基于BUCK電路的功率驅動裝置設計

文/范志永 李子曉 張濤 金川

半導體溫控系統是一種基于熱電制冷技術的高效控溫系統，具有制冷/加熱切換迅速、可靠性高，可控精度高等優勢，在航空航天、軍事、生物、醫療已經日常生活等多個方面都有著廣泛應用。半導體溫控系統中的TEC模塊是系統核心模塊，需要方向可逆的高功率直流電流來進行驅動。要實現TEC模塊高效穩定運行，要求其驅動裝置所輸出的功率驅動電流大小及方向均精確可控。

目前，TEC模塊功率驅動裝置大都采用單一的H橋電路驅動對電流大小和方向進行整體控制，其優點是結構相對簡單，但存在可靠性差等問題，當出現過流、過壓、過溫等系統故障時，只能通過關閉外部驅動脈沖信號來間接關斷H橋電路中的功率MOS管，存在一定延時，容易造成功率MOS管未能有效關斷而燒毀等問題?；谏鲜鰡栴}，提出了將功率驅動電流大小控制與功率驅動電流方向控制兩項功能分開實現的新型技術方案。此技術方案采用改進型同步BUCK電路實現功率驅動電流大小精確可控，通過H橋與邏輯控制電路相結合，實現功率驅動電流方向單端控制，并將監控保護模塊中的關斷保護電路直接連接到H橋電路中的功率MOS管柵極進行控制，當發生過流、過壓、過溫等故障瞬間，能夠及時有效的直接將H橋上功率MOS管進行快速關斷，從而有效避免溫控系統中相關器件發生損壞。

1 功率驅動裝置總體結構

功率驅動裝置由電流大小控制模塊、電流方向轉換模塊和監控保護模塊三部分組成，如圖1所示。主要控制信號為驅動電流大小控制信號PWM和驅動電流方向控制信號Dir。首先將具有固定頻率可調制占空比的PWM信號通過PWM端口輸入控制電流大小控制模塊實現驅動電流大小的控制，然后通過Dir端口控制電流方向轉換模塊實現驅動電流方向的控制，進而完成TEC模塊加熱或制冷功能以及功率大小的精準控制，最終實現半導體溫控系統的熱循環功能。監控保護模塊通過對電流大小控制模塊輸出的驅動電流大小、驅動電壓高低以及TEC模塊溫度值的監測，并應用其內部的關斷保護電路控制電流方向轉換模塊，實現對驅動電路和半導體變溫模塊的實時保護功能。

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轉換成直流電壓VO，是一種常見的直流電壓變換電路，變換的方式是通過開關控制輸入電壓的通斷來獲得輸出電壓的大小，通常由開關器件、電感、電容等組成。

工作原理如下：

當開關管S導通時，電源VS通過開關管S及電感L向負載R供電，電感L相當于一個恒流源，起傳遞能量作用，續流二極管D因反向偏置而截止，電容C開始充電，相當于恒壓源，在電路里起到濾波的作用。此時，電感電流iL線性增大，電感L儲存的磁場能量也逐漸增加。負載R通過電流iO，兩端輸出電壓VO上正下負。

當開關管S關斷時，由于電感電流iL不能突變，故iL通過二極管D續流，二極管D承受正向偏壓而導通，電感L中儲存的能量通過續流二極管D形成的續流通路，對負載R繼續供電，電感L上的能量逐漸消耗在負載R上，iL降低，當iL＜iO時，電容處在放電狀態，從而保證了負載R獲得連續的電流。負載R端電壓VO仍然是上正下負。

3 功率驅動裝置設計

3.1 電流大小控制模塊設計

圖1：功率驅動裝置總體結構

電流大小控制模塊設計要求輸入直流電壓為24V，輸出電壓0V至18V連續可調，輸出電流值最大值為8A。而BUCK電路主要應用于低壓大電流領域，應用BUCK電路原理可以實現電流大小控制模塊設計。但是BUCK電路一般采用二極管進行續流，其導通電阻較大，應用在大電流場合時，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電容也大，會產生更大的損耗，因此通過綜合各種因素考慮，本設計采用同步整流方案，即使用導通電阻非常小的MOS管來代替續流二極管，有效解決了續流管的導通損耗問題，但同時對驅動電路提出了更高的要求。

所設計的電流大小控制模塊如圖3所示，包括半橋接閘極驅動器、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組成了改進型BUCK電路，PWM信號通過半橋接閘極驅動器同步控制功率MOS管Q1和Q2，Q1導通時Q2截止，Q1截止時Q2導通，即可代替經典BUCK電路中二極管的續流功能。

本設計采用TI公司生產的半橋接閘極驅動芯片，型號為LM5105，這是一款高壓柵極驅動器，用于驅動同步降壓或半橋配置的高端和低端N溝道MOS管。浮動高側驅動器能夠處理高達100 V的電源軌電壓。單個控制輸入與TTL信號電平兼容，且單個外部電阻通過緊密匹配的開關延遲電路可以對開關轉換死區時間進行編程，能夠有效避免所驅動的半橋電路直通故障。該芯片內部還提供了高壓二極管為高側柵極驅動自舉電容充電。強大的電平轉換技術可在高速運行，消耗功耗低，并且提供干凈的輸出轉換。當低側或自舉高側電源電壓低于工作閾值時，欠壓鎖定會禁用柵極驅動器。

PWM信號通過半橋接閘極驅動器驅動改進型BUCK電路，其PWM信號在固定頻率下調節占空比來控制改進型BUCK電路輸出電壓大小，進而實現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，以便監控保護模塊對其輸出電壓、電流進行監測。

3.2 電流方向控制模塊設計

所設計電流方向轉換模塊由4個功率MOS管（Q3、Q4、Q5、Q6）所組成的H橋電路以及相應的電阻、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Dir通過相應的邏輯電路控制H橋電路中的電流流動方向，進而控制半導體溫控模塊電流流動方向，實現對TEC模塊制冷、加熱驅動控制。

為實現半導體制冷片的加熱或制冷功能，傳統的功率驅動電路一般都采用大功率的VMOS管構成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管通過的電流較小，應用于小功率驅動場合，而對于中大功率驅動電路，一般采用4個N溝道的VMOS管（如圖4中Q3、Q4、Q5、Q6）構成H橋電路，通過控制4個VMOS管的通斷可控制H橋電路中的電流方向，具體為：Q3、Q6導通Q4、Q5截止時，驅動電流從左往右流；Q4、Q5導通Q3、Q6截止時驅動電流從右往左流，這樣即可實現TEC模塊加熱、制冷功能控制。

N溝道MOS管Q7與電阻R2、電阻R3、開關二極管D1、電阻R4、電阻R5、開關二極管D4按照如圖4示意進行連接，通過N溝道MOS管Q7漏極與柵極之間的互補控制信號，實現對功率MOS管Q3與功率MOS管Q4所組成半橋電路的互補開關控制；N溝道MOS管Q8與電阻R6、電阻R7、開關二極管D5、電阻R8、電阻R9、開關二極管D8按照如圖4示意進行連接，通過N溝道MOS管Q8漏極與柵極之間的互補控制信號，實現對功率MOS管Q5與功率MOS管Q6所組成半橋電路的互補開關控制。

Dir信號控制端通過N溝道MOS管Q9漏極與柵極之間的互補控制信號，實現對N溝道MOS管Q7與N溝道MOS管Q8的互補開關控制，進而實現對4個N溝道的VMOS管（如圖4中Q3、Q4、Q5、Q6）所構成H橋電路的互補開關控制，進而控制半導體溫控模塊電流流動方向，實現對TEC模塊制冷、加熱驅動控制。

3.3 監控保護模塊設計

監控保護模塊如圖3所述，包括電流監測電路、電壓監測電路、溫度監測電路、觸發電路、關斷保護電路。其中電流監測電路與電流取樣電阻R1兩端電氣連接，實現對半導體溫控模塊工作電流的監測，并通過與觸發電路電氣連接，實現對半導體溫控模塊工作電流異常情況的觸發功能；電壓監測電路與電流取樣電阻R1下端電氣連接，實現對半導體溫控模塊工作電壓的監測，并通過與觸發電路電氣連接，實現對半導體溫控模塊工作電壓異常情況的觸發功能；溫度監測電路與半導體溫控模塊內部溫度傳感器電氣連接，實現對半導體溫控模塊工作溫度的監測，并通過與觸發電路電氣連接，實現對半導體溫控模塊工作溫度異常情況的觸發功能。

圖3：功率驅動裝置原理框圖

觸發電路與電流監測電路、電壓監測電路、溫度監測電路、關斷保護電路均電氣連接，通過對半導體溫控模塊電流、電壓、溫度異常值監測，經由觸發電路將觸發信號傳遞給關斷保護電路；關斷保護電路與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，通過關斷保護電路控制H橋的四個功率MOS管柵極，使其在半導體溫控模塊工作電流、電壓或溫度值異常情況下迅速關斷H橋的四個功率MOS管，從而實現功率驅動裝置的實時保護功能。

4 關鍵元器件參數計算與分析

功率驅動裝置中電流大小控制模塊是依據BUCK電路原理進行設計的，其主要特點是工作效率高，控制簡單，可靠性好。電路輸出端電感和電容構成低通濾波器，對其輸出電壓具有濾波作用，可以濾除跟開關頻率相關的高次諧波，因此，功率電感和濾波電容參數設計直接關系到電路輸出電壓及電流的紋波大小。合理選擇器件參數，減小輸出脈動，是電流大小控制模塊設計的關鍵。

4.1 功率電感的參數計算及分析

依據圖2所示的電路原理圖，當開關S閉合時，應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，當開關S閉合時，電感電流iL線性增加，斜率為

圖4：電流方向轉換模塊電路原理圖

當開關S斷開時，同理可得有下式成立：

即

所以，當開關S斷開時，電感電流iL線性減少，斜率為

因而，當電感電流處于臨界狀態時，

式中ton為開關S閉合時間

整理可得

式中，f為開關頻率，D為占空比。

在實際電路設計中，當電感取值過小時，對電流平波作用過弱，可能使得電感電流斷續。 因此，為了保證電感電流連續，實際電感L 取值應大于臨界電感最大值。

即

式中Dmax為最大占空比，

根據所設計電流大小控制模塊相關參數可知，開關頻率f即為半橋接柵極驅動器LM5105輸入端PWM波頻率。因為開關頻率f對BUCK電路變換效率影響非常大，如果f值太高，可以時電感和濾波電容的體積減小，但是電感的渦流損耗、磁滯損耗已經開關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變得太大，相應電感線圈匝數增多，其銅損耗加大，整體電路也會變得笨重。綜合考慮各種因素，并依據LM5105芯片數據手冊相關參數，設定其輸入端PWM波頻率為200kHz，即f = 200kHz。模塊設定輸入電壓固定為24V，輸出最大電壓設計為18V，由此得出Dmax=0.75。

輸出紋波電流的典型值是在電路滿載是的直流電流分量的10%～20%。紋波電流值不希望太大，否則會增大流過電感和開關MOS管的電流峰值，造成功率損耗增加等問題。綜合考慮各種因素，設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，實際選取電感值為33uH。

4.2 濾波電容的參數計算及分析

依據圖2所示的電路原理圖，濾波電容C主要是濾掉開關電路紋波，選擇電容C值足夠大時，在高開關頻率下，濾波電容C阻抗值遠遠小于負載R阻抗，故絕大部分的電感L紋波電流流經濾波電容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，電容值偏大可以保證輸出電壓恒定，但電容值過大會導致體積和成本更大，實際中根據容許的輸出電壓紋波來確定電容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電解電容并聯，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 結束語

所設計的TEC模塊功率驅動裝置，采用改進型同步BUCK電路能夠實現對驅動電流大小的精確控制，通過H橋與邏輯控制電路相結合，實現功率驅動電流方向單端控制，提高了功率驅動裝置在過溫、過流、過壓等故障下的可控性，并通過監控保護模塊有效保障半導體溫控系統高效、可靠運行。本驅動裝置能夠為TEC模塊提供驅動功率范圍寬、驅動電流精確可調的驅動與控制，廣泛應用于采用半導體溫控系統的相關科學儀器或設備中，能夠大幅降低儀器或設備的故障率，更加安全、可靠地保障儀器或設備的功能實現和穩定運行，具有較大市場價值。目前，基于改進型BUCK電路的功率驅動裝置已經成功應用到了PCR儀和遺傳分析儀等產品中，在可靠地保障了儀器功能實現和穩定運行條件下，大幅降低了儀器的故障率，從而有效降低了儀器后期維護成本。