CN109921631B - 一种桥式驱动器用隔离式上桥自举电荷泵电路及控制方法 - Google Patents

一种桥式驱动器用隔离式上桥自举电荷泵电路及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种桥式驱动器用隔离式上桥自举电荷泵电路及控制方法，线路结构简单，组装方便，具有较强的可扩展性。所述电路包括逐级连接的方波发生器、两组脉冲转换电路、开关电路和变压器输出电路；方波发生器用于产生高电平为VH和低电平为0的方波；两组脉冲转换电路并联在方波发生器和开关电路之间，用于将方波转换为正负交替的脉冲电压信号输入开关电路；变压器输出电路包括初级绕组T1和T2，以及次级绕组T3；初级绕组T1和T2采用双绕组方式首尾连接作为输入端连接开关电路，公共端连接电压源输入端口001；次级绕组T3采用单绕组方式作为输出端，次级绕组T3的两端分别为电压输出正端口002和电压输出负端口003。

Description

一种桥式驱动器用隔离式上桥自举电荷泵电路及控制方法
技术领域
本发明涉及半导体混合集成电路技术领域，具体为一种桥式驱动器用隔离式上桥自举电荷泵电路及控制方法。
背景技术
桥式驱动器是一种被广泛应用的电子产品，目前桥式功率放大部分主要采用N型VDMOS或IGBT作为功率开关管，工作时需要为功率开关管提供足够的栅源电压保证其可靠开通。尤其上桥开通时，上管的源极电位接近功率电源电压，因此要保证上管可靠开通，需实现上管栅极的电平转换，即“自举”。
图1所示为现有的上桥自举驱动电路，Vcc为后级信号级工作电压，V+为功率电源电压，Q1和Q2为桥式功率放大部分的功率开关管，φA为功率输出端。该上桥自举驱动线路结构是通过电容C1的充放电实现的，当Q1关断、Q2开通时，电源Vcc通过二极管D1向电容C1充电；当Q1开通、Q2关断时，电容C1通过驱动芯片IR2110内部回路放电，向上桥Q1栅源充电，保证Q1开通。但该电路结构的缺点是：必须保证电容C1有足够的电荷，当低频连续驱动或电机大占空比启动时，电容C1中电荷得不到补充，最终导致上桥功率管Q1不能可靠开通。严延、李峰飞和吴国军在2009年第11期《机械与电子》的49-52页公开的“基于电荷泵的IR2110全桥驱动电路研究”，提出了一种基于定时器555的上桥自举电荷泵电路，但该电路结构复杂，且不能实现前后级的隔离驱动，当功率较大需要前后级隔离或组装密度较高时，其应用受到限制。
发明内容
针对现有技术中存在的自举电路低频连续驱动和大占空比启动问题和电路的前后级隔离问题，本发明提供一种桥式驱动器用隔离式上桥自举电荷泵电路及控制方法，线路结构简单，组装方便，具有较强的可扩展性，通过并联变压器，可扩大该电荷泵的路数，满足在多路桥式驱动器中的应用。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种桥式驱动器用隔离式上桥自举电荷泵电路，包括逐级连接的方波发生器、两组脉冲转换电路、开关电路和变压器输出电路；
所述的方波发生器用于产生高电平为VH和低电平为0的方波；
所述的两组脉冲转换电路并联在方波发生器和开关电路之间，用于将方波转换为正负交替的脉冲电压信号输入开关电路；
所述变压器输出电路包括初级绕组T1和T2，以及次级绕组T3；初级绕组T1和T2采用双绕组方式首尾连接作为输入端连接开关电路，公共端连接电压源输入端口001；次级绕组T3采用单绕组方式作为输出端，次级绕组T3的两端分别为电压输出正端口002和电压输出负端口003。
优选的，所述方波发生器采用CD40106多路门电路、CD4069多路门电路或NE555振荡器；当使用CD40106多路门电路或CD4069多路门电路时，将剩余门电路进行并联；芯片电源端接电压源输入端口001。
优选的，所述的开关电路包括N型VDMOS Q3和P型VDMOS Q4；
N型VDMOS Q3的漏极连接初级绕组T1，源极接地；
P型VDMOS Q4的漏极接地，源极连接初级绕组T2。
进一步，所述的两组脉冲转换电路由电容C2和电阻R4、电容C3和电阻R5组成；电容C2和C3并接在方波发生器上，电容C2的另一端并接电阻R4和N型VDMOS Q3的栅极，电阻R4的另一端接地；电容C3的另一端并接电阻R5和P型VDMOS Q4的栅极，电阻R5的另一端并接P型VDMOS Q4的源极。
一种桥式驱动器用隔离式上桥自举电荷泵电路控制方法，基于上述任意一项所述的电路，包括，
a.方波转换为脉冲电压信号；
方波发生器产生的方波由0变为VH时，由于电容C2和电容C3两端电压差不能突变，此时电容C2和电容C3的另一端也变为高电平VH；随后电容C2通过电阻R4逐渐放电至电荷为0，电容C3通过电阻R5逐渐放电至电荷为0，此时电容C2和电容C3两端压差为VH，产生正脉冲信号；
方波发生器产生的方波由VH变为0时，为保证电压差不变，电容C2和电容C3另一端电压变为-VH，产生负脉冲信号；随后电容C2通过电阻R4逐渐充电至电荷为0，电容C3通过电阻R5逐渐充电至电荷为0；
b.开关电路根据脉冲信号控制后级对应的变压器绕组轮换工作；
开关电路中的一个N型VDMOS Q3和P型VDMOS Q4组成推挽结构，分别接收脉冲转换电路产生的正负脉冲信号；
当为正脉冲信号时，N型VDMOS Q3导通，P型VDMOS Q4导通截止，当为负脉冲信号时，P型VDMOS Q4导通，N型VDMOS Q3截止，进而控制后级对应的变压器绕组轮换工作；
c.变压器输出电路根据开关电路的控制选择工作方式；
当前级N型VDMOS Q3导通时，绕组T1工作，次级绕组T3向储能电容充电；前级N型VDMOS Q3关断，P型VDMOS Q4导通，绕组T2和P型VDMOS Q4实现变压器的磁复位；
当前级P型VDMOS Q4导通时，绕组T2工作，次级绕组T3向储能电容充电；前级N型VDMOS Q3导通，P型VDMOS Q4关断，绕组T1和N型VDMOS Q3组成的回路实现变压器的磁复位。
优选的，N型VDMOS Q3和P型VDMOS Q4轮换导通，导通时间为脉冲电压大于N型VDMOS Q3和P型VDMOS Q4开关阈值时的脉冲宽度。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开的桥式驱动器用隔离式上桥自举电荷泵电路针对传统自举驱动电路和现有电荷泵的缺点，采用方波发生器、脉冲转换器、开关电路和变压器，实现了桥式驱动器上桥的隔离可靠驱动。该电路具有结构简单，由于该电荷泵电路结构使变压器的两种工作方式，因此变压器不用标注绕组同名端，大大提高了电路的组装效率。采用磁隔离，具有较高的隔离电压；在保持前级电路不变的情况下，具有较强的可扩展性；通过并联变压器，可扩大该电荷泵的路数，满足在多路桥式驱动器中的应用。
附图说明
图1为现有的上桥自举驱动电路结构示意图。
图2为桥式驱动器用隔离式上桥自举电荷泵电路示意图。
图3a为本发明实例中所述NE55振荡器作为方波发生器结构示意图。
图3b为本发明实例中所述CD40106作为方波发生器结构示意图。
图3c为本发明实例中所述CD4069作为方波发生器结构示意图。
图4为桥式驱动器用隔离式上桥自举电荷泵后级连接电路示意图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明一种桥式驱动器用隔离式上桥自举电荷泵电路，包括方波发生器，两组脉冲转换电路、开关电路和变压器输出电路。
其中，方波发生器产生具有一定频率和占空比的方波，并接电容C2和C3，电容C2的另一端并接电阻R4和N型VDMOS Q3的栅极，电阻R4的另一端接地；电容C3的另一端并接电阻R5和P型VDMOS Q4的栅极，电阻R5的另一端并接P型VDMOS Q4的源极和变压器初级绕组T2的一端，P型VDMOS Q4的漏极接地；N型VDMOS Q3的源极接地，漏极接变压器初级绕组T1，T1的另一端接变压器初级绕组T2，T1和T2采用首尾相接方式，公共端连接电压源输入端口001。变压器次级绕组具有两个电压输出端口，电压输出正端口002和电压输出负端口003。
该电路应用时，电压输出正端口002接整流二极管的阳极，整流二极管阴极与储能电容连接；电压输出负端口003并接储能电容的另一端和对应桥式功率放大线路的输出端。
所述方波发生器可采用由CD40106、CD4069、NE555等连接的多谐振荡线路，产生的方波中高电平为VH和低电平为0。当使用CD40106或CD4069等多路门电路时，为了提高驱动能力，可将剩余门电路进行并联。芯片电源端接电压源输入端口001，进而减少电压源数量，简化线路。
所述脉冲转换电路，分别由电容C2和电阻R4、电容C3和电阻R5组成。
方波发生器产生的方波由0变为VH时，由于电容C2和电容C3两端电压差不能突变，此时电容C2和电容C3的另一端也变为高电平VH，随后电容C2通过电阻R4逐渐放电至电荷为0，电容C3通过电阻R5逐渐放电至电荷为0，此时电容C2和电容C3两端压差为VH。方波发生器产生的方波由VH变为0时，为保证电压差不变，电容C2和电容C3另一端电压变为-VH，随后电容C2通过电阻R4逐渐充电至电荷为0，电容C3通过电阻R5逐渐充电至电荷为0。
脉冲转换功能是利用电容C2和电容C3两端电压不能突变的特性以及R/C电路的充放电特性实现的；通过调节电容C2和电阻R4、电容C3和电阻R5的相对参数，可改变脉冲的宽度。方波发生器产生的方波经过脉冲转换电路后变为正负交替的脉冲电压信号。
所述开关电路，由一个N型VDMOS Q3和P型VDMOS Q4组成推挽结构，分别接收脉冲转换电路产生的正负脉冲信号；当为正脉冲信号时，N型VDMOS Q3导通，P型VDMOS Q4导通截止，当为负脉冲信号时，P型VDMOS Q4导通，N型VDMOS Q3截止，进而控制后级对应的变压器绕组轮换工作。导通时间为脉冲电压大于N型VDMOS Q3和P型VDMOS Q4开关阈值时的脉冲宽度。N型VDMOS Q3和P型VDMOS Q4轮换导通，导通时间为脉冲电压大于N型VDMOS Q3和P型VDMOS Q4开关阈值时的脉冲宽度。
所述变压器输出电路初级采用双绕组方式T1和T2首尾连接，次级采用单绕组方式T3，有两种工作方式：(1)前级N型VDMOS Q3导通时，绕组T1工作，次级绕组T3向储能电容充电；前级N型VDMOS Q3关断，P型VDMOS Q4导通，绕组T2和P型VDMOS Q4实现变压器的磁复位；(2)前级P型VDMOS Q4导通时，绕组T2工作，次级绕组T3向储能电容充电；前级N型VDMOS Q3导通，P型VDMOS Q4关断，绕组T1和N型VDMOS Q3组成的回路实现变压器的磁复位。上述两种工作方式可使变压器无需进行同名端标注。采用变压器可使前后级具有较高的隔离电压。
采用变压器具有较高的隔离电压；具有两种工作方式，变压器无需标注同名端，无论变压器次级如何连接，总有一组初级绕组为后级提供充电能量。通过并联变压器，满足在多路桥式驱动器中的应用。
具体的，如图2所示，本发明公开的桥式驱动器用隔离式上桥自举电荷泵电路。包括方波发生器电路，两组脉冲转换电路、开关电路、变压器输出电路。001端为前级信号级电压源输入端口，Q3为N型VDMOS，Q4为P型VDMOS，002端为变压器电压输出正端口，003端为变压器电压输出负端口。
方波发生器产生具有一定频率和占空比的方波，并接电容C2和C3，电容C2的另一端并接电阻R4和N型VDMOS Q3的栅极，电阻R4的另一端接地；电容C3的另一端并接电阻R5和P型VDMOS Q4的栅极，电阻R5的另一端接P型VDMOS Q4的源极和变压器初级绕组T2的一端，P型VDMOS Q4的漏极接地；N型VDMOS Q3的源极接地，漏极接变压器初级绕组T1，T1的另一端接变压器初级绕组T2，T1和T2采用首尾相接方式，公共端连接电压源输入端口001。变压器次级绕组电压输出正端口002接整流二极管的阳极，整流二极管阴极与储能电容连接；电压输出负端口003并接储能电容的另一端和对应桥式功率放大线路的输出端。
图2中的方波发生器如图3a、图3b和图3c所示，方波发生器可为NE555振荡器、CD4069、CD40106等连接的多谐振荡线路，高电平为VH和低电平为0；如图3b和图3c所示，当使用CD40106或CD4069等多路门电路时，为了提高驱动能力，可将剩余门电路进行并联。芯片电源端接电压源输入端口001，进而减少电压源数量，简化线路。
图2中脉冲转换电路，分别由电容C2和电阻R4、电容C3和电阻R5组成。方波发生器产生的方波由0变为VH时，由于电容C2和电容C3两端电压差不能突变，此时电容C2和电容C3的另一端也变为高电平VH，随后电容C2通过电阻R4逐渐放电至电荷为0，电容C3通过电阻R5逐渐放电至电荷为0，此时电容C2和电容C3两端压差为VH。方波发生器产生的方波由VH变为0时，为保证电压差不变，电容C2和电容C3另一端电压变为-VH，随后电容C2通过电阻R4逐渐充电至电荷为0，电容C3通过电阻R5逐渐充电至电荷为0。
方波发生器产生的方波经过脉冲转换电路后变为正负交替的脉冲电压信号。
图2中的开关电路，由一个N型VDMOS Q3和P型VDMOS Q4组成推挽结构，分别接收脉冲转换电路产生的正负脉冲信号，当为正脉冲信号时，N型VDMOS Q3导通，当为负脉冲信号时，P型VDMOS Q4导通，进而控制后级对应的变压器绕组轮换工作。导通时间为脉冲电压大于N型VDMOS Q3和P型VDMOS Q4开关阈值时的脉冲宽度。
图2中变压器输出电路初级采用双绕组方式T1和T2首尾连接，次级采用单绕组方式T3，后级电路连接方式如图4所示。该电路有两种工作方式：(1)前级N型VDMOS Q3导通时，绕组T1工作，次级绕组T3从002端通过续流二极管D3向储能电容C4充电；前级N型VDMOS Q3关断，P型VDMOS Q4导通，绕组T2和P型VDMOS Q4组成的回路实现变压器的磁复位；(2)前级P型VDMOS Q4导通时，绕组T2工作，次级绕组T3从003端通过续流二极管D3向储能电容C4充电；前级N型VDMOS Q3导通，P型VDMOS Q4关断，绕组T1和N型VDMOS Q3组成的回路实现变压器的磁复位。两种工作方式可避免变压器错焊，使变压器无需标注同名端即可可靠工作，同时采用变压器可使前后级具有较高的隔离电压。
本发明公开的桥式驱动器用隔离式上桥自举电荷泵电路线路结构简单，变压器无需标注同名端，组装效率高，隔离电压高，具有较强的可扩展性，通过并联变压器，可扩大该电荷泵的路数，满足在多路桥式驱动器中的应用。特别是克服了传统自举驱动电路和现有电荷泵的缺点，实现了桥式驱动器上桥的隔离可靠驱动。该线路已在三相桥驱动器中应用，效果良好。
如图4所示的桥式驱动器用隔离式上桥自举电荷泵后级连接电路；桥路驱动芯片U1以IR公司生产的IR2110为例，D3为整流二极管，C4为储能电容，Q5和Q6为桥式功率放大部分的功率开关管，φA为功率输出端。002端为电荷泵变压器电压输出正端口，003端为电荷泵变压器电压输出负端口。

Claims (1)

1.一种桥式驱动器用隔离式上桥自举电荷泵电路，其特征在于，包括逐级连接的方波发生器、两组脉冲转换电路、开关电路和变压器输出电路；
所述的方波发生器用于产生高电平为VH和低电平为0的方波；
所述的两组脉冲转换电路并联在方波发生器和开关电路之间，用于将方波转换为正负交替的脉冲信号输入开关电路；
所述变压器输出电路包括初级绕组T1和T2，以及次级绕组T3；初级绕组T1和T2采用双绕组方式首尾连接作为输入端连接开关电路，公共端连接电压源输入端口001；次级绕组T3采用单绕组方式作为输出端，次级绕组T3的两端分别为电压输出正端口002和电压输出负端口003；
所述的开关电路包括N型VDMOS Q3和P型VDMOS Q4；
N型VDMOS Q3的漏极连接初级绕组T1，源极接地；
P型VDMOS Q4的漏极接地，源极连接初级绕组T2；
所述的两组脉冲转换电路由电容C2和电阻R4、电容C3和电阻R5组成；电容C2和C3并接在方波发生器上，电容C2的另一端并接电阻R4和N型VDMOS Q3的栅极，电阻R4的另一端接地；电容C3的另一端并接电阻R5和P型VDMOS Q4的栅极，电阻R5的另一端并接P型VDMOS Q4的源极；
所述方波发生器采用CD40106多路门电路、CD4069多路门电路或NE555振荡器；当使用CD40106多路门电路或CD4069多路门电路时，将剩余门电路进行并联；芯片电源端接电压源输入端口001；
所述的一种桥式驱动器用隔离式上桥自举电荷泵电路在控制时包括，
a.方波转换为脉冲信号；
方波发生器产生的方波由0变为VH时，由于电容C2和电容C3两端电压差不能突变，此时电容C2和电容C3的另一端也变为高电平VH；随后电容C2通过电阻R4逐渐放电至电荷为0，电容C3通过电阻R5逐渐放电至电荷为0，此时电容C2和电容C3两端压差为VH，产生正脉冲信号；
方波发生器产生的方波由VH变为0时，为保证电压差不变，电容C2和电容C3另一端电压变为-VH，产生负脉冲信号；随后电容C2通过电阻R4逐渐充电至电荷为0，电容C3通过电阻R5逐渐充电至电荷为0；
b.开关电路根据脉冲信号控制后级对应的变压器绕组轮换工作；
开关电路中的一个N型VDMOS Q3和P型VDMOS Q4组成推挽结构，分别接收脉冲转换电路产生的正负脉冲信号；
当为正脉冲信号时，N型VDMOS Q3导通，P型VDMOS Q4导通截止，当为负脉冲信号时，P型VDMOS Q4导通，N型VDMOS Q3截止，进而控制后级对应的变压器绕组轮换工作；
c.变压器输出电路根据开关电路的控制选择工作方式；
当前级N型VDMOS Q3导通时，绕组T1工作，次级绕组T3向储能电容充电；前级N型VDMOSQ3关断，P型VDMOS Q4导通，绕组T2和P型VDMOS Q4实现变压器的磁复位；
当前级P型VDMOS Q4导通时，绕组T2工作，次级绕组T3向储能电容充电；前级N型VDMOSQ3导通，P型VDMOS Q4关断，绕组T1和N型VDMOS Q3组成的回路实现变压器的磁复位；
N型VDMOS Q3和P型VDMOS Q4轮换导通，导通时间为脉冲电压大于N型VDMOS Q3和P型VDMOS Q4开关阈值时的脉冲宽度。
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