使用隔离式半桥驱动器的H电桥驱动电路

 电路功能与优势

本电路是一个由高功率开关MOSFET组成的H电桥，MOSFET受低压逻辑信号控制，如图1所示。该电路为逻辑信号和高功率电桥提供了一个方便的接口。H电桥的高端和低端均使用低成本N沟道功率MOSFET。该电路还在控制侧与电源侧之间提供电流隔离。本电路可以用于电机控制、带嵌入式控制接口的电源转换、照明、音频放大器和不间断电源(UPS)等应用中。

现代微处理器和微控制器一般为低功耗型，采用低电源电压工作。2.5 V CMOS逻辑输出的源电流和吸电流在μA到mA范围。为了驱动一个12 V切换、4 A峰值电流的H电桥，必须精心选择接口和电平转换器件，特别是要求低抖动时。

ADG787是一款低压CMOS器件，内置两个独立可选的单刀双掷(SPDT)开关。采用5 V直流电源时，有效的高电平输入逻辑电压可以低至2 V。因此，ADG787能够提供驱动半桥驱动器ADuM7234所需的2.5 V控制信号到5 V逻辑电平的转换。

ADuM7234是一款隔离式半桥栅极驱动器，采用ADI公司iCoupler®技术，提供独立且隔离的高端和低端输出，因而可以专门在H电桥中使用N沟道MOSFET。使用N沟道MOSFET有多种好处：N沟道MOSFET的导通电阻通常仅为P沟道MOSFET的1/3，最大电流更高；切换速度更快，功耗得以降低；上升时间与下降时间是对称的。

ADuM7234的4 A峰值驱动电流确保功率MOSFET可以高速接通和断开，使得H电桥级的功耗最小。本电路中，H电桥的最大驱动电流可以高达85 A，它受最大容许的MOSFET电流限制。

ADuC7061 是一款低功耗、基于ARM7的精密模拟微控制器，集成脉宽调制(PWM)控制器，其输出经过适当的电平转换和调理后，可以用来驱动H电桥。

使用隔离式半桥驱动器的H电桥驱动电路 (CN0196)

图1. 使用ADuM7234隔离式半桥驱动器的H电桥（原理示意图：未显示去耦和所有连接）

电路描述

　　2.5 V PWM控制信号电平转换为5 V

EVAL-ADuC7061MKZ提供2.5 V逻辑电平PWM信号，但ADuM7234在5 V电源下的最小逻辑高电平输入阈值为3.5 V。由于存在这种不兼容性，因此使用ADG787开关作为中间电平转换器。ADG787的最小输入逻辑高电平控制电压为2 V，与ADuC7061的2.5 V逻辑兼容。ADG787的输出在0 V与5 V之间切换，足以驱动3.5 V阈值的ADuM7234输入端。评估板提供两个跳线，便于配置控制PWM信号的极性。

H电桥简介

图1所示的H电桥具有4个开关元件（Q1、Q2、Q3、Q4）。这些开关成对导通，左上侧(Q1)和右下侧(Q4)为一对，左下侧(Q3)和右上侧(Q2)为一对。注意，电桥同一侧的开关绝不会同时导通。开关可以利用MOSFET或IGBT（绝缘栅极双极性晶体管）实现，使用脉宽调制(PWM)信号或控制器的其它控制信号接通和断开开关，从而改变负载电压的极性。

低端MOSFET（Q3、Q4）的源极接地，因此其栅极驱动信号也以地为参考。另一方面，高端MOSFET（Q1、Q2）的源极电压会随着MOSFET对的接通和断开而切换，因此，最佳栅极驱动信号应参考或"自举"到该浮空电压。

ADuM7234的栅极驱动信号支持在各输入与各输出之间实现真正的电流隔离。相对于输入，各路输出的工作电压最高可达±350 VPEAK，因而支持低端切换至负电压。因此，ADuM7234可以在很宽的正或负切换电压范围内，可靠地控制各种MOSFET配置的开关特性。为了确保安全和简化测试，选择12 V直流电源作为本设计的电源。

自举栅极驱动电路

高端和低端的栅极驱动器电源是不同的。低端栅极驱动电压以地为参考，因此它直接产生自以地为参考的直流电源。然而，高端是悬空的，因此需要使用自举驱动电路，其工作原理如下所述。

观察图1所示H桥电路的左侧，自举驱动电路利用电容C1、电阻R1和R3、二极管D1实现。上电后，PWM不会立即发生，所有MOSFET都处于高阻态，直到所有直流电压完成建立。在此期间，电容C1由直流电源通过路径R1、D1、C1和R3充电。充电后的电容C1提供高端栅极驱动电压。C1充电的时间常数为τ = (R1 + R3) C1。

当MOSFET在PWM信号的控制下切换时，低端开关Q3接通，高端开关Q1断开。高端的GNDA下拉至地，电容C1充电。当Q1接通时，Q3断开，GNDA上拉至直流电源电压。二极管D1反向偏置，C1电压将ADuM7234的VDDA电压驱动到约24 V。因此，电容C1在ADuM7234的VDDA和GNDA引脚之间保持约12 V的电压。这样，高端MOSFET Q1的栅极驱动电压始终参考Q1的悬空源极电压。

高端MOSFET源极上的电压尖峰

当Q1和Q4接通时，负载电流从Q1经过负载流到Q4和地。当Q1和Q4断开时，电流仍然沿同一方向流动，经过续流二极管D6和D7，在Q1的源极上产生负电压尖峰。这可能会损害某些采用其它拓扑结构的栅极驱动器，但对ADuM7234无影响，ADuM7234支持低端切换到负电压。