一種H橋電路驅動TEC的設計

摘? 要：通過設計了一種使用H橋來驅動半導體加熱制冷片（TEC）的電路，其主要包含隔離電源、光耦和由分立元件構成的MOS管驅動電路。本電路中上臂MOS選用的是NMOS，PWM通過光耦驅動有著隔離電源的MOS管驅動電路。本電路能夠在控制MOS溫升不高的情況下，允許超過100kHz頻率的PWM驅動MOS管，高頻率的PWM能夠降低TEC兩端的電壓紋波，讓TEC工作更加穩(wěn)定，延長TEC的使用壽命。

關鍵詞：H橋;隔離電源;光耦驅動

中圖分類號：TN702;TP273? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）20-0049-03

Abstract：A circuit for driving a semiconductor heating and cooling sheet （TEC） using an H-bridge is designed，which mainly includes an isolated power supply，an optocoupler and a MOS transistor drive circuit composed of discrete components. In the circuit，the upper arm MOS is selected as an NMOS，and the PWM drives the MOS transistor driving circuit with an isolated power supply through an optocoupler. This circuit can allow PWM drive MOS tubes with a frequency exceeding 100kHz under the condition that the temperature rise of the control MOS is not high. The high frequency PWM can reduce the voltage ripple at both ends of the TEC，making the TEC work more stable and prolonging the service life of the TEC.

Keywords：H-bridge;isolated power supply;optocoupler drive

0? 引? 言

半導體加熱制冷片（TEC）具有響應快、精度高、體積小、由電流方向決定熱量傳導方向等優(yōu)點，廣泛應用于小型高精度溫控系統(tǒng)[1]。TEC的驅動有兩種方法，一種是使用TEC專用集成電路，另外一種是使用分立元件搭建的電路。使用TEC專用集成電路時，雖然電路簡單，但是有著很多局限性，比如電壓小于5V、雙向電流小于3A、單向電流小于6A等[2-5]。而使用分立元件電路時，雖然電路復雜，但是靈活性很高，可以根據(jù)實際的負載需要選擇相應的電路和元件。H橋電路作為一種常用的功率驅動電路，非常適合用于TEC這種需要正負兩種電流方向的場合。

1? 電路結構與原理分析

1.1? H橋基本原理

H橋由4個功率開關元件組成，一般選擇MOSFET作為開關元件。H橋的下臂MOSFET都是NMOS，而上臂MOSFET可以選擇NMOS，也可以選擇PMOS。但由于PMOS的一般性能比NMOS差，價格高，型號選擇還少，所以上臂MOS選擇NMOS更加合適，但是相應的上臂NMOS需要特別的驅動電路。

1.2? MOSFET選擇

由于TEC的物理特性，為了能夠長期穩(wěn)定的工作，需要通過TEC的電流盡可能持續(xù)，電壓紋波最好小于10%[6]。所以使用PWM驅動時，驅動頻率盡可能高，最好在100kHz以上。高頻率的PWM對于MOSFET的選擇有著更多的要求，比如開啟和關閉時間，開關損耗是一定要考慮的。選擇柵極總電荷Qg盡可能小的MOSFET作為開關元件，才能滿足高頻應用的需求[7]。

1.3? 下臂驅動電路

市面上大多數(shù)的MCU輸出的高電平只能達到3.3V或者5V的電壓，而大功率MOSFET的柵極電壓通常需要超過10V，才能讓導通電阻達到規(guī)格書里的理論值，低壓驅動只會讓MOSFET導通電阻上升，讓更多的能量作為熱量耗散出去，導致溫度上升，直至熱擊穿，所以需要設計相應的MOSFET驅動電路。要滿足MOSFET快速開關的需求，首選推挽電路。

如圖1所示，當OUT1_4（H橋斜對角MOSFET的組選擇信號）為高電平，PWM_4也為高時，U12C輸出高電平，U11-6輸出低電平，Q15截至，Q14導通，Q17截至，電源電壓12V通過Q14和R55輸出到下臂MOSFET（Q4）的柵極上面，讓Q4導通;當PWM_4為低電平的時候，Q15導通，Q14截至，Q17導通，Q4柵極電荷通過Q17迅速泄放到地，讓Q4截至;當OUT1_4為低電平的時候，Q4也是截至的。

1.4? 升壓電路

當H橋上臂MOS選擇NMOS時，在上臂MOS的柵極產(chǎn)生高于電源電壓，同時收到PWM控制的信號的方法在實際應用中有3種：

（1）自舉電容：通過下臂MOS的快速開關給自舉電容充電，從而產(chǎn)生高于電源的電壓。但是這種電路有一個顯著的缺點，即下臂MOS的PWM占空比不能達到極限0%或者100%，正常只能保持在5%～95%之間，否則沒有振蕩信號就無法給自舉電容充電，使上臂MOSFET柵極沒有足夠的電壓開啟;

（2）電荷泵電路：通過555產(chǎn)生振蕩信號給自舉電容充電，這樣就讓下臂MOS的PWM占空比范圍在0%～100%。但是當電源電壓比較高的時候，有損壞555引腳的風險，而且工作時自舉電容溫度也會比較高，長時間高溫工作影響元件壽命;

（3）隔離電源電路：使用一個小型隔離電源（例如B1212S-1W），隔離電源的負極連接到H橋的上臂和下臂NMOS之間，這樣能夠產(chǎn)生高于電源的電壓。優(yōu)點是電路工作穩(wěn)定，MOSFET柵極驅動電壓比較足，缺點是元器件成本會高一點。本文選擇隔離電源方案。

1.5? 上臂驅動電路

上臂MOSFET驅動除了需要隔離電源提供高于電源的電壓，還需要光耦讓MCU的PWM信號能夠控制上臂MOS。具體驅動電路如圖2所示。

原理：當OUT1_4（H橋斜對角MOSFET的組選擇信號）為高電平，PWM_1也為高的時候，U14C輸出高電平，通過高速光耦6N137S輸出隔離的高電平，Q18導通，Q20導通，Q19截至，隔離電源電壓12V通過Q20，R62，D21，R63輸出到上臂MOSFET（Q1）的柵極上面，讓Q1導通;當PWM_1為低電平的時候，Q18截至，Q20截至，Q19導通，Q1柵極上的電荷通過Q19迅速泄放到浮地，Q1截至;當OUT1_1為低電平的時候，Q1也是截至的。

需要注意的是，100kHz頻率的PWM需要高速光耦才能滿足上升沿和下降沿的時間需求。

2? 實際測試結果

搭建好電路后進行實際測試，通過示波器測量，上臂NMOS的開啟上升時間可以縮短到161納秒，開關損耗非常小。在25度的測試環(huán)境中，MOSFET只需要一個TO-220的鋁制通用散熱片，溫升不超過20度，使TEC能夠長期穩(wěn)定的工作。

3? 結? 論

經(jīng)過實際測試證明，使用隔離電源、高速光耦、推挽電路等來驅動H橋，可以讓MOSFET熱耗散更小，效率更高，從而保障TEC的穩(wěn)定工作和長期壽命。

參考文獻：

[1] 高加林，郭微波.一種高效率TEC溫度控制器的設計 [J].集成電路通訊，2007（1）：5-11.

[2] Analog Devices. Thermoelectric Cooler （TEC） Controller. Data Sheet ADN8831 [EB/OL].[2019-07-22].https：//www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/ADN8831.pdf.

[3] Analog. Ultracompact，1 A Thermoelectric Cooler （TEC） Driver for Digital Control Systems. ADN8833. DataSheet [EB/OL].[2019-07-22].https：//www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/ADN8833.pdf.

[4] Maxim. Power Drivers for Peltier TEC Modules. MAX1968/MAX1969. DataSheet[EB/OL].[2019-07-22].https：//datasheets.maxim integrated.com/en/ds/MAX1968-MAX1969.pdf.

[5] Maxim. Integrated Temperature Controllers for Peltier Modules. MAX1978/MAX1979. Data Sheet [EB/OL].[2019-07-22].https：//datasheets.maxim integrated.com/en/ds/MAX1978-MAX1979.pdf.

[6] 闕秀福，陳偉，楊連喬，等.基于TEC的小型快速高精度恒溫系統(tǒng)設計 [J].計算機測量與控制，2015，23（8）：2696-2698+2702.

[7] 李曉靜，羅永革，佘建強，等.基于AMT直流電機的H橋驅動電路硬件研制 [J].湖北汽車工業(yè)學院學報，2007（1）：22-25.

作者簡介：潘天澤（1986-），男，漢族，江蘇鹽城人，嵌入式工程師，助理工程師，學士學位，研究方向：高電壓大電流高精度的恒溫控制系統(tǒng)。