CN202713267U - 一种场效应晶体管的驱动电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种场效应晶体管的驱动电路，包括：NPN型三极管，其集电极通过第一限流电阻与外部电源连接；PNP型三极管，其基极与所述NPN型三极管的基极连接后，形成所述驱动电路的输入端，该输入端接收外部数字控制信号；所述NPN型三极管的发射极与所述PNP型三极管的发射极连接后，接入驱动所述场效应晶体管的门极的线路，而所述PNP型三极管的集电极接入驱动所述场效应晶体管的源极的线路。这种驱动电路增强电流驱动能力，保证MOSFET&IGBT的开关速度，电路在工作时对密勒效应与噪声的抑制能力更强，最大程度的防止MOSFET&IGBT的误动作，以减小功率器件的损坏，提高对系统与设备的防护。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种驱动电路，特别涉及一种金氧半场效晶体管和绝缘栅双极型晶体管(MOSFET&IGBT)优化驱动电路。
背景技术
随着开关电源以及电机控制技术的发展，MOSFET&IGBT的全桥以及半桥驱动电路也随之发展，市场出现了各式各样的MOSFET&IGBT驱动电路，驱动电路的作用是实现MOSFET和IGBT的通断操作。但是这些驱动电路存在驱动能力不足、密勒效应和噪声抑制能力差、易使MOSFET&IGBT产生误导通等现象。
图2中示出了一种现有的驱动电路，其中包括NPN型三极管Q1和PNP型三极管Q2组成的图腾柱电路。这个图腾柱电路用于控制门极驱动电路的导通与断开。自举电源VB1连接至NPN型三极管Q1的集电极，作为驱动电路的电压来源。图2中最右端上方的G表示该线路连接至场效应晶体管的门极(栅极)，而下方的S表示该线路连接至场效应晶体管的源极。若门极和源极之间的电压超过一定的值，场效应晶体管就导通，若门极和源极之间的电压小于一定的值，则场效应晶体管就断开。利用场效应晶体管这种导通和断开的特性，可将场效应晶体管用于开关电源或者马达的驱动。为此，需要向门极施加较大的驱动电压。图2中的自举电源VB1即为这种驱动电压的来源。图2的驱动电路中还包括噪声抑制电阻R3，中和电容C1，第二限流电阻R1、门极驱动匹配电阻Rg以及一个二极管，和与二极管并联的第一限流电阻R2。
图2中所示的第一限流电阻R2设计在三极管的发射极，导致驱动电路存在以下两种设计缺陷：第一，驱动电路的电流驱动能力会下降以及要求门极驱动电压升高，影响MOSFET&IGBT的开关速度；第二，电路在工作时容易受到密勒效应的影响，可能会导致三极管误动作致使所驱动的MOSFET&IGBT误动作。具体而言，第一限流电阻R2设置在两个三极管的发射极与门极驱动电压输出端之间，会导致在第一限流电阻R2的两端形成压力差，也就是造成驱动电压的下降。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种高效可靠的MOSFET&IGBT驱动电路，增强电流驱动能力。
为了克服现有存在的困难，达到上述目的，本实用新型提供了一种场效应晶体管的驱动电路，包括：
NPN型三极管，其集电极通过第一限流电阻与外部电源连接；
PNP型三极管，其基极与所述NPN型三极管的基极连接后，形成所述驱动电路的输入端，该输入端接收外部数字控制信号；
所述NPN型三极管的发射极与所述PNP型三极管的发射极连接后，接入驱动所述场效应晶体管的门极的线路，而所述PNP型三极管的集电极接入驱动所述场效应晶体管的源极的线路。
优选的是，所述的场效应晶体管的驱动电路中，还包括第二限流电阻，其串联在所述驱动电路的输入端上。
优选的是，所述的场效应晶体管的驱动电路中，还包括中和电容，其并联在所述PNP三极管的发射极和集电极之间。
优选的是，所述的场效应晶体管的驱动电路中，还包括噪声抑制电阻，其并联在所述PNP三极管的发射极和集电极之间。
优选的是，所述的场效应晶体管的驱动电路中，所述噪声抑制电阻设置在比所述中和电容更加靠近场效应晶体管的一侧。
优选的是，所述的场效应晶体管的驱动电路中，还包括门极驱动匹配电阻，其串联在驱动所述场效应晶体管的门极的线路上。
优选的是，所述的场效应晶体管的驱动电路中，还包括零值电阻，其串联在所述PNP三极管的集电极与所述中和电容之间。
优选的是，所述的场效应晶体管的驱动电路中，所述外部电源为自举电源和/或所述外部数字控制信号为脉冲宽度调制控制信号。
优选的是，所述的场效应晶体管的驱动电路中，所述场效应晶体管为金氧半场效晶体管或绝缘栅双极型晶体管。
优选的是，所述的场效应晶体管的驱动电路中，第二限流电阻的阻值范围为47-100欧姆和/或噪声抑制电阻的阻值范围为4.7K-100K欧姆。
本实用新型的有益效果是：采用的NPN与PNP三极管的组合驱动电路拓扑最大限度地提高了MOSFET&IGBT驱动电路的驱动电流和减小了噪声与密勒效应对MOSFET&IGBT的影响，最大程度的防止MOSFET&IGBT的误动作，以减小功率器件的损坏，提高对系统与设备的防护。本实用新型所述的驱动电路元件数量少，体积小，成本低，适合各类高集成度的MOSFET&IGBT的驱动电路。
附图说明
图1为本实用新型所述的场效应晶体管驱动电路原理图；
图2为传统的场效应晶体管驱动电路原理图。
具体实施方式
下面根据图1对本实用新型做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
请参见图1，本实用新型的场效应晶体管的驱动电路，这是一种全桥驱动电路，其中包括：
NPN型三极管Q1，其集电极3通过第一限流电阻R2与外部电源VB1连接；
PNP型三极管Q2，其基极2与所述NPN型三极管Q1的基极2连接后，形成所述驱动电路的输入端，该输入端接收外部数字控制信号PWM；
所述NPN型三极管Q1的发射极1与所述PNP型三极管Q2的发射极1连接后，接入驱动所述场效应晶体管的门极G的线路，而所述PNP型三极管Q2的集电极3接入驱动所述场效应晶体管的源极S的线路。
所述的场效应晶体管的驱动电路中，还包括第二限流电阻R1，其串联在所述驱动电路的输入端PWM Control(PWM控制)上。
所述的场效应晶体管的驱动电路中，还包括中和电容C1，其并联在所述PNP三极管Q2的发射极1和集电极3之间。
所述的场效应晶体管的驱动电路中，还包括噪声抑制电阻R3，其并联在所述PNP三极管Q2的发射极1和集电极3之间。
所述的场效应晶体管的驱动电路中，所述噪声抑制电阻R3设置在比所述中和电容C1更加靠近场效应晶体管的一侧。
所述的场效应晶体管的驱动电路中，还包括门极驱动匹配电阻Rg，其串联在驱动所述场效应晶体管的门极G的线路上。
所述的场效应晶体管的驱动电路中，还包括零值电阻R4，其串联在所述PNP三极管Q2的集电极3与所述中和电容C1之间。
所述的场效应晶体管的驱动电路中，所述外部电源VB1为自举电源和/或所述外部数字控制信号为脉冲宽度调制控制信号PWM Control。
所述的场效应晶体管的驱动电路中，所述场效应晶体管为金氧半场效晶体管MOSFET或绝缘栅双极型晶体管IGBT。
所述的场效应晶体管的驱动电路中，第二限流电阻R1的阻值范围为47-100欧姆和/或噪声抑制电阻的阻值范围为4.7K-100K欧姆。
本实用新型的场效应晶体管驱动电路包含一个电源输入端，即上述外部电源VB1。本实用新型的驱动电路的外部电源VB1可保证即使所述输入端PWM接收的外部数字信号微弱，也能驱动需要高驱动电压的场效应晶体管。
所述NPN型三极管Q1和PNP型三极管Q2组成一图腾柱电路，用以控制自举电源VB1与门极G线路之间的导通与断开。
调整第二限流电阻R1的阻值，可调整通过所述输入端PWM输入的数字信号，该数字信号通常近似为方波。通过调节第二限流电阻R1的阻值，能够在图腾柱电路中形成饱和电流，以实现NPN型三极管Q1和PNP型三极管Q2的完全导通。
第一限流电阻R2对驱动所述场效应晶体管的门极G的线路起到限流作用。通过改变第一限流电阻R2的阻值，可以设置驱动电流以将场效应晶体管的开关速度调节到需要的值。并且第一限流电阻R2不会导致发射极1后的驱动所述场效应晶体管的门极G的线路发生降压现象。
零值电阻R4是在调试电路时使用，用来平衡场效应晶体管回路的放电电流。调试完成后，零值电阻R4设置为电阻值为零。
外部电源VB1接通后，中和电容C1的上极板积累正电荷，而下极板积累负电荷，这样首先会对驱动电路起到稳压作用，并且还能中和场效应晶体管在密勒效应的作用下产生的反向电荷。因此中和电容C1的容量根据场效应晶体管的门极电容和反射电容计算。
噪声抑制电阻R3能够对瞬时电流或脉冲电压起到消耗作用。
门极驱动匹配电阻Rg用来调节驱动电流，以适合补偿布线的线电阻。特别是对于多个场效应晶体管并联的电路，可通过调节每个门极驱动匹配电阻Rg的大小，确保多个场效应晶体管同步。
本实用新型的场效应晶体管驱动电路的工作原理是：当所述输入端PWM输入高电平时，所述PNP型三极管Q2截止，所述NPN型三极管Q1导通，外部电源VB1的电流顺利通过NPN型三极管Q1的发射极1进入门极G输出端，此时门极G上加载了驱动电压，场效应晶体管开通；而当所述输入端PWM输入低电平时，所述PNP型三极管Q2导通，所述NPN型三极管Q1截止，外部电源VB1的电流不能通过NPN型三极管Q1的发射极1进入门极G输出端，此时门极G上未加载驱动电压，场效应晶体管关闭。
换言之，本实用新型所述的MOSFET&IGBT驱动电路如图1所示，主要由NPN三极管Q1，PNP三极管Q2，电阻R1，R2，R3，R4，Rg以及电容C1构成。本实用新型所述的MOSFET&IGBT驱动电路中电阻R2设计在三极管的集电极，阻值范围为10-20欧姆，通过改变R2的阻值可以设置驱动电流以保证MOSFET&IGBT的开关速度，驱动电路的电流驱动能力比传统驱动电路更强，所需三极管基极驱动电压较低；电路在工作时对密勒效应与噪声的抑制能力更强，最大程度的防止MOSFET&IGBT的误动作，以减小功率器件的损坏，提高对系统与设备的防护。
本实用新型所述的MOSFET&IGBT驱动电路中，硬件设计方面，采用了NPN与PNP三极管的组合驱动电路拓扑结构；C1为中和电容，容量根据MOSFET&IGBT的极间电容计算对应的中和电容容值；R3为噪声抑制电阻，此电阻的作用为吸收消耗MOSFET&IGBT在实际工作中产生的高压脉冲噪声信号，以保障MOSFET&IGBT正常开关，防止产生误开关动作，阻值范围在4.7K-10K欧姆；C1与R3在电路布局时应该就近放在MOSFET&IGBT的附近位置，否则起不到抑制密勒效应与噪声的效果，容易引起MOSFET&IGBT的损坏。为了改善在大电流情况下多MOSFET&IGBT并联均流的门极驱动信号由于在实际布线的线长差异产生的延时导致并联的MOSFET&IGBT不会同时导通，需要在栅极串联门极驱动匹配电阻Rg，Rg的阻值范围为10-20欧姆；R1为限流电阻，阻值范围为47-100欧姆；R4的阻值为0欧姆，可根据需要调整其阻值，给驱动电流一个泄放空间。
本实用新型所述的MOSFET&IGBT驱动电路提高了驱动电流，减小了噪声与密勒效应对MOSFET&IGBT的影响，最大程度地防止了MOSFET&IGBT的误动作，以达到减小功率器件的损坏，提高对系统与设备的防护的目的，且元件数量少，体积小，成本低，适合各类高集成度的MOSFET&IGBT的驱动电路。
尽管本实用新型的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本实用新型的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本实用新型并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (10)
1.一种场效应晶体管的驱动电路，其特征在于，包括：
NPN型三极管，其集电极通过第一限流电阻与外部电源连接；
PNP型三极管，其基极与所述NPN型三极管的基极连接后，形成所述驱动电路的输入端，该输入端接收外部数字控制信号；
所述NPN型三极管的发射极与所述PNP型三极管的发射极连接后，接入驱动所述场效应晶体管的门极的线路，而所述PNP型三极管的集电极接入驱动所述场效应晶体管的源极的线路。
2.如权利要求1所述的场效应晶体管的驱动电路，其特征在于，还包括第二限流电阻，其串联在所述驱动电路的输入端上。
3.如权利要求2所述的场效应晶体管的驱动电路，其特征在于，还包括中和电容，其并联在所述PNP三极管的发射极和集电极之间。
4.如权利要求3所述的场效应晶体管的驱动电路，其特征在于，还包括噪声抑制电阻，其并联在所述PNP三极管的发射极和集电极之间。
5.如权利要求4所述的场效应晶体管的驱动电路，其特征在于，所述噪声抑制电阻设置在比所述中和电容更加靠近场效应晶体管的一侧。
6.如权利要求5所述的场效应晶体管的驱动电路，其特征在于，还包括门极驱动匹配电阻，其串联在驱动所述场效应晶体管的门极的线路上。
7.如权利要求6所述的场效应晶体管的驱动电路，其特征在于，还包括零值电阻，其串联在所述PNP三极管的集电极与所述中和电容之间。
8.如权利要求1～7中任一项所述的场效应晶体管的驱动电路，其特征在于，所述外部电源为自举电源和/或所述外部数字控制信号为脉冲宽度调制控制信号。
9.如权利要求1～7中任一项所述的场效应晶体管的驱动电路，其特征在于，所述场效应晶体管为金氧半场效晶体管或绝缘栅双极型晶体管。
10.如权利要求1～7中任一项所述的场效应晶体管的驱动电路，其特征在于，第二限流电阻的阻值范围为47-100欧姆和/或噪声抑制电阻的阻值范围为4.7K-100K欧姆。
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