專利名稱：柵極浮置及電平轉換的功率mos管柵極驅動電路的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種功率MOS管柵極驅動電路，特別是一種具有柵極浮置及電平轉換功能的功率MOS管柵極驅動電路。
背景技術：
上下功率MOS管的驅動結構廣泛應用于當今很多的功率變換器中，如半橋、全橋 電源、雙管正激電源、逆變器、馬達驅動、class D功放等，其結構如圖1虛框中所示。一般功率MOS管的柵極驅動，需要高電平為IOV 15V的脈寬調制信號，并且需要 瞬時電流大于IA的驅動能力。此外對于上管的柵極驅動，由于其源極電位是浮動的，則其 柵極驅動電壓必須浮置在源極的電位上，才能正常地驅動上管打開。目前絕大部分功率變換器電路中，對功率MOS管的原始脈寬調制控制信號都是由 低壓的模擬及數字邏輯電路產生，其不能直接用來進行功率MOS管的柵極驅動，需要在控 制信號后加一級驅動電路，用以實現功率MOS管的柵極驅動，控制其導通及關斷。這樣的驅 動電路需要將控制芯片或數字控制器輸出的脈寬調制信號進行電流放大，并將電平轉換為 IOV 15V范圍。在上下管結構中還需要對上管進行柵極浮置驅動。目前解決此類驅動的 主要方法有如下兩種采用專用驅動芯片，如IR2113、LM5100等，成本高，電路復雜；采用隔離變壓器，需要繞制變壓器，具有體積大，有延遲，飽和等問題，高頻時驅動 波形不理想；采用帶驅動能力的光耦進行隔離浮置驅動，光耦的動態響應較慢，線性度差，需提 供附加電源，不適用于頻率較高的場合，另外帶驅動的光耦成本較高。
實用新型內容本實用新型目的是針對現有技術存在的缺陷提供一種柵極浮置及電平轉換的功 率MOS管柵極驅動電路。本實用新型為實現上述目的，采用如下技術方案本實用新型柵極浮置及電平轉換的功率MOS管柵極驅動電路，包括上管驅動電路 和下管驅動電路，其特征在于所述上管驅動電路包括第一至第四電阻、自舉電容第二電容、 第一和第二二極管、第一和第二 PNP型三極管以及第一 NPN型三極管，所述下管驅動電路包 括第五至第九電阻、第三和第四電容、第三二極管、第三和第四PNP型三極管以及第二 NPN 型三極管；其中第一 NPN型三極管的基極接第一原始脈寬調制信號，發射極串接第三電阻 后接地，集電極分別接第二 PNP型三極管的基極和第四電阻的一端；第二 PNP型三極管的集 電極分別接第一二極管的陽極、第一 PNP型三極管的基極和第二電阻的一端，發射極分別 接第四電阻的另一端、第二二極管的陰極、自舉電容的輸入端；第一 PNP型三極管的發射極 分別接第二電容的輸入端、第一電阻的一端和第一功率MOS管的柵極，集電極分別接第二 電阻的另一端、第二電容的輸出端、自舉電容的輸出端、第一功率MOS管的源極和第二功率MOS管的的漏極；第一電阻的另一端接第一二極管的陰極，第二二極管的陽極分別接柵極 驅動電壓電源、第八電阻的一端和第三PNP型三極管的發射極；第二NPN型三極管的基極接 第二原始脈寬調制信號，發射極串接第九電阻后接地，集電極分別接第八電阻的另一端和 第三PNP型三極管的基極；第三PNP型三極管的集電極分別接第三二極管的陽極、第四PNP 型三極管的基極和第七電阻的一端；第四PNP型三極管的發射極分別接第六電阻的一端和 第四電容的輸入端，集電極分別與第七電阻的另一端、第三電容的輸入出端、第五電阻的一 端和第二功率MOS管的源極連接接地；第六電阻的另一端接第三二極管的陰極，第四電容 的輸出端分別與第三電容的輸入端、第五電阻的另一端和第二功率MOS管的柵極連接。本實用新型完全采用分立器件的驅動結構，結構簡單可靠，成本低；利用N型、P型三極管的巧妙組合，實現電平轉換，能夠直接利用數字PWM信號(5V, 3. 3V)進行MOS管柵極驅動(一般為IOV 15V)；采用防高壓反偏二極管與浮置電容，配合三極管的驅動結構，實現上管的浮置驅 動功能；本實用新型中，對下管驅動采用了 C4作為隔直電容，結合R5，可把原來O-Vd的柵 極驅動電壓變為有負壓驅動的信號。負壓驅動對于下管來說有很多好處，可以防止Cdv/dt 導致的下管誤導通現象，另外使S2的柵源電容放電速度更快，可減小能量損耗以及提高可 靠性；利用三極管進行驅動電流放大，提高柵極驅動的灌、拉電流能力；該電路應用廣泛，可用在只要采用了上下臂MOS管驅動的各種變換器電路中，如 半橋、全橋電源及逆變器、馬達驅動、class D功放等。
圖1 現有技術中上下MOS管的驅動結構圖。圖2 本實用新型電路原理圖。圖3 以半橋開關電源為例的電路原理圖。圖4 對半橋開關電源電路的上下管柵極驅動波形圖。圖5 本實用新型上管柵極浮置驅動波形圖。
具體實施方式
以下結合附圖對實用新型的技術方案進行詳細說明如圖1所示，本實用新型柵極浮置及電平轉換的功率MOS管柵極驅動電路，包括上 管驅動電路和下管驅動電路，其特征在于所述上管驅動電路包括第一至第四電阻Rl R4、 自舉電容Cl第二電容C2、第一和第二二極管Dl、D2、第一和第二 PNP型三極管PI、P2以及 第一 NPN型三極管Ni，所述下管驅動電路包括第五至第九電阻R5 R9、第三和第四電容 C3、C4、第三二極管D3、第三和第四PNP型三極管P3、P4以及第二 NPN型三極管N2 ；其中第 一 NPN型三極管m的基極接第一原始脈寬調制信號PWMinl，發射極串接第三電阻R3后接 地，集電極分別接第二 PNP型三極管P2的基極和第四電阻R4的一端；第二 PNP型三極管 P2的集電極分別接第一二極管Dl的陽極、第一 PNP型三極管Pl的基極和第二電阻R2的一 端，發射極分別接第四電阻R4的另一端、第二二極管D2的陰極、自舉電容Cl的輸入端；第一 PNP型三極管Pl的發射極分別接第二電容C2的輸入端、第一電阻Rl的一端和第一功率 MOS管Sl的柵極，集電極分別接第二電阻R2的另一端、第二電容C2的輸出端、自舉電容Cl 的輸出端、第一功率MOS管Sl的源極和第二功率MOS管S2的的漏極；第一電阻Rl的另一 端接第一二極管Dl的陰極，第二二極管D2的陽極分別接柵極驅動電壓電源Vd、第八電阻 R8的一端和第三PNP型三極管P3的發射極；第二 NPN型三極管N2的基極接第二原始脈寬 調制信號PWMin2，發射極串接第九電阻R9后接地，集電極分別接第八電阻R8的另一端和第 三PNP型三極管P3的基極；第三PNP型三極管P3的集電極分別接第三二極管D3的陽極、 第四PNP型三極管P4的基極和第七電阻R7的一端；第四PNP型三極管P4的發射極分別接 第六電阻R6的一端和第四電容C4的輸入端，集電極分別與第七電阻R7的另一端、第三電 容C3的輸入出端、第五電阻R5的一端和第二功率MOS管S2的源極連接接地；第六電阻R6 的另一端接第三二極管D3的陰極，第四電容C4的輸出端分別與第三電容C3的輸入端、第 五電阻R5的另一端和第二功率MOS管S2的柵極連接。PWMinl和PWMin2是控制電路產生的原始脈寬調制信號，分別對應上管和下管的 柵極驅動波形。Vd為柵極驅動電壓的電源，一般為IOV 15V。兩路原始脈寬調制控制信號 經過上、下管驅動電路，將原始電平轉換為適于功率MOS管驅動的電平，并增加電流驅動能 力，實現了對功率MOS管Sl和S2的柵極驅動。其中對上管Sl具有柵極浮置驅動的功能。對于上管Si，需要柵極浮置驅動。當m基極的PWMinl信號為低電平時，附和P2 都不導通，Sl的柵源電壓為0，是關斷的。上管Sl關斷期間，若下管S2導通，則Vd電源電 壓經D2向自舉電容Cl充電，使得Cl兩端電壓為Vd減去D2的管壓降。當PWMinl信號為 高電平時，N2和P2相繼導通，自舉電容Cl兩端的電壓通過P2、D1、R1加到Sl的柵極上，這 樣的上管Sl柵極驅動電壓是浮置于其源極之上的，實現了柵浮置驅動功能，電壓差為Vd左 右，一般是IOV 15V，保證打開上管Si，使其導通。當PWMinl信號再次轉為低電平時，Pl 會導通，使Sl的柵極迅速放電，及時關斷Si。對于下管S2，由于其源極恒定接地，不需要柵極浮置驅動。當N2基極的PWMin2信 號為低電平時，N2和P3都不導通，S2的柵源電壓為0，是關斷的。當PWMin2信號為高電平 時，N2和P3相繼導通，電源Vd電壓通過P3、D3、R6、C4加到Sl的柵極上，S2的柵源電壓 為Vd左右，一般是IOV 15V，可保證打開下管S2，使其導通。當PWMin2信號再次轉為低 電平時，P4會導通，使S2的柵極迅速放電，及時關斷S2。下管驅動電路中S2柵極前面采用 了 C4作為隔直電容，結合電阻R5，可把原來0-15V的柵極驅動電壓變為有負壓驅動的信號。 負壓驅動對于下管來說有很多好處，可以防止Cdv/dt導致的下管誤導通現象，另外S2的柵 源電容放電速度更快。各元器件作用及選擇Cl起儲能作用，為上管柵極驅動的浮置電源存儲能量。當Cl的負端為OV后，Vd 通過D2對Cl充電，使Cl所帶電壓為Vd減去D2的管壓降。當Cl負端電壓抬高后，Cl正 端的電壓也隨之抬高，為上管柵極提供浮置電源進行驅動。此時Cl正端電壓高于Vd，為防 止反灌，D2起反向截止作用。C2和C3分別并聯于Sl和S2的柵極與源極之間，起到減緩柵極電壓上升的作用， 防止由于上升過快而給MOS管帶來的尖峰振蕩等問題。C4起隔直作用，一端接于S2的柵極，一端接P4的發射極。R5 —端接S2柵極，一端接地。C4和R5配合起來為S2提供關斷時的負壓驅動。 Dl、D3都是起反向截止作用，防止其負端電壓高于正端時電流反灌。Rl和R6分別為Sl與S2的柵極限流電阻，起到限制柵極電流的作用，防止由于上升過快而給MOS管帶來的尖峰振蕩等問題。R2—端接在Sl柵極，另一端接在Dl的負極。 R6 一端接在P4的發射極，另一端接在D3的負極。R2和R7為限流電阻，分別接在Pl和P4的基極與集電極之間，限制Pl和P4導通 時的基極電流。R3和R9為限流電阻，分別接在附和N2的發射極與地之間，限制附和N2導通時 的基極電流。R4和R8分別接在P2和P3的基極與集電極之間，當附或N2導通時，R4或R8上 會產生壓降，可控制P2和P3的導通。Ni、N2為NPN型三極管，PU P2、P3、P4為PNP型三極管。附基極接原始上管脈 寬調制控制信號PWMinl，發射極接R3，集電極接R4 ；N2基極接原始下管脈寬調制控制信號 PWMin2，發射極接R9，集電極接R8 ；Pl基極接R2，發射極接Sl柵極，集電極接Sl源極；P2 基極接W集電極，發射極接D2負極，集電極接Dl正極；P3基極接N2集電極，發射極接Vd, 集電極接D3負極；P4基極接D3負極，發射極接R6，集電極接地。Ni、P2為Sl開啟時提供 驅動，Pl為Sl關斷時泄放電流。N2、P3為Sl開啟時提供驅動，P4為Sl關斷時泄放電流。如圖3所示，以半橋開關電源為例，本實用新型在50KHz開關頻率下，PWMinl和 PWMin2分別是占空比為0. 3的一對互補開關信號。對半橋開關電源電路的上下管柵極驅動 波形如圖4所示。可見0 5V的數字控制信號PWMinl和PWMin2通過驅動電路后，可以轉化為功率 MOS管柵極驅動信號Vgsl和Vgs2。從波形可以看出，驅動信號與原始控制信號相位相同， 基本沒有延時，波形質量較好。此外下管的柵極驅動Vgs2實現了負壓驅動功能，低電位時 為負的4V左右。從圖5波形可以看出，上管源極電位Vsl在工作過程中是變化的。通過上管的驅 動電路，使得上管的柵極電位Vgl浮置于其源極電位之上，兩者之差構成了上管的柵源電 壓VgSl，成功地實現了上管的柵極浮置驅動。
權利要求一種柵極浮置及電平轉換的功率MOS管柵極驅動電路，包括上管驅動電路和下管驅動電路，其特征在于所述上管驅動電路包括第一至第四電阻(R1～R4)、自舉電容(C1)、第二電容(C2)、第一和第二二極管(D1、D2)、第一和第二PNP型三極管(P1、P2)以及第一NPN型三極管(N1)，所述下管驅動電路包括第五至第九電阻(R5～R9)、第三和第四電容(C3、C4)、第三二極管(D3)、第三和第四PNP型三極管(P3、P4)以及第二NPN型三極管(N2)；其中第一NPN型三極管(N1)的基極接第一原始脈寬調制信號(PWMin1)，發射極串接第三電阻(R3)后接地，集電極分別接第二PNP型三極管(P2)的基極和第四電阻(R4)的一端；第二PNP型三極管(P2)的集電極分別接第一二極管(D1)的陽極、第一PNP型三極管(P1)的基極和第二電阻(R2)的一端，發射極分別接第四電阻(R4)的另一端、第二二極管(D2)的陰極、自舉電容(C1)的輸入端；第一PNP型三極管(P1)的發射極分別接第二電容(C2)的輸入端、第一電阻(R1)的一端和第一功率MOS管(S1)的柵極，集電極分別接第二電阻(R2)的另一端、第二電容(C2)的輸出端、自舉電容(C1)的輸出端、第一功率MOS管(S1)的源極和第二功率MOS管(S2)的的漏極；第一電阻(R1)的另一端接第一二極管(D1)的陰極，第二二極管(D2)的陽極分別接柵極驅動電壓電源(Vd)、第八電阻(R8)的一端和第三PNP型三極管(P3)的發射極；第二NPN型三極管(N2)的基極接第二原始脈寬調制信號(PWMin2)，發射極串接第九電阻(R9)后接地，集電極分別接第八電阻(R8)的另一端和第三PNP型三極管(P3)的基極；第三PNP型三極管(P3)的集電極分別接第三二極管(D3)的陽極、第四PNP型三極管(P4)的基極和第七電阻(R7)的一端；第四PNP型三極管(P4)的發射極分別與第六電阻(R6)的一端和第四電容(C4)的輸入端，集電極分別與第七電阻(R7)的另一端、第三電容(C3)的輸入出端、第五電阻(R5)的一端和第二功率MOS管(S2)的源極連接接地；第六電阻(R6)的另一端接第三二極管(D3)的陰極，第四電容(C4)的輸出端分別與第三電容(C3)的輸入端、第五電阻(R5)的另一端和第二功率MOS管(S2)的柵極連接。
專利摘要本實用新型公布了一種柵極浮置及電平轉換的功率MOS管柵極驅動電路，本實用新型所述驅動電路包括上管驅動電路和下管驅動電路，其特征在于所述上管驅動電路包括第一至第四電阻、自舉電容、第二電容、第一和第二二極管、第一和第二PNP型三極管以及第一NPN型三極管，所述下管驅動電路包括第五至第九電阻、第三和第四電容、第三二極管、第三和第四PNP型三極管以及第二NPN型三極管。本實用新型不采用任何驅動芯片，僅用電阻、電容、三極管等普通分立元器件構成，成本低、可靠性、穩定性高且驅動效率高。
文檔編號H02M1/08GK201590755SQ200920283570
公開日2010年9月22日 申請日期2009年12月17日 優先權日2009年12月17日
發明者何曉瑩, 孫偉鋒, 徐申, 時龍興, 闞明建, 陸生禮 申請人:東南大學