CN113676024A - 应用于nmos管的栅极电路、开关电源电路以及充电器 - Google Patents

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Abstract

本申请属于电源技术领域，提供了一种应用于NMOS管的栅极电路、开关电源电路以及充电器，栅极电路包括缓冲模块以及PNP三极管模块。PNP三极管模块的发射极与缓冲模块的第一端共接于NMOS管的栅极；PNP三极管模块的基极与缓冲模块的第二端共接，用于接收驱动信号，PNP三极管模块的集电极接地，通过缓冲模块降低NMOS管开启时LC振荡从而降低NMOS管的开启损耗，在NMOS管关闭时通过PNP三极管开启能快速将NMOS管的电压泄放，降低NMOS管的关闭损耗。

Description

应用于NMOS管的栅极电路、开关电源电路以及充电器
技术领域
本申请属于电源技术领域，尤其涉及一种应用于NMOS管的栅极电路、开关电源电路以及充电器。
背景技术
目前，在3C数码领域，功率小于等于150W的充电器的电路结构一般采用反激式开关电源拓扑结构，充电器中反激式开关电源拓扑结构原理为变压器初级高压侧连接NMOS管，由驱动电路输出高电平使NMOS管栅极电压上升至大于临界开启电压后NMOS管导通，实现变压器存储能量，输出低电平使NMOS管栅极电压泄放至低于临界开启电压后NMOS管关断，实现变压器释放能量。
然而，由于变压器电路中的初级线圈电压高，与其连接的NMOS管在开启和关断的过程中存在损耗较大的问题。
发明内容
本申请的目的在于提供一种应用于NMOS管的栅极电路、开关电源电路以及充电器，旨在解决由于变压器电路中的初级线圈电压高，与其连接的MOS管在开启和关断的过程中存在损耗较大的问题。
本申请实施例第一方面提供了一种应用于NMOS管的栅极电路，所述栅极电路包括：缓冲模块以及PNP三极管模块；
所述PNP三极管模块的发射极与所述缓冲模块的第一端共接于所述NMOS管的栅极；
所述PNP三极管模块的基极与所述缓冲模块的第二端共接，用于接收驱动信号，所述PNP三极管模块的集电极接地。
在一个实施例中，所述NMOS管为氮化镓场效应晶体管。
在一个实施例中，所述缓冲模块包括至少一个缓冲电阻，所述至少一个缓冲电阻的第一端与所述PNP三极管模块的发射极连接，所述至少一个缓冲电阻的第二端与所述PNP三极管模块的基极连接。
本申请第二方面还提供了一种开关电源电路，所述开关电源电路包括：变压器电路、NMOS管、限流电路以及上述任一项所述的栅极电路，其中：
所述NMOS管的漏极与所述变压器电路的初级线圈连接，所述NMOS管的源极与所述限流电路的第一端相接，所述NMOS管的栅极与所述栅极电路连接；
所述限流电路的第二端接地。
在一个实施例中，所述开关电源电路还包括：与所述变压器电路的初级线圈连接的第一整流滤波电路；
所述第一整流滤波电路用于接入交流电，并将所述交流电进行整流滤波处理生成直流电输出至所述变压器电路
在一个实施例中，所述开关电源电路还包括：与所述变压器电路的次级线圈连接的第二整流滤波电路；
所述第二整流滤波电路用于对所述变压器电路输出的直流电进行整流滤波处理。
在一个实施例中，所述开关电源电路还包括：驱动电路，与所述栅极电路连接，用于向所述栅极电路发送驱动信号。
在一个实施例中，所述变压器电路包括：第一电阻、第一二极管、变压器以及第一电容；
其中，所述第一电阻第一端与所述第一电容的第一端共接入变压器的初级线圈的第一端；
所述第一电阻的第二端与所述第一电容的第二端共接入第一二极管的阴极；
所述第一二极管的阳极与所述变压器的初级线圈的第二端共接于所述NMOS管的漏极。
在一个实施例中，所述限流电路包括：第二电阻，所述第二电阻的第一端连接所述NMOS管的源极，所述第二电阻的第二端接地。
本申请实施例第三方面还提供了一种充电器，所述充电器包括如上述任一项的开关电源电路。
本申请实施例提供了一种应用于NMOS管的栅极电路、开关电源电路以及充电器，栅极电路包括缓冲模块以及PNP三极管模块。PNP三极管模块的发射极与缓冲模块的第一端共接于NMOS管的栅极；PNP三极管模块的基极与缓冲模块的第二端共接，用于接收驱动信号，PNP三极管模块的集电极接地，通过缓冲模块降低NMOS管开启时LC振荡从而降低NMOS管的开启损耗，在NMOS管关闭时通过PNP三极管开启能快速将NMOS管的电压泄放，降低NMOS管的关闭损耗。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的应用于NMOS管的栅极电路的功能框图；
图2为本申请实施例提供的一种缓冲模块与PNP三极管的连接电路原理示意图；
图3为本申请实施例提供的开关电源电路功能框图；
图4为本申请实施例提供的第一整流滤波电路与开关电源电路的连接示意图；
图5为本申请实施例提供的第二整流滤波电路与开关电源电路的连接示意图；
图6为本申请实施例提供的驱动电路与开关电源电路的连接示意图；
图7为本申请实施例提供的充电器的电路原理示意图。
附图标记：
101：缓冲模块；102：PNP三极管模块；103：NMOS管；104：变压器电路；105：限流电阻；106：第一整流滤波电路；107：第二整流滤波电路；108：驱动电路；
R1：第一电阻；C1：第一电容；D1：第一二极管；R2：第二电阻；Q：PNP三极管；Re：缓冲电阻；BD：整流桥电路；C2：第二电容；C3：第三电容；D2：第二二极管。
具体实施方式
为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在NMOS开启过程中，如果驱动电路输出直接连接NMOS管栅极，NMOS管导通时漏极电压会出现过高的dv/dt，即高频下，由于漏极与栅极间的结电容即米勒电容影响，栅极电压瞬间被拉低致使NMOS管再次关断，会形成MOS管结电容与电路板寄生电感的LC振荡，引起发热增加开启过程损耗，所以驱动电路输出不能直接连接NMOS管栅极。
为了解决上述技术问题，本申请实施例提供了一种应用于NMOS管的栅极电路，图1为本申请实施例提供的应用于NMOS管的栅极电路的功能框图，结合图1所示，本实施例中的栅极电路包括缓冲模块101、PNP三极管模块102、NMOS管103。
PNP三极管模块102的发射极与缓冲模块101的第一端共接于NMOS管103的栅极；PNP三极管模块102的基极与缓冲模块101的第二端共接，用于接收驱动信号，PNP三极管模块102的集电极接地。
具体的，在本实施例中，PNP三极管模块102至少包括一个PNP三极管，PNP三极管用于形成一个泄放通道，缓冲模块101能适当降低NMOS管103的开启速度避免产生振荡增加损耗。
缓冲模块101与NMOS管103固有的输入电容构成RC充放电电路，其放电时间会增加MOS管关断过程时间，缓冲模块101并联PNP三极管模块102后，NMOS管103关断瞬间，缓冲模块101的第一端和第二端会形成压差，使PNP三极管模块102的发射极和集电极导通，从而加速NMOS管103的电压泄放，降低NMOS管103关断时的损耗。
在NMOS管103的关断过程中，栅极电压泄放速度越快，关断过程损耗越小。而使NMOS管103关断的最快方式是将其栅极与源极短路(例如，通过栅极对公共地短路)。但如上所述，驱动电路108输出低电平(例如公共地的电平)控制NMOS管103关断，且输出不能直接连接NMOS管103的栅极。
由于氮化镓快充充电器的大功率及氮化镓MOS管的低开启电压特点，对降低使用的高压NMOS管103损耗提出更高的要求，在本实施例中，通过缓冲模块101与PNP三极管模块102组合形成一种无源控制的栅极电路，可以避免采用NPN三极管Q时其基极需要连接高电平使其导通，从而导致需要额外增加输出高电平的电路的问题。
在一个实施例中，PNP三极管模块102至少由一个PNP三极管Q组成，PNP三极管Q的额定电流可以在1A以上。
在一个实施例中，流过PNP三极管模块102的电流可通过集电极串联一个或多个限流电阻的方式限制。
例如，参见图2所示，PNP三极管模块102可以包括一个PNP三极管Q，所述PNP三极管Q的基极与缓冲电阻Re的第一端共接于驱动电路108，PNP三极管Q的发射极与缓冲电阻Re的第二端连接NMOS管103的栅极，PNP三极管Q的集电极接地。
在一个实施例中，NMOS管103可以为氮化镓场效应晶体管。
氮化镓NMOS管因高耐压下导通内阻低，开关速度快，可以作为高压NMOS管应用在AC充电器中，更能实现充电器体积小型化，功率更大化，正在成为市场的主流。在本实施例中，通过在氮化镓场效应晶体管的栅极设置上述实施例中的栅极电路，可以通过一种无源控制的方式使得氮化镓场效应晶体管快速关断，并尽可能降低关断损耗。
在一个实施例中，NMOS管103的导通阻值可以为160毫欧，耐压值可以为650伏，临界开启关断电压可以为1伏。
在一个实施例中，缓冲模块101包括至少一个缓冲电阻Re，至少一个缓冲电阻Re的第一端与PNP三极管模块102的发射极连接，至少一个缓冲电阻Re的第二端与PNP三极管模块102的基极连接。
在本实施例中，缓冲模块101中的缓冲电阻Re可以为一个或者多个，若为多个，多个缓冲电阻可以串联、并联或者串联和并联组合的形式形成缓冲模块101。
例如，缓冲模块101中的一个缓冲电阻Re并联在一个PNP三极管Q的发射极和基极之间，缓冲电阻Re的阻值大于100欧，缓冲电阻Re的存在减弱了NMOS管103开启过程中的振荡从而降低了NMOS管103的损耗。
图3为本申请实施例提供的开关电源电路的功能框图，结合图3所示，包括变压器电路104、NMOS管103、限流电路105、缓冲模块101和PNP三极管模块102。
NMOS管103的漏极与变压器电路104的第三端相连，NMOS管103的源极与限流电路105的第一端相接，NMOS管103的栅极与PNP三极管模块102的发射极和缓冲模块101的第二端共接；变压器电路104的第一端输入高压直流电，变压器电路104的第二端输出低压直流电；限流电路105的第二端接地。
在一个实施例中，参见图4所示，开关电源电路还包括：第一整流滤波电路106，第一滤波电路106用于接入交流电，并将交流电进行整流滤波处理生成直流电输出至变压器电路104。
在本实施例中，第一整流滤波电路106的第一端可以输入AC交流市电，经过整流滤波后变为直流电从第一整流滤波电路106的第二端输出。
例如，结合图4和图7所示，第一滤波电路106的第一端输入交流电，第一滤波电路106的第二端连接变压器电路104的第一端；第一滤波电路106包括整流桥电路BD和第二电容C2，其中，整流桥电路BD的第一边接收高压交流电，第二边与第二电容C2共同接入变压器电路104。
在一个实施例中，参见图5所示，开关电源电路还包括：第二整流滤波电路107，第二整流滤波电路107用于对变压器电路104输出的直流电进行整流滤波处理。
本实施例中，第二整流滤波电路107的第一端接收来自变压器电路104输送的低压直流电，经过整流滤波后输出负载所需的直流电。
例如，参见图5和图7所示，第二滤波电路107的第一端连接变压器电路的第二端，第二整流滤波电路107的第二端输出低压直流电；第二整流滤波电路107包括第二二极管D2，第三电容C3，其中第二二极管D2阳极接入变压器T的次级线圈的第一端，第三电容C3并联第二二极管D2与变压器T的次级线圈的第二端。
在一个实施例中，参见图6所示，开关电源电路还包括驱动电路108，驱动电路108与所述栅极电路连接，用于向栅极电路发送驱动信号。
在本实施例中，驱动电路108中的驱动芯片用以接收来自第一整流滤波电路106、变压器电路104、第二整流滤波电路107和限流电路105中的电流信号并处理这些电流信号然后输出驱动信号控制NMOS管103的开启与关闭。
在本实施例中，驱动电路108可以采用准谐振控制模式输出驱动信号控制NMOS管103的开启和关闭。
准谐振控制模式是指变压器T的初级线圈能量释放完毕后，变压器T的初级电感和NMOS管103的结电容进行谐振从而使NMOS管103的栅极、漏极端的电压或电流呈正弦波变化规律，NMOS管103的结电容放电到最低时，NMOS管103开启导通，由此降低了NMOS管103开通时的损耗，提高NMOS管103的效率。
在一个实施例中，参见图7所示，变压器电路104包括第一电阻R1、第一二极管D1、变压器T以及第一电容C1。
第一电阻R1的第一端与第一电容C1的第一端共接入变压器T的初级线圈的第一端；第一电阻R1的第二端与第一电容C1的第二端共接入第一二极管D1的阴极；第一二极管D1的阳极与变压器T的初级线圈的第二端共接与NMOS管103的漏极。
在本实施例中，变压器电路104与NMOS管103构成反激拓扑式结构，当NMOS管103开启时，变压器T的初级线圈储存能量，当NMOS管103关闭时，变压器T的初级线圈释放能量到变压器T的次级线圈。
在一个实施例中，限流电路包括第二电阻R2，第二电阻R2的第一端连接NMOS管103的源极，第二电阻R2的第二端的接地。
在本实施例中，第二电阻R2的阻值可根据NMOS管103的额定电流而定，第二电阻R2连接NMOS管103的源极能降低通过NMOS管103的电流，达到防止NMOS管103短路的目的。
图7为本申请的一个实施例提供的充电器的电路原理示意图。
在本实施例中，高压交流电经第一整流滤波电路106变为高压直流电，当驱动电路108输出高电平使NMOS管103的栅极端电压上升至大于临界开启电压后NMOS管103导通，实现变压器T的初级线圈存储能量；当驱动电路108输出低电平使NMOS管103的栅极端电压泄放至低于临界开启电压后NMOS管103关断，实现变压器T释放能量到变压器T的次级线圈，次级线圈输出低压直流电，低压直流电再经过第二整流滤波电路107后输出负载所需的直流电。
在一个实施例中，充电器的的功率小于等于150瓦。
缓冲模块101中的缓冲电阻Re与NMOS管103的栅极端相连，能降低NMOS管的开启速度避免NMOS管103的结电容与充电器电路的寄生电感产生的LC振荡，因此，本申请通过增加缓冲模块101降低NMOS管103的开启速度从而降低NMOS管103的损耗。
当驱动电路108输出低电压时，NMOS管103关断，NMOS管103的栅极端电压泄放速度越快，关断过程损耗越小，而在NMOS管103关断时，缓冲模块101和NMOS管103中结电容构成RC放电电路并与驱动电路108的低电平形成电压差，缓冲模块101与PNP三极管模块102并联的方式可使PNP三极管模块102在无源控制的情况下实现PNP三极管Q的开启，实现NMOS管103的栅极端电压的快速泄放。
由此可见，本申请的开关电源电路，优化了反激开关电源拓扑结构，通过增加缓冲模块101来降低NMOS管103的振荡从而降低NMOS管开启时的损耗，通过加快NMOS管103的关断时间来降低NMOS管103关断时的损耗，采用无源控制PNP三极管Q导通的方式也降低了开关电源电路的成本。
以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种应用于NMOS管的栅极电路，其特征在于，所述栅极电路包括：缓冲模块以及PNP三极管模块；
所述PNP三极管模块的发射极与所述缓冲模块的第一端共接于所述NMOS管的栅极；
所述PNP三极管模块的基极与所述缓冲模块的第二端共接，用于接收驱动信号，所述PNP三极管模块的集电极接地。
2.如权利要求1所述的栅极电路，其特征在于，所述NMOS管为氮化镓场效应晶体管。
3.如权利要求1所述的栅极电路，其特征在于，所述缓冲模块包括至少一个缓冲电阻，所述至少一个缓冲电阻的第一端与所述PNP三极管模块的发射极连接，所述至少一个缓冲电阻的第二端与所述PNP三极管模块的基极连接。
4.一种开关电源电路，其特征在于，所述开关电源电路包括：变压器电路、NMOS管、限流电路以及如权利要求1-3任一项所述的栅极电路，其中：
所述NMOS管的漏极与所述变压器电路的初级线圈连接，所述NMOS管的源极与所述限流电路的第一端相接，所述NMOS管的栅极与所述栅极电路连接；
所述限流电路的第二端接地。
5.如权利要求4所述的开关电源电路，其特征在于，所述开关电源电路还包括：与所述变压器电路的初级线圈连接的第一整流滤波电路；
所述第一整流滤波电路用于接入交流电，并将所述交流电进行整流滤波处理生成直流电输出至所述变压器电路。
6.如权利要求4所述的开关电源电路，其特征在于，所述开关电源电路还包括：与所述变压器电路的次级线圈连接的第二整流滤波电路；
所述第二整流滤波电路用于对所述变压器电路输出的直流电进行整流滤波处理。
7.如权利要求4所述的开关电源电路，其特征在于，所述开关电源电路还包括：驱动电路，与所述栅极电路连接，用于向所述栅极电路发送驱动信号。
8.如权利要求4-6任一项所述的开关电源电路，其特征在于，所述变压器电路包括：第一电阻、第一二极管、变压器以及第一电容；
其中，所述第一电阻的第一端与所述第一电容的第一端共接入所述变压器的初级线圈的第一端；
所述第一电阻的第二端与所述第一电容的第二端共接入所述第一二极管的阴极；
所述第一二极管的阳极与所述变压器的初级线圈的第二端共接于所述NMOS管的漏极。
9.如权利要求4-6任一项所述的开关电源电路，其特征在于，所述限流电路包括：第二电阻，所述第二电阻的第一端连接所述NMOS管的源极，所述第二电阻的第二端接地。
10.一种充电器，其特征在于，所述充电器包括如权利要求4-9任一项所述的开关电源电路。
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