CN102437842B - 一种基于集成驱动芯片的开关管驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于集成驱动芯片的开关管驱动电路，包括集成驱动芯片、反相器、3个二极管、4个电阻、2个电解电容和2个开关管，其中，集成驱动芯片的高边数字信号输入端输入数字PWM控制信号，而低边数字信号输入端经由反相器也连接前述数字PWM控制信号；第一二极管的正极连接12V电源，负极连接集成驱动芯片的高边输出电源端，而所述的高边输出电源端还经由第一电解电容连接集成驱动芯片的高边输出接地端，且第一电解电容的正极连接高边输出电源端；第二开关管的栅极经由第三电阻连接低边驱动信号输出端，而源极经由第四电阻连接模拟地。此种驱动电路的功耗小，且占空比范围宽，数字信号与模拟信号相隔离。

Description

一种基于集成驱动芯片的开关管驱动电路

技术领域

本发明属于电路技术领域，特别是指一种采用MOSFET集成驱动芯片构造的、用于驱动功率变换器中的高边功率驱动电路。

背景技术

传统的高边功率开关管驱动电路，一种(可配合图1所示)是利用电容升压原理，将高边功率开关管的源极与与之相连的对地一直存在电压的那点之间接一功率二极管，使高边功率开关管关断时其源极由于二极管的反向不导通而与一直对地存在电压的那点断开，同时将升压电容负极通过一电阻直接接地，从而完成对升压电容的充电，这样在这一连接电阻和功率二极管上会消耗大量的能量，导致驱动电路的能耗太大。另一种是利用变压器实现信号的隔离与传输，但由于变压器只能传输交流信号，当控制信号PWM的占空比很小或较大时，经变压器传输后会发生畸变，因此该类驱动电路只适合于占空比在0.5附近的应用场合。

目前，市面上有很多种用于MOSFET集成驱动芯片，以IR2110为例，它是国际半导体公司生产的一款MOSFET驱动芯片，它的主要功能是将数字驱动信号与功率驱动信号隔离开来。此外，当该芯片的输入端HIN为高电平时，将输出端HO与VB导通，而输入端HIN为低电平时，将输出端HO与VS导通；同理，该芯片的输入端LIN为高电平时，将输出端LO与VCC导通，而输入端LIN为低电平时，将输出端LO与COM导通。因此，本发明人考虑利用IR2110的输入端HIN与LIN控制高端与低端，并借助小功率开关管半桥搭建所需的开关管驱动电路，本案由此产生。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，是针对前述背景技术中的缺陷和不足，提供一种基于集成驱动芯片的开关管驱动电路，其功耗小，且占空比范围宽(占空比可以为0至96％)，开关频率最高为500KHZ，数字信号与模拟信号相隔离。

本发明为解决以上技术问题，所采用的技术方案是：

一种基于集成驱动芯片的开关管驱动电路，包括集成驱动芯片、反相器、3个二极管、4个电阻、2个电解电容和2个开关管，其中，集成驱动芯片的高边数字信号输入端输入数字PWM控制信号，而低边数字信号输入端经由反相器也连接前述数字PWM控制信号；低边输出接地端连接模拟地；第一二极管的正极连接12V电源，负极连接集成驱动芯片的高边输出电源端，而所述的高边输出电源端还经由第一电解电容连接集成驱动芯片的高边输出接地端，且第一电解电容的正极连接高边输出电源端；集成驱动芯片的高边驱动信号输出端分别连接第二二极管的负极、第一电阻的一端、第三二极管的正极和第二电阻的一端；而第二二极管的正极连接第一电阻的另一端，且第二二极管的正极还连接欲驱动开关管的栅极；第三二极管的负极连接第二电阻的另一端，且第三二极管的负极还连接第一开关管的栅极，而所述第一开关管的漏极连接欲驱动开关管的源极，第一开关管的源极则分别连接第一电解电容的负极和第二开关管的漏极；集成驱动芯片的低边输出电源端连接12V电源，并连接第二电解电容的正极，而第二电解电容的负极连接模拟地；第二开关管的栅极经由第三电阻连接低边驱动信号输出端，而源极经由第四电阻连接模拟地。

采用上述方案后，本发明针对现有两种类型驱动电路中，第一类驱动电路功耗随着被驱动开关管两端电压增大而呈指数增大，第二类驱动电路适用的占空比范围小的问题，利用MOSFET集成驱动芯片的特性，要关断被驱动功率开关管时，利用驱动芯片将被驱动功率开关管栅源极两端短接，实现被驱动功率开关管的关断，同时控制开关管Q1的关断使升压电容负极与被驱动开关管源极之间的连接断开，然后控制Q2的导通将升压电容负极接地，完成对升压电容的充电工作；要导通被驱动功率开关管时，控制开关管Q2的关断使升压电容负极与地之间断开，然后使Q1导通将升压电容正负极并接于被驱动功率开关管栅源极两端，实现驱动功率开关管的导通。在控制开关管Q1时，需要合理选择其栅极电阻R2用于控制Q1关断的时间，与此同时也需合理选择被驱动的高边功率开关管Q的栅极电阻R1，以控制开关管Q的导通时间。

附图说明

图1利用电容升压原理的传统开关管驱动电路；

图2是本发明的电路原理图；

芯片中引脚名称为：

HIN：高边数字信号输入端

LIN：低边数字信号输入端

VB：高边输出电源端

VCC：低边输出电源端

HO：高边驱动信号输出端

LO：低边驱动信号输出端

VS：高边输出接地端

COM：低边输出接地端

图3是IR2110芯片的内部结构图；

图4是开关管导通过程的栅极电压特性图；

图5是本发明所适用的集成驱动芯片的内部架构图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

如图2所示，本发明提供一种基于集成驱动芯片的开关管驱动电路，用于为开关管Q提供驱动信号，所述的驱动电路包括集成驱动芯片(本实施例中以IR2110为例进行说明)、反相器、二极管D1～D3、电阻R1～R4、电解电容C1、C2和开关管Q1、Q2，其中，IR2110的引脚HIN输入数字PWM控制信号，而引脚LIN经由反相器也连接前述数字PWM控制信号；引脚SD、VSS、NC均连接数字地，引脚VDD连接5V电源，而引脚COM连接模拟地；二极管D1的正极连接12V电源，负极连接引脚VB，而所述的引脚VB还经由电解电容C1连接引脚VS，且电解电容C1的正极连接引脚VB；引脚HO分别连接二极管D2的负极、电阻R1的一端、二极管D3的正极和电阻R2的一端；而二极管D2的正极连接电阻R1的另一端，且二极管D2的正极还连接开关管Q的栅极；二极管D3的负极连接电阻R2的另一端，且二极管D3的负极还连接开关管Q1的栅极，而所述开关管Q1的漏极连接开关管Q的源极，其源极则分别连接电解电容C1的负极和开关管Q2的漏极；IR2110的引脚VCC连接12V电源，并连接电解电容C2的正极，而电解电容C2的负极连接模拟地；开关管Q2的栅极经由电阻R3连接引脚LO，而源极经由电阻R4连接模拟地。

工作时，数字PWM控制信号经反相器输入IR2110的低端输入端LIN，而同时该数字PWM控制信号直接输入IR2110的高端输入端HIN。当PWM为低电平时，低端输入端LIN为高电平，高端输入端HIN为低电平，从图3中可以看出，HO与VS之间导通，由于电阻R2的影响，开关管Q的栅源两极之间电容上电压降至开启阈值电压之下，开关管Q完全关断时，开关管Q1栅源两极之间电容上的电压还未降到米勒平台电压之下，但随着开关管Q的关断，Q1也逐渐关断；同时从图3中可以看到此时，引脚VCC与引脚LO之间导通，使得开关管Q2的栅源两极之间有12V电压，开关管Q2导通，实现用于升压的电解电容C1的负极与地相连，完成对电解电容C1的充电工作。

为实现以上的控制，需要根据Q、Q1、Q2的参数，选择电阻R1、R2的适当值。

首先选择R1的值。驱动信号PWM为高电平时，实现开关管Q的栅源电压达到开启阈值电压之前，开关管Q1已经完全导通是选择电阻R1的基本依据，如图4所示。开关管Q从0时刻到时刻t₁所需时间：

$t_{1\_Q}=(R_1+R_{2110})C_{\mathrm{iss}\_Q}*\ln \frac{1}{1-\frac{V_{\mathrm{TH}\_Q}}{V_{\mathrm{GG}\_Q}}}$

其中，R₂₁₁₀是IR2110引脚HO与VB或HO与VS之间导通时的电阻，C_{iss_Q}是开关管Q的输入电容，V_{TH_Q}是开关管Q的开启阈值电压，V_{GG_Q}是开关管Q完全导通后栅源极最终的静态电压。

开关管Q1从0时刻到时刻t₁所需时间：

$t_{1\_Q1}{=R}_{2110}{C}_{\mathrm{iss}\_Q1}*\ln \frac{1}{1-\frac{V_{\mathrm{TH}\_Q1}}{V_{\mathrm{GG}\_Q1}}}$

其中，C_{iss_Q1}是开关管Q1的输入电容，V_{TH_Q1}是开关管Q1的开启阈值电压，V_{GG_Q1}是开关管Q1完全导通后栅源极最终的静态电压。

开关管Q1从t₁时刻到时刻t₂所需时间：

$t_{2\_Q1}{=R}_{2110}{C}_{\mathrm{iss}\_Q1}*\ln \frac{1}{1-\frac{V_{\mathrm{GP}\_Q1}}{V_{\mathrm{GG}\_Q1}}}-t_{1\_Q1}$

其中，V_{GP_Q1}是开关管Q1的米勒平台电压。

开关管Q1的米勒平台电压：

V_{GP_Q1}＝V_{TH_Q1}+g_{_Q1}×I_{DS_Q1}

其中，g_{_Q1}是开关管Q1的跨导，I_{DS_Q1}是开关管Q1完全导通后的最大电流。

开关管Q1完全导通后的最大电流：

$I_{\mathrm{DS}\_Q1}=\frac{V_{\mathrm{GG}\_Q1}}{R_{2110}+R_1}$

所以，

$t_{2\_Q1}$

$=R_{2110}{C}_{\mathrm{iss}\_Q1}*\ln \frac{1}{1-\frac{V_{\mathrm{TH}\_Q1}+g_{\_Q1}\×\frac{V_{\mathrm{GG}\_Q1}}{R_{2110}+R_1}}{V_{\mathrm{GG}\_Q1}}}-R_{2110}{C}_{\mathrm{iss}\_Q1}*\ln \frac{1}{1-\frac{V_{\mathrm{TH}\_Q1}}{V_{\mathrm{GG}}\_Q1}}$

$=R_{2110}{C}_{\mathrm{iss}\_Q1}*\ln \frac{1-\frac{V_{\mathrm{TH}\_Q1}}{V_{\mathrm{GG}\_Q1}}}{1-(V_{\mathrm{TH}\_Q1}+\frac{g_{\_Q1}}{R_{2110}+R_1})}$

由于开关管Q1导通后，即时刻t₁之后，开关管Q的栅源极之间才开始存在电压，所以要满足开关管Q的栅源电压达到开启阈值电压之前，开关管Q1已经完全导通，选择电阻R1，只需满足：T_{2_Q1}＜t_{1_Q}，那么，

$R_{2110}{C}_{\mathrm{iss}\_Q1}*\ln \frac{1-\frac{V_{\mathrm{TH}\_Q1}}{V_{\mathrm{GG}\_Q1}}}{1-(V_{\mathrm{TH}\_Q1}+\frac{g_{\_Q1}}{R_{2110}+R_1})}<(R_1+R_{2110})C_{\mathrm{iss}\_Q}*\ln \frac{1}{1-\frac{V_{\mathrm{TH}\_Q}}{V_{\mathrm{GG}\_Q}}}$

利用MATLAB绘制函数曲线功能分别绘制出不等式左右两边的曲线，找到两曲线交点后，即可求取所需R1值范围。

选择R2的值，驱动信号PWM为低电平时，实现开关管Q的栅源电压从V_{GG_Q}下降到开启阈值电压之后，开关管Q1的栅源电压还未从V_{GG_Q1}下降到米勒平台电压V_{GP_Q1}是选择电阻R2的基本依据。

开关管Q从t₅时刻到时刻t₆所需时间：

$t_{6\_Q}=R_{2110}{C}_{\mathrm{iss}\_Q}*\ln \frac{V_{\mathrm{GG}\_Q}}{V_{\mathrm{GP}\_Q}}$

其中，V_{GP_Q}是开关管Q的米勒平台电压。

V_{GP_Q}是开关管Q的米勒平台电压：

V_{GP_Q}＝V_{TH_Q}+g_{_Q}×I_{DS_Q}

其中，g_{_Q}是开关管Q的跨导，I_{DS_Q}是开关管Q的完全导通后的最大电流。

开关管Q从t₅时刻到时刻t0₇所需时间：

$t_{7\_Q}=\frac{R_{2110}{C}_{\mathrm{rss}\_Q}(V_{\mathrm{DS}\_Q}-I_{\mathrm{DS}\_Q}*R_{\mathrm{DS}\_Q})}{V_{\mathrm{GG}\_Q}-V_{\mathrm{GP}\_Q}}$

其中，C_{rss_Q}是开关管Q的米勒电容，R_{DS_Q}是开关管Q完全导通后的漏源极间的导通电阻。

开关管Q从t₇时刻到时刻t₈所需时间：

$t_{8\_Q}=R_{2110}{C}_{\mathrm{iss}\_Q}*\ln \frac{V_{\mathrm{GG}\_Q}}{V_{\mathrm{TH}\_Q}}-R_{2110}{C}_{\mathrm{iss}\_Q}*\ln \frac{V_{\mathrm{GG}\_Q}}{V_{\mathrm{GP}\_Q}}=R_{2110}{C}_{\mathrm{iss}\_Q}*\ln \frac{V_{\mathrm{GP}\_Q}}{V_{\mathrm{TH}\_Q}}$

开关管Q从t₅时刻到时刻t₆所需时间：

$t_{6\_Q1}=(R_{2110}+R_2)C_{\mathrm{iss}\_Q}*\ln \frac{V_{\mathrm{GG}\_Q1}}{V_{\mathrm{GP}\_Q1}}$

为实现开关管Q的栅源电压从V_{GG_Q}下降到开启阈值电压V_{TH_Q}之后，开关管Q1的栅源电压还未从V_{GG_Q1}下降到米勒平台电压V_{GP_Q1}，选择电阻R2，只需：t_{6_Q}+t_{7_Q}+t_{8_Q}＜t_{6_Q1}。

那么，

$R_{2110}{C}_{\mathrm{iss}\_Q}*\ln \frac{V_{\mathrm{GG}\_Q}}{V_{\mathrm{GP}\_Q}}+\frac{R_{2110}{C}_{\mathrm{rss}\_Q}(V_{\mathrm{DS}\_Q}-I_{\mathrm{DS}\_Q}*R_{\mathrm{DS}\_Q})}{V_{\mathrm{GG}\_Q}-V_{\mathrm{GP}\_Q}}+R_{2110}{C}_{\mathrm{iss}\_Q}*\ln \frac{V_{\mathrm{GP}\_Q}}{V_{\mathrm{TH}\_Q}}$

$<(R_{2110}+R_2)C_{\mathrm{iss}\_Q}*\ln \frac{V_{\mathrm{GG}\_Q1}}{V_{\mathrm{GP}\_Q1}}$

化简后，

$R_{2110}(C_{\mathrm{iss}\_Q}*\ln \frac{V_{\mathrm{GG}\_Q}}{V_{\mathrm{TH}\_Q}}+\frac{C_{\mathrm{rss}\_Q}(V_{\mathrm{DS}\_Q}-I_{\mathrm{DS}\_Q}*R_{\mathrm{DS}\_Q})}{V_{\mathrm{GG}\_Q}-(V_{\mathrm{TH}\_Q}+g_{\_Q}\&times;I_{\mathrm{DS}\_Q})})$

$<(R_{2110}+R_2)C_{\mathrm{iss}\_Q}*\ln \frac{V_{\mathrm{GG}\_Q1}}{V_{\mathrm{TH}\_Q1}+g_{\_Q1}\&times;\frac{V_{\mathrm{GG}\_Q1}}{R_{2110}+R_1}}$

在先求取R1后，通过查找开关管Q、Q1的Datasheet相关数据和开关管Q所在主电路流经开关管Q的最大电流，即可算出电阻R2的取值范围。

需要说明的是，本发明所指的集成驱动芯片，需具有图5所示的内部电路结构，包括两个数字信号隔离与电平转换电路、一个与门、一个非门和四个MOSFET，其中，第一数字信号隔离与电平转换电路的一端引出作为引脚HIN，而该电路的另一端经由非门分别连接MOSFET G1、G2的栅极，G1和G2的源极对应连接，并引出引脚HO，MOSFET G1的漏极引出作为引脚VB，MOSFET G2的漏极引出作为引脚VS；第二数字信号隔离与电平转换电路的一端引出作为引脚LIN，而该电路的另一端连接与门的一个输入端，与门的另一个输入端连接前述非门的输出端，与门的输出端分别连接MOSFET G3、G4的栅极，G3和G4的源极对应连接，并引出引脚LO，MOSFET G3的漏极引出作为引脚VCC，MOSFET G4的漏极引出作为引脚COM。

工作时，从引脚HIN输入数字信号，经第一数字信号隔离与电平转换电路将输入的数字信号先经数字信号隔离，再将数字信号转换成后端电路所需电平的模拟电压信号，用于驱动后端互补推挽式的MOSFET。当HIN为高电平时，MOSFET G1、G2的栅极均为低电平，G1导通而G2关断，同时，无论引脚LIN输入高电平还是低电平，G3、G4栅极均为高电平，G3关断而G4导通；当HIN为低电平，而LIN为高电平时，G1、G2的栅极均为高电平，G1关断而G2导通，G3、G4的栅极电压均为低电平，G3导通而G4关断。由以上分析可知，此种结构的芯片主要实现的功能是：(1)对HIN、LIN输入的信号进行隔离；(2)HIN输入的高、低电平分别控制G1的导通、G2的导通；(3)LIN输入的高、低电平分别控制G3的导通、G4的导通；(4)G1导通时，G3不可能导通。

综上所述，本发明一种基于集成驱动芯片的开关管驱动电路，工作于电路高压边，此处所指的高边与一般的高边有一定的区别，一般所说的高边驱动电路的高边是指，被驱动开关管导通时其源极对地为高电势，但开关管关断时源极对地为零电势，而本发明中的高边是指无论开关管导通或关断，其源极对地始终有较高的电压差。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于集成驱动芯片的开关管驱动电路，其特征在于：包括集成驱动芯片、反相器、3个二极管、4个电阻、2个电解电容和2个开关管，所述集成驱动芯片包括两个数字信号隔离与电平转换电路、一个与门、一个非门和四个MOSFET，其中，第一数字信号隔离与电平转换电路的一端引出作为高边数字信号输入端，而该电路的另一端经由非门分别连接第一、二MOSFET的栅极，所述第一、二MOSFET的源极对应连接，并引出高边驱动信号输出端，第一MOSFET的漏极引出作为高边输出电源端，第二MOSFET的漏极引出作为高边输出接地端；第二数字信号隔离与电平转换电路的一端引出作为低边数字信号输入端，而该电路的另一端连接与门的一个输入端，与门的另一个输入端连接前述非门的输出端，与门的输出端分别连接第三、四MOSFET的栅极，所述第三、四MOSFET的源极对应连接，并引出低边驱动信号输出端，第三MOSFET的漏极引出作为低边输出电源端，第四MOSFET的漏极引出作为低边输出接地端；

其中，集成驱动芯片的高边数字信号输入端输入数字PWM控制信号，而低边数字信号输入端经由反相器也连接前述数字PWM控制信号；低边输出接地端连接模拟地；第一二极管的正极连接12V电源，负极连接集成驱动芯片的高边输出电源端，而所述的高边输出电源端还经由第一电解电容连接集成驱动芯片的高边输出接地端，且第一电解电容的正极连接高边输出电源端；集成驱动芯片的高边驱动信号输出端分别连接第二二极管的负极、第一电阻的一端、第三二极管的正极和第二电阻的一端；而第二二极管的正极连接第一电阻的另一端，且第二二极管的正极还连接欲驱动开关管的栅极；第三二极管的负极连接第二电阻的另一端，且第三二极管的负极还连接第一开关管的栅极，而所述第一开关管的漏极连接欲驱动开关管的源极，第一开关管的源极则分别连接第一电解电容的负极和第二开关管的漏极；集成驱动芯片的低边输出电源端连接12V电源，并连接第二电解电容的正极，而第二电解电容的负极连接模拟地；第二开关管的栅极经由第三电阻连接低边驱动信号输出端，而源极经由第四电阻连接模拟地。

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