CN110868062B - 一种半桥驱动电路及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型半桥驱动电路及其控制方法，所述半桥驱动电路用于驱动功率模块，包括：上管驱动电路和下管驱动电路，所述上管驱动电路互锁连接所述下管驱动电路，所述上管驱动电路和所述下管驱动电路的电路结构一样，所述上管驱动电路包括整形电路和输出电路，所述输出电路连接所述整形电路；所述整形电路控制所述输出电路输出可调的开通电压或可调的关断电压，所述上管驱动电路和所述下管驱动电路不能同时输出开通电压或关断电压。本发明通过整形电路提高了半桥驱动电路的抗干扰性，上管驱动电路和下管驱动电路互锁连接提升了半桥驱动电路的可靠性，通过输出可调的开通电压和关断电压降低了驱动功率，增强了半桥驱动电路的兼容性。

Description

一种半桥驱动电路及其控制方法
技术领域
本发明涉及电子电路技术领域，具体涉及一种半桥驱动电路及其控制方法。
背景技术
传统IGBT驱动电路或场效应晶体管驱动电路用于开通关断功率模块的电压是通过稳压二极管产生关断电压Voff，用总电压Vtot减去的关断电压Voff即为开通电压Von。这种传统的方式由于驱动电路的输出开通电压固定不变，会无故的增加驱动功率。且当驱动电路的上管和下管同时收到导通信号时，会出现短路，导致功率模块炸裂。
另外，目前市场上除了应用最广泛的半导体器件为采用Si材料的IGBT和场效应晶体管，各大半导体厂家纷纷投入很大精力研究宽禁带的半导体器件SiC；但现在不同厂商推出SiC半导体器件所推荐的开通关断电压都不相同，而驱动IC的开通电压又都是固定的，导致需要开发不同的驱动板与之匹配，这无疑会增加开发周期和项目成本。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足之处而提供一种半桥驱动电路及其控制方法，该驱动电路具有良好的抗干扰能力和可靠性，同时降低了驱动功率，并增加了驱动电路的兼容性。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
第一方面：本发明提供一种半桥驱动电路，包括上管驱动电路和下管驱动电路，所述上管驱动电路互锁连接所述下管驱动电路，所述上管驱动电路和所述下管驱动电路的电路结构一样，所述上管驱动电路包括整形电路和输出电路，所述输出电路连接所述整形电路；
所述整形电路控制所述输出电路输出可调的开通电压或可调的关断电压，所述上管驱动电路和所述下管驱动电路不能同时输出开通电压或关断电压。
进一步地，所述输出电路包括VISO端子、VEE端子、COM端子、第一TL431、第二TL431、电阻R4、电阻R5、电阻R6和电阻R7，所述VISO端子连接所述电阻R5的一端且公共端连接所述第一TL431的阴极和所述整形电路的第一输出端，所述第一TL431的参考极连接所述电阻R5的另一端且公共端连接所述电阻R4的一端，所述第一TL431的阳极连接所述电阻R4的另一端且公共端连接所述VEE端子，所述VEE端子连接所述电阻R6的一端且公共端连接所述第二TL431的阴极，所述电阻R6的另一端连接所述第二TL431的参考极且公共端连接所述电阻R7的一端，所述第二TL431的阳极连接所述电阻R7的另一端且公共端连接所述COM端子和所述整形电路的第二输出端。
进一步地，所述整形电路包括信号输入端子PWM_H、导通开关Q1、电容C1、电源VCC、光耦U1，电阻R1、电阻R2和电阻R3，所述信号输入端子PWM_H连接所述电阻R1的一端，所述电阻R1的另一端连接所述电阻R2的一端且公共端连接所述电容C1的一端和所述导通开关Q1的控制端，所述电阻R2的另一端连接所述电容C1的另一端且公共端连接所述导通开关Q1的输出端和信号地，所述导通开关Q1的输入端连接所述电阻R3的一端且公共端连接所述光耦U1原边二极管的阴极且公共端连接所述下管驱动电路，所述电阻R3的另一端连接所述电源VCC的第一输出端，所述光耦U1原边二极管的阳极连接所述下管驱动电路，所述光耦U1的副边连接所述输出电路。
进一步地，所述半桥驱动电路还包括电阻R15，所述下管驱动电路的整形电路包括电阻R10、光耦U2，所述光耦U1原边二极管的阴极连接所述光耦U2原边二极管的阳极，所述光耦U1原边二极管的阳极连接所述光耦U2原边二极管的阴极且公共端连接所述电阻R10的一端和所述电阻R15的一端，所述电阻R10的另一端连接所述电源VCC的第二输出端，所述电阻R15的另一端连接所述电源VCC的第三输出端子。
进一步地，所述开通电压用于驱动功率模块导通，所述关断电压用于驱动功率模块截止，所述功率模块为IGBT或场效应晶体管。
进一步地，所述VISO端子和所述VEE端子之间的电压为开通电压，所述VEE端子和所述COM端子之间的电压为关断电压。
进一步地，所述导通开关Q1为MOS管或三极管。
第二方面，本发明还提供一种半桥驱动电路的控制方法，所述控制方法应用于第一方面所述的半桥驱动电路，包括：
信号输入端子输入高电平或低电平信号控制光耦导通或截止；
光耦导通或截止使输出电路输出开通电压或关断电压。
进一步地，当上管驱动电路的输入信号与下管驱动电路的输入信号不相同时，所述控制方法可以同时应用于上管驱动电路和下管驱动电路；
当上管驱动电路的输入信号与下管驱动电路的输入信号相同时，上管驱动电路和下管驱动电路均输出关断电压。
进一步地，所述开通电压或关断电压大小可以通过改变电阻阻值进行设置。
本发明的有益效果是：本发明提供了一种半桥驱动电路及其控制方法，通过整形电路提高了半桥驱动电路的抗干扰性，上管驱动电路和下管驱动电路互锁连接提升了半桥驱动电路的可靠性，通过输出可调的开通电压和关断电压降低了驱动功率，增强了半桥驱动电路的兼容性。
附图说明
利用附图对发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
图1是本发明的一个实施例的半桥驱动电路的电路结构示意图。
其中，附图标记如下：10.上管驱动电路，20.下管驱动电路，101，整形电路，102.输出电路。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
在数字电路中，把电压的高低用逻辑电平来表示，逻辑电平包括高电平和低电平这两种。不同的元器件形成的数字电路，电压对应的逻辑电平也不同。逻辑电平通过阈值电平来定义，例如，在在TTL门电路中，把大于3 .5伏(阈值高电平)的电压定义为逻辑高电平，用数字1表示；把小于0.3伏(阈值低电平)的电压定义为逻辑低电平，用数字0表示。
如图1所示，本实施例的一种半桥驱动电路，包括上管驱动电路10和下管驱动电路20，上管驱动电路10互锁连接下管驱动电路20，上管驱动电路10和下管驱动电路20的电路结构一样，上管驱动电路10包括整形电路101和输出电路102，输出电路102连接整形电路101。
由于上管驱动电路10和下管驱动电路20的电路结构一样，本实施例将详细描述上管驱动电路10，所以应当理解的是，下管驱动电路20的工作原理与上管驱动电路10一致。
在本实施例的上管驱动电路10中，整形电路101包括信号输入端子PWM_H、导通开关Q1、电容C1、电源VCC、光耦U1，电阻R1、电阻R2和电阻R3，导通开关Q1在本实施例中具体为MOS管，信号输入端子PWM_H连接电阻R1的一端，电阻R1的另一端连接电阻R2的一端且公共端连接电容C1的一端和MOS管Q1的栅极，电阻R2的另一端连接电容C1的另一端且公共端连接MOS管Q1的漏极和信号地，MOS管Q1的漏极连接电阻R3的一端且公共端连接光耦U1原边二极管的阴极且公共端连接下管驱动电路20，电阻R3的另一端连接电源VCC的第一输出端，光耦U1原边二极管的阳极连接下管驱动电路20，光耦U1的副边包括一个NPN三极管和一个PNP三极管，NPN三极管的集电极和PNP三极管的集电极连接输出电路102，NPN三极管的基极连接PNP三极管的基极，NPN三极管的发射极极连接PNP三极管的发射极且公共端连接ON/OFF管。
其中，导通开关Q1可以为MOS管或三极管之类的开关元件，在本实施例中，导通开关Q1具体为N沟道MOS管。
MOS管有阀值电压，即到达某一个电压值才开启，电阻R1和电容C1具有滤波、缓冲的作用，通过MOS管、电阻R1和电容C1实现输入信号整形，提升驱动电路的抗干扰性。
本实施例中的半桥驱动电路还包括电阻R15，下管驱动电路20的整形电路101包括电阻R10、光耦U2、信号输入端子PWM_L，光耦U1原边二极管的阴极连接光耦U2原边二极管的阳极，光耦U1原边二极管的阳极连接光耦U2原边二极管的阴极且公共端连接电阻R10的一端和电阻R15的一端，电阻R10的另一端连接电源VCC的第二输出端，电阻R15的另一端连接电源VCC的第三输出端子。
当信号输入端子PWM_H输入高电平时，MOS管Q1的栅极电压高于源极电压，MOS管Q1导通，光耦U1原边二极管的阴极和光耦U2原边二极管的阳极均为低电平，此时，当信号输入端子PWM_L输入低电平时，MOS管Q2截止，光耦U1原边二极管的阳极和光耦U1原边二极管的阴极均为低电平，光耦U1导通，光耦U2截止；当信号输入端子PWM_L输入高电平，信号输入端子PWM_L输入高电平时，光耦U2导通，光耦U1截止。
当信号输入端子PWM_H输入高电平时，若当信号输入端子PWM_L也输入高电平，光耦U1原边二极管和光耦U1原边二极管的阳极与阴极都为高电平，光耦U1和光耦U2均截止，从而使光耦U1和光耦U2不能同时导通，实现上管驱动电路10和下管驱动电路20互锁。
本实施例中的输出电路102包括VISO端子、VEE端子、COM端子、第一TL431、第二TL431、电阻R4、电阻R5、电阻R6和电阻R7，VISO端子连接电阻R5的一端且公共端连接第一TL431的阴极和光耦U1副边NPN三极管的集电极，第一TL431的参考极连接电阻R5的另一端且公共端连接电阻R4的一端，第一TL431的阳极连接电阻R4的另一端且公共端连接VEE端子，VEE端子连接电阻R6的一端且公共端连接第二TL431的阴极，电阻R6的另一端连接第二TL431的参考极且公共端连接电阻R7的一端，第二TL431的阳极连接电阻R7的另一端且公共端连接COM端子和光耦U1副边PNP三极管的集电极。
其中，VISO端子和VEE端子之间的电压为开通电压，VEE端子和COM端子之间的电压为关断电压。
上述开通电压用于驱动功率模块导通，关断电压用于驱动功率模块截止，功率模块可以为IGBT或场效应晶体管，本实施例以IGBT为例进行描述，本实施例的上管驱动电路10和下管驱动电路20各连接一个IGBT。
其中，本实施例的IGBT的门极连接上述ON/OFF管，IGBT的发射极连接VEE端子，当光耦U1原边二极管导通时，光耦U1副边的NPN三极管导通，光耦U1副边的PNP三极管截止，IGBT的门极与发射极的压差V为VISO端子和VEE端子之间的电压，即开通电压；当光耦U1原边二极管截止时，光耦U1副边的NPN三极管截止，光耦U1副边的PNP三极管导通，IGBT的门极与发射极的压差V为VEE端子和COM端子之间的电压，即关断电压。
VISO端子和VEE端子之间的电压，即开通电压等于第一TL431的阴极到阳极之间的电压，同时等于电阻R4和电阻R5的电压和；VEE端子和COM端子之间的电压，即关断电压等于第二TL431的阴极到阳极之间的电压，同时等于电阻R6和电阻R7的电压和。
通过第一TL431和第二TL43可以保持VISO端子到COM端子之间的电压保持不变，而电阻R4和电阻R7两端的电压由于TL431的存在保持恒压2.5V,通过改变电阻R5的阻值或者改变R5/R4的值改变VISO 到VEE的电压，即开通电压；通过改变电阻R6的阻值或者改变R6/R7的值改变VEE到COM的电压，即关断电压。
本实施例的工作原理：根据开通电压大小和关断电压大小选择不同阻值的电阻R4、R5、R6、R7，当上管驱动电路10输入高电平输入信号，下管驱动电路20输入低电平输入信号时，光耦U1导通使上管驱动电路10输出开通电压，使上IGBT导通；光耦U2截止使下管驱动电路20输出关断信号，下IGBT不导通。
本实施例还提供一种半桥驱动电路的控制方法，所述控制方法应用于本实施例所述的半桥驱动电路，包括：
信号输入端子输入高电平或低电平信号控制光耦导通或截止；
具体的，上管驱动电路10或下管驱动电路20输入高电平时，驱动电路导通，输入低电平时，驱动电路截止。
光耦导通或截止使输出电路输出开通电压或关断电压；
上管驱动电路10或下管驱动电路20导通时，驱动电路输出开通电压；截止时驱动电路输出关断电压。
当上管驱动电路的输入信号与下管驱动电路的输入信号不相同时，所述控制方法可以同时应用于上管驱动电路和下管驱动电路；
当上管驱动电路的输入信号与下管驱动电路的输入信号相同时，上管驱动电路和下管驱动电路均输出关断电压。
所述开通电压或关断电压大小可以通过改变电阻R4、R5、R6、R7的阻值进行设置。
本实施例提供了一种半桥驱动电路及其控制方法，通过整形电路提高了半桥驱动电路的抗干扰性，上管驱动电路和下管驱动电路互锁连接提升了半桥驱动电路的可靠性，通过输出可调的开通电压和关断电压降低了驱动功率，增强了半桥驱动电路的兼容性。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (9)

1.一种半桥驱动电路，用于驱动功率模块，其特征在于，包括上管驱动电路和下管驱动电路，所述上管驱动电路互锁连接所述下管驱动电路，所述上管驱动电路和所述下管驱动电路的电路结构一样，所述上管驱动电路包括整形电路和输出电路，所述输出电路连接所述整形电路；
所述整形电路控制所述输出电路输出可调的开通电压或可调的关断电压，所述上管驱动电路和所述下管驱动电路不能同时输出开通电压或关断电压；
所述输出电路包括VISO端子、VEE端子、COM端子、第一TL431、第二TL431、电阻R4、电阻R5、电阻R6和电阻R7，所述VISO端子连接所述电阻R5的一端且公共端连接所述第一TL431的阴极和所述整形电路的第一输出端，所述第一TL431的参考极连接所述电阻R5的另一端且公共端连接所述电阻R4的一端，所述第一TL431的阳极连接所述电阻R4的另一端且公共端连接所述VEE端子，所述VEE端子连接所述电阻R6的一端且公共端连接所述第二TL431的阴极，所述电阻R6的另一端连接所述第二TL431的参考极且公共端连接所述电阻R7的一端，所述第二TL431的阳极连接所述电阻R7的另一端且公共端连接所述COM端子和所述整形电路的第二输出端。
2.如权利要求1所述的一种半桥驱动电路，其特征在于，所述整形电路包括信号输入端子PWM_H、导通开关Q1、电容C1、电源VCC、光耦U1，电阻R1、电阻R2和电阻R3，所述信号输入端子PWM_H连接所述电阻R1的一端，所述电阻R1的另一端连接所述电阻R2的一端且公共端连接所述电容C1的一端和所述导通开关Q1的控制端，所述电阻R2的另一端连接所述电容C1的另一端且公共端连接所述导通开关Q1的输出端和信号地，所述导通开关Q1的输入端连接所述电阻R3的一端且公共端连接所述光耦U1原边二极管的阴极且公共端连接所述下管驱动电路，所述电阻R3的另一端连接所述电源VCC的第一输出端，所述光耦U1原边二极管的阳极连接所述下管驱动电路，所述光耦U1的副边连接所述输出电路。
3.如权利要求2所述的一种半桥驱动电路，其特征在于，所述半桥驱动电路还包括电阻R15，所述下管驱动电路的整形电路包括电阻R10、光耦U2，所述光耦U1原边二极管的阴极连接所述光耦U2原边二极管的阳极，所述光耦U1原边二极管的阳极连接所述光耦U2原边二极管的阴极且公共端连接所述电阻R10的一端和所述电阻R15的一端，所述电阻R10的另一端连接所述电源VCC的第二输出端，所述电阻R15的另一端连接所述电源VCC的第三输出端子。
4.如权利要求1所述的一种半桥驱动电路，其特征在于，所述开通电压用于驱动功率模块导通，所述关断电压用于驱动功率模块截止，所述功率模块为IGBT或场效应晶体管。
5.如权利要求1所述的一种半桥驱动电路，其特征在于，所述VISO端子和所述VEE端子之间的电压为开通电压，所述VEE端子和所述COM端子之间的电压为关断电压。
6.如权利要求2所述的一种半桥驱动电路，其特征在于，所述导通开关Q1为MOS管或三极管。
7.一种半桥驱动电路的控制方法，其特征在于，所述控制方法应用于权利要求1至6任意一项所述的半桥驱动电路，包括：
信号输入端子输入高电平或低电平信号控制光耦导通或截止；
光耦导通或截止使输出电路输出开通电压或关断电压。
8.如权利要求7所述的一种半桥驱动电路的控制方法，其特征在于，
当上管驱动电路的输入信号与下管驱动电路的输入信号不相同时，所述控制方法可以同时应用于上管驱动电路和下管驱动电路；
当上管驱动电路的输入信号与下管驱动电路的输入信号相同时，上管驱动电路和下管驱动电路均输出关断电压。
9.如权利要求7所述的一种半桥驱动电路的控制方法，其特征在于，所述开通电压或关断电压大小可以通过改变电阻阻值进行设置。
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