2022年使用隔离式半桥驱动器的H电桥驱动电路(CN .pdf

使用隔离式半桥驱动器的H电桥驱动电路 (CN0196) 电路功能与优势本电路是一个由高功率开关MOSFET 组成的 H电桥， MOSFET 受低压逻辑信号控制，。该电路为逻辑信号和高功率电桥提供了一个方便的接口。H电桥的高端和低端均使用低成本N沟道功率MOSFET。该电路还在控制侧与电源侧之间提供电流隔离。本电路可以用于电机控制、 带嵌入式控制接口的电源转换、照明、音频放大器和不间断电源(UPS)等应用中。现代微处理器和微控制器一般为低功耗型，采用低电源电压工作。2.5 V CMOS 逻辑输出的源电流和吸电流在μA到 mA范围。为了驱动一个12 V 切换、 4 A 峰值电流的H电桥，必须精心选择接口和电平转换器件，特别是要求低抖动时。ADG787是一款低压CMOS 器件，内置两个独立可选的单刀双掷(SPDT)开关。采用5 V直流电源时，有效的高电平输入逻辑电压可以低至2 V。因此， ADG787能够提供驱动半桥驱动器ADuM7234 所需的 2.5 V控制信号到5 V 逻辑电平的转换。ADuM7234 是一款隔离式半桥栅极驱动器，采用ADI公司 iCoupler®技术，提供独立且隔离的高端和低端输出，因而可以专门在H 电桥中使用 N沟道 MOSFET。使用 N沟道 MOSFET 有多种好处： N沟道 MOSFET 的导通电阻通常仅为P沟道 MOSFET 的 1/3 ，最大电流更高；切换速度更快，功耗得以降低；上升时间与下降时间是对称的。ADuM7234的 4 A 峰值驱动电流确保功率MOSFET 可以高速接通和断开，使得H电桥级的功耗最小。本电路中， H电桥的最大驱动电流可以高达85 A， 它受最大容许的MOSFET电流限制。ADuC7061 是一款低功耗、基于ARM7 的精密模拟微控制器，集成脉宽调制(PWM) 控制器， 其输出经过适当的电平转换和调理后，可以用来驱动H电桥。使用隔离式半桥驱动器的H电桥驱动电路 (CN0196) 图 1. 使用 ADuM7234 隔离式半桥驱动器的H电桥（原理示意图：未显示去耦和所有连接）电路描述2.5 V PWM 控制信号电平转换为5 V EVAL-ADuC7061MKZ 提供 2.5 V逻辑电平 PWM 信号，但ADuM7234 在 5 V 电源下的最小逻辑高电平输入阈值为3.5 V。由于存在这种不兼容性，因此使用ADG787开关作为中间电平转换器。ADG787的最小输入逻辑高电平控制电压为2 V，与 ADuC7061的 2.5 V逻辑兼容。 ADG787的输出在0 V与 5 V之间切换，足以驱动 3.5 V 阈值的 ADuM7234 输入端。评估板提供两个跳线，便于配置控制PWM 信号的极性。H电桥简介图 1 所示的 H电桥具有4 个开关元件 （Q1 、Q2 、Q3 、Q4 ） 。这些开关成对导通，左上侧 (Q1) 和右下侧 (Q4) 为一对，左下侧(Q3) 和右上侧 (Q2) 为一对。注意，电桥同一侧的开关绝不会同时导通。开关可以利用MOSFET 或 IGBT（绝缘栅极双极性晶体管）实现，使用脉宽调制 (PWM) 信号或控制器的其它控制信号接通和断开开关，从而改变负载电压的极性。低端 MOSFET（Q3 、 Q4 ） 的源极接地， 因此其栅极驱动信号也以地为参考。另一方面， 高端 MOSFET（Q1 、Q2 ）的源极电压会随着MOSFET 对的接通和断开而切换，因此， 最佳栅极驱动信号应参考或 “ 自举 ” 到该浮空电压。ADuM7234 的栅极驱动信号支持在各输入与各输出之间实现真正的电流隔离。相对于输入，各路输出的工作电压最高可达±350 VPEAK ，因而支持低端切换至负电压。因此，ADuM7234 可以在很宽的正或负切换电压范围内，可靠地控制各种MOSFET 配置的开关特性。为了确保安全和简化测试，选择12 V 直流电源作为本设计的电源。自举栅极驱动电路高端和低端的栅极驱动器电源是不同的。低端栅极驱动电压以地为参考，因此它直接产生自以地为参考的直流电源。然而，高端是悬空的，因此需要使用自举驱动电路，其工作原理如下所述。观察图 1 所示 H桥电路的左侧，自举驱动电路利用电容C1 、电阻 R1和 R3、二极管 D1实现。上电后， PWM 不会立即发生，所有 MOSFET 都处于高阻态，直到所有直流电压完成建立。在此期间，电容C1由直流电源通过路径 R1、D1 、C1和 R3充电。充电后的电容C1提供高端栅极驱动电压。C1充电的时间常数为τ = (R1 + R3) C1。当 MOSFET 在 PWM 信号的控制下切换时，低端开关Q3接通，名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 3 页 - - - - - - - - - 高端开关Q1断开。高端的GNDA 下拉至地，电容C1充电。当 Q1接通时， Q3断开， GNDA 上拉至直流电源电压。二极管D1反向偏置， C1电压将 ADuM7234 的 VDDA 电压驱动到约24 V 。因此，电容 C1在 ADuM7234 的 VDDA 和 GNDA 引脚之间保持约12 V的电压。 这样，高端 MOSFET Q1的栅极驱动电压始终参考Q1 的悬空源极电压。高端 MOSFET 源极上的电压尖峰当 Q1和 Q4接通时， 负载电流从Q1经过负载流到Q4和地。 当 Q1和 Q4断开时， 电流仍然沿同一方向流动，经过续流二极管D6和 D7，在 Q1的源极上产生负电压尖峰。这可能会损害某些采用其它拓扑结构的栅极驱动器，但对 ADuM7234 无影响， ADuM7234 支持低端切换到负电压。自举电容（ C1、C2 ）每次低端驱动器接通时，自举电容就会充电，但它仅在高端开关接通时才放电。因此，选择自举电容值时需要考虑的第一个参数，就是高端开关接通并且电容用作栅极驱动器ADuM7234的高端直流电源时的最大容许压降。当高端开关接通时，ADuM7234的直流电源电流典型值为22 mA。假设高端开关的导通时间为10 ms（50 Hz 、50% 占空比），使用公式C = I × ΔT/ΔV，如果容许的压降ΔV = 1 V，I = 22 mA ，ΔT = 10 ms，则电容应大于220 μF。本设计选择330 μF的容值。电路断电后，电阻 R5将自举电容放电；当电路切换时，R5 不起作用。自举限流电阻（R1、R2 ）对自举电容充电时，串联电阻R1起到限流作用。 如果 R1过高， 来自 ADuM7234 高端驱动电源的直流静态电流会在R1上引起过大的压降，ADuM7234 可能会欠压闭锁。ADuM7234 的最大直流电源电流IMAX = 30 mA 。如果该电流引起的R1 压降以VDROP = 1 V 为限，则R1 应小于VDROP/IMAX ，或 33 Ω。因此，本设计选择10 Ω的电阻作为自举电阻。自举启动电阻（R3、 R4）电阻 R3启动自举电路。 上电之后， 直流电压不会立即建立起来，MOSFET处于断开状态。在这些条件下，C1通过路径 R1、R3 、D1、VS充电，其过程如下式所述：其中， vC(t)为电容电压， VS(为电源电压， VD(为二极管压降， τ 为时间常数， τ = (R1 + R3) C1 。电路值如下：R1 = 10 ΩvC1 = 330 μF， VD = 0.5 V，VS = 12 V。由以上方程式可知，当R3 = 470 Ω 时，电容充电到最终值的67% 需要一个时间常数的时间 (158 ms) 。电阻值越大，则电容的充电时间越长。然而，当高端MOSFET Q1 接通时，电阻 R1上将有 12 V 电压， 因此， 如果电阻值过低，它可能会消耗相当大的功率。对于 R3 = 470 Ω ，12 V时该电阻的功耗为306 mW 。自举电容的过压保护（Z1、Z2）如上所述，对于感性负载， 当高端 MOSFET 断开时， 电流会流经续流二极管。由于电感和寄生电容之间的谐振，自举电容的充电能量可能高于ADuM7234 消耗的能量， 电容上的电压可能上升到过压状态。 13 V 齐纳二极管对电容上的电压进行箝位，从而避免过压状况。栅极驱动电阻（R7 、R8、R9、R10）栅极电阻（ R7、R8、R9、R10）根据所需的开关时间tSW.选择。开关时间是指将 Cgd 、 Cgs 和开关 MOSFET 充电到要求的电荷Qgd 和 Qgs 所需的时间。使用隔离式半桥驱动器的H电桥驱动电路 (CN0196) 图 2. ADuM7234 的电源轨滤波和欠压锁闭保护描述栅极驱动电流Ig:</的方程式如下：< p> 其中， VDD 为电源电压， RDRV 为栅极驱动器ADuM7234 的等效电阻， Vgs(th)为阈值电压， Rg为外部栅极驱动电阻，Qgd 和 Qgs 为要求的 MOSFET 电荷， tSW 为要求的开关时间。ADuM7234栅极驱动器的等效电阻通过下式计算：根据 ADuM7234数据手册，对于 VDDA = 15 V 且输出短路脉冲电流 IOA(SC) = 4 A，通过方程式3 计算可知， RDRV 约为4 Ω。根据 FDP5800 MOSFET 数据手册， Qgd = 18 nC ， Qgs = 23 nC ， Vgs(th) = 1 V。如果要求的开关时间 tSW 为 100 ns，则通过方程式2 求解 Rg可知，Rg 约为 22 Ω 。实际设计选择15 Ω 电阻以提供一定的裕量。电源轨滤波和欠压保护由于峰值负载电流很高，因此必须对直流电源电压(VDD)进行适当的滤波，以防ADuM7234 进入名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 3 页 - - - - - - - - - 欠压闭锁状态，同时防止电源可能受到损害。所选的滤波器由4 个并联4700 μF、 25 V电容与一个22 μH 功率电感串联而成， 。100 kHz 时，电容的额定最大均方根纹波电流为3.68 A 。 由于 4个电容并联， 因此允许的最大均方根纹波为14.72 A。 所以，IPEAK = 2√2 × IRMS = 41.63 A。经过滤波的 +12 V 电压还驱动图1 所示的电路。当电源电压低于10 V时，图 2 所示电路便会禁用ADuM7234 的输入端， 从而防止ADuM7234 欠压闭锁。将一个逻辑高电平信号施加于ADuM7234 的 DISABLE引脚可禁用该电路。开漏式低电平有效比较器 ADCMP350 用于监视直流电源电压。电阻分压器（R12、R13）的比值经过适当选择，当电源电压为10.5 V 时，分压器输出为0.6 V ，与比较器的片内基准电压0.6 V相等。当电源电压降至10.5 V 以下时，比较器的输出变为高电平。由于ADuM7234 的输入端与输出端之间存在电流隔离，因此输出端的DISABLE 信号必须通过隔离器传输到输入端。ADuM3100 是基于 iCoupler 技术的数字隔离器。ADuM3100 兼容 3.3 V和 5 V工作电压。经过滤波的 12 V电源电压驱动线性调节器ADP1720 ， 为 ADuM3100 的右侧隔离端提供5 V (+5V_1)电压，。负载和 PWM 信号如果使用电感作为负载，当施加恒定电压时，流经电感的电流将线性变化。电压U为 12 V，如果忽略导通电阻引起的MOSFET 压降，则以下方程式成立：对于 50 kHz 、 8% 占空比PWM 信号，使用4 μH Coilcraft功率电感 (SER2014-402) 作为负载时， 负载电流波形。 利用电流探头测量电感电流。对于 12 V电源电压和4 μH电感，方程式4 预测斜率为3 A/μs 。而实测斜率为2.8 A/μs ，斜率下降的原因在于MOSFET 导通电阻引起的压降。注意，电流断开后的短时间内，波形上会出现少量响铃振荡， 其原因是电感负载与续流二极管和MOSFET 的寄生电容之间发生谐振。必须注意，电路中的电感电流不得超过其额定最大值。如果超过，电感就会饱和，电流将迅速提高，可能损坏电路和电源。本电路中使用的Coilcraft SER2014-402电感负载的额定饱和电流为25 A。使用隔离式半桥驱动器的H电桥驱动电路 (CN0196) 图 3. 4 μH负载下负载电流与PWM 脉冲的关系常见变化只需添加一些元件，就可以将本电路轻松扩展到三相控制应用。本电路还可以用于要求更高电源电压的应用中，但应注意不要超过MOSFET 和滤波器电容的额定值。设备要求•带 USB端口和 Windows XP、Windows Vista（32 位）或 Windows 7（32 位）PC •EVAL-CN0196-EB1Z 电路评估板•EVAL-ADuC7061MKZ 评估板•直流电源或电池：+12 V、 10 A •负载，如Coilcraft SER2014-402功率电感等•带电流探头的示波器开始使用将 CN0196评估软件光盘放进PC的光盘驱动器，加载评估软件。找到包含评估软件光盘的驱动器，打开Readme文件。按照Readme文件中的说明安装和使用评估软件。设置与测试将固件代码下载到EVAL-ADuC7061-MKZ ，安装CN-0196 评估软件，并且按照Readme 文件中的跳线配置连接EVAL-ADuC7061-MKZ和EVAL-CN0196-EB1Z的控制信号。使用隔离式半桥驱动器的H电桥驱动电路 (CN0196) 图 4. 测试设置功能框图连接跳线LK1，将 +12 V 电源施加到CN2 ，启动软件，并通过USB 电缆将PC 连接到EVAL-ADuC7061-MKZ 板上的微型USB连接器。使用电感作为负载，运行软件，然后使用电流探头测量电感的电流。有关如何使用评估软件来获得适当PWM 信号的详细信息，请参阅 CN0196评估软件Readme文件。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 3 页 - - - - - - - - -