CN110113035B - 一种高频功率mosfet驱动电路 - Google Patents

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Abstract

一种高频功率MOSFET驱动电路属于电力电子领域，适用于高频率下开关电源功率MOSFET驱动,适合于丁类放大器结构。驱动电路，包括驱动信号产生模块与驱动电路模块；驱动信号产生模块包括信号发生模块，MOSFET漏电流保护模块；驱动电路模块包括推挽式驱动电路结构与变压器结构；由驱动信号模块产生两路带死区的高频驱动信号，送至驱动电路模块，利用推挽电路结构来输出电流，通过多级推挽来实现电路驱动大电流的需求；将输出的驱动电流经隔直电容送至变压器结构，通过调节变压器原边电感、次级电感、以及变压器漏感的比值，与MOSFET的寄生栅极电容构成LLC谐振，使输出的驱动电流与驱动电压存在相位差，实现软开关驱动。

Description

一种高频功率MOSFET驱动电路
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，它是一种由分立器件构成的能够在高频工作下驱动大功率MOSFET的电路，尤其适用于较高频率下开关电源功率MOSFET驱动,较适合于丁类放大器结构。
背景技术
随着半导体器件的快速发展，功率MOSFET逐渐应用于高频电力电子中，大功率的开关电源也逐渐向高频化发展，但随着开关电源的工作频率增大，开关损耗也逐渐增大。于此同时，大功率的功率MOSFET栅源以及栅漏间存在寄生电容，一般功率MOSFE 的输入电容为1000PF～3000PF,在驱动此类功率MOSFET时，如果保持较快的开关速度，要求驱动电路不仅需要提供大于MOSFET阈值的开启电压，也需要提供对功率MOSFET输入电容充电的驱动电流。如果驱动电流不够,导致MOS管从关断到导通的过渡状态时间太长,加大MOS管的损耗.此外，在研究功率MOSFET驱动的课题中，功率MOSFET应用电路的工作频率一般较低，
而且开关电源的启动方式停留在硬开关启动上，当开关频率为兆赫兹的工作频率时，此类驱动不足以驱动电路中的功率 MOSFET。硬开关的驱动方式在高频开关电源电路中，所引起电路的损耗增大，以及要求电路能够承受较高的耗散功率。因此对高频下功率MOSFET的驱动电路研究是亟待解决的问题。本发明设计了一款，能够运用于兆赫兹开关频率下的功率MOSFET驱动电路。该电路可以通过FPGA来输出精确的可调节死区时间的驱动信号，除此之外，该电路提供功率MOSFET的漏电流的大小保护，在工作过程中，漏电流大于一定值时，电路反馈到驱动信号，调节驱动信号为低电平输出，关断MOSFET。此电路采用不同于传统的硬开关形式的驱动电路，采用软开关的开启形式，降低开关损耗，而且电路相对简单。
发明内容
在电力电子技术领域，开关电源逐渐向大功率、高频化的趋势发展。针对此问题，本发明提供了一种适用于工作在高频开关电源下的功率MOSFET驱动电路。该电路采用推挽式电路结构与变压器结构相连接，通过推挽式电路结构产生驱动电流输出，变压器结构与MOSFET管栅极电容实现LLC谐振输出，使推挽输出的驱动电流与电压产生相位差，使功率MOSFET处于软开启的工作状态，减小了功率管在高频工作下的驱动损耗，提高了电路的工作效率。
该电路的指标如下：
该电路能够工作在13.56MHz的开关频率下，功率MOSFET的开启时间为ns级。
本发明采用如下的技术方案：
高频功率MOSFET驱动电路,由驱动信号模块产生两路带死区的高频驱动信号，送至驱动电路模块，利用推挽电路结构来输出电流，通过多级推挽来实现电路驱动大电流的需求。将输出的驱动电流经隔直电容送至变压器结构，通过调节变压器原边电感、次级电感、以及变压器漏感的比值，与MOSFET的寄生栅极电容构成LLC谐振，使输出的驱动电流与驱动电压存在一定的相位差，从而实现软开关驱动。
1)所述信号发生模块，其特征是，该模块通过FPGA产生两路反相带死区的高频TTL驱动信号，经隔离送至驱动电路模块。该模块受MOSFET漏电流保护模块反馈调节，通过采样电路采样MOSFET 工作时刻漏电流的大小，调节TTL驱动信号的产生。
2)其中MOSFET漏电流保护模块主要通过MOSFET源极采样电阻将采样的电流信号转换为电压信号，经放大器输出至施密特触发器，将电压信号转换成逻辑信号送至或非门逻辑电路中，逻辑运算输出的电平信号经隔离送至驱动电路中。其中放大器电路选用集成运算放大器芯片，隔离采用磁隔离芯片，施密特触发器选用集成运算放大器芯片搭建。
3)所述推挽式电路结构，其特征是，通过权利要求2中的信号发生模块产生的驱动信号，送至推挽式驱动电路结构，推挽电路产生驱动电流经变压器结构做输出，其中推挽式驱动电路结构主要包括 NPN三极管Q3，PNP三极管Q4，其中Q3与Q4的集电极相连，基极分别与NPN三极管Q1、PNP管Q2相连。其中Q1，Q2的基极连接分压电阻R2与R3，发射级相连，通过电阻R1连接驱动信号。NPN 三极管Q3与NPN三极管Q5的发射级相连接，Q5的基极接反馈电阻R4与R5与变压器结构相连，Q5的集电极与Q1，Q2的基极相连。
4)所述变压器结构，通过隔直电容与推挽电路相连接，变压器的次级通过栅极电阻与MOSFET的栅极相连接。
附图说明：
图1：本发明的驱动电路的整体框架图；
图2：本发明的驱动电路的结构示意图；
图3：本发明的驱动电路模块电路原理图；
图4：本发明驱动电路中的MOSFET漏电流保护模块电路原理图；
图5：本发明的驱动电路软开关启动形式波形示意图；
具体实施方式
本发明设计了一种能够应用于高频工作下功率MOSFET的驱动电路，电路采用FPGA提供驱动信号，推挽式电路结构提供驱动电流输出，变压器结构实现LLC谐振实现软开关的启动形式。具本发明的电路整体框架如图1所示。
驱动信号产生模块采用Altera公司的FPGA控制芯片，能够精确输出一定工作频率的驱动信号，而且能精确控制两路驱动信号的死区时间。驱动信号产生模块中包括功率MOSFET工作时的漏电流保护模块，当工作漏电流大小大于一定值时，该模块调节驱动信号输出至低电平，关断MOSFET管。驱动信号经ADUM1402磁耦隔离芯片送至驱动电路模块。发明的驱动电路的结构示意图如图2所示。
驱动电路模块由推挽式电路结构和变压器结构组成。其中推挽式电路结构主要由三极管等分立器件组成,其中三极管Q1和Q2调节推挽管Q3与Q4的工作状态,三极管Q3与Q4做推挽输出.电阻R4与R5采样输出至变压器结构的电压值,R4,R5与PNP管Q5基极相连接,采样的电压反馈至Q1与Q2的基极,通过调节R4与R5的值保证输出的驱动电压大于功率MOSFET的阈值电压，R6控制输出至MOSFET 管的驱动电流。变压器结构主要利用变压器的初级电感、次级电感以及变压器的漏感与功率MOSFET的栅极电容构成LLC谐振，使驱动电压与驱动电流处于不同的相位，进而使MOSFET软开启，减小开通损耗。本发明的驱动电路模块电路原理图如图3所示。
MOSFET漏电流保护模块主要通过利用加在MOSFET源级的采样电阻，将采样得到的电流信号转换成电压信号，将电压信号经放大器输出至施密特触发器输出TTL电平信号，经降压送至逻辑门电路中，与输入的驱动信号进行逻辑运算，当采样电流大于设定值时，逻辑输出低电平，使MOSFET关断。其中放大器与施密特触发器使用集成运放芯片OP37搭建，逻辑门电路采用集成芯片74HC02搭建。发明驱动电路中的MOSFET漏电流保护模块电路原理图如图4所示。
驱动电路中软开关启动，主要是在MOSFET开关过程中，使驱动电流超前驱动电压一定的相位。使驱动电流先对MOSFET管输入电容进行充电，之后产生驱动电压使MOSFET管导通。这种软开关的启动方式避免了驱动电流与驱动电压的交叠，减小了开关损耗。发明的该驱动电路软开关启动形式的波形示意图如图5所示。

Claims (4)

1.一种高频功率MOSFET驱动电路，包括两部分：驱动信号产生模块与驱动电路模块；其特征在于：所述驱动信号产生模块包括信号发生模块，MOSFET漏电流保护模块；所述驱动电路模块包括推挽式驱动电路结构与变压器结构；
由驱动信号模块产生两路带死区的高频驱动信号，送至驱动电路模块，利用推挽电路结构来输出电流，通过多级推挽来实现电路驱动大电流的需求；将输出的驱动电流经隔直电容送至变压器结构，通过调节变压器原边电感、次级电感、以及变压器漏感的比值，与MOSFET的寄生栅极电容构成LLC谐振，使输出的驱动电流与驱动电压存在相位差，从而实现软开关驱动;
其中MOSFET漏电流保护模块通过MOSFET源极采样电阻将采样的电流信号转换为电压信号，经放大器输出至施密特触发器，将电压信号转换成逻辑信号送至或非门逻辑电路中，逻辑运算输出的电平信号经隔离送至驱动电路中；其中放大器电路选用集成运算放大器芯片，隔离采用磁隔离芯片，施密特触发器选用集成运算放大器芯片搭建。
2.根据权利要求1所述的一种高频功率MOSFET驱动电路，其特征在于：信号发生模块通过FPGA产生两路反相带死区的高频TTL驱动信号，经隔离送至驱动电路模块；该模块受MOSFET漏电流保护模块反馈调节，通过采样电路采样MOSFET工作时刻漏电流的大小，调节TTL驱动信号的产生。
3.根据权利要求1所述的一种高频功率MOSFET驱动电路，其特征在于：中的推挽式电路结构通过信号发生模块产生的驱动信号，送至推挽式驱动电路结构，推挽电路产生驱动电流经变压器结构做输出，其中推挽式驱动电路结构包括NPN三极管Q3，PNP三极管Q4，其中Q3与Q4的集电极相连，基极分别与NPN三极管Q1、PNP管Q2相连；其中Q1，Q2的基极连接分压电阻R2与R3，发射级相连，通过电阻R1连接驱动信号；NPN三极管Q3与NPN三极管Q5的发射级相连接，Q5的基极接反馈电阻R4与R5与变压器结构相连，Q5的集电极与Q1，Q2的基极相连。
4.根据权利要求1所述的一种高频功率MOSFET驱动电路，其特征在于：变压器结构，通过隔直电容与推挽电路相连接，变压器的次级通过栅极电阻与外加栅极电容与MOSFET的栅极相连接。
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