ADI電路:隔離全橋驅(qū)動電路

電路功能與優(yōu)勢

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。

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：

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。

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：

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：

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。