CN112332821A - 一种mosfet无源隔离防直通快关驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种MOSFET无源隔离防直通快关驱动电路。所述的MOSFET防直通驱动电路包括隔离防直通电路，在控制侧防止驱动信号因非正常因素发出在某一时刻桥臂驱动同时为高电平的驱动信号导致桥臂MOSFET发生直通故障以及将控制电路与功率电路隔离减小功率电路在高频高压工作状态下对控制电路的干扰；栅极驱动和快速关断单元，驱动MOSFET导通以及加快MOSFET关断时的寄生电容的放电过程使MOSFET快速关断，降低桥臂PWM的死区时间，提高桥式电路MOSFET在开关状态切换的安全性和整机效率。

Description

一种MOSFET无源隔离防直通快关驱动电路

技术领域

本发明涉及电路技术领域，具体为一种MOSFET无源隔离防直通快关驱动电路。

技术背景

MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属-氧化物半导体场效应晶体管）是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管，具有低功耗、性能稳定、抗辐射能力强、驱动功率小、输出功率大、输出发射极电流具有负温度系数、且有工作频率高、偏置简单等优点。然而，MOSFET驱动电路的各种驱动保护功能是否可行、完善，能否抑制异常情况发生，在一定程度上决定了MOSFET使用的寿命。

常规的防直通保护只是用控制IC发出互补PWM进行的，即控制IC发出一组互补的PWM波。正常工作时控制IC通过自身内部的指令发出一组互补的PWM波形然后直接作用在驱动电路上。

但是这种方法中，由于实际运行中控制IC和控制电路被暴露在强磁场的环境下电磁辐射很高尤其是在突然加卸载时候由于控制环路的调节会在一瞬间发生很大的波动，从而可能会对控制电路造成冲击。在控制电路和控制IC遭受冲击可能会导致原本到驱动信号的互补PWM波形会出现同时为高电平的可能。从而造成桥臂的MOSFET发生直通故障从而损坏MIOSFET。

常规的驱动电路的快速关断方法直接用超快恢复二极管和一个几欧姆的电阻串联然后接在驱动电路和MOSFET的栅极之间。即MIOSFET导通的时候由驱动电路发出高电平信号通过栅极电阻将高电平作用在栅极上让MOSFET导通。关断的时候则是驱动输出低，然后栅极通过超快恢复二极管和小阻值电阻与驱动电路形成回路，将MOSFET寄生电容的电荷通过超快恢复二极管和小阻值电阻放回驱动电路上。

但是在这种方法中，由于MOSFET放电回路过长、回路阻值过大会导致MOSFET寄生电容电荷放电的时间会很长，也就需要更大的死区时间来进行关断的放电过程。在频率越高的时候死区一定占空比就越小从而会导致在高频的时候整个电源的损耗会变大。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种MOSFET无源隔离防直通快关驱动电路，能够更可靠地实现对MOSFET直通故障的抑制和对更快速地关断MOSFET。

本发明是采用如下的技术方案实现的：一种MOSFET无源隔离防直通快关驱动电路，包括隔离防直通单元、栅极驱动和快速关断单元，所述隔离防直通单元包括驱动变压器，栅极驱动和快速关断单元包括栅极驱动单元和快速关断单元；驱动变压器原边同名端接驱动信号PWM，原边异名端接互补驱动信号PWM，驱动变压器的副边通过栅极驱动和快速关断单元接MOSFET。使用时，桥臂上的上下两个MOSFET都分别连接一个无源隔离防直通快关驱动电路。隔离防直通单元，用于防止控制电路在受到非正常冲击时造成桥臂PWM驱动同时为高导致桥臂两个MOSFET发生直通，驱动变压器将控制侧和MOSFET隔离开，起到隔离和防直通作用，具体原理为：当互补的PWM分别为高低电平时驱动变压器副边上下两个引脚的电位差则是正。若互补的PWM同时为高以及同时为低时驱动变压器副边上下两个引脚电位差为0V。故不管控制电路出现什么异常现象驱动变压器副边上下引脚的电位差只有两种情况分别是一正一负或者同为0V。栅极驱动以及快速关断单元，驱动MOSFET导通以及加快MOSFET关断时的寄生电容的放电过程使MOSFET快速关断，降低桥臂PWM的死区时间，提高桥式电路MOSFET在开关状态切换的安全性和整机效率。

进一步地，隔离防直通单元还包括隔直去耦电路，隔直去耦电路设置在驱动变压器的原边同名端。所述去耦合隔直电路用于滤掉控制测部分的直流电压分量。

进一步地，隔直去耦电路包括电阻R和与电阻R串联的电容，电容两端还反向并联有反向二极管。

进一步地，栅极驱动单元包括前后两个电阻和连接在前后两个电阻之间的中间二极管，前电阻、中间二极管和后电阻串联成的线路的一端连接在驱动变压器副边同名端，线路的另一端连接在MOSFET的栅极，快速关断单元包括二极管、PNP三极管、三极管驱动电阻和三极管驱动电容，三极管驱动电阻和三极管驱动电容并联后一端连接在驱动变压器副边同名端，另一端连接在PNP三极管的基极，二极管反向并联在后电阻的两端，PNP三极管的集电极和二极管的阴极连接，PNP三极管的发射极和MOSFET源极连接，MOSFET源极还和驱动变压器的副边异名端连接。当驱动变压器副边上下两引脚的电位差为正时电流通过前电阻、中间二极管和后电阻流入MOSFET栅极，由于栅极寄生电容的存在因此栅极电位并不是理想方波而是呈现一种一阶无状态响应的上升波形，当栅极和源极的电位差超过MOSFET导通阈值时，MOSFET开始导通；当栅极源极电位差不变时栅极电容充电完毕，MOSFET完全导通。当驱动变压器副边上下两引脚的电位差为负或者为0V时，PNP三极管导通，此时二极管、PNP三极管与MOSFET的栅极和源极形成回路，并且由于整条回路没有电阻只有线路上的寄生电阻和寄生电感因此可以认为此回路时短路状态，故可以认为此时MOSFET栅极和源极短路，因此栅极寄生电容储存的电荷很快就释放完毕，栅极电位也从之前的高电位很快就被拉到低于导通电位以下，此时MOSFET关闭。

进一步地，还包括稳压管，稳压管并联在MOSFET栅极和源极之间，对栅极电压进行钳位。使栅极对发射极的电位差不会过高。

进一步地，还包括放电电阻，放电电阻并联在MOSFET栅极和源极之间。当MOSFET栅极电位低于二极管、PNP三极管导通压降之和时，二极管、PNP三极管与MOSFET的栅极和源极的回路断开，此时栅极电位只有零点几伏，残存的电荷经过放电电阻流入源极。

本发明通过利用驱动变压器将互补PWM进行关联，解决了现有技术中对非正常情况下利用控制IC自身互补功能防止直通的方案单一而又不可靠的问题，并且没有加入多的元器件实现了在没有提升成本的情况下实现了绝对的防直通保护。在MOSFET关断过程中，通过利用三极管和二极管与MOSFET栅极和源极形成放电回路，大幅度地提升了MOSFET关断过程中的栅极寄生电容放电的速度从而大幅度加快了MOSFET关断的速度。使得MOSFET工作在更安全的环境中即提高了系统的可靠性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1示出了根据本发明一优选实施IGBT短路保护电路的结构框图。

图2为根据本发明一优选实施例的IGBT电路的结构示意图。

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，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在对本发明的电路结构进行说明之前，首先解释一下本发明的工作原理。PWM通过驱动变压器得到浮空的一组PWM信号分别作用在MOSFET（N沟道）的栅极上，当MOSFET栅极电位和其源极电位差高于其导通阈值（一般是5V）时MOSFET导通，此时栅极寄生电容充满电。当MOSFET驱动电压为低时，此时栅极的寄生电容放电直到栅极电位和源极电位的电位差小于其导通阈值时MOSFET关断。

基于以上原理，提出本发明的方案，以下将进行详细说明。

首先结合图1说明本发明的MOSFET无源隔离防直通快关驱动电路的构成，图1示出了本发明所述MOSFET无源隔离防直通快关驱动电路的结构图，如图1所示，所述无源隔离防直通快关驱动电路包括：隔离防直通单元1和栅极驱动及快速关断单元2。所述隔离防直通单元1用于防止MOSFET同时导通以及将PWM驱动信号隔离生成一组浮空的PWM驱动信号并将MOSFET栅极电位作为每个浮空驱动信号的基准电位。所述栅极驱动及快速关断单元2用于将隔离过后的PWM信号进行处理生成适合加在栅极上的PWM信号以及在MOSFET关断的时候加速栅极寄生电容的放电，加快MOSFET的关断速度。

如图2所示，以同一桥臂上的上下MOSFET为例，两个对无源隔离防直通快关驱动电路进行详细说明。

上MOSFET的无源隔离防直通快关驱动电路中，隔离防直通单元包括驱动变压器T1和隔直去耦电路，隔直去耦电路设置在驱动变压器T1的原边同名端，隔直去耦电路包括第一电阻R1和与第一电阻R1串联的第一电容C1，第一电容C1两端还反向并联有第一反向二极管D1。栅极驱动和快速关断单元包括栅极驱动单元和快速关断单元，栅极驱动单元包括第三电阻R3（前电阻）、第四电阻R4（后电阻）和连接在第三电阻R3、第四电阻R4之间的中间第二晶体二极管D2，第三电阻R3、第二晶体二极管D2、第四电阻R4串联成的线路的一端连接在驱动变压器T1副边同名端，线路的另一端连接在上MOSFET的栅极，快速关断单元包括第三晶体二极管D3、第一PNP三极管Q1、第二电阻R2（三极管驱动电阻）和第二电容C2（三极管驱动电容），第二电阻R2和第二电容C2并联后一端连接在驱动变压器副边同名端，另一端连接在第一PNP三极管Q1的基极，第三晶体二极管D3反向并联在第四电阻R4的两端，第一PNP三极管Q1的发射极和第三晶体二极管D3的阴极连接，第一PNP三极管Q1的集电极和上MOSFET源极连接，上MOSFET源极还和驱动变压器T1的副边异名端连接。第一稳压管D4并联在上MOSFET栅极和源极之间。第五电阻R5并联在下MOSFET栅极和源极之间。

下MOSFET的无源隔离防直通快关驱动电路中，隔离防直通单元包括驱动变压器T2和隔直去耦电路，隔直去耦电路设置在驱动变压器T2的原边同名端，隔直去耦电路包括第六电阻R6和与第六电阻R6串联的第三电容C3，第三电容C3两端还反向并联有第二反向二极管D5。栅极驱动和快速关断单元包括栅极驱动单元和快速关断单元，栅极驱动单元包括第八电阻R8（前电阻）、第九电阻R9（后电阻）和连接在第八电阻R8、第九电阻R9之间的中间第六晶体二极管D6，第八电阻R8、第六晶体二极管D6、第九电阻R9串联成的线路的一端连接在驱动变压器T2副边同名端，线路的另一端连接在下MOSFET的栅极，快速关断单元包括第七晶体二极管D7、第二PNP三极管Q2、第七电阻R7（三极管驱动电阻）和第四电容C4（三极管驱动电容），第七电阻R7和第四电容C4并联后一端连接在驱动变压器副边同名端，另一端连接在第二PNP三极管Q2的基极，第七晶体二极管D7反向并联在第九电阻R9的两端，第二PNP三极管Q2的发射极和第七晶体二极管D7的阴极连接，第二PNP三极管Q2的集电极和下MOSFET源极连接，下MOSFET源极还和驱动变压器T1的副边异名端连接。第二稳压管D8并联在下MOSFET栅极和源极之间。第十电阻R10并联在下MOSFET栅极和源极之间。

结合图2以上MOSFET驱动电路为主要说明对象，驱动信号PWMA经过隔直去耦电路到驱动变压器T1原边同名端，然后驱动变压器T1的原边异名端接互补PWMB来防止互补的PWM发生直通，隔离过后的PWMA信号直接以MOSFET的源极作为基准电位并通过R3、D2、R4组成的栅极驱动电路和R2、C2、Q1、D3组成的快速关断电路来控制MOSFET的导通和关断。

在一个实施例中，结合图2所述驱动变压器相当于互锁装置，例如当PWMA为高电位PWMB为低电平时驱动变压器T1副边上下两个引脚的电位差则是正，反之亦然。若PWMA和PWMB同时为高以及同时为低时驱动变压器T1副边上下两个引脚电位差为0V，T2副边和T1一致。故不管控制电路出现什么异常现象T1、T2副边上下引脚的电位差只有两种情况分别是一正一负或者同为0V。

进一步地，本发明以驱动变压器原边两引脚将互补PWM关联之后形成一类似互锁电路的功能，不管PWMA和PWMB的电位信号是什么状态，T1、T2副边上下引脚的电位差只有两种情况分别是一正一负或者同为0V。到MOSFET导通情况来看就是桥臂上下两管只会出现两种情况分别是一开一关或者同时关闭。这样发生直通的几率就为0，因此此电路百分百地抑制了直通现象的出现。

结合图2以上管驱动电路为主要说明对象，栅极驱动及快速关断电路2，当驱动变压器T1副边上下两引脚的电位差为正时，此时MOSFET导通。当驱动变压器副边上下两引脚电位差为负或者为0V时MOSFET关闭。

在一个实施例中，结合图2所述当驱动变压器T1副边上下两引脚的电位差为正时电流通过R3、D2、R4流入MOSFET栅极给栅极寄生电容充电，当栅极和发射极的电位差超过MOSFET导通阈值时，MOSFET开始导通；当栅极发射极电位差不变时栅极电容充电完毕，MOSFET完全导通。当驱动变压器T1副边上下两引脚的电位差为负或者为0V时第一PNP三极管Q1导通，此时D3、Q1与MOSFET的栅极和发射极形成回路，并且由于整条回路没有电阻只有线路上的寄生电阻和寄生电感因此可以认为此回路时短路状态，故可以认为此时MOSFET栅极和发射极短路，因此栅极寄生电容储存的电荷很快就释放完毕，栅极电位也从之前的高电位很快就被拉到低于导通电位以下此时MOSFET关闭。当MOSFET栅极电位低于D3和Q1导通压降之和时D3、Q1与MOSFET的栅极和发射极的回路断开，此时栅极电位只有零点几伏，残存的电荷经过R5流入发射极。

进一步地，本发明以二极管和三极管构成的快速关断放电回路关断速度在实测中比传统的二极管加电阻的快关电路关断速度快一倍左右，因此在用此快速关断电路时可以减小互补PWM的死区时间从而得到更大的效率。

以上对本发明的MOSFET无源隔离防直通快关驱动电路进行了描述。通过利用驱动变压器将互补PWM进行关联，解决了现有技术中对非正常情况下利用控制IC自身互补功能防止直通的方案单一而又不可靠的问题，并且没有加入多的元器件实现了在没有提升成本的情况下实现了绝对的防直通保护。在MOSFET关断过程中，通过利用三极管和二极管与MOSFET栅极和发射极形成放电回路，大幅度地提升了MOSFET关断过程中的栅极寄生电容放电的速度从而大幅度加快了MOSFET关断的速度。使得MOSFET工作在更安全的环境中即提高了系统的可靠性。

综上所述,本领域技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下,上述各有利方式可以自由地组合、叠加。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (6)

1.一种MOSFET无源隔离防直通快关驱动电路，其特征在于：包括隔离防直通单元、栅极驱动和快速关断单元，所述隔离防直通单元包括驱动变压器，栅极驱动和快速关断单元包括栅极驱动单元和快速关断单元；驱动变压器原边同名端接驱动信号PWM，原边异名端接互补驱动信号PWM，驱动变压器的副边通过栅极驱动和快速关断单元接MOSFET。

2.根据权利要求1所述的一种MOSFET无源隔离防直通快关驱动电路，其特征在于：隔离防直通单元还包括隔直去耦电路，隔直去耦电路设置在驱动变压器的原边同名端。

3.根据权利要求2所述的一种MOSFET无源隔离防直通快关驱动电路，其特征在于：隔直去耦电路包括电阻R和与电阻R串联的电容，电容两端还反向并联有反向二极管。

4.根据权利要求2所述的一种MOSFET无源隔离防直通快关驱动电路，其特征在于：栅极驱动单元包括前后两个电阻和连接在前后两个电阻之间的中间二极管，前电阻、中间二极管和后电阻串联成的线路的一端连接在驱动变压器副边同名端，线路的另一端连接在MOSFET的栅极，快速关断单元包括二极管、PNP三极管、三极管驱动电阻和三极管驱动电容，三极管驱动电阻和三极管驱动电容并联后一端连接在驱动变压器副边同名端，另一端连接在PNP三极管的基极，二极管反向并联在后电阻的两端，PNP三极管的集电极和二极管的阴极连接，PNP三极管的发射极和MOSFET源极连接，MOSFET源极还和驱动变压器的副边异名端连接。

5.根据权利要求2所述的一种MOSFET无源隔离防直通快关驱动电路，其特征在于：还包括稳压管，稳压管并联在MOSFET栅极和源极之间。

6.根据权利要求2所述的一种MOSFET无源隔离防直通快关驱动电路，其特征在于：还包括放电电阻，放电电阻并联在MOSFET栅极和源极之间。

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