一种分立MOSFET构成的半桥驱动电路的制作方法

本发明涉及半桥驱动电路，特别涉及一种分立MOSFET构成的半桥驱动电路。

背景技术：

功率场效应晶体管（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，功率MOSFET管以半桥电路形式出现，分为上、下半桥。其中上半桥功率管漏极接母线电源，源极与下半桥的漏极相连，下半桥的源极接功率地，上下半桥功率管的公共端作为半桥的输出端。

功率管的开关由其栅极与源极间的电压确定，而开关动作在逻辑上由微控制器输出的脉宽调制（PWM）信号确定。栅源极的电压本质上有栅极电容的电荷确定，随着栅极电容的充放电，其栅源极的电压产生变化，从而功率管导通或截止。栅极电容瞬间的充放电电流较大，一般微控制器的PWM信号不足以直接驱动功率管，需要考虑设计专门的半桥驱动电路，驱动电路本质上也是一种功率电路。

电机控制器中，常利用三个半桥电路为电机的三个相提供驱动电流。已有方案中，半桥驱动电路可选用集成的驱动芯片或是利用分立电子元件搭建。采用分立电子元件的电路又有采用三极管的驱动电路和采用三极管和MOSFET的混合驱动电路。

图1是一种采用集成的半桥驱动芯片完成的半桥驱动电路，芯片完成半桥上、下功率管的分别驱动，并利用外围二极管和电容组成自举电路完成半桥浮动地的处理。这种方案围绕着驱动芯片完成，电路简洁，但因驱动芯片的价格高成本相对较高。

图2是为了降低成本，采用纯三极管搭建的驱动电路其包括半桥电路1、驱动电路2和自举电容充电电路3。驱动电路2的信号输入端（U+、U-）连接到单片机PWM控制接口，驱动电路2上的上半桥驱动信号输出端（GUH）、上半桥驱动浮动地端、下半桥驱动信号输出端（GUL）和下半桥驱动地端均与半桥电路1相连。驱动电路2接入单片机控制单元的PWM控制信号，PWM控制信号经驱动电路电流放大后，输送给半桥电路1的上下半桥MOSFET管，以驱动半桥电路1工作。自举电容充电电路3同时与驱动电路2上的上半桥驱动浮动电源端和上半桥驱动浮动地端相连，自举电容充电电路3为驱动电路2提供高边驱动的浮动电压。而且自举电容充电电路3与驱动电路2共用低压电源输入端（12V～15V）。

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：MOSFET管Q4H、驱动电阻R7H、滤波电容C3H和电阻R8H；下半桥电路包含：MOSFET管Q4L、驱动电阻R7L、滤波电容C3L和电阻R8L。上半桥电路MOSFET管Q4H漏极与母线电源VBUS相连，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，下拉电阻RS1连接在上、下半桥MOSFET管Q4H、Q4L的公共端和功率地之间。

随着功率等级的提高，采用了三极管和MOSFET的混合驱动电路。图3是一种实现方式，想比图2中的三极管驱动电路，在末级增加了两个MOSFET管以提高驱动电路的驱动能力，增加电流并加快驱动速度，详细电路描述参见已有的专利（CN105322948A半桥驱动电路）。

以上的几种驱动电路虽能够驱动功率半桥，但有着一定局限性。或是成本高，或是电路复杂驱动延时大，而提供一种结构紧凑的低成本、小延时的驱动电路显得特别重要。

技术实现要素：

本发明目的是：为克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种分立MOSFET构成的半桥驱动电路，其结构紧凑、成本低、延时小、驱动电流大，能满足较大功率的半桥电路的驱动要求。

本发明的技术方案是：

一种分立MOSFET构成的半桥驱动电路，包括驱动电路及其连接驱动的功率半桥电路；所述功率半桥电路包括上半桥和下半桥，依次串联在母线电压和功率地之间；所述驱动电路包括上半桥驱动和下半桥驱动，上半桥驱动和下半桥驱动的控制信号输入端分别连接到单片机的PWM输出管脚、驱动信号输出端分别连接上半桥和下半桥的控制端；

所述上半桥驱动包括P型MOSFET Q1和N型MOSFET Q2、Q4；

其中Q1的源极连接低压电源输入端，Q1的漏极通过电阻R1连接上半桥驱动信号输出端，Q1的栅极通过并联的电阻R3、电容C3连接Q4的漏极，Q1的栅极与源极之间还连接有并联的电阻R2、稳压管D2；

其中Q4的栅极通过并联的电阻R7、电容C4连接单片机的PWM输出管脚，Q4的源极连接功率半桥电路的上半桥与下半桥之间的公共端，Q4的漏极连接到Q2的栅极驱动模块；所述Q2源极和漏极分别连接Q4的源极和上半桥驱动信号输出端。

优选的，所述Q2的栅极驱动模块包括互相并联的电阻R5、二极管D3和电容C2，以及连接在Q2的栅极与源极之间的稳压管D4。

优选的，还包括自举电容充电电路，所述自举电容充电电路包括二极管D1和电解电容C1，所述二极管D1串联在低压电源输入端的母线上，电解电容C1的正极和负极分别连接二极管D1的阴极和功率半桥电路的上半桥与下半桥之间的公共端。

优选的，所述功率半桥电路的上半桥和下半桥分别采用N型MOSFET Q3和Q5，所述上半桥的Q3的漏极连接母线电压，源极连接Q5的漏极，两者的公共端连接到电机的对应相线，Q5的源极接到功率地。

优选的，所述驱动电路的上半桥驱动的参考地具有浮动的电压，其完成对上半桥MOSFET管Q3的驱动；下半桥驱动参考地电压固定，完成对下半桥MOSFET管Q5的驱动。

优选的，所述下半桥驱动包括P型MOSFET Q6和N型MOSFET Q7、Q8；

其中Q6的源极连接低压电源输入端，Q6的漏极通过电阻R8连接下半桥驱动信号输出端，Q6的栅极通过并联的电阻R11、电容C7连接Q8的漏极，Q6的栅极与源极之间还连接有并联的电阻R13、稳压管D5；

其中Q8的栅极通过并联的电阻R15、电容C8连接单片机的PWM输出管脚，Q8的源极连接功率地，Q8的漏极还通过驱动电阻R12连接到Q7的栅极，所述Q7源极和漏极分别连接功率地和下半桥驱动信号输出端, Q7源极和栅极之间还连接有电阻R14。

优选的，所述功率半桥电路的上、下半桥的公共端与功率地之间连接有电阻RS1。

本发明的优点是：

1．本发明提供得分立MOSFET构成的半桥驱动电路，上下半桥各自仅采用三个分立MOSFET管，完成了较大功率半桥电路的驱动，并且逻辑输入到功率驱动输出的延时较小，结构紧凑，易于后续的模块化集成。

2. 本发明MOSFET驱动管和功率半桥的MOSFET管栅极采用限流电阻连接，同时低压和高压部分的转换连接采用的高压隔离MOSFET管，其栅极串接的阻容并行电路来增强可靠性和提高转换传输速度。

3．本发明的半桥功率MOSFET管采用两个N型MOFET串联连接，上管的源极接下管的漏极，并作为功率输出端，用于和电机的相线直接相连。同时输出端和功率地之间并接一个大电阻，用于母线加电时为自举电容充电，提高稳定性。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为现有使用集成芯片半桥驱动电路原理图。

图2 为现有三极管半桥驱动电路原理图；

图3 为现有三极管和MOSFET混合驱动电路原理图；

图4 为本发明分立MOSFET构成的半桥驱动电路原理图。

其中：1、功率半桥电路；2、半桥驱动电路；3、自举电容充电电路。

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4所示，本发明提供的半桥驱动电路包括功率半桥电路1、驱动电路2和自举电容充电电路3。其中，功率半桥电路1、自举电容充电电路3与传统的半桥驱动电路的连接和功能均相同，不再详述。驱动电路2的信号输入端（U+、U-）连接到单片机的PWM控制端口、信号输出端（GUH、GUL）连接到半桥电路1的输入端口；上半桥驱动电路的浮动地端与自举电容充电电路的输出端及上下半桥电路的公共端（即电机相线）相连；另外，驱动电路2与自举电容充电电路3共用低压电源（12V～15V）输入。下面对驱动电路2进行更为详细的说明。

如图4所示，驱动电路2包括上半桥驱动电路和下半桥驱动电路，其中上半桥驱动电路包含：高压N型MOSFET Q4，栅极保护电阻R7，加速电容C4；输出高电平驱动P型MOSFET Q1，及其栅极保护电阻R3，加速电容C3，以及分压电阻R2，稳压管D2；输出低电平驱动N型MOSFET Q2，栅极充电加速电阻C2，反向隔离二极管D3，分压电阻R5，稳压管D4，以及输出限流电阻R1。下半桥驱动电路包含：高压N型MOSFET Q8，栅极保护电阻R15，加速电容C8；输出高电平驱动P型MOSFET Q6，输出低电平驱动N型MOSFET Q7，分压电阻R11，R12，R13，R14，加速电容C7，稳压管D5，高电平输出限流电阻R8。

上半桥功率MOSFET管Q3的源端和下半桥功率MOSFET管Q5的漏端相连接，形成半桥电路的输出端。实际应用中，半桥电路驱动电机时，输出端直接和电机的相线相连接，用以给电机提供驱动电流。

本发明工作时，当使半桥电路1的上半桥MOSFET管Q3导通时，则驱动电路2的输入信号U+为高电平、U-为低电平。U+为高电平时，MOS管Q4，Q1导通，Q2截止，信号GUH输出高电平，半桥电路1的MOSFET管Q3栅极充电，栅源极有正电压，从而导通；与此相反，U+为低电平、U-为高电平时，Q4、Q1截止，Q2导通，从而使得半桥电路的功率MOSFET管Q3栅极放电，从而截止关断。

当使半桥电路1的下半桥MOSFET管Q5导通时，则驱动电路2的输入信号U+为低电平、U-为高电平。U－为高电平时，MOSFET Q8导通，使得Q6栅源极电平为负，从而Q6导通，同时，MOSFET Q7栅极为低电平从而截止。信号GUL输出高电平，使得功率MOSFET管Q5导通，而此时对应的上管Q3截止，从而U相被拉至功率地，电流留出电机的U相。当U+为高电平、U-为低电平时，Q8、Q6截止，Q7打开，GUL输出低电平，对应的GUH为高电平，此时半桥电路上管Q3导通，下管Q5关闭，U相接通母线电源，电流流进电机的U相。

电路中多出采用了电阻和电容并联的结构，如Q4和Q8栅极处串接了电阻和电容并联结构，其中栅极电阻是防止万一场效应管SG或DG击穿时，用来保护前面的PWM输出电路。而R上并联的电容C主要为了加速场效应电子电力开关的开通和截止，提高开关频率，减小管子损耗，不使管子的温升过高。而半桥电路功率管Q3和Q5的串接电阻主要用于栅极电容充放电时的限流，并联的阻容结构主要用于栅极电压信号的滤波。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。