CN110417243A - 一种高压mosfet驱动电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高压MOSFET驱动电路，包括MOSFET模块、MOSFET驱动模块、光耦模块、LDO模块；所述MOSFET模块与MOSFET驱动模块连接；所述光耦模块与LDO模块连接，且二者均与MOSFET驱动模块连接；其中：所述光耦模块包括：第一电阻、第二电阻、光耦；所述LDO电路包括：第四电阻、第五电阻、第六电阻、第六电容、第七电容、第八电容、第九电容、第一二级管、低压差线性稳压器。本发明解决了氮化镓大功率管的高电压漏控供电困难的问题，且适用于多个雷达型号TR组件的漏控需求，其驱动能力强、开关速度快，具有良好的可靠性，可显著缩短产品研制周期。

Description

一种高压MOSFET驱动电路
技术领域
本发明属于电源管理技术领域，具体涉及一种高压MOSFET驱动电路，应用于有源相控阵雷达阵面天线TR组件供电。
背景技术
高压MOSFET驱动电路一般应用于有源相控阵雷达的天线组件供电上，为了满足雷达的小型化、低成本以及大功率需求，提出了新的TR组件设计方案，采用了氮化镓大功率管，从而提出了新的高电压漏控电路，该电路为脉冲工作方式。
而在现有技术中，MOSFET模块和MOSFET驱动模块一般供电电压为低压模式，如果使用高压供电，会出现MOSFET模块和MOSFET驱动模块被烧坏而不能正常工作的现象(一般情况下，只要大于18v的供电电压，就会出现前述模块被烧坏的现象)。因而在氮化镓大功率管使用时，出现了高电压漏控供电困难的问题，亟需设计一种新的高电压漏控电路来满足氮化镓大功率管的供电需求。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种高压MOSFET驱动电路，以解决氮化镓大功率管的高电压漏控供电困难的问题。
一种高压MOSFET驱动电路，包括MOSFET模块、MOSFET驱动模块、光耦模块、LDO模块；
所述MOSFET模块与MOSFET驱动模块连接；所述光耦模块与LDO模块连接，且二者均与MOSFET驱动模块连接；其中：
所述光耦模块包括：第一电阻、第二电阻、光耦；
所述第一电阻的第一端与输入高电压Vin连接，第一电阻的第二端与光耦的第四端连接，第二电阻的第一端与控制电源Vcc连接，第二电阻的第二端与光耦的第一端连接，光耦的第二端输入脉冲控制TTL电平，光耦的第三端分别与MOSFET驱动模块和LDO模块连接；
所述LDO电路包括：第四电阻、第五电阻、第六电阻、第六电容、第七电容、第八电容、第九电容、第一二级管、低压差线性稳压器；
所述第六电容的第一端与输入高电压Vin连接，第六电容的第二端与地连接，第九电容的第一端分别与低压差线性稳压器的第一端和第二端连接，第九电容的第二端与地连接；
低压差线性稳压器的第三端与地连接，第四电阻的第一端与低压差线性稳压器的第四端连接，第四电阻的第二端与低压差线性稳压器的第五端和第五电阻的第一端连接，第五电阻的第二端与第六电阻的第一端连接，第六电阻的第二端接地；
第一二级管的阳极分别与第七电容的第一端、第八电容的第一端连接，第七电容的第二端、第八电容的第二端均与地连接；所述第一二极管的阳极和阴极均与所述MOSFET驱动模块连接；
所述光耦的第三端与所述第一二极管的阴极连接。
较优地，所述光耦包括发光器和受光器，所述发光器为光耦LED二极管，其阳极和阴极分别对应所述光耦的第一端和第二端；所述受光器为光耦三极管，其发射极和基极分别对应所述光耦的第三端和第四端；其中：
R1＝Vin/IC，Vin为输入高电压，IC为光耦三极管集电极电流；
R2＝Vcc/IF，Vcc为控制电源，IF为光耦LED二极管正向电流。
较优地，所述低压差线性稳压器的第四端为所述低压差线性稳压器的输出电压端，其中：
Vout＝Vref(1+R4/(R5+R6))
Vref为所述低压差线性稳压器的参考电压，Vout为所述低压差线性稳压器的第四端的输出电压；R4为第四电阻、R5为第五电阻、R6为第六电阻；
通过调节第四电阻、第五电阻、第六电阻的阻值来调节所述低压差线性稳压器的输出电压。
较优地，所述MOSFET驱动模块包括：第四电容、第五电容、第三电阻和MOSFET驱动芯片；
所述第四电容的第一端、第五电容的第一端与输入高电压Vin连接，第四电容的第二端、第五电容的第二端均与地连接；
MOSFET驱动芯片的第一端与输入高电压Vin连接，MOSFET驱动芯片的第二端分别与第一二极管的阴极和所述光耦的第三端连接，MOSFET驱动芯片的第三端为空脚，MOSFET驱动芯片的第四端与第五端与第一二极管的阳极连接，MOSFET驱动芯片的第六端与第七端均与第三电阻的第一端连接，MOSFET驱动芯片的第八端与MOSFET驱动芯片的第一端连接。
较优地，所述MOFET模块包含MOSFET芯片、第一电容、第二电容、第三电容；所述第一电容、第二电容、第三电容的第一端均与输入高电压Vin连接，MOSFET芯片的源极与第一电容、第二电容、第三电容的第一端连接，第一电容、第二电容、第三电容的第二端均与地连接，MOSFET芯片的栅极与第三电阻的第二端连接，MOSFET芯片的漏极为漏极控制电压输出端。
较优地，所述第一电容为滤波电容，所述第二电容和第三电容为储能电容。
较优地，所述MOSFET芯片的栅极驱动电压满足：
Vout＝Vin-(-VGS)
其中，Vin为输入高电压，Vout为LDO模块输出电压，VGS为P-MOS的栅极驱动电压。
较优地，所述MOSFET驱动芯片的驱动电流满足：
I＝QG/dT2
dT2为所述MOSFET芯片的导通/截止时间，QG为所述MOSFET芯片的总栅极电荷。
与现有技术相比，本发明带来了以下有益效果：
1)本发明解决了氮化镓大功率管的高电压漏控供电困难的问题。
2)本发明采用的MOSFET模块及MOSFET驱动模块适用于多个雷达型号TR组件的漏控需求，其驱动能力强、开关速度快，具有良好的可靠性，可显著缩短产品研制周期。
3)本发明采用的LDO模块(进行电源转换)、光耦模块有效地提高了参考地的电压，可适用于高压MOSFET的驱动，配合LDO输出电压的可调性，也可使用于不同类型高压电路的需求，可快速适应不同电压类型的高速漏控脉冲产生需求。
4)本发明采用的光耦模块具有体积小，输入输出相互隔离的优点，因而光耦模块的应用可以将数字控制部分与电源转换模拟部分相隔离，避免数字部分与模拟部分相互干扰。高速光耦的选择可以有效的将原有的TTL电平转换成我们所需的高压控制电平，满足原有的开关切换速度。
5)本发明采用的LDO模块的输出电压具有外围电路简单、可靠性高、输出纹波小的特点，不仅可以为我们提供所需参考地的电压，输出电压也可以满足整个设计中其他部分的电源需求。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明具体实施例的一种高压MOSFET驱动电路的电路连接示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
参见图1，一种高压MOSFET驱动电路，包括MOSFET模块、MOSFET驱动模块、光耦模块、LDO模块。
所述MOSFET模块与MOSFET驱动模块连接；所述光耦模块与LDO模块连接，且二者均与MOSFET驱动模块连接；其中：
所述光耦模块包括：第一电阻R1、第二电阻R2、光耦N1；所述第一电阻R1的第一端与输入高电压Vin连接，第一电阻R1的第二端与光耦N1的第四端连接，第二电阻R2的第一端与控制电源Vcc连接，第二电阻R2的第二端与光耦N1的第一端连接，光耦N1的第二端输入脉冲控制TTL电平，光耦N1的第三端分别与MOSFET驱动模块和LDO模块连接。
本实施例还包括一控制部分，其向光耦模块提供TTL电平，所述TTL电平其值一般在0～5V或0～3.3V。
本实施例中，输入高电压Vin的范围为28～48V，这里仅为举例，本发明不对高压范围作出限定。
本实施例中，上述光耦N1为高速光耦，其上升时间、下降时间、延迟时间均在100纳秒以内。
所述光耦N1包括发光器和受光器，所述发光器为光耦LED二极管，其阳极和阴极分别对应所述光耦的第一端和第二端；所述受光器为光耦三极管，其发射极和基极分别对应所述光耦的第三端和第四端；其中：
R1＝Vin/IC，Vin为输入高电压，IC为光耦三极管集电极电流；
R2＝Vcc/IF，Vcc为控制电源，IF为光耦LED二极管正向电流。
实际应用时，TTL控制开关频率、上升时间、下降时间、延迟时间是已知的，按TTL控制开关频率、上升时间、下降时间、延迟时间来选用开关响应特性与之匹配的光耦N1。
所述LDO模块包括：第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第六电容C6、第七电容C7、第八电容C8、第九电容C9、第一二级管V1、低压差线性稳压器N3。
所述第六电容C6的第一端与输入高电压Vin连接，第六电容C6的第二端与地连接，第九电容C9的第一端分别与低压差线性稳压器N3的第一端和第二端连接，第九电容C9的第二端与地连接；
低压差线性稳压器N3的第三端与地连接，第四电阻R4的第一端与低压差线性稳压器N3的第四端连接，第四电阻R4的第二端与低压差线性稳压器N3的第五端和第五电阻R5的第一端连接，第五电阻R5的第二端与第六电阻R6的第一端连接，第六电阻R6的第二端接地。所述低压差线性稳压器的第四端为所述低压差线性稳压器的输出电压端。
第一二级管V1的阳极分别与第七电容C7的第一端、第八电容C8的第一端连接，第七电容C7的第二端、第八电容C8的第二端均与地连接；所述第一二极管V1的阳极和阴极均与所述MOSFET驱动模块连接。
所述光耦N1的第三端与所述第一二极管V1的阴极连接。
所述第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6为上述低压差线性稳压器N3的外围电阻，可通过调节第四电阻、第五电阻、第六电阻的阻值来调节所述低压差线性稳压器的输出电压。调节方法如下：
Vout＝Vref(1+R4/(R5+R6))
Vref为所述低压差线性稳压器的参考电压，Vout为所述低压差线性稳压器的第四端的输出电压；R4为第四电阻、R5为第五电阻、R6为第六电阻。
其中，Vref为LDO参考电压，其可通过查阅LDO器件手册得到，可认为是一个已知值。一般情况下，R4和R5的值的调节就可满足输出电压值的调节，加入R6，将其作为微调电阻，应用于输出电压需要小幅度进行调节的情况。
本实施例中，上述低压差线性稳压器N3的输出电压为已知值，其可根据MOSFET手册说明的导通栅极电压来确定，减少栅极驱动电压可以减小驱动器的功耗。
已知输出电压Vout和参考电压Vref，通过调节第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6的值来得到需要的输出电压Vout。
所述MOSFET驱动模块包括：第四电容C4、第五电容C5、第三电阻R3和MOSFET驱动芯片N2；所述第四电容C4的第一端、第五电容C5的第一端与输入高电压Vin连接，第四电容C4的第二端、第五电容C5的第二端均与地连接。
MOSFET驱动芯片N2的第一端与输入高电压Vin连接，MOSFET驱动芯片N2的第二端分别与第一二极管V1的阴极和光耦N1的第三端连接。
MOSFET驱动芯片N2的第三端为空脚，MOSFET驱动芯片N2的第四端与第五端均与第一二极管V1的阳极连接，MOSFET驱动芯片N2的第六端与第七端均与第三电阻R3的第一端连接，MOSFET驱动芯片N2的第八端与MOSFET驱动芯片N2的第一端连接。
所述MOFET模块包含MOSFET芯片P-MOS、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3；所述第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3的第一端均与输入高电压Vin连接，P-MOS的源极与第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3的第一端连接，第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3的第二端均与地连接，P-MOS的栅极与第三电阻R3的第二端连接，P-MOS的漏极为漏极控制电压即漏极开关电压Vo的输出端。该输出端连接氮化镓大功率管的漏极，为其提供高压漏极电压。
其中，所述第一电容C1为滤波电容，所述第二电容C2和第三电容C3为储能电容。根据后级功放所需的指标要求选用合适的储能电容，根据dV＝I*ESR+I*dT1/C，其中dT1为氮化镓大功率管漏极控制脉冲宽度；I为氮化镓大功率管漏极电流；C为第二电容C2与第三电容C3并联后容值；ESR是第二电容C2与第三电容C3并联内阻，并联后电容的ESR忽略不计，所以C＝I*dT1/dV。
上述各个模块的作用如下：
所述MOSFET模块用于产生上述氮化镓芯片的漏极开关电压Vo；
所述MOSFET驱动模块用于产生具有较强驱动能力的MOSFET芯片P-MOS的栅极控制电压；
所述光耦模块用于将脉冲控制TTL电平转换成高压控制电平；
所述LDO模块用于产生提高参考地所需的电压值即N3的输出电压Vout，并且通过外围电阻R4、R5、R6可以灵活调节输出电压Vout。
上述“提供参考地所需的电压值”，是指LDO模块通过提高参考地的电压，即提高了输入电压Vin的值，又保持了输入电压Vin和参考地之间的电压差。
输入高电压Vin、输出电压Vout之间的电压差值即为P-MOS的栅极驱动电压VGS＝Vout-Vin。一般MOSFET芯片开始导通电压VGS为-4V。
所述MOSFET驱动芯片N2与P-MOS相匹配，可按照原有低压功放漏极控制电路的设计，所需的导通与截止的速度，选用MOSFET数据手册中的总栅极电容来选用具有合适驱动能力的MOSFET驱动芯片。
如MOSFET芯片的导通/截止时间为dT2，MOSFET总栅极电荷QG，MOSFET栅极电压V，则C＝QG/V，dT2＝QG/I，I＝QG/dT2，由此选择具有合适驱动能力的MOSFET驱动芯片，其中C为栅极电容，I为驱动芯片驱动电流。得到上述参数，可根据上述参数选择合适的MOSFET驱动芯片N2。
选用与MOSFET芯片栅极电荷和工作频率相匹配的MOSFET驱动芯片N2，根据对TTL电平开关速度的不同需求选用拥有与之相匹配传输速度的光耦N1，同时根据选用MOSFET芯片管的漏极电压、栅极电压来确定LDO的输出电压即提高参考地的电压值Vout，将TTL电平通过光耦实现控制脉冲的电压转换。
对于本实施例的一种高压MOSFET驱动电路，已知如下参数：
输入高电压Vin、氮化镓大功率管的漏极开关电压Vo、LDO模块的输出电压Vout、参考电压Vref。
其中，Vout＝Vin-(-VGS)，其中Vin为输入高电压即是按照功放漏控模式所需额定电压，，Vout为LDO输出电压，VGS为P-MOS的栅极驱动电压。
TTL为输入控制脉冲，当光耦N1导通时，第一二极管V1截止，MOSFET驱动芯片N2的输入电压为Vin，P-MOS的栅极驱动电压VGS为0，P-MOS关闭；当光耦N1截止时，第一二极管V1导通，忽略导通电压，MOSFET驱动芯片N2的输入电压约为Vout，MOSFET管的VGS＝Vout-Vin，若压差为8～10V，则P-MOS导通，实现P-MOS漏极输出氮化镓大功率管的漏极控制电压Vo的输出。
通常当VGS为-10V时，即上述压差为10V时，工作频率1～100KHz，此时，根据驱动器的器件手册，其功率消耗相对微不足道，为毫瓦级，此时N2的功耗很小。
采用上述方案，具有良好的可靠性，可显著缩短产品研制周期，可满足氮化镓大功率管各种新的高电压漏控电路需求。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (8)

1.一种高压MOSFET驱动电路，包括MOSFET模块、MOSFET驱动模块，其特征在于，还包括：光耦模块、LDO模块；
所述MOSFET模块与MOSFET驱动模块连接；所述光耦模块与LDO模块连接，且二者均与MOSFET驱动模块连接；其中：
所述光耦模块包括：第一电阻、第二电阻、光耦；
所述第一电阻的第一端与输入高电压Vin连接，第一电阻的第二端与光耦的第四端连接，第二电阻的第一端与控制电源Vcc连接，第二电阻的第二端与光耦的第一端连接，光耦的第二端输入脉冲控制TTL电平，光耦的第三端分别与MOSFET驱动模块和LDO模块连接；
所述LDO电路包括：第四电阻、第五电阻、第六电阻、第六电容、第七电容、第八电容、第九电容、第一二级管、低压差线性稳压器；
所述第六电容的第一端与输入高电压Vin连接，第六电容的第二端与地连接，第九电容的第一端分别与低压差线性稳压器的第一端和第二端连接，第九电容的第二端与地连接；
低压差线性稳压器的第三端与地连接，第四电阻的第一端与低压差线性稳压器的第四端连接，第四电阻的第二端与低压差线性稳压器的第五端和第五电阻的第一端连接，第五电阻的第二端与第六电阻的第一端连接，第六电阻的第二端接地；
第一二级管的阳极分别与第七电容的第一端、第八电容的第一端连接，第七电容的第二端、第八电容的第二端均与地连接；所述第一二极管的阳极和阴极均与所述MOSFET驱动模块连接；
所述光耦的第三端与所述第一二极管的阴极连接。
2.如权利要求1所述的，其特征在于，所述光耦包括发光器和受光器，所述发光器为光耦LED二极管，其阳极和阴极分别对应所述光耦的第一端和第二端；所述受光器为光耦三极管，其发射极和基极分别对应所述光耦的第三端和第四端；其中：
R1＝Vin/IC，Vin为输入高电压，IC为光耦三极管集电极电流；
R2＝Vcc/IF，Vcc为控制电源，IF为光耦LED二极管正向电流。
3.如权利要求1所述的一种高压MOSFET驱动电路，其特征在于，所述低压差线性稳压器的第四端为所述低压差线性稳压器的输出电压端，其中：
Vout＝Vref(1+R4/(R5+R6))
Vref为所述低压差线性稳压器的参考电压，Vout为所述低压差线性稳压器的第四端的输出电压；R4为第四电阻、R5为第五电阻、R6为第六电阻；
通过调节第四电阻、第五电阻、第六电阻的阻值来调节所述低压差线性稳压器的输出电压。
4.如权利要求1所述的一种高压MOSFET驱动电路，其特征在于，所述MOSFET驱动模块包括：第四电容、第五电容、第三电阻和MOSFET驱动芯片；
所述第四电容的第一端、第五电容的第一端与输入高电压Vin连接，第四电容的第二端、第五电容的第二端均与地连接；
MOSFET驱动芯片的第一端与输入高电压Vin连接，MOSFET驱动芯片的第二端分别与第一二极管的阴极和所述光耦的第三端连接，MOSFET驱动芯片的第三端为空脚，MOSFET驱动芯片的第四端与第五端与第一二极管的阳极连接，MOSFET驱动芯片的第六端与第七端均与第三电阻的第一端连接，MOSFET驱动芯片的第八端与MOSFET驱动芯片的第一端连接。
5.如权利要求4所述的一种高压MOSFET驱动电路，其特征在于，所述MOFET模块包含MOSFET芯片、第一电容、第二电容、第三电容；所述第一电容、第二电容、第三电容的第一端均与输入高电压Vin连接，MOSFET芯片的源极与第一电容、第二电容、第三电容的第一端连接，第一电容、第二电容、第三电容的第二端均与地连接，MOSFET芯片的栅极与第三电阻的第二端连接，MOSFET芯片的漏极为漏极控制电压输出端。
6.如权利要求5所述的一种高压MOSFET驱动电路，其特征在于，所述第一电容为滤波电容，所述第二电容和第三电容为储能电容。
7.如权利要求6所述的一种高压MOSFET驱动电路，其特征在于，所述MOSFET芯片的栅极驱动电压满足：
Vout＝Vin-(-VGS)
其中，Vin为输入高电压，Vout为LDO模块输出电压，VGS为P-MOS的栅极驱动电压。
8.如权利要求6所述的一种高压MOSFET驱动电路，其特征在于，所述MOSFET驱动芯片的驱动电流满足：
I＝QG/dT2
其中，dT2为所述MOSFET芯片的导通/截止时间，QG为所述MOSFET芯片的总栅极电荷。
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