01橋臂直通與死區時間

在當今復雜而精密的電子技術領域，開關電源作為眾多電子設備的核心供電組件，其性能與穩定性至關重要。然而，在實際的研發、生產及應用過程中，我們時常會面臨一個棘手的問題——開關電源中橋臂直通現象。這一問題不僅關乎電源本身的安全與可靠性，還可能對整個電子設備系統的穩定運行造成嚴重影響。

我們以一個簡化的同步Buck變換電路來說明橋臂直通問題。

以上橋臂電路包含了兩個晶體管（開關管）Q1和Q2，我們稱為上管和下管，有時也用High Side高側和Low Side低側來指代橋臂的上、下部分。實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。

在正常運行時，兩個開關管依次輪流開通和關斷。如果兩個開關管同時導通將導致電流上升，此時的電流將僅僅由環路的雜散電感限制。橋臂直通會導致大電流，引起不必要的額外損耗，甚至可能損壞器件和整個設備?。

當然，沒有誰故意使兩個開關管同時開通，但是由于晶體管并不是理想開關器件，其開通時間和關斷時間不是嚴格一致的。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時間，更普遍的叫法是死區時間（Dead Time）。

有了這個額外的死區，其中一個晶體管要首先關斷，然后在死區時間結束時開通另外一個晶體管，這樣，就能夠避免由開通時間和關斷時間不對稱造成的直通現象。如上圖的td1是下管關斷后，上管開通前的死區時間；td2則是上管關斷后，下管開通前的死區時間。

死區時間對系統性能有顯著影響。過短的死區時間可能導致兩個晶體管同時開啟，引起電流沖擊，增加功率器件的損壞風險；而過長的死區時間則會導致輸出電流波形變形，降低系統的效率?。因此，準確測量和控制死區時間對于電源系統的性能和效率至關重要?。

02死區時間的理論計算

如何確定一個合理的死區時間？一方面讓它滿足避免橋臂直通的要求，另一方面應讓它盡可能地小，以確保開關電源系統能正常工作。因此這里的一個很大的挑戰就是如何為一個專用的晶體管如IGBT和驅動電路找出合適的死區時間。

通常電子工程師采用以下理論公式計算和控制死區時間，其中：

■td_off_max：晶體管的最大關斷延遲時間

■td_on_min：集體管的最小開通延遲時間

■tpdd_max：驅動信號的最大傳輸延遲時間

■tpdd_min：驅動信號的最小傳輸延遲時間

■1.2：安全裕度系數

以上公式中，第一項td_off_max – td_on_min 是最大的關斷延遲時間與最小的開通延遲時間的差值。它描述了IGBT器件本身的特性，且與所使用的柵極電阻有關，電阻越大延遲越長。下降和上升時間也有影響，但和延遲時間比較起來小得多，所以這里沒有考慮。第二項tpdd_max – tpdd_min是由驅動電路決定的信號傳輸時間的差值。該參數通常可在驅動器制造商提供的數據表中查到，對于基于光耦合器的驅動器，該參數值通常很大。

理論上死區時間可以由數據手冊提供的典型值來計算得到，再簡單乘以來自現場經驗的安全裕度系數（如以上公式中的數字1.2）。但因為IGBT器件和驅動電路的數據手冊僅給出標準工況下的典型值，我們還是需要通過示波器的測試以獲得更貼近實際工況的死區時間，以確定設計的死區時間是否合適。

03如何用示波器測量死區時間

開關電源的可靠性測試中，必須對所有極端情況進行穩健的測試，以確保始終滿足重要的設計標準。工程師必須考慮到負載變化、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）。

可靠性測試的另一個考慮因素是示波器的盲區時間，即信號采集之間的時間窗口，示波器在此期間無法執行測量。擁有更快波形捕獲率的數字觸發架構示波器，可以捕捉更多瞬態情況。

工程師通過將死區時間的設計標準設置為示波器的觸發條件，來檢驗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觸發簡介

在電子測量領域，示波器的觸發功能如同捕捉信號特征的“精準閘門”，其核心目標是將動態信號中用戶關心的特定事件穩定呈現。

以邊沿觸發這一基礎模式為例，它通過識別信號上升沿或下降沿的電壓閾值，實現了對單次脈沖、周期性信號的有效捕獲。然而，面對電路中的多事件序列、邏輯關聯信號等復雜場景，單次事件觸發的局限性逐漸顯現——它無法表征事件間的時序依賴關系，更難以排除干擾信號的誤觸發。

A-B-R觸發（A事件、B事件與復位條件組合觸發）正是為解決這一技術瓶頸而誕生的高級觸發模式。該機制允許用戶定義兩個獨立觸發事件（A和B）及復位條件（R），形成“當A事件發生后，持續監測B事件是否滿足條件，且在未觸發R復位時完成捕獲”的邏輯鏈路。

A-B-R觸發不僅將示波器從單一事件檢測升級為信號序列分析，更為開關電源、高速數字系統、射頻通信等領域的故障診斷提供了技術支撐。

02 在特定的死區時間進行觸發

假如某開關電源電路沒有通過EMI測試，整改中可能會增加開關管的柵極電阻，同時Vgs的上升和下降時間也會相應增加。

如上圖所示，上升/下降時間的變化會導致死區時間(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。前面章節中提到死區時間太大時輸出電流波形會變形，降低系統的效率。我們需要查看電路在所有條件下（例如溫度、輸入電壓和負載變化）是否有超過范圍的死區。

以上是采用信號發生器來模擬開關電源的兩條波形：

黃色：C1通道，上管Vgs

綠色：C2通道，下管Vgs

為了在特定的死區時間觸發，我們按以下描述設置A-B-R觸發（Normal正常模式）：

A觸發事件設為通道C1的下降沿，觸發電平2V。A觸發事件之后，延遲500ns再啟動B觸發事件的等待。

B觸發事件設為通道C2的上升沿，觸發電平2V。

R觸發（重置）設為A觸發事件發生后，如果540 ns內沒有發生B觸發事件，則復位重置，并重新啟動等待A觸發事件。

以上觸發設置中，可觸發的死區寬度位于是500ns~540ns之間。我們最終通過“正常”觸發模式，捕獲到以下這幀波形，通過額外的光標測量，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，即當前這個瞬間開關電源的死區時間為510ns。

如果有波形的死區時間為550ns，示波器是不會觸發的，因為在第540ns時，觸發系統啟動了復位操作，又重新從A觸發事件開始等待觸發了。

03 高負載時的高邊Vgs毛刺觸發

另一個可靠性測試場景下，開啟下管開關時，上管開關上通常會出現毛刺，這種毛刺的高度和負載有關系。毛刺電壓如果在設計的死區時間之內，超過閾值，將會導致橋臂直通。在這種情況下的設計標準是最大可容忍毛刺電壓。

如上圖所示，我們還是采用信號發生器來模擬開關電源的兩條波形：

黃色：C1通道，上管Vgs

綠色：C2通道，下管Vgs

為了檢驗特定死區內上管毛刺電壓是否超過設計標準，我們按以下描述設置A-B-R觸發（Normal正常模式）：

A觸發事件設為通道C2的下降沿，觸發電平2V。A觸發事件后，不做任何延遲，立即啟動B觸發事件的等待。

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

R觸發（重置）設為A觸發事件發生后，如果200ns內沒有發生B觸發事件，則復位重置，并重新啟動等待A觸發事件。

本例中，我們通過“正常”觸發模式，捕獲到以下這幀波形。C2綠色下管波形的下降沿后200ns內， C1黃色上管波形出現了一個毛刺，此毛刺能夠觸發是因為在1.5V觸發電平處，該毛刺寬度超過了設定的50ns。

實際測試中，我們可以逐步提高B觸發事件中的毛刺觸發電平，通過示波器是否觸發成功，來判斷上管毛刺電壓是否超過設計標準中既定的最大可容忍毛刺電壓。

04開關電源測試的儀器推薦

在開關電源測試領域，構建高精度、高可靠性的測量系統是確保設計驗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，這三個系列都具備完善的A-B-R觸發功能，搭配RT-ZHDxx高壓差分探頭、RT-ZCxx電流探頭及RT-ZISO光隔離探頭，形成覆蓋信號完整性、功率分析與安全隔離的全維度解決方案。

尤為關鍵的是RT-ZISO光隔離探頭，其采用光纖供電與信號傳輸技術，在±60kV共模電壓下仍能提供高達90dB的共模抑制比（1GHz帶寬），徹底消除地回路干擾對測量結果的影響。例如在第三代半導體器件測試中，該探頭可將GaN開關管Vgs/Vds信號的上升時間解析至450ps以下，避免傳統差分探頭因寄生電容引發的橋臂直通“炸管”風險。

羅德與施瓦茨業務涵蓋測試測量、技術系統、網絡與網絡安全，致力于打造一個更加安全、互聯的世界。成立90 年來，羅德與施瓦茨作為全球科技集團，通過發展尖端技術，不斷突破技術界限。公司領先的產品和解決方案賦能眾多行業客戶，助其獲得數字技術領導力。羅德與施瓦茨總部位于德國慕尼黑，作為一家私有企業，公司在全球范圍內獨立、長期、可持續地開展業務。