摘要：半橋功率級(jí)是電力電子系統(tǒng)中的基本開關(guān)單元，應(yīng)用于電源轉(zhuǎn)換器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和D類功率放大器等電路設(shè)計(jì)中。本文介紹了一種系統(tǒng)方法，該方法利用預(yù)充電驅(qū)動(dòng)電源方案和欠壓鎖定（UVLO）機(jī)制的控制策略，確保半橋電路中高邊和低邊開關(guān)的同步性。傳統(tǒng)的基于自舉電源的半橋驅(qū)動(dòng)存在固有局限性，包括高邊和低邊驅(qū)動(dòng)器之間電源的不對(duì)稱性，這會(huì)破壞開關(guān)的同步性和開關(guān)管的工作特性。本文通過詳細(xì)的電路設(shè)計(jì)和SPICE仿真驗(yàn)證了該方法在改善開關(guān)同步性和可靠性方面的有效性，特別是對(duì)于GaN和SiC晶體管這種對(duì)驅(qū)動(dòng)電壓范圍要求比較高的驅(qū)動(dòng)更有應(yīng)用意義。

1 引言

半橋功率級(jí)常因高邊和低邊驅(qū)動(dòng)器之間的非對(duì)稱開關(guān)而面臨挑戰(zhàn)。圖1展示了傳統(tǒng)的自舉電路驅(qū)動(dòng)方式，該電路在低邊導(dǎo)通期間通過一個(gè)二極管給電容器（Cb）充電，從而為高邊驅(qū)動(dòng)器提供電源。然而，Cb需要足夠的充電時(shí)間才能達(dá)到場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）的驅(qū)動(dòng)電壓。表格顯示了不同F(xiàn)ET所需的驅(qū)動(dòng)電壓。

圖1：傳統(tǒng)的基于自舉的電源和FET的驅(qū)動(dòng)電壓

如圖2所示，在Cb充電至正確電壓水平之前，高邊和低邊開關(guān)存在非對(duì)稱性，半橋功率級(jí)上的這種開關(guān)非對(duì)稱性會(huì)給系統(tǒng)帶來以下問題：

?啟動(dòng)不穩(wěn)定性：由于高邊難以開啟，導(dǎo)致不確定的瞬態(tài)階段。

?占空比限制：需要避免自舉電容過度放電。

?開關(guān)頻率限制：自舉電容需要足夠的充電時(shí)間。

問題示例包括D類功率放大器上的高直流偏置、DC/DC轉(zhuǎn)換器上的控制崩潰、甚至采用磁場(chǎng)定向控制（FOC）方法的三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)器上的不穩(wěn)定啟動(dòng)。本文介紹了一種用于高邊驅(qū)動(dòng)器的創(chuàng)新自供電方法，該方法獨(dú)立于高邊和低邊開關(guān)，以及一個(gè)可調(diào)的UVLO系統(tǒng)控制機(jī)制，以確保驅(qū)動(dòng)器在不同的FET上以正確的電壓水平工作。

圖2：啟動(dòng)期間的高邊和低邊開關(guān)非對(duì)稱性

2 創(chuàng)新方法

所提出的創(chuàng)新方法如圖3所示，包括兩個(gè)主要單元以實(shí)現(xiàn)高邊和低邊的同步開關(guān)。

預(yù)充電單元

如紅線所示，當(dāng)Q2導(dǎo)通時(shí)，電容器（CP）由VDD充電并儲(chǔ)存能量。隨后，Q2關(guān)閉，Q1導(dǎo)通，CP放電并將其儲(chǔ)存的能量轉(zhuǎn)移到CB。CP和CB上的電壓可以通過方程進(jìn)行檢測(cè)。

因此，CB上的電壓通過預(yù)充電單元持續(xù)上升，用作高邊驅(qū)動(dòng)器的電源。同時(shí)，高邊和低邊驅(qū)動(dòng)器在邏輯信號(hào)單元啟用之前保持非激活狀態(tài)。

邏輯控制單元

該單元可以激活或禁用預(yù)充電單元或者高邊/低邊驅(qū)動(dòng)器。一旦高邊/低邊驅(qū)動(dòng)器開始工作，預(yù)充電電路就會(huì)被禁用?？刂茩C(jī)制通過監(jiān)測(cè)高邊驅(qū)動(dòng)器的電源，當(dāng)電壓達(dá)到閾值水平（例如，對(duì)于Si FET為10 V）時(shí)，比較器的輸出從低電平變?yōu)楦唠娖?。電平移位器將電平參考點(diǎn)從浮動(dòng)參考點(diǎn)VS變換為系統(tǒng)參考點(diǎn)COM，從而可以去控制以系統(tǒng)COM為參考點(diǎn)的邏輯電路。這個(gè)電路就是典型的欠壓鎖定電路（UVLO），在本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，該欠壓鎖定電路的控制信號(hào)會(huì)同時(shí)去控制高邊/低邊驅(qū)動(dòng)器和預(yù)充電電路的使能，控制高邊/低邊驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)和控制預(yù)充電電路的信號(hào)是反相的，避免系統(tǒng)上電啟動(dòng)以后預(yù)充電單元還在工作。此外，閾值水平應(yīng)具有滯后范圍，因?yàn)閂CB在充電和放電之間存在紋波。滯后范圍確保邏輯控制單元進(jìn)行可靠控制。輸入脈沖來自功率控制器或微控制器，通常是具有某種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的典型脈沖寬度調(diào)制（PWM）信號(hào)。預(yù)充電電路可以使用與驅(qū)動(dòng)器相同的脈沖進(jìn)行預(yù)充電工作，也可以使用獨(dú)立的脈沖進(jìn)行充電，這在驅(qū)動(dòng)器的PWM為高頻率且占空比不確定時(shí)，對(duì)充電尤為靈活。

圖3：開關(guān)對(duì)稱性的創(chuàng)新方法

VDD是整個(gè)驅(qū)動(dòng)器的電源，參考COM，高邊和低邊驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)電壓取決于它。可以調(diào)整VDD以適應(yīng)Si、SiC、GaN甚至IGBT晶體管。此外，高邊UVLO閾值水平可以根據(jù)VDD靈活調(diào)整，以確保驅(qū)動(dòng)器僅在固定于晶體管的正確電壓水平下工作。整個(gè)系統(tǒng)工作過程如下：

?根據(jù)開關(guān)管特性提供合適的VDD。

?設(shè)定合適的高邊側(cè)供電的UVLO閾值。

?預(yù)充電單元工作。

?上下管同步開關(guān)動(dòng)作。

控制信號(hào)的電平移位器任務(wù)是將電平參考點(diǎn)從浮動(dòng)點(diǎn)VS轉(zhuǎn)換到系統(tǒng)參考點(diǎn)COM。由于VB相對(duì)于COM參考點(diǎn)是比較高的電壓，為了減少晶體管的功率損耗，設(shè)計(jì)的電平移位器讓晶體管僅在控制信號(hào)的上升沿或下降沿期間導(dǎo)通，其余時(shí)間保持關(guān)閉。因此，控制信號(hào)的上升沿和下降沿轉(zhuǎn)換為兩個(gè)短脈沖，這兩個(gè)短脈沖作為置位和復(fù)位信號(hào)去控制RS觸發(fā)器，觸發(fā)器輸出再現(xiàn)原始控制信號(hào)的電平狀態(tài)。

控制信號(hào)從低電平變?yōu)楦唠娖健?

T1導(dǎo)通產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)于COM的短脈沖。

T2導(dǎo)通產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的電壓水平脈沖（置位信號(hào)）。

置位信號(hào)觸發(fā)置位輸出高電平。

與上述過程相同，下方的晶體管電路處理控制信號(hào) 從高電平變?yōu)榈碗娖降臓顟B(tài)信號(hào)。

仿真結(jié)果

圖4顯示了仿真電路和詳細(xì)波形。VB用作高邊驅(qū)動(dòng)器的電源，設(shè)計(jì)用于驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O電壓為5 V的GaN晶體管。UVLO配置為在4.5 V時(shí)觸發(fā)，具有0.5 V的滯后范圍。GL和GH分別代表高邊和低邊推挽驅(qū)動(dòng)器的輸出，在驅(qū)動(dòng)晶體管的正確電壓水平下實(shí)現(xiàn)對(duì)稱開關(guān)。

圖4：仿真與順序波形

3 結(jié)論

在任何半橋功率級(jí)應(yīng)用中，具有正確驅(qū)動(dòng)器電壓水平的高邊和低邊同步開關(guān)對(duì)稱性至關(guān)重要。所提出的系統(tǒng)方法，結(jié)合了預(yù)充電和UVLO控制機(jī)制，成功地實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)。

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