CN107425837A - 一种高压隔离型mosfet驱动电路 - Google Patents

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范霁康
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Abstract

本发明公开了一种高压隔离型MOSFET驱动电路。该电路包括基波产生单元，用于生成基波信号，载波产生单元用于生成载波信号，调制单元利用基波信号对载波信号进行调制，得到并输出已调信号，功率放大单元用于对已调信号进行功率放大，得到并输出大功率的已调信号，隔离变压单元的原边连接功率放大单元，用于对功率放大单元进行高压隔离以及传递大功率的已调信号，解调单元，其连接隔离变压单元的副边，用于对大功率的已调信号进行解调，得到并输出驱动电压信号，以驱动功率MOSFET管。本发明能够在高压下传输宽频信号。

Description

一种高压隔离型MOSFET驱动电路
技术领域
本发明涉及MOSFET驱动电路，尤其是一种高压隔离型MOSFET驱动电路。
背景技术
功率场效应晶体管(MOSFET)是一种多数载流子导电的单极型电压控制器件，因具有开关速度快、高频性能好、输入阻抗高、驱动功率等显著特点在功率开关电路中应用极为广泛。
在电子束加工、X射线检测等高压工业领域，为了使MOSFET安全可靠地工作，驱动电路要能够实现控制电路与功率电路之间的完全电隔离。此外，为了保证MOSFET工作频率的连续可调，还需要在驱动电路中实现较宽频率范围的PWM信号传输等问题。
在功率MOSFET驱动电路中，一般采用光耦芯片进行电压隔离。但是由于光耦芯片的最高工作电压只能达到几千伏，并且需要隔离电源为驱动级供电，存在传输延迟较大，传输速度较慢，对共模干扰信号的抑制能力不够等问题，因此在工作电压达到上万伏时，光耦芯片隔离方式不再适用。
在高压工作场合一般采用脉冲变压器实现驱动信号的隔离传输，脉冲变压器通过将PWM信号完整耦合到次级后直接驱动MOSFET。这种方法要求脉冲信号占空比小于50％，导通时间受到磁芯饱和特性的限制，频率也仅能在较小频率范围内变化，并且由于MOSFET存在较大的寄生电容，得到的驱动信号容易存在波形失真。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供了一种能够传输宽频信号的高压隔离型MOSFET驱动电路。该电路能够实现控制电路与功率电路高达十万伏的高压隔离，并且能够传输例如频率0-100kHz、占空比0-100％可调的PWM信号。
本发明提供的高压隔离型MOSFET驱动电路，其包括：
基波产生单元，其用于生成频率和占空比可调的基波信号；
载波产生单元，其用于生成载波信号，所述载波信号的频率高于所述基波信号的频率；
调制单元，其连接所述基波产生单元和载波产生单元，利用基波信号对载波信号进行调制，得到并输出已调信号；
功率放大单元，其连接所述调制单元，用于对已调信号进行功率放大，得到并输出大功率的已调信号；
隔离变压单元，其原边连接所述功率放大单元，用于对所述功率放大单元进行高压隔离，以及传递所述大功率的已调信号；
解调单元，其连接所述隔离变压单元的副边，用于对所述隔离变压单元传来的大功率的已调信号进行解调，得到并输出驱动电压信号；
功率MOSFET管，其栅极连接所述解调单元的正极输出端，用于接收所述驱动电压信号，其漏极连接第一电压，其源级连接所述解调单元的负极输出端和第二电压。
根据本发明的实施例，上述基波信号为PWM方波信号。
根据本发明的实施例，上述PWM方波信号的频率调节范围为0至100KHz，占空比的变化范围为0至100％。
根据本发明的实施例，上述载波信号为交流方波信号，其频率固定且大于1MHz。
根据本发明的实施例，上述调制单元采用二进制幅移键控方式进行调制。
根据本发明的实施例，上述已调信号为间断的交流方波信号。
根据本发明的实施例，上述解调单元采用非相干解调方式进行解调。
根据本发明的实施例，上述驱动电压信号的频率和占空比与所述基波信号的频率和占空比一致。
根据本发明的实施例，上述隔离变压单元为能够实现100kV的电压隔离的隔离变压器。
与现有技术相比，本发明的一个或多个实施例可以具有如下优点：
1)本发明采用隔离变压单元(隔离变压器)实现载波已调信号的传递以及高压功率电路与控制电路之间的电压隔离，能够实现高达例如100kV的电压隔离，从而解决了功率MOSFEET管在高电压工作条件下驱动信号宽频调节的问题。
2)本发明采用载波调制技术来传递PWM控制信号，其能够传递0-100kHz、占空比为0-100％的PWM方波信号，从而实现对功率MOSFET管的驱动。
3)本发明驱动电压信号的频率和占空比与PWM脉冲方波信号相同，因此可以通过调节PWM脉冲方波信号的频率和占空比改变驱动电压信号。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明一实施例提供的高压隔离型MOSFET驱动电路的组成示意图；
图2是本发明一实施例提供的高压隔离型MOSFET驱动电路中传输宽频信号的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图对本发明作进一步地详细说明。
需要说明的是，图1仅是MOSFET驱动电路中各模块单元的组成示意图。本发明在具体实施时，可以根据具体要求在此基础上进行添加、修改或替换(如下文所描述的实施例)，只要在本发明所述的技术范围内，都应在本发明的保护范围之内。
第一实施例
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，该驱动电路包括基波产生单元100，载波产生单元101、调制单元102、功率放大单元103、隔离变压单元104、解调单元105以及功率MOSFET管106。
为了更加清楚地阐述本实施例所提供的MOSFET驱动电路以及其工作过程，以下结合图2所示的传输宽频信号的高压隔离型MOSFET驱动电路工作原理图来对该驱动电路作进一步的说明。
基波产生单元100用于生成频率、占空比可调的基波信号。在此实施例中，所述基波信号为PWM方波信号S0。在本实施例中，PWM方波信号S0的频率调节范围为0-100kHz，占空比调节范围为0-100％，振幅为5V。
载波产生单元101用来生成载波信号。在此实施例中，所述载波信号是频率固定的交流方波信号S1，其频率比上述PWM方波信号的频率更高，通常大于1MHz。在本实施例中，交流方波信号S1的频率优选为1.5MHz，振幅为±5V。
调制单元102与基波产生单元100和载波产生单元101相连接。在调制单元102中，上述PWM方波信号S0作为基波信号，上述交流方波信号S1作为载波信号。调制单元优选采用二进制幅移键控(2ASK)方式利用上述基波信号S0对载波信号S1进行调制，得到已调信号S3。在本实施例中，已调信号S3为一个间断的交流方波信号，振幅为±5V，交流频率与上述交流方波信号S1保持一致，间断的频率和占空比与PWM方波信号S0的频率和占空比保持一致。
功率放大单元103的输入端与调制单元102的输出端相连接，用于将调制单元102输出的已调信号S3进行功率放大，得到大功率的已调信号S3。在本实施例中，经过功率放大的大功率已调信号S3的电压幅值为±15V，最大允许输出电流达到1A。
隔离变压单元104的原边与功率放大单元103的输出端连接，隔离变压单元104除了用来实现高压隔离之外，还要能够实现大功率已调信号S3的传输。大功率已调信号S3经过隔离变压单元104隔离后得到隔离后的已调信号S4。在本实施例中，隔离变压单元变比为1：1，能够实现最高电压达100kV的电压隔离。
解调单元105的输入端与隔离变压单元104的副边相连接。解调单元105优选采用非相干解调的方式对上述隔离后的已调信号S4进行解调，得到驱动电压信号S5。在本实施例中，驱动电压信号S5为一个脉冲方波电压信号，脉冲幅值15V，频率和占空比与上述PWM方波信号S0相同。这样一来可以通过调节PWM方波信号S0的频率、占空比来改变驱动电压信号S5的频率和占空比。
功率MOSFET管的漏极(d)与第一电压V1相连，栅极(g)与解调单元105的输出端正极相连，源极(s)与解调单元105的输出端负极和第二电压V2相连。上述解调单元105输出的驱动电压信号S5可以用于控制功率MOSFET管的开通与关断，实现对功率MOSFET管的驱动功能。在本实施例中，第一电压V1和第二电压V2均为高压，例如可以是上万伏的电压。
以上所述，仅为本发明的具体实施案例，本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术的技术人员在本发明所述的技术规范内，对本发明的修改或替换，都应在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高压隔离型MOSFET驱动电路，其特征在于，包括：
基波产生单元，其用于生成频率和占空比可调的基波信号；
载波产生单元，其用于生成载波信号，所述载波信号的频率高于所述基波信号的频率；
调制单元，其连接所述基波产生单元和载波产生单元，利用基波信号对载波信号进行调制，得到并输出已调信号；
功率放大单元，其连接所述调制单元，用于对已调信号进行功率放大，得到并输出大功率的已调信号；
隔离变压单元，其原边连接所述功率放大单元，用于对所述功率放大单元进行高压隔离，以及传递所述大功率的已调信号；
解调单元，其连接所述隔离变压单元的副边，用于对所述隔离变压单元传来的大功率的已调信号进行解调，得到并输出驱动电压信号；
功率MOSFET管，其栅极连接所述解调单元的正极输出端，用于接收所述驱动电压信号，其漏极连接第一电压，其源级连接所述解调单元的负极输出端和第二电压。
2.如权利要求1所述的高压隔离型MOSFET驱动电路，其特征在于：
所述基波信号为PWM方波信号。
3.如权利要求2所述的高压隔离型MOSFET驱动电路，其特征在于：
所述PWM方波信号的频率调节范围为0至100KHz，占空比的变化范围为0至100％。
4.如权利要求1所述的高压隔离型MOSFET驱动电路，其特征在于：
所述载波信号为交流方波信号，其频率固定且大于1MHz。
5.如权利要求4所述的高压隔离型MOSFET驱动电路，其特征在于：
所述调制单元采用二进制幅移键控方式进行调制。
6.如权利要求5所述的高压隔离型MOSFET驱动电路，其特征在于：
所述已调信号为间断的交流方波信号。
7.如权利要求5所述的高压隔离型MOSFET驱动电路，其特征在于：
所述解调单元采用非相干解调方式进行解调。
8.如权利要求1所述的高压隔离型MOSFET驱动电路，其特征在于：
所述驱动电压信号的频率和占空比与所述基波信号的频率和占空比一致。
9.如权利要求1所述的高压隔离型MOSFET驱动电路，其特征在于：
所述隔离变压单元为能够实现100kV的电压隔离的隔离变压器。
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