01橋臂直通與死區(qū)時(shí)間

在當(dāng)今復(fù)雜而精密的電子技術(shù)領(lǐng)域，開(kāi)關(guān)電源作為眾多電子設(shè)備的核心供電組件，其性能與穩(wěn)定性至關(guān)重要。然而，在實(shí)際的研發(fā)、生產(chǎn)及應(yīng)用過(guò)程中，我們時(shí)常會(huì)面臨一個(gè)棘手的問(wèn)題——開(kāi)關(guān)電源中橋臂直通現(xiàn)象。這一問(wèn)題不僅關(guān)乎電源本身的安全與可靠性，還可能對(duì)整個(gè)電子設(shè)備系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行造成嚴(yán)重影響。

我們以一個(gè)簡(jiǎn)化的同步Buck變換電路來(lái)說(shuō)明橋臂直通問(wèn)題。

以上橋臂電路包含了兩個(gè)晶體管（開(kāi)關(guān)管）Q1和Q2，我們稱為上管和下管，有時(shí)也用High Side高側(cè)和Low Side低側(cè)來(lái)指代橋臂的上、下部分。實(shí)際橋臂電路中的晶體管可能是MOSFET、IGBT或新型的GaN和SiC等器件。

在正常運(yùn)行時(shí)，兩個(gè)開(kāi)關(guān)管依次輪流開(kāi)通和關(guān)斷。如果兩個(gè)開(kāi)關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通將導(dǎo)致電流上升，此時(shí)的電流將僅僅由環(huán)路的雜散電感限制。橋臂直通會(huì)導(dǎo)致大電流，引起不必要的額外損耗，甚至可能損壞器件和整個(gè)設(shè)備?。

當(dāng)然，沒(méi)有誰(shuí)故意使兩個(gè)開(kāi)關(guān)管同時(shí)開(kāi)通，但是由于晶體管并不是理想開(kāi)關(guān)器件，其開(kāi)通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間不是嚴(yán)格一致的。為了避免橋臂直通，通常建議在控制策略中加入所謂的互鎖延時(shí)時(shí)間，更普遍的叫法是死區(qū)時(shí)間（Dead Time）。

有了這個(gè)額外的死區(qū)，其中一個(gè)晶體管要首先關(guān)斷，然后在死區(qū)時(shí)間結(jié)束時(shí)開(kāi)通另外一個(gè)晶體管，這樣，就能夠避免由開(kāi)通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間不對(duì)稱造成的直通現(xiàn)象。如上圖的td1是下管關(guān)斷后，上管開(kāi)通前的死區(qū)時(shí)間；td2則是上管關(guān)斷后，下管開(kāi)通前的死區(qū)時(shí)間。

死區(qū)時(shí)間對(duì)系統(tǒng)性能有顯著影響。過(guò)短的死區(qū)時(shí)間可能導(dǎo)致兩個(gè)晶體管同時(shí)開(kāi)啟，引起電流沖擊，增加功率器件的損壞風(fēng)險(xiǎn)；而過(guò)長(zhǎng)的死區(qū)時(shí)間則會(huì)導(dǎo)致輸出電流波形變形，降低系統(tǒng)的效率?。因此，準(zhǔn)確測(cè)量和控制死區(qū)時(shí)間對(duì)于電源系統(tǒng)的性能和效率至關(guān)重要?。

02死區(qū)時(shí)間的理論計(jì)算

如何確定一個(gè)合理的死區(qū)時(shí)間？一方面讓它滿足避免橋臂直通的要求，另一方面應(yīng)讓它盡可能地小，以確保開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)能正常工作。因此這里的一個(gè)很大的挑戰(zhàn)就是如何為一個(gè)專用的晶體管如IGBT和驅(qū)動(dòng)電路找出合適的死區(qū)時(shí)間。

通常電子工程師采用以下理論公式計(jì)算和控制死區(qū)時(shí)間，其中：

■td_off_max：晶體管的最大關(guān)斷延遲時(shí)間

■td_on_min：集體管的最小開(kāi)通延遲時(shí)間

■tpdd_max：驅(qū)動(dòng)信號(hào)的最大傳輸延遲時(shí)間

■tpdd_min：驅(qū)動(dòng)信號(hào)的最小傳輸延遲時(shí)間

■1.2：安全裕度系數(shù)

以上公式中，第一項(xiàng)td_off_max – td_on_min 是最大的關(guān)斷延遲時(shí)間與最小的開(kāi)通延遲時(shí)間的差值。它描述了IGBT器件本身的特性，且與所使用的柵極電阻有關(guān)，電阻越大延遲越長(zhǎng)。下降和上升時(shí)間也有影響，但和延遲時(shí)間比較起來(lái)小得多，所以這里沒(méi)有考慮。第二項(xiàng)tpdd_max – tpdd_min是由驅(qū)動(dòng)電路決定的信號(hào)傳輸時(shí)間的差值。該參數(shù)通?？稍?a target="_blank">驅(qū)動(dòng)器制造商提供的數(shù)據(jù)表中查到，對(duì)于基于光耦合器的驅(qū)動(dòng)器，該參數(shù)值通常很大。

理論上死區(qū)時(shí)間可以由數(shù)據(jù)手冊(cè)提供的典型值來(lái)計(jì)算得到，再簡(jiǎn)單乘以來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)的安全裕度系數(shù)（如以上公式中的數(shù)字1.2）。但因?yàn)镮GBT器件和驅(qū)動(dòng)電路的數(shù)據(jù)手冊(cè)僅給出標(biāo)準(zhǔn)工況下的典型值，我們還是需要通過(guò)示波器的測(cè)試以獲得更貼近實(shí)際工況的死區(qū)時(shí)間，以確定設(shè)計(jì)的死區(qū)時(shí)間是否合適。

03如何用示波器測(cè)量死區(qū)時(shí)間

開(kāi)關(guān)電源的可靠性測(cè)試中，必須對(duì)所有極端情況進(jìn)行穩(wěn)健的測(cè)試，以確保始終滿足重要的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。工程師必須考慮到負(fù)載變化、輸入電壓變化、溫度變化和DC link直流母線上的干擾（不平衡的三相逆變器可能引起干擾）。

可靠性測(cè)試的另一個(gè)考慮因素是示波器的盲區(qū)時(shí)間，即信號(hào)采集之間的時(shí)間窗口，示波器在此期間無(wú)法執(zhí)行測(cè)量。擁有更快波形捕獲率的數(shù)字觸發(fā)架構(gòu)示波器，可以捕捉更多瞬態(tài)情況。

工程師通過(guò)將死區(qū)時(shí)間的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置為示波器的觸發(fā)條件，來(lái)檢驗(yàn)各種極端情況下電路是否存在橋臂直通隱患。

01 示波器的A-B-R觸發(fā)簡(jiǎn)介

在電子測(cè)量領(lǐng)域，示波器的觸發(fā)功能如同捕捉信號(hào)特征的“精準(zhǔn)閘門”，其核心目標(biāo)是將動(dòng)態(tài)信號(hào)中用戶關(guān)心的特定事件穩(wěn)定呈現(xiàn)。

以邊沿觸發(fā)這一基礎(chǔ)模式為例，它通過(guò)識(shí)別信號(hào)上升沿或下降沿的電壓閾值，實(shí)現(xiàn)了對(duì)單次脈沖、周期性信號(hào)的有效捕獲。然而，面對(duì)電路中的多事件序列、邏輯關(guān)聯(lián)信號(hào)等復(fù)雜場(chǎng)景，單次事件觸發(fā)的局限性逐漸顯現(xiàn)——它無(wú)法表征事件間的時(shí)序依賴關(guān)系，更難以排除干擾信號(hào)的誤觸發(fā)。

A-B-R觸發(fā)（A事件、B事件與復(fù)位條件組合觸發(fā)）正是為解決這一技術(shù)瓶頸而誕生的高級(jí)觸發(fā)模式。該機(jī)制允許用戶定義兩個(gè)獨(dú)立觸發(fā)事件（A和B）及復(fù)位條件（R），形成“當(dāng)A事件發(fā)生后，持續(xù)監(jiān)測(cè)B事件是否滿足條件，且在未觸發(fā)R復(fù)位時(shí)完成捕獲”的邏輯鏈路。

A-B-R觸發(fā)不僅將示波器從單一事件檢測(cè)升級(jí)為信號(hào)序列分析，更為開(kāi)關(guān)電源、高速數(shù)字系統(tǒng)、射頻通信等領(lǐng)域的故障診斷提供了技術(shù)支撐。

02 在特定的死區(qū)時(shí)間進(jìn)行觸發(fā)

假如某開(kāi)關(guān)電源電路沒(méi)有通過(guò)EMI測(cè)試，整改中可能會(huì)增加開(kāi)關(guān)管的柵極電阻，同時(shí)Vgs的上升和下降時(shí)間也會(huì)相應(yīng)增加。

如上圖所示，上升/下降時(shí)間的變化會(huì)導(dǎo)致死區(qū)時(shí)間(tD)隨之變化，即在特定電壓（例如閾值電壓）下高邊和低邊柵極之間的延遲變化。前面章節(jié)中提到死區(qū)時(shí)間太大時(shí)輸出電流波形會(huì)變形，降低系統(tǒng)的效率。我們需要查看電路在所有條件下（例如溫度、輸入電壓和負(fù)載變化）是否有超過(guò)范圍的死區(qū)。

以上是采用信號(hào)發(fā)生器來(lái)模擬開(kāi)關(guān)電源的兩條波形：

黃色：C1通道，上管Vgs

綠色：C2通道，下管Vgs

為了在特定的死區(qū)時(shí)間觸發(fā)，我們按以下描述設(shè)置A-B-R觸發(fā)（Normal正常模式）：

A觸發(fā)事件設(shè)為通道C1的下降沿，觸發(fā)電平2V。A觸發(fā)事件之后，延遲500ns再啟動(dòng)B觸發(fā)事件的等待。

B觸發(fā)事件設(shè)為通道C2的上升沿，觸發(fā)電平2V。

R觸發(fā)（重置）設(shè)為A觸發(fā)事件發(fā)生后，如果540 ns內(nèi)沒(méi)有發(fā)生B觸發(fā)事件，則復(fù)位重置，并重新啟動(dòng)等待A觸發(fā)事件。

以上觸發(fā)設(shè)置中，可觸發(fā)的死區(qū)寬度位于是500ns~540ns之間。我們最終通過(guò)“正?！庇|發(fā)模式，捕獲到以下這幀波形，通過(guò)額外的光標(biāo)測(cè)量，我們看到C1上管黃色波形和C2下管綠色波形在2V閾值電平處，具有510ns的延遲，即當(dāng)前這個(gè)瞬間開(kāi)關(guān)電源的死區(qū)時(shí)間為510ns。

如果有波形的死區(qū)時(shí)間為550ns，示波器是不會(huì)觸發(fā)的，因?yàn)樵诘?40ns時(shí)，觸發(fā)系統(tǒng)啟動(dòng)了復(fù)位操作，又重新從A觸發(fā)事件開(kāi)始等待觸發(fā)了。

03 高負(fù)載時(shí)的高邊Vgs毛刺觸發(fā)

另一個(gè)可靠性測(cè)試場(chǎng)景下，開(kāi)啟下管開(kāi)關(guān)時(shí)，上管開(kāi)關(guān)上通常會(huì)出現(xiàn)毛刺，這種毛刺的高度和負(fù)載有關(guān)系。毛刺電壓如果在設(shè)計(jì)的死區(qū)時(shí)間之內(nèi)，超過(guò)閾值，將會(huì)導(dǎo)致橋臂直通。在這種情況下的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是最大可容忍毛刺電壓。

如上圖所示，我們還是采用信號(hào)發(fā)生器來(lái)模擬開(kāi)關(guān)電源的兩條波形：

黃色：C1通道，上管Vgs

綠色：C2通道，下管Vgs

為了檢驗(yàn)特定死區(qū)內(nèi)上管毛刺電壓是否超過(guò)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，我們按以下描述設(shè)置A-B-R觸發(fā)（Normal正常模式）：

A觸發(fā)事件設(shè)為通道C2的下降沿，觸發(fā)電平2V。A觸發(fā)事件后，不做任何延遲，立即啟動(dòng)B觸發(fā)事件的等待。

B觸發(fā)事件設(shè)為通道C1的毛刺觸發(fā)，在觸發(fā)電平1.5V處，如果毛刺寬度大于50ns，則B觸發(fā)事件成立。

R觸發(fā)（重置）設(shè)為A觸發(fā)事件發(fā)生后，如果200ns內(nèi)沒(méi)有發(fā)生B觸發(fā)事件，則復(fù)位重置，并重新啟動(dòng)等待A觸發(fā)事件。

本例中，我們通過(guò)“正?！庇|發(fā)模式，捕獲到以下這幀波形。C2綠色下管波形的下降沿后200ns內(nèi)， C1黃色上管波形出現(xiàn)了一個(gè)毛刺，此毛刺能夠觸發(fā)是因?yàn)樵?.5V觸發(fā)電平處，該毛刺寬度超過(guò)了設(shè)定的50ns。

實(shí)際測(cè)試中，我們可以逐步提高B觸發(fā)事件中的毛刺觸發(fā)電平，通過(guò)示波器是否觸發(fā)成功，來(lái)判斷上管毛刺電壓是否超過(guò)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中既定的最大可容忍毛刺電壓。

04開(kāi)關(guān)電源測(cè)試的儀器推薦

在開(kāi)關(guān)電源測(cè)試領(lǐng)域，構(gòu)建高精度、高可靠性的測(cè)量系統(tǒng)是確保設(shè)計(jì)驗(yàn)證與故障診斷效率的核心。推薦采用羅德與施瓦茨公司的RTO64、MXO5、MXO4系列示波器，這三個(gè)系列都具備完善的A-B-R觸發(fā)功能，搭配RT-ZHDxx高壓差分探頭、RT-ZCxx電流探頭及RT-ZISO光隔離探頭，形成覆蓋信號(hào)完整性、功率分析與安全隔離的全維度解決方案。

尤為關(guān)鍵的是RT-ZISO光隔離探頭，其采用光纖供電與信號(hào)傳輸技術(shù)，在±60kV共模電壓下仍能提供高達(dá)90dB的共模抑制比（1GHz帶寬），徹底消除地回路干擾對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。例如在第三代半導(dǎo)體器件測(cè)試中，該探頭可將GaN開(kāi)關(guān)管Vgs/Vds信號(hào)的上升時(shí)間解析至450ps以下，避免傳統(tǒng)差分探頭因寄生電容引發(fā)的橋臂直通“炸管”風(fēng)險(xiǎn)。

羅德與施瓦茨業(yè)務(wù)涵蓋測(cè)試測(cè)量、技術(shù)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)安全，致力于打造一個(gè)更加安全、互聯(lián)的世界。成立90 年來(lái)，羅德與施瓦茨作為全球科技集團(tuán)，通過(guò)發(fā)展尖端技術(shù)，不斷突破技術(shù)界限。公司領(lǐng)先的產(chǎn)品和解決方案賦能眾多行業(yè)客戶，助其獲得數(shù)字技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)力。羅德與施瓦茨總部位于德國(guó)慕尼黑，作為一家私有企業(yè)，公司在全球范圍內(nèi)獨(dú)立、長(zhǎng)期、可持續(xù)地開(kāi)展業(yè)務(wù)。