一種基于隔離式半橋驅(qū)動(dòng)器的H電橋驅(qū)動(dòng)電路

電路功能與優(yōu)勢(shì)

本電路是一個(gè)由高功率開(kāi)關(guān)MOSFET組成的H電橋，MOSFET受低壓邏輯信號(hào)控制，如圖1所示。該電路為邏輯信號(hào)和高功率電橋提供了一個(gè)方便的接口。H電橋的高端和低端均使用低成本N溝道功率MOSFET。該電路還在控制側(cè)與電源側(cè)之間提供電流隔離。本電路可以用于電機(jī)控制、帶嵌入式控制接口的電源轉(zhuǎn)換、照明、音頻放大器和不間斷電源(UPS)等應(yīng)用中。

現(xiàn)代微處理器和微控制器一般為低功耗型，采用低電源電壓工作。2.5 V CMOS邏輯輸出的源電流和吸電流在μA到mA范圍。為了驅(qū)動(dòng)一個(gè)12 V切換、4 A峰值電流的H電橋，必須精心選擇接口和電平轉(zhuǎn)換器件，特別是要求低抖動(dòng)時(shí)。

ADG787是一款低壓CMOS器件，內(nèi)置兩個(gè)獨(dú)立可選的單刀雙擲(SPDT)開(kāi)關(guān)。采用5 V直流電源時(shí)，有效的高電平輸入邏輯電壓可以低至2 V。因此，ADG787能夠提供驅(qū)動(dòng)半橋驅(qū)動(dòng)器ADuM7234所需的2.5 V控制信號(hào)到5 V邏輯電平的轉(zhuǎn)換。

ADuM7234是一款隔離式半橋柵極驅(qū)動(dòng)器，采用ADI公司iCoupler?技術(shù)，提供獨(dú)立且隔離的高端和低端輸出，因而可以專門在H電橋中使用N溝道MOSFET。使用N溝道MOSFET有多種好處：N溝道MOSFET的導(dǎo)通電阻通常僅為P溝道MOSFET的1/3，最大電流更高；切換速度更快，功耗得以降低；上升時(shí)間與下降時(shí)間是對(duì)稱的。

ADuM7234的4 A峰值驅(qū)動(dòng)電流確保功率MOSFET可以高速接通和斷開(kāi)，使得H電橋級(jí)的功耗最小。本電路中，H電橋的最大驅(qū)動(dòng)電流可以高達(dá)85 A，它受最大容許的MOSFET電流限制。

ADuC7061 是一款低功耗、基于ARM7的精密模擬微控制器，集成脈寬調(diào)制(PWM)控制器，其輸出經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)碾娖睫D(zhuǎn)換和調(diào)理后，可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)H電橋。

使用隔離式半橋驅(qū)動(dòng)器的H電橋驅(qū)動(dòng)電路 (CN0196)

圖1. 使用ADuM7234隔離式半橋驅(qū)動(dòng)器的H電橋(原理示意圖：未顯示去耦和所有連接)

電路描述

2.5 V PWM控制信號(hào)電平轉(zhuǎn)換為5 V

EVAL-ADuC7061MKZ提供2.5 V邏輯電平PWM信號(hào)，但ADuM7234在5 V電源下的最小邏輯高電平輸入閾值為3.5 V。由于存在這種不兼容性，因此使用ADG787開(kāi)關(guān)作為中間電平轉(zhuǎn)換器。ADG787的最小輸入邏輯高電平控制電壓為2 V，與ADuC7061的2.5 V邏輯兼容。ADG787的輸出在0 V與5 V之間切換，足以驅(qū)動(dòng)3.5 V閾值的ADuM7234輸入端。評(píng)估板提供兩個(gè)跳線，便于配置控制PWM信號(hào)的極性。

H電橋簡(jiǎn)介

圖1所示的H電橋具有4個(gè)開(kāi)關(guān)元件(Q1、Q2、Q3、Q4)。這些開(kāi)關(guān)成對(duì)導(dǎo)通，左上側(cè)(Q1)和右下側(cè)(Q4)為一對(duì)，左下側(cè)(Q3)和右上側(cè)(Q2)為一對(duì)。注意，電橋同一側(cè)的開(kāi)關(guān)絕不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通。開(kāi)關(guān)可以利用MOSFET或IGBT(絕緣柵極雙極性晶體管)實(shí)現(xiàn)，使用脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)或控制器的其它控制信號(hào)接通和斷開(kāi)開(kāi)關(guān)，從而改變負(fù)載電壓的極性。

低端MOSFET(Q3、Q4)的源極接地，因此其柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)也以地為參考。另一方面，高端MOSFET(Q1、Q2)的源極電壓會(huì)隨著MOSFET對(duì)的接通和斷開(kāi)而切換，因此，最佳柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)應(yīng)參考或“自舉”到該浮空電壓。

ADuM7234的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)支持在各輸入與各輸出之間實(shí)現(xiàn)真正的電流隔離。相對(duì)于輸入，各路輸出的工作電壓最高可達(dá)±350 VPEAK，因而支持低端切換至負(fù)電壓。因此，ADuM7234可以在很寬的正或負(fù)切換電壓范圍內(nèi)，可靠地控制各種MOSFET配置的開(kāi)關(guān)特性。為了確保安全和簡(jiǎn)化測(cè)試，選擇12 V直流電源作為本設(shè)計(jì)的電源。

自舉柵極驅(qū)動(dòng)電路

高端和低端的柵極驅(qū)動(dòng)器電源是不同的。低端柵極驅(qū)動(dòng)電壓以地為參考，因此它直接產(chǎn)生自以地為參考的直流電源。然而，高端是懸空的，因此需要使用自舉驅(qū)動(dòng)電路，其工作原理如下所述。

觀察圖1所示H橋電路的左側(cè)，自舉驅(qū)動(dòng)電路利用電容C1、電阻R1和R3、二極管D1實(shí)現(xiàn)。上電后，PWM不會(huì)立即發(fā)生，所有MOSFET都處于高阻態(tài)，直到所有直流電壓完成建立。在此期間，電容C1由直流電源通過(guò)路徑R1、D1、C1和R3充電。充電后的電容C1提供高端柵極驅(qū)動(dòng)電壓。C1充電的時(shí)間常數(shù)為τ = (R1 + R3) C1。

當(dāng)MOSFET在PWM信號(hào)的控制下切換時(shí)，低端開(kāi)關(guān)Q3接通，高端開(kāi)關(guān)Q1斷開(kāi)。高端的GNDA下拉至地，電容C1充電。當(dāng)Q1接通時(shí)，Q3斷開(kāi)，GNDA上拉至直流電源電壓。二極管D1反向偏置，C1電壓將ADuM7234的VDDA電壓驅(qū)動(dòng)到約24 V。因此，電容C1在ADuM7234的VDDA和GNDA引腳之間保持約12 V的電壓。這樣，高端MOSFET Q1的柵極驅(qū)動(dòng)電壓始終參考Q1的懸空源極電壓。高端MOSFET源極上的電壓尖峰

當(dāng)Q1和Q4接通時(shí)，負(fù)載電流從Q1經(jīng)過(guò)負(fù)載流到Q4和地。當(dāng)Q1和Q4斷開(kāi)時(shí)，電流仍然沿同一方向流動(dòng)，經(jīng)過(guò)續(xù)流二極管D6和 D7，在Q1的源極上產(chǎn)生負(fù)電壓尖峰。這可能會(huì)損害某些采用其它拓?fù)浣Y(jié)