一种双向驱动电路及其控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种双向驱动电路，该电路中的全桥驱动电路采用第一至第四N沟道MOS管，为了使第一或第二N沟道MOS管保持导通，提供了一个升压电路，该升压电路包括脉冲电压输入端口、第一电容、第二电容、第一二极管和第二二极管；脉冲电压输入端口与第一电容的一端相连，第一电容的另一端与第一二极管的阴极相连，第一二极管的阳极与电源电压相连；第二二极管的阳极与第一二极管的阴极相连，第二二极管的阴极分别与第一光耦的集电极、第二光耦的集电极、第二电容的一端相连，第二电容的另一端接地。该电路结构简单便于实施。
【专利说明】—种双向驱动电路及其控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种驱动电路，更加具体地为一种双向驱动电路及其控制方法。
【背景技术】
[0002]目前双向驱动电路有多种方案:采用继电器组成的桥式驱动电路；采用三极管组成的桥式驱动电路；采用P沟道MOS管和N沟道MOS管组成的桥式驱动电路。
[0003]如图1所示的继电器桥式驱动电路，当第一电压为高电平且第二电压为低电平时，第一继电器和第三继电器闭合，第二继电器和第四继电器断开，驱动电路的第一输出端和第二输出端之间为正电压。当第一电压为低电平且第二电压为高电平时，第二继电器和第四继电器闭合，第一继电器和第三继电器断开，驱动电路的第一输出端和第二输出端之间为负电压。由于采用继电器，该驱动电路具有体积大、噪音大以及反应速度慢的缺点。
[0004]如图2所示的三极管桥式驱动电路，当第一开关断开且第二开关闭合后，第二三极管的集电极为第一输出端。当第一开关和第二开关闭合后，第四三极管的集电极为第二输出端。由于三极管存在显著的导通压降，当用于驱动大电流器件时，该驱动电路有很大的功率损耗。
[0005]如图3所示的P沟道MOS管和N沟道MOS管组成的桥式驱动电路，第一 MOS管和第二 MOS管为P沟道MOS管，第三MOS管和第四MOS管为N沟道MOS管。当第一电压为高电平且第二电压为低电平时，第一三极管、第一 MOS管和第三MOS管导通，驱动电路的第一输出端和第二输出端之间为正电压。当第一电压为低电平且第二电压为高电平时，第二三极管、第二 MOS管和第四MOS管导通，驱动电路的第一输出端和第二输出端之间为负电压。由于维持N沟道MOS管在高压侧的持续导通需要高于电源电压的门极控制电压，因此MOS管桥式驱动电路的高压侧开关一般使用P沟道MOS管，而P沟道MOS管存在导通电阻大的缺点，所以该驱动电路有很大的功率损耗。
【发明内容】
[0006]本发明的主要发明点在于:本发明采用第一至第四N沟通MOS管组成的全桥驱动电路，为了使第一或第二 N沟通MOS管保持导通，本发明提出一种新的升压电路产生一个高于电源电压的第二节点电压。
[0007]本发明公开了一种双向驱动电路，包括全桥驱动电路和控制电路，所述全桥驱动电路包括四个开关管，所述控制电路包括第一电压输入端口、第二电压输入端口、第一光耦、第二光耦和第一至第六电阻，所述四个开关管分别为第一至第四N沟道MOS管，还包括一升压电路，所述升压电路包括脉冲电压输入端口、第一电容、第二电容、第一二极管和第二二极管；脉冲电压输入端口与第一电容的一端相连，第一电容的另一端与第一二极管的阴极相连，第一二极管的阳极与电源电压相连；第二二极管的阳极与第一二极管的阴极相连，第二二极管的阴极分别与第一光耦的集电极、第二光耦的集电极、第二电容的一端相连，第二电容的另一端接地。[0008]进一步地优选方案，本发明双向驱动电路中，第一电压输入端口通过第一电阻与第一光稱的阳极相连，同时第一电压输入端口还通过第五电阻与第三N沟道MOS管的门极相连；第一光稱的发射极通过第三电阻与第一 N沟道MOS管的门极相连；
第二电压输入端口通过第二电阻与第二光耦的阳极相连，同时第二电压输入端口还通过第六电阻与第四N沟道MOS管的门极相连；第二光耦的发射极通过第四电阻与第二 N沟道MOS管的门极相连；
第一 N沟道MOS管的源极与第四N沟道MOS管的漏极的连接点为驱动电路的第一输出端，第二 N沟道MOS管的源极与第三N沟道MOS管的漏极的连接点为驱动电路的第二输出端，第一 N沟道MOS管的漏极和第二 N沟道MOS管的漏极与所述电源电压相连，第三N沟道MOS管的源极和第四N沟道MOS管的源极接地。
[0009]同时，为了实现上述双向驱动电路实现双向驱动，本发明提出该双向驱动电路的控制方法，包括两部分:
A、升压电路中的脉冲电压端口输入低电平时，电源电压通过第一二极管对第一电容充电产生第一节点电压，当输入高电平时，第一节点电压被抬高，高于电源电压，第一二极管处于反向偏置，第一节点电压通过第二二极管对第二电容充电产生第二节点电压，直至第二节点电压和第一节点电压相等，当再次输入低电平时，第一节点电压被拉低，第二二极管处于反向偏置，而电源电压通过第一二极管再次对第一电容充电，不断循环，使第二节点电压保持在高于电源电压的状态；
B、控制电路中，当第一电压输入端口输入高电平时，第二电压输入端口输入低电平时，第一光稱导通，第二节点电压经第一光稱控制第一 N沟道MOS管导通,第一 N沟道MOS管源极输出电源电压；
当第一电压输入端口输入低电平时，第二电压输入端口输入高电平时，第二光稱导通，第二节点电压经第二光耦控制第二 N沟道MOS管导通，第二 N沟道MOS管源极输出电源电压。
[0010]同时在基于上述双向驱动电路的基础上，提出一种半导体制冷片双向驱动电路，将上述驱动电路的第一输出端与半导体制冷片的正极或负极相连，半导体制冷片的另一极与驱动电路的第二输出端相连。
[0011]本发明与现有技术相比具有以下显著的优点:(1)克服了【背景技术】中继电器
桥式驱动电路噪音大和切换速度慢的缺点，同时减小了电路的体积；(2)全部采用导通电阻较小的N沟道MOS管，有效地解决了【背景技术】中三极管和P沟道MOS管功率损耗大的问题；(3)采用两个电容、两个二极管和输入脉冲电压组成结构简单的升压电路，可以维持高压侧N沟道MOS管的持续导通，解决了【背景技术】中N沟道MOS管在桥式驱动电路高压侧的持续驱动问题。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1是现有技术中继电器组成的桥式驱动电路的电路图；
图2是现有技术中三极管组成的桥式驱动电路的电路图；
图3为现有技术中P沟道MOS管和N沟道MOS管组成的桥式驱动电路的电路图；
图4为本发明的双向驱动电路的电路图； 图5为本发明中升压电路工作的时序图；
图6为本发明的半导体制冷片双向驱动电路的电路图。
[0013]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步的描述。
【具体实施方式】
[0014]如图4所示，本发明一种双向驱动电路，包括全桥驱动电路、升压电路和控制电路，所述全桥驱动电路包括第一至第四N沟道MOS管，所述控制电路包括第一电压输入端口V1、第二电压输入端口 V2、第一光耦01、第二光耦02和第一至第六电阻，所述升压电路包括脉冲电压输入端口 VP、第一电容Cl、第二电容C2、第一二极管Dl和第二二极管D2 ;脉冲电压输入端口 VP与第一电容Cl的一端相连，第一电容Cl的另一端与第一二极管Dl的阴极相连，第一二极管Dl的阳极与电源电压相连；第二二极管D2的阳极与第一二极管Dl的阴极相连，第二二极管D2的阴极分别与第一光耦01的集电极、第二光耦02的集电极、第二电容C2的一端相连，第二电容C2的另一端接地；
第一电压输入端口 Vl通过第一电阻Rl与第一光稱01的阳极相连，同时第一电压输入端口 Vl还通过第五电阻R5与第三N沟道MOS管T3的门极相连；第一光耦的发射极通过第三电阻R3与第一 N沟道MOS管Tl的门极相连；
第二电压输入端口 V2通过第二电阻R2与第二光耦02的阳极相连，同时第二电压输入端口 V2还通过第六电阻R6与第四N沟道MOS管T4的门极相连；第二光耦02的发射极通过第四电阻R4与第二 N沟道MOS管T2的门极相连；
第一 N沟道MOS管Tl的源极与第四N沟道MOS管T4的漏极的连接点为驱动电路的第一输出端，第二 N沟道MOS管T2的源极与第三N沟道MOS管T3的漏极的连接点为驱动电路的第二输出端，第一 N沟道MOS管Tl的漏极和第二 N沟道MOS管T2的漏极与所述电源电压相连，第三N沟道MOS管T3的源极和第四N沟道MOS管T4的源极接地。
[0015]一种双向驱动电路的控制方法，包括两部分:
升压电路部分:当VP端输入低电平时，电源电压通过第一二极管Dl对第一电容Cl充电，产生第一节点电压V3，当VP端输入高电平时，第一节点电压V3被抬高至高于电源电压，第一二极管Dl处于反向偏置,第一节点电压V3通过第二二极管D2对第二电容C2充电，产生第二节点电压V4，直至第二节点电压V4和第一节点电压V3相等，当VP端再次输入低电平时，第一节点电压V3被拉低，第二二极管D2处于反向偏置，而电源电压通过第一二极管Dl再次对第一电容Cl充电，当脉冲电压输入VP端后，以上过程不断循环，第二节点电压V4保持在高于电源电压的状态，以便于维持第一 N沟道MOS管Tl或第二 N沟道MOS管T2的持续导通；
如图5所示，假设脉冲电压VP的占空比为80%，高电平为5V，低电平为0V。在初始时刻tl，脉冲电压VP为0V，第一二极管Dl导通，第一节点电压V3为24V，第一电容Cl两端电压差为:V3-VP=24V，第二二极管D2导通，第二节点电压V4为24V。在t2时刻，脉冲电压VP为5V，根据电容两端电压差不能突变的性质，第一电容Cl两端电压差仍为24V，所以第一节点电压V3=24V+VP=29V，此时第一节点电压V3大于第二节点电压V4，第一电容Cl向第二电容C2充电，使第二电容C2两端电压差达到29V，因为第二电容C2的一端接地，所以第二节点电压V4为29V，t3时刻后第二节点电压V4稳定在29V。描述以上过程的前提是第一电容Cl的容值远大于第二电容C2的容值，所以在第一电容Cl向第二电容C2充电的过程中，不考虑第一电容Cl两端电压差的下降。
[0016]控制电路部分:当由Vl端输入的第一电压为高电平且由V2端输入的第二电压为低电平时，第一光耦01、第三N沟道MOS管T3导通且第二光耦02、第四N沟道MOS管T4关断，而当第一光耦01导通且第二光耦02关断后，第一 N沟道MOS管Tl导通且第二 N沟道MOS管T2关断，第一 N沟道MOS管Tl的源极输出电源电压，如24V电压；当由Vl端输入的第一电压为低电平且由V2端输入的第二电压为高电平时,第一光稱01、第三N沟道MOS管T3关断且第二光耦02、第四N沟道MOS管T4导通，而当第一光耦01关断且第二光耦02导通后，第一 N沟道MOS管Tl关断且第二 N沟道MOS管T2导通，第二 N沟道MOS管T2的源极输出电源电压，如24V电压；
如图4所示，当由Vl端输入的第一电压为高电平且由V2端输入的第二电压为低电平时，第一光耦01导通，第一光耦01的发射极和集电极相通，第二节点电压V4通过第一光耦01的发射极控制第一 N沟道MOS管Tl的门极，使第一 N沟道MOS管Tl导通，由于第二节点电压V4始终维持在29V，在第一 N沟道MOS管Tl导通的情况下，第二节点电压V4保持对第一 N沟道MOS管Tl源极有5V的电压差，所以第一 N沟道MOS管Tl能够持续导通，第二光耦02关闭，第二光耦02的发射极和集电极断开，第二节点电压V4不能通过第二光耦02的发射极控制第二 N沟道MOS管T2的门极，所以第二 N沟道MOS管T2关断。与此同时，由Vl端输入的第一电压使第三N沟道MOS管T3导通，由V2端输入的第二电压使第四N沟道MOS管T4关断；
当由Vl端输入的第一电压为低电平且由V2端输入的第二电压为高电平时，第二光耦02导通，第二光耦02的发射极和集电极相通，第二节点电压V4通过第二光耦02的发射极控制第二 N沟道MOS管T2的门极，使第二 N沟道MOS管T2导通，由于第二节点电压V4始终维持在29V，在第二 N沟道MOS管T2导通的情况下，第二节点电压V4保持对第二 N沟道MOS管T2源极有5V的电压差，所以第二 N沟道MOS管T2能够持续导通。第一光耦01关闭，第一光耦01的发射极和集电极断开，第二节点电压V4不能通过第一光耦01的发射极控制第一 N沟道MOS管Tl的门极，所以第一 N沟道MOS管Tl关断。与此同时，由Vl端输入的第一电压使第三N沟道MOS管T3关断，由V2端输入的第二电压使第四N沟道MOS管T4导通。
[0017]如表1所不，当Vl端口输入为高电平，V2端口输入为低电平,第一输出端和第二输出端之间的电压为+24V。当Vl端口输入为低电平，V2端口输入为高电平，第一输出端和第二输出端之间的电压为-24V。
[0018]表1
【权利要求】
1.一种双向驱动电路，包括全桥驱动电路和控制电路，所述全桥驱动电路包括四个开关管，所述控制电路包括第一电压输入端口、第二电压输入端口、第一光稱、第二光稱和第一至第六电阻，其特征在于，所述四个开关管分别为第一至第四N沟道MOS管，还包括一升压电路，所述升压电路包括脉冲电压输入端口、第一电容、第二电容、第一二极管和第二二极管；脉冲电压输入端口与第一电容的一端相连，第一电容的另一端与第一二极管的阴极相连，第一二极管的阳极与电源电压相连；第二二极管的阳极与第一二极管的阴极相连，第二二极管的阴极分别与第一光耦的集电极、第二光耦的集电极、第二电容的一端相连，第二电容的另一端接地。
2.根据权利要求1所述的双向驱动电路，其特征在于，第一电压输入端口通过第一电阻与第一光稱的阳极相连，同时第一电压输入端口还通过第五电阻与第三N沟道MOS管的门极相连；第一光耦的发射极通过第三电阻与第一 N沟道MOS管的门极相连； 第二电压输入端口通过第二电阻与第二光耦的阳极相连，同时第二电压输入端口还通过第六电阻与第四N沟道MOS管的门极相连；第二光耦的发射极通过第四电阻与第二 N沟道MOS管的门极相连； 第一 N沟道MOS管的源极与第四N沟道MOS管的漏极的连接点为驱动电路的第一输出端，第二 N沟道MOS管的源极与第三N沟道MOS管的漏极的连接点为驱动电路的第二输出端，第一 N沟道MOS管的漏极和第二 N沟道MOS管的漏极与所述电源电压相连，第三N沟道MOS管的源极和第四N沟道MOS管的源极接地。
3.—种权利要求1或2所述双向驱动电路的控制方法，其特征在于，该方法包括两部分: A、升压电路中的脉冲电压端口输入低电平时，电源电压通过第一二极管对第一电容充电产生第一节点电压，当输入高电平时，第一节点电压被抬高，高于电源电压，第一二极管处于反向偏置，第一节点电压通过第二二极管对第二电容充电产生第二节点电压，直至第二节点电压和第一节点电压相等，当再次输入低电平时，第一节点电压被拉低，第二二极管处于反向偏置，而电源电压通过第一二极管再次对第一电容充电，不断循环，使第二节点电压保持在高于电源电压的状态； B、控制电路中，当第一电压输入端口输入高电平时，第二电压输入端口输入低电平时，第一光稱导通，第二节点电压经第一光稱控制第一 N沟道MOS管导通,第一 N沟道MOS管源极输出电源电压； 当第一电压输入端口输入低电平时，第二电压输入端口输入高电平时，第二光稱导通，第二节点电压经第二光耦控制第二 N沟道MOS管导通，第二 N沟道MOS管源极输出电源电压。
4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述脉冲电压为占空比可调、频率可变的脉冲宽度调制波。
5.一种半导体制冷片双向驱动电路，其特征在于，该驱动电路基于权利要求1或2所述的双向驱动电路来实现，驱动电路的第一输出端与半导体制冷片的正极或负极相连，半导体制冷片的另一极与驱动电路的第二输出端相连。
【文档编号】H02M1/08GK103986313SQ201410161919
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年4月21日 优先权日:2014年4月21日
【发明者】盛守照, 朱彦菘, 蒋晓亮, 孙臣武, 魏源源 申请人:南京航空航天大学