基于BUCK電路的功率驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)

文/范志永 李子曉 張濤 金川

半導(dǎo)體溫控系統(tǒng)是一種基于熱電制冷技術(shù)的高效控溫系統(tǒng)，具有制冷/加熱切換迅速、可靠性高，可控精度高等優(yōu)勢(shì)，在航空航天、軍事、生物、醫(yī)療已經(jīng)日常生活等多個(gè)方面都有著廣泛應(yīng)用。半導(dǎo)體溫控系統(tǒng)中的TEC模塊是系統(tǒng)核心模塊，需要方向可逆的高功率直流電流來(lái)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。要實(shí)現(xiàn)TEC模塊高效穩(wěn)定運(yùn)行，要求其驅(qū)動(dòng)裝置所輸出的功率驅(qū)動(dòng)電流大小及方向均精確可控。

目前，TEC模塊功率驅(qū)動(dòng)裝置大都采用單一的H橋電路驅(qū)動(dòng)對(duì)電流大小和方向進(jìn)行整體控制，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，但存在可靠性差等問(wèn)題，當(dāng)出現(xiàn)過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)溫等系統(tǒng)故障時(shí)，只能通過(guò)關(guān)閉外部驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)來(lái)間接關(guān)斷H橋電路中的功率MOS管，存在一定延時(shí)，容易造成功率MOS管未能有效關(guān)斷而燒毀等問(wèn)題?；谏鲜鰡?wèn)題，提出了將功率驅(qū)動(dòng)電流大小控制與功率驅(qū)動(dòng)電流方向控制兩項(xiàng)功能分開(kāi)實(shí)現(xiàn)的新型技術(shù)方案。此技術(shù)方案采用改進(jìn)型同步BUCK電路實(shí)現(xiàn)功率驅(qū)動(dòng)電流大小精確可控，通過(guò)H橋與邏輯控制電路相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)功率驅(qū)動(dòng)電流方向單端控制，并將監(jiān)控保護(hù)模塊中的關(guān)斷保護(hù)電路直接連接到H橋電路中的功率MOS管柵極進(jìn)行控制，當(dāng)發(fā)生過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)溫等故障瞬間，能夠及時(shí)有效的直接將H橋上功率MOS管進(jìn)行快速關(guān)斷，從而有效避免溫控系統(tǒng)中相關(guān)器件發(fā)生損壞。

1 功率驅(qū)動(dòng)裝置總體結(jié)構(gòu)

功率驅(qū)動(dòng)裝置由電流大小控制模塊、電流方向轉(zhuǎn)換模塊和監(jiān)控保護(hù)模塊三部分組成，如圖1所示。主要控制信號(hào)為驅(qū)動(dòng)電流大小控制信號(hào)PWM和驅(qū)動(dòng)電流方向控制信號(hào)Dir。首先將具有固定頻率可調(diào)制占空比的PWM信號(hào)通過(guò)PWM端口輸入控制電流大小控制模塊實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電流大小的控制，然后通過(guò)Dir端口控制電流方向轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電流方向的控制，進(jìn)而完成TEC模塊加熱或制冷功能以及功率大小的精準(zhǔn)控制，最終實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體溫控系統(tǒng)的熱循環(huán)功能。監(jiān)控保護(hù)模塊通過(guò)對(duì)電流大小控制模塊輸出的驅(qū)動(dòng)電流大小、驅(qū)動(dòng)電壓高低以及TEC模塊溫度值的監(jiān)測(cè)，并應(yīng)用其內(nèi)部的關(guān)斷保護(hù)電路控制電流方向轉(zhuǎn)換模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)電路和半導(dǎo)體變溫模塊的實(shí)時(shí)保護(hù)功能。

2 BUCK電路原理

BUCK電路原理如圖2所示，其功能是把直流電壓VS轉(zhuǎn)換成直流電壓VO，是一種常見(jiàn)的直流電壓變換電路，變換的方式是通過(guò)開(kāi)關(guān)控制輸入電壓的通斷來(lái)獲得輸出電壓的大小，通常由開(kāi)關(guān)器件、電感、電容等組成。

工作原理如下：

當(dāng)開(kāi)關(guān)管S導(dǎo)通時(shí)，電源VS通過(guò)開(kāi)關(guān)管S及電感L向負(fù)載R供電，電感L相當(dāng)于一個(gè)恒流源，起傳遞能量作用，續(xù)流二極管D因反向偏置而截止，電容C開(kāi)始充電，相當(dāng)于恒壓源，在電路里起到濾波的作用。此時(shí)，電感電流iL線(xiàn)性增大，電感L儲(chǔ)存的磁場(chǎng)能量也逐漸增加。負(fù)載R通過(guò)電流iO，兩端輸出電壓VO上正下負(fù)。

當(dāng)開(kāi)關(guān)管S關(guān)斷時(shí)，由于電感電流iL不能突變，故iL通過(guò)二極管D續(xù)流，二極管D承受正向偏壓而導(dǎo)通，電感L中儲(chǔ)存的能量通過(guò)續(xù)流二極管D形成的續(xù)流通路，對(duì)負(fù)載R繼續(xù)供電，電感L上的能量逐漸消耗在負(fù)載R上，iL降低，當(dāng)iL＜iO時(shí)，電容處在放電狀態(tài)，從而保證了負(fù)載R獲得連續(xù)的電流。負(fù)載R端電壓VO仍然是上正下負(fù)。

3 功率驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)

3.1 電流大小控制模塊設(shè)計(jì)

圖1：功率驅(qū)動(dòng)裝置總體結(jié)構(gòu)

電流大小控制模塊設(shè)計(jì)要求輸入直流電壓為24V，輸出電壓0V至18V連續(xù)可調(diào)，輸出電流值最大值為8A。而B(niǎo)UCK電路主要應(yīng)用于低壓大電流領(lǐng)域，應(yīng)用BUCK電路原理可以實(shí)現(xiàn)電流大小控制模塊設(shè)計(jì)。但是BUCK電路一般采用二極管進(jìn)行續(xù)流，其導(dǎo)通電阻較大，應(yīng)用在大電流場(chǎng)合時(shí)，損耗很大。降低二極管損耗的有效辦法是選擇低壓降的二極管，如肖特基二極管，但是低壓降的肖特基二極管漏電流與結(jié)電容也大，會(huì)產(chǎn)生更大的損耗，因此通過(guò)綜合各種因素考慮，本設(shè)計(jì)采用同步整流方案，即使用導(dǎo)通電阻非常小的MOS管來(lái)代替續(xù)流二極管，有效解決了續(xù)流管的導(dǎo)通損耗問(wèn)題，但同時(shí)對(duì)驅(qū)動(dòng)電路提出了更高的要求。

所設(shè)計(jì)的電流大小控制模塊如圖3所示，包括半橋接閘極驅(qū)動(dòng)器、功率MOS管Q1、功率MOS管Q2、功率電感L1、濾波電容C1和電流取樣電阻R1。其中功率MOS管Q1、功率MOS管Q2、功率電感L1和濾波電容C1組成了改進(jìn)型BUCK電路，PWM信號(hào)通過(guò)半橋接閘極驅(qū)動(dòng)器同步控制功率MOS管Q1和Q2，Q1導(dǎo)通時(shí)Q2截止，Q1截止時(shí)Q2導(dǎo)通，即可代替經(jīng)典BUCK電路中二極管的續(xù)流功能。

本設(shè)計(jì)采用TI公司生產(chǎn)的半橋接閘極驅(qū)動(dòng)芯片，型號(hào)為L(zhǎng)M5105，這是一款高壓柵極驅(qū)動(dòng)器，用于驅(qū)動(dòng)同步降壓或半橋配置的高端和低端N溝道MOS管。浮動(dòng)高側(cè)驅(qū)動(dòng)器能夠處理高達(dá)100 V的電源軌電壓。單個(gè)控制輸入與TTL信號(hào)電平兼容，且單個(gè)外部電阻通過(guò)緊密匹配的開(kāi)關(guān)延遲電路可以對(duì)開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換死區(qū)時(shí)間進(jìn)行編程，能夠有效避免所驅(qū)動(dòng)的半橋電路直通故障。該芯片內(nèi)部還提供了高壓二極管為高側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)自舉電容充電。強(qiáng)大的電平轉(zhuǎn)換技術(shù)可在高速運(yùn)行，消耗功耗低，并且提供干凈的輸出轉(zhuǎn)換。當(dāng)?shù)蛡?cè)或自舉高側(cè)電源電壓低于工作閾值時(shí)，欠壓鎖定會(huì)禁用柵極驅(qū)動(dòng)器。

PWM信號(hào)通過(guò)半橋接閘極驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)改進(jìn)型BUCK電路，其PWM信號(hào)在固定頻率下調(diào)節(jié)占空比來(lái)控制改進(jìn)型BUCK電路輸出電壓大小，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)輸出功率電流大小控制；另外，電流大小控制模塊輸出端連接電流取樣電阻R1，以便監(jiān)控保護(hù)模塊對(duì)其輸出電壓、電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3.2 電流方向控制模塊設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)電流方向轉(zhuǎn)換模塊由4個(gè)功率MOS管（Q3、Q4、Q5、Q6）所組成的H橋電路以及相應(yīng)的電阻、二極管和MOS管組成的邏輯控制電路組合而成。電流方向控制信號(hào)Dir通過(guò)相應(yīng)的邏輯電路控制H橋電路中的電流流動(dòng)方向，進(jìn)而控制半導(dǎo)體溫控模塊電流流動(dòng)方向，實(shí)現(xiàn)對(duì)TEC模塊制冷、加熱驅(qū)動(dòng)控制。

為實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體制冷片的加熱或制冷功能，傳統(tǒng)的功率驅(qū)動(dòng)電路一般都采用大功率的VMOS管構(gòu)成H橋電路。VMOS管有N溝道和P溝道之分，由于制造工藝方面的原因，P溝道的VMOS管通過(guò)的電流較小，應(yīng)用于小功率驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合，而對(duì)于中大功率驅(qū)動(dòng)電路，一般采用4個(gè)N溝道的VMOS管（如圖4中Q3、Q4、Q5、Q6）構(gòu)成H橋電路，通過(guò)控制4個(gè)VMOS管的通斷可控制H橋電路中的電流方向，具體為：Q3、Q6導(dǎo)通Q4、Q5截止時(shí)，驅(qū)動(dòng)電流從左往右流；Q4、Q5導(dǎo)通Q3、Q6截止時(shí)驅(qū)動(dòng)電流從右往左流，這樣即可實(shí)現(xiàn)TEC模塊加熱、制冷功能控制。

N溝道MOS管Q7與電阻R2、電阻R3、開(kāi)關(guān)二極管D1、電阻R4、電阻R5、開(kāi)關(guān)二極管D4按照如圖4示意進(jìn)行連接，通過(guò)N溝道MOS管Q7漏極與柵極之間的互補(bǔ)控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)功率MOS管Q3與功率MOS管Q4所組成半橋電路的互補(bǔ)開(kāi)關(guān)控制；N溝道MOS管Q8與電阻R6、電阻R7、開(kāi)關(guān)二極管D5、電阻R8、電阻R9、開(kāi)關(guān)二極管D8按照如圖4示意進(jìn)行連接，通過(guò)N溝道MOS管Q8漏極與柵極之間的互補(bǔ)控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)功率MOS管Q5與功率MOS管Q6所組成半橋電路的互補(bǔ)開(kāi)關(guān)控制。

Dir信號(hào)控制端通過(guò)N溝道MOS管Q9漏極與柵極之間的互補(bǔ)控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)N溝道MOS管Q7與N溝道MOS管Q8的互補(bǔ)開(kāi)關(guān)控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)4個(gè)N溝道的VMOS管（如圖4中Q3、Q4、Q5、Q6）所構(gòu)成H橋電路的互補(bǔ)開(kāi)關(guān)控制，進(jìn)而控制半導(dǎo)體溫控模塊電流流動(dòng)方向，實(shí)現(xiàn)對(duì)TEC模塊制冷、加熱驅(qū)動(dòng)控制。

3.3 監(jiān)控保護(hù)模塊設(shè)計(jì)

監(jiān)控保護(hù)模塊如圖3所述，包括電流監(jiān)測(cè)電路、電壓監(jiān)測(cè)電路、溫度監(jiān)測(cè)電路、觸發(fā)電路、關(guān)斷保護(hù)電路。其中電流監(jiān)測(cè)電路與電流取樣電阻R1兩端電氣連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)半導(dǎo)體溫控模塊工作電流的監(jiān)測(cè)，并通過(guò)與觸發(fā)電路電氣連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)半導(dǎo)體溫控模塊工作電流異常情況的觸發(fā)功能；電壓監(jiān)測(cè)電路與電流取樣電阻R1下端電氣連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)半導(dǎo)體溫控模塊工作電壓的監(jiān)測(cè)，并通過(guò)與觸發(fā)電路電氣連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)半導(dǎo)體溫控模塊工作電壓異常情況的觸發(fā)功能；溫度監(jiān)測(cè)電路與半導(dǎo)體溫控模塊內(nèi)部溫度傳感器電氣連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)半導(dǎo)體溫控模塊工作溫度的監(jiān)測(cè)，并通過(guò)與觸發(fā)電路電氣連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)半導(dǎo)體溫控模塊工作溫度異常情況的觸發(fā)功能。

圖3：功率驅(qū)動(dòng)裝置原理框圖

觸發(fā)電路與電流監(jiān)測(cè)電路、電壓監(jiān)測(cè)電路、溫度監(jiān)測(cè)電路、關(guān)斷保護(hù)電路均電氣連接，通過(guò)對(duì)半導(dǎo)體溫控模塊電流、電壓、溫度異常值監(jiān)測(cè)，經(jīng)由觸發(fā)電路將觸發(fā)信號(hào)傳遞給關(guān)斷保護(hù)電路；關(guān)斷保護(hù)電路與H橋電路中的功率MOS管Q3、功率MOS管Q4、功率MOS管Q5、功率MOS管Q6分別連接，通過(guò)關(guān)斷保護(hù)電路控制H橋的四個(gè)功率MOS管柵極，使其在半導(dǎo)體溫控模塊工作電流、電壓或溫度值異常情況下迅速關(guān)斷H橋的四個(gè)功率MOS管，從而實(shí)現(xiàn)功率驅(qū)動(dòng)裝置的實(shí)時(shí)保護(hù)功能。

4 關(guān)鍵元器件參數(shù)計(jì)算與分析

功率驅(qū)動(dòng)裝置中電流大小控制模塊是依據(jù)BUCK電路原理進(jìn)行設(shè)計(jì)的，其主要特點(diǎn)是工作效率高，控制簡(jiǎn)單，可靠性好。電路輸出端電感和電容構(gòu)成低通濾波器，對(duì)其輸出電壓具有濾波作用，可以濾除跟開(kāi)關(guān)頻率相關(guān)的高次諧波，因此，功率電感和濾波電容參數(shù)設(shè)計(jì)直接關(guān)系到電路輸出電壓及電流的紋波大小。合理選擇器件參數(shù)，減小輸出脈動(dòng)，是電流大小控制模塊設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

4.1 功率電感的參數(shù)計(jì)算及分析

依據(jù)圖2所示的電路原理圖，當(dāng)開(kāi)關(guān)S閉合時(shí)，應(yīng)用基爾霍夫電壓定律和法拉第定律，忽略紋波成分，電路中有下式成立：

即

所以，當(dāng)開(kāi)關(guān)S閉合時(shí)，電感電流iL線(xiàn)性增加，斜率為

圖4：電流方向轉(zhuǎn)換模塊電路原理圖

當(dāng)開(kāi)關(guān)S斷開(kāi)時(shí)，同理可得有下式成立：

即

所以，當(dāng)開(kāi)關(guān)S斷開(kāi)時(shí)，電感電流iL線(xiàn)性減少，斜率為

因而，當(dāng)電感電流處于臨界狀態(tài)時(shí)，

式中ton為開(kāi)關(guān)S閉合時(shí)間

整理可得

式中，f為開(kāi)關(guān)頻率，D為占空比。

在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中，當(dāng)電感取值過(guò)小時(shí)，對(duì)電流平波作用過(guò)弱，可能使得電感電流斷續(xù)。 因此，為了保證電感電流連續(xù)，實(shí)際電感L 取值應(yīng)大于臨界電感最大值。

即

式中Dmax為最大占空比，

根據(jù)所設(shè)計(jì)電流大小控制模塊相關(guān)參數(shù)可知，開(kāi)關(guān)頻率f即為半橋接?xùn)艠O驅(qū)動(dòng)器LM5105輸入端PWM波頻率。因?yàn)殚_(kāi)關(guān)頻率f對(duì)BUCK電路變換效率影響非常大，如果f值太高，可以時(shí)電感和濾波電容的體積減小，但是電感的渦流損耗、磁滯損耗已經(jīng)開(kāi)關(guān)MOS管的損耗都將加大；如果f值太低，電感和濾波電容的體積就會(huì)變得太大，相應(yīng)電感線(xiàn)圈匝數(shù)增多，其銅損耗加大，整體電路也會(huì)變得笨重。綜合考慮各種因素，并依據(jù)LM5105芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)相關(guān)參數(shù)，設(shè)定其輸入端PWM波頻率為200kHz，即f = 200kHz。模塊設(shè)定輸入電壓固定為24V，輸出最大電壓設(shè)計(jì)為18V，由此得出Dmax=0.75。

輸出紋波電流的典型值是在電路滿(mǎn)載是的直流電流分量的10%～20%。紋波電流值不希望太大，否則會(huì)增大流過(guò)電感和開(kāi)關(guān)MOS管的電流峰值，造成功率損耗增加等問(wèn)題。綜合考慮各種因素，設(shè)定輸出紋波電流不高于10%，得出△iL=8*10%=0.8A，帶入公式得出L臨界max=28.125uH，實(shí)際選取電感值為33uH。

4.2 濾波電容的參數(shù)計(jì)算及分析

依據(jù)圖2所示的電路原理圖，濾波電容C主要是濾掉開(kāi)關(guān)電路紋波，選擇電容C值足夠大時(shí)，在高開(kāi)關(guān)頻率下，濾波電容C阻抗值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于負(fù)載R阻抗，故絕大部分的電感L紋波電流流經(jīng)濾波電容C，因此，電容紋波電流△iC近似等于電感紋波電流△iL，由此得出電路中電容充電電荷為：

即

設(shè)定輸出紋波電壓不高于1%，得出△uC=18*1%=0.18V，帶入公式得出電容值C = 2.78uF。電容器件選取時(shí)，電容值偏大可以保證輸出電壓恒定，但電容值過(guò)大會(huì)導(dǎo)致體積和成本更大，實(shí)際中根據(jù)容許的輸出電壓紋波來(lái)確定電容C值，綜合各種因素考慮，為了獲得更好的濾波效果，電容值取10uF。另外，考慮到電解電容的電流耐受能力，輸出濾波電容可以采用多個(gè)電解電容并聯(lián)，一方面可以獲得較小的ESR，另外還可以承受更多的紋波電流。

5 結(jié)束語(yǔ)

所設(shè)計(jì)的TEC模塊功率驅(qū)動(dòng)裝置，采用改進(jìn)型同步BUCK電路能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)電流大小的精確控制，通過(guò)H橋與邏輯控制電路相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)功率驅(qū)動(dòng)電流方向單端控制，提高了功率驅(qū)動(dòng)裝置在過(guò)溫、過(guò)流、過(guò)壓等故障下的可控性，并通過(guò)監(jiān)控保護(hù)模塊有效保障半導(dǎo)體溫控系統(tǒng)高效、可靠運(yùn)行。本驅(qū)動(dòng)裝置能夠?yàn)門(mén)EC模塊提供驅(qū)動(dòng)功率范圍寬、驅(qū)動(dòng)電流精確可調(diào)的驅(qū)動(dòng)與控制，廣泛應(yīng)用于采用半導(dǎo)體溫控系統(tǒng)的相關(guān)科學(xué)儀器或設(shè)備中，能夠大幅降低儀器或設(shè)備的故障率，更加安全、可靠地保障儀器或設(shè)備的功能實(shí)現(xiàn)和穩(wěn)定運(yùn)行，具有較大市場(chǎng)價(jià)值。目前，基于改進(jìn)型BUCK電路的功率驅(qū)動(dòng)裝置已經(jīng)成功應(yīng)用到了PCR儀和遺傳分析儀等產(chǎn)品中，在可靠地保障了儀器功能實(shí)現(xiàn)和穩(wěn)定運(yùn)行條件下，大幅降低了儀器的故障率，從而有效降低了儀器后期維護(hù)成本。