CN112104205A - 具有中点电压跟踪功能的全桥逆变电路栅极驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有中点电压跟踪功能的全桥逆变电路栅极驱动电路，包括由H桥高边功率管VT1和H桥高边功率管VT2构成的H桥高边电路，H桥高边功率管VT1和H桥高边功率管VT2与电源连接，H桥高边功率管VT1还通过连接H桥中点M1后与H桥低边功率管VT3连接，H桥高边功率管VT2还通过连接H桥中点M2后与H桥低边功率管VT4连接，H桥低边功率管VT3和H桥低边功率管VT4构成H桥低边电路，H桥低边功率管VT3和H桥低边功率管VT4同时与公共地连接，H桥中点M1和H桥中点M2之间连接有负载，本发明解决了现有技术中存在的H桥高边功率栅极与源极之间的栅源电压不能保持恒定，导致当开关管处于饱和导通状态时，栅源电压的变化对漏源电流的大小造成影响的问题。

Description

具有中点电压跟踪功能的全桥逆变电路栅极驱动电路

技术领域

本发明属于全桥逆变电路技术领域，具体涉及一种具有中点电压跟踪功能的全桥逆变电路栅极驱动电路。

背景技术

目前，针对构成低压(供电电压低于50V)全桥逆变电路(又称H桥逆变电路，简称H桥)的功率MOSFET(又称功率管)，其栅极驱动电路大都采用自举电路来达到对H桥高边栅极进行浮动电压驱动的目的。自举电路是靠其自举电容的充放电过程来实现电压浮动的。由于电容的充放电过程是非线性的，因此H桥高边功率MOSFET栅极与源极之间的栅源电压不能保持恒定，根据功率MOSFET的静态输出特性可知，这会导致当开关管处于饱和导通状态时，其漏源电流不能保持恒定，从而使栅源电压的变化对漏源电流的大小造成影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有中点电压跟踪功能的全桥逆变电路栅极驱动电路，解决了现有技术中存在的H桥高边功率MOSFET栅极与源极之间的栅源电压不能保持恒定，导致当开关管处于饱和导通状态时，其漏源电流不能保持恒定，从而使栅源电压的变化对漏源电流的大小造成影响的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种具有中点电压跟踪功能的全桥逆变电路栅极驱动电路，包括由H桥高边功率管VT1和H桥高边功率管VT2构成的H桥高边电路，H桥高边功率管VT1和H桥高边功率管VT2与电源连接，H桥高边功率管VT1还通过连接H桥中点M1后与H桥低边功率管VT3连接，H桥高边功率管VT2还通过连接H桥中点M2后与H桥低边功率管VT4连接，H桥低边功率管VT3和H桥低边功率管VT4构成H桥低边电路，H桥低边功率管VT3和H桥低边功率管VT4同时共同与公共地连接，H桥中点M1和H桥中点M2之间连接有负载。

本发明的特点还在于，

H桥高边电路的栅极驱动电压产生结构具体为：包括运算放大器A₁，运算放大器A₁的正输入端连接电阻R₂后与输入信号电压u_iH连接，运算放大器A₁的负输入端连接电阻R₁后接地，运算放大器A₁的负输入端还连接电阻R_f1后连接至运算放大器A₁的输出端，运算放大器A₁与电阻R₁、电阻R₂、电阻R_f1共同构成同相比例运算电路，该电路能够对输入信号电压u_iH进行电压放大，运算放大器A₁的输出端电压为电压u_o1，运算放大器A₁的输出端连接电阻R₄后又与运算放大器A₂的正输入端连接，运算放大器A₂的正输入端同时还分别连接有电阻R₅、电阻R_p的一端，电阻R_p的另一端接地，电阻R₅的另一端与运算放大器A₄的输出端连接，运算放大器A₄的输出电压为u_o3，运算放大器A₄的输出端同时还连接电阻R_f4后连接至运算放大器A₄的负输入端，运算放大器A₄的正输入端与H桥中点电压u_m连接，运算放大器A₄与电阻R_f4共同构成电压跟随器，将输入运算放大器A₂中的电压u_m按照原有的大小进行输出，运算放大器A₂的负输入端连接电阻R₃后接地，同时运算放大器A₂的负输入端还连接电阻R_f2后连接至运算放大器A₂的输出端，运算放大器A₂的输出端电压为u_o2，运算放大器A₂与电阻R₃、电阻R₄、电阻R₅、电阻R_p以及电阻R_f2共同构成同相求和运算电路，电压u_o1与电压u_o3经过求和运算后输出电压u_o2，运算放大器A₂的输出端又连接电阻R₆后与运算放大器A₃的正输入端连接，运算放大器A₃的负输入端连接电阻R_f3后连接至运算放大器A₃的输出端，运算放大器A₃与电阻R₆、电阻R_f3构成电压跟随器，运算放大器A₃的输出端的电压作为H桥高边电路栅极驱动电压u_oH。

运算放大器A₁的电压放大倍数A_u，经过放大后输出的电压u_o1由下式进行计算：

运算放大器A₄与H桥中点电压u_m之间的关系如下：

u_o3＝u_m (2)。

运算放大器A₂的求和运算公式如下：

式中，R_P＝R₄∥R₅∥R_p，R_N＝R₃∥R_f2；

式(3)简化形式如下：

u_o2＝u_o1+u_o3 (4)。

运算放大器A₃构成的电压跟随器进行隔离后输出H桥高边栅极驱动电压u_oH，有下式成立：

u_oH＝u_o2 (5)

H桥高边栅极驱动电压u_oH与其中点电压u_m的差值就是H桥高边功率管栅极与源极之间的栅源电压u_GS，其计算如下：

u_GS＝u_oH-u_m (6)

将式(1)、式(2)、式(4)与式(5)代入式(6)可得：

u_GS＝u_o1＝A_uu_iH (7)，

u_GS即为H桥高边栅极电压。

H桥低边电路栅极驱动电压产生结构具体为：包括运算放大器A₅，运算放大器A₅的正输入端连接电阻R₇后与H桥低边输入信号电压u_iL连接，运算放大器A₅的负输入端连接电阻R₆后接地，运算放大器A₅的负输入端同时还连接电阻R_f5后连接至运算放大器A₅的输出端，运算放大器A₅的输出端电压为u_o4，运算放大器A₅与电阻R₆、R₇、R_f5共同构成同相比例运算电路，算放大器A₅的输出端还连接电阻R₈后连接至运算放大器A₆的正输入端，运算放大器A₆的负输入端连接电阻R_f6后连接至运算放大器A₆的输出端，运算放大器A₆与电阻R₈、电阻R_f6构成电压跟随器进行隔离，运算放大器A₆的输出端电压为u_oL，u_oL即为H桥低边栅极驱动电压u_oL。

负载为串联连接的电阻R_L和电感L_L，电阻R_L与电感L_L非连接的一端与所述H桥的中点M相连接。

本发明的有益效果是，一种全桥逆变电路的新型栅极驱动电路，使功率MOSFET的栅源电压不会对漏源电流的大小造成影响，使H桥高边功率MOSFET的栅源电压在功率MOSFET饱和导通后保持恒定，从而使其不影响功率MOSFET漏源电流的大小。

附图说明

图1是H桥逆变电路结构示意图。

图2为本发明的H桥栅极驱动电路结构示意图。

图3为H桥逆变电路图。

图4为本发明中的H桥高边栅极驱动电路图。

图5为本发明中的H桥低边栅极驱动电路图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种具有中点电压跟踪功能的全桥逆变电路栅极驱动电路，结构如图1、图3所示，包括由H桥高边功率管VT1和H桥高边功率管VT2构成的H桥高边电路，H桥高边功率管VT1和H桥高边功率管VT2与电源连接，H桥高边功率管VT1还通过连接H桥中点M1后与H桥低边功率管VT3连接，H桥高边功率管VT2还通过连接H桥中点M2后与H桥低边功率管VT4连接，H桥低边功率管VT3和H桥低边功率管VT4构成H桥低边电路，H桥低边功率管VT3和H桥低边功率管VT4同时共同与公共地连接，H桥中点M1和H桥中点M2之间连接有负载。

如图2、图4所示，H桥高边电路的栅极驱动电压产生结构具体为：包括运算放大器A₁，运算放大器A₁的正输入端连接电阻R₂后与输入信号电压u_iH连接，运算放大器A₁的负输入端连接电阻R₁后接地，运算放大器A₁的负输入端还连接电阻R_f1后连接至运算放大器A₁的输出端，运算放大器A₁与电阻R₁、电阻R₂、电阻R_f1共同构成同相比例运算电路，该电路能够对输入信号电压u_iH进行电压放大，运算放大器A₁的输出端电压为电压u_o1，运算放大器A₁的输出端连接电阻R₄后又与运算放大器A₂的正输入端连接，运算放大器A₂的正输入端同时还分别连接有电阻R₅、电阻R_p的一端，电阻R_p的另一端接地，电阻R₅的另一端与运算放大器A₄的输出端连接，运算放大器A₄的输出电压为u_o3，运算放大器A₄的输出端同时还连接电阻R_f4后连接至运算放大器A₄的负输入端，运算放大器A₄的正输入端与H桥中点电压u_m连接，运算放大器A₄与电阻R_f4共同构成电压跟随器，将输入运算放大器A₂中的电压u_m按照原有的大小进行输出，运算放大器A₂的负输入端连接电阻R₃后接地，同时运算放大器A₂的负输入端还连接电阻R_f2后连接至运算放大器A₂的输出端，运算放大器A₂的输出端电压为u_o2，运算放大器A₂与电阻R₃、电阻R₄、电阻R₅、电阻R_p以及电阻R_f2共同构成同相求和运算电路，电压u_o1与电压u_o3经过求和运算后输出电压u_o2，运算放大器A₂的输出端又连接电阻R₇后与运算放大器A₃的正输入端连接，运算放大器A₃的负输入端连接电阻R_f3后连接至运算放大器A₃的输出端，运算放大器A₃与电阻R₆、电阻R_f3构成电压跟随器，运算放大器A₃的输出端的电压作为H桥高边电路栅极驱动电压u_oH。

运算放大器A₁的电压放大倍数A_u，经过放大后输出的电压u_o1由下式进行计算：

运算放大器A₄与H桥中点电压u_m之间的关系如下：

u_o3＝u_m (2)。

运算放大器A₂的求和运算公式如下：

式中，R_P＝R₄∥R₅∥R_p，R_N＝R₃∥R_f2；

式(3)简化形式如下：

u_o2＝u_o1+u_o3 (4)。

运算放大器A₃构成的电压跟随器进行隔离后输出H桥高边栅极驱动电压u_oH，有下式成立：

u_oH＝u_o2 (5)

H桥高边栅极驱动电压u_oH与其中点电压u_m的差值就是H桥高边功率管栅极与源极之间的栅源电压u_GS，其计算如下：

u_GS＝u_oH-u_m (6)

将式(1)、式(2)、式(4)与式(5)代入式(6)可得：

u_GS＝u_o1＝A_uu_iH (7)，

u_GS即为H桥高边栅极电压。

如图5所示，H桥低边电路栅极驱动电压产生结构具体为：包括运算放大器A₅，运算放大器A₅的正输入端连接电阻R₇后与H桥低边输入信号电压u_iL连接，运算放大器A₅的负输入端连接电阻R₆后接地，运算放大器A₅的负输入端同时还连接电阻R_f5后连接至运算放大器A₅的输出端，运算放大器A₅的输出端电压为u_o4，运算放大器A₅与电阻R₆、R₇、R_f5共同构成同相比例运算电路，算放大器A₅的输出端还连接电阻R₈后连接至运算放大器A₆的正输入端，运算放大器A₆的负输入端连接电阻R_f6后连接至运算放大器A₆的输出端，运算放大器A₆与电阻R₈、电阻R_f6构成电压跟随器进行隔离，运算放大器A₆的输出端电压为u_oL，u_oL即为H桥低边栅极驱动电压u_oL。

负载为串联连接的电阻R_L和电感L_L，电阻R_L与电感L_L非连接的一端与所述H桥的中点M相连接。

本发明一种具有中点电压跟踪功能的全桥逆变电路栅极驱动电路，由式(7)可知，虽然H桥高边栅极电压会随中点电压的变化而上下浮动，但只要其输入信号电压u_iH保持恒定不变，则栅源电压u_GS就能够保持恒定。合理的选择输入驱动信号电压u_iH与电压放大倍数A_u，使栅源电压u_GS能够让功率管在开启后进入饱和导通状态，则根据功率管的静态输出特性可知，其漏源电流将保持恒流状态。由此可见，使用图4所示的H桥高边栅极驱动电路可以实现H桥高边功率管漏源电流的恒定输出，从而消除H桥高边栅源电压对其漏源电流大小的影响。

参考图5为H桥低边功率管栅极的驱动电路，由于其低电位直接接地，因此只使用运算放大器构成电压增益电路对输入驱动信号进行电压放大，并使用电压跟随器对放大的电压信号进行隔离输出即可实现对H桥低边功率管栅极的驱动。图5中的u_oL与图3中的u_oL为同一个电压信号。

本发明一种具有中点电压跟踪功能的全桥逆变电路栅极驱动电路，输入驱动信号放大电路部分由运算放大器与电阻共同构成的同相比例运算电路实现。该同相比例运算电路的放大倍数可以任意设置，可以将输入驱动信号按照设置的放大倍数进行电压放大后输出，其输入信号电压与输出信号电压的关系可由式(1)进行计算。H桥中点电压跟踪电路部分由运算放大器与电阻共同构成的电压跟随器电路实现。该电压跟随器可以在隔离H桥中点电压的同时将其按照原样进行输出，原样是指H桥中点电压的所有特征均完全不变，其输入信号电压与输出信号电压的关系可由式(2)进行计算。H桥高边栅极驱动电路的信号电压叠加电路部分由运算放大器与电阻共同构成的同相求和运算电路实现。该电路将输出的放大后的驱动信号电压与输出的H桥中点电压进行叠加后进行信号电压的输出，其输入信号电压与输出信号电压的关系可由式(3)进行计算。合理的选择同相求和运算电路中各个电阻的阻值，该电路部分的输入信号电压与输出信号电压的关系还可由式(4)进行计算。H桥高边栅极驱动电路的输出驱动信号隔离电路部分由运算放大器与电阻共同构成的电压跟随器电路实现。输出信号电压经过该电压跟随器隔离之后原样输出，该隔离输出信号输入到H桥高边功率管的栅极。H桥低边栅极驱动电路的输出驱动信号隔离电路部分由运算放大器与电阻共同构成的电压跟随器电路实现。输出信号电压经过该电压跟随器隔离之后原样输出，该隔离输出信号输入到H桥低边功率管的栅极。

Claims (8)

1.一种具有中点电压跟踪功能的全桥逆变电路栅极驱动电路，其特征在于，包括由H桥高边功率管VT1和H桥高边功率管VT2构成的H桥高边电路，H桥高边功率管VT1和H桥高边功率管VT2与电源连接，H桥高边功率管VT1还通过连接H桥中点M1后与H桥低边功率管VT3连接，H桥高边功率管VT2还通过连接H桥中点M2后与H桥低边功率管VT4连接，H桥低边功率管VT3和H桥低边功率管VT4构成H桥低边电路，H桥低边功率管VT3和H桥低边功率管VT4同时共同与公共地连接，H桥中点M1和H桥中点M2之间连接有负载。

2.根据权利要求1所述的一种具有中点电压跟踪功能的全桥逆变电路栅极驱动电路，其特征在于，所述H桥高边电路的栅极驱动电压产生结构具体为：包括运算放大器A₁，运算放大器A₁的正输入端连接电阻R₂后与输入信号电压u_iH连接，运算放大器A₁的负输入端连接电阻R₁后接地，运算放大器A₁的负输入端还连接电阻R_f1后连接至运算放大器A₁的输出端，运算放大器A₁与电阻R₁、电阻R₂、电阻R_f1共同构成同相比例运算电路，该电路能够对输入信号电压u_iH进行电压放大，运算放大器A₁的输出端电压为电压u_o1，运算放大器A₁的输出端连接电阻R₄后又与运算放大器A₂的正输入端连接，运算放大器A₂的正输入端同时还分别连接有电阻R₅、电阻R_p的一端，电阻R_p的另一端接地，电阻R₅的另一端与运算放大器A₄的输出端连接，运算放大器A₄的输出电压为u_o3，运算放大器A₄的输出端同时还连接电阻R_f4后连接至运算放大器A₄的负输入端，运算放大器A₄的正输入端与H桥中点电压u_m连接，运算放大器A₄与电阻R_f4共同构成电压跟随器，将输入运算放大器A₂中的电压u_m按照原有的大小进行输出，运算放大器A₂的负输入端连接电阻R₃后接地，同时运算放大器A₂的负输入端还连接电阻R_f2后连接至运算放大器A₂的输出端，运算放大器A₂的输出端电压为u_o2，运算放大器A₂与电阻R₃、电阻R₄、电阻R₅、电阻R_p以及电阻R_f2共同构成同相求和运算电路，电压u_o1与电压u_o3经过求和运算后输出电压u_o2，运算放大器A₂的输出端又连接电阻R₆后与运算放大器A₃的正输入端连接，运算放大器A₃的负输入端连接电阻R_f3后连接至运算放大器A₃的输出端，运算放大器A₃与电阻R₆、电阻R_f3构成电压跟随器，运算放大器A₃的输出端的电压作为H桥高边电路栅极驱动电压u_oH。

3.根据权利要求2所述的一种具有中点电压跟踪功能的全桥逆变电路栅极驱动电路，其特征在于，所述运算放大器A₁的电压放大倍数A_u，经过放大后输出的电压u_o1由下式进行计算：

4.根据权利要求3所述的一种具有中点电压跟踪功能的全桥逆变电路栅极驱动电路，其特征在于，所述运算放大器A₄与H桥中点电压u_m之间的关系如下：

u_o3＝u_m (2)。

5.根据权利要求4所述的一种具有中点电压跟踪功能的全桥逆变电路栅极驱动电路，其特征在于，所述运算放大器A₂的求和运算公式如下：

式中，R_P＝R₄∥R₅∥R_p，R_N＝R₃∥R_f2；

式(3)简化形式如下：

u_o2＝u_o1+u_o3 (4)。

6.根据权利要求5所述的一种具有中点电压跟踪功能的全桥逆变电路栅极驱动电路，其特征在于，所述运算放大器A₃构成的电压跟随器进行隔离后输出H桥高边栅极驱动电压u_oH，有下式成立：

u_oH＝u_o2 (5)

H桥高边栅极驱动电压u_oH与其中点电压u_m的差值就是H桥高边功率管栅极与源极之间的栅源电压u_GS，其计算如下：

u_GS＝u_oH-u_m (6)

将式(1)、式(2)、式(4)与式(5)代入式(6)可得：

u_GS＝u_o1＝A_uu_iH (7)，

u_GS即为H桥高边栅极电压。

7.根据权利要求6所述的一种具有中点电压跟踪功能的全桥逆变电路栅极驱动电路，其特征在于，所述H桥低边电路栅极驱动电压产生结构具体为：包括运算放大器A₅，运算放大器A₅的正输入端连接电阻R₇后与H桥低边输入信号电压u_iL连接，运算放大器A₅的负输入端连接电阻R₆后接地，运算放大器A₅的负输入端同时还连接电阻R_f5后连接至运算放大器A₅的输出端，运算放大器A₅的输出端电压为u_o4，运算放大器A₅与电阻R₆、R₇、R_f5共同构成同相比例运算电路，算放大器A₅的输出端还连接电阻R₈后连接至运算放大器A₆的正输入端，运算放大器A₆的负输入端连接电阻R_f6后连接至运算放大器A₆的输出端，运算放大器A₆与电阻R₈、电阻R_f6构成电压跟随器进行隔离，运算放大器A₆的输出端电压为u_oL，u_oL即为H桥低边栅极驱动电压u_oL。

8.根据权利要求1～7任一项所述的一种具有中点电压跟踪功能的全桥逆变电路栅极驱动电路，其特征在于，所述负载为串联连接的电阻R_L和电感L_L，电阻R_L与电感L_L非连接的一端与所述H桥的中点M相连接。

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