CN113726322A

CN113726322A - 一种阻抗相等的高稳mosfet驱动电路及系统

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Publication number: CN113726322A
Application number: CN202111133772.9A
Authority: CN
Inventors: 李文靖
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2021-09-27
Filing date: 2021-09-27
Publication date: 2021-11-30

Abstract

本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种阻抗相等的高稳MOSFET驱动电路。其技术方案包括：脉冲变压器、第一稳压管、第二稳压管、第三二极管、NPN型三极管、第一电阻、第二电阻、第三电阻以及第四电阻；本发明还提出一种MOSFET驱动系统，包括MOSFET驱动电路以及与MOSFET驱动电路相连的驱动芯片，驱动芯片用于生成并输出双极性的PWM信号；还包括PMOS管以及与MOSFET驱动电路相连用于向PMOS管稳流输出的驱动保护电路。本发明可以在一定程度上改善脉冲变压器的直流偏磁现象；对PMOS管的状态实时监测，当监测PMOS管故障时，瞬间断开驱动芯片和MOSFET驱动电路对PMOS管的驱动状态；通过直接对驱动芯片断开，可避免MOSFET驱动电路阻抗失衡的情况，同时可避免PMOS管被直接击穿的情况。

Description

一种阻抗相等的高稳MOSFET驱动电路及系统

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种阻抗相等的高稳MOSFET驱动电路及系统。

背景技术

MOSFET作为功率逆变驱动电路中的核心器件，在航空航天、轨道交通、新能源汽车等诸多领域得到了广泛地应用。一般情况下，MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管)驱动通常由PWM芯片驱动电路，当MOSFET在开通过程中，一旦发生过流现象，会带来极大的开关损耗，产生大量热量，同时，还可能引起逆变器上下桥臂直通，致使MOSFET器件损坏，驱动系统失效等严重后果。如图1所示，输入的PWM信号通过电阻Rg和电阻R直接输向PMOS管，在此过程中，电路不稳定，易被干扰。

申请公布号为CN102510277A的专利公开了一种MOSFET驱动电路，具体公开了利用电平转换模块将低压信号转换为高压信号；第一级驱动模块接收高压信号，各级驱动模块依次串联，第N级驱动模块驱动开关模块的栅端；每一级驱动模块包括上驱动MOS管、下驱动MOS管和控制管，第N级驱动模块的控制管控制开关模块的栅源电压，第i-1级驱动模块的控制管控制第i级驱动模块的上驱动MOS管和/或下驱动MOS管的栅源电压；钳位模块为控制管钳位驱动管的栅源电压提供偏置电压；控制管控制MOSFET驱动电路的各MOS管的栅源电压，避免MOSFET驱动电路的最高工作电压VIN受到MOSFET驱动电路的各MOS管的栅源耐压的限制，提高了MOSFET驱动电路的工作电压范围。

但是上述专利未设置保护电路，无法避免在初次对PMOS管驱动时，由于不了解PMOS的特性，将PMOS管直接击穿的情况；

因此为保证MOSFET在运行过程中的安全性及可靠性，需要设计相应的过流保护电路。过流保护电路通常包括：检测模块与保护模块两部分，通过检测模块，判定MOSFET是否发生过流故障；通过保护模块，关断MOSFET驱动信号，而目前只能关断MOSFET驱动电路的驱动信号，不能直接关断驱动芯片，使得MOSFET驱动电路内仍有驱动信号，进而导致MOSFET驱动电路内的阻抗失衡。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术中存在的问题，提出一种阻抗相等，输出稳定性高，且同时能够对使阻抗近似相等、抑制脉冲变压器产生直流偏磁，避免MOSFET驱动电路内的阻抗失衡的高稳MOSFET驱动电路及系统。

本发明的技术方案：一种阻抗相等的高稳MOSFET驱动电路及系统，包括脉冲变压器、第一稳压管、第二稳压管、第三二极管、NPN型三极管、第一电阻、第二电阻、第三电阻以及第四电阻；所述脉冲变压器原边输入双极性的PWM信号，所述脉冲变压器副边的第一端经所述第一电阻接所述第一稳压管的阳极；所述第一稳压管的阴极接所述第二电阻的一端，所述第二电阻的另一端作为MOSFET驱动电路的正输出端；所述第三电阻并联在所述第一稳压管两端；

所述NPN型三极管的基极接所述脉冲变压器副边的第二端，集电极接所述第一稳压管的阴极，发射极作为所述MOSFET驱动电路的负输出端；所述第四电阻连接在所述NPN型三极管的基极与集电极之间；

所述第三二极管的阴极接所述NPN型三极管的基极，其阳极接所述NPN型三极管的发射极；

所述第二稳压管的阳极接所述NPN型三极管的发射极，其阴极接所述NPN型三极管的集电极；

所述第三电阻和第四电阻为可变电阻，且在阻值变化时，阻值始终保持相等。

优选的，所述脉冲变压器副边的正反向通路阻抗相等。

优选的，所述MOSFET驱动电路还包括串接在所述脉冲变压器原边的电容。

本发明还提出一种MOSFET驱动系统，包括上述MOSFET驱动电路以及与所述MOSFET驱动电路相连的驱动芯片，所述驱动芯片用于生成并输出双极性的PWM信号；

还包括PMOS管以及与MOSFET驱动电路相连用于向PMOS管稳流输出的驱动保护电路。

优选的，所述驱动保护电路包括检测模块和保护模块；

所述检测模块用于对PMOS管过流的检测，所述保护模块用于PMOS管过流保护；

所述保护模块包括门极驱动和放大电路部分，门极驱动接收来自检测模块的检测信号，并触发门极驱动的内部逻辑，发生过流现象时关断MOSFET驱动电路或者直接关断驱动芯片的驱动信号。

优选的，所述放大电路部分包括放大器、电阻Rg，所述放大器的输出端与电阻Rg的一端相连接，所述电阻Rg的另一端与PMOS管G极相连接。

优选的，所述检测模块包括第四二极管、第五二极管、检测电容和第六电阻，所述第四二极管和外部电阻并联，第五二极管和检测电容并联且第四二极管正极与第五二极管负极相连，所述第五二极管正极与PMOS管S极相连接。

优选的，所述检测模块还包括第五电阻和检测二级管，所述第五电阻和检测二级管串联，第五电阻一端与第四二极管的正极相连，一端与检测二级管的正极相连接，所述检测二级管的负极与PMOS管D极相连接；

所述检测模块还包括恒流源、比较器和参考电压，所述参考电压负极与第五二极管正极相连接，参考电压正极与比较器输入端的负极相连接；

所述恒流源正极与第四二极管负极相连接，恒流源负极与第四二极管正极相连接且接到比较器输入端正极；

所述MOSFET驱动电路的正输出端与第四二极管负极相连接。

优选的，所述放大器输入端与门极驱动相连接，所述比较器输出端与门极驱动相连接。

优选的，所述检测模块通过比较检测电容与参考电压之间的电压差，当电压差大于0时发生过流现象，比较器输出高电平，门极驱动接收来自比较器的高电平后则会触发门极驱动的内部逻辑关断MOSFET驱动电路的或直接关断驱动芯片的驱动信号。

与现有技术相比，本发明具有如下有益的技术效果：

（1）：利用电容C1特有的隔直特性来抑制脉冲变压器T1原边的直流分量耦合到脉冲变压器T1副边，可以在一定程度上改善脉冲变压器T1的直流偏磁现象。

（2）：通过在对PMOS管驱动的过程中，对PMOS管的状态实时监测，当监测PMOS管故障时，瞬间断开驱动芯片和MOSFET驱动电路对PMOS管的驱动状态；此外，通过直接对驱动芯片断开，可避免MOSFET驱动电路阻抗失衡的情况。

（3）通过增设驱动保护电路，可避免初次对PMOS管驱动时，由于不了解PMOS的特性，将PMOS管直接击穿的情况。

附图说明

图1给出了现有技术公开的MOSFET驱动电路的示意图；

图2为本发明中实施例公开的一种MOSFET驱动系统的电路原理图；

图3为本发明中实施例公开的一种阻抗相等的高稳MOSFET驱动电路的示意图；

图4为本发明中MOSFET驱动系统的框图。

具体实施方式

下文结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。

实施例一

如图3所示，本发明提出的一种阻抗相等的高稳MOSFET驱动电路，脉冲变压器T1、第一稳压管D1、第二稳压管D2、第三二极管D3、NPN型三极管Q1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3以及第四电阻R4；脉冲变压器T1原边输入双极性的PWM信号；

本实施例中，通过脉冲变压器T1原边输入采用双极性PWM信号，相较于单极性PWM信号来说，双极性PWM信号所含直流分量相对较少，因此有助于在满足应用需求的前提下，抑制脉冲变压器T1出现直流偏磁现象。

脉冲变压器T1副边的第一端为同名端、第二端为异名端；脉冲变压器T1副边的第一端为异名端、第二端为同名端；

脉冲变压器T1副边的第一端经第一电阻R1接第一稳压管D1的阳极；第一稳压管D1的阴极接第二电阻R2的一端，第二电阻R2的另一端作为MOSFET驱动电路的正输出端；第三电阻R3并联在第一稳压管D1两端；

NPN型三极管Q1的基极接脉冲变压器T1副边的第二端，集电极接第一稳压管的阴极，发射极作为MOSFET驱动电路的负输出端；第四电阻R4连接在NPN型三极管Q1的基极与集电极之间；

第三二极管D3的阴极接NPN型三极管Q1的基极，其阳极接NPN型三极管Q1的发射极；

第二稳压管D2的阳极接NPN型三极管Q1的发射极，其阴极接NPN型三极管Q1的集电极；

第三电阻R3和第四电阻R4为可变电阻，且在阻值变化时，阻值始终保持相等。

当脉冲变压器T1原边电压正负半波面积相等时，磁化曲线关于原点对称，此时不存在直流偏磁。但是，因各种不可预见的因素导致脉冲变压器T1原边含有直流分量时，原边电压正负半波面积不再相等；由于脉冲变压器T1原边等效阻抗对直流分量只呈现电阻特性，且原边绕组内阻很小，因此，很小的直流分量就会在绕组中形成很大的直流磁势，该直流磁势与交流磁势一起作用于脉冲变压器T1原边，就会造成脉冲变压器T1铁心工作磁化曲线发生偏移，出现关于原点不对称，即所谓的直流偏磁；当直流偏磁严重时，铁心将进入单向饱和，这时铁心磁导率将急剧下降，原边等效电感迅速减少，激磁电流迅速增大，导致脉冲变压器T1过热，最终导致器件毁坏。

脉冲变压器T1副边的正反向通路阻抗相等；当第一稳压管D1与第二稳压管D2的型号相同，且第三电阻R3和第四电阻R4阻值相等或非常接近时，脉冲变压器T1正反向通路阻抗近似相等,从而抑制脉冲变压器T1出现直流偏磁现象。

实施例二

脉冲变压器T1副边的正反向通路阻抗相等；当第一稳压管D1与第二稳压管D2的型号相同，且第三电阻R3和第四电阻R4阻值相等或非常接近时，脉冲变压器T1正反向通路阻抗近似相等。

需要说明的是，本实施例中，MOSFET驱动电路还包括串接在脉冲变压器T1原边的电容C1。

利用电容C1特有的隔直特性来抑制脉冲变压器T1原边的直流分量耦合到脉冲变压器T1 副边，同样可以在一定程度上改善脉冲变压器T1的直流偏磁现象。

实施例三

如图2和图4所示，本发明还提出的一种MOSFET驱动系统，包括上述MOSFET驱动电路以及与MOSFET驱动电路相连的驱动芯片，驱动芯片用于生成并输出双极性的PWM信号；

驱动保护电路包括检测模块和保护模块；

检测模块用于对PMOS管过流的检测，保护模块用于PMOS管过流保护；

保护模块包括门极驱动和放大电路部分，门极驱动接收来自检测模块的检测信号，并触发门极驱动的内部逻辑，发生过流现象时关断MOSFET驱动电路或者直接关断驱动芯片的驱动信号。

放大电路部分包括放大器、电阻Rg，放大器的输出端与电阻Rg的一端相连接，电阻Rg的另一端与PMOS管G极相连接。

检测模块包括第四二极管D4、第五二极管D5、检测电容C2和第六电阻R6，第四二极管D4和外部电阻并联，第五二极管D5和检测电容C2并联且第四二极管D4正极与第五二极管D5负极相连，第五二极管D5正极与PMOS管S极相连接;

检测电容C2外接有充电电源，用于对检测电容C2充电，基于传统的欠饱和检测思想，可配置外加电阻，达到调节检测电容C2的充电时间的目的，从而实现MOSFET过流检测速率的调节。

检测模块还包括第五电阻R5和检测二级管D6，第五电阻R5和检测二级管D6串联，第五电阻R5一端与第四二极管D4的正极相连，一端与检测二级管D6的正极相连接，检测二级管D6的负极与PMOS管D极相连接；

检测模块还包括恒流源、比较器和参考电压，参考电压负极与第五二极管D5正极相连接，参考电压正极与比较器输入端的负极相连接；

恒流源正极与第四二极管D4负极相连接，恒流源负极与第四二极管D4正极相连接且接到比较器输入端正极；

MOSFET驱动电路的正输出端与第四二极管D4负极相连接。

放大器输入端与门极驱动相连接，比较器输出端与门极驱动相连接。

检测模块通过比较检测电容与参考电压之间的电压差，当电压差大于0时发生过流现象，比较器输出高电平，门极驱动接收来自比较器的高电平后则会触发门极驱动的内部逻辑关断MOSFET驱动电路的或直接关断驱动芯片的驱动信号。

若在PMOS管开通过程中发生过流现象，需要一定的判定时间Td，该时间取决于PMOS管的开关特性，即开通时间。当PMOS管开通指令发出Td时间后，若PMOS管仍未进入线性电阻区，即漏源电压远大于弥勒平台电压，则认为PMOS管工作异常，此时PMOS管呈现较高的漏源电压，以致检测二极管D6截止；

然后恒流源及外部电压源对检测电容C2进行充电，待检测电容C2端电压达到参考电压时，即检测到PMOS管过流故障，PMOS管过流故障检测时间Tsc可表示为：判断出现过流现象后比较器输出高电平并触发门极驱动电路关断 MOSFET驱动电路以及驱动芯片的输出信号；

相对于现有技术来说，通过在对PMOS管驱动的过程中，对PMOS管的状态实时监测，当监测PMOS管故障时，瞬间断开驱动芯片和MOSFET驱动电路对PMOS管的驱动状态；此外，通过直接对驱动芯片断开，可避免MOSFET驱动电路阻抗失衡的情况。

由于增设了驱动保护电路，可避免初次对PMOS管驱动时，由于不了解PMOS的特性，将PMOS管直接击穿的情况。

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。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

上述具体实施例仅仅是本发明的几种优选的实施例，基于本发明的技术方案和上述实施例的相关启示，本领域技术人员可以对上述具体实施例做出多种替代性的改进和组合。

Claims

1.一种阻抗相等的高稳MOSFET驱动电路，包括脉冲变压器、第一稳压管、第二稳压管、第三二极管、NPN型三极管、第一电阻、第二电阻、第三电阻以及第四电阻；所述脉冲变压器原边输入双极性的PWM信号，所述脉冲变压器副边的第一端经所述第一电阻接所述第一稳压管的阳极；所述第一稳压管的阴极接所述第二电阻的一端，所述第二电阻的另一端作为MOSFET驱动电路的正输出端；所述第三电阻并联在所述第一稳压管两端；其特征在于；

2.根据权利要求1所述的一种阻抗相等的高稳MOSFET驱动电路，其特征在于，所述脉冲变压器副边的正反向通路阻抗相等。

3.根据权利要求1或2所述的一种阻抗相等的高稳MOSFET驱动电路，其特征在于，所述MOSFET驱动电路还包括串接在所述脉冲变压器原边的电容。

4.一种MOSFET驱动系统，其特征在于，包括权利要求1-3任一项所述的MOSFET驱动电路以及与所述MOSFET驱动电路相连的驱动芯片，所述驱动芯片用于生成并输出双极性的PWM信号；

5.根据权利要求4所述的一种MOSFET驱动系统，其特征在于，所述驱动保护电路包括检测模块和保护模块；

6.根据权利要求5所述的一种MOSFET驱动系统，其特征在于，所述放大电路部分包括放大器、电阻Rg，所述放大器的输出端与电阻Rg的一端相连接，所述电阻Rg的另一端与PMOS管G极相连接。

7.根据权利要求5所述的一种MOSFET驱动系统，其特征在于，所述检测模块包括第四二极管、第五二极管、检测电容和第六电阻，所述第四二极管和外部电阻并联，第五二极管和检测电容并联且第四二极管正极与第五二极管负极相连，所述第五二极管正极与PMOS管S极相连接。

8.根据权利要求7所述的一种MOSFET驱动系统，其特征在于，所述检测模块还包括第五电阻和检测二级管，所述第五电阻和检测二级管串联，第五电阻一端与第四二极管的正极相连，一端与检测二级管的正极相连接，所述检测二级管的负极与PMOS管D极相连接；

所述MOSFET驱动电路的正输出端与第四二极管负极相连接。

9.根据权利要求5所述的一种MOSFET驱动系统，其特征在于，所述放大器输入端与门极驱动相连接，所述比较器输出端与门极驱动相连接。

10.根据权利要求8所述的一种MOSFET驱动系统，其特征在于，所述检测模块通过比较检测电容与参考电压之间的电压差，当电压差大于0时发生过流现象，比较器输出高电平，门极驱动接收来自比较器的高电平后则会触发门极驱动的内部逻辑关断MOSFET驱动电路的或直接关断驱动芯片的驱动信号。