CN204835904U - 一种半桥驱动电路的电磁干扰与效率动态平衡装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种半桥驱动电路的电磁干扰与效率动态平衡装置，基于全新的电路设计架构，分别针对高侧功率器件和低侧功率器件，通过针对功率器件预设参数的检测，获得功率器件的平均功率，并根据该平均功率与预设比较阈值之间的比较，定义功率器件的工作模式，最后，通过驱动电路针对功率器件的工作模式进行切换，用以动态实现功率器件电磁干扰与效率的平衡。

Description

一种半桥驱动电路的电磁干扰与效率动态平衡装置

技术领域

本实用新型涉及用于一种半桥驱动电路的电磁干扰与效率动态平衡装置，属于半桥驱动和智能功率模块技术领域。

背景技术

驱动电路在马达、照明、电源等多个领域发挥着非常重要的作用，尤其是近年来由于节能意识和环保意识的增加，对于体积更小、可靠性更高、效率更优的驱动电路需求也在不断增加。

传统意义上，驱动电路用来驱动MOSFET与IGBT有多种拓扑结构，这其中以半桥拓扑结构最为简单，应用也更广泛。半桥拓扑结构主要包括了所述的栅极驱动电路，在功率电源和功率地之间串联连接的高侧功率器件和低侧功率器件。栅极驱动电路控制高低侧功率器件的开关状态以及开关速度。为了追求更高的效率，更低的功耗，高低侧功率器件被配置成以更快的DV/DT和DI/DT导通和关断，进而降低功率器件的开关损耗，尤其是对于工作频率较高的应用场景。但是更快的开关速度会带来负面的影响，一方面是系统的电磁干扰噪声会增加；另一方面由开关过程中对地或者信号的干扰会大大影响系统的稳定性和可靠性。如何更安全，更有效地在EMI和效率之间取得平衡变得越来越重要。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种半桥驱动电路的电磁干扰与效率动态平衡装置，分别针对高侧功率器件和低侧功率器件，能够通过实时检测，适时改变功率器件的工作模式，动态实现功率器件电磁干扰与效率的平衡。

本实用新型为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本实用新型设计了一种半桥驱动电路的电磁干扰与效率动态平衡装置，包括高侧电磁干扰与效率平衡装置和低侧电磁干扰与效率平衡装置，高侧电磁干扰与效率平衡装置用于平衡高侧功率器件的电磁干扰与效率，低侧电磁干扰与效率平衡装置用于平衡低侧功率器件的电磁干扰与效率；其中，高侧电磁干扰与效率平衡装置包括高侧采样电路、高侧模式设定电路和高侧驱动电路；高侧采样电路的输入端与高侧功率器件相连接，采集获得高侧功率器件的平均功率，并通过其输出端输送至高侧模式设定电路；高侧模式设定电路由其输入端接收高侧功率器件的平均功率，与预设比较阈值进行比较，根据预设高侧功率器件各个工作模式，定义高侧功率器件的工作模式，并通过其输出端发送至高侧驱动电路；高侧驱动电路的输出端与高侧功率器件相连接，高侧驱动电路通过其输入端接收所定义高侧功率器件的工作模式，并结合所接收的高侧输入信号，通过其输出端向高侧功率器件发送控制命令，控制高侧功率器件切换至所定义的工作模式；低侧电磁干扰与效率平衡装置包括低侧采样电路、低侧模式设定电路和低侧驱动电路；低侧采样电路的输入端与低侧功率器件相连接，采集获得低侧功率器件的平均功率，并通过其输出端输送至低侧模式设定电路；低侧模式设定电路由其输入端接收低侧功率器件的平均功率，与预设比较阈值进行比较，根据预设低侧功率器件各个工作模式，定义低侧功率器件的工作模式，并通过其输出端发送至低侧驱动电路；低侧驱动电路的输出端与低侧功率器件相连接，低侧驱动电路通过其输入端接收所定义低侧功率器件的工作模式，并结合所接收的低侧输入信号，通过其输出端向低侧功率器件发送控制命令，控制低侧功率器件切换至所定义的工作模式；高侧功率器件与半桥驱动电路功率电源的正极相连接，同时，高侧采样电路的采样基准参考点与低侧功率器件相连接作为半桥驱动电路的输出端；低侧采样电路的采样基准参考点与半桥驱动电路功率电源的负极相连接。

作为本实用新型的一种优选技术方案：所述高侧功率器件为高侧MOS管功率器件，所述低侧功率器件为低侧MOS管功率器件；其中，高侧电磁干扰与效率平衡装置中：高侧采样电路的输入端与高侧MOS管功率器件的源极相连接，采集获得高侧MOS管功率器件的平均功率，并通过其输出端输送至高侧模式设定电路；高侧模式设定电路由其输入端接收高侧MOS管功率器件的平均功率，与预设比较阈值进行比较，根据预设高侧MOS管功率器件各个工作模式，定义高侧MOS管功率器件的工作模式，并通过其输出端发送至高侧驱动电路；高侧驱动电路的输出端与高侧MOS管功率器件的栅极相连接，高侧驱动电路通过其输入端接收所定义高侧MOS管功率器件的工作模式，并结合所接收的高侧输入信号，通过其输出端向高侧MOS管功率器件发送控制命令，控制高侧MOS管功率器件切换至所定义的工作模式；低侧电磁干扰与效率平衡装置中：低侧采样电路的输入端与低侧MOS管功率器件的源极相连接，采集获得低侧MOS管功率器件的平均功率，并通过其输出端输送至低侧模式设定电路；低侧模式设定电路由其输入端接收低侧MOS管功率器件的平均功率，与预设比较阈值进行比较，根据预设低侧MOS管功率器件各个工作模式，定义低侧MOS管功率器件的工作模式，并通过其输出端发送至低侧驱动电路；低侧驱动电路的输出端与低侧MOS管功率器件的栅极相连接，低侧驱动电路通过其输入端接收所定义低侧MOS管功率器件的工作模式，并结合所接收的低侧输入信号，通过其输出端向低侧MOS管功率器件发送控制命令，控制低侧MOS管功率器件切换至所定义的工作模式；高侧MOS管功率器件的漏极与半桥驱动电路功率电源的正极相连接，同时，高侧采样电路的采样基准参考点与低侧MOS管功率器件的漏极相连接作为半桥驱动电路的输出端；低侧采样电路的采样基准参考点与半桥驱动电路功率电源的负极相连接。

作为本实用新型的一种优选技术方案：所述高侧采样电路结构与所述低侧采样电路结构相同，所述低侧采样电路包括电流采样电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5和电容C1，其中，电流采样电阻R1的一端作为低侧采样电路的输入端，与所述低侧MOS管功率器件的源极相连接；且电流采样电阻R1的该端与电阻R2的一端相连接，电阻R2的另一端分别与电阻R4的一端、电阻R3的一端、电阻R5的一端相连接；电阻R4的另一端连接电源；电阻R5的另一端作为低侧采样电路的输出端，且电阻R5的该端与电容C1的一端相连接，电容C1的另一端、电阻R3的另一端、电流采样电阻R1的另一端三者相连，并接地。

作为本实用新型的一种优选技术方案：所述采集获得高侧MOS管功率器件的平均功率和所述采集获得低侧MOS管功率器件的平均功率中，所述预设参数为电流量或者电压量。

本实用新型如上所述一种半桥驱动电路的电磁干扰与效率动态平衡装置，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本实用新型设计一种半桥驱动电路的电磁干扰与效率动态平衡装置，基于全新的电路设计架构，分别针对高侧MOS管功率器件和低侧MOS管功率器件，通过针对功率器件预设参数的检测，获得功率器件的平均功率，并根据该平均功率与预设比较阈值之间的比较，定义功率器件的工作模式，最后，通过驱动电路针对功率器件的工作模式进行切换，用以动态实现功率器件电磁干扰与效率的平衡。

附图说明

图1是本实用新型设计半桥驱动电路的电磁干扰与效率动态平衡装置的上位功能模块图；

图2是本实用新型设计半桥驱动电路的电磁干扰与效率动态平衡装置的功能模块图；

图3是本实用新型设计中低侧采样电路的实施例及工作波形图；

图4是本实用新型设计中低侧模式设定电路的示意图；

图5是本实用新型设计中低侧模式设定电路的工作示意图；

图6是本实用新型设计中低侧驱动电路的示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的说明。

如图1和图2所示，本实用新型所设计一种半桥驱动电路的电磁干扰(EMI)与效率动态平衡装置，在实际应用过程当中，包括高侧电磁干扰(EMI)与效率平衡装置和低侧电磁干扰(EMI)与效率平衡装置，高侧电磁干扰(EMI)与效率平衡装置用于平衡高侧MOS管功率器件M1的电磁干扰(EMI)与效率，低侧电磁干扰(EMI)与效率平衡装置用于平衡低侧MOS管功率器件M2的电磁干扰(EMI)与效率；其中，高侧电磁干扰(EMI)与效率平衡装置包括高侧采样电路、高侧模式设定电路和高侧驱动电路；高侧采样电路的输入端与高侧MOS管功率器件M1的源极相连接，采集获得高侧MOS管功率器件M1的平均功率，并通过其输出端输送至高侧模式设定电路；高侧模式设定电路由其输入端接收高侧MOS管功率器件M1的平均功率，与预设比较阈值进行比较，根据预设高侧MOS管功率器件M1各个工作模式，定义高侧MOS管功率器件M1的工作模式，并通过其输出端发送至高侧驱动电路；高侧驱动电路的输出端与高侧MOS管功率器件M1的栅极相连接，高侧驱动电路通过其输入端接收所定义高侧MOS管功率器件M1的工作模式，并结合所接收的高侧输入信号HIN，通过其输出端向高侧MOS管功率器件M1发送控制命令，控制高侧MOS管功率器件M1切换至所定义的工作模式；低侧电磁干扰(EMI)与效率平衡装置包括低侧采样电路、低侧模式设定电路和低侧驱动电路；低侧采样电路的输入端与低侧MOS管功率器件M2的源极相连接，采集获得低侧MOS管功率器件M2的平均功率，并通过其输出端输送至低侧模式设定电路；低侧模式设定电路由其输入端接收低侧MOS管功率器件M2的平均功率，与预设比较阈值进行比较，根据预设低侧MOS管功率器件M2各个工作模式，定义低侧MOS管功率器件M2的工作模式，并通过其输出端发送至低侧驱动电路；低侧驱动电路的输出端与低侧MOS管功率器件M2的栅极相连接，低侧驱动电路通过其输入端接收所定义低侧MOS管功率器件M2的工作模式，并结合所接收的低侧输入信号LIN，通过其输出端向低侧MOS管功率器件M2发送控制命令，控制低侧MOS管功率器件M2切换至所定义的工作模式；高侧MOS管功率器件M1的漏极与半桥驱动电路功率电源的正极HV+相连接，其中，所述高侧采样电路结构与所述低侧采样电路结构相同，如图3所示，所述低侧采样电路包括电流采样电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5和电容C1，其中，电流采样电阻R1的一端作为低侧采样电路的输入端，与所述低侧MOS管功率器件M2的源极相连接；且电流采样电阻R1的该端与电阻R2的一端相连接，电阻R2的另一端分别与电阻R4的一端、电阻R3的一端、电阻R5的一端相连接；电阻R4的另一端连接电源；电阻R5的另一端作为低侧采样电路的输出端，且电阻R5的该端与电容C1的一端相连接，电容C1的另一端、电阻R3的另一端、电流采样电阻R1的另一端三者相连，并接地；同时，高侧采样电路的采样基准参考点与低侧MOS管功率器件M2的漏极相连接作为半桥驱动电路的输出端；低侧采样电路的采样基准参考点与半桥驱动电路功率电源的负极HV-相连接。实际应用中，高侧采样电路和低侧采样电路可以是外置分立器件，也可以是集成在半桥驱动电路内；所述采集获得高侧MOS管功率器件M1的平均功率和所述采集获得低侧MOS管功率器件M2的平均功率中，所述预设参数为电流量或者电压量。

上述技术方案设计的半桥驱动电路的电磁干扰(EMI)与效率动态平衡装置，基于全新的电路设计架构，分别针对高侧MOS管功率器件M1和低侧MOS管功率器件M2，通过针对功率器件预设参数的检测，获得功率器件的平均功率，并根据该平均功率与预设比较阈值之间的比较，定义功率器件的工作模式，最后，通过驱动电路针对功率器件的工作模式进行切换，用以动态实现功率器件电磁干扰(EMI)与效率的平衡。

本实用新型所设计的半桥驱动电路的电磁干扰与效率动态平衡装置，在具体实施过程中，以低侧电磁干扰与效率平衡装置为例，其工作过程如下，低侧采样电路检测低侧MOS管功率器件M2的平均功率；低侧模式设定电路根据低侧采样电路的检测结果，定义低侧MOS管功率器件M2的工作模式。具体的：所述预设参数设定为电流量，所述的低侧驱动电路具有两个工作模式，一个用于相对较低的DV/DT和较低电磁干扰(EMI)，同时效率也降低，另一个用于较高的DV/DT和较高电磁干扰(EMI)，同时效率也较高。如图3所示是低侧采样电路的电路实现图，通过电流采样电阻R1检测低侧MOS管功率器件M2的电流。由于流过低侧MOS管功率器件M2的电流有正负，且不同的PWM调制方式，电流的波形会有差异，图3中显示的节点IDC电压是电流采样电阻R1上电压。经过电阻R2—R4的电位转换，将IDC电压位移到某个电压区间，以满足后级低侧模块设定电路(比如模数比较器ADC)的输入工作范围。电阻R5和电容C1组成的滤波电路，其时间常数取决于该滤波电路是为了消除噪声毛刺，还是为了对前级检测值平均化，以提取功率值。本实例中采用的平均化提取功率值的方式。将检测到的低侧MOS管功率器件M2电流量的功率信号平均化后，输出Vdet至低侧模式设定电路。如图4和图5所示，低侧模式设定电路的结构图，当Vdet大于窗口比较器所接收的预设比较阈值V1时，输出信号GC由低电平切换到高电平，同时低侧驱动电路的工作模式也相应地由低DV/DT模式切换到高DV/DT模式，即切换到高驱动能力模式，进而驱动切换低侧MOS管功率器件M2的工作模式；与此相应，当Vdet小于窗口比较器所接收的预设比较阈值V1时，输出信号GC由高电平切换到低电平，同时低侧驱动电路的工作模式也相应地由高DV/DT模式切换到低DV/DT模式，即低驱动能力模式，进而驱动切换低侧MOS管功率器件M2的工作模式；低侧驱动电路的工作模式主要是通过改变输出管的阻抗来实现的，如图6所示，当GC为低时，MUX会将输出MOS阵列中的并联MOS管关掉一个，增加中输出阻抗，反之，则闭合该MOS管，降解其输出阻抗；综上所述，上述具体实施过程可以采用实时进行操作，也可以采用阶段性操作，每次操作均执行上述全部过程。

上面结合附图对本实用新型的实施方式作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (4)

1.一种半桥驱动电路的电磁干扰与效率动态平衡装置，其特征在于：包括高侧电磁干扰与效率平衡装置和低侧电磁干扰与效率平衡装置，高侧电磁干扰与效率平衡装置用于平衡高侧功率器件的电磁干扰与效率，低侧电磁干扰与效率平衡装置用于平衡低侧功率器件的电磁干扰与效率；其中，高侧电磁干扰与效率平衡装置包括高侧采样电路、高侧模式设定电路和高侧驱动电路；高侧采样电路的输入端与高侧功率器件相连接，采集获得高侧功率器件的平均功率，并通过其输出端输送至高侧模式设定电路；高侧模式设定电路由其输入端接收高侧功率器件的平均功率，与预设比较阈值进行比较，根据预设高侧功率器件各个工作模式，定义高侧功率器件的工作模式，并通过其输出端发送至高侧驱动电路；高侧驱动电路的输出端与高侧功率器件相连接，高侧驱动电路通过其输入端接收所定义高侧功率器件的工作模式，并结合所接收的高侧输入信号，通过其输出端向高侧功率器件发送控制命令，控制高侧功率器件切换至所定义的工作模式；低侧电磁干扰与效率平衡装置包括低侧采样电路、低侧模式设定电路和低侧驱动电路；低侧采样电路的输入端与低侧功率器件相连接，采集获得低侧功率器件的平均功率，并通过其输出端输送至低侧模式设定电路；低侧模式设定电路由其输入端接收低侧功率器件的平均功率，与预设比较阈值进行比较，根据预设低侧功率器件各个工作模式，定义低侧功率器件的工作模式，并通过其输出端发送至低侧驱动电路；低侧驱动电路的输出端与低侧功率器件相连接，低侧驱动电路通过其输入端接收所定义低侧功率器件的工作模式，并结合所接收的低侧输入信号，通过其输出端向低侧功率器件发送控制命令，控制低侧功率器件切换至所定义的工作模式；高侧功率器件与半桥驱动电路功率电源的正极相连接，同时，高侧采样电路的采样基准参考点与低侧功率器件相连接作为半桥驱动电路的输出端；低侧采样电路的采样基准参考点与半桥驱动电路功率电源的负极相连接。

2.根据权利要求1所述一种半桥驱动电路的电磁干扰与效率动态平衡装置，其特征在于：所述高侧功率器件为高侧MOS管功率器件，所述低侧功率器件为低侧MOS管功率器件；其中，高侧电磁干扰与效率平衡装置中：高侧采样电路的输入端与高侧MOS管功率器件的源极相连接，采集获得高侧MOS管功率器件的平均功率，并通过其输出端输送至高侧模式设定电路；高侧模式设定电路由其输入端接收高侧MOS管功率器件的平均功率，与预设比较阈值进行比较，根据预设高侧MOS管功率器件各个工作模式，定义高侧MOS管功率器件的工作模式，并通过其输出端发送至高侧驱动电路；高侧驱动电路的输出端与高侧MOS管功率器件的栅极相连接，高侧驱动电路通过其输入端接收所定义高侧MOS管功率器件的工作模式，并结合所接收的高侧输入信号，通过其输出端向高侧MOS管功率器件发送控制命令，控制高侧MOS管功率器件切换至所定义的工作模式；低侧电磁干扰与效率平衡装置中：低侧采样电路的输入端与低侧MOS管功率器件的源极相连接，采集获得低侧MOS管功率器件的平均功率，并通过其输出端输送至低侧模式设定电路；低侧模式设定电路由其输入端接收低侧MOS管功率器件的平均功率，与预设比较阈值进行比较，根据预设低侧MOS管功率器件各个工作模式，定义低侧MOS管功率器件的工作模式，并通过其输出端发送至低侧驱动电路；低侧驱动电路的输出端与低侧MOS管功率器件的栅极相连接，低侧驱动电路通过其输入端接收所定义低侧MOS管功率器件的工作模式，并结合所接收的低侧输入信号，通过其输出端向低侧MOS管功率器件发送控制命令，控制低侧MOS管功率器件切换至所定义的工作模式；高侧MOS管功率器件的漏极与半桥驱动电路功率电源的正极相连接，同时，高侧采样电路的采样基准参考点与低侧MOS管功率器件的漏极相连接作为半桥驱动电路的输出端；低侧采样电路的采样基准参考点与半桥驱动电路功率电源的负极相连接。

3.根据权利要求2所述一种半桥驱动电路的电磁干扰与效率动态平衡装置，其特征在于：所述高侧采样电路结构与所述低侧采样电路结构相同，所述低侧采样电路包括电流采样电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5和电容C1，其中，电流采样电阻R1的一端作为低侧采样电路的输入端，与所述低侧MOS管功率器件的源极相连接；且电流采样电阻R1的该端与电阻R2的一端相连接，电阻R2的另一端分别与电阻R4的一端、电阻R3的一端、电阻R5的一端相连接；电阻R4的另一端连接电源；电阻R5的另一端作为低侧采样电路的输出端，且电阻R5的该端与电容C1的一端相连接，电容C1的另一端、电阻R3的另一端、电流采样电阻R1的另一端三者相连，并接地。

4.根据权利要求2所述一种半桥驱动电路的电磁干扰与效率动态平衡装置，其特征在于：所述采集获得高侧MOS管功率器件的平均功率和所述采集获得低侧MOS管功率器件的平均功率中，所述预设参数为电流量或者电压量。