CN101674001A - 带有死区控制的桥式驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及桥式驱动电路，包括第一开关元件和第二开关元件，第一开关元件低电平有效，第二开关元件高电平有效；控制单元输出的一PWM信号经第一死区控制电路输出至第一开关元件的控制端，经第二死区控制电路输出至第二开关元件的控制端；第一、第二死区控制电路的等效阻抗随PWM信号的电平变化而变化，当PWM信号从低变为高时，第一、第二死区控制电路等效阻抗的变化使第一开关元件的控制端信号的上升快于第二开关元件的控制端信号的上升；PWM信号从高变为低时，第一、第二死区控制电路等效阻抗的变化使第一开关元件的控制端信号的下降慢于第二开关元件的控制端信号的下降。本发明实施例能够节约控制单元的输出端口。

Description

带有死区控制的桥式驱动电路

技术领域

本发明涉及桥式电路，尤其涉及带有死区控制的桥式驱动电路。

背景技术

由于开关元件的非理想开关特性，桥式电路中同桥臂的两个开关元件容易发生短路故障。为解决这一问题，通常的办法是加入一个死区时间，即在一个开关元件截止后隔一段时间再导通另一个开关元件。

请参阅图8，现有技术中通常由控制单元输出两路互补的控制信号实现对同桥臂两个开关元件的控制，当需要加入死区时间时，通常是在控制单元输出控制信号前对其进行调整。

在上述现有技术中，控制同桥臂的两个开关元件时需要控制单元使用两个输出端口。

发明内容

本发明解决现有的技术问题所采用的技术方案是：提供一种带有死区控制的桥式驱动电路，包括第一开关元件和第二开关元件，所述第一开关元件在输入其控制端的信号为低电平时导通，为高电平时截止，所述第二开关元件在输入其控制端的信号为高电平时导通，为低电平时截止；所述电路还包括第一死区控制电路、第二死区控制电路和控制单元，所述控制单元输出的一脉宽调制PWM信号经所述第一死区控制电路输出至所述第一开关元件的控制端，经所述第二死区控制电路输出至所述第二开关元件的控制端；所述第一死区控制电路的等效阻抗和第二死区控制电路的等效阻抗随所述PWM信号的电平变化而变化，当所述PWM信号从低电平变为高电平时，所述第一、第二死区控制电路的等效阻抗的变化使所述第一开关元件的控制端信号的上升快于所述第二开关元件的控制端信号的上升；当所述PWM信号从高电平变为低电平时，所述第一、第二死区控制电路的等效阻抗的变化使所述第一开关元件的控制端信号的下降慢于所述第二开关元件的控制端信号的下降。

本发明所举实施例具有的有益效果是：由于控制单元只需使用一个输出端口就能够控制同桥臂的两个开关元件并产生死区时间，因此能够有效节省控制单元的输出端口。

为了能更进一步了解本发明的特征以及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，然而所附图式仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。

附图说明

图1为依本发明桥式电路的示意图；

图2为依本发明一实施例的桥式电路图；

图3为本发明一实施例的桥式电路中产生死区时间的示意图；

图4为依本发明另一实施例的桥式电路图；

图5为依本发明另一实施例的桥式电路图；

图6为本发明一实施例的桥式电路中等效电压源V1的示意图；

图7为本发明一实施例的桥式电路中等效电压源V2的示意图；

图8为现有技术的桥式电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

请参阅图1，本发明提供的带有死区控制的桥式驱动电路包括第一开关元件11和第二开关元件12，第一开关元件11在输入其控制端C1的信号为低电平时导通，为高电平时截止，第二开关元件12在输入其控制端C2的信号为高电平时导通，为低电平时截止。

所述电路还包括第一死区控制电路13、第二死区控制电路14和控制单元15，控制单元15输出的一PWM信号经第一死区控制电路13输出至第一开关元件11的控制端C1，经第二死区控制电路14输出至第二开关元件12的控制端C2。

第一死区控制电路13和第二死区控制电路14的等效阻抗随所述PWM信号的电平变化而变化，当所述PWM信号从低电平变为高电平时，第一、第二死区控制电路13、14的等效阻抗的变化使第一开关元件11的控制端C1信号的上升快于第二开关元件12的控制端C2信号的上升；当所述PWM信号从高电平变为低电平时，第一、第二死区控制电路13、14的等效阻抗的变化使第一开关元件11的控制端C1信号的下降慢于第二开关元件12的控制端C2信号的下降。

值得注意的是，所述的第一、第二死区控制电路的等效阻抗的变化既可以是第一、第二死区控制电路的等效阻抗同时变化，也可以是仅其中之一变化。

其中，所述的第一、第二开关元件可以采用如三极管、场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管(IGBTs)、或门极可关断开关晶闸管(GTOs)等实现；所述的控制单元可以是微处理器，所述微处理器可以按照预先设置的控制程序输出所需的PWM信号。

其中，所述第一、第二死区控制电路可以采用如二极管、三极管等具有单向导电性的晶体管实现。

请参阅图2，在依本发明带有死区控制的桥式驱动电路的一实施方式中，第一、第二开关元件11、12的充电容量相同或相近，第一死区控制电路13包括第一输入端n1、第一输出端m1、串联连接于第一输入端n1与第一输出端m1之间的第一晶体二极管D1和第一电阻R1、及与第一晶体二极管D1和第一电阻R1并联的第二电阻R2，第一输入端n1接收所述PWM信号，第一输出端m1连接至第一开关元件11的控制端C1，第一晶体二极管D1沿第一输入端n1至第一输出端m1方向正向连接；第二死区控制电路14包括第二输入端n2、第二输出端m2、串联连接于第二输入端n2与第二输出端m2之间的第二晶体二极管D2和第三电阻R3、及与第二晶体二极管D2和第三电阻R3并联的第四电阻R4，第二输入端n2接收所述PWM信号，第二输出端m2连接至第二开关元件12的控制端C2，第二晶体二极管D2沿第二输入端n2至第二输出端方向m2反向连接；其中，第一电阻R1与第二电阻R2的并联阻值小于第四电阻R4的阻值，第二电阻R2的阻值大于第三电阻R3与第四电阻R4的并联阻值。

下面结合图3对该实施例的工作原理进行说明。当控制单元15输出的PWM信号从低电平变为高电平时，D1导通而D2截止，此时第一死区控制电路13的等效阻抗为R1与R2的并联阻值，第二死区控制电路14的等效阻抗为R4的阻值，由于R1与R2的并联阻值小于R4的阻值，即第一死区控制电路13的等效阻抗小于第二死区控制电路14的等效阻抗，并且第一、第二开关元件11、12的充电容量相同或相近，因此，第一开关元件11的控制端C1的控制信号的上升快于第二开关元件12的控制端C2的控制信号的上升，控制端C1的控制信号早于控制端C2的控制信号高于阈值，变为高电平，使第一开关元件11的截止早于第二开关元件12的导通，形成图中所示的死区T1；当控制单元15输出的PWM信号从高电平变为低电平时，D1截止而D2导通，此时第一死区控制电路13的等效阻抗为R2的阻值，第二死区控制电路14的等效阻抗为R3与R4的并联阻值，由于R2的阻值大于R3与R4的并联阻值，即第一死区控制电路13的等效阻抗大于第二死区控制电路14的等效阻抗，并且第一、第二开关元件11、12的充电容量相同或相近，因此，第一开关元件11的控制端C1的控制信号的下降慢于第二开关元件12的控制端C2的控制信号的下降，控制端C2的控制信号早于控制端C1的控制信号低于阈值，变为低电平，使第二开关元件12的截止早于第一开关元件11的导通，形成图中所示的死区T2。

请参阅图4，在依本发明一实施例提供带有死区控制的桥式驱动电路的另一实施方式中，第一、第二开关元件11、12的充电容量相同或相近，第一死区控制电路13包括第一输入端n1、第一输出端m1、串联连接于第一输入端n1与第一输出端m1之间的第一晶体二极管D3和第一电阻R5、及与第一晶体二极管D3和第一电阻R5并联的第二电阻R6，第一输入端n1接收所述PWM信号，第一输出端m1连接至第一开关元件11的控制端C1，第一晶体二极管D3沿第一输入端n1至第一输出端m1方向反向连接；第二死区控制电路14包括第二输入端n2、第二输出端m2、串联连接于第二输入端n2与第二输出端m2之间的第二晶体二极管D4和第三电阻R7、及与第二晶体二极管D4和第三电阻R7并联的第四电阻R8，第二输入端n2接收所述PWM信号，第二输出端m2连接至第二开关元件12的控制端C2，第二晶体二极管D4沿第二输入端n2至第二输出端m2方向反向连接；其中，第二电阻R6的阻值小于第四电阻R8的阻值，第一电阻R5与第二电阻R6的并联阻值大于第三电阻R7与第四电阻R8的并联阻值。

其工作原理是：当控制单元15输出的PWM信号从低电平变为高电平时，D3、D4均截止，此时第一死区控制电路13的等效阻抗为R6的阻值，第二死区控制电路14的等效阻抗为R8的阻值，由于R6的阻值小于R8的阻值，即第一死区控制电路13的等效阻抗小于第二死区控制电路14的等效阻抗，并且第一、第二开关元件11、12的充电容量相同或相近，因此，第一开关元件11的控制端C1的控制信号的上升快于第二开关元件12的控制端C2的控制信号的上升，使第一开关元件11的截止早于第二开关元件12的导通；当控制单元15输出的PWM信号从高电平变为低电平时，D3、D4均导通，此时第一死区控制电路13的等效阻抗为R5与R6的并联阻值，第二死区控制电路14的等效阻抗为R7与R8的并联阻值，由于R5与R6的并联阻值大于R7与R8的并联阻值，即第一死区控制电路13的等效阻抗大于第二死区控制电路14的等效阻抗，并且第一、第二开关元件11、12的充电容量相同或相近，因此，第一开关元件11的控制端C1的控制信号的下降慢于第二开关元件12的控制端C2的控制信号的下降，使第二开关元件12的截止早于第一开关元件11的导通。

上面以晶体二极管为例，提供本发明带有死区控制的桥式驱动电路的两种具体实施方式，当然并不仅限于此，例如，当第一晶体二极管和第二晶体二极管均为正向连接，并对第一、第二死区控制电路中电阻的阻值进行重新配置后，也可以实现同样的目的。

下面以三极管为例，提供依本发明带有死区控制的桥式驱动电路的具体实施方式，当然并不仅限于此。

请参阅图5，在依本发明带有死区控制的桥式驱动电路的另一实施方式中，第一死区控制电路13包括输入端A1、输出端B1、电阻Ra、第一功率管T1、及等效电压源V1；输入端A1接收所述PWM信号，输出端B1连接至第一开关元件11的控制端C1，电阻Ra连接于输入端A1与输出端B1之间，第一功率管T1的输入端h1连接至所述输出端B1，第一功率管T1的输出端d1接电源，第一功率管T1的控制端k1连接至等效电压源V1的正端，等效电压源V1的负端与输入端A1相连。其中，第一功率管T1可以采用NPN型三极管，其基极用作控制端k1、发射极用作输入端h1，集电极用作输出端d1；第一开关元件11可以采用P沟道场效应管，其门极用作控制端连接输出端B1，漏极接电源。其中，等效电压源V1正负两端的电压的绝对值等于第一功率管T1的开启电压值，以消除PWM信号上升后第一功率管T1的基极导通带来的驱动电压。

第二死区控制电路14包括输入端A2、输出端B2、电阻Rb、第二功率管T2、及等效电压源V2；输入端A2接收所述PWM信号，输出端连接至第二开关元件12的控制端C2，电阻Rb连接于输入端A2与输出端B2之间，第二功率管T2的输入端h2连接至所述输出端B2，第二功率管T2的输出端d2接地，第二功率管T2的控制端k2连接至等效电压源V的负端，等效电压源V2的正端与输入端A2相连。其中，第二功率管T2可以采用PNP型三极管，其基极作为控制端k2、发射极作为输入端h2，集电极作为输出端d2；第二开关元件12可以采用N沟道场效应管，其门极用作控制端连接输出端B2，漏极接地，源极与第一开关元件11的源极连接作为桥式电路的输出端。其中，等效电压源V2负正两端的电压的绝对值等于第二功率管T2的开启电压值，从而使得下降后的第二开关元件12的门极电压为零。

请参阅图6，所述第一死区控制电路13的等效电压源V1可通过以下方式实现：一二极管与一电容并联；所述电容与二极管的负极的连结点用作所述等效电压源的负端；所述电容与二极管的正极的连结点用作所述等效电压源的正端，所述正端通过一电阻与电源VDD相连。可选地，根据实际应用需要，所述二极管也可与一稳压管串联后再与所述电容并联。

请参阅图7，所述第二死区控制电路14的等效电压源V2可通过以下方式获得：一二极管与一电容并联；所述电容的一端与二极管的正极相连，连结点用作所述等效电压源的正端；所述电容的另一端与二极管的负极相连，连结点用作所述等效电压源的负端，所述负端通过一电阻接地。可选地，根据实际应用需要，所述二极管也可与一稳压管串联后再与所述电容并联。

下面说明上述实施例的工作原理。当PWM信号从低电平变为高电平时，第一功率管T1导通，第一开关元件11的门极通过第一功率管T1接电源，第一开关元件11的门极电压迅速上升；而第二功率管T2处于截止状态，电流通过电阻Rb流向第二开关元件12的门极，第二开关元件12的门极电压逐渐上升；因此，第一开关元件11的控制端C1的控制信号的上升快于第二开关元件12的控制端C2的控制信号的上升，使第一开关元件11的截止早于第二开关元件12的导通。

当PWM信号从高电平变为低电平时，第一功率管T1处于截止状态，电流通过电阻Ra流向第一开关元件11的门极，第一开关元件11的门极电压逐渐下降；而第二功率管T2导通，第二开关元件12的门极通过第二功率管T2接地，第二开关元件12的门极电压迅速下降；因此，第一开关元件11的控制端C1的控制信号的下降慢于第二开关元件12的控制端C2的控制信号的下降，使第二开关元件12的截止早于第一开关元件11的导通。

在本发明更多实施例中，为了防止功率管T1、T2的集电极出现反向电流，也可以在功率管的集电极上加一二极管。

综上所述，本发明实施例中，由于控制单元只需使用一个输出端口就能够控制同桥臂的两个开关元件并产生死区时间，因此能够有效节约控制单元的输出端口。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (11)

1、一种带有死区控制的桥式驱动电路，包括第一开关元件和第二开关元件，所述第一开关元件在输入其控制端的信号为低电平时导通，为高电平时截止，所述第二开关元件在输入其控制端的信号为高电平时导通，为低电平时截止，其特征在于：

所述电路还包括第一死区控制电路、第二死区控制电路和控制单元，所述控制单元输出的一脉宽调制PWM信号经所述第一死区控制电路输出至所述第一开关元件的控制端，经所述第二死区控制电路输出至所述第二开关元件的控制端；

所述第一死区控制电路的等效阻抗和第二死区控制电路的等效阻抗随所述PWM信号的电平变化而变化，当所述PWM信号从低电平变为高电平时，所述第一、第二死区控制电路的等效阻抗的变化使所述第一开关元件的控制端信号的上升快于所述第二开关元件的控制端信号的上升；当所述PWM信号从高电平变为低电平时，所述第一、第二死区控制电路的等效阻抗的变化使所述第一开关元件的控制端信号的下降慢于所述第二开关元件的控制端信号的下降。

2、根据权利要求1所述的带有死区控制的桥式驱动电路，其特征在于：所述第一、第二死区控制电路均包括至少一个二极管和若干个电阻。

3、根据权利要求2所述的带有死区控制的桥式驱动电路，其特征在于：

所述第一死区控制电路包括第一输入端、第一输出端、串联连接于所述第一输入端与第一输出端之间的第一晶体二极管(D1)和第一电阻(R1)、及与所述第一晶体二极管和第一电阻并联的第二电阻(R2)，所述第一输入端接收所述PWM信号，所述第一输出端连接至所述第一开关元件的控制端，所述第一晶体二极管沿所述第一输入端至第一输出端方向正向连接；

所述第二死区控制电路包括第二输入端、第二输出端、串联连接于所述第二输入端与第二输出端之间的第二晶体二极管(D2)和第三电阻(R3)、及与所述第二晶体二极管和第三电阻并联的第四电阻(R4)，所述第二输入端接收所述PWM信号，所述第二输出端连接至所述第二开关元件的控制端，所述第二晶体二极管沿所述第二输入端至第二输出端方向反向连接；

其中，若所述第一、第二开关元件的充电容量相同或相近，所述第一电阻与所述第二电阻的并联阻值小于所述第四电阻的阻值，所述第二电阻的阻值大于所述第三电阻与所述第四电阻的并联阻值。

4、根据权利要求2所述的带有死区控制的桥式驱动电路，其特征在于：

所述第一死区控制电路包括第一输入端、第一输出端、串联连接于所述第一输入端与第一输出端之间的第一晶体二极管(D3)和第一电阻(R5)、及与所述第一晶体二极管和第一电阻并联的第二电阻(R6)，所述第一输入端接收所述PWM信号，所述第一输出端连接至所述第一开关元件的控制端，所述第一晶体二极管沿所述第一输入端至第一输出端方向反向连接；

所述第二死区控制电路包括第二输入端、第二输出端、串联连接于所述第二输入端与第二输出端之间的第二晶体二极管(D4)和第三电阻(R7)、及与所述第二晶体二极管和第三电阻并联的第四电阻(R8)，所述第二输入端接收所述PWM信号，所述第二输出端连接至所述第二开关元件的控制端，所述第二晶体二极管沿所述第二输入端至第二输出端方向反向连接；

其中，若所述第一、第二开关元件的充电容量相同或相近，所述第二电阻的阻值小于所述第四电阻的阻值，所述第一电阻与第二电阻的并联阻值大于所述第三电阻与所述第四电阻的并联阻值。

5、根据权利要求1所述的带有死区控制的桥式驱动电路，其特征在于：

所述第一死区控制电路包括第一输入端(A1)、第一输出端(B1)、第一电阻(Ra)及第一功率管(T1)，所述第一输入端接收所述PWM信号，所述第一输出端连接至所述第一开关元件的控制端，所述第一电阻连接于所述第一输入端与第一输出端之间，所述第一功率管为NPN型晶体管，其输入端(h1)连接至所述第一输出端，其输出端(d1)接电源，其控制端(k1)连接至所述第一输入端；

所述第二死区控制电路包括第二输入端(A2)、第二输出端(B2)、第二电阻(Rb)及第二功率管(T2)，所述第二输入端接收所述PWM信号，所述第二输出端连接至所述第二开关元件的控制端，所述第二电阻连接于所述第二输入端与第二输出端之间，所述第二功率管为PNP型晶体管，其输入端(h2)连接至所述第二输出端，其输出端(d2)接地，其控制端(k2)连接至所述第二输入端。

6、根据权利要求5所述的带有死区控制的桥式驱动电路，其特征在于：

所述第一功率管为NPN型三极管，其基极用作控制端，发射极用作输入端，集电极用作输出端；

所述第二功率管为PNP型三极管，其基极用作控制端，发射极用作输入端，集电极用作输出端。

7、根据权利要求5所述的带有死区控制的桥式驱动电路，其特征在于：在所述第一输入端与所述第一功率管的控制端(k1)间还包括等效电压源(V1)，所述等效电压源的正端与所述第一功率管的控制端连接，负端与所述第一输入端连接。

8、根据权利要求7所述的带有死区控制的桥式驱动电路，其特征在于，所述等效电压源包括二极管与一电容并联；电容的一端与二极管的正极相连，连结点充当所述等效电压源的正端；电容的另一端与二极管的负极相连，连结点充当所述等效电压源的负端，所述正端通过一电阻与一电源相连。

9、根据权利要求5所述的带有死区控制的桥式驱动电路，其特征在于：在所述第二输入端与所述第二功率管的控制端(k2)间还包括等效电压源(V2)，所述等效电压源的负端与所述第二功率管的控制端连接，正端与所述第二输入端连接。

10、根据权利要求9所述的带有死区控制的桥式驱动电路，其特征在于，所述等效电压源包括二极管与一电容并联；电容的一端与二极管的正极相连，连结点充当所述等效电压源的正端；电容的另一端与二极管的负极相连，连结点充当所述等效电压源的负端，所述负端通过一电阻接地。

11、根据权利要求1至10任一项所述的带有死区控制的桥式驱动电路，其特征在于：

所述第一开关元件为P沟道场效应管，其门极用作控制端，漏极接电源；

所述第二开关元件为N沟道场效应管，其门极用作控制端，漏极接地，源极与第一开关元件的源极连接用作所述桥式电路的输出端。

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