CN102594101A

CN102594101A - 一种隔离型可快速关断的mosfet驱动电路

Info

Publication number: CN102594101A
Application number: CN2012100344325A
Authority: CN
Inventors: 廖志凌; 施卫东; 梅从立; 宋中奇; 刘国海
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2012-02-16
Filing date: 2012-02-16
Publication date: 2012-07-18

Abstract

本发明公开了一种隔离型可快速关断的MOSFET驱动电路，包括图腾柱输出电路、变压器T、负电压产生电路和MOSFET管，所述图腾柱输出电路的输出点经隔直电容C₁正极与变压器T原边同名端；变压器T副边同名端依次串联副边电容C₂、二极管D₄、电解电容C₃、电阻R₁、MOSFET管后接入变压器T副边非同名端；稳压二极管D₃连接于变压器T副边的两端；三极管T_r3的基极与副边电容C₂的正极相连，集电极与二极管D₄阴极相连，发射极与变压器T副边非同名端相连；二极管D₆反向并联在栅极输入电阻R₁的两端；稳压管D₅并联在电解电容C₃的两端；电阻R₂接在功率MOSFET管的栅极和源极之间。该电路适用于对驱动电路的抗干扰性要求高，需要快速关断和占空比变化范围较大的场合。

Description

一种隔离型可快速关断的MOSFET驱动电路

技术领域

本发明属于电力电子驱动应用技术领域，尤其涉及一种隔离型可快速关断的MOSFET驱动电路，该电路适用于对驱动电路抗干扰性强，需要快速关断且占空比变化范围较大的场合。

背景技术

目前，常用的功率变换器电路驱动芯片价格较高，在不同的特殊应用场合存在一定的局限性。功率MOSFET（金属氧化物半导体场效应管）属于电压型控制器件，只要栅极和源极之间施加的电压超过其阈值电压就会导通，由于MOSFET存在结电容，关断时其漏、源极两端电压的突然上升将会通过结电容在栅、源两端产生干扰电压。传统的磁耦合MOSFET驱动电路包括两个三极管、一个隔直电容、一个变压器、一个栅极输入电阻和一个稳压管，两个三极管组成图腾柱输出，经过隔直电容连接到变压器原边，变压器副边经过一个栅极输入电阻连接到MOSFET管的栅极，MOSFET管的栅极和源极之间接一个稳压二极管。传统的磁耦合驱动电路在某些情况下也起到升压的作用，且占空比变化时，驱动的关断能力不受影响，但是输出脉冲电压幅值会随着占空比的变化而变化，由于关断时不能提供负电压，所以电路抗干扰性也较差。并且，其输出脉冲电压幅值会随着占空比的变化而变化，当占空比较小时，负向电压小，正向电压较高，此时应使其幅值不超过MOSFET栅极的允许电压，当占空比大于0.5时，驱动电压正向电压小于其负向电压，此时应使其负电压值不超过MOSFET栅极的允许电压。所以传统的磁耦合驱动电路只适用于对抗干扰性要求不高，关断速度慢且占空比固定或变化不大的场合。

发明内容

本发明提供一种适用于对驱动电路抗干扰性要求较高、关断速度快、且占空比变化范围比较大的场合，带高频变压器隔离的可快速关断且抗干扰性强的磁耦合驱动电路。

本发明解的技术方案是：一种隔离型可快速关断的MOSFET驱动电路，包括图腾柱输出电路、高频隔离变压器T、负电压产生电路和MOSFET管，所述图腾柱输出电路由NPN型三极管Tr1和PNP型三极管Tr2组成，所述三极管Tr1反向并联二极管D1，所述三极管Tr2反向并联二极管D2；所述图腾柱输出电路的输出点与隔直电容C1正极相连，所述隔直电容C1正极连接所述高频隔离变压器T原边同名端；所述高频隔离变压器T副边同名端与副边电容C2负极相连，所述副边电容C2正极串联电阻R1后接入所述MOSFET管的栅极，所述MOSFET管的源极与所述高频隔离变压器T副边非同名端相连；稳压二极管D3阴极与副边电容C2的正极相连，阳极端与高频隔离变压器T副边非同名端相连；二极管D6反向并联在栅极输入电阻R1的两端；电阻R2接在功率MOSFET管的栅极和源极之间。

进一步，该驱动电路还包括一个串联在副边电容C2正极与电阻R1之间的负电压产生电路，所述负电压产生电路包括二极管D4、三极管Tr3、稳压管D5和电解电容C3；所述二极管D4的阳极与所述副边电容C2正极相连，所述二极管D4的阴极与所述电解电容C3的一端相连，所述电解电容C3的另一端与电阻R1连接；所述三极管Tr3的基极与所述副边电容C2的正极相连，集电极与所述二极管D4阴极相连，发射极与所述高频隔离变压器T副边非同名端相连；所述稳压管D5并联在所述电解电容C3的两端。

进一步，所述高频隔离变压器T的匝数比为1:1。

本发明的有益效果是：在电路中加入隔离变压器，将控制电路与主电路隔离，变压器通常为高频、高磁率的磁环或磁罐。两个三极管组成图腾柱输出，对输入电流起到放大作用。在组成图腾柱输出电路的两个三极管两端反并联两个二极管，感性负载时起到续流的作用。高频隔离变压器的原边接一个隔直电容，阻止直流分量通过，避免变压器直流磁化而饱和。在高频隔离变压器的副边接入一个副边电容，用来复现原边隔直电容的电压（当变压器的匝数比为1:1时）。副边电容和变压器副边非同名端之间接一稳压管，使得正向导通时间内输出正电压振荡尖峰限制在稳压二极管两端的电压值，反向导通时间内通过稳压管给副边电容充电。在副边电容正极端接防反二极管的阳极和PNP型三极管的基极，三极管用来为产生负电压提供通道，防反二极管和栅极输入电阻之间串联一电解电容，用来关断时提供负向电压，电解电容两端并联一个稳压二极管，使得电解电容两端电压稳定，MOSFET管的栅极和源极之间接一个电阻防止静电击穿，起到保护作用。栅极电阻两端并联一个反向二极管，给MOSFET管栅源极寄生输入电容提供低阻抗放电通道，加速输入电容放电，从而加速MOSFET管的关断。

该电路结构简单、成本低廉，只需要一路驱动电源，对驱动电路抗干扰性要求较高、需要快速关断且占空比变化范围比较大的场合具有很好的效果。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

图1是电路原理图；

图2是电路中主要工作波形；

图3是电路的开通工作模态；

图4是电路的关断工作模态。

图1、图3、图4中，T_r1为NPN型三极管，T_r2和T_r3为PNP型三极管，D₁和D₂为续流二极管，C₁为原边隔直电容，T为高频隔离变压器，C₂为副边电容，D₃和D₅为稳压二极管，D₄为防反二极管，R₁为栅极电阻，D₆为二极管，R₂为保护电阻，Q为功率MOSFET管。

图2中，D为占空比，T为开关周期，DT为导通时间，（(1-D)T为关断时间，V_g为输入PWM脉冲波形，V_D2为二极管D₂两端电压，即输入脉冲驱动电压，V_D3为稳压管D₃两端的电压，V_GS为功率MOSFET的栅极和源极之间的电压。

具体实施方式

图1中，NPN型三极管T_r1的集电极接正电源，发射极和PNP型三极管T_r2的发射极相连，组成图腾柱输出，用来功率放大，提高电路驱动能力，二极管D₁和二极管D₂分别和三极管T_r1和三极管T_r2并联，在感性负载时起到续流作用。隔直电容C₁正极性端与图腾柱输出点相连，负极性端与高频隔离变压器T原边同名端相连，阻止直流分量通过，避免变压器直流磁化而饱和。副边电容C₂负极性端与高频隔离变压器T副边同名端相连，正极性端与防反二极管D₄的阳极相连，用来复现原边隔直电容的电压。稳压二极管D₃阴极端与副边电容的正极端相连，阳极端与变压器副边非同名端相连，正向导通时间内使得输出正电压振荡尖峰限制在稳压二极管D₃两端的电压值，反向导通时间内通过稳压二极管D₃给副边电容C₂充电。二极管D4的阳极和三极管T_r3的基极一起接副边电容C₂的正极，电解电容C₃串联在防反二极管D₄和栅极输入电阻R₁之间，防反二极管D₄阴极接电解电容C₃正极，稳压管D₅并联在电解电容C₃的两端，三极管T_r3的集电极并接在二极管D₄阴极和电解电容C₃正端之间，集电极与副边公共接地端相连，三极管T_r3、二极管D₄、电解电容C₃和稳压管D₅在电路关断时给MOSFET管栅源极之间提供一个负向电压，提高抗干扰性能并且加速开关管的关断，保护电阻R₂接在功率MOSFET管Q的栅极和源极之间，因为功率MOSFET管Q的栅极和源极之间绝缘性能好，电容量又很小，很小的一点感应电荷就能引起很高的电压，通过保护电阻R₂可以放电，起到保护作用。二极管D₆反向并联在栅极输入电阻R₁的两端，给功率MOSFET管Q寄生输入电容提供低阻抗放电通道，加速寄生输入电容放电，从而进一步加速MOSFET管Q的关断。

图2为驱动电路中几个主要的波形，设PWM信号的占空比为D，开关周期为T，忽略开关转换过程中的死区时间，当一个开关的占空比为D，导通时间为DT，则另外一个开关管占空比为(1-D)，导通时间为(1-D)T，由于由三极管T_r3、二极管D₄、电容C₃和稳压管D₅组成的负电压产生电路的存在，使得功率MOSFET在关断时其栅极和源极之间的电压为负电压，如图2中V_GS所示。

为更直观的说明，下面在理想情况下对其进行具体分析，所述驱动电路主要有两种工作模态：

1.开通工作模态：

如图3所示，_g为输入PWM脉冲波形，当V_g为高电平时，三极管T_r1导通、三极管T_r2关断，由三极管T_r1和三极管T_r2组成的图腾柱中点电压为驱动电压V_cc，即图2中的V_D2，此时三极管T_r3的基极为高电平，所以三极管T_r3不导通，对电解电容C₃进行充电，此时功率MOSFET的栅极和源极之间的驱动电压为稳压管D₃的电压减去稳压管D₅两端的电压。

2.关断工作模态：

如图4所示，V_g为低电平时，三极管T_r1关断、三极管T_r2导通，此时三极管T_r3的基极为低电平，所以三极管T_r3导通，由于D₄的存在，使得电容C₃的正极通过三极管T_r3的发射极与集电极连接到功率MOSFET的源极，形成关断回路，此时功率MOSFET的栅极和源极之间的电压V_GS为负值，其大小接近于稳压二极管D₅两端的电压，所以加速了功率MOSFET的关断，同时提高了抗干扰性能，另外，二极管D₆为功率MOSFET管寄生输入电容提供低阻抗放电通道，加速寄生输入电容放电，从而进一步加速了功率MOSFET管的关断。

Claims

1.一种隔离型可快速关断的MOSFET驱动电路，包括图腾柱输出电路、高频隔离变压器T、负电压产生电路和MOSFET管，其特征在于：所述图腾柱输出电路由NPN型三极管T_r1和PNP型三极管T_r2组成，所述三极管T_r1反向并联二极管D₁，所述三极管T_r2反向并联二极管D₂；所述图腾柱输出电路的输出点与隔直电容C₁正极相连，所述隔直电容C₁正极连接所述高频隔离变压器T原边同名端；所述高频隔离变压器T副边同名端与副边电容C₂负极相连，所述副边电容C₂正极串联电阻R₁后接入所述MOSFET管的栅极，所述MOSFET管的源极与所述高频隔离变压器T副边非同名端相连；稳压二极管D₃阴极与副边电容C₂的正极相连，阳极端与高频隔离变压器T副边非同名端相连；二极管D₆反向并联在栅极输入电阻R₁的两端；电阻R₂接在功率MOSFET管的栅极和源极之间。

2.根据权利要求1所述的一种隔离型可快速关断的MOSFET驱动电路，其特征在于，还包括一个串联在副边电容C₂正极与电阻R₁之间的负电压产生电路，所述负电压产生电路包括二极管D₄、三极管T_r3、稳压管D₅和电解电容C₃；所述二极管D₄的阳极与所述副边电容C₂正极相连，所述二极管D₄的阴极与所述电解电容C₃的一端相连，所述电解电容C₃的另一端与电阻R₁连接；所述三极管T_r3的基极与所述副边电容C₂的正极相连，集电极与所述二极管D₄阴极相连，发射极与所述高频隔离变压器T副边非同名端相连；所述稳压管D₅并联在所述电解电容C₃的两端。

3.根据权利要求1所述的一种隔离型可快速关断的MOSFET驱动电路，其特征在于，所述高频隔离变压器T的匝数比为1:1。