CN209964030U - 基于场效应晶体管的驱动电路及系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于场效应晶体管的驱动电路及系统；该驱动电路的输入端与驱动芯片连接；驱动电路的输出端与待驱动装置连接；驱动电路包括多个并联的驱动模块；驱动模块包括场效应晶体管及相移电路；多个驱动模块中的相移电路的时间常数相同；当接收驱动芯片的输入信号后，在相移电路的时间常数对应的震荡时间后同时导通各个驱动电路的场效应晶体管，向待驱动装置输出驱动信号。本实用新型实现了多个MOS管同时导通，降低了高频情况下驱动电路上的尖峰震荡。

Description

基于场效应晶体管的驱动电路及系统

技术领域

本实用新型涉及电子电工技术领域，尤其是涉及一种基于场效应晶体管的驱动电路及系统。

背景技术

功率开关器件的驱动电路是主电路与控制电路之间的接口，是电力电子安装的重要局部，其作用是将控制回路输出的控制脉冲放大到足以驱动功率开关器件。驱动电路的根本任务就是将控制电路传来的信号，转换为加在器件控制端和公共端之间的能够使其导通和关断的信号。

目前，针对大功率产品的驱动电路多采用多个金属氧化物半导体场效应晶体管(MOS管)并联来分担大电流，实现驱动功能；然而，实际上多个MOS管并联后，由于每个MOS管的结电荷性能差异,造成离驱动源近的MOS管驱动时间短，离驱动源较远的MOS管驱动开通时间长，导致开关特性受到影响，造成尖峰震荡。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种基于场效应晶体管的驱动电路及系统，以实现多个MOS管同时导通，降低高频情况下驱动电路上的尖峰震荡。

第一方面，本实用新型实施例提供了一种基于场效应晶体管的驱动电路，该驱动电路的输入端与驱动芯片连接；驱动电路的输出端与待驱动装置连接；驱动电路包括多个并联的驱动模块；驱动模块包括场效应晶体管及相移电路；多个驱动模块中的相移电路的时间常数相同；相移电路用于接收驱动芯片的输入信号，在时间常数对应的震荡时间后同时导通各个驱动电路的场效应晶体管，向待驱动装置输出驱动信号。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，上述相移电路包括匹配电阻及匹配电容。

结合第一方面的第一种可能的实施方式，本实用新型实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，还包括连接线；连接线用于连接驱动芯片、相移电路、场效应晶体管及待驱动装置。

结合第一方面的第二种可能的实施方式，本实用新型实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，上述连接线包括多条子连接线；在每个驱动模块中，匹配电阻包括子连接线的等效电阻和实际电阻。

结合第一方面的第三种可能的实施方式，本实用新型实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，上述匹配电容包括子连接线在驱动模块中引起的分布电容和实际电容。

结合第一方面的第四种可能的实施方式，本实用新型实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，上述场效应晶体管包括栅极、漏极及源极；每个驱动模块中，场效应晶体管的栅极通过实际电阻与驱动芯片连接；场效应晶体管的栅极通过实际电容与场效应晶体管的源极连接；场效应晶体管的源极直接接地；各个驱动模块的场效应晶体管的漏极连接后与待驱动装置连接。

结合第一方面的第二种可能的实施方式，本实用新型实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，还包括下拉电阻；各个场效应晶体管的栅极还通过下拉电阻接地。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，上述场效应晶体管的型号相同。

第二方面，本实用新型实施例还提供一种基于场效应晶体管的驱动系统，包括驱动芯片及上述驱动电路。

结合第二方面，本实用新型实施例提供了第二方面的第一种可能的实施方式，其中，还包括待驱动装置。

本实用新型实施例带来了以下有益效果：

本实用新型实施例提供了一种基于场效应晶体管的驱动电路及系统；驱动电路的输入端与驱动芯片连接；驱动电路的输出端与待驱动装置连接；驱动电路包括多个并联的驱动模块；驱动模块中包括一个场效应晶体管及相移电路；所有相移电路的时间常数均相同；当接收驱动芯片的输入信号后，在相移电路的时间常数对应的震荡时间后同时导通各个驱动电路的场效应晶体管，向待驱动装置输出驱动信号。该方式实现了多个MOS管同时导通，降低了高频情况下驱动电路上的尖峰震荡。

本实用新型的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，或者，部分特征和优点可以从说明书推知或毫无疑义地确定，或者通过实施本实用新型的上述技术即可得知。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施方式，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术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实用新型的一些实施方式，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为本实用新型实施例提供的一种基于场效应晶体管的驱动电路的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的以BOOST电路为拓扑结构的MOS管驱动电路原理图；

图3为本实用新型实施例提供的与驱动电路连接的MOS管驱动电路原理图；

图4为本实用新型实施例提供的基于场效应晶体管的PCB布局图；

图5为本实用新型实施例提供的输入电流100A功率15kw情况下测试得到的MOS管G极和S极开通关断的波形图；

图6为本实用新型实施例提供的一种基于场效应晶体管的驱动系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

功率开关器件在电力电子设备中占领着中心位置，它的牢靠工作是整个安装正常运转的根本条件。功率开关器件的驱动电路是主电路与控制电路之间的接口，是电力电子安装的重要局部。它对整个设备的性能有很大的影响，其作用是将控制回路输出的控制脉冲放大到足以驱动功率开关器件。简而言之，驱动电路的根本任务就是将控制电路传来的信号，转换为加在器件控制端和公共端之间的能够使其导通和关断的信号。

同样的功率MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)功率器件，采用不同的驱动电路将得到不同的开关特性。采用性能良好的驱动电路能够使功率开关器件工作在比拟理想的开关状态，同时缩短开关时间，减小开关损耗，对安装的运转效率，牢靠性和平安性都有重要的意义。因而驱动电路的优劣直接影响主电路的性能，驱动电路的合理化设计显得越来越重要。晶闸管体积小，重量轻，效率高，寿命长，运用便当，能够便当的停止整流和逆变，且能够在不改动电路构造的前提下，改动整流或逆变电流的大小。

在一些情况下，也采用IGBT(Insulated Gate Bipolar Translator，绝缘栅门极晶体管)作为驱动电路的功率开关器件；IGBT是复合器件，它具有开关速度快、热稳定性好、驱动功率小和驱动电路简单的特性，又具有通态压降小、耐压高和接受电流大等优点。IGBT作为主流的功率输出器件，特别是在大功率的场所，曾经被普遍的应用于各个范畴。但在车载电源产品的应用场合，高功率密度的需求对电子产品的高频化以缩小产品的体积提出更高的要求。IGBT器件无法满足高频化的情况下必定无法应用于车载电源的应用场合。所以功率MOSFET以高频化，性能好，开关损耗小，输入阻抗高，驱动功率小等优点能满足高功率密度的车载电源得到应用，但在大电流输入的车载电源的场合，受功率MOSFET的限制，包括器件封装，价格，最大正向电流等，采用功率MOSFET管并联分担大电流的方法得到了广泛应用。

接下来，讨论一下功率MOSFET并联运行的可行性。从图1所示的一种MOS管的温度曲线可以看出，MOS管的内阻温度特性随着温度升高内阻也增大，如果在并联过程中由于某种原因(比如RDS(ON)比较低，电流路径比较短等)导致某个MOS管的电流比较大，这个MOS管的发热比较严重，内阻也会升高比较多，电流就降下来，由此可以分析MOS管有自动均流的特点而易于并联；上述RDS(ON)是指场效应管MOSFET漏极D与源极S之间导通时D、S之间的电阻,在场效应管MOSFET的规格书里面是重要性能指标。

理论上MOS管可以由N颗并联运行，但实际上多个MOS管并联的情况下，从PCB的布局上容易引起很长的走线，分布电感分布电容加大，对于高频电路工作产生不利的影响。如果要达到单个MOS管的电流不偏移平均电流的10％，那么总线上的总阻抗一定要控制在所有MOS管并联后的内阻10％以内。又因为每个MOS管的结电荷性能差异,造成离驱动源近的MOS管驱动时间短，离驱动源远的MOS管驱动开通时间长。这就造成一是分布电感电容影响开关特性造成尖峰震荡，而是线路走线问题造成开通关断不一致。

通过上述分析可知，功率MOSFET开关器件理想的驱动电路应满足以下要求：

(1)功率开关管开通时，驱动电路可以提供快速上升的基极电流，使得开启时有足够的驱动功率，从而减小开通损耗。

(2)开关管导通期间，MOS驱动电路提供的基极电流在任何负载状况下都能保证功率管处于饱和导通状态，保证比较低的导通损耗。为减小存储时间，器件关断前应处于临界饱和状态。

(3)关断时，驱动电路应提供足够的反向基极驱动，以疾速的抽出基区的剩余载流子，减小存储时间；

(4)并加反偏截止电压，使集电极电流疾速降落以减小降落时间。避免干扰产生误导通。

综上，在车载电源产品领域大功率大电流高功率密度情况下，多个功率MOSFET并联使用分担大电流并提高开关频率满足实际产品需求，但同时也带来新的问题，主要是：

1.驱动回路上因布局走线问题产生的分布电感电容对多个功率MOSFET并联运行的开关特性产生很大差异。

2.高频情况下驱动回路上分布电感电容使功率MOSFETMOS管尖峰震荡更加严重。基于此，本实用新型实施例提供了一种基于场效应晶体管的驱动电路及系统，可以应用于高频大电流的待驱动装置。

为便于对本实施例进行理解，首先对本实用新型实施例所公开的一种基于场效应晶体管的驱动电路进行详细介绍。

参见图1所示的一种基于场效应晶体管的驱动电路的结构示意图，该驱动电路10的输入端与驱动芯片20连接；其输出端与待驱动装置30连接；驱动电路包括多个并联的驱动模块，图1中以包含3个驱动模块(驱动模块101，驱动模块102，驱动模块103)为例；驱动模块101包括场效应晶体管101a及相移电路101b；驱动模块102包括场效应晶体管102a及相移电路102b；驱动模块103包括场效应晶体管103a及相移电路103b；所有驱动模块中的相移电路的时间常数相同；相移电路用于接收驱动芯片的输入信号，在时间常数对应的震荡时间后同时导通各个驱动电路的场效应晶体管，向待驱动装置输出驱动信号。

如上文中分析，场效应晶体管可以作为驱动电路的功率开关器件；多个场效应晶体管并联可以分流，进行较大电流的驱动工作；为解决由场效应晶体管性能差异及导线布局产生的，分别在每个驱动模块中加入了相移电路，且所有的相移电路时间常数均相同。

相移电路也称为RC电路(resistor–capacitor circuit，电容电阻电路)；通常为利用电压源及电流源驱使电阻器及电容器运作的电路；最简单的相移电路由一个电阻器和一个电容器组成，为一阶相移电路；相应地，还有二阶相移电路及其他高阶相移电路；通过采用RC电路，保证各个MOS管G极和S极之间的RC时间常数一致，即可以达到MOS管同时导通。

本实用新型实施例提供了一种基于场效应晶体管的驱动电路；驱动电路的输入端与驱动芯片连接；驱动电路的输出端与待驱动装置连接；驱动电路包括多个并联的驱动模块；驱动模块中包括一个场效应晶体管及相移电路；所有相移电路的时间常数均相同；当接收驱动芯片的输入信号后，在相移电路的时间常数对应的震荡时间后同时导通各个驱动电路的场效应晶体管，向待驱动装置输出驱动信号。该方式实现了多个MOS管同时导通，降低了高频情况下驱动电路上的尖峰震荡。

本实用新型实施例还提供了另一种场效应晶体管的驱动电路；该电路在图1所述的电路基础上实现。

本实用新型实施例的目的是为了解决在车载电源产品领域大功率大电流高功率密度情况下，多个功率MOSFETMOS并联运行时候，驱动回路上因布局走线问题产生的分布电感电容对功率MOSFETMOS开关特性产生的震荡和尖峰问题，更加有利于多个功率MOSFETMOS并联运行。

在该电路的驱动模块中，相移电路包括匹配电阻及匹配电容，即采用了一阶相移电路。在驱动电路中，通常还包括连接线；连接线主要用于连接驱动芯片、相移电路、场效应晶体管及待驱动装置。连接线包括多条子连接线；在各个驱动模块中，都有子连接线；当连接线较长时，其等效电阻不可以忽略，也会引起较大的分布电容；在每个驱动模块中，匹配电阻包括子连接线的等效电阻和实际电阻；匹配电容包括子连接线在驱动模块中引起的分布电容和实际电容。

场效应晶体管包括栅极、漏极及源极。在驱动电路中，场效应管与其他部分的连接方式如下：场效应晶体管的栅极通过实际电阻与驱动芯片连接；场效应晶体管的栅极通过实际电容与场效应晶体管的源极连接；场效应晶体管的源极直接接地；各个驱动模块的场效应晶体管的漏极连接后与待驱动装置连接。

在实际生产中，可以以典型的BOOST(升压斩波器)电路作为基本拓扑结构，具体说明驱动电路的连接结构，其电路图如图2所示。同型号的肖特基二极管D1,D2,D3,D4,D5,D6是并联连接，与电感L1构成了待驱动装置。该电路中，场效应晶体管的型号相同。同型号的MOS管Q1,Q1,Q3,Q4,Q5,Q6是并联连接。整个电路由电感二极管MOS组成BOOST电路，一个电感L1承担总输入电流。二极管和MOS管都采取六只管子并联方式，每只MOS管承担输入总电流1/6的电流。

电阻R1,R2,R3,R4,R6,R7为驱动电阻(相当于上述实际电阻)，分别与MOSQ1,Q1,Q3,Q4,Q5,Q6的G极(栅极)进行串联连接。电阻R5为下拉电阻，与MOS管Q4管的G极和S极(源极)并联连接；MOS管的栅极还通过下拉电阻接地。电容C1,C2,C3为阻抗匹配电容(相当于上述实际电容)，分别与MOS管Q2,Q4,Q6的G极和S极并联连接。

图2中，电阻R1＝4.7Ω电阻R2＝4.7Ω电阻R3＝4.7Ω，MOS管Q1是离驱动芯片最近的，所以相应匹配的驱动电阻值稍微大些，在MOS管Q2的G极和S极之间放置C1电容，容值为C1＝1.8nf，进行RC阻抗匹配。MOS管Q4是离驱动芯片稍微远一点，放置驱动匹配电阻R4＝2.2Ω，考虑线路阻抗问题，所以设计阻值较小。在MOS管Q4的G极和S极之间放置C2电容，容值为C2＝1nf，MOS管Q6是离驱动芯片最远的一个，在Q6的G极和S极之间放置C2电容，容值为C2＝470pf。

驱动电路为SI8261提供的典型驱动电路，隔离电压5KV，峰值驱动电流4A。外围参数详见芯片厂家提供的推荐电路。一个驱动电路对6只MOS管进行同时驱动运行。PWM(Pulse-Width Modulation，脉宽调变)信号为处理器或者DSP(Digital SignalProcessor，数字信号处理器)给出的脉冲信号。

图3所示为与驱动电路连接的MOS管驱动电路原理图，驱动芯片为SI8261，外围配置参数由芯片数据手册提供。R11＝6.8Ω为总的驱动电阻，R10＝10Ω和D8＝IN4148串联为MOS关断时候驱动G极和S极抽取电荷。PWM信号为处理器或者DSP给出的脉冲信号。

图4所示是PCB(Printed circuit board，印刷电路板)布局，离驱动芯片最近的是MOS管Q1，然后依次排列MOS管Q2,Q3,Q4,Q5,Q6.对应的二极管D1,D2,D3,D4,D5,D6放置于相应MOS管的对立面，以减少回路面积。驱动匹配电阻R1,R2,R3,R4,R6,R7依次放置于相应MOS管的G极旁边，由总的驱动线DRV线进行级联链接。匹配电容C1,C2,C3并联放置于MOS管Q2,Q4,Q6最近线路的G极和S极。R5为MOS管Q4的G极和S极的下拉电阻，六只MOS管共用一个下拉电阻，MOS管Q4是PCB上的中间位置。

图5所示为是输入电流100A功率15kw情况下测试得到的MOS管G极和S极开通关断波形(图示上1号线)以及同一时刻MOS管的D极(漏极)和S极的开通关断波形(图示上2号线)；左侧为MOS管开通的波形图，右侧为MOS管关断的波形图；从波形图可以看出，MOS管G极和S极开通关断波形几乎没有震荡，同一时刻MOS管的D极和S极的开通关断波形几乎没有尖峰。

上述驱动电路具有以下特点：

1)驱动电路由一款驱动电路提供，保证6只MOS管的驱动信号一致性。

2)驱动电路增加负电压-5vdc供电，保证在6只MOS管关断时候，MOS管D极和S极的关断尖峰影响到S极的参考电平而引起MOS管误动作。

3)每一只MOS都单独配合一个匹配的驱动电阻，且驱动电阻值不一致，保证在PCB走线时候因线路长短阻抗值不同造成MOS管开关速度的不一致。传统的驱动电阻都是采用同一阻值的驱动电阻，而且没有对每个MOS进行放置阻抗匹配电阻，造成6只MOS管开关时序有差异。

4)第2只MOS管，第4只MOS管和第6只MOS管在MOS管的G极和S极之间并联电容，与MOS管匹配电阻形成RC电路，根据RC时间常数可以确定MOS管Q1,Q2,Q3,Q4,Q5,Q6的开通和关断时间。传统的电路都没有增加这种匹配电容，而且不同的MOS管因为结电荷的差异，匹配电容也要相应的改变。本实用新型中根据离驱动芯片远近的不同做相应的调整匹配的电容值，以保证在因存在线路阻抗值情况下，保证6只MOS管G极和S极的RC时间常数一致，保证6只MOS管能同时开关。

5)PCB布局上每只MOS管的各自的驱动匹配电阻以及匹配电容必须放置于离MOS管S极最近的地方，驱动信号DRV提供全部MOS管的驱动信号。每只MOS管按照序列依次并排列，对应的二极管也依次按照顺序依次排列，为减少分布电容以及分布电感造成的尖峰震荡，MOS管和二极管相互之间应该尽量靠近，减少回路走线面积。

本实用新型实施例在解决了在大功率大电流情况下，多个功率MOSFETMOS并联运行时候，驱动回路上因布局走线问题产生的分布电感电容对功率MOSFETMOS开关特性产生的震荡和尖峰问题，更加有利于多个功率MOSFETMOS并联运行。

对应于上述实施例，本实用新型实施例还提供一种基于场效应晶体管的驱动系统，其结构示意图如图6所示，该系统包括驱动芯片20及上述驱动电路10。此外，该系统还可以包括待驱动装置。

本实用新型实施例提供的基于场效应晶体管的驱动系统，与上述实施例提供的基于场效应晶体管的驱动电路具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统和/或装置的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，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，或者对其中部分或者全部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实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种基于场效应晶体管的驱动电路，其特征在于，所述驱动电路的输入端与驱动芯片连接；所述驱动电路的输出端与待驱动装置连接；所述驱动电路包括多个并联的驱动模块；所述驱动模块包括场效应晶体管及相移电路；多个所述驱动模块中的相移电路的时间常数相同；

所述相移电路用于接收所述驱动芯片的输入信号，在所述时间常数对应的震荡时间后同时导通各个所述驱动电路的所述场效应晶体管，向所述待驱动装置输出驱动信号。

2.根据权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，所述相移电路包括匹配电阻及匹配电容。

3.根据权利要求2所述的驱动电路，其特征在于，还包括连接线；所述连接线用于连接所述驱动芯片、所述相移电路、所述场效应晶体管及所述待驱动装置。

4.根据权利要求3所述的驱动电路，其特征在于，所述连接线包括多条子连接线；在每个所述驱动模块中，所述匹配电阻包括所述子连接线的等效电阻和实际电阻。

5.根据权利要求4所述的驱动电路，其特征在于，所述匹配电容包括所述子连接线在所述驱动模块中引起的分布电容和实际电容。

6.根据权利要求5所述的驱动电路，其特征在于，所述场效应晶体管包括栅极、漏极及源极；每个所述驱动模块中，所述场效应晶体管的栅极通过所述实际电阻与所述驱动芯片连接；所述场效应晶体管的栅极通过所述实际电容与所述场效应晶体管的源极连接；所述场效应晶体管的源极直接接地；各个所述驱动模块的场效应晶体管的漏极连接后与所述待驱动装置连接。

7.根据权利要求3所述的驱动电路，其特征在于，还包括下拉电阻；各个所述场效应晶体管的栅极还通过所述下拉电阻接地。

8.根据权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，所述场效应晶体管的型号相同。

9.一种基于场效应晶体管的驱动系统，其特征在于，包括驱动芯片及如权利要求1-8任一项所述的驱动电路。

10.根据权利要求9所述的驱动系统，其特征在于，还包括待驱动装置。

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