号LIN之间没有死区时间(LIN的下降沿与HIN的上升沿之间，以及HIN的下降沿与LIN的上升沿之间)，而如图2b所示的信号时序图，高侧输出信号HO和低侧输出信号LO之间被插入了死区时间DT (L0的下降沿与HO的上升沿之间，以及HO的下降沿与LO的上升沿之间)，该死区时间通常大于高侧和低侧通路的传输延迟差和MOSFET的导通关断时间差。但是死区时间越大，会导致PWM信号有效的占空比缩小，从而引起系统效率的降低，尤其是对开关速率较快的应用场景，由死区时间而损失的效率会更明显。
[0004]现实应用中，智能功率模块的输入控制信号由前级MCU或者ASIC来提供，基于控制算法或者系统可靠性的考虑，往往MCU或者ASIC输出的控制信号会存在自带死区时间或者不带死区时间两种情况。现在的做法是智能功率模块中的死区时间产生电路不管输入的控制信号有无自带死区时间，都会强制插入额外的死区时间，从而避免在输入信号自带死区情况下产生更多的效率损失。或者通过更复杂的检测算法和控制环路来自动调整输出的死区时间，这种方式往往实现复杂，而控制算法和环路响应时间不好控制，会带来更多的可靠性风险。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是提供一种智能功率模块自适应死区时间产生电路，整体结构简单，能够针对输入信号之间的死区时间实现智能检测，并实现智能控制，提高智能功率模块的工作效率。
[0006]本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案:本发明设计了一种智能功率模块自适应死区时间产生电路，用于针对高侧输入信号和低侧输入信号，进行死区时间控制，获得高侧输出信号和低侧输出信号；该自适应死区时间产生电路包括直通保护电路、第一单边延迟产生电路、第二单边延迟产生电路、第一死区时间比较及产生电路和第二死区时间比较及产生电路；其中，第一单边延迟产生电路的延迟时间与第二单边延迟产生电路的延迟时间相等；高侧输入信号和低侧输入信号同时分别经直通保护电路分别输出；然后，针对同时经由直通保护电路分别输出的高侧输入信号和低侧输入信号，第一死区时间比较及产生电路分别接收低侧输入信号和经过第一单边延迟产生电路的高侧输入信号，进行死区时间分析与控制，并输出低侧输出信号；第二死区时间比较及产生电路分别接收高侧输入信号和经过第二单边延迟产生电路的低侧输入信号，进行死区时间分析与控制，并输出高侧输出信号。
[0007]作为本发明的一种优选技术方案:所述第一单边延迟产生电路包括电流偏置MOS管MP2、开关MOS管丽2、电容Cd2和比较器Comp2 ;所述第一死区时间比较及产生电路包括与非门Nand2 ;其中，电流偏置MOS管MP2的栅极接收智能功率模块中的偏置电流，电流偏置MOS管MP2的漏极连接智能功率模块中的电源正极；电流偏置MOS管MP2的源极、开关MOS管的丽2的源极、电容Cd2的一端和比较器Comp2的正向输入端四者相连；开关MOS管丽2的栅极接收所述经由直通保护电路输出的高侧输入信号，开关MOS管丽2的漏极与电容Cd2的另一端相连并接地；比较器Comp2的反向输入端接入基准电压，比较器Comp2的输出端与第一死区时间比较及产生电路中与非门Nand2的一输入端相连，与非门Nand2的另一输入端接收所述经由直通保护电路分别输出的低侧输入信号，与非门Nand2的输出端输出低侧输出信号；所述第二单边延迟产生电路包括电流偏置MOS管MPl、开关MOS管丽1、电容Cdl和比较器Compl ;第二死区时间比较及产生电路包括与非门Nandl ;其中，电流偏置MOS管MPl的栅极接收智能功率模块中的偏置电流，电流偏置MOS管MPl的漏极连接智能功率模块中的电源正极；电流偏置MOS管MPl的源极、开关MOS管的丽I的源极、电容Cdl的一端和比较器Compl的正向输入端四者相连；开关MOS管丽I的栅极接收所述经由直通保护电路输出的低侧输入信号，开关MOS管MNl的漏极与电容Cdl的另一端相连并接地；比较器Compl的反向输入端接入基准电压，比较器Compl的输出端与第二死区时间比较及产生电路中与非门Nandl的一输入端相连，与非门Nandl的另一输入端接收所述经由直通保护电路分别输出的高侧输入信号，与非门Nandl的输出端输出高侧输出信号。
[0008]作为本发明的一种优选技术方案:所述第一单边延迟产生电路包括非门Invl、电流偏置MOS管MP3、开关MOS管丽3、电容Cd3和比较器Comp3 ;所述第一死区时间比较及产生电路包括与非门Nand3 ;其中，所述经由直通保护电路输出的高侧输入信号经过非门Invl输送至电流偏置MOS管MP3的栅极，电流偏置MOS管MP3的漏极与电容Cd3的一端相连后，与智能功率模块中的电源正极相连接；电流偏置MOS管MP3的源极、电容Cd3的另一端、开关MOS管丽3的源极、比较器Comp3的反向输入端四者相连接；开关MOS管丽3的栅极接收智能功率模块中的偏置电流，开关MOS管丽3的漏极接地；比较器Comp3的正向输入端接入基准电压，比较器Comp3的输出端与第一死区时间比较及产生电路中与非门Nand3的一输入端相连，与非门Nand3的另一输入端接收所述经由直通保护电路分别输出的低侧输入信号，与非门Nand3的输出端输出低侧输出信号；所述第二单边延迟产生电路包括非门Inv2、电流偏置MOS管MP4、开关MOS管MN4、电容Cd4和比较器Comp4 ;所述第二死区时间比较及产生电路包括与非门Nand4 ;其中，所述经由直通保护电路输出的高侧输入信号经过非门Inv2输送至电流偏置MOS管MP4的栅极，电流偏置MOS管MP4的漏极与电容Cd4的一端相连后，与智能功率模块中的电源正极相连接；电流偏置MOS管MP4的源极、电容Cd4的另一端、开关MOS管MN4的源极、比较器Comp4的反向输入端四者相连接；开关MOS管MN4的栅极接收智能功率模块中的偏置电流，开关MOS管MN4的漏极接地；比较器Comp4的正向输入端接入基准电压，比较器Comp4的输出端与第二死区时间比较及产生电路中与非门Nand4的一输入端相连，与非门Nand4的另一输入端接收所述经由直通保护电路分别输出的低侧输入信号，与非门Nand4的输出端输出低侧输出信号。
[0009]本发明如上所述一种智能功率模块自适应死区时间产生电路，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果:本发明设计一种智能功率模块自适应死区时间产生电路，整体结构简单