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實驗室電路系列:隔離全橋驅(qū)動電路

發(fā)布時間:2018-02-13 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】本電路是一個由高功率開關(guān)MOSFET組成的H電橋,由低壓邏輯信號控制,如圖1所示。該電路為低電平邏輯信號和高功率電橋提供了一個方便的接口。H電橋的高端和低端均使用低成本N溝道功率MOSFET。該電路還在控制側(cè)與電源側(cè)之間提供隔離。本電路可以用于電機(jī)控制、帶嵌入式控制接口的電源轉(zhuǎn)換、照明、音頻放大器和不間斷電源(UPS)等應(yīng)用中。
 
現(xiàn)代微處理器和微控制器一般為低功耗型,采用低電源電壓工作。2.5 V CMOS邏輯輸出的源電流和吸電流在μA到mA范圍。為了驅(qū)動一個12 V切換、4 A峰值電流的H電橋,必須精心選擇接口和電平轉(zhuǎn)換器件,特別是要求低抖動時。
 
ADG787是一款低壓CMOS器件,內(nèi)置兩個獨立可選的單刀雙擲(SPDT)開關(guān)。采用5 V直流電源時,有效的高電平輸入邏輯電壓可以低至2 V。因此,ADG787能夠提供驅(qū)動半橋驅(qū)動器ADuM7234所需的2.5 V控制信號到5 V邏輯電平的轉(zhuǎn)換。
 
ADuM7234是一款隔離式半橋柵極驅(qū)動器,采用ADI公司iCoupler®技術(shù),提供獨立且隔離的高端和低端輸出,因而可以專門在H電橋中使用N溝道MOSFET。使用N溝道MOSFET有多種好處:N溝道MOSFET的導(dǎo)通電阻通常僅為P溝道MOSFET的1/3,最大電流更高;切換速度更快,功耗得以降低;上升時間與下降時間是對稱的。
 
ADuM7234的4 A峰值驅(qū)動電流確保功率MOSFET可以高速接通和斷開,使得H電橋級的功耗最小。本電路中,H電橋的最大驅(qū)動電流可以高達(dá)85 A,它受最大容許的MOSFET電流限制。
 
ADuC7061 是一款低功耗、基于ARM7的精密模擬微控制器,集成脈寬調(diào)制(PWM)控制器,其輸出經(jīng)過適當(dāng)?shù)碾娖睫D(zhuǎn)換和調(diào)理后,可以用來驅(qū)動H電橋。
 
實驗室電路系列:隔離全橋驅(qū)動電路
圖1. 使用ADuM7234隔離式半橋驅(qū)動器的H電橋(原理示意圖:未顯示去耦和所有連接)
 
電路描述

2.5 V PWM控制信號電平轉(zhuǎn)換為5 V
 
EVAL-ADuC7061MKZ提供2.5 V邏輯電平PWM信號,但ADuM7234在5 V電源下的最小邏輯高電平輸入閾值為3.5 V。由于存在這種不兼容性,因此使用ADG787開關(guān)作為中間電平轉(zhuǎn)換器。ADG787的最小輸入邏輯高電平控制電壓為2 V,與ADuC7061的2.5 V邏輯兼容。ADG787的輸出在0 V與5 V之間切換,足以驅(qū)動3.5 V閾值的ADuM7234輸入端。評估板提供兩個跳線,便于配置控制PWM信號的極性。
 
H電橋簡介
 
圖1所示的H電橋具有4個開關(guān)元件(Q1、Q2、Q3、Q4)。這些開關(guān)成對導(dǎo)通,左上側(cè)(Q1)和右下側(cè)(Q4)為一對,左下側(cè)(Q3)和右上側(cè)(Q2)為一對。注意,電橋同一側(cè)的開關(guān)不會同時導(dǎo)通。開關(guān)可以利用MOSFET或IGBT(絕緣柵極雙極性晶體管)實現(xiàn),使用脈寬調(diào)制(PWM)信號或控制器的其它控制信號接通和斷開開關(guān),從而改變負(fù)載電壓的極性。
 
低端MOSFET(Q3、Q4)的源極接地,因此其柵極驅(qū)動信號也以地為參考。而高端MOSFET(Q1、Q2)的源極電壓會隨著MOSFET成對地接通和斷開而切換,因此,該柵極驅(qū)動信號應(yīng)參考或“自舉”到該浮動電壓。
 
ADuM7234的柵極驅(qū)動信號支持在輸入與各輸出之間實現(xiàn)真正的電流隔離。相對于輸入,各路輸出的工作電壓最高可達(dá)±350 VPEAK,因而支持低端切換至負(fù)電壓。因此,ADuM7234可以在很寬的正或負(fù)切換電壓范圍內(nèi),可靠地控制各種MOSFET配置的開關(guān)特性。為了確保安全和簡化測試,選擇12 V直流電源作為本設(shè)計的電源。
 
自舉柵極驅(qū)動電路
 
高端和低端的柵極驅(qū)動器電源是不同的。低端柵極驅(qū)動電壓以地為參考,因此該驅(qū)動由直流電源直接供電。然而,高端是懸空的,因此需要使用自舉驅(qū)動電路,其工作原理如下所述。
 
觀察圖1所示H橋電路的左側(cè),自舉驅(qū)動電路利用電容C1、電阻R1和R3、二極管D1實現(xiàn)。上電后,PWM不會立即發(fā)生,所有MOSFET都處于高阻態(tài),直到所有直流電壓完成建立。在此期間,電容C1由直流電源通過路徑R1、D1、C1和R3充電。充電后的電容C1提供高端柵極驅(qū)動電壓。C1充電的時間常數(shù)為τ = (R1 + R3) C1
 
當(dāng)MOSFET在PWM信號的控制下切換時,低端開關(guān)Q3接通,高端開關(guān)Q1斷開。高端的GNDA下拉至地,電容C1充電。當(dāng)Q1接通時,Q3斷開,GNDA上拉至直流電源電壓。二極管D1反向偏置,C1電壓將ADuM7234的VDDA電壓驅(qū)動到約24 V。因此,電容C1在ADuM7234的VDDA和GNDA引腳之間保持約12 V的電壓。這樣,高端MOSFET Q1的柵極驅(qū)動電壓始終參考Q1的懸空源極電壓。
 
高端MOSFET源極上的電壓尖峰
 
當(dāng)Q1和Q4接通時,負(fù)載電流從Q1經(jīng)過負(fù)載流到Q4和地。當(dāng)Q1和Q4斷開時,電流仍然沿同一方向流動,經(jīng)過續(xù)流二極管D6和D7,在Q1的源極上產(chǎn)生負(fù)電壓尖峰。這可能會損害某些采用其它拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的柵極驅(qū)動器,但對ADuM7234無影響,ADuM7234支持低端切換到負(fù)電壓。
 
自舉電容(C1、C2)
 
每次低端驅(qū)動器接通時,自舉電容就會充電,但它僅在高端開關(guān)接通時才放電。因此,選擇自舉電容值時需要考慮的第一個參數(shù),就是高端開關(guān)接通并且電容用作柵極驅(qū)動器ADuM7234的高端直流電源時的最大容許壓降。當(dāng)高端開關(guān)接通時,ADuM7234的直流電源電流典型值為22 mA。假設(shè)高端開關(guān)的導(dǎo)通時間為10 ms(50 Hz、50%占空比),使用公式C = I × ΔT/ΔV,如果容許的壓降ΔV = 1 V,I = 22 mA,ΔT = 10 ms,則電容應(yīng)大于220 μF。本設(shè)計選擇330 μF的容值。電路斷電后,電阻R5將自舉電容放電;當(dāng)電路切換時,R5不起作用。
 
自舉限流電阻(R1、R2)
 
對自舉電容充電時,串聯(lián)電阻R1起到限流作用。如果R1過高,來自ADuM7234高端驅(qū)動電源的直流靜態(tài)電流會在R1上引起過大的壓降,ADuM7234可能會欠壓閉鎖。ADuM7234的最大直流電源電流IMAX = 30 mA。如果該電流引起的R1壓降以VDROP = 1 V為限,則R1應(yīng)小于VDROP/IMAX ,或33 Ω。因此,本設(shè)計選擇10 Ω的電阻作為自舉電阻。
 
自舉啟動電阻(R3、R4)
 
電阻R3啟動自舉電路。上電之后,直流電壓不會立即建立起來,MOSFET處于斷開狀態(tài)。在這些條件下,C1通過路徑R1、R3、D1、VS充電,其過程如下式所述:
 
實驗室電路系列:隔離全橋驅(qū)動電路
 
其中, vC(t)為電容電壓,VS(為電源電壓,VD(為二極管壓降,τ為時間常數(shù),τ = (R1 + R3) C1。電路值如下:R1 = 10 ΩvC1 = 330 μF,VD = 0.5 V,VS = 12 V。由以上方程式可知,當(dāng)R3 = 470 Ω時,電容充電到最終值的67%需要一個時間常數(shù)的時間(158 ms)。電阻值越大,則電容的充電時間越長。然而,當(dāng)高端MOSFET Q1接通時,電阻R1上將有12 V電壓,因此,如果電阻值過低,它可能會消耗相當(dāng)大的功率。對于R3 = 470 Ω,12 V時該電阻的功耗為306 mW。
 
自舉電容的過壓保護(hù)(Z1、Z2)
 
如上所述,對于感性負(fù)載,當(dāng)高端MOSFET斷開時,電流會流經(jīng)續(xù)流二極管。由于電感和寄生電容之間的諧振,自舉電容的充電能量可能高于ADuM7234消耗的能量,電容上的電壓可能上升到過壓狀態(tài)。13 V齊納二極管對電容上的電壓進(jìn)行箝位,從而避免過壓狀況。
 
柵極驅(qū)動電阻(R7、R8、R9、R10)
 
柵極電阻(R7、R8、R9、R10)根據(jù)所需的開關(guān)時間tSW.選擇。開關(guān)時間是指將 Cgd 、 Cgs 和開關(guān)MOSFET充電到要求的電荷Qgd 和 Qgs所需的時間。
 
實驗室電路系列:隔離全橋驅(qū)動電路
圖2. ADuM7234的電源軌濾波和欠壓鎖閉保護(hù)
 
描述柵極驅(qū)動電流Ig:
 
實驗室電路系列:隔離全橋驅(qū)動電路
 
其中, VDD 為電源電壓,RDRV為柵極驅(qū)動器ADuM7234的等效電阻, Vgs(th)為閾值電壓,Rg為外部柵極驅(qū)動電阻,Qgd 和 Qgs 為要求的MOSFET電荷, tSW為要求的開關(guān)時間。
 
ADuM7234柵極驅(qū)動器的等效電阻通過下式計算:
 
實驗室電路系列:隔離全橋驅(qū)動電路
 
根據(jù)ADuM7234數(shù)據(jù)手冊,對于 VDDA = 15 V 且輸出短路脈沖電流 IOA(SC) = 4 A,通過方程式3計算可知,RDRV 約為4 Ω。
 
根據(jù)FDP5800 MOSFET數(shù)據(jù)手冊,Qgd = 18 nC, Qgs = 23 nC, Vgs(th) = 1 V。
 
如果要求的開關(guān)時間 tSW為100 ns,則通過方程式2求解Rg可知,Rg 約為 22 Ω。實際設(shè)計選擇15 Ω電阻以提供一定的裕量。
 
電源軌濾波和欠壓保護(hù)
 
由于峰值負(fù)載電流很高,因此必須對直流電源電壓(VDD)進(jìn)行適當(dāng)?shù)臑V波,以防ADuM7234進(jìn)入欠壓閉鎖狀態(tài),同時防止電源可能受到損害。所選的濾波器由4個并聯(lián)4700 μF、25 V電容與一個22 μH功率電感串聯(lián)而成,如圖2所示。100 kHz時,電容的額定最大均方根紋波電流為3.68 A。由于4個電容并聯(lián),因此允許的最大均方根紋波為14.72 A。所以,IPEAK = 2√2 × IRMS = 41.63 A。
 
經(jīng)過濾波的+12 V電壓還驅(qū)動圖1所示的電路。
 
當(dāng)電源電壓低于10 V時,圖2所示電路便會禁用ADuM7234的輸入端,從而防止ADuM7234欠壓閉鎖。將一個邏輯高電平信號施加于ADuM7234的DISABLE引腳可禁用該電路。
 
開漏式低電平有效比較器 ADCMP350 用于監(jiān)視直流電源電壓。電阻分壓器(R12、R13)的比值經(jīng)過適當(dāng)選擇,當(dāng)電源電壓為10.5 V時,分壓器輸出為0.6 V,與比較器的片內(nèi)基準(zhǔn)電壓0.6 V相等。當(dāng)電源電壓降至10.5 V以下時,比較器的輸出變?yōu)楦唠娖?。由于ADuM7234的輸入端與輸出端之間存在電流隔離,因此輸出端的DISABLE信號必須通過隔離器傳輸?shù)捷斎攵恕?ADuM3100是基于iCoupler 技術(shù)的數(shù)字隔離器。ADuM3100兼容3.3 V和5 V工作電壓。經(jīng)過濾波的12 V電源電壓驅(qū)動線性調(diào)節(jié)器ADP1720 ,為ADuM3100的右側(cè)隔離端提供5 V (+5V_1)電壓,如圖2所示。
 
負(fù)載和PWM信號
 
如果使用電感作為負(fù)載,當(dāng)施加恒定電壓時,流經(jīng)電感的電流將線性變化。電壓U為12 V,如果忽略導(dǎo)通電阻引起的MOSFET壓降,則以下方程式成立:
 
實驗室電路系列:隔離全橋驅(qū)動電路
 
對于50 kHz、8%占空比PWM信號,使用4 μH Coilcraft功率電感(SER2014-402)作為負(fù)載時,負(fù)載電流波形如圖3所示。利用電流探頭測量電感電流。
 
對于12 V電源電壓和4 μH電感,方程式4預(yù)測斜率為3 A/μs。而實測斜率為2.8 A/μs,斜率下降的原因在于MOSFET導(dǎo)通電阻引起的壓降。
 
注意,電流斷開后的短時間內(nèi),波形上會出現(xiàn)少量響鈴振蕩,其原因是電感負(fù)載與續(xù)流二極管和MOSFET的寄生電容之間發(fā)生諧振。
 
必須注意,電路中的電感電流不得超過其額定最大值。如果超過,電感就會飽和,電流將迅速提高,可能損壞電路和電源。本電路中使用的Coilcraft SER2014-402電感負(fù)載的額定飽和電流為25 A。
 
實驗室電路系列:隔離全橋驅(qū)動電路
圖3. 4 μH負(fù)載下負(fù)載電流與PWM脈沖的關(guān)系
 
 
 
 
 
 
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