在現代電力轉換應用中，利用開關電源器件的空載時間一直是一個必要的缺點，設計者已經學會了如何生存，以确保可靠和無憂的運行

▋有效與控制死區時間

死區時間是指當接通時間重疊将導緻交叉導通電流時，兩個器件的關斷和接通之間所需的延遲。圖1顯示了同步降壓轉換器的一個典型示例，其中Q1和Q2的同時導通會導緻輸入電壓（VIN）短路，這會導緻額外的損耗、更高的工作溫度，甚至在極端情況下出現故障。這種重疊不是由控制器本身造成的，因為即使控制器信号中存在零重疊，驅動器和FET之間的失配可能導緻有效的負死區時間。

圖1：同步降壓轉換器中的死區時間

為了避免這種重疊情況，控制器在栅極驅動器的栅極信号上插入控制死區時間。該控制的目的是确保有效停滞時間始終為正值。控制死區時間由一些初始計算、充分的防護帶和徹底的測試确定。使用此預設的死區時間，應用将在大多數情況下工作，具有大量有效死區時間，因此在最壞情況下，重疊仍将具有正有效死區時間。

分析停滞時間時需要考慮的主要影響如下：

- 栅極驅動器上的傳播延遲不匹配

- 高壓側和低壓側之間的電源電壓差異

- 栅極電阻值的差異

- FET的開啟和關閉時間不匹配

- 二極管反向恢複時間和恢複時間的變化

從該列表中可以清楚地看出，計算完美的控制死區時間不是一項容易的任務，因為所有這些參數都會因制造公差和操作溫度以及每個器件的電壓和電流水平而改變。

死區時間變化的主要因素之一是體二極管反向恢複時間，由于GaN器件中沒有這種效應，GaN器件所需的控制和有效死區時間之間的差異比矽MOSFET小得多。

▋停滞時間對損耗的影響

死區損耗通常在GaN FET的問題中進行讨論，因為在有效死區期間，工作的第三象限中的損耗高于Si MOSFET的體二極管損耗。然而，為了全面了解情況，需要考慮該事件期間損失的所有因素，包括：

- 第三象限傳導損耗

- 輸出電容損耗

- 反向恢複損耗（僅适用于Si MOSFET）

- 低電壓硬開關接通（部分ZVS）

這些影響的詳細描述如所示，圖2給出了半橋電路空載時間損失影響的總體視圖（在本分析中，不包括開啟和關閉損耗，因為它們不依賴于空載時間）。

圖2：在60 V應用中（4 A步進中為-20 A至 20 A），eGaN®FET和MOSFET每周期的計算死區損耗與死區時間的關系。注意兩個圖之間的水平比例差異

當考慮高壓側關閉和低壓側打開之間的死區時間時，根據電流的符号，需要考慮不同的損耗因素：

- 對于關斷時的負電流（進入半橋的電流），高壓側的第三象限導通開始，損耗随着死區時間線性增加。在空載時間結束時，低壓側導通，在此硬開關事件期間，發生COSS和反向恢複（MOSFET）損耗。這些損失在圖2中以藍色顯示，在這種情況下，為了最大限度地減少損失，應盡可能縮短停滞時間

- 對于正電流（進入半橋的電流），其影響取決于負載電流。如果電感器中有足夠的能量使電壓完全換向，則可以實現無損耗零電壓開關（ZVS）接通。如果沒有，器件将開始經曆部分ZVS。一旦該切換事件完成，第三象限導通可以開始，并且損耗從那裡開始随着死區時間線性增加。這些損耗在圖2中以綠色顯示，在這種情況下，有一個最佳空載時間，這取決于負載電流

相反的情況發生在低壓側斷開和高壓側接通之間的互補死區時間内。

當比較MOSFET和GaN器件時，可以觀察到

- 由于較低的COSS，GaN FET實現ZVS的自換向能量約為一半

- GaN和MOSFET的EOSS和ERR損耗約為三分之一

- 由于更高的二極管模式電壓降，GaN中的第三象限損耗比MOSFET增加了約2.5倍，盡管與其他三種損耗（部分ZVS、EOsSSS和ERR）相比，這些損耗是次要因素

總之，即使具有較高的第三象限傳導損耗，更詳細的分析表明，GaN FET不僅能夠以較小的死區時間工作，而且總體上具有較低的死區時間損耗。

▋對控制的影響

先前的分析強調，使用GaN FET可以減少損耗并利用較小的死區時間。在應用級别，使用短停滞時間本身就具有優勢。

在硬開關變換器中，死區時間可以改善高頻和高階躍比變換器的控制特性。

在諧振變換器中，器件輸出電荷與實現全ZVS所需的能量成比例。能量的減少會導緻死區時間的減少，從而提供更大的輸送周期和更低的RMS電流，如圖3所示。

圖3：工作在1.2MHz的GaN FET和Si MOSFET諧振轉換器之間的有效占空比比較

▋對運動的影響

在電機驅動中，減少空載時間将減少零電流交叉期間産生的失真，消除不期望的失真和高階諧波，如圖4所示。這不僅減少了可聽噪聲，還減少了RMS電流，從而大大提高了系統效率。死區時間實際上是電流波形上的5次和7次諧波的原因。這些諧波在由電機施加到負載的轉矩的第六諧波中回旋，并且轉矩的第6諧波導緻電機繞組中不期望的振動和發熱。當比較圖4中的電流波形時，空載時間較低的情況下總諧波失真較低，從而增加了有效電機轉矩常數Kt [Nm/A]，這反過來導緻了更有效的系統運行。

圖4：正弦電機驅動中過零失真的死區效應比較

此外，在電機驅動應用中，如果空載時間的減少與PWM頻率的增加相結合，則如圖5所示，可以提高整個系統的效率效果，其中相同的電機以相同的速度和負載運行，但PWM頻率和空載時間不同。空載時間減少的效果在轉矩和ŋmotor排線中可見。空載時間越低，扭矩越高，電機效率越高。

圖5：正弦電機驅動的空載時間減少和PWM頻率增加的組合效應

▋結論

死區時間是電力電子設計中的一個重要考慮因素，GaN FET相對于Si MOSFET的改進的品質因數允許以小得多的死區時間進行操作。最小化這一不需要的操作階段允許設計者最小化組件級的損失，并優化系統級的效率和操作。雖然GaN FET不能完全消除它，但它對一直存在的死區時間産生了強烈的打擊。

作者Andrea Gorgerino是EPC全球現場應用工程總監

來源：PSD功率系統設計

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