上下管開關對稱性的系統方法

 摘要：半橋功率級是電力電子系統中的基本開關單元，應用于電源轉換器、電機驅動器和D類功率放大器等電路設計中。本文介紹了一種系統方法，該方法利用預充電驅動電源方案和欠壓鎖定（UVLO）機制的控制策略，確保半橋電路中高邊和低邊開關的同步性。傳統的基于自舉電源的半橋驅動存在固有局限性，包括高邊和低邊驅動器之間電源的不對稱性，這會破壞開關的同步性和開關管的工作特性。本文通過詳細的電路設計和SPICE仿真驗證了該方法在改善開關同步性和可靠性方面的有效性，特別是對于GaN和SiC晶體管這種對驅動電壓范圍要求比較高的驅動更有應用意義。

1 引言

半橋功率級常因高邊和低邊驅動器之間的非對稱開關而面臨挑戰。圖1展示了傳統的自舉電路驅動方式，該電路在低邊導通期間通過一個二極管給電容器（Cb）充電，從而為高邊驅動器提供電源。然而，Cb需要足夠的充電時間才能達到場效應晶體管（FET）的驅動電壓。表格顯示了不同FET所需的驅動電壓。

圖1 傳統的基于自舉的電源和FET的驅動電壓

如圖2所示，在Cb充電至正確電壓水平之前，高邊和低邊開關存在非對稱性，半橋功率級上的這種開關非對稱性會給系統帶來以下問題：

●   啟動不穩定性：由于高邊難以開啟，導致不確定的瞬態階段。

●   占空比限制：需要避免自舉電容過度放電。

●   開關頻率限制：自舉電容需要足夠的充電時間。

問題示例包括D 類功率放大器上的高直流偏置、DC/DC 轉換器上的控制崩潰、甚至采用磁場定向控制（FOC）方法的三相電機驅動器上的不穩定啟動。本文介紹了一種用于高邊驅動器的創新自供電方法，該方法獨立于高邊和低邊開關，以及一個可調的UVLO 系統控制機制，以確保驅動器在不同的FET 上以正確的電壓水平工作。

圖2 啟動期間的高邊和低邊開關非對稱性

2   創新方法

所提出的創新方法如圖3所示，包括兩個主要單元以實現高邊和低邊的同步開關。

●   預充電單元

如紅線所示，當Q2導通時，電容器（CP）由VDD充電并儲存能量。隨后，Q2關閉，Q1導通，CP放電并將其儲存的能量轉移到CB。CP和CB上的電壓可以通過方程進行檢測。

因此，CB上的電壓通過預充電單元持續上升，用作高邊驅動器的電源。同時，高邊和低邊驅動器在邏輯信號單元啟用之前保持非激活狀態。

●   邏輯控制單元

該單元可以激活或禁用預充電單元或者高邊/ 低邊驅動器。一旦高邊/ 低邊驅動器開始工作，預充電電路就會被禁用。控制機制通過監測高邊驅動器的電源，當電壓達到閾值水平（例如，對于Si FET為10 V）時，比較器的輸出從低電平變為高電平。電平移位器將電平參考點從浮動參考點VS變換為系統參考點COM，從而可以去控制以系統COM為參考點的邏輯電路。這個電路就是典型的欠壓鎖定電路（UVLO），在本文系統設計中，該欠壓鎖定電路的控制信號會同時去控制高邊/低邊驅動器和預充電電路的使能，控制高邊/ 低邊驅動器的信號和控制預充電電路的信號是反相的，避免系統上電啟動以后預充電單元還在工作。此外，閾值水平應具有滯后范圍，因為VCB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，通常是具有某種拓撲結構的典型脈沖寬度調制（PWM）信號。預充電電路可以使用與驅動器相同的脈沖進行預充電工作，也可以使用獨立的脈沖進行充電，這在驅動器的PWM為高頻率且占空比不確定時，對充電尤為靈活。

圖3 開關對稱性的創新方法

V_DD是整個驅動器的電源，參考COM，高邊和低邊驅動器的驅動電壓取決于它。可以調整VDD以適應Si、SiC、GaN甚至IGBT晶體管。此外，高邊UVLO閾值水平可以根據VDD靈活調整，以確保驅動器僅在固定于晶體管的正確電壓水平下工作。整個系統工作過程如下：

●   根據開關管特性提供合適的VDD。

●   設定合適的高邊側供電的UVLO閾值。

●   預充電單元工作。

●   上下管同步開關動作。

控制信號的電平移位器任務是將電平參考點從浮動點VS轉換到系統參考點COM。由于VB相對于COM參考點是比較高的電壓，為了減少晶體管的功率損耗，設計的電平移位器讓晶體管僅在控制信號的上升沿或下降沿期間導通，其余時間保持關閉。因此，控制信號的上升沿和下降沿轉換為兩個短脈沖，這兩個短脈沖作為置位和復位信號去控制RS觸發器，觸發器輸出再現原始控制信號的電平狀態。

1.控制信號從低電平變為高電平。

2.T1導通產生一個相對于COM 的短脈沖。

3.T2導通產生一個穩定的電壓水平脈沖（置位信號）。

4.置位信號觸發置位輸出高電平。

與上述過程相同，下方的晶體管電路處理控制信號從高電平變為低電平的狀態信號。

●   仿真結果

圖4顯示了仿真電路和詳細波形。VB用作高邊驅動器的電源，設計用于驅動柵極電壓為5 V的GaN晶體管。UVLO配置為在4.5 V時觸發，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動器的輸出，在驅動晶體管的正確電壓水平下實現對稱開關。

圖4 仿真與順序波形

3 結論

在任何半橋功率級應用中，具有正確驅動器電壓水平的高邊和低邊同步開關對稱性至關重要。所提出的系統方法，結合了預充電和UVLO控制機制，成功地實現了這一目標。

參考文獻：

[1] R. Erickson, “Fundamentals of Power Electronics”, 3rd ed.

[2] Infineon, “600 V GaN HEMT Driver Design Guide”, AN-2021

[3] IEEE Trans. Power Electron., vol.35, no.3, 2020