CN110707917A - 桥式变换器驱动死区自调节方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种桥式变换器驱动死区自调节方法，包括比较自调节法，比较自调节法为：将半桥中处于关断过程中的一个开关管作为采样对象，将半桥中的另一个开关管作为被控对象；对采样对象的源漏极电压和门极电压进行采样和比较，若采样到的采样对象的源漏极电压高于预设的源漏极电压设定值或采样到的采样对象的门极电压低于预设的门极电压设定值，则判断采样对象已经关断，被控对象对应的控制信号变为高电平而驱动被控对象开通。本发明还提供实现上述方法的桥式变换器驱动死区自调节装置，包括阈值比较电路、与门等。本发明可以灵活地对桥式变换器中的开关管进行通断控制，提高变换器性能。

Description

桥式变换器驱动死区自调节方法和装置

技术领域

本发明属于电力电子变换器技术领域，具体涉及一种针对桥式变换器的驱动死区自调节方法和装置。

背景技术

通常，大功率开关电源、变频器、逆变器等，功率变换部分都是由可控半导体开关管组成的半桥或两个半桥组成的全桥，甚至三个半桥组成的三相桥，附图1中是半桥的架构示意图。每个半桥的上半桥开关管和下半桥开关管是是绝对不能同时导通的，但高速的PWM驱动信号在达到开关管的控制极时，往往会由于各种各样的原因产生延迟的效果，导致某个半桥开关管在应该关断时没有关断，造成开关管烧毁。

为了避免桥式电路的上半桥开关管和下半桥开关管同时导通短路，通常会在上半桥开关管和下半桥开关管的驱动信号之间加入固定的死区。就是在上半桥开关管驱动关断后，延迟一段时间Td再打开下半桥开关管驱动；或在下半桥开关管驱动关断后，延迟一段时间Td再打开上半桥开关管驱动，从而避免半桥直通导致的半导体功率元件烧毁。延迟时间Td就是死区。工作波形如附图2所示。

目前绝大多数的桥式电路驱动死区时间都是固定的。足够死区时间是桥式变换器正常工作的保证，理论来说，死区时间越长，桥式变换器工作越安全。因此，在设计死区时间的时候，就要充分考虑到各种不同器件的影响，设计较大的裕量。但在死区时间内，上、下半桥的半导体元件都是关断的，上下管都不会有输出，因此必然会造成变换器传递能量的时间减少，能量传输效率变低。对于有些桥式谐振变换器，会由于死区时间过长而错过软开关窗口，导致变换器效率降低。应用在开关电源上时，死区时间会影响设备输出的纹波。应用在逆变器设备上时，死区时间会造成设备输出电压波形质量变差。

现有技术也有使用检测半导体开关管的两端电压来调节死区时间的方案。当桥式电路同一桥臂的其中一个半导体功率元件两端电压上升至某一定值后，认为开关管已经关断，即可开通另外一个开关管。然而在负载较小的时候，即使开关管已经关断，开关管两端电压由于回路中能量较小无法充起来，检测会失效，进而导致驱动一直被封锁，电路无法正常工作。

基于上述死区时间对桥式变换器的不良影响，设计桥式变换器的时候应当尽量减少死区。同时需要确保减小死区时间不至于造成开关管直通损坏。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够自动调节死区时间，尽快减少死区，从而避免死区带来的不良影响，更好地实现桥式变换器控制的桥式变换器驱动死区自调节方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种桥式变换器驱动死区自调节方法，应用于包括由两个开关管构成的半桥的桥式变换器中，用于基于各所述开关管对应的PWM信号产生自调节死区时间的控制信号来驱动各所述开关管的通断，所述桥式变换器驱动死区自调节方法包括比较自调节法，所述比较自调节法为：将所述半桥中处于关断过程中的一个所述开关管作为采样对象，将所述半桥中的另一个所述开关管作为被控对象；在所述采样对象对应的所述PWM信号变为低电平、所述被控对象对应的所述PWM信号变为高电平后，所述采样对象对应的所述控制信号变为低电平，并对所述采样对象的源漏极电压和门极电压进行采样和比较，若采样到的所述采样对象的源漏极电压高于预设的源漏极电压设定值或采样到的所述采样对象的门极电压低于预设的门极电压设定值，则判断所述采样对象已经关断，所述被控对象对应的所述控制信号变为高电平而驱动所述被控对象开通，由所述采样对象开始关断至已经关断之间的时间构成所述死区时间。

优选的，所述桥式变换器驱动死区自调节方法还包括定时控制法，所述定时控制法为：当所述比较自调节法失效时，若所述采样对象对应的所述PWM信号变为低电平、所述被控对象对应的所述PWM信号变为高电平，所述采样对象对应的所述控制信号变为低电平，且经过设定的裕度满足需求的固定死区时间后，所述被控对象对应的所述控制信号变为高电平而驱动所述被控对象开通。

优选的，通过对电容充电而设定所述固定死区时间，所述电容的电压由0充到设定的基准电压之间的时间构成所述固定死区时间。

优选的，利用所述开关管的开通延迟时间补偿所述死区时间，令补偿后的死区时间=所述死区时间-所述开关管的开通延迟时间，当所述采样对象对应的所述控制信号变为低电平并经过所述补偿后的死区时间后，令所述被控对象对应的所述控制信号变为高电平而驱动所述被控对象开通。

本发明还提供一种桥式变换器驱动死区自调节装置，用于实现前述的桥式变换器驱动死区自调节方法，所述桥式变换器驱动死区自调节装置包括分别对应控制所述半桥中的两个所述开关管的两个检测电路，对任意一个所述检测电路，定义其所控制的所述开关管为被控开关管，而另一个所述开关管为采样开关管；

所述检测电路包括：

阈值比较电路，所述阈值比较电路用于将采样到的所述采样开关管的源漏极电压和门极电压进行比较，从而基于比较结果输出使能信号；当所述采样开关管的源漏极电压高于预设的源漏极电压设定值或采样到的所述采样开关管的门极电压低于预设的门极电压设定值时，所述阈值比较电路输出高电平的所述使能信号，否则所述阈值比较电路输出低电平的所述使能信号；

与门，所述与门的输入分别为所述阈值比较电路输出的所述使能信号和所述被控开关管对应的PWM信号，所述与门的输出为所述被控开关管的控制信号。

优选的，所述阈值比较电路包括用于比较所述采样开关管的源漏极电压与预设的源漏极电压设定值的第一比较器，和，用于比较所述采样开关管的门极电压与预设的门极电压设定值的第二比较器；所述检测电路还包括或门，所述第一比较器的输出和所述第二比较器的输出均连接至所述或门的输入端，且所述或门的输出端与所述与门相连接。

优选的，所述阈值比较电路还包括用于将采样到的所述采样开关管的源漏极电压放大K1倍的第一放大器，和，用于将采样到的所述采样开关管的门极电压放大K2倍的第二放大器，所述第一放大器的输出端与所述第一比较器的输入端相连接，所述第二放大器的输出端与所述第二比较器的输入端相连接，取值相同的所述源漏极电压设定值和所述门极电压设定值分别接入所述第一比较器和所述第二比较器的输入端。

本发明还提供另一方案的桥式变换器驱动死区自调节装置，用于实现前述的桥式变换器驱动死区自调节方法，所述桥式变换器驱动死区自调节装置包括分别对应控制所述半桥中的两个所述开关管的两个检测电路，对任意一个所述检测电路，定义其所控制的所述开关管为被控开关管，而另一个所述开关管为采样开关管；

所述检测电路包括：

阈值比较电路，所述阈值比较电路用于将采样到的所述采样开关管的源漏极电压和门极电压进行比较，从而基于比较结果输出第一类使能信号；当所述采样开关管的源漏极电压高于预设的源漏极电压设定值或采样到的所述采样开关管的门极电压低于预设的门极电压设定值时，所述阈值比较电路输出高电平的所述第一类使能信号，否则所述阈值比较电路输出低电平的所述第一类使能信号；

定时电路，所述定时电路用于基于所述被控开关管对应的所述PWM信号和预设的固定死区时间而输出第二类使能信号；当所述被控开关管对应的所述PWM信号变为高电平，且经过所述固定死区时间后，所述定时电路输出高电平的所述第二类使能信号；当所述被控开关管对应的所述PWM信号变为低电平时，所述定时电路输出低电平的所述第二类使能信号；

干路或门，所述干路或门的输入端分别与所述阈值比较电路的输出端和所述定时电路的输出端相连接，所述干路或门的输出端输出总使能信号；

干路与门，所述干路与门的输入分别为所述干路或门输出的所述总使能信号和所述被控开关管对应的PWM信号，所述干路与门的输出为所述被控开关管的控制信号。

优选的，所述定时电路包括倒相器、支路与门、充放电单元、支路比较器，所述支路与门的一个输入为所述被控开关管对应的所述PWM信号，所述之路与门的另一个输入为所述采样开关管对应的所述PWM信号经所述倒相器后输出的倒相信号，所述支路与门的输出端与所述充放电单元相连接，所述支路比较器用于比较所述充放电单元中的充电电压与预设的基准电压并输出所述第二类使能信号，当所述充放电单元中的充电电压达到所述基准电压时，所述支路比较器输出高电平的所述第二类使能信号，否则所述支路比较器输出低电平的所述第二类使能信号。

优选的，所述充放电单元包括电阻、电容和二极管，所述电阻的一端与所述支路与门的输出端相连接，所述电阻的另一端分别连接至所述支路比较器的一个输入端和经所述电容后接地，所述支路比较器的另一输入端经用于提供所述基准电压的电源后接地，所述二极管并联在所述电阻的两端。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明可以自动调节合适的死区时间，从而灵活地对桥式变换器中的开关管进行通断控制，可以在保证电路安全工作的前提下尽可能减小死区时间，提升变换器传递能量的时间，提升能量传输效率，将死区时间造成的不良影响降到最低。该方案具有易于实现、易于调节的特点。

附图说明

附图1为半桥桥式电路架构图。

附图2为现有的具有较大的固定死区时间Td的控制方式工作波形图。

附图3为本发明的实施例二中上半桥开关管Q1对应的检测电路的电路图。

附图4为本发明的实施例二中下半桥开关管Q1对应的检测电路的电路图。

附图5为本发明的实施例二中自动调节死区时间Ta的工作波形图。

附图6为本发明的实施例二中阈值检测电路失效的情况下而采用固定死区时间Tf的工作波形图。

具体实施方式

下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步描述。

实施例一：桥式变换器中包括一个或多个半桥，即可以包括一个半桥或两个半桥组成全桥或三个半桥组成三相桥，每一个半桥中，又包括两个开关管（例如MOSFET管）。针对每一个半桥，其中每个开关管均具有对应的PWM信号，从而基于各开关管对应的PWM信号产生控制信号来控制对应的开关管。

以下以一个半桥为例，如附图1所示，该半桥中包括两个开关管，分别为上半桥开关管Q1和下半桥开关管Q2，它们各自对应的占空比控制信号分别为PWM1和PWM2，PWM1和PWM2互补导通且占空比均为50%。从而，基于各开关管对应的PWM信号产生自调节死区时间的控制信号来驱动各开关管的通断。具体方如下：

采用的桥式变换器驱动死区自调节方法包括比较自调节法。比较自调节法为：将半桥中处于关断过程中的一个开关管作为采样对象，将半桥中的另一个开关管作为被控对象。在采样对象对应的PWM信号变为低电平、被控对象对应的PWM信号变为高电平后，采样对象对应的控制信号变为低电平，并对采样对象的源漏极电压和门极电压进行采样和比较，若采样到的采样对象的源漏极电压高于预设的源漏极电压设定值或采样到的采样对象的门极电压低于预设的门极电压设定值，则判断采样对象已经关断，被控对象对应的控制信号变为高电平而驱动被控对象开通，由采样对象开始关断至已经关断之间的时间构成死区时间。

具体为：设当前状态为上半桥开关管Q1为开通状态，下半桥开关管Q2为关断状态，则接下来，PWM1将由高电平变为低电平，PWM2将由低电平变为高电平，即上半桥开关管Q1即将进入关断过程，而下半桥开关管Q2即将开通。因此，在一次开关管的状态变换过程中，将上半桥开关管Q1作为采样对象，而下半桥开关管Q2则作为被控对象。当上半桥开关管Q1对应的PWM1信号变为低电平、下半桥开关管Q2对应的PWM2信号变为高电平后，令上半桥开关管Q1对应的控制信号Lock1立即变为低电平，此时上半桥开关管Q1进入关断过程，下半桥开关管Q2此时仍保持关断状态。接着，关断过程中的上半桥开关管Q1的门极电压Vgs降低、源漏极电压Vds升高。此时，对作为采样对象的上半桥开关管Q1的门极电压Vgs、源漏极电压Vds分别采样，并分别与预设的源漏极电压设定值Vgs(th)、门极电压设定值Vds(th)进行比较。当上半桥开关管Q1的门极电压Vgs低于门极电压设定值Vgs(th)或上半桥开关管Q1的源漏极电压Vds高于源漏极电压设定值Vgs(th)时，认为上半桥开关管Q1已经关断，此时将下半桥开关管Q2对应的控制信号Lock2变为高电平，使得下半桥开关管Q2开始开通。在上述过程中，上半桥开关管Q1开始关断至已经关断之间的时间即构成死区时间Ta，该死区时间Ta可以自调节。上半桥开关管Q1即将开通，下半桥开关管Q2即将关断的过程与前述过程类似。

进一步的，可以将采样到的采样对象的源漏极电压Vds放大K1倍，将采样到的采样对象的门极电压Vgs放大K2倍，并采用取值相同的源漏极电压设定值Vgs(th)和门极电压设定值Vds(th)分别与放大K1倍后的源漏极电压、放大K2倍后的门极电压进行比较，源漏极电压设定值Vgs(th)和门极电压设定值Vds(th)均取Vref，比例放大系数K1、K2可以通过采样电路灵活调节。

上述桥式变换器驱动死区自调节方法包括的比较自调节法可以通过桥式变换器驱动死区自调节装置来实现。该桥式变换器驱动死区自调节装置包括分别对应控制半桥中的两个开关管的两个检测电路。基于此，对于任意一个检测电路，定义其所控制的开关管为被控开关管，而另一个开关管为采样开关管，例如，对于上半桥开关管Q1对应的检测电路，上半桥开关管Q1即是其被控开关管，而下半桥开关管Q2是其采样开关管，从而上半桥开关管Q1对应的检测电路根据下半桥开关管Q2的状态来控制上半桥开关管Q1；对于下半桥开关管Q2对应的检测电路，下半桥开关管Q2即是其被控开关管，而上半桥开关管Q1是其采样开关管，从而下半桥开关管Q2对应的检测电路根据上半桥开关管Q1的状态来控制下半桥开关管Q2。

每个检测电路均包括阈值比较电路和与门。阈值比较电路用于将采样到的采样开关管的源漏极电压和门极电压进行比较，从而基于比较结果输出使能信号。即，当采样开关管的源漏极电压Vds高于预设的源漏极电压设定值Vds(th)，或者，采样到的采样开关管的门极电压Vgs低于预设的门极电压设定值Vgs(th)时，阈值比较电路输出高电平的使能信号，否则阈值比较电路输出低电平的使能信号。例如，上半桥开关管Q1对应的检测电路中的阈值比较电路，其将采样到的采样开关管，即下半桥开关管Q2的源漏极电压与预设的源漏极电压设定值进行比较，将下半桥开关管Q2的门极电压与预设的门极电压设定值进行比较，当下半桥开关管Q2的源漏极电压高于源漏极电压设定值或下半桥开关管Q2门极电压低于门极电压设定值时，阈值比较电路就输出高电平的使能信号，下半桥开关管Q2源漏极电压和门极电压均不满足上述条件时，阈值比较电路输出低电平的使能信号。对于下半桥开关管Q2对应的检测电路中的阈值比较电路，其将采样到的采样开关管，即上半桥开关管Q1的源漏极电压与预设的源漏极电压设定值进行比较，将上半桥开关管Q1的门极电压与预设的门极电压设定值进行比较，当上半桥开关管Q1的源漏极电压高于源漏极电压设定值或上半桥开关管Q1门极电压低于门极电压设定值时，阈值比较电路就输出高电平的使能信号，上半桥开关管Q1源漏极电压和门极电压均不满足上述条件时，阈值比较电路输出低电平的使能信号。

与门的两个输入端的输入信号分别为对应阈值比较电路输出的使能信号和被控开关管对应的PWM信号，而与门的输出端所输出的信号为被控开关管的控制信号。上半桥开关管Q1对应的检测电路中所包括的与门，其输入信号分别为对应阈值比较电路中基于下半桥开关管Q2而产生的使能信号、上半桥开关管Q1对应的PWM1信号，其输出则为用于控制上半桥开关管Q1的控制信号Lock1。下半桥开关管Q2对应的检测电路中所包括的与门，其输入信号分别为对应阈值比较电路中基于上半桥开关管Q1而产生的使能信号、下半桥开关管Q2对应的PWM2信号，其输出则为用于控制下半桥开关管Q2的控制信号Lock2。

阈值比较电路包括第一比较器和第二比较器，第一比较器用于比较采样开关管的源漏极电压Vds与预设的源漏极电压设定值Vds(th)，第二比较器用于比较采样开关管的门极电压Vgs与预设的门极电压设定值Vgs(th)。当阈值比较电路包括第一比较器和第二比较器时，检测电路还包括或门，第一比较器的输出和第二比较器的输出均连接至或门的输入端，且或门的输出端与与门相连接。

阈值比较电路还可以包括第一放大器和第二放大器，该第一放大器和第二放大器一般在同时包括第一比较器和第二比较器的阈值比较电路中同时设置。第一放大器用于将采样到的采样开关管的源漏极电压Vds放大K1倍并输出，第二放大器用于将采样到的采样开关管的门极电压Vgs放大K2倍并输出。第一放大器的输出端与第一比较器的正输入端相连接，第二放大器的输出端与第二比较器的负输入端相连接，通过设置合理的K1、K2值，可以使源漏极电压设定值Vds(th)和门极电压设定值Vgs(th)取相同的取值，则取值相同的源漏极电压设定值Vds(th)和门极电压设定值Vgs(th)，即Vref分别接入第一比较器的负输入端和第二比较器的正输入端。

以下以上半桥开关管Q1所对应的检测电路为例说明其工作过程：下半桥开关管Q2的源漏极电压Vds输入阈值比较电路中，经第一放大器放大K1倍后送入第一比较器，下半桥开关管Q2的门极电压Vgs输入阈值比较电路中，经第二放大器放大K2倍后送入第二比较器。第一比较器用于比较放大K1倍后的下半桥开关管Q2的源漏极电压Vds与源漏极电压设定值Vds(th)，第二比较器用于比较放大K2倍后的下半桥开关管Q2的门极电压Vgs与门极电压设定值Vgs(th)。当放大K1倍后的下半桥开关管Q2的源漏极电压Vds高于源漏极电压设定值Vds(th)或者放大K2倍后的下半桥开关管Q2的门极电压Vgs低于门极电压设定值Vgs(th)时，对应的第一比较器或第二比较器输出高电平，经或门后输出高电平的使能信号，否则经或门后输出低电平的使能信号。使能信号和上半桥开关管Q1的PWM1信号共同送入与门，从而输出上半桥开关管Q1的控制信号Lock1，该控制信号Lock1再经对应驱动电路后形成上半桥开关管Q1的栅极驱动信号Vgs1并给到上半桥开关管Q1的栅极。下半桥开关管Q2对应的检测电路的工作过程与上述过程类似。

则基于上述检测电路，设当前状态为上半桥开关管Q1为开通状态，下半桥开关管Q2为关断状态，则接下来，PWM1将由高电平变为低电平，PWM2将由低电平变为高电平，即上半桥开关管Q1即将进入关断过程，而下半桥开关管Q2即将开通。在该即将进行的变换过程中，上半桥开关管Q1成为采样对象，而下半桥开关管Q2则成为被控对象。当上半桥开关管Q1对应的PWM1信号变为低电平同时下半桥开关管Q2对应的PWM2信号变为高电平，此时，对于上半桥开关管Q1及其对应检测电路而言，由于其采样开关管——下半桥开关管Q2处于关断状态，其满足源漏极电压Vds高于源漏极电压设定值Vds(th)或者门极电压Vgs低于门极电压设定值Vgs(th)的条件，因此上半桥开关管Q1对应检测电路中，阈值比较电路输出高电平的使能信号，则经过与门后，输出的上半桥开关管Q1的控制信号Lock1立即变为低电平，上半桥开关管Q1开始关断；而对于下半桥开关管Q2及其对应检测电路而言，由于其采样开关管——上半桥开关管Q1首先处于开通状态，不满足判断条件，故其阈值比较电路输出低电平的使能信号，使得经过与门后输出的下半桥开关管Q2对应的控制信号Lock2暂不变为高电平。随着上半桥开关管Q1的关断进程，上半桥开关管Q1的门极电压Vgs逐渐降低、源漏极电压Vds逐渐升高，对于下半桥开关管Q2及其对应检测电路，一旦其采样开关管——上半桥开关管Q1的门极电压Vgs低于门极电压设定值Vgs(th)或源漏极电压Vds高于源漏极电压设定值Vgs(th)，其阈值比较电路随即输出高电平的使能信号，和PWM2信号经过与门后输出的下半桥开关管Q2的控制信号Lock2即变为高电平，下半桥开关管Q2开始开通。可见，控制信号Lock2变为高电平较PWM2信号变为高电平、PWM1信号变为低电平、上半桥开关管Q1关断延迟了一段时间，这段时间即为死区时间Ta。通过电路的设置，可以调节该死区时间Ta。

实施例二：一种桥式变换器驱动死区自调节方法，在实施例一所述的比较自调节法的基础上，增加定时控制法，当比较自调节法失效时，即可采用定时控制法。定时控制法为：当比较自调节法失效时，在一次变换过程中，若采样对象对应的PWM信号变为低电平、被控对象对应的PWM信号变为高电平，则采样对象对应的控制信号变为低电平，且经过设定的裕度满足需求的固定死区时间Tf后，被控对象对应的控制信号变为高电平而驱动被控对象开通。

例如，设当前状态为上半桥开关管Q1为开通状态，下半桥开关管Q2为关断状态，则接下来，PWM1将由高电平变为低电平，PWM2将由低电平变为高电平，即上半桥开关管Q1即将进入关断过程，而下半桥开关管Q2即将开通。因此，在这次开关管的状态变换过程中，将上半桥开关管Q1作为采样对象，而下半桥开关管Q2则作为被控对象。当上半桥开关管Q1对应的PWM1信号变为低电平、下半桥开关管Q2对应的PWM2信号变为高电平，且比较自调节法失效的情况下，采样对象——上半桥开关管Q1对应的控制信号Lock1立即变为低电平，再经过固定死区时间Tf后，被控对象——下半桥开关管Q2对应控制信号Lock2再变为高电平。

上述固定死区时间可以通过对电容充电而设定，即电容的电压由0充到设定的基准电压之间的时间构成固定死区时间Tf。

实现该桥式变换器驱动死区自调节方法的装置，包括分别对应控制半桥中的两个开关管的两个检测电路。同样，对任意一个检测电路，定义其所控制的开关管为被控开关管，而另一个开关管为采样开关管。

每个检测电路包括阈值比较电路、定时电路、干路或门和干路与门。

阈值比较电路的电路结构与实施例一中相同，这里不再赘述。不同在于，将阈值比较电路输出的使能信号命名为第一类使能信号。

定时电路用于基于被控开关管对应的PWM信号和预设的固定死区时间而输出第二类使能信号。即当被控开关管对应的PWM信号变为高电平，且经过固定死区时间后，定时电路输出高电平的第二类使能信号；当被控开关管对应的PWM信号变为低电平时，定时电路输出低电平的第二类使能信号。

干路或门即设置在装置干路上的或门，干路或门的输入端分别与阈值比较电路的输出端和定时电路的输出端相连接，干路或门的输出端输出总使能信号。

干路与门即设置在装置干路上的与门，其输入分别为干路或门输出的总使能信号和被控开关管对应的PWM信号，干路与门的输出为被控开关管的控制信号。本实施例中的干路与门实际上相当于实施例一中的与门，区别在于实施例一中的与门输入的一路信号为阈值比较电路输出的使能信号，而本实施例中的干路与门输入的一路信号为基于阈值比较电路和定时电路而输出的总使能信号。

定时电路包括倒相器、支路与门、充放电单元、支路比较器。支路与门的一个输入为被控开关管对应的PWM信号，之路与门的另一个输入为采样开关管对应的PWM信号经倒相器后输出的倒相信号，支路与门的输出端与充放电单元相连接，支路比较器用于比较充放电单元中的充电电压与预设的基准电压并输出第二类使能信号，当充放电单元中的充电电压达到基准电压时，支路比较器输出高电平的第二类使能信号，否则支路比较器输出低电平的第二类使能信号。充放电单元包括电阻R、电容C和二极管D，电阻R的一端与支路与门的输出端相连接，电阻R的另一端分为两路，分别连接至支路比较器的一个输入端和经电容C后接地，支路比较器的另一输入端经用于提供基准电压Vref的电源后接地，二极管D并联在电阻的两端，其正极连接在电容C所在一侧，负极连接在支路与门所在一侧。

基于以上方案，上半桥开关管Q1对应的检测电路如附图3所示，下半桥开关管Q2对应的检测电路如附图4所示。

在附图3中，阈值比较电路与实施例一中相同，定时电路中，该检测电路的被控开关管——上半桥开关管Q1对应的PWM1信号直接输入到支路与门中，该检测电路的采样开关管——下半桥开关管Q2对应的PWM2信号经倒相器后形成倒相信号再输入到支路与门中。支路与门的输出再连接充当点单元和支路比较器后，由支路比较器的输出构成定时电路的输出。则阈值比较电路的输出和定时电路的输出共同送入干路或门后再连接至干路与门。

在附图4的下半桥开关管Q2对应的检测电路的定时电路中，该检测电路的被控开关管——下半桥开关管Q2对应的PWM2信号直接输入到支路与门中，该检测电路的采样开关管——上半桥开关管Q1对应的PWM1信号经倒相器后形成倒相信号再输入到支路与门中。支路与门的输出再连接充当点单元和支路比较器后，由支路比较器的输出构成定时电路的输出。则阈值比较电路的输出和定时电路的输出共同送入干路或门后再连接至干路与门。

在附图3所示的上半桥开关管Q1对应的检测电路中，正常情况下，阈值比较电路正常工作，工作过程与实施例一相同，工作波形如附图5所示。当阈值比较电路失效时，定时电路发挥作用：设当前状态为下半桥Q2开关管为开通状态，上半桥开关管Q1为关断状态，则接下来下半桥开关管Q2对应的PWM2信号将变为低电平，上半桥开关管Q1对应的PWM1信号将变为高电平。以上半桥开关管Q1及其对应的检测电路为例，当PWM1信号变为高电平后，支路与门输出高电平信号，从而通过电阻R对电容C充电。当电容C的电压充到基准电压Vref时，认为下半桥开关管Q2已经完成关断，此时可以强制解除死区封锁，将上半桥开关管Q1对应的控制信号Lock1变为高电平而驱动上半桥开关管Q1开通。则在电路中，支路比较器输出高电平，使得干路或门输出高电平的总使能信号，总使能信号与PWM1信号共同经过干路与门后输出的控制信号Lock1变为高电平。而当PWM1信号变为低电平后，上半桥开关管Q1对应的定时电路中，电容C通过二极管D立即放电，定时电路输出变低，不影响上半桥开关管Q1关断。阈值检测电路失效、定时电路工作而具有固定死区时间Tf时的工作波形如附图6所示。

通过增设上述定时电路，可以防止意外情况检测失效，进而抑制封锁驱动，导致电路无法正常工作的情况发生。即使在特定的情况下自动调节死区检测电路失效，变换器仍然可以正常工作。通过电阻和电容的参数设计适配Vref，很容易实现固定的死区时间Tf。

本发明的桥式变换器驱动死区自调节方法和装置适用于需要使用桥式电路的电力电子设备，如开关电源、变频器、逆变器、电动汽车充电桩等。通过本发明的方案，可以通过检测电路很好地调节死区，达到最小化死区时间的效果。

在上述方案的基础上，还可以根据实际的应用，将开关管的开通延迟时间Tr作为补偿加入检测电路，让检测电路输出的信号能提前翻转，尽可能的减小死区时间，甚至可以达到无死区的实际效果，也就是实现桥式电路开关管驱动占空比为50%。具体为，利用开关管的开通延迟时间Tr补偿死区时间Ta，令补偿后的死区时间=死区时间Ta-开关管的开通延迟时间Tr，则当采样对象对应的控制信号变为低电平并经过补偿后的死区时间后，令被控对象对应的控制信号变为高电平而驱动被控对象开通。对于固定死区时间Tf也可以利用开关管的开通延迟时间Tr进行补偿。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种桥式变换器驱动死区自调节方法，应用于包括由两个开关管构成的半桥的桥式变换器中，用于基于各所述开关管对应的PWM信号产生自调节死区时间的控制信号来驱动各所述开关管的通断，其特征在于：所述桥式变换器驱动死区自调节方法包括比较自调节法，所述比较自调节法为：将所述半桥中处于关断过程中的一个所述开关管作为采样对象，将所述半桥中的另一个所述开关管作为被控对象；在所述采样对象对应的所述PWM信号变为低电平、所述被控对象对应的所述PWM信号变为高电平后，所述采样对象对应的所述控制信号变为低电平，并对所述采样对象的源漏极电压和门极电压进行采样和比较，若采样到的所述采样对象的源漏极电压高于预设的源漏极电压设定值或采样到的所述采样对象的门极电压低于预设的门极电压设定值，则判断所述采样对象已经关断，所述被控对象对应的所述控制信号变为高电平而驱动所述被控对象开通，由所述采样对象开始关断至已经关断之间的时间构成所述死区时间。

2.根据权利要求1所述的桥式变换器驱动死区自调节方法，其特征在于：所述桥式变换器驱动死区自调节方法还包括定时控制法，所述定时控制法为：当所述比较自调节法失效时，若所述采样对象对应的所述PWM信号变为低电平、所述被控对象对应的所述PWM信号变为高电平，所述采样对象对应的所述控制信号变为低电平，且经过设定的裕度满足需求的固定死区时间后，所述被控对象对应的所述控制信号变为高电平而驱动所述被控对象开通。

3.根据权利要求2所述的桥式变换器驱动死区自调节方法，其特征在于：通过对电容充电而设定所述固定死区时间，所述电容的电压由0充到设定的基准电压之间的时间构成所述固定死区时间。

4.根据权利要求1所述的桥式变换器驱动死区自调节方法，其特征在于：利用所述开关管的开通延迟时间补偿所述死区时间，令补偿后的死区时间=所述死区时间-所述开关管的开通延迟时间，当所述采样对象对应的所述控制信号变为低电平并经过所述补偿后的死区时间后，令所述被控对象对应的所述控制信号变为高电平而驱动所述被控对象开通。

5.一种桥式变换器驱动死区自调节装置，用于实现如权利要求1所述的桥式变换器驱动死区自调节方法，其特征在于：所述桥式变换器驱动死区自调节装置包括分别对应控制所述半桥中的两个所述开关管的两个检测电路，对任意一个所述检测电路，定义其所控制的所述开关管为被控开关管，而另一个所述开关管为采样开关管；

所述检测电路包括：

阈值比较电路，所述阈值比较电路用于将采样到的所述采样开关管的源漏极电压和门极电压进行比较，从而基于比较结果输出使能信号；当所述采样开关管的源漏极电压高于预设的源漏极电压设定值或采样到的所述采样开关管的门极电压低于预设的门极电压设定值时，所述阈值比较电路输出高电平的所述使能信号，否则所述阈值比较电路输出低电平的所述使能信号；

与门，所述与门的输入分别为所述阈值比较电路输出的所述使能信号和所述被控开关管对应的PWM信号，所述与门的输出为所述被控开关管的控制信号。

6.根据权利要求5所述的桥式变换器驱动死区自调节检测电路，其特征在于：所述阈值比较电路包括用于比较所述采样开关管的源漏极电压与预设的源漏极电压设定值的第一比较器，和，用于比较所述采样开关管的门极电压与预设的门极电压设定值的第二比较器；所述检测电路还包括或门，所述第一比较器的输出和所述第二比较器的输出均连接至所述或门的输入端，且所述或门的输出端与所述与门相连接。

7.根据权利要求6所述的桥式变换器驱动死区自调节检测电路，其特征在于：所述阈值比较电路还包括用于将采样到的所述采样开关管的源漏极电压放大K1倍的第一放大器，和，用于将采样到的所述采样开关管的门极电压放大K2倍的第二放大器，所述第一放大器的输出端与所述第一比较器的输入端相连接，所述第二放大器的输出端与所述第二比较器的输入端相连接，取值相同的所述源漏极电压设定值和所述门极电压设定值分别接入所述第一比较器和所述第二比较器的输入端。

8.一种桥式变换器驱动死区自调节装置，用于实现如权利要求3所述的桥式变换器驱动死区自调节方法，其特征在于：所述桥式变换器驱动死区自调节装置包括分别对应控制所述半桥中的两个所述开关管的两个检测电路，对任意一个所述检测电路，定义其所控制的所述开关管为被控开关管，而另一个所述开关管为采样开关管；

所述检测电路包括：

阈值比较电路，所述阈值比较电路用于将采样到的所述采样开关管的源漏极电压和门极电压进行比较，从而基于比较结果输出第一类使能信号；当所述采样开关管的源漏极电压高于预设的源漏极电压设定值或采样到的所述采样开关管的门极电压低于预设的门极电压设定值时，所述阈值比较电路输出高电平的所述第一类使能信号，否则所述阈值比较电路输出低电平的所述第一类使能信号；

定时电路，所述定时电路用于基于所述被控开关管对应的所述PWM信号和预设的固定死区时间而输出第二类使能信号；当所述被控开关管对应的所述PWM信号变为高电平，且经过所述固定死区时间后，所述定时电路输出高电平的所述第二类使能信号；当所述被控开关管对应的所述PWM信号变为低电平时，所述定时电路输出低电平的所述第二类使能信号；

干路或门，所述干路或门的输入端分别与所述阈值比较电路的输出端和所述定时电路的输出端相连接，所述干路或门的输出端输出总使能信号；

干路与门，所述干路与门的输入分别为所述干路或门输出的所述总使能信号和所述被控开关管对应的PWM信号，所述干路与门的输出为所述被控开关管的控制信号。

9.根据权利要求8所述的桥式变换器驱动死区自调节装置，其特征在于：所述定时电路包括倒相器、支路与门、充放电单元、支路比较器，所述支路与门的一个输入为所述被控开关管对应的所述PWM信号，所述之路与门的另一个输入为所述采样开关管对应的所述PWM信号经所述倒相器后输出的倒相信号，所述支路与门的输出端与所述充放电单元相连接，所述支路比较器用于比较所述充放电单元中的充电电压与预设的基准电压并输出所述第二类使能信号，当所述充放电单元中的充电电压达到所述基准电压时，所述支路比较器输出高电平的所述第二类使能信号，否则所述支路比较器输出低电平的所述第二类使能信号。

10.根据权利要求9所述的桥式变换器驱动死区自调节装置，其特征在于：所述充放电单元包括电阻、电容和二极管，所述电阻的一端与所述支路与门的输出端相连接，所述电阻的另一端分别连接至所述支路比较器的一个输入端和经所述电容后接地，所述支路比较器的另一输入端经用于提供所述基准电压的电源后接地，所述二极管并联在所述电阻的两端。

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