CN113726316A - Mosfet驱动保护电路和开关电源系统 - Google Patents

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Abstract

一种MOSFET驱动保护电路和开关电源系统，所述MOSFET驱动保护电路包括电流变化率调整电路、第一过电压保护电路、第二过电压保护电路和电流采样电路，电流变化率调整电路用于限制驱动信号接入端与功率管的控制极之间的电流变化，以免功率管的控制极在过高的电流变化作用下而引起误导通；第一过电压保护电路用于限制功率管的控制极与功率管的第二极之间的电压，保护功率管不会被击穿；第二过电压保护电路用于限制功率管的第一极和功率管的第二极之间的电压，避免功率管的第一极和第二极之间出现尖峰电压而损坏功率管；电流采样电路用于获取功率管输出电流并输出至控制器，以使控制器能够对功率管的驱动信号的大小进行调整，避免功率管因过流而被烧坏。

Description

MOSFET驱动保护电路和开关电源系统
技术领域
本发明涉及开关电源技术领域，具体涉及一种MOSFET驱动保护电路和开关电源系统。
背景技术
随着电子电力的飞快发展，功率场效应晶体管(Power MOSFET，以下简称功率管)得到广泛的应用。功率管是一种多数载流子导电的单极型电压控制器件，具有开关速度快、高频性能好、输入阻抗高、噪声小、驱动功率小、动态范围大、无二次击穿现象和安全工作区域(SOA)宽等优点。因此，功率管在高性能的开关电源、斩波电源及电路控制的各种交流变频电源中不可缺少的器件，但相比于绝缘栅双极型晶体管IGBT或大功率双极型晶体管GTR等，功率管具有较弱的承受短时过载能力，因而使用受到一定的限制，使得功率管无法充分发挥其优势。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种MOSFET驱动保护电路和开关电源系统，能够对功率管进行过载保护。
根据第一方面，一种实施例中提供一种MOSFET驱动保护电路，用于对功率管进行过载保护，包括：
电流变化率调整电路，连接于驱动信号接入端和功率管的控制极之间，用于限制驱动信号接入端与功率管的控制极之间的电流变化；其中，所述功率管的控制极用于接收驱动信号，以驱动功率管的导通和关断；
第一过电压保护电路，连接于功率管的控制极和功率管的第二极之间，用于使功率管的控制极与功率管的第二极之间的电压小于等于第一预设电压值；
第二过电压保护电路，连接于功率管的第一极和功率管的第二极之间，用于使功率管的第一极和功率管的第二极之间的电压小于等于第二预设电压值；
电流采样电路，用于对功率管的第二极上的电流进行采样，得到功率管输出电流，并将所述功率管输出电流输出至控制器，所述控制器用于响应于所述功率管输出电流，输出对应的驱动调整信号，所述驱动调整信号用于对驱动信号的大小进行调整。
在一实施例中，所述电流变化率调整电路包括：
第一电阻，所述第一电阻连接于所述驱动信号接入端和功率管的控制极之间。
在一实施例中，所述第一过电压保护电路包括：
第一稳压二极管，所述第一稳压二极管的阴极与功率管的控制极连接，所述第一稳压二极管的阳极与功率管的第二极连接。
在一实施例中，所述第二过电压保护电路包括：
缓冲电路，所述缓冲电路连接于所述功率管的第一极和功率管的第二极之间，用于吸收所述功率管输出的尖峰电压；
第二稳压二极管，所述第二稳压二极管的阴极与功率管的第一极连接，第二稳压二极管的阳极与功率管的第二极连接。
在一实施例中，所述缓冲电路包括：第一电容和第二电阻；
所述第一电容的一端与功率管的第一极连接，第一电容的另一端与第二电阻的一端连接，第二电阻的另一端与功率管的第二极连接。
在一实施例中，所述第二稳压二极管为齐纳二极管。
在一实施例中，所述电流采样电路包括：第三电阻、第四电阻、第五电阻和第二电容；
所述第三电阻的一端和第四电阻的一端均连接于功率管的第二极，所述第三电阻的另一端连接地，所述第四电阻的另一端连接第五电阻的一端、电流采样电路的输出端，第五电阻的另一端连接地，第二电容并联在第五电阻的两端。
在一实施例中，所述功率管为NMOSFET管，所述功率管的第一极为NMOSFET管的漏极，功率管的第二极为NMOSFET管的源极，功率管的控制极为NMOSFET管的栅极。
根据第二方面，一种实施例中提供一种开关电源系统，包括：
电源，用于输出直流电压；
连接于所述电源的功率管，用于将所述电源输出的直流电压转换为具有预设输出电压值的直流电压，并输出具有预设输出电压值的直流电压；
如上述实施例所述的MOSFET驱动保护电路，用于对功率管进行过载保护。
根据第三方面，一种实施例中提供一种开关电源系统，包括：
电源，用于输出直流电压；
两个功率管，两个所述功率管均连接于电源，每个所述功率管均用于将所述电源输出的直流电压转换为具有预设输出电压值的直流电压，并输出具有预设输出电压值的直流电压；其中，两个所述功率管交错导通；
两个如上述实施例所述的MOSFET驱动保护电路，每个所述MOSFET驱动保护电路用于对一功率管进行过载保护；其中，所述MOSFET驱动保护电路与所述功率管一一对应。
依据上述实施例的MOSFET驱动保护电路和开关电源系统，电流变化率调整电路用于限制驱动信号接入端与功率管的控制极之间的电流变化，以免功率管的控制极在过高的电流变化作用下而引起误导通；第一过电压保护电路用于限制功率管的控制极与功率管的第二极之间的电压，保护功率管不会被击穿；第二过电压保护电路用于限制功率管的第一极和功率管的第二极之间的电压，避免功率管的第一极和第二极之间出现尖峰电压而损坏功率管；电流采样电路用于获取功率管输出电流并输出至控制器，以使控制器能够对功率管的驱动信号的大小进行调整，避免功率管因过流而被烧坏。
附图说明
图1为一种实施例的开关电源系统的结构示意图；
图2为一种实施例的驱动信号示意图；
图3为图1所示开关电源系统的电路示意图；
图4为另一种实施例的开关电源系统的电路示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。
另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。
本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。
请参考图1，图1为一种实施例的开关电源系统的结构示意图，开关电源系统包括电源101、驱动电路102、功率管103、MOSFET驱动保护电路104和控制器105。
电源101为直流电压源。在一实施例中，其可以是将市电提供的220交流电压转换为直流电压后进行输出。
功率管103用于将电源101输出的直流电压转换为具有预设输出电压值的直流电压，并输出具有预设输出电压值的直流电压。
功率管103包括第一极、第二极和控制极，其第一极与电源101连接；第二极为开关电源系统的输出端，第二极可以与外部负载连接；控制极用于控制功率管103的开通和关断。功率管103可以为NMOSFET管或者PMOSFET管，本实施例以NMOSFET管为例进行说明。对于NMOSFET管来说，功率管103的第一极为漏极，第二极为源极，控制极为栅极。
驱动电路102用于生成并输出驱动信号至功率管103的控制极。其中，驱动信号由控制器105输出的驱动调整信号确定其大小。在一实施例中，驱动信号可以为PWM信号，如图2所示，图2为一种实施例的驱动信号示意图。驱动调整信号用于调节PWM信号的占空比。此外，本发明实施例中的驱动电路102可以为现有的任一驱动电路，此处不再赘述。
MOSFET驱动保护电路104能够对功率管103进行过载保护。
在开关电源系统中，特别是在高频的应用场合，功率管103可能会出现以下四方面过载问题：
(1)由于驱动电路102的输出阻抗较低，在采用驱动电路102直接驱动功率管103会引起功率管快速的开通和关断，这样可能造成功率管的第一极和第二极(漏-源极)之间的电压振荡，或者导致功率管103遭受过高的di/dt而引起误导通。
(2)由于功率管103的控制极和第二极(栅-源极)之间的电压突变会通过极间电容耦合到控制极(栅极)而产生较高的尖峰电压，该尖峰电压会使很薄的控制极和第二极之间的氧化层(栅-源氧化层)击穿，同时控制极(栅极)很容易积累电荷，也会使控制极和第二极(栅-源)氧化层击穿。
(3)虽然功率管103的第一极和第二极(漏-源极)之间的击穿电压一般都很大，但如果不进行过压保护，同样有可能因为功率管103开关瞬间电流的突变而产生第一极(漏极)上的尖峰电压，进而损坏功率管103，此外，功率管103的开关速度越快，产生的漏极尖峰电压越高，因为在高频应用场合，更容易损坏功率管103。
(4)当开关电源系统的主回路电流过大或者发生短路时，功率管103的第一极和第二极(漏-源极)之间的电流会迅速增加并超过预设的电流值时，必须在过流极限值所规定的时间内关断功率管103，否则功率管103会被烧坏。
基于上述功率管103存在的过载问题，请参考图3，图3为图1所示开关电源系统的电路示意图，其中MOSFET驱动保护电路包括：电流变化量调整电路201、第一过电压保护电路202、第二过电压保护电路203和电流采样电路204。
电流变化率调整电路201连接于驱动信号接入端A和功率管103的控制极之间，用于限制驱动信号接入端与功率管的控制极之间的电流变化；其中，功率管103的控制极用于接收驱动信号，以驱动功率管103的导通和关断。
其中，电流变化率调整电路201包括：第一电阻R1，第一电阻R1连接于驱动信号接入端A和功率管103的控制极之间。本实施例中的驱动信号接入端A为驱动电路102与功率管103的连接点，也就是功率管103通过驱动信号接入端A接收驱动电路102输出的驱动信号。在一实施例中，第一电阻R1的阻值一般选取20-100欧姆。在图3中功率管103为NMOSFET管Q1,其中功率管103的第一极与电压提供端VCC连接，电压提供端VCC连接电源101。
第一过电压保护电路202连接于功率管103的控制极和功率管103的第二极之间，用于使功率管103的控制极与功率管103的第二极之间的电压小于等于第一预设电压值。该第一预设电压值需小于功率管103的栅-源极击穿电压。
其中，第一过电压保护电路202包括：第一稳压二极管D1，第一稳压二极管D1的阴极与功率管103的控制极连接，第一稳压二极管D1的阳极与功率管103的第二极连接。本实施例在功率管103的控制极和第二极之间并联第一稳压二极管D1，以限制控制极和第二极(栅-源极)之间的电压在第一稳压二极管D1的稳压值以下，该稳压值即为第一预设电压值，保护功率管103的栅-源氧化层不会被击穿。并且，在控制极和第二极之间还并联有第六电阻R6，第六电阻R6能够在第一稳压二极管D1稳压的同时释放控制极(栅极)上的电荷，不让电荷积累。
第二过电压保护电路203连接于功率管103的第一极和功率管103的第二极之间，用于使功率管103的第一极和功率管的第二极(漏-源极)之间的电压小于等于第二预设电压值。该第二预设电压值需小于功率管103的漏-源击穿电压。
其中，第二电压保护电路203包括：缓冲电路和第二稳压二极管D2。
缓冲电路连接于功率管103的第一极和功率管103的第二极之间，用于吸收功率管103输出的尖峰电压；第二稳压二极管D2的阴极与功率管103的第一极连接，第二稳压二极管D2的阳极与功率管103的第二极连接。本实施例在功率管103的第一极和第二极之间并联第二稳压二极管D2，以限制第一极和第二极(漏-源极)之间的电压在第二稳压二极管D2的稳压值以下，该稳压值即为第二预设电压值，保护功率管103的漏-源氧化层不会被击穿。在一实施例中红，第二稳压二极管D2为齐纳二极管。
此外，缓冲电路还能够同时吸收功率管103输出的尖峰电压。在一实施例中，缓冲电路采用RC缓冲电路，其包括第一电容C1和第二电阻R2。第一电容C1的一端与功率管103的第一极连接，第一电容C1的另一端与第二电阻R2的一端连接，第二电阻R2的另一端与功率管103的第二极连接。
电流采样电路204用于对功率管103的第二极上的电流进行采样，得到功率管输出电流，并将功率管103输出电流输出至控制器，其中控制器用于响应于所述功率管输出电流，输出对应的驱动调整信号，驱动调整信号用于对驱动信号的大小进行调整。
其中，电流采样电路204包括第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5和第二电容C2。第三电阻R3的一端和第四电阻R4的一端均连接于功率管103的第二极，第三电阻R3的另一端连接地，第四电阻R4的另一端连接第五电阻R5的一端、电流采样电路204的输出端，第五电阻R5的另一端连接地，第二电容C2并联在第五电阻R5的两端。
本实施例中，电流采样电路204的输出端与控制器105连接，电流采样电路204将所采样的功率管输出电流输出至控制器105，控制器105判断所采样的功率管输出电流与预设电流值的大小关系，来对驱动电路102输出的驱动信号的大小进行调节，在一实施例中，可以是对驱动信号的占空比进行调节。
例如：所采样的功率管输出电流大于等于预设电流值时，可以减小驱动信号中有效信号的占空比，以减少功率管开通时间；相反地，所采样的功率管输出电流小于预设电流值时，可以增大驱动信号中有效信号的占空比，以增大功率管开通时间。
请参考图4，图4为另一种实施例的开关电源系统的电路示意图，本实施例提供的开关电源系统包括电源、驱动电路、两个功率管(功率管Q1、功率管Q2)、两个MOSFET驱动保护电路(第一MOSFET驱动保护电路、第二MOSFET驱动保护电路)和控制器。
第一MOSFET驱动保护电路与功率管Q1连接，用于对功率管Q1进行过载保护；第二MOSFET驱动保护电路与功率管Q2连接，用于对功率管Q2进行过载保护。
其中，第一MOSFET驱动保护电路和第二MOSFET驱动保护电路均与上述实施例提供的MOSFET驱动保护电路的电路结构相同，其具体实施方式已在上述实施例中进行了详细说明，此处不再赘述。此外，功率管Q1和功率管Q2的第一极均与电压接入端VCC连接，功率管Q1的控制极与驱动信号接入端A连接，功率管Q2的控制极与驱动信号接入端B连接，驱动信号接入端A和驱动信号接入端B均与驱动电路连接，驱动电路可分别向驱动信号接入端A和驱动信号接入端B输入交错的驱动信号，使得功率管Q1和功率管Q2交错导通，以使本实施例提供的开关电源系统输出交流信号。
此外，本实施例中的电源、驱动电路和控制器的具体实施方式均在上述实施例中进行了详细说明，此处不再赘述。
在本发明实施例中，通过在驱动电路和功率管的控制极之间串联电阻，避免因驱动电路输出的电流信号变化太大引起的功率管快速的开通和关断，继而避免功率管的误导通发生；在功率管的控制极和第二极之间并联稳压二极管，避免过高尖峰电压导致功率管的控制极和第二极之间的氧化层被击穿；在功率管的第一极和第二极之间并联齐纳稳压二极管和RC缓冲电路，保护电源输出的尖峰电压对功率管产生损坏；并采用电流采样电路对功率管的第一极和第二极之间的电流进行采样，防止功率管的第一极和第二极之间的电流迅速增加并超过额定值损坏功率管。
以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (10)

1.一种MOSFET驱动保护电路，用于对功率管进行过载保护，其特征在于，包括：
电流变化率调整电路，连接于驱动信号接入端和功率管的控制极之间，用于限制驱动信号接入端与功率管的控制极之间的电流变化；其中，所述功率管的控制极用于接收驱动信号，以驱动功率管的导通和关断；
第一过电压保护电路，连接于功率管的控制极和功率管的第二极之间，用于使功率管的控制极与功率管的第二极之间的电压小于等于第一预设电压值；
第二过电压保护电路，连接于功率管的第一极和功率管的第二极之间，用于使功率管的第一极和功率管的第二极之间的电压小于等于第二预设电压值；
电流采样电路，用于对功率管的第二极上的电流进行采样，得到功率管输出电流，并将所述功率管输出电流输出至控制器，所述控制器用于响应于所述功率管输出电流，输出对应的驱动调整信号，所述驱动调整信号用于对驱动信号的大小进行调整。
2.如权利要求1所述的MOSFET驱动保护电路，其特征在于，所述电流变化率调整电路包括：
第一电阻，所述第一电阻连接于所述驱动信号接入端和功率管的控制极之间。
3.如权利要求1所述的MOSFET驱动保护电路，其特征在于，所述第一过电压保护电路包括：
第一稳压二极管，所述第一稳压二极管的阴极与功率管的控制极连接，所述第一稳压二极管的阳极与功率管的第二极连接。
4.如权利要求1所述的MOSFET驱动保护电路，其特征在于，所述第二过电压保护电路包括：
缓冲电路，所述缓冲电路连接于所述功率管的第一极和功率管的第二极之间，用于吸收所述功率管输出的尖峰电压；
第二稳压二极管，所述第二稳压二极管的阴极与功率管的第一极连接，第二稳压二极管的阳极与功率管的第二极连接。
5.如权利要求4所述的MOSFET驱动保护电路，其特征在于，所述缓冲电路包括：第一电容和第二电阻；
所述第一电容的一端与功率管的第一极连接，第一电容的另一端与第二电阻的一端连接，第二电阻的另一端与功率管的第二极连接。
6.如权利要求4所述的MOSFET驱动保护电路，其特征在于，所述第二稳压二极管为齐纳二极管。
7.如权利要求1所述的MOSFET驱动保护电路，其特征在于，所述电流采样电路包括：第三电阻、第四电阻、第五电阻和第二电容；
所述第三电阻的一端和第四电阻的一端均连接于功率管的第二极，所述第三电阻的另一端连接地，所述第四电阻的另一端连接第五电阻的一端、电流采样电路的输出端，第五电阻的另一端连接地，第二电容并联在第五电阻的两端。
8.如权利要求1所述的MOSFET驱动保护电路，其特征在于，所述功率管为NMOSFET管，所述功率管的第一极为NMOSFET管的漏极，功率管的第二极为NMOSFET管的源极，功率管的控制极为NMOSFET管的栅极。
9.一种开关电源系统，其特征在于，包括：
电源，用于输出直流电压；
连接于所述电源的功率管，用于将所述电源输出的直流电压转换为具有预设输出电压值的直流电压，并输出具有预设输出电压值的直流电压；
如权利要求1至8中任一项所述的MOSFET驱动保护电路，用于对功率管进行过载保护。
10.一种开关电源系统，其特征在于，包括：
电源，用于输出直流电压；
两个功率管，两个所述功率管均连接于电源，每个所述功率管均用于将所述电源输出的直流电压转换为具有预设输出电压值的直流电压，并输出具有预设输出电压值的直流电压；其中，两个所述功率管交错导通；
两个如权利要求1至8中任一项所述的MOSFET驱动保护电路，每个所述MOSFET驱动保护电路用于对一功率管进行过载保护；其中，所述MOSFET驱动保护电路与所述功率管一一对应。
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