CN105391276B - 高温碳化硅mosfet驱动电路 - Google Patents

高温碳化硅mosfet驱动电路 Download PDF

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Abstract

高温碳化硅MOSFET驱动电路，属于高温电力电子领域，本发明为解决作为信号发生源的耐高温芯片的最大供电电压一般小于18V，则其输出的PWM信号的高电平也小于18V，不满足驱动信号的高电平应为18V的问题。本发明以耐高温200℃的NPN三极管2N2222、PNP三极管2N2907、稳压芯片TPS76901、1N53XX系列稳压管、定时器芯片CHT‑555为基础，设计出一个耐高温200℃的碳化硅MOSFET驱动电路，该驱动电路能够将CHT‑555定时器产生的0‑5V方波信号放大成低电平为‑5V、高电平为18V的碳化硅MOSFET驱动信号，放大后的驱动信号的上升时间和下降时间均小于80ns。

Description

高温碳化硅MOSFET驱动电路
技术领域
本发明涉及一种驱动电路，属于高温电力电子领域。
背景技术
在高温电力电子领域，碳化硅MOSFET以显著的耐高温特性得到了广泛的应用。由于材料特性的不同，碳化硅MOSFET的驱动与传统的硅器件驱动存在着差异。若要保证碳化硅MOSFET的通态电阻最小，需要使碳化硅MOSFET的栅源极电压高于18V，由于高温下碳化硅MOSFET的阈值电压减小，漏电流增大，要保证其可靠关断必须为其提供一个至少为-5V的栅源极电压，因此驱动信号应为高电平为18V、低电平为-5V的PWM信号。但是，作为信号发生源的耐高温芯片的最大供电电压一般小于18V，则其输出的PWM信号的高电平也小于18V，因此需要一个耐高温驱动电路可以将信号发生源产生的PWM信号放大成高电平为18V、低电平为-5V的碳化硅MOSFET驱动信号，并且需要保证信号的上升沿和下降沿足够陡，以缩短开通、关断时间，减小开通、关断损耗。
发明内容
本发明目的是为了解决作为信号发生源的耐高温芯片的最大供电电压一般小于18V，则其输出的PWM信号的高电平也小于18V，不满足驱动信号的高电平应为18V的问题，提供一种高温碳化硅MOSFET驱动电路，本发明的高温碳化硅MOSFET驱动电路，以耐高温200℃的NPN三极管2N2222、PNP三极管2N2907、稳压芯片TPS76901、1N53XX系列稳压管、定时器芯片CHT-555为基础，设计出一个耐高温200℃的碳化硅MOSFET驱动电路，该驱动电路能够将CHT-555定时器产生的0-5V方波信号放大成低电平为-5V、高电平为18V的碳化硅MOSFET驱动信号，放大后的驱动信号的上升时间和下降时间均小于80ns。
本发明所述高温碳化硅MOSFET驱动电路，它包括CHT-555定时器、TPS76901稳压芯片T1、TPS76901稳压芯片T2、稳压管D1、稳压管D2、稳压管D3、稳压管D4、稳压管D5、稳压管D6、PNP三极管P1、PNP三极管P2、PNP三极管P3、PNP三极管P4、PNP三极管P5、PNP三极管P6、NPN三极管N1、NPN三极管N2、NPN三极管N3、NPN三极管N4、NPN三极管N5、NPN三极管N6、NPN三极管N7、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4和电容C5；
稳压管D1～D6串联接在一起，稳压管D1的阴极连接电压输入端；稳压管D6的阳极连接信号地；
稳压管D1和稳压管D2的公共节点同时连接电阻R1的一端、PNP三极管P2的发射极和NPN三极管N1的集电极；电阻R1的另一端同时连接PNP三极管P2的基极和电阻R14的一端；PNP三极管P2的集电极同时连接PNP三极管P3的发射极、NPN三极管N1的基极和PNP三极管P1的基极；PNP三极管P3的基极连接电阻R16的一端；NPN三极管N1的发射极和PNP三极管P1的发射极连接在一起，且二者公共节点作为驱动信号输出端连接MOSFET管M1的栅极；MOSFET管M1的源极同时连接电源地、稳压管D2的阳极和稳压管D3的阴极；MOSFET管M1的漏极接电压输入端；
TPS76901稳压器T1的引脚1同时连接稳压管D3的阳极、稳压管D4的阴极、PNP三极管P1的集电极、PNP三极管P3的集电极、PNP三极管P4的发射极、PNP三极管P5的发射极和电阻R10的一端；TPS76901稳压器T1的引脚2、引脚3同时连接稳压管D4的阳极、稳压管D5的阴极和电阻R3的一端；TPS76901稳压器T1的引脚4同时连接电阻R3的另一端和电阻R2的一端；TPS76901稳压器T1的引脚5连接NPN三极管N2的基极，NPN三极管N2的发射极同时连接电阻R2的另一端和PNP三极管P4的集电极，NPN三极管N2的集电极同时连接PNP三极管P4的基极和PNP三极管P5的基极，PNP三极管P5的集电极连接电阻R11的一端；
TPS76901稳压器T2的引脚1同时连接稳压管D5的阳极、稳压管D6的阴极、NPN三极管N5的集电极、NPN三极管N7的基极、电阻R13的一端和电容C5的一端；TPS76901稳压器T2的引脚4同时连接电阻R4的一端和电阻R5的一端；TPS76901稳压器T2的引脚5同时连接电阻R4的另一端、CHT-555定时器的8脚和4脚；TPS76901稳压器T2的引脚2、引脚3同时连接电阻R5的另一端、CHT-555定时器的引脚1、电容C1的一端、PNP三极管P6的集电极、电阻R8的一端、电容C4的一端、电阻R9的一端和电阻R15的一端，并连接信号地；CHT-555定时器的引脚6同时连接引脚2、电阻R6的一端和电容C1的另一端，CHT-555定时器的引脚3同时连接电阻R6的另一端、NPN三极管N5的基极和PNP三极管P6的基极；
NPN三极管N5的发射极同时连接PNP三极管P6的发射极、电容C2的一端和电容C3的一端；电容C2的另一端同时连接电阻R7的一端和电阻R8的另一端；电阻R7的另一端连接NPN三极管N3的发射极，NPN三极管N3的集电极同时连接电阻R10的另一端和NPN三极管N6的基极；NPN三极管N3的基极同时连接NPN三极管N4的基极、电容C4的另一端和电阻R12的一端，NPN三极管N4的集电极同时连接电阻R11的另一端和电阻R12的另一端；NPN三极管N4的发射极连接电阻R9的另一端；
NPN三极管N6的集电极连接电阻R14的另一端；NPN三极管N6的发射极同时连接电阻R13的另一端和电容C5的另一端；
NPN三极管N7的集电极连接电阻R16的另一端，NPN三极管N7的发射极同时连接电容C3的另一端和电阻R15的另一端。
本发明的优点：采用本发明在200℃时产生的碳化硅MOSFET驱动信号波形如附图2所示，是高电平为18V，低电平为-5V；上升时间为46ns，下降时间为76ns的周期性方波信号。可以看到高温环境下碳化硅MOSFET开通时需要18V驱动电压、关断时需要-5V电压的要求是可以通过本发明解决的，同时本发明所产生的驱动信号也可以保证高低电平转换时间分别小于80ns。
附图说明
图1是本发明所述高温碳化硅MOSFET驱动电路的具体电路图；
图2是200℃环境温度下碳化硅MOSFET驱动电路产生的驱动信号波形图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述高温碳化硅MOSFET驱动电路，它包括CHT-555定时器、TPS76901稳压芯片T1、TPS76901稳压芯片T2、稳压管D1、稳压管D2、稳压管D3、稳压管D4、稳压管D5、稳压管D6、PNP三极管P1、PNP三极管P2、PNP三极管P3、PNP三极管P4、PNP三极管P5、PNP三极管P6、NPN三极管N1、NPN三极管N2、NPN三极管N3、NPN三极管N4、NPN三极管N5、NPN三极管N6、NPN三极管N7、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4和电容C5；
稳压管D1～D6串联接在一起，稳压管D1的阴极连接电压输入端；稳压管D6的阳极连接信号地；
稳压管D1和稳压管D2的公共节点同时连接电阻R1的一端、PNP三极管P2的发射极和NPN三极管N1的集电极；电阻R1的另一端同时连接PNP三极管P2的基极和电阻R14的一端；PNP三极管P2的集电极同时连接PNP三极管P3的发射极、NPN三极管N1的基极和PNP三极管P1的基极；PNP三极管P3的基极连接电阻R16的一端；NPN三极管N1的发射极和PNP三极管P1的发射极连接在一起，且二者公共节点作为驱动信号输出端连接MOSFET管M1的栅极；MOSFET管M1的源极同时连接电源地、稳压管D2的阳极和稳压管D3的阴极；MOSFET管M1的漏极接电压输入端；
TPS76901稳压器T1的引脚1同时连接稳压管D3的阳极、稳压管D4的阴极、PNP三极管P1的集电极、PNP三极管P3的集电极、PNP三极管P4的发射极、PNP三极管P5的发射极和电阻R10的一端；TPS76901稳压器T1的引脚2、引脚3同时连接稳压管D4的阳极、稳压管D5的阴极和电阻R3的一端；TPS76901稳压器T1的引脚4同时连接电阻R3的另一端和电阻R2的一端；TPS76901稳压器T1的引脚5连接NPN三极管N2的基极，NPN三极管N2的发射极同时连接电阻R2的另一端和PNP三极管P4的集电极，NPN三极管N2的集电极同时连接PNP三极管P4的基极和PNP三极管P5的基极，PNP三极管P5的集电极连接电阻R11的一端；
TPS76901稳压器T2的引脚1同时连接稳压管D5的阳极、稳压管D6的阴极、NPN三极管N5的集电极、NPN三极管N7的基极、电阻R13的一端和电容C5的一端；TPS76901稳压器T2的引脚4同时连接电阻R4的一端和电阻R5的一端；TPS76901稳压器T2的引脚5同时连接电阻R4的另一端、CHT-555定时器的8脚和4脚；TPS76901稳压器T2的引脚2、引脚3同时连接电阻R5的另一端、CHT-555定时器的引脚1、电容C1的一端、PNP三极管P6的集电极、电阻R8的一端、电容C4的一端、电阻R9的一端和电阻R15的一端，并连接信号地；CHT-555定时器的引脚6同时连接引脚2、电阻R6的一端和电容C1的另一端，CHT-555定时器的引脚3同时连接电阻R6的另一端、NPN三极管N5的基极和PNP三极管P6的基极；
NPN三极管N5的发射极同时连接PNP三极管P6的发射极、电容C2的一端和电容C3的一端；电容C2的另一端同时连接电阻R7的一端和电阻R8的另一端；电阻R7的另一端连接NPN三极管N3的发射极，NPN三极管N3的集电极同时连接电阻R10的另一端和NPN三极管N6的基极；NPN三极管N3的基极同时连接NPN三极管N4的基极、电容C4的另一端和电阻R12的一端，NPN三极管N4的集电极同时连接电阻R11的另一端和电阻R12的另一端；NPN三极管N4的发射极连接电阻R9的另一端；
NPN三极管N6的集电极连接电阻R14的另一端；NPN三极管N6的发射极同时连接电阻R13的另一端和电容C5的另一端；
NPN三极管N7的集电极连接电阻R16的另一端，NPN三极管N7的发射极同时连接电容C3的另一端和电阻R15的另一端。
稳压管D1是30V稳压管，稳压管D2是18V稳压管，稳压管D3是5.1V稳压管，稳压管D4～D6都是5.6V稳压管。
工作原理：
图1为本实施方式的具体电路图，PNP三极管P4和P5组成PNP恒流源电路，则P4的集电极电流I1和P5的集电极电流I2相等。T1的引脚4作为反馈引脚，保持R3两端电压为1.16V，则P4的集电极电流I1等于1.16/R3。NPN三极管N3和N4组成NPN恒流源电路，则N3的集电极电流I3与N4的集电极电流I2相等。
CHT-555定时器产生周期性方波信号，方波信号经NPN三极管N5、PNP三极管P6组成的推挽电路输入到由电容C2、C4，电阻R7、R8、R10与NPN三极管N3组成的共基极放大电路，该放大电路由电流I3为其提供稳定的直流偏置，共基极放大电路的放大倍数约为R10/R7。
放大后的电压信号输入到由电容C5，电阻R1、R13、R14与NPN三极管N6组成的共射极放大电路，共射极放大电路对输入信号进行反向放大，放大后的信号用于驱动PNP三极管P2。
CHT-555产生的方波信号经推挽输出后控制NPN三极管N7的射极电压，由于N7的基极接稳压管D6的阴极，因此N7射极电压的变化引起N7集电极电流的变化，而N7集电极电流的变化控制PNP三极管P3的开通和关断。P2集电极和P3的射极相连接经NPN三极管N1和PNP三极管P1组成的推挽电路控制M1的栅极电压，M1是待驱动的碳化硅MOSFET，M1的源极接电源地。
当CHT-555经推挽输出的周期性方波信号为高电平时，共基极放大电路输出放大后的高电平，放大后的高电平使N6开通，N6的集电极电流流过R1，使P2的基极和射极之间产生压差，P2开通，同时CHT-555经推挽输出的高电平导致N7的基极和源极之间电压减小，N7截止，P3截止，P2经推挽电路为M1的栅、源极电容正向充电，使栅、源极电压达到18V；当CHT-555定时器经推挽输出的周期性方波信号为低电平时，共基极放大电路输出放大后的低电平，放大后的低电平使N6截止，N6的集电极电流为零，使P2的基极和射极之间电压相等，P2截止，同时CHT-555经推挽输出的低电平导致N7的基极和源极之间电压增大，N7导通，P3导通，P3经推挽电路对M1的栅源极电容反向充电，使栅源极电压达到-5V。因此，该驱动电路可以为M1提供低电平为-5V、高电平为18V的驱动信号。

Claims (2)

1.高温碳化硅MOSFET驱动电路，其特征在于，它包括CHT-555定时器、TPS76901稳压芯片T1、TPS76901稳压芯片T2、稳压管D1、稳压管D2、稳压管D3、稳压管D4、稳压管D5、稳压管D6、PNP三极管P1、PNP三极管P2、PNP三极管P3、PNP三极管P4、PNP三极管P5、PNP三极管P6、NPN三极管N1、NPN三极管N2、NPN三极管N3、NPN三极管N4、NPN三极管N5、NPN三极管N6、NPN三极管N7、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4和电容C5；
稳压管D1～D6串联接在一起，稳压管D1的阴极连接电压输入端；稳压管D6的阳极连接信号地；
稳压管D1和稳压管D2的公共节点同时连接电阻R1的一端、PNP三极管P2的发射极和NPN三极管N1的集电极；电阻R1的另一端同时连接PNP三极管P2的基极和电阻R14的一端；PNP三极管P2的集电极同时连接PNP三极管P3的发射极、NPN三极管N1的基极和PNP三极管P1的基极；PNP三极管P3的基极连接电阻R16的一端；NPN三极管N1的发射极和PNP三极管P1的发射极连接在一起，且二者公共节点作为驱动信号输出端连接MOSFET管M1的栅极；MOSFET管M1的源极同时连接电源地、稳压管D2的阳极和稳压管D3的阴极；MOSFET管M1的漏极接电压输入端；
TPS76901稳压器T1的引脚1同时连接稳压管D3的阳极、稳压管D4的阴极、PNP三极管P1的集电极、PNP三极管P3的集电极、PNP三极管P4的发射极、PNP三极管P5的发射极和电阻R10的一端；TPS76901稳压器T1的引脚2、引脚3同时连接稳压管D4的阳极、稳压管D5的阴极和电阻R3的一端；TPS76901稳压器T1的引脚4同时连接电阻R3的另一端和电阻R2的一端；TPS76901稳压器T1的引脚5连接NPN三极管N2的基极，NPN三极管N2的发射极同时连接电阻R2的另一端和PNP三极管P4的集电极，NPN三极管N2的集电极同时连接PNP三极管P4的基极和PNP三极管P5的基极，PNP三极管P5的集电极连接电阻R11的一端；
TPS76901稳压器T2的引脚1同时连接稳压管D5的阳极、稳压管D6的阴极、NPN三极管N5的集电极、NPN三极管N7的基极、电阻R13的一端和电容C5的一端；TPS76901稳压器T2的引脚4同时连接电阻R4的一端和电阻R5的一端；TPS76901稳压器T2的引脚5同时连接电阻R4的另一端、CHT-555定时器的8脚和4脚；TPS76901稳压器T2的引脚2、引脚3同时连接电阻R5的另一端、CHT-555定时器的引脚1、电容C1的一端、PNP三极管P6的集电极、电阻R8的一端、电容C4的一端、电阻R9的一端和电阻R15的一端，并连接信号地；CHT-555定时器的引脚6同时连接引脚2、电阻R6的一端和电容C1的另一端，CHT-555定时器的引脚3同时连接电阻R6的另一端、NPN三极管N5的基极和PNP三极管P6的基极；
NPN三极管N5的发射极同时连接PNP三极管P6的发射极、电容C2的一端和电容C3的一端；电容C2的另一端同时连接电阻R7的一端和电阻R8的另一端；电阻R7的另一端连接NPN三极管N3的发射极，NPN三极管N3的集电极同时连接电阻R10的另一端和NPN三极管N6的基极；NPN三极管N3的基极同时连接NPN三极管N4的基极、电容C4的另一端和电阻R12的一端，NPN三极管N4的集电极同时连接电阻R11的另一端和电阻R12的另一端；NPN三极管N4的发射极连接电阻R9的另一端；
NPN三极管N6的集电极连接电阻R14的另一端；NPN三极管N6的发射极同时连接电阻R13的另一端和电容C5的另一端；
NPN三极管N7的集电极连接电阻R16的另一端，NPN三极管N7的发射极同时连接电容C3的另一端和电阻R15的另一端。
2.根据权利要求1所述高温碳化硅MOSFET驱动电路，其特征在于，稳压管D1是30V稳压管，稳压管D2是18V稳压管，稳压管D3是5.1V稳压管，稳压管D4～D6都是5.6V稳压管。
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