CN105322948A - 半桥驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半桥驱动电路，其包括上半桥驱动信号放大输出电路以及下半桥驱动信号放大输出电路，上半桥驱动信号放大输出电路包括三极管Q11H、三极管Q12H、三极管Q13H；三极管Q11H的基极端通过限流电阻R12H与控制信号输入端U+连接；三极管Q13H的集电极端、限流电阻R15的另一端以及开关MOSFET管Q15H的源极端相互连接后形成驱动电路连接端；开关MOSFET管Q14H的漏极端与驱动电阻R19H的一端连接，驱动电阻,19H的另一端与驱动电阻R20H的一端相互连接后形成上半桥驱动信号输出端GUH。本发明结构紧凑，驱动电流大，确保满足半桥电路的驱动要求，安全可靠。

Description

半桥驱动电路

技术领域

本发明涉及一种电路结构，尤其是一种半桥驱动电路，属于半桥驱动的技术领域。

背景技术

场效应晶体管（MOSFET）作为大功率开关及高速开关器件，在电力电子技术中得到广泛应用，特别是电机控制领域。在电机驱动应用中，场效应晶体管经常用来组成半桥电路，其中半桥电路中的上半桥晶体管漏极与母线电源连接，上板桥晶体管的源极与下半桥晶体管的漏极相连，下半桥晶体管的源极与功率地相连，半桥电路的输出端由上半桥晶体管的源极端与下半桥晶体管漏极端连接后形成。一般地，半桥电路根据单片机输出的PWM信号进行相应的开关动作，但是单片机的PWM信号往往不足以驱动半场电路，所以需要增设半桥驱动电路，以便将单片机输出的PWM信号放大，达到驱动半桥电路的目的。

如图1所示，为现有常用的半桥功率电路，所述半桥功率电路包括MOSFET半桥电路1、三极管驱动电路2和三极管驱动自举电路3。三极管驱动电路2的控制信号输入端U+、控制信号输入端U-分别连接到单片机PWM控制接口，三极管驱动电路2上的上半桥驱动信号输出端GUH、下半桥驱动信号输出端GUL均与MOSFET半桥电路1相连。三极管驱动电路2接收单片机控制单元的PWM控制信号，PWM控制信号经三极管驱动电路2进行电流放大后分别加载到MOSFET半桥电路1的上半桥MOSFET管Q4H以及下半桥MOSFET管Q4L，以驱动MOSFET半桥电路1工作。三极管驱动自举电路3为三极管驱动电路2提供高边驱动的浮动电压，而且三极管驱动自举电路3与三极管驱动电路2共用低压电源输入端（12V~15V）。

MOSFET半桥电路1包括上半桥电路和下半桥电路，其中上半桥电路包含：上半桥MOSFET管Q4H、驱动电阻R8H、滤波电容C3H和电阻R7H；下半桥电路包含：下半桥MOSFET管Q4L、驱动电阻R8L、滤波电容C3L和电阻R7L。上半桥MOSFET管Q4H的漏极与母线电源VBAT相连，上半桥MOSFET管Q4H的源极与下半桥MOSFET管Q4L的漏极相连，下半桥MOSFET管Q4L的源极与功率地相连；上半桥MOSFET管Q4H的栅极端与驱动电阻R8H的一端连接，驱动电阻R8H的另一端与电阻R7H的一端以及滤波电容C3H的一端连接，电阻R7H的另一端以及滤波电容C3H的另一端均与上半桥MOSFET管Q4H的源极端连接。下半桥MOSFET管Q4L的栅极端与驱动电阻R8L的一端连接，驱动电阻R8L的另一端与电阻R7L的一端以及滤波电容C3L的一端连接，电阻R7L的另一端以及滤波电容C3L的另一端均接功率地。上半桥MOSFET管Q4H的源极端通过下拉电阻R9接功率地。上半桥MOSFET管Q4H的源极端与下半桥MOSFET管Q4L的漏极端连接形成半桥电路输出连接端，且上半桥MOSFET管Q4H的源极端形成上半桥浮动地端。

三极管驱动电路2可以采用分立的电子元件搭建，也可以选用集成的驱动芯片，图1中示出使用分立元件的示意图。三极管驱动电路2用于将单片机控制单元输出的PWM信号进行放大，并将放大后的驱动信号输送给MOSFET半桥电路1，即通过三极管驱动电路2内的若干三极管对PWM信号进行放大。上半桥驱动信号输出端GUH通过驱动电阻R8H与上半桥MOSFET管Q4H的栅极端相连，下半桥驱动信号输出端GUL通过驱动电阻R8L与下半桥MOSFET管Q4L的栅极端相连。三极管驱动电路2上的低压输入电压通常为12V~15V。三极管驱动自举电路3由充电电容C2和反向二极管D2构成，其中反向二极管D2一般采用快速恢复二极管。反向二极管D2的阳极端与低压电压连接，反向二极管D2的阴极端与驱动电路2以及充电电容C2的正端连接。充电电容C2的负端连接驱动电路2的驱动电路连接端，所述驱动电路连接端与半桥电路输出连接端连接后用于形成电机相线连接端。以与电机的U相连接为例，驱动电路连接端与半桥电路输出连接端相互连接后形成电机相线连接端U，图1中的U即为电机相线连接端，电机相线连接端由充电电容C2的负端与上半桥MOSFET管Q4H的源极端、下半桥MOSFET管Q4L的漏极端、电阻R7H的另一端、电容C3L的另一端以及下拉电阻R9相互连接形成。

一般情况下，由于驱动电路2的驱动电路连接端的作用，导致上半桥MOSFET管Q4H源极端的电压是浮动的，因此，驱动上半桥MOSFET管Q4H时，需要在上半桥MOSFET管Q4H的栅极上加载一浮动的且高于其源极的电压，电压通过上半桥驱动信号输出端GUH加载到上半桥MOSFET管Q4H的栅极端。当下半桥MOSFET管Q4L导通时，上半桥浮动地端与功率地处于相同的电位上，低压输入电压（12V~15V）相同（忽略二极管D2的正向压降）对充电电容C2进行充电。当下半桥MOSFET管Q4L关闭时，上半桥浮动地端电位上升，充电电容C2正端的电位也相应上升，反向二极管D2反向截止，防止充电电容C2中的电荷倒流，此时充电电容C2处于放电状态。当充电电容C2开始放电时，提供上半桥MOSFET管Q4H导通所需要的电压，充电电容C2两端的电压差为低压输入电压，当上半桥MOSFET管Q4H仍然没有导通时，充电电容C2正端的电压为低压输入电压（12V~15V）加上上半桥MOSFET管Q4H源极的电压，当上半桥MOSFET管Q4H导通后，充电电容C2正端的电压为低压输入电压（12V~15V）加上Q4H源极的电压即母线电压。由于静态电流的消耗，需要及时充电，当下半桥MOSFET管Q4L导通时，充电电容C2才能进行充电，以保证上半桥MOSFET管Q4H能顺利开启。

综上，现有驱动电路2对MOSFET半桥电路1的驱动能力较差，无法满足较大功率的MOSFET半桥电路有效可靠的驱动要求。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足（三极管驱动电路驱动能力弱），提供一种半桥驱动电路，其结构紧凑，驱动电流大，确保满足大功率半桥电路的驱动要求，安全可靠。

按照本发明提供的技术方案，所述半桥驱动电路，包括上半桥驱动信号放大输出电路以及下半桥驱动信号放大输出电路，所述上半桥驱动信号放大输出电路包括三极管Q11H、三极管Q12H以及三极管Q13H；所述三极管Q11H的基极端与限流电阻R12H的一端连接，限流电阻R12H的另一端与上拉电阻R11H的一端、滤波电容C11H的一端连接，所述滤波电容C11H的另一端接地，上拉电阻R11H的另一端与第一电压连接，且限流电阻R12的另一端还与控制信号输入端U+连接；

三极管Q11H的发射极通过分压电阻R13H接地，三极管Q11H的集电极端与分压电阻R14H的一端以及三极管Q12H的基极端连接，所述分压电阻R14的另一端与自举电路连接，三极管Q12H的集电极端分别与反向保护二极管D11H的阳极端、三极管Q13H的基极端以及限流电阻R15H的一端连接，三极管Q12H的发射极端与分压电阻R14的另一端、限流电阻R18H的一端以及开关MOSFET管Q14H的源极端连接；

限流电阻R18H的另一端与限流电阻R17H的一端、开关MOSFET管Q14H的栅极端以及开关MOSFET管Q15H的栅极端连接，限流电阻R17H的另一端与限流电阻R16H的一端以及三极管Q13H的发射极端连接，限流电阻R16H的另一端与反向保护二极管D11H的阴极端连接，三极管Q13H的集电极端、限流电阻R15H的另一端均与开关MOSFET管Q15H的源极端连接，且三极管Q13H的集电极端、限流电阻R15的另一端以及开关MOSFET管Q15H的源极端相互连接后形成驱动电路连接端；

开关MOSFET管Q14H的漏极端与驱动电阻R19H的一端连接，驱动电阻R19H的另一端与驱动电阻R20H的一端连接，驱动电阻R20H的另一端与开关MOSFET管Q15H的漏极端连接，且驱动电阻R19H的另一端与驱动电阻R20H的一端相互连接后形成上半桥驱动信号输出端GUH。

所述第一电压为3.3V电压，三极管Q11H为NPN三极管，三极管Q12H以及三极管Q13H为PNP三极管。

所述自举电路包括反向二极管D12以及电解电容C12，所述反向二极管D12的阳极端与第二电压连接，反向二极管D12的阴极端与分压电阻R14的另一端、三极管Q12H的发射极端、开关MOSFET管Q14H的源极端以及电解电容C12的正端连接，电解电容C12的负端与电机相线连接端连接。

所述下半桥驱动信号放大输出电路包括三极管Q11L、三极管Q12L以及三极管Q13L；所述三极管Q11L的基极端与驱动电阻R12L的一端连接，驱动电阻R12L的另一端与上拉电阻R11L的一端以及滤波电容C11L的一端连接，滤波电容C11L的另一端接地，上拉电阻R11L的另一端与第三电压连接，且驱动电阻R12L的另一端还与控制信号输入端U-连接；

三极管Q11L的发射极端通过分压电阻R13L接地，三极管Q11L的集电极端与分压电阻R14L的一端以及三极管Q12L的基极端连接，分压电阻R14L的另一端与三极管Q12L的发射极端、限流电阻R18L的一端、开关MOSFET管Q14L的源极端以及第四电压连接，三极管Q12L的集电极端与反向保护二极管D11L的阳极端、三极管Q13L的基极端以及限流电阻R15L的一端连接，限流电阻R15的另一端以及三极管Q13L的发射极端均接地，反向保护二极管D11L的阴极端与限流电阻R16L的一端连接，限流电阻R16L的另一端限流电阻R17L的一端、三极管Q13L的发射极端连接，限流电阻R17L的另一端与限流电阻R18L的另一端、开关MOSFET管Q14L的栅极端以及开关MOSFET管Q15L的栅极端连接；

开关MOSFET管Q14L的漏极端与驱动电阻R19L的一端连接，驱动电阻R19L的另一端与驱动电阻R20L的一端连接，且驱动电阻R19L的另一端与驱动电阻R20L的一端相互连接后形成下半桥驱动信号输出端GUL，驱动电阻R20L的另一端与开关MOSFET管Q15L的漏极端连接，开关MOSFET管Q15L的源极端接地。

所述第三电压为3.3V，第四电压为12V~15V。

本发明的优点：MOSFET管驱动电路比现有的三极管驱动电路的驱动电流大，驱动电流大，确保满足大功率半桥电路的驱动要求，安全可靠。

附图说明

图1为现有半桥驱动电路。

图2为本发明的使用电路原理图。

附图标记说明：1-MOSFET半桥电路、2-三极管驱动电路、3-三极管驱动自举电路、10-半桥电路、20-MOSFET管驱动电路以及30-自举电路。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图2所示：为了能实现对半桥电路10进行有效驱动，确保半桥电路10工作的可靠性，本发明包括上半桥驱动信号放大输出电路以及下半桥驱动信号放大输出电路，所述上半桥驱动信号放大输出电路包括三极管Q11H、三极管Q12H以及三极管Q13H；所述三极管Q11H的基极端与限流电阻R12H的一端连接，限流电阻R12H的另一端与上拉电阻R11H的一端、滤波电容C11H的一端连接，所述滤波电容C11H的另一端接地，上拉电阻R11H的另一端与第一电压连接，且限流电阻R12的另一端还与控制信号输入端U+连接；

三极管Q11H的发射极通过分压电阻R13H接地，三极管Q11H的集电极端与分压电阻R14H的一端以及三极管Q12H的基极端连接，所述分压电阻R14的另一端与自举电路30连接，三极管Q12H的集电极端分别与反向保护二极管D11H的阳极端、三极管Q13H的基极端以及限流电阻R15H的一端连接，三极管Q12H的发射极端与分压电阻R14的另一端、限流电阻R18H的一端以及开关MOSFET管Q14H的源极端连接；

限流电阻R18H的另一端与限流电阻R17H的一端、开关MOSFET管Q14H的栅极端以及开关MOSFET管Q15H的栅极端连接，限流电阻R17H的另一端与限流电阻R16H的一端以及三极管Q13H的发射极端连接，限流电阻R16H的另一端与反向保护二极管D11H的阴极端连接，三极管Q13H的集电极端、限流电阻R15H的另一端均与开关MOSFET管Q15H的源极端连接，且三极管Q13H的集电极端、限流电阻R15的另一端以及开关MOSFET管Q15H的源极端相互连接后形成驱动电路连接端；

开关MOSFET管Q14H的漏极端与驱动电阻R19H的一端连接，驱动电阻R19H的另一端与驱动电阻R20H的一端连接，驱动电阻R20H的另一端与开关MOSFET管Q15H的漏极端连接，且驱动电阻R19H的另一端与驱动电阻R20H的一端相互连接后形成上半桥驱动信号输出端GUH。

所述下半桥驱动信号放大输出电路包括三极管Q11L、三极管Q12L以及三极管Q13L；所述三极管Q11L的基极端与驱动电阻R12L的一端连接，驱动电阻R12L的另一端与上拉电阻R11L的一端以及滤波电容C11L的一端连接，滤波电容C11L的另一端接地，上拉电阻R11L的另一端与第三电压连接，且驱动电阻R12L的另一端还与控制信号输入端U-连接；

三极管Q11L的发射极端通过分压电阻R13L接地，三极管Q11L的集电极端与分压电阻R14L的一端以及三极管Q12L的基极端连接，分压电阻R14L的另一端与三极管Q12L的发射极端、限流电阻R18L的一端、开关MOSFET管Q14L的源极端以及第四电压连接，三极管Q12L的集电极端与反向保护二极管D11L的阳极端、三极管Q13L的基极端以及限流电阻R15L的一端连接，限流电阻R15的另一端以及三极管Q13L的发射极端均接地，反向保护二极管D11L的阴极端与限流电阻R16L的一端连接，限流电阻R16L的另一端限流电阻R17L的一端、三极管Q13L的发射极端连接，限流电阻R17L的另一端与限流电阻R18L的另一端、开关MOSFET管Q14L的栅极端以及开关MOSFET管Q15L的栅极端连接；

开关MOSFET管Q14L的漏极端与驱动电阻R19L的一端连接，驱动电阻R19L的另一端与驱动电阻R20L的一端连接，且驱动电阻R19L的另一端与驱动电阻R20L的一端相互连接后形成下半桥驱动信号输出端GUL，驱动电阻R20L的另一端与开关MOSFET管Q15L的漏极端连接，开关MOSFET管Q15L的源极端接地。

具体地，所述第三电压为3.3V，第四电压为12V~15V。所述第一电压为3.3V电压，第二电压为12V~15V。三极管Q11H为NPN三极管，三极管Q12H以及三极管Q13H为PNP三极管。三极管Q11L为NPN三极管，三极管Q12L以及三极管Q13L均为PNP三极管。

所述自举电路30包括反向二极管D12以及电解电容C12，所述反向二极管D12的阳极端与第二电压连接，反向二极管D12的阴极端与分压电阻R14的另一端、三极管Q12H的发射极端、开关MOSFET管Q14H的源极端以及电解电容C12的正端连接，电解电容C12的负端与电机相线连接端连接。

本发明实施例中，上半桥驱动信号放大输出电路与上半桥驱动信号放大输出电路形成MOSFET驱动电路20。半桥电路10包括上半桥电路以及下半桥电路，其中，上半桥电路包括上半桥MOSFET管Q16H，所述上半桥MOSFET管Q16H的栅极端与驱动电阻R22H的一端连接，驱动电阻R22H的另一端与驱动电阻R21H的一端、滤波电容C12H的一端连接，且驱动电阻R22H的另一端还与上半桥驱动信号输出端GUH连接，上半桥MOSFET管Q16H的漏极端与母线电压VBAT连接，驱动电阻R21H的另一端以及滤波电容C12H的另一端均与上半桥MOSFET管Q16H的漏极端连接，且上半桥MOSFET管Q16H的漏极端还与下拉电阻R23的一端连接，下拉电阻R23的另一端接功率地。

下半桥电路包括下半桥MOSFET管Q16L，所述下半桥MOSFET管Q16L的栅极端与驱动电阻R22L的一端连接，驱动电阻R22L的另一端与驱动电阻R21L的一端以及滤波电容C12L的一端连接，且驱动电阻R22L的另一端还与下半桥驱动信号输出端GUL连接。驱动电阻R22L的另一端、滤波电容C12L的另一端以及下半桥MOSFET管Q16L的源极端均接功率地。

上半桥MOSFET管Q16H的源极端与下半桥MOSFET管Q16L的漏极端、电阻R21H的另一端、滤波电容C21H的另一端以及下拉电阻R23的一端连接后形成半桥电路输出连接端，所述半桥电路输出连接端与MOSFET驱动电路20内的驱动电路连接端相互连接后形成电机相线连接端，通过半桥电路10连接并控制电动机时，电机相线接线端用于与电动机的相线端连接。

具体工作时，通过控制信号输入端U+、控制信号输入端U-接收输入的PWM控制信号；当使半桥电路10内的上半桥MOSFET管Q16H导通时，则控制信号输入端U+接收低电平，且控制信号输入端U-接收高电平。而当控制信号输入端U+接收低电平时，三极管Q11H、三极管Q12H均处于截止状态，而三极管Q13H导通，从而使得开关MOSFET管Q14H导通，第二电压通过开关MOSFET管Q14H给半桥电路10的上半桥MOSFET管Q16H供电，使得上半桥MOSFET管Q16H导通。

与此相反，控制信号输入U-为高电平时，三极管Q11L、三极管Q12L均导通，三极管Q13L截止，从而使得开关MOSFET管Q14L截止，第四电压无法提供给半桥电路10内的下半桥MOSFET管Q16L供电，使得下半桥MOSFET管Q16L截止。

当使半桥电路10的下半桥MOSFET管Q16L导通时，则控制信号输入端U+接收高电平，而控制信号输入端U-接收低电平。控制信号输入端U+接收高电平时，三极管Q11H、三极管Q12H导通，三极管Q13H截止，从而使得开关MOSFET管Q14H截止，第二电压无法提供给半桥电路10的上半桥MOSFET管Q16H供电，使得上半桥MOSFET管Q16H截止；与此相反，控制信号输入端U-为低电平时，三极管Q11L、三极管Q12L截止，三极管Q13L导通，从而使得开关MOSFET管Q14L导通，第四电压通过开关MOSFET管Q14L给半桥电路10的下半桥MOSFET管Q16L供电，使得下半桥MOSFET管Q16L导通，下半场MOSFET管Q16L导通后，上半桥MOSFET管Q16H的源极等于接到功率地，这时，第二电压通过D12反向二极管给充电电容C12进行充电，为上半桥MOSFET管Q16H导通做准备。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变化和改进，均不应该排除在本发明的保护范围之外。

Claims (5)

1.一种半桥驱动电路，包括上半桥驱动信号放大输出电路以及下半桥驱动信号放大输出电路，其特征是：所述上半桥驱动信号放大输出电路包括三极管Q11H、三极管Q12H以及三极管Q13H；所述三极管Q11H的基极端与限流电阻R12H的一端连接，限流电阻R12H的另一端与上拉电阻R11H的一端、滤波电容C11H的一端连接，所述滤波电容C11H的另一端接地，上拉电阻R11H的另一端与第一电压连接，且限流电阻R12的另一端还与控制信号输入端U+连接；

三极管Q11H的发射极通过分压电阻R13H接地，三极管Q11H的集电极端与分压电阻R14H的一端以及三极管Q12H的基极端连接，所述分压电阻R14的另一端与自举电路（30）连接，三极管Q12H的集电极端分别与反向保护二极管D11H的阳极端、三极管Q13H的基极端以及限流电阻R15H的一端连接，三极管Q12H的发射极端与分压电阻R14的另一端、限流电阻R18H的一端以及开关MOSFET管Q14H的源极端连接；

限流电阻R18H的另一端与限流电阻R17H的一端、开关MOSFET管Q14H的栅极端以及开关MOSFET管Q15H的栅极端连接，限流电阻R17H的另一端与限流电阻R16H的一端以及三极管Q13H的发射极端连接，限流电阻R16H的另一端与反向保护二极管D11H的阴极端连接，三极管Q13H的集电极端、限流电阻R15H的另一端均与开关MOSFET管Q15H的源极端连接，且三极管Q13H的集电极端、限流电阻R15的另一端以及开关MOSFET管Q15H的源极端相互连接后形成驱动电路连接端；

开关MOSFET管Q14H的漏极端与驱动电阻R19H的一端连接，驱动电阻R19H的另一端与驱动电阻R20H的一端连接，驱动电阻R20H的另一端与开关MOSFET管Q15H的漏极端连接，且驱动电阻R19H的另一端与驱动电阻R20H的一端相互连接后形成上半桥驱动信号输出端GUH。

2.根据权利要求1所述的半桥驱动电路，其特征是：所述第一电压为3.3V电压，三极管Q11H为NPN三极管，三极管Q12H以及三极管Q13H为PNP三极管。

3.根据权利要求1所述的半桥驱动电路，其特征是：所述自举电路（30）包括反向二极管D12以及电解电容C12，所述反向二极管D12的阳极端与第二电压连接，反向二极管D12的阴极端与分压电阻R14的另一端、三极管Q12H的发射极端、开关MOSFET管Q14H的源极端以及电解电容C12的正端连接，电解电容C12的负端与电机相线连接端连接。

4.根据权利要求1所述的半桥驱动电路，其特征是：所述下半桥驱动信号放大输出电路包括三极管Q11L、三极管Q12L以及三极管Q13L；所述三极管Q11L的基极端与驱动电阻R12L的一端连接，驱动电阻R12L的另一端与上拉电阻R11L的一端以及滤波电容C11L的一端连接，滤波电容C11L的另一端接地，上拉电阻R11L的另一端与第三电压连接，且驱动电阻R12L的另一端还与控制信号输入端U-连接；

三极管Q11L的发射极端通过分压电阻R13L接地，三极管Q11L的集电极端与分压电阻R14L的一端以及三极管Q12L的基极端连接，分压电阻R14L的另一端与三极管Q12L的发射极端、限流电阻R18L的一端、开关MOSFET管Q14L的源极端以及第四电压连接，三极管Q12L的集电极端与反向保护二极管D11L的阳极端、三极管Q13L的基极端以及限流电阻R15L的一端连接，限流电阻R15的另一端以及三极管Q13L的发射极端均接地，反向保护二极管D11L的阴极端与限流电阻R16L的一端连接，限流电阻R16L的另一端限流电阻R17L的一端、三极管Q13L的发射极端连接，限流电阻R17L的另一端与限流电阻R18L的另一端、开关MOSFET管Q14L的栅极端以及开关MOSFET管Q15L的栅极端连接；

开关MOSFET管Q14L的漏极端与驱动电阻R19L的一端连接，驱动电阻R19L的另一端与驱动电阻R20L的一端连接，且驱动电阻R19L的另一端与驱动电阻R20L的一端相互连接后形成下半桥驱动信号输出端GUL，驱动电阻R20L的另一端与开关MOSFET管Q15L的漏极端连接，开关MOSFET管Q15L的源极端接地。

5.根据权利要求4所述的半桥驱动电路，其特征是：所述第三电压为3.3V，第四电压为12V~15V。