CN109149913A - Mos管驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种MOS管驱动电路，用于驱动目标NMOS管，电路包括光电耦合器、电平驱动器、NMOS管、PMOS管、第一电阻，光电耦合器的阳极与控制信号输入端连接、阴极接地，光电耦合器的集电极分别与电平驱动器的输入端以及第一电源连接，光电耦合器的发射极接地，电平驱动器的输出端分别与NMOS管的栅极、PMOS管的栅极连接，NMOS管的漏极与第二电源连接，PMOS管的漏极接地，NMOS管的源极、PMOS管的源极以及第一电阻一端均与目标NMOS管的栅极连接，第一电阻另一端以及目标NMOS管的源极均与第一电源连接。本发明开关速度快，占空比可到100％，具有负压关断功能，电气隔离性好，不易受干扰。

Description

MOS管驱动电路

技术领域

本发明属于电机驱动领域，特别涉及一种MOS管驱动电路。

背景技术

随着电力电子器件的高速发展，使功率驱动技术迅速崛起。电机驱动器作为伺服驱动装置的主要组成部分之一，它的性能好坏直接影响了数控机床的性能。而功率驱动电路又是电机驱动器中最为重要的功率转换环节，其对电机驱动器的性能好坏起着绝对的作用。

传统的功率驱动电路多为基于IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)的驱动电路。然而IGBT由于其自身的结构问题开关速度慢，一般只有10kHz～20kHz，很难满足一些有特定开关速度需求的功率器件驱动场合，而基于MOSFET(金属-氧化物半导体场效应晶体管)的驱动电路，开关速度可以轻松达到几十千赫兹乃至数百千赫兹。

目前市场上的MOSFET驱动电路多采用自举电路驱动，这种驱动方式目前市场上已经有很多集成芯片，基于集成芯片驱动方式结构简单，但是这种驱动占空比无法达到100％，无法满足一些特殊的控制需求。还有一些采用三极管组成的互补输出电路，该电路可以提供较大的电流，加快MOSFET的开启速度，但该电路无法提供负压，MOSFET由于其结电容的存在，关断时会在MOS管的栅极、源极两端产生干扰电压，干扰电压会造成MOSFET的误触发。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中IGBT驱动电路开关速度慢，MOSFET自举电路驱动占空比无法达到100％，三极管组成的互补输出电路无法提供负压关断来保证MOS管的快速关断以及电气隔离性能差、易发生误触发的缺陷，提供一种MOS管驱动电路。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：

一种MOS管驱动电路，所述驱动电路用于驱动目标NMOS管，其特点是，所述驱动电路包括光电耦合器、电平驱动器、NMOS管、PMOS管、第一电阻，所述光电耦合器的阳极与控制信号输入端连接、阴极接地，所述光电耦合器的集电极分别与所述电平驱动器的输入端以及第一电源连接，所述光电耦合器的发射极接地，所述电平驱动器的输出端分别与所述NMOS管的栅极以及所述PMOS管的栅极连接，所述NMOS管的漏极与第二电源连接，所述PMOS管的漏极接地，所述NMOS管的源极、所述PMOS管的源极以及所述第一电阻的一端均与所述目标NMOS管的栅极连接，所述第一电阻的另一端以及所述目标NMOS管的源极均与所述第一电源连接。

较佳地，所述驱动电路还包括第二电阻、第三电阻，所述NMOS管的漏极与所述第二电阻的一端连接，所述第二电阻的另一端与所述第二电源连接，所述PMOS管的漏极与所述第三电阻的一端连接，所述第三电阻的另一端接地。

较佳地，所述驱动电路还包括第四电阻、第五电阻，所述电平驱动器的输出端与所述第四电阻的一端连接，所述第四电阻的另一端分别与所述NMOS管的栅极以及所述PMOS管的栅极连接，所述NMOS管的源极以及所述PMOS管的源极均与所述第五电阻的一端连接，所述第五电阻的另一端与所述目标NMOS管的栅极连接。

较佳地，所述驱动电路还包括第六电阻、第七电阻，所述光电耦合器的阳极与所述第六电阻的一端连接，所述第六电阻的另一端与控制信号输入端连接，所述光电耦合器的集电极与所述第七电阻的一端连接，所述第七电阻的另一端与所述第一电源连接。

较佳地，所述驱动电路还包括第一稳压二极管和第二稳压二极管，所述第一稳压二极管的阴极与所述目标NMOS管的栅极连接，所述第一稳压二极管的阳极与所述第二稳压二极管的阳极连接，所述第二稳压二极管的阴极与所述第一电源连接。

较佳地，所述驱动电路还包括第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管，所述第一二极管的阴极与所述第二电源连接，所述第一二极管的阳极与所述NMOS管的栅极，所述第二二极管的阴极与所述PMOS管的栅极连接，所述第二二极管的阳极接地，所述第三二极管的阴极与所述NMOS管的漏极连接，所述第三二极管的阳极与所述NMOS管的源极连接，所述第四二极管的阴极与所述PMOS管的源极连接，所述第四二极管的阳极与所述PMOS管的漏极连接。

较佳地，所述电平驱动器包括两输入与非门电路，所述两输入与非门电路的第一输入端与所述光电耦合器的集电极，所述两输入与非门电路的第二输入端与所述第一电源连接，所述两输入与非门电路的输出端分别与所述NMOS管的栅极以及所述PMOS管的栅极连接。

较佳地，所述电平驱动器还包括第一供电输入端、第二供电输入端，所述第一供电输入端与所述第一电源连接，所述第二供电输入端与所述第二电源连接。

较佳地，所述第一电源的直流电压值为5V，所述第二电源的直流电压值为20V。

本发明的积极进步效果在于：采用高速光电耦合器进行电气隔离，高速光电耦合器响应延迟小、开关速度快，采用NMOS和PMOS组成图腾柱结构，可以为MOS管的导通提供足够大电流，同时提供负压关断来保证MOS管的快速关断，消除MOS管的栅极、源极两端的干扰电压，增强电路的抗干扰特性。另外，本发明为完整的模块化电路，可以直接移植复制，便于其他开发及使用。

附图说明

图1为本发明的实施例1的MOS管驱动电路的结构示意图。

图2为本发明的实施例2的MOS管驱动电路的驱动三相电机的结构示意图。

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

实施例1

本实施例的MOS管驱动电路，如图1所示，所述驱动电路用于驱动目标NMOS管107，所述驱动电路包括光电耦合器101、电平驱动器102、NMOS管105、PMOS管106、第一电阻R1，所述光电耦合器101的阳极与PWM控制信号输入端连接、阴极接地，所述光电耦合器101的集电极分别与所述电平驱动器102的输入端以及第一电源103连接，所述光电耦合器101的发射极接地，所述电平驱动器102的输出端分别与所述NMOS管105的栅极以及所述PMOS管106的栅极连接，所述NMOS管105的漏极与第二电源104连接，所述PMOS管106的漏极接地，所述NMOS管105的源极、所述PMOS管106的源极以及所述第一电阻R1的一端均与所述目标NMOS管107的栅极连接，所述第一电阻R1的另一端以及所述目标NMOS管107的源极均与所述第一电源103连接。

本实施例中，所述光电耦合器101将低压、低功率的控制电路与高压、高功率的电机驱动电路相隔离，使得本实施例的驱动电路具有良好的电气隔离性能；所述光电耦合器101优选高速光电耦合器，所述电平驱动器102优选传输延迟小的MOS管驱动器，使得整体电路的开关速度快、传输延迟小，并保证了驱动电路具有足够高的开关速度，比如开关频率可以达到几百千赫兹；所述NMOS管105与所述PMOS管106组成图腾柱结构，可以为所述目标NMOS管107的开启提供足够大的电流，进一步加快所述目标NMOS管107的开启速度；所述NMOS管105、所述PMOS管106、所述第一电阻R1以及所述第一电源103与所述目标NMOS管107的连接形式可提供负压通路来保证所述目标NMOS管107能够安全地快速关断。

进一步，所述驱动电路还包括第二电阻R2、第三电阻R3，所述NMOS管105的漏极与所述第二电阻R2的一端连接，所述第二电阻R2的另一端与所述第二电源104连接，所述PMOS管106的漏极与所述第三电阻R3的一端连接，所述第三电阻R3的另一端接地。

本实施例中，所述第二电阻R2的作用为限制所述目标NMOS管107开启时的充电电流，所述第三电阻R3的作用为限制所述目标NMOS管107关闭时的放电电流，所以所述第二电阻R2、所述第三电阻R3一般取值很小，比如优选取值为10欧姆以内。

进一步，所述驱动电路还包括第四电阻R4、第五电阻R5，所述电平驱动器102的输出端与所述第四电阻R4的一端连接，所述第四电阻R4的另一端分别与所述NMOS管105的栅极以及所述PMOS管106的栅极连接，所述NMOS管105的源极以及所述PMOS管106的源极均与所述第五电阻R5的一端连接，所述第五电阻R5的另一端与所述目标NMOS管107的栅极连接。

本实施例中，所述第四电阻R4的作用为消除可能在所述NMOS管105以及所述PMOS管106的栅极出现浪涌电压，防止驱动电路出现振荡；所述第五电阻R5的作用为消除可能在所述目标NMOS管107的栅极出现浪涌电压，防止驱动电路出现振荡，所以所述第四电阻R4、所述第五电阻R5一般取值很小，比如优选取值为10欧姆以内。

进一步，所述驱动电路还包括第六电阻R6、第七电阻R7，所述光电耦合器101的阳极与所述第六电阻R6的一端连接，所述第六电阻R6的另一端与PWM控制信号输入端连接，所述光电耦合器101的集电极与所述第七电阻R7的一端连接，所述第七电阻R7的另一端与所述第一电源103连接。

本实施例中，所述第六电阻R6的作用为让所述光电耦合器101工作在合适状态，提高所述光电耦合器101的工作稳定性和可靠性，所以所述第六电阻R6一般取值为几百欧姆，具体取值可根据所述光电耦合器101的电气参数进行取值；所述第七电阻R7的作用为上拉电阻，所以所述第七电阻R7优选取值范围为1kΩ～10kΩ。

进一步，所述驱动电路还包括第一稳压二极管DZ1和第二稳压二极管DZ2，所述第一稳压二极管DZ1的阴极与所述目标NMOS管107的栅极连接，所述第一稳压二极管DZ1的阳极与所述第二稳压二极管DZ2的阳极连接，所述第二稳压二极管DZ2的阴极与所述第一电源103连接。

本实施例中，所述第一稳压二极管DZ1、所述第二稳压二极管DZ2共同组成正反向的稳压电路，从而将所述目标NMOS管107的栅源电压稳定限制在一定范围内，保证所述目标NMOS管107稳定地开启、关闭。

进一步，所述驱动电路还包括第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4，所述第一二极管D1的阴极与所述第二电源104连接，所述第一二极管D1的阳极与所述NMOS管105的栅极，所述第二二极管D2的阴极与所述PMOS管106的栅极连接，所述第二二极管D2的阳极接地，所述第三二极管D3的阴极与所述NMOS管105的漏极连接，所述第三二极管D3的阳极与所述NMOS管105的源极连接，所述第四二极管D4的阴极与所述PMOS管106的源极连接，所述第四二极管D4的阳极与所述PMOS管106的漏极连接。

本实施例中，所述第一二极管D1、所述第二二极管D2、所述第三二极管D3、所述第四二极管D4的作用均为电压钳位，其中所述第一二极管D1、所述第二二极管D2保证了所述NMOS管105的栅极以及所述PMOS管106的栅极的电压钳位在安全范围内，即使所述NMOS管105的栅极以及所述PMOS管106的栅极存在尖峰电压，哪怕尖峰电压的电压值可能很高但都会因所述第一二极管D1、所述第二二极管D2的钳位作用而最大值被限制在所述第二电源104的电压值加上所述第一二极管D1的导通压降，比如所述第二电源104的电压值为20V，所述第一二极管D1的导通压降为0.7V，则该最大值不超过20V+0.7V，而尖峰电压的最小值被限制在所述第二二极管D2的导通压降之内，比如所述第二二极管D2的导通压降为0.7V，则尖峰电压的最小值不小于-0.7V。同理，所述第三二极管D3、所述第四二极管D4保证了所述NMOS管105的源极以及所述PMOS管106的源极的电压钳位在安全范围内，钳位原理相同，不再累述。

进一步，所述电平驱动器102包括两输入与非门电路，所述两输入与非门电路的第一输入端与所述光电耦合器101的集电极，所述两输入与非门电路的第二输入端与所述第一电源103连接，所述两输入与非门电路的输出端分别与所述NMOS管105的栅极以及所述PMOS管106的栅极连接。

进一步，所述电平驱动器102还包括第一供电输入端、第二供电输入端，所述第一供电输入端与所述第一电源103连接，所述第二供电输入端与所述第二电源104连接。

进一步，所述第一电源103的直流电压值为5V，所述第二电源104的直流电压值为20V。

本实施例在具体实施时，所述光电耦合器101选用光电耦合器集成电路，具体规格为ACPL-M60L，所述电平驱动器102选用与非门结构的功率MOS管驱动器集成电路，具体规格为SN75372，所述第一电阻R1取值1kΩ，所述第二电阻R2、所述第三电阻R3、所述第四电阻R4和所述第五电阻R5均取值5Ω，所述第六电阻R6取值330Ω，所述第七电阻R7取值1Ω，所述第一稳压二极管DZ1、所述第二稳压二极管DZ2选用15V稳压管，所述第一电源103的直流电压值为5V，所述第二电源104的直流电压值为20V，所述第一电源103、所述第二电源104可为基于如图1所示的SGND(功率信号地)的电源。整体电路连接如图1所示，集成电路ACPL-M60L的输出为OC门(Open Collector，集电极开路)输出，外接所述第七电阻R7作为上拉电阻，集成电路SN75372内部集成了2个双输入端与非门，且与非门的其中一个输入端相连作为使能端E，在本实施例中只需使用一个与非门完成电平转换，所以集成电路SN75372的1个与非门的输入端1A与集成电路ACPL-M60L的OC门输出端连接、输出端1Y与所述第四电阻R4的一端连接，而集成电路SN75372的使能端E与所述第一电源103连接，另外未使用的与非门的输入端2A与所述第一电源103连接确保未使用的与非门的输入端有稳定的电平状态，未使用的与非门的输出端2Y悬空；另外，集成电路SN75372的第一供电输入端V_CC1与所述第一电源103连接，所述第一电源103为集成电路SN75372内部的逻辑电路供电，集成电路SN75372的第二供电输入端V_CC2与所述第二电源104连接，所述第二电源104为集成电路SN75372的输出电路供电用于驱动后级的所述NMOS管105以及所述PMOS管106。所述驱动电路工作时，外部的PWM控制信号通过所述驱动电路的输入端(如图1所示的IN)输入到所述驱动电路中，这里的PWM控制信号的低电平一般为0V，高电平一般为3.3V或者5V，当PWM控制信号为高电平时，所述光电耦合器101导通，此时所述光电耦合器101的输出为低电平，该低电平的电压值为0V左右，所述电平驱动器102进行电平转换后输出高电平，该高电平的电压值接近所述第二电源104的直流电压值，即约20V，这时所述NMOS管105导通而所述PMOS管106关闭，所述第二电源104通过所述第二电阻R2、所述第五电阻R5、所述第七电阻R7及所述NMOS管105构成的通路经所述驱动电路的输出端(如图1所示的OUT)向所述目标NMOS管107的栅极电容充电从而完成所述目标NMOS管107开启，另外第一稳压二极管DZ1、所述第二稳压二极管DZ2的存在保证了所述目标NMOS管107的栅极与源极之间的电压值稳定地限制在15V左右，保证了所述目标NMOS管107能稳定的开启；当PWM控制信号为低电平时，所述光电耦合器101截止，此时所述光电耦合器101的输出经过所述第七电阻R7的上拉作用变为高电平，该高电平的电压值接近所述第一电源的电压值，即约5V，所述电平驱动器102进行电平转换后输出低电平，该低电平的电压值接近0V，这时所述PMOS管106导通而所述NMOS管105关闭，所述目标NMOS管107的栅极电容中的电通过所述第三电阻R3、所述第五电阻R5、所述第七电阻R7、所述第一电源103及所述PMOS管106完成放电，此时所述第三电阻R3、所述第五电阻R5、所述第七电阻R7、所述第一电源103及所述PMOS管106构成的通路能够保证所述PMOS管106稳定地导通，从而保证所述目标NMOS管107能稳定地、快速地关断。

本实施例的MOS管驱动电路，已实现模块化设计，所述驱动电路功能独立，使用时仅需将外部的PWM控制信号与所述驱动电路的输入端(如图1所述的IN)连接，将所述目标NMOS管107的栅极与所述驱动电路的输出端(如图1所述的OUT)连接、所述目标NMOS管107的源极与所述驱动电路内部的所述第一电源103连接，使用方式简单，可以直接进行移植复制，便于其他开发使用。

实施例2

本实施例利用6个如实施例1的MOS管驱动电路来驱动6只所述目标NMOS管，从而构成能驱动三相电机的驱动电路。如图2所示，所述驱动电路201～206即为实施例1的MOS管驱动电路，外部的PWM1～PWM6控制信号分别通过所述驱动电路201～206的输入端(如图2所示的IN)输入到所述驱动电路201～206中，然后经所述驱动电路201～206的输出端(如图2所示的OUT)来分别驱动所述目标NMOS管207～212，电机正电源213、电机负电源214为所述目标NMOS管207～212提供电源，U、V、W分别接三相电机的U相、V相、W相。图2中，为求简单明了从而省略了所述目标NMOS管207～212的源极与相应的所述驱动电路201～206内部所述第一电源进行连接，在此不再累述。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种MOS管驱动电路，驱动电路用于驱动目标NMOS管，其特征在于，所述驱动电路包括光电耦合器、电平驱动器、NMOS管、PMOS管、第一电阻，

所述光电耦合器的阳极与控制信号输入端连接、阴极接地，所述光电耦合器的集电极分别与所述电平驱动器的输入端以及第一电源连接，所述光电耦合器的发射极接地，所述电平驱动器的输出端分别与所述NMOS管的栅极以及所述PMOS管的栅极连接，所述NMOS管的漏极与第二电源连接，所述PMOS管的漏极接地，所述NMOS管的源极、所述PMOS管的源极以及所述第一电阻的一端均与所述目标NMOS管的栅极连接，所述第一电阻的另一端以及所述目标NMOS管的源极均与所述第一电源连接。

2.如权利要求1所述的MOS管驱动电路，其特征在于，所述驱动电路还包括第二电阻、第三电阻，所述NMOS管的漏极与所述第二电阻的一端连接，所述第二电阻的另一端与所述第二电源连接，所述PMOS管的漏极与所述第三电阻的一端连接，所述第三电阻的另一端接地。

3.如权利要求2所述的MOS管驱动电路，其特征在于，所述驱动电路还包括第四电阻、第五电阻，所述电平驱动器的输出端与所述第四电阻的一端连接，所述第四电阻的另一端分别与所述NMOS管的栅极以及所述PMOS管的栅极连接，所述NMOS管的源极以及所述PMOS管的源极均与所述第五电阻的一端连接，所述第五电阻的另一端与所述目标NMOS管的栅极连接。

4.如权利要求3所述的MOS管驱动电路，其特征在于，所述驱动电路还包括第六电阻、第七电阻，所述光电耦合器的阳极与所述第六电阻的一端连接，所述第六电阻的另一端与控制信号输入端连接，所述光电耦合器的集电极与所述第七电阻的一端连接，所述第七电阻的另一端与所述第一电源连接。

5.如权利要求4所述的MOS管驱动电路，其特征在于，所述驱动电路还包括第一稳压二极管和第二稳压二极管，所述第一稳压二极管的阴极与所述目标NMOS管的栅极连接，所述第一稳压二极管的阳极与所述第二稳压二极管的阳极连接，所述第二稳压二极管的阴极与所述第一电源连接。

6.如权利要求5所述的MOS管驱动电路，其特征在于，所述驱动电路还包括第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管，所述第一二极管的阴极与所述第二电源连接，所述第一二极管的阳极与所述NMOS管的栅极，所述第二二极管的阴极与所述PMOS管的栅极连接，所述第二二极管的阳极接地，所述第三二极管的阴极与所述NMOS管的漏极连接，所述第三二极管的阳极与所述NMOS管的源极连接，所述第四二极管的阴极与所述PMOS管的源极连接，所述第四二极管的阳极与所述PMOS管的漏极连接。

7.如权利要求1所述的MOS管驱动电路，其特征在于，所述电平驱动器包括两输入与非门电路，所述两输入与非门电路的第一输入端与所述光电耦合器的集电极，所述两输入与非门电路的第二输入端与所述第一电源连接，所述两输入与非门电路的输出端分别与所述NMOS管的栅极以及所述PMOS管的栅极连接。

8.如权利要求7所述的MOS管驱动电路，其特征在于，所述电平驱动器还包括第一供电输入端、第二供电输入端，所述第一供电输入端与所述第一电源连接，所述第二供电输入端与所述第二电源连接。

9.如权利要求1-8中任一项所述的MOS管驱动电路，其特征在于，所述第一电源的直流电压值为5V，所述第二电源的直流电压值为20V。