CN102064729B - 一种半桥驱动电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种半桥驱动电路，它包括半桥电路、驱动器和自举电容充电电路，半桥电路连接在电源VBAT和功率地GND之间；驱动器的信号输入端连接外界控制单元，驱动器上的高边驱动信号输出端、高边驱动浮动地端、低边驱动信号输出端和低边驱动地端均与半桥电路相连；自举电容充电电路同时与驱动器上的高边驱动浮动电源端和高边驱动浮动地端相连，且自举电容充电电路与驱动器共用低压输入；其特征在于：还包括一充电泵电路，其在低压输入端无法通过自举电容充电电路中的二极管D1给充电电容器C1充电时，用于维持充电电容器C1两端的电压，充电泵电路与驱动器上的高边驱动浮动电源端和高边驱动浮动地端相连，充电泵电路的地与半桥电路的功率地相连。本发明适应工况的范围广，适用于电力电子技术领域中各种半桥电路的驱动。
Description
技术领域
本发明涉及一种驱动电路，特别是关于一种半桥驱动电路。
背景技术
金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)和绝缘栅双极晶体管(IGBT)作为高速开关器件，在电力电子技术中得到了广泛的应用。在实际应用中，晶体管经常用来组成半桥电路，其中上桥晶体管漏极(或集电极)与电源连接，源极(或发射极)与下桥晶体管的漏极(或集电极)相连，下桥晶体管的源极(或发射极)与功率地相连，半桥电路的输出端为上下桥晶体管的公共端。半桥电路根据外界控制单元(比如微处理器)输出的PWM信号进行相应的开关动作。但控制单元的信号往往不足以驱动半桥电路，因此需要增设一半桥驱动器，以将控制单元输出的PWM信号放大，从而驱动半桥电路。
如图1所示，图1是常用的半桥驱动电路，其包括半桥电路1、驱动器2和自举电容充电电路3。驱动器2的信号输入端(引脚HIN、LIN)连接外界控制单元，驱动器2上的高边驱动信号输出端(引脚HO)、高边驱动浮动地端(引脚VS)、低边驱动信号输出端(引脚LO)和低边驱动地端(引脚COM)均与半桥电路1相连。驱动器2接入外界控制单元的PWM控制信号，PWM控制信号经驱动器2电流放大后，输送给半桥电路1的高低边晶体管，以驱动半桥电路1工作。自举电容充电电路3同时与驱动器2上的高边驱动浮动电源端(引脚VB)和高边驱动浮动地端(引脚VS)相连，自举电容充电电路3为驱动器2提供高边驱动的浮动电压。而且自举电容充电电路3与驱动器2共用低压输入端(引脚VDRV)。
其中：半桥电路1包括上桥晶体管T1、下桥晶体管T2和负载11，上桥晶体管T1的漏极(或集电极)与电源VBAT相连，上桥晶体管T1的源极(或发射极)与下桥晶体管T2的漏极(或集电极)相连，下桥晶体管T2的源极(或发射极)与功率地相连，负载11连接在上、下桥晶体管T1、T2的公共端和功率地之间。驱动器2可以采用分立的电子元件搭建，也可以选用集成的驱动芯片，图1中使用的是集成的驱动芯片。驱动器2用于将外界的控制单元输出的PWM信号进行电流放大，并将放大后的驱动信号输送给半桥电路1。引脚HO、LO为驱动器2的经电流放大之后的驱动信号的输出端，其中高边驱动信号输出端(引脚HO)与上桥晶体管T1的门极(或栅极)相连，引脚LO与下桥晶体管T2的门极(或栅极)相连。驱动信号与晶体管的门极(或栅极)之间往往还串联一个限流电阻(该电阻在图1中未标示)。驱动器2上的逻辑输入引脚VDD、GND之间接入一旁路电容器C3。驱动器2上的低压输入端(引脚VDRV)是供电引脚，低压输入端(引脚VDRV)的电压通常为12V～15V。驱动器2上的低边驱动地端(引脚COM)与功率地相连，低边驱动地端(引脚COM)与低压输入端(引脚VDRV)之间设置有一旁路电容器C2。自举电容充电电路3由充电电容器C1和二极管D1构成，其中二极管D1一般采用快速恢复二极管。
由于上桥晶体管T1的源极(或发射极)的电压是浮动的，因此驱动上桥晶体管T1时，需要在其门极(或栅极)上提供一浮动的且高于源极(或发射极)的电压，即需要在高边驱动浮动电源端(引脚VB)与高边驱动浮动地端(引脚VS)之间维持一定的电压。当下桥晶体管T2打开的时候，高边驱动浮动地端(引脚VS)与功率地处于相同的电位上，低压输入端(引脚VDRV)通过二极管D1给充电电容器C1充电，使充电电容器C1两端的电压与低压输入端(引脚VDRV)相同(忽略二极管D1的正向压降)。当下桥晶体管T2关闭的时候，高边驱动浮动地端(引脚VS)电位上升，充电电容器C1正端电位也相应上升，二极管D1反向截止，防止充电电容器C1中的电荷倒流。充电电容器C1提供了上桥晶体管T1导通所需的电荷，而且由于静态电流的消耗，需要及时充电，以保证上桥晶体管T1能顺利开启。
如果下桥晶体管T2长时间关断，无法通过二极管D1对充电电容器C1进行充电。充电电容器C1中的电荷若得不到补充，电压逐渐降低，当充电电容器C1两端的电压低于一定值的时候，上桥晶体管T1无法顺利开启，半桥电路1工作不正常。一些驱动器2采用集成的半桥驱动芯片监控充电电容器C1两端的电压，当电压低于一定值的时候，关闭驱动器2。当半桥驱动电路刚上电的时候，充电电容器C1两端的电压为0，而负载11存在较高的初始电压，即高边驱动浮动地端(引脚VS)的初始电位较高，甚至高于低压输入端(引脚VDRV)的电压。在这种情况下，低压输入端(引脚VDRV)也无法通过二极管D1给充电电容器C1进行充电，驱动器2无法启动，半桥电路1无法正常工作。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种工况适应范围广的半桥驱动电路。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种半桥驱动电路，它包括一半桥电路、一驱动器和一自举电容充电电路，其中所述半桥电路连接在电源VBAT和功率地GND之间；所述驱动器的信号输入端连接外界控制单元，所述驱动器上的高边驱动信号输出端、高边驱动浮动地端、低边驱动信号输出端和低边驱动地端均与所述半桥电路相连；所述自举电容充电电路同时与所述驱动器上的高边驱动浮动电源端和高边驱动浮动地端相连，且所述自举电容充电电路与驱动器共用低压输入；其特征在于：它还包括一充电泵电路，其在所述低压输入端无法通过所述自举电容充电电路中的二极管D1给充电电容器C1充电时，用于维持所述充电电容器C1两端的电压，所述充电泵电路与所述驱动器上的高边驱动浮动电源端和高边驱动浮动地端相连，所述充电泵电路的地与所述半桥电路的功率地GND相连。
所述充电泵电路包括一时钟驱动器、一充电电容器C4和一电荷转送设备；所述时钟驱动器用于产生驱动所述充电电容器C4充放电用的的方波信号，并在所述充电电容器C4上产生高压；所述充电电容器C4用于储存需要转送的电荷；所述电荷转送设备用于将所述充电电容器C4中存储的电荷单向输送到所述自举电容充电电路中充电电容器C1中。
所述时钟驱动器包括一振荡器、一旁路电容器C5、一齐纳二极管D4和一限流电阻R1；其中所述振荡器的供电脚VCC与所述驱动器的高边驱动浮动地端相连，所述齐纳二极管D4连接在所述振荡器上的供电脚VCC和引脚GND之间，所述旁路电容器C5与齐纳二极管D4并联，所述限流电阻R1连接在所述振荡器的引脚GND与所述半桥电路的功率地之间。
所述齐纳二极管D4的电压限值稍高于所述驱动器的供电电压。
所述电荷转送设备包括两个二极管D2、D3，其中所述二极管D2的阳极与所述振荡器的供电脚VCC相连，阴极与二极管D3的阳极相连；所述二极管D3的阴极与所述驱动器的高边驱动浮动电源端相连；所述二极管D2和二极管D3的公共端与所述振荡器的信号输出脚CLK之间连接有所述充电电容器C4。
它还包括一自举电容充电启动电路，其在所述低压输入端均无法通过所述自举电容充电电路中的二极管D1和充电泵电路给充电电容器C1充电时，用于利用所述半桥电路所连接的电源VBAT单向为所述充电电容器C1充电，并限制所述充电电容器C1的充电电流和电压；所述自举电容充电启动电路的输入端与所述半桥电路的电源VBAT相连，而且所述自举电容充电启动电路与所述驱动器上的高边驱动浮动电源端和高边驱动浮动地端相连。
所述自举电容充电启动电路包括限流电阻R2、二极管D5和齐纳二极管D6；其中所述二极管D5的阴极与所述驱动器的高边驱动浮动电源端相连，用于保证电荷的单向传送；所述限流电阻R2连接电源VBAT与所述二极管D5的阳极之间，用于限制充电电流；所述齐纳二极管D6连接在所述充电电容器C1的两端，用于限制充电电压。
所述自举电容充电启动电路包括限流电阻R2、二极管D5和齐纳二极管D6；其中所述二极管D5的阴极与所述驱动器的高边驱动浮动电源端相连，用于保证电荷的单向传送；所述限流电阻R2连接电源VBAT与所述二极管D5的阳极之间，用于限制充电电流；所述齐纳二极管D6连接在所述充电电容器C1的两端，用于限制充电电压。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、由于本发明在驱动器上的高边驱动浮动电源端和高边驱动浮动地端同时连接一充电泵电路，而且充电泵电路的地与半桥电路的功率地GND相连，在自举电容充电电路无法对自举电容充电电路中充电电容器C1进行充电时，充电泵电路能够维持充电电容器C1两端的电压，从而能够为驱动器提供高边驱动的浮动电压，保证驱动器驱动半桥电路正常工作，因此适用工况范围较为广泛。2、由于本发明还在半桥电路的电源VBAT连接一自举电容充电启动电路的输入端，而且将自举电容充电启动电路与驱动器上的高边驱动浮动电源端和高边驱动浮动地端相连，低压输入端(引脚VDRV)均无法通过二极管D1和充电泵电路给充电电容器C1充电时，自举电容充电启动电路能够利用半桥电路所连接的电源VBAT单向为充电电容器C1充电，并限制充电电容器C1的充电电流和电压，从而能够为驱动器提供高边驱动的浮动电压，从而进一步为驱动器驱动半桥电路正常工作提供了保证，因此进一步增大了其应用的工况。3、本发明不仅提高了驱动器对半桥电路驱动的可靠性以及对各种工况的适应性，而且成本增加很小。本发明适用于电力电子技术领域中各种半桥电路的驱动。
附图说明
图1是传统的半桥驱动电路的方框图
图2是本发明的半桥驱动电路的方框图
图3是图2的一个较佳实施例的电路示意图
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图2所示，本发明提供的半桥驱动电路包括一半桥电路1、一驱动器2、一自举电容充电电路3、一充电泵电路4和一自举电容充电启动电路5。其中，半桥电路1、驱动器2和自举电容充电电路3与传统的半桥驱动电路的连接和功能均相同，在此不再详述。充电泵电路4与驱动器2上的高边驱动浮动电源端(引脚VB)和高边驱动浮动地端(引脚VS)相连，充电泵电路4的地与半桥电路1的功率地相连。自举电容充电启动电路5的输入端与半桥电路1的电源VBAT相连，而且自举电容充电启动电路5与驱动器2上的高边驱动浮动电源端(引脚VB)和高边驱动浮动地端(引脚VS)相连。在自举电容充电电路3无法工作的情况下，即在自举电容充电电路3不能够为驱动器2提供高边驱动的浮动电压时，充电泵电路4和自举电容充电启动电路5可以分别对自举电容充电电路3中的充电电容器C1进行充电，维持充电电容器C1两端的电压，从而保证驱动器2的正常工作。下面对充电泵电路4和自举电容充电启动电路5进行更为详细的说明。
如图3所示，充电泵电路4在低压输入端(驱动器2上的引脚VDRV)无法通过二极管D1给充电电容器C1充电时，用于将自举电容充电电路3中充电电容器C1的负端电压升高，并输送到充电电容器C1中，从而维持充电电容器C1两端的电压，保证驱动器2工作正常。充电泵电路4包括一时钟驱动器41、一充电电容器C4和一电荷转送设备42。其中时钟驱动器41产生一定频率的方波信号，用以驱动充电电容器C4的充放电，并利用充电电容器C4两端电压不能突变的特性在充电电容器C4的正端产生高压。充电电容器C4用于储存需要转送的电荷。电荷转送设备42将充电电容器C4中存储的电荷单向输送到充电电容器C1中，防止电荷倒流。其中：
时钟驱动器41包括一振荡器411、一齐纳二极管D4、一旁路电容器C5和一限流电阻R1。其中振荡器411的供电脚VCC与驱动器2的高边驱动浮动地端(引脚VS)相连。齐纳二极管D4连接在振荡器411的供电脚VCC和引脚GND之间，以限制供电脚VCC和引脚GND之间的电压，齐纳二极管D4的电压限值VD4一般比驱动器2的供电电压VDRV稍高。旁路电容器C5与齐纳二极管D4并联，用于维持振荡器411输入电压的稳定。限流电阻R1连接在振荡器411的引脚GND与半桥电路1的功率地GND之间，用于限制充电泵电路4的充电电流。
电荷转送设备42包括两个二极管D2、D3，二极管D2的阳极与振荡器411的供电脚VCC相连，阴极与二极管D3的阳极相连。二极管D3的阴极与驱动器2的高边驱动浮动电源端(引脚VB)相连。充电电容器C4连接在二极管D2和二极管D3的公共端与振荡器411的信号输出脚CLK之间。
充电泵电路4的工作原理是：供电脚VCC的电压与高边驱动浮动地端(引脚VS)相同，当高边驱动浮动地端(引脚VS)电压足够高的时候，引脚GND的电压等于供电脚VCC减去齐纳二极管D4的限压值VD4。振荡器411在振荡电路的作用下产生一定频率的方波信号，该方波信号的电压是相对于振荡器411的引脚GND的，即当输出信号为逻辑“0”的时候，引脚CLK信号电压与引脚GND相同，此时，二极管D3反向截止，电流从电容器C5经过二极管D2对充电电容器C4进行充电，使充电电容器C4两端的电压与VD4相同(忽略二极管D2的正向压降)。当输出信号逻辑为“1”的时候，引脚CLK的信号电压与引脚VCC相同，电容器C4的正端电压等于供电脚VCC加上VD4，而供电脚VCC与供电脚VS的电压相同，此时二极管D2反向截止，充电电容器C4通过二极管D3对充电电容器C1进行充电，充电电压为VD4(忽略二极管D3的正向压降)。限流电阻R1限制流经齐纳二极管D4的电流，也为振荡器411提供了浮动的地，这是由于振荡器411的地与半桥电路1的功率地之间是有电势差的，限流电阻R1的左侧为振荡器411的地，右侧为半桥电路1的功率地，限流电阻R1相当于是把两个地隔离开来。当半桥电路1中的上下桥晶体管T1和T2交替开通的时候，振荡器411的地是浮动的。同时，限流电阻R1也制约着充电泵电路4的充电能力，选用较小的限流电阻可以提高充电泵电路4的充电能力，但也增加了功率损耗，实际应用中应根据需要选择合适阻值的限流电阻。
当高边驱动浮动地端(引脚VS)有一定的电压，但并不是很高，比如介于0和VDRV之间时，齐纳二极管D4并没有发生雪崩，振荡器411的供电脚VCC与引脚GND之间的电压低于VDRV，在这种情况下，充电泵电路4并不能提供足够的充电电压，半桥电路1仍然无法正常工作。
自举电容充电启动电路5用于低压输入端(驱动器2上的引脚VDRV)均无法通过二极管D1和充电泵电路给充电电容器C1充电时，利用电源VBAT为充电电容器C1充电，从而提供了一条额外的充电途径。同时，自举电容充电启动电路5需要限制对充电电容器C1的充电电流和电压，并防止电荷倒流。自举电容充电启动电路5包括限流电阻R2、二极管D5和齐纳二极管D6，其中：二极管D5的阴极与驱动器2的高边驱动浮动电源端(引脚VB)相连，限流电阻R2连接电源VBAT与二极管D5的阳极之间，齐纳二极管D6连接在充电电容器C1的两端。电阻R2限制充电电流，齐纳二极管D6限制充电电压，二极管D5保证电荷的单向传送。
自举电容充电启动电路5的工作原理是：当自举电容充电电路3无法工作且当高压驱动浮动地端(引脚VS)电压较低的情况下，通过充电泵电路4也无法提供足够的充电电压，此时可以通过自举电容充电启动电路5直接用电源VBAT对充电电容器C1进行充电。限流电阻R2对充电电流进行限制，防止电流过大。齐纳二极管D6对自举充电电容器C1两端的电压进行限制，齐纳二极管D6的电压限值一般比驱动器2的供电电压VDRV稍高。当上桥晶体管T1导通的时候，高边驱动浮动电源端(引脚VB)的电压高于高边驱动浮动电源端(引脚VB)，此时二极管D5反向截止，从而可以防止充电电容器C1电荷倒流。电阻R2限制了自举电容充电启动电路5的充电能力，较小的限流电阻可以提高该充电能力，但也增大了电流功耗，实际应用中应根据需要选择合适的限流电阻。
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。
Claims (6)
1.一种半桥驱动电路，它包括一半桥电路、一驱动器和一自举电容充电电路，其中所述半桥电路连接在电源VBAT和功率地GND之间；所述驱动器的信号输入端连接外界控制单元，所述驱动器上的高边驱动信号输出端、高边驱动浮动地端、低边驱动信号输出端和低边驱动地端均与所述半桥电路相连；所述自举电容充电电路同时与所述驱动器上的高边驱动浮动电源端和高边驱动浮动地端相连，且所述自举电容充电电路与驱动器共用低压输入；其特征在于：它还包括一充电泵电路，其在所述低压输入端无法通过所述自举电容充电电路中的二极管D1给充电电容器C1充电时，用于维持所述充电电容器C1两端的电压，所述充电泵电路与所述驱动器上的高边驱动浮动电源端和高边驱动浮动地端相连，所述充电泵电路的地与所述半桥电路的功率地GND相连；
所述充电泵电路包括一时钟驱动器、一充电电容器C4和一电荷转送设备；所述时钟驱动器用于产生驱动所述充电电容器C4充放电用的的方波信号，并在所述充电电容器C4上产生高压；所述充电电容器C4用于储存需要转送的电荷；所述电荷转送设备用于将所述充电电容器C4中存储的电荷单向输送到所述自举电容充电电路中充电电容器C1中。
2.如权利要求1所述的一种半桥驱动电路，其特征在于：所述时钟驱动器包括一振荡器、一旁路电容器C5、一齐纳二极管D4和一限流电阻R1；其中所述振荡器的供电脚VCC与所述驱动器的高边驱动浮动地端相连，所述齐纳二极管D4连接在所述振荡器上的供电脚VCC和引脚GND之间，所述旁路电容器C5与齐纳二极管D4并联，所述限流电阻R1连接在所述振荡器的引脚GND与所述半桥电路的功率地之间。
3.如权利要求2所述的一种半桥驱动电路，其特征在于：所述齐纳二极管D4的电压限值稍高于所述驱动器的供电电压。
4.如权利要求2所述的一种半桥驱动电路，其特征在于：所述电荷转送设备包括两个二极管D2、D3，其中所述二极管D2的阳极与所述振荡器的供电脚VCC相连，阴极与二极管D3的阳极相连；所述二极管D3的阴极与所述驱动器的高边驱动浮动电源端相连；所述二极管D2和二极管D3的公共端与所述振荡器的信号输出脚CLK之间连接有所述充电电容器C4。
5.如权利要求1或2或3或4所述的一种半桥驱动电路，其特征在于：它还包括一自举电容充电启动电路，其在所述低压输入端均无法通过所述自举电容充电电路中的二极管D1和充电泵电路给充电电容器C1充电时，用于利用所述半桥电路所连接的电源VBAT单向为所述充电电容器C1充电，并限制所述充电电容器C1的充电电流和电压；所述自举电容充电启动电路的输入端与所述半桥电路的电源VBAT相连，而且所述自举电容充电启动电路与所述驱动器上的高边驱动浮动电源端和高边驱动浮动地端相连。
6.如权利要求5所述的一种半桥驱动电路，其特征在于：所述自举电容充电启动电路包括限流电阻R2、二极管D5和齐纳二极管D6；其中所述二极管D5的阴极与所述驱动器的高边驱动浮动电源端相连，用于保证电荷的单向传送；所述限流电阻R2连接电源VBAT与所述二极管D5的阳极之间，用于限制充电电流；所述齐纳二极管D6连接在所述充电电容器C1的两端，用于限制充电电压。
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