一種半橋驅動電路的製作方法

2023-05-19 13:48:41

專利名稱：一種半橋驅動電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種驅動電路，特別是關於一種半橋驅動電路。
背景技術：
金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)和絕緣柵雙極電晶體(IGBT)作為高速 開關器件，在電力電子技術中得到了廣泛的應用。在實際應用中，電晶體經常用來組成半橋 電路，其中上橋電晶體漏極(或集電極)與電源連接，源極(或發射極)與下橋電晶體的漏 極(或集電極)相連，下橋電晶體的源極(或發射極)與功率地相連，半橋電路的輸出端為 上下橋電晶體的公共端。半橋電路根據外界控制單元(比如微處理器)輸出的PWM信號進 行相應的開關動作。但控制單元的信號往往不足以驅動半橋電路，因此需要增設一半橋驅 動器，以將控制單元輸出的PWM信號放大，從而驅動半橋電路。如圖1所示，圖1是常用的半橋驅動電路，其包括半橋電路1、驅動器2和自舉電 容充電電路3。驅動器2的信號輸入端(引腳HIN、LIN)連接外界控制單元，驅動器2上的 高邊驅動信號輸出端(引腳H0)、高邊驅動浮動地端(弓丨腳VS)、低邊驅動信號輸出端(引 腳L0)和低邊驅動地端(弓丨腳COM)均與半橋電路1相連。驅動器2接入外界控制單元的 PWM控制信號，PWM控制信號經驅動器2電流放大後，輸送給半橋電路1的高低邊電晶體，以 驅動半橋電路1工作。自舉電容充電電路3同時與驅動器2上的高邊驅動浮動電源端(引 腳VB)和高邊驅動浮動地端(引腳VQ相連，自舉電容充電電路3為驅動器2提供高邊驅 動的浮動電壓。而且自舉電容充電電路3與驅動器2共用低壓輸入端(引腳VDRV)。其中半橋電路1包括上橋電晶體Tl、下橋電晶體T2和負載11，上橋電晶體Tl的 漏極(或集電極)與電源VBAT相連，上橋電晶體Tl的源極(或發射極)與下橋電晶體T2 的漏極(或集電極)相連，下橋電晶體T2的源極(或發射極)與功率地相連，負載11連接 在上、下橋電晶體T1、T2的公共端和功率地之間。驅動器2可以採用分立的電子元件搭建， 也可以選用集成的驅動晶片，圖1中使用的是集成的驅動晶片。驅動器2用於將外界的控制 單元輸出的PWM信號進行電流放大，並將放大後的驅動信號輸送給半橋電路1。引腳H0、L0 為驅動器2的經電流放大之後的驅動信號的輸出端，其中高邊驅動信號輸出端(引腳H0) 與上橋電晶體Tl的門極(或柵極)相連，引腳LO與下橋電晶體T2的門極(或柵極)相連。 驅動信號與電晶體的門極(或柵極)之間往往還串聯一個限流電阻(該電阻在圖1中未標 示)。驅動器2上的邏輯輸入引腳VDD、GND之間接入一旁路電容器C3。驅動器2上的低壓 輸入端(引腳VDRV)是供電引腳，低壓輸入端(引腳VDRV)的電壓通常為12V 15V。驅動 器2上的低邊驅動地端(弓丨腳COM)與功率地相連，低邊驅動地端(弓丨腳COM)與低壓輸入 端(引腳VDRV)之間設置有一旁路電容器C2。自舉電容充電電路3由充電電容器Cl和二 極管Dl構成，其中二極體Dl —般採用快速恢復二極體。由於上橋電晶體Tl的源極(或發射極)的電壓是浮動的，因此驅動上橋電晶體Tl 時，需要在其門極(或柵極)上提供一浮動的且高於源極(或發射極)的電壓，即需要在高 邊驅動浮動電源端(引腳VB)與高邊驅動浮動地端(引腳VQ之間維持一定的電壓。當下橋電晶體T2打開的時候，高邊驅動浮動地端(引腳VS)與功率地處於相同的電位上，低壓 輸入端(引腳VDRV)通過二極體Dl給充電電容器Cl充電，使充電電容器Cl兩端的電壓與 低壓輸入端(引腳VDRV)相同(忽略二極體Dl的正向壓降)。當下橋電晶體T2關閉的時 候，高邊驅動浮動地端(引腳VS)電位上升，充電電容器Cl正端電位也相應上升，二極體Dl 反向截止，防止充電電容器Cl中的電荷倒流。充電電容器Cl提供了上橋電晶體Tl導通所 需的電荷，而且由於靜態電流的消耗，需要及時充電，以保證上橋電晶體Tl能順利開啟。如果下橋電晶體T2長時間關斷，無法通過二極體Dl對充電電容器Cl進行充電。 充電電容器Cl中的電荷若得不到補充，電壓逐漸降低，當充電電容器Cl兩端的電壓低於一 定值的時候，上橋電晶體Tl無法順利開啟，半橋電路1工作不正常。一些驅動器2採用集成 的半橋驅動晶片監控充電電容器Cl兩端的電壓，當電壓低於一定值的時候，關閉驅動器2。 當半橋驅動電路剛上電的時候，充電電容器Cl兩端的電壓為0，而負載11存在較高的初始 電壓，即高邊驅動浮動地端(引腳VS)的初始電位較高，甚至高於低壓輸入端(引腳VDRV) 的電壓。在這種情況下，低壓輸入端(引腳VDRV)也無法通過二極體Dl給充電電容器Cl 進行充電，驅動器2無法啟動，半橋電路1無法正常工作。

發明內容
針對上述問題，本發明的目的是提供一種工況適應範圍廣的半橋驅動電路。為實現上述目的，本發明採取以下技術方案一種半橋驅動電路，它包括一半橋電 路、一驅動器和一自舉電容充電電路，其中所述半橋電路連接在電源VBAT和功率地GND之 間；所述驅動器的信號輸入端連接外界控制單元，所述驅動器上的高邊驅動信號輸出端、高 邊驅動浮動地端、低邊驅動信號輸出端和低邊驅動地端均與所述半橋電路相連；所述自舉 電容充電電路同時與所述驅動器上的高邊驅動浮動電源端和高邊驅動浮動地端相連，且所 述自舉電容充電電路與驅動器共用低壓輸入；其特徵在於它還包括一充電泵電路，其在 所述低壓輸入端無法通過所述自舉電容充電電路中的二極體Dl給充電電容器Cl充電時， 用於維持所述充電電容器Cl兩端的電壓，所述充電泵電路與所述驅動器上的高邊驅動浮 動電源端和高邊驅動浮動地端相連，所述充電泵電路的地與所述半橋電路的功率地GND相 連。所述充電泵電路包括一時鐘驅動器、一充電電容器C4和一電荷轉送設備；所述時 鍾驅動器用於產生驅動所述充電電容器C4充放電用的的方波信號，並在所述充電電容器 C4上產生高壓；所述充電電容器C4用於儲存需要轉送的電荷；所述電荷轉送設備用於將所 述充電電容器C4中存儲的電荷單向輸送到所述自舉電容充電電路中充電電容器Cl中。所述時鐘驅動器包括一振蕩器、一旁路電容器C5、一齊納二極體D4和一限流電阻 Rl ；其中所述振蕩器的供電腳VCC與所述驅動器的高邊驅動浮動地端相連，所述齊納二極 管D4連接在所述振蕩器上的供電腳VCC和引腳GND之間，所述旁路電容器C5與齊納二極 管D4並聯，所述限流電阻Rl連接在所述振蕩器的引腳GND與所述半橋電路的功率地之間。所述齊納二極體D4的電壓限值稍高於所述驅動器的供電電壓。所述電荷轉送設備包括兩個二極體D2、D3，其中所述二極體D2的陽極與所述振蕩 器的供電腳VCC相連，陰極與二極體D3的陽極相連；所述二極體D3的陰極與所述驅動器的 高邊驅動浮動電源端相連；所述二極體D2和二極體D3的公共端與所述振蕩器的信號輸出腳CLK之間連接有所述充電電容器C4。它還包括一自舉電容充電啟動電路，其在所述低壓輸入端均無法通過所述自舉電 容充電電路中的二極體Dl和充電泵電路給充電電容器Cl充電時，用於利用所述半橋電路 所連接的電源VBAT單向為所述充電電容器Cl充電，並限制所述充電電容器Cl的充電電流 和電壓；所述自舉電容充電啟動電路的輸入端與所述半橋電路的電源VBAT相連，而且所述 自舉電容充電啟動電路與所述驅動器上的高邊驅動浮動電源端和高邊驅動浮動地端相連。所述自舉電容充電啟動電路包括限流電阻R2、二極體D5和齊納二極體D6 ；其中所 述二極體D5的陰極與所述驅動器的高邊驅動浮動電源端相連，用於保證電荷的單向傳送； 所述限流電阻R2連接電源VBAT與所述二極體D5的陽極之間，用於限制充電電流；所述齊 納二極體D6連接在所述充電電容器Cl的兩端，用於限制充電電壓。所述自舉電容充電啟動電路包括限流電阻R2、二極體D5和齊納二極體D6 ；其中所 述二極體D5的陰極與所述驅動器的高邊驅動浮動電源端相連，用於保證電荷的單向傳送； 所述限流電阻R2連接電源VBAT與所述二極體D5的陽極之間，用於限制充電電流；所述齊 納二極體D6連接在所述充電電容器Cl的兩端，用於限制充電電壓。本發明由於採取以上技術方案，其具有以下優點1、由於本發明在驅動器上的高 邊驅動浮動電源端和高邊驅動浮動地端同時連接一充電泵電路，而且充電泵電路的地與半 橋電路的功率地GND相連，在自舉電容充電電路無法對自舉電容充電電路中充電電容器Cl 進行充電時，充電泵電路能夠維持充電電容器Cl兩端的電壓，從而能夠為驅動器提供高邊 驅動的浮動電壓，保證驅動器驅動半橋電路正常工作，因此適用工況範圍較為廣泛。2、由於 本發明還在半橋電路的電源VBAT連接一自舉電容充電啟動電路的輸入端，而且將自舉電 容充電啟動電路與驅動器上的高邊驅動浮動電源端和高邊驅動浮動地端相連，低壓輸入端 (引腳VDRV)均無法通過二極體Dl和充電泵電路給充電電容器Cl充電時，自舉電容充電啟 動電路能夠利用半橋電路所連接的電源VBAT單向為充電電容器Cl充電，並限制充電電容 器Cl的充電電流和電壓，從而能夠為驅動器提供高邊驅動的浮動電壓，從而進一步為驅動 器驅動半橋電路正常工作提供了保證，因此進一步增大了其應用的工況。3、本發明不僅提 高了驅動器對半橋電路驅動的可靠性以及對各種工況的適應性，而且成本增加很小。本發 明適用於電力電子技術領域中各種半橋電路的驅動。


圖1是傳統的半橋驅動電路的方框2是本發明的半橋驅動電路的方框3是圖2的一個較佳實施例的電路示意圖
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細的描述。 如圖2所示，本發明提供的半橋驅動電路包括一半橋電路1、一驅動器2、一自舉電 容充電電路3、一充電泵電路4和一自舉電容充電啟動電路5。其中，半橋電路1、驅動器2 和自舉電容充電電路3與傳統的半橋驅動電路的連接和功能均相同，在此不再詳述。充電 泵電路4與驅動器2上的高邊驅動浮動電源端(引腳VB)和高邊驅動浮動地端(引腳VS)相連，充電泵電路4的地與半橋電路1的功率地相連。自舉電容充電啟動電路5的輸入端 與半橋電路1的電源VBAT相連，而且自舉電容充電啟動電路5與驅動器2上的高邊驅動浮 動電源端(引腳VB)和高邊驅動浮動地端(引腳VQ相連。在自舉電容充電電路3無法工 作的情況下，即在自舉電容充電電路3不能夠為驅動器2提供高邊驅動的浮動電壓時，充電 泵電路4和自舉電容充電啟動電路5可以分別對自舉電容充電電路3中的充電電容器Cl 進行充電，維持充電電容器Cl兩端的電壓，從而保證驅動器2的正常工作。下面對充電泵 電路4和自舉電容充電啟動電路5進行更為詳細的說明。如圖3所示，充電泵電路4在低壓輸入端(驅動器2上的引腳VDRV)無法通過二 極管Dl給充電電容器Cl充電時，用於將自舉電容充電電路3中充電電容器Cl的負端電壓 升高，並輸送到充電電容器Cl中，從而維持充電電容器Cl兩端的電壓，保證驅動器2工作 正常。充電泵電路4包括一時鐘驅動器41、一充電電容器C4和一電荷轉送設備42。其中 時鐘驅動器41產生一定頻率的方波信號，用以驅動充電電容器C4的充放電，並利用充電電 容器C4兩端電壓不能突變的特性在充電電容器C4的正端產生高壓。充電電容器C4用於 儲存需要轉送的電荷。電荷轉送設備42將充電電容器C4中存儲的電荷單向輸送到充電電 容器Cl中，防止電荷倒流。其中時鐘驅動器41包括一振蕩器411、一齊納二極體D4、一旁路電容器C5和一限流 電阻R1。其中振蕩器411的供電腳VCC與驅動器2的高邊驅動浮動地端(引腳VS)相連。 齊納二極體D4連接在振蕩器411的供電腳VCC和引腳GND之間，以限制供電腳VCC和引腳 GND之間的電壓，齊納二極體D4的電壓限值VD4 —般比驅動器2的供電電壓VDRV稍高。旁 路電容器C5與齊納二極體D4並聯，用於維持振蕩器411輸入電壓的穩定。限流電阻Rl連 接在振蕩器411的引腳GND與半橋電路1的功率地GND之間，用於限制充電泵電路4的充 電電流。電荷轉送設備42包括兩個二極體D2、D3，二極體D2的陽極與振蕩器411的供電 腳VCC相連，陰極與二極體D3的陽極相連。二極體D3的陰極與驅動器2的高邊驅動浮動 電源端(引腳VB)相連。充電電容器C4連接在二極體D2和二極體D3的公共端與振蕩器 411的信號輸出腳CLK之間。充電泵電路4的工作原理是供電腳VCC的電壓與高邊驅動浮動地端(弓丨腳VS) 相同，當高邊驅動浮動地端(引腳VS)電壓足夠高的時候，引腳GND的電壓等於供電腳VCC 減去齊納二極體D4的限壓值VD4。振蕩器411在振蕩電路的作用下產生一定頻率的方波 信號，該方波信號的電壓是相對于振蕩器411的引腳GND的，即當輸出信號為邏輯「0」的時 候，引腳CLK信號電壓與引腳GND相同，此時，二極體D3反向截止，電流從電容器C5經過二 極管D2對充電電容器C4進行充電，使充電電容器C4兩端的電壓與VD4相同(忽略二極體 D2的正向壓降)。當輸出信號邏輯為「1」的時候，引腳CLK的信號電壓與引腳VCC相同，電 容器C4的正端電壓等於供電腳VCC加上VD4，而供電腳VCC與供電腳VS的電壓相同，此時 二極體D2反向截止，充電電容器C4通過二極體D3對充電電容器Cl進行充電，充電電壓為 VD4(忽略二極體D3的正向壓降)。限流電阻Rl限制流經齊納二極體D4的電流，也為振蕩 器411提供了浮動的地，這是由于振蕩器411的地與半橋電路1的功率地之間是有電勢差 的，限流電阻Rl的左側為振蕩器411的地，右側為半橋電路1的功率地，限流電阻Rl相當 於是把兩個地隔離開來。當半橋電路1中的上下橋電晶體Tl和T2交替開通的時候，振蕩器411的地是浮動的。同時，限流電阻Rl也制約著充電泵電路4的充電能力，選用較小的 限流電阻可以提高充電泵電路4的充電能力，但也增加了功率損耗，實際應用中應根據需 要選擇合適阻值的限流電阻。當高邊驅動浮動地端(引腳VS)有一定的電壓，但並不是很高，比如介於0和VDRV 之間時，齊納二極體D4並沒有發生雪崩，振蕩器411的供電腳VCC與引腳GND之間的電壓 低於VDRV，在這種情況下，充電泵電路4並不能提供足夠的充電電壓，半橋電路1仍然無法
正常工作。自舉電容充電啟動電路5用於低壓輸入端(驅動器2上的引腳VDRV)均無法通過 二極體Dl和充電泵電路給充電電容器Cl充電時，利用電源VBAT為充電電容器Cl充電，從 而提供了一條額外的充電途徑。同時，自舉電容充電啟動電路5需要限制對充電電容器Cl 的充電電流和電壓，並防止電荷倒流。自舉電容充電啟動電路5包括限流電阻R2、二極體 D5和齊納二極體D6，其中二極體D5的陰極與驅動器2的高邊驅動浮動電源端(引腳VB) 相連，限流電阻R2連接電源VBAT與二極體D5的陽極之間，齊納二極體D6連接在充電電容 器Cl的兩端。電阻R2限制充電電流，齊納二極體D6限制充電電壓，二極體D5保證電荷的 單向傳送。自舉電容充電啟動電路5的工作原理是當自舉電容充電電路3無法工作且當高 壓驅動浮動地端(引腳VS)電壓較低的情況下，通過充電泵電路4也無法提供足夠的充電 電壓，此時可以通過自舉電容充電啟動電路5直接用電源VBAT對充電電容器Cl進行充電。 限流電阻R2對充電電流進行限制，防止電流過大。齊納二極體D6對自舉充電電容器Cl兩 端的電壓進行限制，齊納二極體D6的電壓限值一般比驅動器2的供電電壓VDRV稍高。當 上橋電晶體Tl導通的時候，高邊驅動浮動電源端(引腳VB)的電壓高於高邊驅動浮動電源 端(引腳VB)，此時二極體D5反向截止，從而可以防止充電電容器Cl電荷倒流。電阻R2限 制了自舉電容充電啟動電路5的充電能力，較小的限流電阻可以提高該充電能力，但也增 大了電流功耗，實際應用中應根據需要選擇合適的限流電阻。上述各實施例僅用於說明本發明，其中各部件的結構、連接方式等都是可以有所 變化的，凡是在本發明技術方案的基礎上進行的等同變換和改進，均不應排除在本發明的 保護範圍之外。
權利要求
1.一種半橋驅動電路，它包括一半橋電路、一驅動器和一自舉電容充電電路，其中所述 半橋電路連接在電源VBAT和功率地GND之間；所述驅動器的信號輸入端連接外界控制單 元，所述驅動器上的高邊驅動信號輸出端、高邊驅動浮動地端、低邊驅動信號輸出端和低邊 驅動地端均與所述半橋電路相連；所述自舉電容充電電路同時與所述驅動器上的高邊驅動 浮動電源端和高邊驅動浮動地端相連，且所述自舉電容充電電路與驅動器共用低壓輸入； 其特徵在於它還包括一充電泵電路，其在所述低壓輸入端無法通過所述自舉電容充電電 路中的二極體Dl給充電電容器Cl充電時，用於維持所述充電電容器Cl兩端的電壓，所述 充電泵電路與所述驅動器上的高邊驅動浮動電源端和高邊驅動浮動地端相連，所述充電泵 電路的地與所述半橋電路的功率地GND相連。
2.如權利要求1所述的一種半橋驅動電路，其特徵在於所述充電泵電路包括一時鐘 驅動器、一充電電容器C4和一電荷轉送設備；所述時鐘驅動器用於產生驅動所述充電電容 器C4充放電用的的方波信號，並在所述充電電容器C4上產生高壓；所述充電電容器C4用 於儲存需要轉送的電荷；所述電荷轉送設備用於將所述充電電容器C4中存儲的電荷單向 輸送到所述自舉電容充電電路中充電電容器Cl中。
3.如權利要求1或2所述的一種半橋驅動電路，其特徵在於所述時鐘驅動器包括一 振蕩器、一旁路電容器C5、一齊納二極體D4和一限流電阻Rl ；其中所述振蕩器的供電腳 VCC與所述驅動器的高邊驅動浮動地端相連，所述齊納二極體D4連接在所述振蕩器上的供 電腳VCC和引腳GND之間，所述旁路電容器C5與齊納二極體D4並聯，所述限流電阻Rl連 接在所述振蕩器的引腳GND與所述半橋電路的功率地之間。
4.如權利要求3所述的一種半橋驅動電路，其特徵在於所述齊納二極體D4的電壓限 值稍高於所述驅動器的供電電壓。
5.如權利要求2所述的一種半橋驅動電路，其特徵在於所述電荷轉送設備包括兩個 二極體D2、D3，其中所述二極體D2的陽極與所述振蕩器的供電腳VCC相連，陰極與二極體 D3的陽極相連；所述二極體D3的陰極與所述驅動器的高邊驅動浮動電源端相連；所述二極 管D2和二極體D3的公共端與所述振蕩器的信號輸出腳CLK之間連接有所述充電電容器 C4。
6.如權利要求1或2或4或5所述的一種半橋驅動電路，其特徵在於它還包括一自 舉電容充電啟動電路，其在所述低壓輸入端均無法通過所述自舉電容充電電路中的二極體 Dl和充電泵電路給充電電容器Cl充電時，用於利用所述半橋電路所連接的電源VBAT單向 為所述充電電容器Cl充電，並限制所述充電電容器Cl的充電電流和電壓；所述自舉電容充 電啟動電路的輸入端與所述半橋電路的電源VBAT相連，而且所述自舉電容充電啟動電路 與所述驅動器上的高邊驅動浮動電源端和高邊驅動浮動地端相連。
7.如權利要求3所述的一種半橋驅動電路，其特徵在於它還包括一自舉電容充電啟 動電路，其在所述自舉電容充電電路和充電泵電路都無法對所述自舉電容充電電路中充電 電容器Cl進行充電時，用於利用所述半橋電路所連接的電源VBAT單向為所述充電電容器 Cl充電，並限制所述充電電容器Cl的充電電流和電壓；所述自舉電容充電啟動電路的輸入 端與所述半橋電路的電源VBAT相連，而且所述自舉電容充電啟動電路與所述驅動器上的 高邊驅動浮動電源端和高邊驅動浮動地端相連。
8.如權利要求6所述的一種半橋驅動電路，其特徵在於所述自舉電容充電啟動電路包括限流電阻R2、二極體D5和齊納二極體D6 ；其中所述二極體D5的陰極與所述驅動器的 高邊驅動浮動電源端相連，用於保證電荷的單向傳送；所述限流電阻R2連接電源VBAT與所 述二極體D5的陽極之間，用於限制充電電流；所述齊納二極體D6連接在所述充電電容器 Cl的兩端，用於限制充電電壓。
9.如權利要求7所述的一種半橋驅動電路，其特徵在於所述自舉電容充電啟動電路 包括限流電阻R2、二極體D5和齊納二極體D6 ；其中所述二極體D5的陰極與所述驅動器的 高邊驅動浮動電源端相連，用於保證電荷的單向傳送；所述限流電阻R2連接電源VBAT與所 述二極體D5的陽極之間，用於限制充電電流；所述齊納二極體D6連接在所述充電電容器 Cl的兩端，用於限制充電電壓。
全文摘要
本發明涉及一種半橋驅動電路，它包括半橋電路、驅動器和自舉電容充電電路，半橋電路連接在電源VBAT和功率地GND之間；驅動器的信號輸入端連接外界控制單元，驅動器上的高邊驅動信號輸出端、高邊驅動浮動地端、低邊驅動信號輸出端和低邊驅動地端均與半橋電路相連；自舉電容充電電路同時與驅動器上的高邊驅動浮動電源端和高邊驅動浮動地端相連，且自舉電容充電電路與驅動器共用低壓輸入；其特徵在於還包括一充電泵電路，其在低壓輸入端無法通過自舉電容充電電路中的二極體D1給充電電容器C1充電時，用於維持充電電容器C1兩端的電壓，充電泵電路與驅動器上的高邊驅動浮動電源端和高邊驅動浮動地端相連，充電泵電路的地與半橋電路的功率地相連。本發明適應工況的範圍廣，適用於電力電子技術領域中各種半橋電路的驅動。
文檔編號H02M7/5387GK102064729SQ20101058265
公開日2011年5月18日 申請日期2010年12月7日 優先權日2010年12月7日
發明者盧東斌, 方川, 李建秋, 歐陽明高, 谷靖 申請人:清華大學