CN105099420B - 功率控制用驱动电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种可使被控功率控制器件（MOSFET或IGBT）的开通和关断时间较短，驱动电流足够大的功率控制用驱动电路。其包括：驱动电路前级，用于根据外部送入的PWM信号或逻辑信号控制其电压输出端的输出电压；N‑MOSFET，其栅极接驱动电路前级的电压输出端；该N‑MOSFET的栅极与源极之间设有第一电阻,N‑MOSFET的漏极接驱动电源；P‑MOSFET，其栅极接驱动集成电路的电压输出端；N‑MOSFET的源极与P‑MOSFET的源极之间设有第二电阻；被控功率控制器件，其栅极串接第三电阻后接P‑MOSFET的源极,被控功率控制器件的源极接P‑MOSFET的漏极。

Description

功率控制用驱动电路
技术领域
本发明涉及一种功率控制用驱动电路，尤其是功率控制设备的功率控制器件(MOSFET和IGBT等)的驱动电路。该驱动电路可以输出幅度较大、上升沿和下降沿较短的峰值电流。该驱动电路可应用于使用MOSFET、IGBT进行电机控制、电源变换和电源管理等功率控制领域。
背景技术
现有技术中，在开启MOSFET或IGBT等被控功率控制器件时，驱动电路必需能在短时间内向被控功率控制器件MOSFET或IGBT的栅极注入大电流，关闭被控功率控制器件MOSFET或IGBT时，驱动电路必需能在短时间内由被控功率控制器件MOSFET或IGBT的栅极引出大电流。或者说，加到被控功率控制器件MOSFET或IGBT的栅极的驱动电流脉冲幅度要足够大，上升沿时间和下降沿时间要足够短。为此，一般用MOSFET构造被控功率控制器件的驱动电流输出部分，常用的电路（包括专用MOSFET或IGBT的驱动电路前级）如图1（A）至（D）。
图1中，Q1,Q2为驱动被控功率控制器件MOSFET或IGBT（即Q3）的MOSFET。R为驱动电阻，用以调节驱动电流和阻尼驱动回路振铃。脚3接驱动电源。记脚3的电位为V3；脚1和2分别是驱动Q1、Q2的控制信号。记脚1的电位为V1，记脚2的电位为V2；在桥式电路中，在Q3用于上桥时，4接到功率级的电源正，5是输出。在Q3用于下桥时，5接到功率级的电源负，4是输出。记脚4的电位为V4，脚5的电位为V5。Q3的栅极的电压记为VG3(也即栅极和源极的电位差),为使Q3深度饱和（MOSFET进入电阻区，而且导通电阻足够小）,必须有VG3=5V-15V,同样，Q1的栅极电压记为VG1,为使Q1深度饱和（MOSFET进入电阻区，而且导通电阻足够小）,必须有VG1=5V-15V,因此，附图1（A）N-NMOSFET组合和图1（D）N-PMOSFET组合，开通Q1的控制信号幅度必须达到VG1+VG=20V-30V。显然电路处理比较复杂，所以这两种电路很少使用。
对于图1(B)P-NMOSFET组合，当V1=V5时,Q1导通，开启Q3，当V2=V5时Q2导通，关闭Q3。为防止Q1、Q2同时导通，当V1=V5时必须有V2=V3,当V2=V5时必须有V1=V3，而且在Q1、Q2的开关转换过程中，必须保证先关后开，关与开之间要插入合适的时间间隔，这个时间间隔也叫死区保护。
对于图1(C)P-PMOSFET组合，当V1=V5时,Q1导通，开启Q3，当V2=V3时Q2导通，关闭Q3。为防止Q1、Q2同时导通，当V1=V5时必须有V2=V5,当V2=V3时必须有V1=V3，而且在Q1、Q2的开关转换过程中，必须保证先关后开，关与开之间要插入合适的时间间隔，这个时间间隔也叫死区保护。
由此可见图1(B)P-NMOSFET组合和图1(C)P-PMOSFET组合的控制信号处理电路比较复杂，特别在是死区保护时间内，被控功率控制器件Q3的工作状态是不理想的。
发明内容
本发明首要解决的技术问题是提供一种可以输出幅度较大、上升沿和下降沿较短的峰值电流（即被控功率控制器件的开通和关断时间较短）的功率控制用驱动电路。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种功率控制用驱动电路，其包括：驱动电路前级，用于根据外部送入的PWM信号或逻辑信号控制其电压输出端的输出电压；N-MOSFET（Q1），其栅极（G）接所述驱动电路前级的电压输出端；该N-MOSFET（Q1）的栅极（G）与源极（S）之间设有第一电阻（R1）,N-MOSFET（Q1）的漏极（D）接驱动电源；P-MOSFET（Q2），其栅极（G）接所述驱动电路前级的电压输出端；所述N-MOSFET（Q1）的源极（S）与P-MOSFET（Q2）的源极（S）之间设有第二电阻（R2）；被控功率控制器件（Q3），其栅极（G）串接第三电阻（R3）后接所述P-MOSFET（Q2）的源极（S）,所述被控功率控制器件（Q3）的源极（S）接所述P-MOSFET（Q2）的漏极（D）。
所述驱动电路前级采用驱动集成电路或分列器件构成。
作为一种优选的方案，所述第一电阻（R1）的阻值小于1KΩ,第二电阻（R2）和第三电阻（R3）的阻值小于100Ω。
作为一种优选的方案，所述驱动电路前级的电压输出端能输出的电压为10-15V,且输出电流和吸收电流的峰值不小于200mA。
作为一种优选的方案，所述被控功率控制器件（Q3）为MOSFET或IGBT。
上述功率控制用驱动电路的工作方法，其包括：
当所述PWM信号或逻辑信号有效时，所述驱动电路前级的电压输出端的输出电压VOUT=10-15V,该电压经第一、第二和第三电阻（R1、R2、R3）加到被控功率控制器件（Q3）的栅极，并形成电流输出电流（I1）；该电压还直接加到N-MOSFET（Q1）的栅极，使N-MOSFET（Q1）导通并很快深度饱和，进而使被控功率控制器件（Q3）的栅极电压很快上升；随着被控功率控制器件（Q3）的栅极电压上升，所述输出电流（I1）逐渐减小，直至所述第一电阻（R1）两端的电压小于所述N-MOSFET（Q1）的门槛电压时，N-MOSFET（Q1）退出导通，被控功率控制器件（Q3）的栅极电压由所述驱动电路前级保持，维持被控功率控制器件（Q3）处在深度饱和区；当PWM信号或逻辑信号自有效变为无效时，所述电压输出端下降，使被控功率控制器件（Q3）的栅极经第一、第二和第三电阻（R1、R2、R3）向所述驱动电路前级的电压输出端输出灌电流（I2），并在第一、第二电阻（R1,R2）的阻值之和与输出灌电流（I2）的乘积大于P-MOSFET（Q2）的门槛电压时，使P-MOSFET（Q2）很快饱和导通，并使被控功率控制器件（Q3）的栅极电压很快下降，最终使Q2退出导通；被控功率控制器件（Q3）的栅极电压由驱动电路前级保持，由于驱动电路前级能吸收峰值不小于200mA的电流，因此能可靠维持被控功率控制器件（Q3）处在截止区。
作为一种变型的方案，所述驱动电路前级的电压输出端依次串接第四电阻（R4）、第五电阻（R5）和第一栅极电阻（RG1）后接N-MOSFET（Q1）的栅极（G）；所述第五电阻（R5）和第一栅极电阻（RG1）的接点串接所述第一电阻（R1）后接N-MOSFET（Q1）的源极（S）；第四电阻（R4）和第五电阻（R5）的接点串接第二栅极电阻（RG2）后接P-MOSFET（Q2）的栅极（G）。
作为另一种变型的方案，所述驱动电路前级的电压输出端依次串接第四电阻（R4）、第五电阻（R5）和第二栅极电阻（RG2）后接P-MOSFET（Q2）的栅极（G）；所述第四电阻（R4）和第五电阻（R5）的接点串接第一栅极电阻（RG1）后接N-MOSFET（Q1）的栅极（G）；所述第五电阻（R5）和第二栅极电阻（RG2）的接点串接第一电阻（R1）后接N-MOSFET（Q1）的源极（S）。
一种桥式功率控制电路，其包括：驱动电路前级，用于根据外部送入的一对PWM信号或逻辑信号分别控制其一对电压输出端的输出电压；该对电压输出端分别连接有结构相同的上、下桥驱动电路；所述上、下桥驱动电路包括：N-MOSFET（Q1），其栅极接所述驱动电路前级的一电压输出端；该N-MOSFET（Q1）的栅极（G）与原极（S）之间设有第一电阻（R1）,N-MOSFET（Q1）的漏极（D）接驱动电源；P-MOSFET（Q2），其栅极（G）接所述驱动电路前级的电压输出端；N-MOSFET（Q1）的原极（S）与P-MOSFET（Q2）的原极（S）之间设有第二电阻（R2）；被控功率控制器件（Q3），其栅极（G）串接第三电阻（R3）后接所述P-MOSFET（Q2）的原极（S）,所述被控功率控制器件（Q3）的原极（S）接所述P-MOSFET（Q2）的漏极（D）；上桥驱动电路中的被控功率控制器件的原极（S）接下桥驱动电路中的被控功率控制器件的漏极（D），下桥驱动电路中的被控功率控制器件的原极（S）接驱动电路前级的公共端（COM）。
相对于现有技术，本发明具有的技术效果是：（1）本发明中的功率控制用驱动电路，在稳态（指输出级的被控功率控制器件Q3已可靠饱和导通或截止），驱动N-MOSFET（Q1）和P-MOSFET（Q2）已经关闭。而现有电路是在PWM或逻辑信号有效变无效或无效变有效时，关闭的是还处在饱和状态的被控功率控制器件Q3，显然其关断时间和关断延时都要大于本发明。（2）本发明驱动N-MOSFET（Q1）和P-MOSFET（Q2）的控制信号不需要插入死区保护时间。（3）本发明用的驱动N-MOSFET（Q1）和P-MOSFET（Q2）只在状态转换（开或关输出级的被控功率控制器件Q3）时工作，可以输出幅度较大，上升沿和下降沿较短的峰值电流。（4）可改变第二电阻R2和第三电阻R3的阻值，调整输出级的被控功率控制器件Q3的开通和关断时间。（5）可以使用通用驱动电路构成被控功率控制器件Q3的驱动电路前级（如IRS2003,IRS2103,IRS2117,IRS2118,IRS2175等），也可以用分列器件构成所述驱动电路前级。
附图说明
为了清楚说明本发明的创新原理及其相比于现有产品的技术优势，下面借助于附图通过应用所述原理的非限制性实例说明可能的实施例。在图中：
图1（A）为现有技术中的N-N MOSFET组合；
图1（B）为现有技术中的P-P MOSFET组合；
图1（C）为现有技术中的P-N MOSFET组合；
图1（D）为现有技术中的N-P MOSFET组合；
图2为本发明的功率控制用驱动电路的电路原理图；
图3为本发明的第二种功率控制用驱动电路的电路原理图；
图4为本发明的第三种功率控制用驱动电路的电路原理图；
图5为采用驱动集成电路IRF2003(S)PbF构成所述驱动电路前级的典型应用电路图；其中，Q13和Q23分别为第一、第二被控功率控制器件；
图6为现有技术采用的分列器件构成的驱动电路前级的典型电路图；其中，Q16和Q26分别为第三、第四被控功率控制器件；该电路作为驱动电路前级，其开通和关断时间较长，驱动电流不够大；显然不能用在大功率控制设备中；
图7为采用驱动集成电路IRF2003(S)PbF的典型应用电路，并应用于本发明的功率控制用驱动电路后的电路图。其中，Q13和Q23分别为第一、第二被控功率控制器件；
图8为采用分列器件构（非集成电路器件，或谓常规器件）构成的驱动电路前级，并应用于本发明的功率控制用驱动电路后的电路图；其中，Q16和Q26分别为第三、第四被控功率控制器件。
具体实施方式
实施例1
如图2，本实施例的功率控制用驱动电路包括：由驱动集成电路U1构成的驱动电路前级，用于根据外部送入的PWM信号(或逻辑信号)控制其电压输出端OUT的输出电压；N-MOSFET（Q1），其栅极G接所述驱动集成电路的电压输出端OUT；该N-MOSFET（Q1）的栅极G与原极S之间设有第一电阻R1,N-MOSFET（Q1）的漏极D接驱动电源；P-MOSFET（Q2），其栅极G接所述驱动集成电路的电压输出端OUT；所述N-MOSFET（Q1）的源极S与P-MOSFET（Q2）的源极S之间设有第二电阻R2；被控功率控制器件Q3，其栅极G串接第三电阻R3后接所述P-MOSFET（Q2）的源极S,所述被控功率控制器件Q3的源极S接所述P-MOSFET（Q2）的漏极D。
所述被控功率控制器件Q3为MOSFET或IGBT。所述驱动集成电路U1为国际整流器公司(International Rectifier)的MOSFET驱动集成电路IRS2003(S)PbF。其电压输出端OUT能输出的电压为10-15V,且输出电流和吸收电流的峰值不小于200mA。
所述第一电阻R1的阻值为500Ω-1KΩ,第二电阻R2的阻值为10-50Ω,第三电阻R3的阻值小于10Ω。具体实施时，可通过改变第二电阻R2和第三电阻R3的阻值，调整输出级的被控功率控制器件Q3的开通和关断时间。
当所述PWM信号(或逻辑信号)有效时，所述驱动集成电路的电压输出端OUT的输出电压VOUT=10-15V,该电压经第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻R3加到被控功率控制器件Q3的栅极，并形成电流输出电流I1；该电压还直接加到N-MOSFET（Q1）的栅极，使N-MOSFET（Q1）导通并很快深度饱和，进而使被控功率控制器件Q3的栅极电压很快上升；随着被控功率控制器件Q3的栅极电压上升，所述输出电流I1逐渐减小，直至所述第一电阻R1两端的电压小于所述N-MOSFET（Q1）的门槛电压时，N-MOSFET（Q1）退出导通，被控功率控制器件Q3的栅极电压由所述驱动集成电路保持，维持被控功率控制器件Q3处在深度饱和区；
当PWM信号(或逻辑信号)自有效变为无效时，所述电压输出端OUT下降，使被控功率控制器件Q3的栅极经第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻R3向所述驱动集成电路的电压输出端OUT输出灌电流I2，并在第一电阻R1、第二电阻R2的阻值之和与输出灌电流I2的乘积大于P-MOSFET（Q2）的门槛电压时，使P-MOSFET（Q2）很快饱和导通，并使被控功率控制器件Q3的栅极电压很快下降，最终使P-MOSFET（Q2）退出导通；
被控功率控制器件Q3的栅极电压由驱动集成电路保持，由于驱动集成电路能吸收峰值不小于200mA的电流，因此能可靠维持被控功率控制器件Q3处在截止区。
实施例2
在实施例1的基础上，本实施例的功率控制用驱动电路存在如下变型：
如图3，所述驱动集成电路的电压输出端OUT依次串接第四电阻R4、第五电阻R5和第一栅极电阻RG1后接N-MOSFET（Q1）的栅极G；所述第五电阻R5和第一栅极电阻RG1的接点串接所述第一电阻R1后接N-MOSFET（Q1）的原极S；第四电阻R4和第五电阻R5的接点串接第二栅极电阻RG2后接P-MOSFET（Q2）的栅极G。
脚3接到驱动电源。在被控功率控制器件Q3用于上桥时，脚4接到功率级的电源正，脚5是输出。在被控功率控制器件Q3用于下桥时，脚5接到功率级的电源负，脚4是输出。
此外，图4的功率控制用驱动电路是实施例2的一种变型。
应用例1
应用实施例1所述的功率控制用驱动电路，构成一桥式功率控制电路。如图7，所述桥式功率控制电路包括：驱动集成电路U1，用于根据外部送入的一对PWM信号(或逻辑信号)HIN和LIN分别控制其一对电压输出端HO和LO的输出电压；该对电压输出端HO和LO分别连接有结构相同的上、下桥驱动电路。
所述上桥驱动电路包括：N-MOSFET（Q11），其栅极接所述驱动集成电路的第一电压输出端HO；该N-MOSFET（Q11）的栅极G与原极S之间设有第一电阻R11, 驱动集成电路U1的电源VCC经二极管D11接N-MOSFET（Q11）的漏极D；P-MOSFET（Q12）的栅极G接所述驱动集成电路的第二电压输出端LO；N-MOSFET（Q11）的原极S与P-MOSFET（Q12）的原极S之间设有电阻R12；被控功率控制器件Q13，其栅极G串接电阻R13后接所述P-MOSFET（Q12）的原极S,所述被控功率控制器件Q13的原极S接所述P-MOSFET（Q12）的漏极D；上桥驱动电路中的被控功率控制器件的原极S接下桥驱动电路中的被控功率控制器件的漏极D，下桥驱动电路中的被控功率控制器件的原极S接驱动集成电路U1的公共端COM。
U1为国际整流器公司(International Rectifier)的MOSFET驱动集成电路IRS2003(S)PbF。上、下桥驱动电路中的被控功率控制器件Q13和Q23组成桥式功率控制电路的输出级。
所述N-MOSFET（Q11）的导通电阻记为RDS(ON)Q11, N-MOSFET（Q21）的导通电阻记为RDS(ON)Q21。所述P-MOSFET（Q12）的导通电阻记为RDS(ON)Q12, P-MOSFET（Q22）的导通电阻记为RDS(ON)Q22。
(R12+R13+RDS(ON)Q11)=6Ω,(R22+R23+RDS(ON)Q21)=6Ω,
(R13+RDS(ON)Q12)=1Ω,(R23+RDS(ON)Q22)=1Ω。
当VCC=12V时，开启被控功率控制器件Q3（以采用MOSFET为例）时，改进后的电路能向被控功率控制器件Q3栅极注入的最大电流达到2A,关闭被控功率控制器件Q3时，改进后的电路能由被控功率控制器件Q3栅极吸收的最大电流达到12A。
应用本发明改进后的电路已应用在最大输出功率10KW的电机控制器中。
图5为所述MOSFET驱动集成电路IRS2003(S)PbF的典型应用电路，其中，开启MOSFET时，IRS2003(S)PbF向MOSFET（对应于本实施例的被控功率控制器件Q3）的栅极注入的最大电流为130mA,关闭MOSFET时，IRS2003(S)PbF由MOSFET栅极吸收的最大电流为270mA。显然不能用在大功率控制设备中。
实施例3
在实施例1的基础上，本实施例的驱动电路前级采用图8所示的分列器件构成，具体是采用图8中虚线左边的分列器件构成的驱动电路前级。
图8中，1,5脚接到驱动电源，一般为12V~15V。
2脚为上桥控制信号PWM(或逻辑信号)输入。
7脚为下桥控制信号PWM(或逻辑信号)输入。
6脚接到逻辑电源正极，一般为3.3V或5V。
8脚接到功率电源正极。
10脚接到功率电源负极。
9脚为功率输出。
D11和C11构成自举升压电路，提供上桥驱动电源。
分列器件构成的MOSFET或IGBT的驱动电路前级，或采用MOSFET和IGBT专用集成电路作为驱动电路前级，应用本发明改进后，驱动电流足够大，开通和关断时间较短，而且驱动电流幅值和开通关断时间可方便调整。对应用MOSFET和IGBT的功率控制设备，改进性能和提高可靠性有积极作用。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (1)

1.一种功率控制用驱动电路，其特征在于包括：
驱动电路前级，用于根据外部送入的PWM信号控制其电压输出端的输出电压；
N-MOSFET（Q1），其栅极（G）接所述驱动电路前级的电压输出端；该N-MOSFET（Q1）的栅极（G）与源极（S）之间设有第一电阻（R1），N-MOSFET（Q1）的漏极（D）接驱动电源；
P-MOSFET（Q2），其栅极（G）接所述驱动电路前级的电压输出端；所述N-MOSFET（Q1）的源极（S）与P-MOSFET（Q2）的源极（S）之间设有第二电阻（R2）；
被控功率控制器件（Q3），其栅极（G）串接第三电阻（R3）后接所述P-MOSFET（Q2）的源极（S），所述被控功率控制器件（Q3）的源极（S）接所述P-MOSFET（Q2）的漏极（D）；
所述驱动电路前级的电压输出端能输出的电压为5V-15V，且输出电流和吸收电流的峰值不小于50mA；
所述被控功率控制器件为MOSFET。
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