一种H桥电路驱动TEC的设计

摘  要：通过设计了一种使用H桥来驱动半导体加热制冷片（TEC）的电路，其主要包含隔离电源、光耦和由分立元件构成的MOS管驱动电路。本电路中上臂MOS选用的是NMOS，PWM通过光耦驱动有着隔离电源的MOS管驱动电路。本电路能够在控制MOS温升不高的情况下，允许超过100kHz频率的PWM驱动MOS管，高频率的PWM能够降低TEC两端的电压纹波，让TEC工作更加稳定，延长TEC的使用寿命。

关键词：H桥;隔离电源;光耦驱动

中图分类号：TN702;TP273      文献标识码：A 文章编号：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

半导体加热制冷片（TEC）具有响应快、精度高、体积小、由电流方向决定热量传导方向等优点，广泛应用于小型高精度温控系统[1]。TEC的驱动有两种方法，一种是使用TEC专用集成电路，另外一种是使用分立元件搭建的电路。使用TEC专用集成电路时，虽然电路简单，但是有着很多局限性，比如电压小于5V、双向电流小于3A、单向电流小于6A等[2-5]。而使用分立元件电路时，虽然电路复杂，但是灵活性很高，可以根据实际的负载需要选择相应的电路和元件。H桥电路作为一种常用的功率驱动电路，非常适合用于TEC这种需要正负两种电流方向的场合。

1  电路结构与原理分析

1.1  H桥基本原理

H桥由4个功率开关元件组成，一般选择MOSFET作為开关元件。H桥的下臂MOSFET都是NMOS，而上臂MOSFET可以选择NMOS，也可以选择PMOS。但由于PMOS的一般性能比NMOS差，价格高，型号选择还少，所以上臂MOS选择NMOS更加合适，但是相应的上臂NMOS需要特别的驱动电路。

1.2  MOSFET选择

由于TEC的物理特性，为了能够长期稳定的工作，需要通过TEC的电流尽可能持续，电压纹波最好小于10%[6]。所以使用PWM驱动时，驱动频率尽可能高，最好在100kHz以上。高频率的PWM对于MOSFET的选择有着更多的要求，比如开启和关闭时间，开关损耗是一定要考虑的。选择栅极总电荷Qg尽可能小的MOSFET作为开关元件，才能满足高频应用的需求[7]。

1.3  下臂驱动电路

市面上大多数的MCU输出的高电平只能达到3.3V或者5V的电压，而大功率MOSFET的栅极电压通常需要超过10V，才能让导通电阻达到规格书里的理论值，低压驱动只会让MOSFET导通电阻上升，让更多的能量作为热量耗散出去，导致温度上升，直至热击穿，所以需要设计相应的MOSFET驱动电路。要满足MOSFET快速开关的需求，首选推挽电路。

如图1所示，当OUT1_4（H桥斜对角MOSFET的组选择信号）为高电平，PWM_4也为高时，U12C输出高电平，U11-6输出低电平，Q15截至，Q14导通，Q17截至，电源电压12V通过Q14和R55输出到下臂MOSFET（Q4）的栅极上面，让Q4导通;当PWM_4为低电平的时候，Q15导通，Q14截至，Q17导通，Q4栅极电荷通过Q17迅速泄放到地，让Q4截至;当OUT1_4为低电平的时候，Q4也是截至的。

1.4  升压电路

当H桥上臂MOS选择NMOS时，在上臂MOS的栅极产生高于电源电压，同时收到PWM控制的信号的方法在实际应用中有3种：

（1）自举电容：通过下臂MOS的快速开关给自举电容充电，从而产生高于电源的电压。但是这种电路有一个显著的缺点，即下臂MOS的PWM占空比不能达到极限0%或者100%，正常只能保持在5%～95%之间，否则没有振荡信号就无法给自举电容充电，使上臂MOSFET栅极没有足够的电压开启;

（2）电荷泵电路：通过555产生振荡信号给自举电容充电，这样就让下臂MOS的PWM占空比范围在0%～100%。但是当电源电压比较高的时候，有损坏555引脚的风险，而且工作时自举电容温度也会比较高，长时间高温工作影响元件寿命;

（3）隔离电源电路：使用一个小型隔离电源（例如B1212S-1W），隔离电源的负极连接到H桥的上臂和下臂NMOS之间，这样能够产生高于电源的电压。优点是电路工作稳定，MOSFET栅极驱动电压比较足，缺点是元器件成本会高一点。本文选择隔离电源方案。

1.5  上臂驱动电路

上臂MOSFET驱动除了需要隔离电源提供高于电源的电压，还需要光耦让MCU的PWM信号能够控制上臂MOS。具体驱动电路如图2所示。

原理：当OUT1_4（H桥斜对角MOSFET的组选择信号）为高电平，PWM_1也为高的时候，U14C输出高电平，通过高速光耦6N137S输出隔离的高电平，Q18导通，Q20导通，Q19截至，隔离电源电压12V通过Q20，R62，D21，R63输出到上臂MOSFET（Q1）的栅极上面，让Q1导通;当PWM_1为低電平的时候，Q18截至，Q20截至，Q19导通，Q1栅极上的电荷通过Q19迅速泄放到浮地，Q1截至;当OUT1_1为低电平的时候，Q1也是截至的。

需要注意的是，100kHz频率的PWM需要高速光耦才能满足上升沿和下降沿的时间需求。

2  实际测试结果

搭建好电路后进行实际测试，通过示波器测量，上臂NMOS的开启上升时间可以缩短到161纳秒，开关损耗非常小。在25度的测试环境中，MOSFET只需要一个TO-220的铝制通用散热片，温升不超过20度，使TEC能够长期稳定的工作。

3  结  论

经过实际测试证明，使用隔离电源、高速光耦、推挽电路等来驱动H桥，可以让MOSFET热耗散更小，效率更高，从而保障TEC的稳定工作和长期寿命。

参考文献：

[1] 高加林，郭微波.一种高效率TEC温度控制器的设计 [J].集成电路通讯，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] 阙秀福，陈伟，杨连乔，等.基于TEC的小型快速高精度恒温系统设计 [J].计算机测量与控制，2015，23（8）：2696-2698+2702.

[7] 李晓静，罗永革，佘建强，等.基于AMT直流电机的H桥驱动电路硬件研制 [J].湖北汽车工业学院学报，2007（1）：22-25.

作者简介：潘天泽（1986-），男，汉族，江苏盐城人，嵌入式工程师，助理工程师，学士学位，研究方向：高电压大电流高精度的恒温控制系统。