CN108429435A - 一种mosfet隔离驱动电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种MOSFET隔离驱动电路，其包括变压器绕组、用于输入PWM控制信号的三极管Q1、与变压器绕组中次级绕组连接的场效应管Q3、与Q3栅极连接的三极管Q2和用于场效应管导通期间储电的电容C；所述变压器绕组的初级绕组的两端分别与三极管Q1的集电极和发射极连接；所述变压器绕组的初级绕组还与电源连接；所述三极管Q1的发射极还接地；所述场效应管Q3的G极和S极分别与变压器绕组中次级绕组的两端连接；所述三极管Q2的集电极与所述场效应管Q3的G极连接，所述三极管Q2的基极与变压器绕组中次级绕组的另一端连接；所述电容C分别连接在效应管Q3的S极和三极管Q2的发射极之间。

Description

一种MOSFET隔离驱动电路
技术领域
本发明涉及开关电源领域，尤其涉及的 是一种MOSFET隔离驱动电路。
背景技术
MOS型场效应管（MOSFET）和绝缘栅晶体管（IGBT）具有驱动功率小、开关速度快、功率容量大等优点，是开关电源常用的功率开关器件。
这类器件的栅极驱动电路非常重要，驱动的好坏直接影响开关电源工作的可靠性及性能指标。例如，开通时驱动信号具有较快的上升沿且应能提供足够大的充电电流，使器件的栅源极间电压迅速上升，保证器件快速开通且不存在上升沿的高频振荡；关断时，驱动电路能提供一个尽可能低阻抗的通路供栅源极间电容电荷快速泄放，保证器件能快速关断。
MOSFET（或IGBT）的关断特性，主要取决于少子复合机理。当驱动栅极信号为0时，应设法使栅极电荷迅速被抽走，令开关器件迅速关断，最有效的方法是给栅极信号加上一个反向偏置电压。栅极反偏电压越高，开关器件关断越迅速，关断时间越短，关断损耗就越低。因此，为了最大限度减小开关损耗，MOSFET关断时，仅仅通过低阻抗通路泄放栅极电荷是不够的，给栅极加上反向电压，是驱动电路的主流要求。
目前，MOSFET、IGBT的驱动方式通常有直接驱动、光耦隔离驱动、变压器隔离驱动以及专用IC驱动等。
（1）直接驱动，就是将PWM信号直接或经缓冲放大器后直接送到MOSFET栅极进行驱动。线路简单，但驱动电路与功率开关管不隔离，容易产生干扰，有安全隐患；为了给栅极加反向电压，必须设计正负两种电源。
（2）光耦隔离驱动，就是将PWM信号经光耦隔离传输，再经放大后送到MOSFET的栅极进行驱动。电路比直接驱动复杂，但驱动电路与开关管隔离，具有抗干扰能力，但抗共模干扰能力较弱；由于使用了光耦，信号延迟时间打大，速度慢，同时需要增加悬浮电源。
（3）专用IC驱动：使用专用的集成电路模块，内含光耦、放大器、过流保护等，使用方便，电路简洁，但成本较高。
（4）变压器隔离驱动
如图1所示，Q1为驱动管，N1和N2分别是变压器的初级和次级，N3为变压器磁复位绕组，Q2为需要驱动的MOSFET。该驱动电路结构简单可靠，能实现驱动电路和功率主回路隔离，速度快，抗共模能力强，只需单电源即可提供Q2导通时所需的正压和关断时所需的负压。但存在以下缺点：一是隔离变压器次级需要一个假负载R2，增加损耗；二是当占空比变化时关断速度变化加大。当驱动脉宽较窄时，由于变压器贮存的能量减少，导致MOSFET栅极的关断速度变慢。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种MOSFET隔离驱动电路，该电路在驱动脉宽较窄（占空比较小）的情况下，能维持必要的栅极负偏压，确保MOSFET快速可靠关断，减小关断损耗。
本发明的技术方案如下：一种MOSFET隔离驱动电路，其包括变压器绕组、用于输入PWM控制信号的三极管Q1、与变压器绕组中次级绕组连接的场效应管Q3、与Q3栅极连接的三极管Q2和用于场效应管导通期间储电的电容C；所述变压器绕组的初级绕组的两端分别与三极管Q1的集电极和发射极连接；所述变压器绕组的初级绕组还与电源连接；所述三极管Q1的发射极还接地；所述场效应管Q3的G极和S极分别与变压器绕组中次级绕组的两端连接；所述三极管Q2的集电极与所述场效应管Q3的G极连接，所述三极管Q2的基极与变压器绕组中次级绕组的另一端连接；所述电容C分别连接在效应管Q3的S极和三极管Q2的发射极之间。
所述的MOSFET隔离驱动电路，其中，所述场效应管Q3的S极通过串联电阻R2与变压器绕组的次级绕组的一端连接。
所述的MOSFET隔离驱动电路，其中，所述三极管Q2的发射极还通过二极管D2与变压器绕组的次级绕组的一端连接。
所述的MOSFET隔离驱动电路，其中，所述电阻R2与二极管D2和电容C并联连接。
所述的MOSFET隔离驱动电路，其中，所述二极管Q2的基极通过电阻R1与变压器绕组的次级绕组的一端连接。
所述的MOSFET隔离驱动电路，其中，所述变压器初级绕组的一端通过二极管D1与三极管Q1的发射极连接。
本发明的有益效果：本发明通过电容C在MOSFET导通期间储存能量，所以关断时将C两端的电压反向加到MOSFET的G-S极，形成反偏电压，在窄驱动脉冲的情况下也能确保MOSFET可靠关断，减小关断损耗；电路无需格外设置负电源；MOSFET关断时，电阻R2把Ns上的电压反向加在MOSFET的G-S之间，加速MOSFET关闭，但不会引起损耗。电容C对加速MOSFET关断的作用，尤其是窄脉冲时；电阻R2既起到加速MOSFET关断作用，又不会引起损耗。
附图说明
图1是现有的一种驱动电路图。
图2是本发明的驱动电路图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。
如图1所示， Q1为驱动管，N1和N2分别是变压器的初级和次级，N3为变压器磁复位绕组，Q2为需要驱动的MOSFET；R1为防止栅极和源极之间电压振荡的阻尼电阻，R2用于消除驱动为0时Q2可能受到干扰而误导通，同时作为MOSFET关断时栅极电荷泄放回路。这是一种正激式驱动电路，Q1关断时及关断后，变压器次级回路实际上形成次级绕组和Q2 G-S电容之间的LC阻尼振荡，G-S电容的电压迅速下降到0，并且被反向充电到负压最大值，然后再反过来向次级绕组放电，电压（负压）逐步上升，直到下一周期开始。通过分析和仿真可以看到，在次级电感L2、电阻R1、R2相同的情况下，驱动信号占空比越大，G-S电容电压下降的速度越快，负压也越大；反之，占空比越小，G-S电容电压下降的速度越慢，负压也越小，从而导致MOSFET关断速度变慢。
变压器耦合驱动电路结构简单可靠，能实现驱动电路和功率主回路隔离，速度快，抗共模能力强，只需单电源即可提供Q2导通时所需的正压和关断时所需的负压。该电路存在的缺点：一是隔离变压器次级需要一个假负载R2，增加损耗；二是当驱动脉宽较窄（占空比较小）时，由于变压器贮存的能量减少，导致MOSFET栅极的关断速度变慢。表1为不同占空比时，实测的MOSFET关断时间toff(驱动电压从10伏下降到0伏的时间)：
表1不同占空比时toff的变化情况：
如图2所示，本发明公开了一种MOSFET隔离驱动电路，其包括变压器绕组、用于输入PWM控制信号的三极管Q1、与变压器绕组中次级绕组连接的场效应管Q3、与Q3栅极连接的三极管Q2和用于场效应管导通期间储电的电容C；所述变压器绕组的初级绕组的两端分别通过二极管D1与三极管Q1的集电极和发射极连接；所述变压器绕组的初级绕组还与电源连接；所述三极管Q1的发射极还接地；所述场效应管Q3的G极和S极分别与变压器绕组中次级绕组的两端连接；所述三极管Q2的集电极与所述场效应管Q3的G极连接，所述三极管Q2的基极与变压器绕组中次级绕组的另一端连接；所述电容C分别连接在效应管Q3的S极和三极管Q2的发射极之间。
在实际生产中，本发明的场效应管Q3为MOSFET或IGBT。
如图2所示，Q1的基极加入PWM控制信号，当控制信号为正脉冲时，三极管Q1导通，变压器绕组Np和Ns的同名端为正，场效应管Q3（MOSFET）获得正向驱动电压而导通。此时，变压器绕组次级绕组的Ns异名端为负，三极管Q2截至，D2导通，驱动电压通过MOSFET的G-S极、D2和Ns向电容C充电，极性为左负右正。当驱动信号为0时，Q1关断，储存在变压器的能量使Np的电压反向，此时所有初次级绕组的同名端相对异名端为负，MOSFET关断，D2反偏而截止，Q2正偏而导通，电容C在MOSFET导通期间充电获得的电压Vc被反向加在MOSFET的G-S之间，栅极电荷经过Q2泄放，使MOSFET迅速关断。同时，Ns上的反压也通过R2反向加在MOSFET的G-S之间，促进MOSFET关闭。
采用上述电路后，本发明电容C在MOSFET导通期间储存能量，而关断时将C两端的电压反向加MOSFET的G-S极，形成反偏电压，在窄驱动脉冲的情况下也能确保MOSFET可靠关断，减小关断损耗；使得电路电路无需格外设置负电源，来关断MOSFET。另外，本发明的MOSFET关断时，电阻R2把Ns上的电压反向加在MOSFET的G-S之间，加速MOSFET关闭，但不会引起损耗；对比图1方案，图1方案中的R2会引起损耗。
因此，本发明通过电容C实现加速MOSFET关断，尤其是窄脉冲时；电阻R2既起到加速MOSFET关断作用，又不会引起损耗。
所述的MOSFET隔离驱动电路，其中，所述场效应管Q3的S极通过串联电阻R2与变压器绕组的次级绕组的一端连接。
所述的MOSFET隔离驱动电路，其中，所述三极管Q2的发射极还通过二极管D2与变压器绕组的次级绕组的一端连接。
采用上述结构后，本发明所述的二极管D2既可以在Q1导通的时候使电容C快速充电，又可以在Q1关断时防止电容C被Ns放电；所述二极管的负极与次级绕组的一端连接。
所述的MOSFET隔离驱动电路，其中，所述电阻R2与二极管D2和电容C并联连接。
所述的MOSFET隔离驱动电路，其中，所述二极管Q2的基极通过电阻R1与变压器绕组的次级绕组的一端连接。
所述的MOSFET隔离驱动电路，其中，所述变压器绕组的一端通过二极管D1与三极管Q1的发射极连接。
本发明的有益效果：本发明通过电容C在MOSFET导通期间储存能量，所以关断时将C两端的电压反向加到MOSFET的G-S极，形成反偏电压，在窄驱动脉冲的情况下也能确保MOSFET可靠关断，减小关断损耗；电路无需格外设置负电源；MOSFET关断时，电阻R2把Ns上的电压反向加在MOSFET的G-S之间，加速MOSFET关闭，但不会引起损耗。电容C对加速MOSFET关掉的作用，尤其是窄脉冲时；电阻R2既起到加速MOSFET关断作用，又不会引起损耗。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种MOSFET隔离驱动电路，其特征在于，包括变压器绕组、用于输入PWM控制信号的三极管Q1、与变压器绕组中次级绕组连接的场效应管Q3、与Q3栅极连接的三极管Q2和用于场效应管导通期间储电的电容C；所述变压器绕组的初级绕组的两端分别与三极管Q1的集电极和发射极连接；所述变压器绕组的的初级绕组还与电源连接；所述三极管Q1的发射极还接地；所述场效应管Q3的G极和S极分别与变压器绕组中次级绕组的两端连接；所述三极管Q2的集电极与所述场效应管Q3的G极连接，所述三极管Q2的基极与变压器绕组中次级绕组的另一端连接；所述电容C分别连接在效应管Q3的S极和三极管Q2的发射极之间。
2.根据权利要求1所述的MOSFET隔离驱动电路，其特征在于，所述场效应管Q3的S极通过串联电阻R2与变压器绕组的次级绕组的一端连接。
3.根据权利要求1所述的MOSFET隔离驱动电路，其特征在于，所述三极管Q2的发射极还通过二极管D2与变压器绕组的次级绕组的一端连接。
4.根据权利要求2所述的MOSFET隔离驱动电路，其特征在于，所述电阻R2与二极管D2和电容C并联连接。
5.根据权利要求1所述的MOSFET隔离驱动电路，其特征在于，所述二极管Q2的基极通过电阻R1与变压器绕组的次级绕组的一端连接。
6.根据权利要求1所述的MOSFET隔离驱动电路，其特征在于，所述变压器绕组的一端通过二极管D1与三极管Q1的发射极连接。
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