CN112422115B - 基于mosfet实现负压关断的驱动电路及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于MOSFET实现负压关断的驱动电路，包括第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第一三极管、第二三极管、第三三极管、第四三极管、MOSFET管、稳压管、二极管和双向稳压管；本发明具有较好的动态性能，具有一定的保护能力且能够实现负压关断，减小关断时间和关断损耗且保证开关管的安全工作。

Description

基于MOSFET实现负压关断的驱动电路及控制方法

技术领域

本发明涉及开关管驱动电路领域，具体涉及一种基于MOSFET实现负压关断的驱动电路及控制方法。

背景技术

随着电力电子的发展，各种全控型开关器件应用已经十分普遍了，电力晶体管(GTR)与绝缘门极双极型晶体管(IGBT)常用于大功率场合，金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)常用于中小功率场合。电力MOSFET是压控型器件，只需要很小的驱动电流，它的开关速度非常高，十分适合在高频率环境下工作。驱动电路是功率变换器中重要一部分，它用来驱动开关器件。变换器的输出取决于驱动电路的工作状态，因此驱动电路是实现变换器期望输出的关键因素。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于MOSFET实现负压关断的驱动电路及控制方法，保证MOSFET开关管的可靠开通和关断，提高了驱动电路的可靠性。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于MOSFET实现负压关断的驱动电路，包括第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第一三极管、第二三极管、第三三极管、第四三极管、MOSFET管、稳压管、二极管和双向稳压管；所述输入端PWM信号正极接第一电阻的一端和第一电容的一端；所述第一电阻的另一端和第一电容的另一端分别与第一三极管的基极端相连接；所述第一三极管的集电极端与第二电阻的一端端和第二三极管的基极端分别连接；所述第二电阻的另一端与第三电阻的一端、直流电源的阳极端、稳压器的阴极端、第二电容的一端、第四电容的一端、第三三极管的集电极分别连接；所述第一三极管的发射极与第二三极管的发射机、直流电源的阴极端、第四电阻的一端、第五电阻的一端、第三电容的一端、第五电容的一端、第四三极管的集电极分别连接；所述第三电阻的另一端与第二三极管的集电极端、第七电阻的一端连接；所述第七电阻的另一端与第三三极管的基极端、第四三极管的基极端连接；第三三极管的发射极与第四三极管的发射极、二极管的阴极、第六电阻的一端分别连接；所述二极管的阳极与第六电阻的另一端、双向稳压管的阳极端和MOSFET管的栅极端分别连接；所述双向稳压管的阴极极端和MOSFET管的漏级端连接；所述二极管的阳极、第二电容的另一端、第四电容的另一端、第四电阻的另一端、第五电阻的另一端、第三电容的另一端、第五电容的另一端均接地。

进一步的，所述第一电容为滤波电容，第一电阻为滤波电阻；所述电路利用滤波电容和滤波电阻对对微处理器输入PWM信号中的高频噪音信号进行滤波。

进一步的，所述第一三极管、第二三极管和第三三极管为NPN三极管；所述第四三极管为PNP三极管。

进一步的，所述第一三极管、第二三极管采用两级调节的方式对输入PWM信号进行放大，并且使得驱动信号与PWM输出信号同相。

进一步的，所述第二电容、第三电容、第四电容和第五电容采用去耦电容。

一种基于MOSFET实现负压关断的驱动电路的控制方法，包括以下步骤：

通过第一电容和第一电阻对微处理器输入PWM信号中的高频噪音信号进行滤波；

第一三极管和第二三极管采用两级调节的方式对输入PWM信号进行放大，并且使得驱动信号与PWM输出信号同相；

根据第二电容、第三电容、第四电容、第五电容、稳压管、第四电阻和第五电阻对直流电源进行分压，形成稳定电源为第三三极管提供正压和为第四三极管提供负压；

电路PWM信号处于高电平时第三三极管基极承受正压，第三三极管集电极承受正压而导通，MOSFET管栅源极承受正向电压导通；当电路PWM信号处于低电平时，第二三极管饱和导通，第二三极管基极直接稳压电源输出负极，第四三极管集电极极承受负压而导通。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明保证MOSFET开关管的可靠开通和关断，提高了驱动电路的可靠性。

2、本发明只采用简单的分立式元件，不需要专业的芯片，结构简单，简单易行，价格低廉且可靠性高，非常适合MOSFET开关电路。

3、本发明利用了电势对地的电压差，使图腾柱的两个二极管开通状态都处于饱和状态，降低了损耗。

附图说明

图1是本发明的MOSFET实现负压关断的驱动电路；

图2是本发明驱动电路的流程图；

图3是本发明一实施例中MOSFET的开关模型；

图4是对于附图3实验测试占空比为66.7％的MOSFET管Q₅的电压U_gs和电流I_s波形图；

图5是本发明在CUK电路中应用实例；

图6是附图5测试的电压U_R7与直流电源U₁波形图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

请参照图1，本发明提供一种基于MOSFET实现负压关断的驱动电路，电路由滤波电容C₁、稳压电源电容C₂、C₃、C₄、C₅，滤波电阻R₁、电阻R₂、R₃、R₆、限流电阻R₇、稳压电阻R₄、R₅、直流电源U_d、NPN三极管Q₁、Q₂、Q₃、PNP三极管Q₄、MOSFET管Q₅、稳压管D₁、二极管D₂和双向稳压管D₃构成；所述输入端PWM信号正极接电阻R₁的阳极端和电容C₁的阳极端。电阻R₁的阴极端和电容C₁的阴极端接在NPN三极管Q₁的基极端，NPN三极管Q₁的集电极端接电阻R₂的阳极端和NPN三极管Q₂的基极端，电阻R₂的阴极端接电阻R₃的阴极端和直流电源U_d的阳极端，NPN三极管Q₁、Q₂的发射极端接直流电源U_d的阴极端，NPN三极管Q₂的集电极端接电阻R₃的阳极端，电阻R₃的阴极端接NPN三极管Q₃和PNP三极管Q₄的基极端，NPN三极管Q₃的集电极端接去耦电容C₂、C₄、稳压管D₁和直流电源U_d阳极，PNP三极管Q₄的集电极端接去耦电容C₃、C₅、稳压电阻R₄、R₅和直流电源U_d阴极，稳压管D₁与去耦电容C₂、C₄并联其阴极接稳压电阻R₄、R₅、去耦电源电容C₃、C₅的阳极并且接地，NPN三极管Q₃和PNP三极管Q₄的发射极接电阻R₆和二极管D₂的阳极端，电阻R₆和二极管D₂的阴极端接在保护电阻R₇、双向稳压管D₃的阳极端和MOSFET管Q₅的栅极端，MOSFET管Q₅的漏极端双向稳压管D₃的阴极端。

在本实施例中，优选的，电路利用滤波电容C₁和滤波电阻R₁对微处理器输入PWM信号中的高频噪音信号进行滤波，一般滤波电阻取330Ω，滤波电容C₁取0.1μF，两个NPN三极管Q₁和Q₂两级调节的方式对输入PWM信号进行放大，并且使得驱动信号与PWM输出信号同相。

在本实施例中，优选的，电路利用去耦电容C₂、C₃、C₄、C₅、去耦电容一般通常是一个大容量的100μF电解电容再并联一个小容量的0.1μF瓷片电容，稳压管D₁和稳压电阻R₄、R₅对直流电源U_d进行分压，稳压管选取1N4744，形成稳定电源为NPN三极管Q₃提供正压和为PNP三极管Q₄提供负压，直流电源U_d为两个NPN三极管Q₁和Q₂提供电源。

在本实施例中，优选的，电路PWM信号处于高电平时NPN三极管Q₃基极承受正压，NPN三极管Q₃集电极承受正压而导通，MOSFET管Q₅栅源极U_gs承受正向电压导通；当电路PWM信号处于低电平时，NPN三极管Q₂饱和导通，PNP基极直接稳压电源输出负极，PNP三极管Q₄集电极极承受负压而导通，此设计保证了MOSFET管Q₅的关断和并且加快导通关断速度。

在本实施例中，优选的，路因为走线电感和MOSFET管中结电容的可能存在谐振问题，导致驱动信号震荡对开关管的导通关断有影响，增加电阻R₆可以避免共振。电路图中二极管D₂作用在于加速放电回路。双向稳压管的作用是电压钳位，目的是保护MOSFET管不因为驱动信号失控被损坏。

实施例1：

参考图5，在本实施例中，系统包括主电路CUK电路和MOSFET实现负压关断的驱动电路。

在本实施例中，主电路是CUK电路，实现将直流电压12V电压降至5V的功能，由输入直流电压源U₁，电感L₁，滤波电感L₂，二极管D₄，滤波电容C₆，能量转移电容C₇，负载电阻R₇所组成。其中直流电压源U₁的阳极接电感L₁的阳极，电感L₁的阴极接MOSFET管Q₅的漏极和能量转移电容C₇的阳极，电容C₇的阴极接二极管阴极和滤波电感L₂的阳极，滤波电感L₂的阴极连接滤波电容C₆和负载电阻R₇的阳极，滤波电容C₆，负载电阻R₇的阴极，二极管的阳极，MOSFET管Q₅的源极和电源负极相接并且接地。主电路工作原理，可分为2个模式，MOSFET管Q₅导通，模式1开启。输入电流流过电感L₁和MOSFET管Q₅，电感L₁充电，于此同时电容C₇上的电压使二极管D₄方向截止，在这过程中，储存在C₇中的能量通过C₆，C₇，负载和L₂放电。在t＝t₁时刻Q₅关断，模式2开启。电容C₇由输入电源充电和存储在L₂中的能量转移到负载。主电路能量转移电容C₇取200μF，滤波电容C₆取350μF，电感L₁取180μH，滤波电感L₂取150μH，负载电阻取10Ω。

在本实施例中，MOSFET实现负压关断的驱动电路由滤波电容C₁、去耦电源电容C₂、C₃、C₄、C₅、滤波电阻R₁、电阻R₂、R₃、R₆、限流电阻R₇、稳压电阻R₄、R₅、直流电源U_d、NPN三极管Q₁、Q₂、Q₃、PNP三极管Q₄、MOSFET管Q₅、稳压管D₁、二极管D₂和双向稳压管D₃构成；所述输入端PWM信号正极接电阻R₁的阳极端和电容C₁的阳极端。电阻R₁的阴极端和电容C₁的阴极端接在NPN三极管Q₁的基极端，NPN三极管Q₁的集电极端接电阻R₂的阳极端和NPN三极管Q₂的基极端，电阻R₂的阴极端接电阻R₃的阴极端和直流电源U_d的阳极端，NPN三极管Q₁、Q₂的发射极端接直流电源U_d的阴极端，NPN三极管Q₂的集电极端接电阻R₃的阳极端和电阻R₇的阳极端，电阻R₇的阴极端接NPN三极管Q₃和PNP三极管Q₄的基极端，NPN三极管Q₃的集电极端接稳压电源电容C₂、C₄、稳压管D₁和直流电源U_d阳极，PNP三极管Q₄的集电极端接稳压电源电容C₃、C₅、稳压电阻R₄、R₅和直流电源U_d阴极，稳压管D₁与压电源电容C₂、C₄并联其阴极接稳压电阻R₄、R₅、稳压电源电容C₃、C₅的阳极并且接地，NPN三极管Q₃和PNP三极管Q₄的发射极接电阻R₆和二极管D₂的阳极端，电阻R₆和二极管D₂的阴极端接在双向稳压管D₃的阳极端和MOSFET管Q₅的栅极端，MOSFET管Q₅的漏极端接在双向稳压管D₃的阴极端。

优选的，在本实施例中，滤波电容C₁和滤波电阻R₁对微处理器输入PWM信号中的高频噪音信号进行滤波，两个NPN三极管Q₁和Q₂两级调节的方式对输入PWM信号进行放大，并且使得驱动信号与PWM输出信号同相。电路利用去耦电容C₂、C₃、C₄、C₅，稳压管D₁和稳压电阻R₄、R₅对直流电源U_d进行分压，形成稳定电源为NPN三极管Q₃提供正压和为PNP三极管Q₄提供负压，直流电源U_d为两个NPN三极管Q₁和Q₂提供电源。电路PWM信号处于高电平时NPN三极管Q₃基极承受正压，NPN三极管Q₃集电极承受正压而导通，MOSFET管Q₅栅源极U_gs承受正向电压导通；当电路PWM信号处于低电平时，NPN三极管Q₂饱和导通，PNP基极直接稳压电源输出负极，PNP三极管Q₄集电极极承受负压而导通，此设计保证了MOSFET管Q₅的关断和并且加快导通关断速度。电路因为走线电感和MOSFET管中结电容的可能存在谐振问题，导致驱动信号震荡对开关管的导通关断有影响，增加电阻R₆可以避免共振。电路图中二极管D₂作用在于加速放电回路。双向稳压管的作用是电压钳位，目的是保护MOSFET管不因为驱动信号失控被损坏。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (6)

1.一种基于MOSFET实现负压关断的驱动电路，其特征在于，包括第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第一三极管、第二三极管、第三三极管、第四三极管、MOSFET管、稳压管、二极管和双向稳压管；输入端PWM信号正极接第一电阻的一端和第一电容的一端；所述第一电阻的另一端和第一电容的另一端分别与第一三极管的基极端相连接；所述第一三极管的集电极端与第二电阻的一端和第二三极管的基极端分别连接；所述第二电阻的另一端与第三电阻的一端、直流电源的阳极端、稳压管的阴极端、第二电容的一端、第四电容的一端、第三三极管的集电极分别连接；所述第一三极管的发射极与第二三极管的发射机、直流电源的阴极端、第四电阻的一端、第五电阻的一端、第三电容的一端、第五电容的一端、第四三极管的集电极分别连接；所述第三电阻的另一端与第二三极管的集电极端、第七电阻的一端连接；所述第七电阻的另一端与第三三极管的基极端、第四三极管的基极端连接；第三三极管的发射极与第四三极管的发射极、二极管的阴极、第六电阻的一端分别连接；所述二极管的阳极与第六电阻的另一端、双向稳压管的阳极端和MOSFET管的栅极端分别连接；所述双向稳压管的阴极极端和MOSFET管的漏级端连接；所述稳压管的阳极、第二电容的另一端、第四电容的另一端、第四电阻的另一端、第五电阻的另一端、第三电容的另一端、第五电容的另一端均接地。

2.根据权利要求1所述的一种基于MOSFET实现负压关断的驱动电路，其特征在于，所述第一电容为滤波电容，第一电阻为滤波电阻；所述电路利用滤波电容和滤波电阻对对微处理器输入PWM信号中的高频噪音信号进行滤波。

3.根据权利要求1所述的一种基于MOSFET实现负压关断的驱动电路，其特征在于，所述第一三极管、第二三极管和第三三极管为NPN三极管；所述第四三极管为PNP三极管。

4.根据权利要求1所述的一种基于MOSFET实现负压关断的驱动电路，其特征在于，所述第一三极管、第二三极管采用两级调节的方式对输入PWM信号进行放大，并且使得驱动信号与PWM输出信号同相。

5.根据权利要求1所述的一种基于MOSFET实现负压关断的驱动电路，其特征在于：所述第二电容、第三电容、第四电容和第五电容采用去耦电容。

6.一种如权利要求1-3或5中任一项所述的基于MOSFET实现负压关断的驱动电路的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

通过第一电容和第一电阻对微处理器输入PWM信号中的高频噪音信号进行滤波；

第一三极管和第二三极管采用两级调节的方式对输入PWM信号进行放大，并且使得驱动信号与PWM输出信号同相；

根据第二电容、第三电容、第四电容、第五电容、稳压管、第四电阻和第五电阻对直流电源进行分压，形成稳定电源为第三三极管提供正压和为第四三极管提供负压；

电路PWM信号处于高电平时第三三极管基极承受正压，第三三极管集电极承受正压而导通，MOSFET管栅源极承受正向电压导通；当电路PWM信号处于低电平时，第二三极管饱和导通，第二三极管基极直接稳压电源输出负极，第四三极管集电极极承受负压而导通。