CN113422500A - 一种卫星电源功率使能n沟道mosfet驱动电路 - Google Patents

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Abstract

一种卫星电源功率使能N沟道MOSFET驱动电路，包括使能信号输入电路、隔离放大电路和浮地驱动信号生成电路。使能信号输入电路接收外部输入的原始使能信号送至隔离放大电路。隔离放大电路对使能信号进行同相放大后送至浮地驱动信号生成电路，同时对前后两级电路中的电源进行隔离。浮地驱动信号生成电路接收同相放大后的使能信号，并再次进行同相放大后送至N沟道MOSFET的栅极和源极之间，对N沟道MOSFET进行开关控制。本发明可以实现对卫星开关电源的N沟道MOSFET的浮地驱动控制，通过对驱动电路设置使能信号，可以在每一路中控制该路驱动电路输出信号以控制多路浮地开关管的通断。

Description

一种卫星电源功率使能N沟道MOSFET驱动电路
技术领域
本发明属于卫星电源技术领域，涉及一种卫星电源功率使能N沟道MOSFET驱动电路。
背景技术
在卫星电源中，功率电路应能根据需要在开通与关断状态之间切换，从而实现加断电功能，因此需要通过MOSFET对每路输入母线进行使能控制。
若采用P沟道MOSFET，则栅极电压较源极电压低时MOSFET导通，可以直接利用分压电阻从输入母线获得所需开通电压，驱动方式较方便。对于功率电路中起使能作用的MOSFET而言，由于开关频率非常低，持续开通时间较长，因此主要损耗来自于MOSFET导通时的损耗。而卫星电源常用的P沟道MOSFET导通损耗较大，难以满足大电流电路应用于高效率卫星电源的要求。因此，高效率大电流电路的使能开关管采用N沟道MOSFET为佳。
然而，N沟道MOSFET开启的条件为栅极电压较源极电压高12V左右，需要浮地驱动，无法通过母线分压得到，只能额外提供一路浮地的12V电源。基于卫星电源高可靠性等特点，卫星电源中往往采用多路功率电路并联实现大功率输出，通过多副边绕组变压器同时产生多路浮地驱动电压。通过多路使能信号，可以实现多路功率电路不同时供电的功能以满足卫星电源工作需要。
目前MOSFET驱动电路研究中很少有针对浮地的情况，或者虽然考虑了浮地情况，但针对的是利用源极电压分压进行驱动的P沟道MOSFET，没有考虑需更高电压驱动浮地的N沟道MOSFET，也没有考虑需要多路浮地驱动电压的情况。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种卫星电源功率使能N沟道MOSFET驱动电路，以实现对卫星开关电源的N沟道MOSFET的浮地驱动控制，通过对驱动电路设置使能信号，可以在每一路中控制该路驱动电路输出信号以控制多路浮地开关管的通断。
本发明的技术解决方案是：一种卫星电源功率使能N沟道MOSFET驱动电路，包括：使能信号输入电路、隔离放大电路和浮地驱动信号生成电路，其中：
使能信号输入电路：接收外部输入的原始使能信号并对其进行反相处理后送至隔离放大电路，为隔离放大电路输出信号的电平变化提供转变依据；
隔离放大电路：对使能信号输入电路的输出信号进行反相放大处理，也即对输入的原始使能信号进行同相放大后送至浮地驱动信号生成电路，同时对使能信号输入电路和浮地驱动信号生成电路中的电源进行隔离；
浮地驱动信号生成电路：接收同相放大后的使能信号，通过三极管的通断实现N沟道MOSFET的栅极电压与使能信号同步变化，栅极电压与源极之间的电压差形成浮地驱动电压，对N沟道MOSFET进行开关控制；
所述N沟道MOSFET源极为浮地而非零电位大地。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明公开了一种卫星电源功率使能N沟道MOSFET驱动电路，在空间电源领域中系首次使用。该电路对N沟道MOSFET的驱动通过施加栅源极电压实现，对驱动的使能控制通过栅源极三极管的导通或关断实现。可以在MOSFET源极为浮地的情况下，通过控制三极管因无足够基极电压而断路实现MOSFET获得足够大驱动电压而可靠开通，通过栅源极间的三极管在导通时两端电压较小实现MOSFET可靠关断。本发明实现了对卫星用N沟道MOSFET的驱动控制，经验证发明电路有效且可靠性高，避免了在多路控制中采用多个变压器导致的体积大重量大等问题。
附图说明
图1为N沟道MOSFET驱动电路使能控制多路放电电路示意图；
图2为本发明卫星电源功率使能N沟道MOSFET驱动电路原理图；
图3为本发明实施例中一种Saber仿真结果示意图。
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，下面将结合说明书附图对本发明作进一步的详细描述。
如图1所示，星载蓄电池组为多路放电电路供电，每路放电电路以N沟道MOSFET作为放电开关，通过每路设置使能驱动电路控制放电开关通断以控制各路放电电路独立工作。本发明电路涉及其中的使能驱动电路。当某路放电电路需要工作时，该路驱动电路的使能信号为高电平，驱动电路对应输出驱动信号为高电平，该路MOSFET开通，蓄电池为该路放电电路供电；当某路放电电路需要停止工作时，该路驱动电路的使能信号为低电平，驱动电路对应输出驱动信号为低电平，该路MOSFET关断，蓄电池无法为该路放电电路供电，对应放电电路不工作。
如图2所示，为本发明卫星电源功率使能N沟道MOSFET驱动电路的原理框图，本驱动电路包括：一级使能信号输入电路，接收外部输入的原始使能信号并对其进行反相处理后送至隔离放大电路，为隔离放大电路输出信号的电平变化提供转变依据，包括NPN型三极管Q1，三极管Q1基极电阻R1、下拉电阻R2、上拉电阻R3；二级隔离放大电路，增强驱动能力同时隔离一级电路电源与三级电路电源，包括NPN型三极管Q2、Q3，三极管Q2基极电阻R4，三极管Q3基极电阻R5、下拉电阻R6；三级浮地驱动信号生成电路，接收同相放大后的使能信号，并在隔离放大电路能够提供足够大电流及无源信号的帮助下，通过三极管的通断实现N沟道MOSFET的栅极电压与使能信号同步变化，栅极电压与源极之间的电压差形成浮地驱动电压，对N沟道MOSFET进行开关控制，包括PNP型三极管Q4、Q5，三极管Q4基极电阻R7、自举电阻R11、上拉电阻R10，三极管Q5基极电阻R8、自举电阻R9。三极管Q2、Q3基极通过各自基极电阻接三极管Q1集电极，三极管Q2发射极连接三极管Q3集电极，实现三极管Q2集电极信号相对三极管Q1基极信号同相放大变化；三极管Q4、Q5通过各自基极电阻接三极管Q2集电极，三极管Q4集电极连接三极管Q5发射极，以实现三极管Q4发射极信号相对三极管Q1基极信号同相放大变化；使能信号通过三极管Q1的基极电阻R1接到三极管Q1；当使能信号为高电平时，N沟道MOSFET开通；当使能信号为低电平时，N沟道MOSFET关断，实现对N沟道MOSFET的使能控制。
在本发明的一优选实施例中，三极管Q1基极连接电阻R1一端及电阻R2一端，三极管Q1集电极连接电阻R3一端及电阻R4、电阻R5一端，三极管Q1发射极接电阻R2另一端及地GND。三极管Q2基极连接电阻R4另一端，三极管Q2集电极接电阻R7和电阻R8一端。三极管Q3基极连接电阻R5另一端及电阻R6一端，三极管Q3发射极连接电阻R6另一端及地GND。三极管Q4基极连接电阻R7另一端及电阻R11一端，三极管Q4集电极接三极管Q5发射极及电阻R9一端，三极管Q4发射极接电阻R11另一端及电阻R10一端。三极管Q5基极连接电阻R8另一端及电阻R9另一端，三极管Q5发射极接电阻R9一端及三极管Q4集电极。电压VCC通过电阻R3连接三极管Q1集电极，电压VCC-GS通过电阻R10连接三极管Q4发射极。N沟道MOSFET栅极G接三极管Q4发射极，N沟道MOSFET源极S接三极管Q5集电极。N沟道MOSFET源极S为浮地而非零电位大地。
在本发明的一优选实施例中，为保障三极管Q2与三极管Q3导通临界电流等参数的基本一致性，设置R4＝R5；为保障三极管Q4与三极管Q5导通临界电流等参数的基本一致性，设置R7＝R8。为同时兼顾卫星电源高效率、高驱动能力的要求，三极管基极电阻R1、R4、R5、R7、R8的取值范围为1k～10K。为满足卫星电源器件防静电要求，三极管基极与发射极之间的电阻R2、R6、R9、R11值应较大，取值范围在10K～100K。为在节约功耗的同时提供足够大驱动电流及合适的开通速度，设置上拉电阻R3、R10取值范围应在1K～10K。
下面对该卫星电源功率使能N沟道MOSFET驱动电路工作原理进行说明。
A、使能信号为高电平时，NPN型三极管Q1基极为高电平，三极管Q1导通，三极管Q1集电极电压为低电平，有较大电流流过电阻R3。此时，NPN型三极管Q2、三极管Q3基极为低电平因此不导通，无电流流过。因此，PNP型三极管Q4与三极管Q5的基极为高电平不导通。此时，电压VCC-GS经过电阻R10后直接加在N沟道MOSFET栅极，N沟道MOSFET栅源极压差使得N沟道MOSFET开通。
B、使能信号为低电平时，NPN型三极管Q1基极为低电平，三极管Q1不导通，三极管Q1集电极电压为高电平。此时，电压VCC经电阻R3后接到NPN型三极管Q2、三极管Q3的基极电阻，三极管Q2、三极管Q3基极为高电平导通。因此，PNP型三极管Q4与三极管Q5的基极为低电平导通。此时，N沟道MOSFET栅极与源极的电压差为三极管Q4发射极与三极管Q5集电极导通后的电压差，该值较小为低电平，因此N沟道MOSFET关断。
需要知道的是，电压VCC为12V，电压VCC-GS大小为MOSFET源极电压大小加12V。三极管Q1发射极与三极管Q3发射极所接地GND与放电电路地GND为同一接地点，而与N沟道MOSFET源极并非同一点，即该MOSFET源极为浮地。三极管Q1、三极管Q3与三极管Q5基极与发射极间的电阻可防止静电对三极管造成损伤。
在上述原理论述的基础上，下面以某星载恒流电源功率输入MOS开关管驱动为实例进行说明。
某星载恒流电源输入为可调电压，可以提供20A恒定输出电流，其输入开关管采用N沟道MOSFET使能控制功率回路通路，使能驱动电路采用本发明实施电路。使能信号工作模式为：周期2s，使能时间1s，高电平12V，低电平0V。驱动电路Saber仿真结果如图3所示。
设置VCC为12V，母线电压为42V，VCC_GS为54V。如图3所示，图中第一个波形“Enable Signal”为使能信号波形，第二个波形“Q1_C”为三极管Q1集电极电压波形，第三个波形“Q2_C”为三极管Q2集电极电压波形，第四个波形“GS”为MOSFET驱动波形，即栅极与源极间电压波形。当使能信号为高电平时，由于此时三极管Q1导通，因此三极管Q1集电极电压为低电平，三极管Q2、三极管Q3不导通，三极管Q2集电极无电流。因此三极管Q4不导通，电阻R10上无电流流过，VCC_GS电压54V直接加在Q2集电极，MOSFET栅极电压为VCC_GS，栅极与源极电压差为12V，N沟道MOSFET开通。当使能信号为低电平时，由于此时三极管Q1不导通，因此三极管Q1集电极电压为高电平，三极管Q2、三极管Q3导通，三极管Q2集电极有电流流过。三极管Q4因发射极电压高于基极电压而导通，电阻R10上有电流流过。此时栅极与源极电压差为三极管Q4与三极管Q5的导通压降，该值非常小接近0，N沟道MOSFET关断。
仿真结果表明，本发明实施例所述卫星电源功率使能N沟道MOSFET驱动电路可行。
本发明实施例所述的卫星电源功率使能N沟道MOSFET驱动电路已应用于某卫星型号，在空间电源领域属于首次使用。经过一系列空间环境鉴定试验，该卫星电源功率使能N沟道MOSFET驱动电路性能优异，适用于高效率大电流星载电源中对N沟道MOSFET使能驱动，具有可行性和高可靠性。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种卫星电源功率使能N沟道MOSFET驱动电路，其特征在于包括：使能信号输入电路、隔离放大电路和浮地驱动信号生成电路，其中：
使能信号输入电路：接收外部输入的原始使能信号并对其进行反相处理后送至隔离放大电路，为隔离放大电路输出信号的电平变化提供转变依据；
隔离放大电路：对使能信号输入电路的输出信号进行反相放大处理，也即对输入的原始使能信号进行同相放大后送至浮地驱动信号生成电路，同时对使能信号输入电路和浮地驱动信号生成电路中的电源进行隔离；
浮地驱动信号生成电路：接收同相放大后的使能信号，通过三极管的通断实现N沟道MOSFET的栅极电压与使能信号同步变化，栅极电压与源极之间的电压差形成浮地驱动电压，对N沟道MOSFET进行开关控制；
所述N沟道MOSFET源极为浮地而非零电位大地。
2.根据权利要求1所述的一种卫星电源功率使能N沟道MOSFET驱动电路，其特征在于：所述的使能信号输入电路，包括NPN型三极管Q1、基极电阻R1、下拉电阻R2、上拉电阻R3；三极管Q1的基极连接基极电阻R1一端及下拉电阻R2一端，基极电阻R1的另一端接外部输入的原始使能信号，三极管Q1的集电极连接上拉电阻R3一端并作为使能信号输入电路的输出端，上拉电阻R3的另一端接电源VCC，三极管Q1的发射极接电阻R2的另一端及地GND。
3.根据权利要求2所述的一种卫星电源功率使能N沟道MOSFET驱动电路，其特征在于：所述的隔离放大电路，包括NPN型三极管Q2、NPN型三极管Q3、基极电阻R4、基极电阻R5、下拉电阻R6；电阻R4、电阻R5的同时接使能信号输入电路的输出端，电阻R4的另一端连接三极管Q2的基极，电阻R5的另一端同时接三极管Q3的基极以及电阻R6的一端，三极管Q3的发射极连接电阻R6的另一端及地GND，三极管Q2的发射极接三极管Q3的集电极，三极管Q2的集电极作为隔离放大电路的输出端。
4.根据权利要求3所述的一种卫星电源功率使能N沟道MOSFET驱动电路，其特征在于：所述的浮地驱动信号生成电路，包括PNP型三极管Q4、PNP型三极Q5、基极电阻R7、自举电阻R11、上拉电阻R10、基极电阻R8、自举电阻R9；三极管Q4的基极同时接电阻R7和电阻R11的一端，三极管Q5的基极同时接电阻R8和电阻R9的一端，电阻R7的另一端以及电阻R8的另一端同时接隔离放大电路的输出端，电阻R9的另一端同时接三极管Q4的集电极和三极管Q5的发射极，三极管Q5的集电极接N沟道MOSFET的源极端，电阻R11的另一端同时接电阻R10的一端、三极管Q4的发射极以及N沟道MOSFET的栅极端，电阻R10的另一端接电源VCC-GS。
5.根据权利要求4所述的一种卫星电源功率使能N沟道MOSFET驱动电路，其特征在于：所述的电源VCC的电压为12V，电源VCC-GS的电压为N沟道MOSFET的源极电压大小加12V。
6.根据权利要求5所述的一种卫星电源功率使能N沟道MOSFET驱动电路，其特征在于：所述的电阻R4和电阻R5的阻值相等。
7.根据权利要求5所述的一种卫星电源功率使能N沟道MOSFET驱动电路，其特征在于：所述的电阻R7和电阻R8的阻值相等。
8.根据权利要求5所述的一种卫星电源功率使能N沟道MOSFET驱动电路，其特征在于：所述的电阻R1、电阻R4、电阻R5、电阻R7和电阻R8的阻值范围为1k～10K。
9.根据权利要求5所述的一种卫星电源功率使能N沟道MOSFET驱动电路，其特征在于：所述的电阻R2、电阻R6、电阻R9和电阻R11的阻值范围为10K～100K。
10.根据权利要求5所述的一种卫星电源功率使能N沟道MOSFET驱动电路，其特征在于：所述的电阻R3和电阻R10的阻值范围为1K～10K。
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