CN114844333A - 半桥拓扑电路及其控制方法 - Google Patents

Abstract

提供了半桥拓扑电路及其控制方法。半桥拓扑电路包括上功率开关、下功率开关、微控制器、自举驱动芯片、及自举电容，其中，自举电容在上功率开关处于关断状态且下功率开关处于导通状态时充电，微控制器被配置为向自举驱动芯片提供用于控制上功率开关的导通与关断的第一低压控制信号和用于控制下功率开关的导通与关断的第二低压控制信号，自举驱动芯片被配置为基于第一低压控制信号向上功率开关提供第一高压驱动信号并且基于第二低压控制信号向下功率开关提供第二高压驱动信号，其中，微控制器还被配置为在自举驱动芯片进入高压侧工作状态之前，通过控制第一和第二低压控制信号在高电平和低电平之间切换，控制自举电容采用分段充电的方式充满。

Description

半桥拓扑电路及其控制方法

技术领域

本发明涉及电路领域，尤其涉及一种半桥拓扑电路及其控制方法。

背景技术

自举驱动芯片又称为高压栅极驱动芯片(HVIC)，常被用来实现半桥拓扑电路中的功率开关的隔离驱动，具有简单、高性价比等特点，在电机或逆变器等产品中有很多应用。

发明内容

根据本发明实施例的半桥拓扑电路，包括上功率开关、下功率开关、微控制器、自举驱动芯片、以及自举电容，其中，自举电容用于为自举驱动芯片的高压侧驱动供电并且在上功率开关处于关断状态且下功率开关处于导通状态时充电，并且其中：微控制器被配置为向自举驱动芯片提供用于控制上功率开关的导通与关断的第一低压控制信号、以及用于控制下功率开关的导通与关断的第二低压控制信号，自举驱动芯片被配置为基于第一低压控制信号向上功率开关提供第一高压驱动信号并且基于第二低压控制信号向下功率开关提供第二高压驱动信号，其中，微控制器进一步被配置为在自举驱动芯片进入高压侧工作状态之前，通过控制第一低压控制信号和第二低压控制信号在高电平和低电平之间切换，控制自举电容采用分段充电的方式充满。

根据本发明实施例的用于半桥拓扑电路的控制方法，该半桥拓扑电路包括上功率开关、下功率开关、自举驱动芯片、以及自举电容，其中，自举电容用于为自举驱动芯片的高压侧驱动供电并且在上功率开关处于关断状态且下功率开关处于导通状态时充电，该控制方法包括：向自举驱动芯片提供用于控制上功率开关的导通与关断的第一低压控制信号、以及用于控制下功率开关的导通与关断的第二低压控制信号，以使自举驱动芯片基于第一低压控制信号向上功率开关提供第一高压驱动信号并且基于第二低压控制信号向下功率开关提供第二高压驱动信号；在自举驱动芯片进入高压侧工作状态之前，通过控制第一低压控制信号和第二低压控制信号在高电平和低电平之间切换，控制自举电容采用分段充电的方式充满。

附图说明

从下面结合附图对本发明的具体实施方式的描述中可以更好地理解本发明，其中：

图1示出了根据本发明实施例的半桥拓扑电路的示例电路原理图。

图2示出了图1所示的自举驱动芯片的LIN和LO引脚处的电压以及VB引脚与VS引脚之间的电压差值的波形图。

图3示出了图1所示的自举驱动芯片的示例功能框图。

图4示出了图3所示的自举驱动芯片中与上功率开关有关的多个信号的波形图。

图5-6示出了图3所示的自举驱动芯片中与发生臂桥直通有关的多个信号的波形图。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本发明的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说很明显的是，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明的更好的理解。本发明决不限于下面所提出的任何具体配置和算法，而是在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了元素、部件和算法的任何修改、替换和改进。在附图和下面的描述中，没有示出公知的结构和技术，以便避免对本发明造成不必要的模糊。

图1示出了根据本发明实施例的半桥拓扑电路100的示例电路原理图。如图1所示，半桥拓扑电路100包括用于半桥的上桥臂的上功率开关101、用于半桥的下桥臂的下功率开关102、微控制器(MCU)103、自举驱动芯片104、以及自举电容105，其中：自举电容105用于为自举驱动芯片104的高压侧驱动供电并且在上功率开关101处于关断状态且下功率开关102处于导通状态时充电；MCU 103被配置为向自举驱动芯片104提供用于控制上功率开关101的导通与关断的第一低压控制信号HIN、以及用于控制下功率开关102的导通与关断的第二低压控制信号LIN；自举驱动芯片104被配置为基于第一低压控制信号HIN向上功率开关101提供第一高压驱动信号HO并基于第二低压控制信号LIN向下功率开关102提供第二高压驱动信号LO。这里，作为示例，半桥拓扑电路100的系统供电电压为310V，MCU 103的芯片供电电压为5V，自举驱动芯片104的芯片供电电压VCC为15V。

在图1所示的半桥拓扑电路100中，自举驱动芯片104经由HIN引脚接收来自MCU103的第一低压控制信号HIN，将第一低压控制信号HIN转化为第一高压驱动信号HO，并经由HO引脚将第一高压驱动信号HO提供给上功率开关101；类似地，自举驱动芯片104经由LIN引脚接收来自MCU 103的第二低压控制信号LIN，将第二低压控制信号LIN转化为第二高压驱动信号LO，并经由LO引脚将第二高压驱动信号LO提供给下功率开关102。

在图1所示的半桥拓扑电路100中，当第一低压控制信号HIN处于高电平时，第一高压驱动信号HO处于高电平，上功率开关101处于导通状态；当第二低压控制信号LIN处于高电平时，第二高压驱动信号LO处于高电平，下功率开关101处于导通状态。相应地，当第一低压控制信号HIN处于低电平时，第一高压驱动信号HO处于低电平，上功率开关101处于关断状态；当第二低压控制信号LIN处于低电平时，第二高压驱动信号LO处于低电平，下功率开关101处于关断状态。

在图1所示的半桥拓扑电路100中，当上功率开关101处于关断状态且下功率开关102处于导通状态时，自举驱动芯片104的VS引脚接地、HO引脚处的对地电压为15V；当上功率开关101处于导通状态且下功率开关102处于关断状态时，自举驱动芯片104的VS引脚处的电压为310V、HO引脚处的对地电压为310V+15V＝325V。

在图1所示的半桥拓扑电路100中，由于自举驱动芯片104的VB引脚、HO引脚、以及VS引脚处的电压由自举电容103提供，所以在半桥拓扑电路100进入高压侧工作状态之前，需要先给自举电容103充电。

图1中带箭头的加粗线示出了半桥拓扑电路100中用于自举电容105的充电回路的示意图。如图1所示，当上功率开关101处于关断状态且下功率开关102处于导通状态时，自举驱动芯片101的芯片供电电压VCC经由自举二极管D为自举电容105充电，自举电容105充电结束时其两端的电压接近自举驱动芯片104的芯片供电电压VCC。

图2示出了图1所示的自举驱动芯片104的LIN引脚和LO引脚处的电压(即，第一低压控制信号LIN和第一高压驱动信号LO)以及VB引脚与VS引脚之间的电压差值(即，自举电容105两端的电压差值)的波形图。需要说明的是，当自举电容103的电容值较大或者充电电流较小时，自举电容103两端的电压的上升时间会变长。

在图1所示的半桥拓扑电路100中，最大的风险是上、下桥臂同时导通将电源和地短路(称为桥臂直通)，因为桥臂直通发生时产生的瞬间大电流可能会损坏用于上、下桥臂的上、下功率开关101和102。但是，在实际应用中，即使自举驱动芯片104中集成有防直通逻辑，由于印刷电路板(PCB)布线、供电电源、以及各种器件的分布偏差等原因，仍有可能发生桥臂直通。

考虑到上述问题，在图1所示的半桥拓扑电路100中，MCU 103进一步被配置为在自举驱动芯片104进入高压侧工作状态之前，通过控制第一低压控制信号HIN和第二低压控制信号LIN在高电平和低电平之间切换，控制自举电容105采用分段充电的方式充满。这样，可以避免自举驱动芯片104或其外围器件偏差导致桥臂直通的发生。

图3示出了图1所示的自举驱动芯片104的示例功能框图。下面结合图3，详细说明桥臂直通发生的情况以及为了避免桥臂直通的发生可以采取的用于半桥拓扑电路100的控制方法。

如图3所示，自举驱动芯片101采用电平移位的方式来将低压控制信号转化为高压驱动信号，并且包括防直通逻辑201、逻辑与门202、脉冲发生器203、高压功率开关204-1和204-2、以及高压阱205，其中：防直通逻辑201基于第一低压控制信号HIN和第二低压控制信号LIN生成防直通控制信号(图中未示出)；逻辑与门202基于第一低压控制信号HIN和防直通控制信号生成第一输出控制信号(图中未示出)；脉冲发生器203将第一输出控制信号的有效电平的上升沿和下降沿转化成脉冲信号Set、Reset；脉冲信号Set、Reset控制高压功率开关204-1和204-2产生脉冲信号Sin、Rin；高压阱204内的RS触发器根据脉冲信号Sin、Rin生成触发器输出信号Qo；触发器输出信号Qo控制输出级输出第一高压驱动信号HO。图4示出了图3所示的自举驱动芯片104中与上功率开关101有关的多个信号的波形图。

如图3所示，自举驱动芯片101还包括逻辑与门206和延迟匹配单元207，其中：逻辑与门206基于第二低压控制信号LIN和防直通控制信号生成第二输出控制信号(图中未示出)；延迟匹配单元207基于第二输出控制信号生成延迟输出控制信号(图中未示出)；延迟输出控制信号控制输出级输出第二高压驱动信号LO。

在图3所示的自举驱动芯片104中，从信号传输的角度看低压侧到高压侧是个单向信号传递的过程，在高压功率开关204-1产生不受控的脉冲信号Sin，使得触发器输出信号Qo处于高电平(即，使得第一高压驱动信号HO处于高电平，从而使得上功率开关101处于导通状态)的情况下，由于不受控的脉冲信号Sin没有被反向传回防直通逻辑201，所以当MCU103将第二低压控制信号LIN置于高电平从而控制第二高压驱动信号LO处于高电平(即，控制下功率开关105处于导通状态)时，就会发生桥臂直通。

具体地，在自举电容105的充电过程中，MCU 103控制第一高压驱动信号HO处于低电平并且控制第二高压驱动信号LO处于高电平，自举电容104两端的电压(VB-VS)增大，高压阱205内的电压逐渐升高，此过程中RS触发器尚未完全建立，RS触发器容易被异常的脉冲信号Sin触发，使第一高压驱动信号HO处于高电平，此时第一和第二高压驱动信号HO和LO同时处于高电平，即发生桥臂直通。图5示出了图3所示的自举驱动芯片104中与发生臂桥直通有关的多个信号的波形图。

为了避免半桥拓扑电路100中发生桥臂直通，MCU 103可以在自举驱动芯片104进入高压侧工作状态之前，通过控制第一低压控制信号HIN和第二低压控制信号LIN在高电平和低电平之间切换，控制自举电容105采用分段充电的方式充满。图6示出了图3所示的自举驱动芯片104中与发生壁桥直通有关的多个信号的波形图。结合图1、图3、及图6可知，MCU103可以通过以下处理控制自举电容105通过分段充电的方式充满：

步骤一，将第一低压控制信号HIN置于低电平并将第二低压控制信号LIN置于高电平(即，将第一高压驱动信号HO置于低电平并将第二高压驱动信号LO置于高电平，使上功率开关101处于关断状态并使下功率开关102处于导通状态)，以控制自举电容105充电到其两端的电压差值达到低于上功率开关101的导通电压的指定电压阈值(即，使得自举驱动芯片104的VB引脚和VS引脚之间的电压差值VB-VS升高到上功率开关101的导通电压以下)。

步骤二，将第一低压控制信号HIN置于高电平并将第二低压控制信号LIN置于低电平，将用于高压阱205内的RS触发器的S输入端的脉冲信号Sin清零，并主动产生脉冲信号Rin，此步骤有以下两方面作用：一是将RS触发器的S输入端主动清零，二是将RS触发器的输出端Qo清零，消除上功率开关101的异常导通。

步骤三，将第一低压控制信号HIN置于低电平并将第二低压控制信号LIN置于高电平，以控制自举电容105继续充电直到充满为止。

在一些实施例中，MCU 103可以通过将第一低压控制信号HIN置于低电平并将第二低压控制信号LIN置于高电平持续指定时间，控制自举电容105充电到其两端的电压差值达到指定电压阈值。这里，该指定时间可以是NCU 103基于自举电容105的电容值、上功率开关101的导通电压、以及用于自举电容105的充电电流确定的，也可以是通过手动测量在半桥拓扑电路101中自举电容105从开始充电到充满所需的充电时间确定的。

综上所述，在根据本发明实施例的半桥拓扑电路100中，通过控制自举驱动芯片104的工作时序，可以解决在自举电容105的充电过程中高压侧驱动不受控导致上功率开关101异常导通，从而导致外围半桥直通、损坏功率开关器件的问题，从而可以提高系统的稳定性和可靠性。

需要说明的是，根据本发明实施例的半桥拓扑电路100中的自举驱动芯片104的上述工作时序既适用于单片的自举驱动芯片，也适用于集成了自举驱动功能的芯片。另外，根据本发明实施例的半桥拓扑电路100可以是单独的半桥拓扑电路，也可以是多个并联的半桥拓扑电路之一。

本发明可以以其他的具体形式实现，而不脱离其精神和本质特征。例如，特定实施例中所描述的算法可以被修改，而系统体系结构并不脱离本发明的基本精神。因此，当前的实施例在所有方面都被看作是示例性的而非限定性的，本发明的范围由所附权利要求而非上述描述定义，并且，落入权利要求的含义和等同物的范围内的全部改变从而都被包括在本发明的范围之中。

Claims (10)

1.一种半桥拓扑电路，包括上功率开关、下功率开关、微控制器、自举驱动芯片、以及自举电容，其中，所述自举电容用于为所述自举驱动芯片的高压侧驱动供电并且在所述上功率开关处于关断状态且所述下功率开关处于导通状态时充电，并且其中：

所述微控制器被配置为向所述自举驱动芯片提供用于控制所述上功率开关的导通与关断的第一低压控制信号、以及用于控制所述下功率开关的导通与关断的第二低压控制信号，

所述自举驱动芯片被配置为基于所述第一低压控制信号向所述上功率开关提供第一高压驱动信号并基于所述第二低压控制信号向所述下功率开关提供第二高压驱动信号，其中

所述微控制器进一步被配置为在所述自举驱动芯片进入高压侧工作状态之前，通过控制所述第一低压控制信号和所述第二低压控制信号在高电平和低电平之间切换，控制所述自举电容采用分段充电的方式充满。

2.如权利要求1所述的半桥拓扑电路，其中，所述微控制器进一步被配置为通过以下处理控制所述自举电容采用分段充电的方式充满：

将所述第一低压控制信号置于低电平并将所述第二低压控制信号置于高电平，以控制所述自举电容充电到其两端的电压差值达到指定电压阈值，所述指定电压阈值低于所述上功率开关的导通电压；

将所述第一低压控制信号置于高电平并将所述第二低压控制信号置于低电平，以控制所述自举电容停止充电；以及

将所述第一低压控制信号置于低电平并将所述第二低压控制信号置于高电平，以控制所述自举电容继续充电直到充满。

3.如权利要求1所述的半桥拓扑电路，其中，所述微控制器进一步被配置为通过将所述第一低压控制信号置于低电平并将所述第二低压控制信号置于高电平持续指定时间，控制所述自举电容充电到其两端的电压差值达到所述指定电压阈值。

4.如权利要求3所述的半桥拓扑电路，其中，所述指定时间是所述微控制器基于所述自举电容的电容值、所述上功率开关的导通电压、以及用于所述自举电容的充电电流确定的。

5.如权利要求3所述的半桥拓扑电路，其中，所述指定时间是通过手动测量在所述半桥拓扑电路中所述自举电容从开始充电到充满所需的充电时间确定的。

6.如权利要求1所述的半桥拓扑电路，其中，所述自举驱动芯片进一步被配置为：

基于所述第一低压控制信号和所述第二低压控制信号，生成用于防止所述上功率开关和所述下功率开关同时处于导通状态的防直通控制信号；

基于所述第一低压控制信号和所述防直通控制信号，生成第一输出控制信号；

基于所述第一输出控制信号，生成输出设置信号和输出重置信号；以及

基于所述输出设置信号和所述输出重置信号，生成所述第一高压驱动信号。

7.如权利要求1所述的半桥拓扑电路，其中，所述自举驱动芯片进一步被配置为：

基于所述第一低压控制信号和所述第二低压控制信号，生成用于防止所述上功率开关和所述下功率开关同时处于导通状态的防直通控制信号；

基于所述第二低压控制信号和所述防直通控制信号，生成第二输出控制信号；以及

基于所述第二输出控制信号，生成所述第二高压驱动信号。

8.如权利要求6所述的半桥拓扑电路，其中，所述输出设置信号是基于所述第一输出控制信号的上升沿生成的脉冲信号，并且所述输出重置信号是基于所述第一输出控制信号的下降沿生成的脉冲信号。

9.一种用于半桥拓扑电路的控制方法，所述半桥拓扑电路包括上功率开关、下功率开关、自举驱动芯片、以及自举电容，其中，所述自举电容用于为所述自举驱动芯片的高压侧驱动供电并且在所述上功率开关处于关断状态且所述下功率开关处于导通状态时充电，所述控制方法包括：

向所述自举驱动芯片提供用于控制所述上功率开关的导通与关断的第一低压控制信号、以及用于控制所述下功率开关的导通与关断的第二低压控制信号，以使所述自举驱动芯片基于所述第一低压控制信号向所述上功率开关提供第一高压驱动信号并且基于所述第二低压控制信号向所述下功率开关提供第二高压驱动信号；

在所述自举驱动芯片进入高压侧工作状态之前，通过控制所述第一低压控制信号和所述第二低压控制信号在高电平和低电平之间切换，控制所述自举电容采用分段充电的方式充满。

10.如权利要求9所述的控制方法，其中，通过以下处理控制所述自举电容采用分段充电的方式充满：

将所述第一低压控制信号置于低电平并将所述第二低压控制信号置于高电平，以控制所述自举电容充电到其两端的电压差值达到指定电压阈值，所述指定电压阈值低于所述上功率开关的导通电压；

将所述第一低压控制信号置于高电平并将所述第二低压控制信号置于低电平，以控制所述自举电容停止充电；以及

将所述第一低压控制信号置于低电平并将所述第二低压控制信号置于高电平，以控制所述自举电容继续充电直到充满为止。

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