CN117458842A - 一种半桥驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种半桥驱动电路，包括半桥电路模块、自举电路模块以及充电控制模块；半桥电路模块包括上管单元、下管单元、上管控制端、下管控制端以及输出端；自举电路模块包括电感L1、第一二极管D1、第一电容C1以及第二电容C6；充电控制模块包括交替工作的第一控制单元与第二控制单元，在第一控制单元工作时，电源为电感L1充电，第二电容C6并联在第一电容C1的两端，通过第一电容C1和第二电容C6共同为上管单元提供工作电源；在第二控制单元工作时，电感L1为第二电容C6充电，第一电容C1为上管单元提供工作电源。本发明既能在半桥驱动电路的下管单元长时间关断的状态下，保证上管单元的长时间导通，又能缩短自举电容的充电时间。

Description

一种半桥驱动电路

技术领域

本发明涉及开关电源的技术领域，尤其涉及一种半桥驱动电路。

背景技术

在全桥电路中，当输入电压高于输出电压时，需要电路工作在降压模式；电路在降压模式工作时，需要电路的左半桥工作在正常脉冲宽度调制状态，右半桥的上管单元工作在导通状态，右半桥的下管单元工作在关闭状态。当输入电压小于输出电压时，需要电路工作在升压模式；电路在升压模式工作时，需要电路的右半桥工作在正常脉冲宽带调制状态，左半桥的上管单元工作在导通状态，左半桥的下管单元工作在关闭状态。但是，现有的全桥电路工作在降压模式或升压模式时，存在一个问题，若下管单元长期处于关闭状态，则上管单元无法长时间工作在导通状态。

为了解决上述问题，现有技术中通过设计充电模块，在下管单元的关闭时长超出预设时长后，周期性的为自举电容充电，直至下管单元导通。但是现有的充电电路只能通过被动充电的方式对自举电容充电，存在自举电容充电速度慢的问题。

因此，我们需要一种既能在下管单元长时间关断状态下，保证上管单元长时间导通，又能缩短自举电容的充电时间的半桥驱动电路。

发明内容

本发明提供的一种半桥驱动电路，既能在半桥驱动电路的下管单元长时间关断的状态下，保证上管单元的长时间导通，又能缩短自举电容的充电时间。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提供一种半桥驱动电路，该电路包括：半桥电路模块、自举电路模块以及充电控制模块；

所述半桥电路模块包括上管单元、下管单元、上管控制端、下管控制端以及输出端；

所述自举电路模块包括电感L1、第一二极管D1、第一电容C1以及第二电容C6；所述电感L1的一端与电源连接，另一端与所述第一二极管D1的正极连接，所述第一二极管D1的负极与所述第一电容C1的正极和所述第二电容C6的正极连接，所述第一电容C1的负极与所述上管控制端连接；

所述充电控制模块包括第一控制单元与第二控制单元，所述第一控制单元与所述第一二极管D1的正极、所述第二电容C6的负极以及所述输出端电连接，所述第二控制单元与所述第二电容C6的负极连接；

所述第一控制单元与所述第二控制单元交替工作，在所述第一控制单元工作时，所述电源为所述电感L1充电，所述第二电容C6并联在所述第一电容C1的两端，通过所述第一电容C1和所述第二电容C6共同为所述上管单元提供工作电源；在所述第二控制单元工作时，所述电感L1为所述第二电容C6充电，所述第一电容C1为所述上管单元提供工作电源。

在一种可能的实现方式中，所述第一控制单元包括第一三极管Q3、第一光耦U2以及第二三极管Q5；

所述第一三极管Q3的发射极接地，所述第一三极管Q3集电极与所述第一二极管D1的正极连接；

所述第二三极管Q5的发射极接地，所述第二三极管Q5的集电极与所述第一光耦U2的正极连接，所述第一光耦U2的负极与电源连接，所述第一光耦U2的发射极与所述输出端连接，所述第一光耦U2的集电极与所述第二电容C6的负极连接；

在所述第一控制单元工作时，所述第一三极管Q3和所述第二三极管Q5的基极均输入高电平信号。

在一种可能的实现方式中，所述第二控制单元包括第二光耦U1以及第三三极管Q4；

所述第三三极管Q4的发射极接地，所述第三三极管Q4的集电极与所述第二光耦U1的负极连接，所述第二光耦U1的正极与电源连接，所述第二光耦U1的发射极接地，所述第二光耦U1的集电极与所述第二电容C6的负极连接；

在所述第二控制单元工作时，所述第三三极管Q4的基极输入高电平信号。

在一种可能的实现方式中，所述半桥驱动电路还包括脉宽调制控制器；

所述脉宽调制控制器与所述第一三极管Q3、所述第二三极管Q5和所述第三三极管Q4的基极连接，用于生成PWM信号以控制所述第一三极管Q3、所述第二三极管Q5和所述第三三极管Q4的导通或关闭。

在一种可能的实现方式中，所述第一控制单元还包括第一电阻R1；

所述第一光耦U2的负极通过所述第一电阻R1与电源连接。

在一种可能的实现方式中，所述第二控制单元还包括第二电阻R2和第三电阻R3；

所述第二光耦U1的正极通过所述第二电阻R2与电源连接；

所述第二光耦U1的集电极通过所述第三电阻R3与所述第二电容C6的负极连接。

在一种可能的实现方式中，所述半桥驱动电路还包括驱动模块；

所述驱动模块与所述上管控制端、所述下管控制端和所述输出端电连接，用于驱动所述上管单元和所述下管单元交替产生方波信号。

在一种可能的实现方式中，所述驱动模块为半桥驱动芯片；

所述半桥驱动芯片包括高侧门极驱动输出端、高压侧浮动射极输出端以及低侧门极驱动输出端；

所述高侧门极驱动输出端与所述上管控制端连接，所述高压侧浮动射极输出端与所述输出端连接，所述低侧门极驱动输出端与所述下管控制端连接。

在一种可能的实现方式中，所述半桥驱动电路还包括第二二极管D4和第四电阻R6；

所述第二二极管D4的正极接地，负极与所述输出端连接；

所述第四电阻R6的一端与所述高压侧浮动射极输出端和所述第二二极管D4的负极连接，所述第四电阻R6的另一端与所述输出端和所述第一光耦U2的发射极连接。

本发明实施例提供的半桥驱动电路在实际应用中，通过控制第一控制单元工作，令电源为电感L1充电，同时使第二电容C6并联在第一电容C1的两端，通过第一电容C1和第二电容C6共同为上管单元提供工作电源，以使上管单元保持导通状态；通过控制第二控制单元工作，令电感L1为第二电容C6充电，仅通过第一电容C1为上管单元提供工作电源，以使上管单元继续保持导通状态；通过交替控制第一控制单元和第二控制单元导通，以使第一电容C1和第二电容C6上的电压始终保持在一个较高的电压值，从而实现在半桥驱动电路的下管单元长时间关断的状态下，保证上管单元的长时间导通；本发明还通过电感升压的方式实现主动充电，有效地缩短了第一电容C1和第二电容C6两个自举电容的充电时间。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种半桥驱动电路的整体电路图。

附图标记及说明：

11、上管单元；12、下管单元；13、上管控制端；14、下管控制端；15、输出端；16、第一控制单元；17、第二控制单元。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本公开实施例的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。另外，“基于”或“根据”的使用意味着开放和包容性，因为“基于”或“根据”一个或多个所述条件或值的过程、步骤、计算或其他动作在实践中可以基于额外条件或超出所述的值。

本发明实施例提供了一种半桥驱动电路，该电路既能在半桥驱动电路的下管单元长时间关断的状态下，保证上管单元的长时间导通，又能缩短自举电容的充电时间。

如图1所示，本发明实施例提供的半桥驱动电路包括：半桥电路模块、自举电路模块以及充电控制模块。

半桥电路模块包括上管单元11、下管单元12、上管控制端13、下管控制端14以及输出端15。

本发明的半桥电路模块可以采用半桥拓扑结构，也可以采用全桥拓扑结构。

在本实施例中，半桥电路模块采用半桥拓扑结构。

其中，上管单元11和下管单元12的核心器件为场效应管，两个场效应管配合形成半桥驱动电路。

具体的，上管单元11包括第一场效应管Q1，下管单元12包括第二场效应管Q2。

第一场效应管Q1和第二场效应管Q2均为P沟道场效应管。

第一场效应管Q1的栅极为上管控制端13，第一场效应管Q1的漏极与电源VCC连接，第一场效应管Q1的源极与第二场效应管Q2的漏极连接，第二场效应管Q2的源极接地，第二场效应管Q2的栅极为下管控制端14，第一场效应管Q1的源极与第二场效应管Q2的漏极连接点引出的线路为输出端15。

具体的，上管单元11还包括第三二极管D2、第五电阻R5以及第六电阻R4；第六电阻R4的一端与第一场效应管Q1的栅极连接，第六电阻R4的另一端与第三二极管D2的正极和第五电阻R5的一端连接，第三二极管D2的负极与第五电阻R5的另一端和第二电容C6的负极连接。

上管单元11还包括第三电容C2以及第四电容C3；第三电容C2的正极与电源VCC和第一场效应管Q1的漏极连接，第三电容C2的负极接地，第四电容C3的一端与第一场效应管Q1的漏极连接，另一端接地。

第三电容C2和第四电容C3均为滤波电容。

下管单元12还包括第四二极管D3、第七电阻R7、第八电阻R8以及第九电阻KT1；第七电阻R7的一端与第二场效应管Q2的栅极连接，第七电阻R7的另一端与第四二极管D3的正极和第八电阻R8的一端连接，第四二极管D3的负极与第八电阻R8的另一端连接，第九电阻KT1串联在第二场效应管Q2的源极。

第九电阻KT1为电流采样电阻。

自举电路模块包括电感L1、第一二极管D1、第一电容C1以及第二电容C6；电感L1的一端与电源连接，另一端与第一二极管D1的正极连接，第一二极管D1的负极与第一电容C1的正极和第二电容C6的正极连接，第一电容C1的负极与上管控制端13连接；

充电控制模块包括第一控制单元16与第二控制单元17，第一控制单元16与第一二极管D1的正极、第二电容C6的负极以及输出端15电连接，第二控制单元17与第二电容C6的负极连接；

第一控制单元16与第二控制单元17交替工作，在第一控制单元16工作时，电源为电感L1充电，第二电容C6并联在第一电容C1的两端，通过第一电容C1和第二电容C6共同为上管单元11提供工作电源；在第二控制单元17工作时，电感L1为第二电容C6充电，第一电容C1为上管单元11提供工作电源。

进一步的，第一控制单元16包括第一三极管Q3、第一光耦U2以及第二三极管Q5。

其中，第一三极管Q3的发射极接地，第一三极管Q3集电极与第一二极管D1的正极连接；

第二三极管Q5的发射极接地，第二三极管Q5的集电极与第一光耦U2的正极连接，第一光耦U2的负极与电源连接，第一光耦U2的发射极与输出端15连接，第一光耦U2的集电极与第二电容C6的负极连接；

在第一控制单元16工作时，第一三极管Q3和第二三极管Q5的基极均输入高电平信号。

具体的，在第一三极管Q3和第二三极管Q5的基极通入高电平信号后，第一三极管Q3导通，使电源、电感L1、第一三极管Q3与地之间形成一个完整的回路，通过电源为电感L1充电；同时，第二三极管Q5与第一光耦U2导通，令第二电容C6并联在第一电容C1的两端，通过第一电容C1和第二电容C6共同为上管单元11提供工作电源。

在本实施例中，电源为12V电源。

进一步的，第一控制单元16还包括第一电阻R1；

第一光耦U2的负极通过第一电阻R1与电源连接。

具体的，第一电阻R1为保护电阻，用于避免第一光耦U2的负极与12V电源直接连接。

进一步的，第二控制单元17包括第二光耦U1以及第三三极管Q4。

第三三极管Q4的发射极接地，第三三极管Q4的集电极与第二光耦U1的负极连接，第二光耦U1的正极与电源连接，第二光耦U1的发射极接地，第二光耦U1的集电极与第二电容C6的负极连接；

在第二控制单元17工作时，第三三极管Q4的基极输入高电平信号。

具体的，在电感L1充满电后，第一三极管Q3关断，第一光耦U2关断，在第三三极管Q4的基极输入高电平信号后，第三三极管Q4与第二光耦U1导通，即令第二电容C6的负极通过第二光耦U1与地导通，令电感L1为第二电容C6充电，此时，仅通过第一电容C1上的电压继续维持上管单元11的导通。

在电感L1为第二电容C6充电充满后，将第一三极管Q3和第二三极管Q5的基极切换为高电平信号，第三三极管Q4的基极切换为低电平信号，即继续通过12V电源为电感L1充电。重复上述步骤，可以使第一电容C1和第二电容C6两个自举电容上的电压始终保持在10V以上，从而实现在下管单元12始终保持关闭的状态下，维持上管单元11的常开状态。

进一步的，第二控制单元17还包括第二电阻R2和第三电阻R3；

第二光耦U1的正极通过第二电阻R2与电源连接；

第二光耦U1的集电极通过第三电阻R3与第二电容C6的负极连接。

具体的，第二电阻R2为保护电阻，用于避免第二光耦U1的正极与12V电源直接连接；第三电阻R3为限流电阻。

进一步的，半桥驱动电路还包括脉宽调制控制器；

脉宽调制控制器与第一三极管Q3、第二三极管Q5和第三三极管Q4的基极连接，用于生成PWM信号以控制第一三极管Q3、第二三极管Q5和第三三极管Q4的导通或关闭。

具体的，脉宽调制控制器以MCU表示，脉宽调制控制器包括第一输出端PWM_N与第二输出端PWM_P，用于输出PWM信号。在本实施例中，第一输出端PWM_N与第一三极管Q3和第二三极管Q5的基极连接，第二输出端PWM_P与第三三极管Q4的基极连接。

且在第一输出端PWM_N输出高电平时，第二输出端PWM_P输出低电平，脉宽调制控制器的第一输出端PWM_N和第二输出端PWM_P的输出电平周期切换。

进一步的，半桥驱动电路还包括驱动模块；

驱动模块与上管控制端13、下管控制端14和输出端15电连接，用于驱动上管单元11和下管单元12交替产生方波信号。

进一步的，驱动模块为半桥驱动芯片U3。

半桥驱动芯片U3包括高侧门极驱动输出端、高压侧浮动射极输出端以及低侧门极驱动输出端；

高侧门极驱动输出端与上管控制端13连接，高压侧浮动射极输出端与输出端15连接，低侧门极驱动输出端与下管控制端14连接。

在本实施例中，驱动模块为HYD32525驱动芯片，包括高压侧基极浮动电压输出引脚 VB、高侧门极驱动输出引脚HO、高压侧浮动射极输出引脚VS、低侧门极驱动输出引脚LO、电源引脚VCC、逻辑电源引脚Hin和、接地引脚GND。

其中，HYD32525驱动芯片的电源引脚VCC接12V电源，逻辑电源引脚Hin和分别通入逻辑电平；高压侧基极浮动电压输出引脚 VB与第一二极管D1的负极和第一电容C1的正极连接，高侧门极驱动输出引脚HO与第一电容C1的负极和上管控制端13连接，高压侧浮动射极输出引脚VS与输出端15和第一光耦U2的发射极连接，低侧门极驱动输出引脚LO与下管控制端14连接。

为了对驱动模块进行滤波，半桥驱动电路还包括第五电容C4和第六电容C5。第五电容C4和第六电容C5均为滤波电容。

第六电容C5的一端接地，另一端与HYD32525驱动芯片的电源引脚VCC和12V的电源连接；第五电容C4的一端接地，另一端和12V的电源以及电感L1的一端连接。

进一步的，半桥驱动电路还包括第二二极管D4和第四电阻R6。

其中，第二二极管D4的正极接地，负极与输出端15连接；

第四电阻R6的一端与高压侧浮动射极输出端15和第二二极管D4的负极连接，第四电阻R6的另一端与输出端15和第一光耦U2的发射极连接。

通过第二二极管D4和第四电阻R6可以防止电路负压，在重载情况下保护电路。

本发明实施例提供的半桥驱动电路在实际应用中，通过控制第一控制单元工作，令电源为电感L1充电，同时使第二电容C6并联在第一电容C1的两端，通过第一电容C1和第二电容C6共同为上管单元提供工作电源，以使上管单元保持导通状态；通过控制第二控制单元工作，令电感L1为第二电容C6充电，仅通过第一电容C1为上管单元提供工作电源，以使上管单元继续保持导通状态；通过交替控制第一控制单元和第二控制单元导通，以使第一电容C1和第二电容C6上的电压始终保持在一个较高的电压值，从而实现在半桥驱动电路的下管单元长时间关断的状态下，保证上管单元的长时间导通，从而避免了上管单元开关波形跌落的问题，极大的优化了上管单元的优化波形。

通过两个本发明的半桥驱动电路能够组成一个全桥电路，本发明的半桥驱动电路能够提高该全桥电路的转换效率和稳定性，简化该全桥电路的软件控制算法。

本发明还通过电感升压的方式实现主动充电，有效地缩短了第一电容C1和第二电容C6两个自举电容的充电时间。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何在本发明揭露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种半桥驱动电路，其特征在于，包括：半桥电路模块、自举电路模块以及充电控制模块；

所述半桥电路模块包括上管单元、下管单元、上管控制端、下管控制端以及输出端；

所述自举电路模块包括电感L1、第一二极管D1、第一电容C1以及第二电容C6；所述电感L1的一端与电源连接，另一端与所述第一二极管D1的正极连接，所述第一二极管D1的负极与所述第一电容C1的正极和所述第二电容C6的正极连接，所述第一电容C1的负极与所述上管控制端连接；

所述充电控制模块包括第一控制单元与第二控制单元，所述第一控制单元与所述第一二极管D1的正极、所述第二电容C6的负极以及所述输出端电连接，所述第二控制单元与所述第二电容C6的负极连接；

所述第一控制单元与所述第二控制单元交替工作，在所述第一控制单元工作时，所述电源为所述电感L1充电，所述第二电容C6并联在所述第一电容C1的两端，通过所述第一电容C1和所述第二电容C6共同为所述上管单元提供工作电源；在所述第二控制单元工作时，所述电感L1为所述第二电容C6充电，所述第一电容C1为所述上管单元提供工作电源。

2.根据权利要求1所述的半桥驱动电路，其特征在于，所述第一控制单元包括第一三极管Q3、第一光耦U2以及第二三极管Q5；

所述第一三极管Q3的发射极接地，所述第一三极管Q3集电极与所述第一二极管D1的正极连接；

所述第二三极管Q5的发射极接地，所述第二三极管Q5的集电极与所述第一光耦U2的正极连接，所述第一光耦U2的负极与电源连接，所述第一光耦U2的发射极与所述输出端连接，所述第一光耦U2的集电极与所述第二电容C6的负极连接；

在所述第一控制单元工作时，所述第一三极管Q3和所述第二三极管Q5的基极均输入高电平信号。

3.根据权利要求2所述的半桥驱动电路，其特征在于，所述第二控制单元包括第二光耦U1以及第三三极管Q4；

所述第三三极管Q4的发射极接地，所述第三三极管Q4的集电极与所述第二光耦U1的负极连接，所述第二光耦U1的正极与电源连接，所述第二光耦U1的发射极接地，所述第二光耦U1的集电极与所述第二电容C6的负极连接；

在所述第二控制单元工作时，所述第三三极管Q4的基极输入高电平信号。

4.根据权利要求3所述的半桥驱动电路，其特征在于，所述半桥驱动电路还包括脉宽调制控制器；

所述脉宽调制控制器与所述第一三极管Q3、所述第二三极管Q5和所述第三三极管Q4的基极连接，用于生成PWM信号以控制所述第一三极管Q3、所述第二三极管Q5和所述第三三极管Q4的导通或关闭。

5.根据权利要求2所述的半桥驱动电路，其特征在于，所述第一控制单元还包括第一电阻R1；

所述第一光耦U2的负极通过所述第一电阻R1与电源连接。

6.根据权利要求3所述的半桥驱动电路，其特征在于，所述第二控制单元还包括第二电阻R2和第三电阻R3；

所述第二光耦U1的正极通过所述第二电阻R2与电源连接；

所述第二光耦U1的集电极通过所述第三电阻R3与所述第二电容C6的负极连接。

7.根据权利要求2所述的半桥驱动电路，其特征在于，所述半桥驱动电路还包括驱动模块；

所述驱动模块与所述上管控制端、所述下管控制端和所述输出端电连接，用于驱动所述上管单元和所述下管单元交替产生方波信号。

8.根据权利要求7所述的半桥驱动电路，其特征在于，所述驱动模块为半桥驱动芯片；

所述半桥驱动芯片包括高侧门极驱动输出端、高压侧浮动射极输出端以及低侧门极驱动输出端；

所述高侧门极驱动输出端与所述上管控制端连接，所述高压侧浮动射极输出端与所述输出端连接，所述低侧门极驱动输出端与所述下管控制端连接。

9.根据权利要求8所述的半桥驱动电路，其特征在于，所述半桥驱动电路还包括第二二极管D4和第四电阻R6；

所述第二二极管D4的正极接地，负极与所述输出端连接；

所述第四电阻R6的一端与所述高压侧浮动射极输出端和所述第二二极管D4的负极连接，所述第四电阻R6的另一端与所述输出端和所述第一光耦U2的发射极连接。