CN107888055A - 改善功率管动态性能的驱动电路实现装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种改善功率管动态性能的驱动电路实现装置，包括输入信号源、反相器、第一集成电路、第二集成电路、十四个电阻、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容、第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第一电源、第二电源、第三电源(外接电源)、第一参考地、第二参考地。本发明通过加快N沟道增强型MOSFET管导通速度，实现减少开关损耗、加快导通速度和改善动态响应性能的效果；本发明实现的功率管驱动电路主要应用于线性电源、开关电源或电子负载等需要以功率场效应管为耗能元件的领域中，可有效改变功率管的响应速度和动态加载响应性能，因此具有广泛的应用前景。

Description

改善功率管动态性能的驱动电路实现装置
技术领域
本发明涉及电子电路和电子测量领域，尤其是一种改善功率管动态性能的驱动电路实现装置，主要应用用于线性电源、开关电源或电子负载等场合。。
背景技术
N沟道增强型MOSFET驱动电路主要用于线性电源、开关电源或电子负载等需要以功率场效应管为耗能元件的领域。
传统的N沟道增强型MOSFET驱动电路，缺少针对MOSFET截断电压的处理措施，根据场效应管的特征，Id＝f(Vgs-Vth)只有栅极电压高于截断电压时，MOSFET才开始工作，实现电压控制电流的作用。于是，传统的驱动电路每次工作刚开始的一段时间，只是用来克服截断电压的影响，并不能起压控电流的作用，导致功率管的导通速度慢和动态响应性能比较差。
专利CN2014200080079.9“功率管驱动电路及直流固态功率控制器”，如附图1所示，该专利可以实现功率管以较“慢”的恒定速度开通和关断，但未对截断电压进行适当的处理，这就会影响功率管的导通速度和快速切换时的动态响应性能。
专利CN201510835854.6“一种功率管驱动电路”，如附图2所示，该发明实施例公开了一种功率管驱动电路，该发明优点是提供的功率管驱动电路，驱动电路驱动能力强，配合泄放电路可以迅速关断功率电路的功率管，可以实现较快的关断速度，开关损耗较小，动态性能有一定的改善。但是该发明也并未对截断电压进行适当的处理，这导致功率管的导通速度比较慢，动态性能虽然有一定的改善，却仍然比较差。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提出一种改善功率管动态性能的驱动电路实现装置，在功率管驱动电路中增添了针对N沟道MOSFET管截断电压的处理措施，可以有效缩短功率管的导通时间，减少开关损耗，改善功率管的动态响应性能。
本发明所采用的技术方案为：一种改善功率管动态性能的驱动电路实现装置，包括输入信号源、反相器、第一集成电路、第二集成电路、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第十三电阻、第十四电阻、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容、第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第一电源、第二电源、第三电源(外接电源)、第一参考地、第二参考地；
所述第一集成电路为集成运算放大器，第二集成电路为集电极开路比较器、第三电容为积分电容、第一晶体管为NPN型晶体管、第二晶体管为PNP型晶体管，第三晶体管是N沟道增强型场效应管，第一电源为正电源，第二电源为负电源，第三电源为外接电源，第一电源和第二电源以第一参考地电位为参考，第一参考地和第二参考地单点连接；
所述第十二电阻为第三晶体管栅极保护电阻，防止瞬间电流对第三晶体管的冲击；第一电阻、第三电容、第四电阻、第五电阻、第一集成电路以第一集成电路为核心组成深度负反馈，构成了积分器；第二集成电路、第一电源、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻组成开关控制电路；第一晶体管对第一集成电路进行扩流，增强第一集成电路的输出电流能力；第二晶体管为开关晶体管，导通情况下，第二负电源经过第三电阻对积分电容进行放电。
进一步的说，本发明所述第六电阻和第七电阻对第一电源电压进行分压，将分压结果作为基准电压送至第二集成电路的反相输入端；当第一集成电路输出电压小于基准电压的情况下，第二集成电路输出低电平为第二电源，第八电阻、第九电阻、第十电阻、第一电源、第二电源组成电平移位电路，以控制第二晶体管的基极电压为一定的负电压，保证第二晶体管饱和导通；当第一集成电路输出端电压大于基准电压的情况下，第二集成电路输出高阻态，第八电阻、第九电阻、第十电阻、第一电源、第二电源组成电平移位电路，以控制第二晶体管的基极电压为一定的正电压，保证第二晶体管截止。
再进一步的说，本发明上电后，PWM先不输入，以第一集成电路、第二集成电路、第二电源、第二晶体管和基准电压为核心，构成了电压钳位电路，在第一集成电路输出端电压被钳位在基准电压后，可将输入信号源接入。
再进一步的说，本发明当第一集成电路输出电压小于基准电压的情况下，第二集成电路输出低电平为第二电源，第二晶体管的基极电压为一定的负电压第二晶体管饱和导通，第二电源通过第三电阻连接到第一集成运算放大器的反相输入端，对积分电容进行放电，导致第一集成电路输出电压升高。
再进一步的说，本发明当第一集成电路输出端电压大于基准电压的情况下，第二集成电路同相输入端电压大于反相输入端电压，第二集成电路输出高阻态，基极电压为一定的正电压，第二晶体管截止，第一接地参考通过第二电阻和第三电阻连接到第一集成电路的反相输入端，因为第一集成电路处于深度负反馈状态，虚短成立，第一集成电路的同相输入端连接平衡电阻的一端，平衡电阻的另一端连接第一参考地，第一集成电路反相输入端电位与同相输入端电位相等实现虚地，积分电容停止充电，第一集成电路输出电压停止升高。于是，第一集成电路输出端电压被钳位在基准电压；第一晶体管导通，第三晶体管的栅极输入电压上升，直到比基准电压的第一晶体管基极和发射极结电压的电压值。
本发明的有益效果是：通过加快N沟道增强型MOSFET管导通速度，实现减少开关损耗、加快导通速度和改善动态响应性能的效果；本发明实现的功率管驱动电路主要应用于线性电源、开关电源或电子负载等需要以功率场效应管为耗能元件的领域中，可有效改变功率管的响应速度和动态加载响应性能，因此具有广泛的应用前景。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是功率管驱动电路及直流固态功率控制原理图；
图2是一种功率管驱动电路的结构图；
图3是N沟道增强型MOS管转移特性图；
图4是发明装置的电路原理图。
具体实施方式
现在结合附图和优选实施例对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图4所示，PWM为输入信号，U1为集成运算放大器，U2为集成比较器，U3为由集成运算放大器组成的反相器，Q1为NPN型BJT，Q2为PNP型BJT，Q3为N沟道增强型MOSFET，+15V为正电源，-15V为负电源，AGND为模拟参考地，VCC为外接电源，GND为外接电源的参考地，AGND和GND单点相连，R1至R14为电阻器、C1至C5为电容器。
输入信号PWM连接到反相器的输入端，反相器的输出端接电阻R1的一端，电阻R1的另一端连接集成运算放大器U1的反相输入端，电容C3的一端连接到集成运算放大器U1的反相输入端，电容C3的另一端接电阻R4的一端，电阻R4的另一端接集成运算放大器U1的输出端，电阻R5的一端接集成运算放大器U1的同相输入端，电阻R5的另一端接模拟参考地AGND，电阻R2的一端接模拟参考地AGND，电阻R2的另一端接PNP型BJT晶体管Q2的发射极，电阻R3的一端接PNP型BJT晶体管Q2的发射极，电阻R3的另一端接集成运算放大器U1的反相输入端，集成运算放大器U1的输出端接集成比较器U2的同相输入端，电阻R6的一端接电源+15V，电阻R6的另一端接集成比较器U2的反相输入端，电阻R7的一端接集成比较器U2的反相输入端，电阻R7的另一端接模拟参考地AGND，模拟参考地AGND单点连接外接电源的参考地GND，集成比较器U2采样双电源供电，+15V连接正电源输入端，-15V连接负电源输入端，电阻R8的一端接集成比较器U2的输出端，电阻R8的另一端接PNP型BJT晶体管Q2的基极，电阻R9的一端接正电源+15V,电阻R9的另一端接PNP型BJT晶体管Q2的基极，电阻R10的一端接PNP型BJT晶体管Q2的基极，电阻R10的另一端接模拟地AGND,PNP型BJT晶体管Q2的集电极接负电源-15V，电容C5的一端接PNP型BJT晶体管Q2的集电极，电容C5的另一端接模拟参考地AGND，集成运算放大器U1的输出端接NPN型BJT晶体管Q1的基极，NPN型BJT晶体管Q1的集电极接正电源+15V，电容C4的一端接正电源+15V，电容C4的一端接模拟参考地AGND，电阻R11的一端接NPN型BJT晶体管Q1的发射极，电阻R11的另一端接模拟参考地AGND，电阻R12的一端接NPN型BJT晶体管Q1的发射极，电阻R12的另一端接N沟道增强型MOSFET晶体管Q3的栅极，电阻R13的一端接外接电源VCC，电阻R13的另一端接N沟道增强型MOSFET晶体管Q3的漏极，电阻R14的一端接N沟道增强型MOSFET晶体管Q3的源极，电阻R14的另一端接外接电源的参考地GND。
工作原理：
U2为双电源供电比较器，U2反相端输入电压作为基准电压Vref
正向端输入电压
U2+＝UO1…(2)
当上电后，PWM作为第一路输入电压，设定此时Ui1＝0，对于比较器U2，此时
U2->U2+…(3)
U2输出端的输出电压为低电平，即UO2＝-15V。
那么对于开关管Q2，此时Q2的基极电压为
此时发射极电压为0V，开关管Q2导通，-15V电压连接到输入电阻R3作为第二路输入电压，即Ui2＝-15V。
R3、U1、C3和R4构成积分电路
C3持续充电，Uo1持续增大，当Uo1>2.25V，对于U2比较器，此时，U2-<U2+，U2输出端为高阻态，可视为无穷大电阻。此时
开关管Q2断开，Ui2＝0，R3、U1、C3和R4构成积分电路停止充电，Uo1＝2.25V，
此时，N沟道增强型MOSFET晶体管Q3的栅极电压为
Ugs＝Uo1-Vbe＝2.25V-0.7V＝1.75V…(7)
MOSFET管的截断电压Uth(off)根据型号不同而不相同，在2V～5V左右。
因为上电后一段时间后MOSFET管已经处于接近导通状态，当PWM开始作用时，只需要充电从1.75V到Uth(off)便可起压控电流的作用。于是，缩短了N沟道增强型MOSFET管的导通时间，从而实现减少功率管开关损耗、加快功率管导通速度和改善功率管动态响应性能的效果。
以上说明书中描述的只是本发明的具体实施方式，各种举例说明不对本发明的实质内容构成限制，所属技术领域的普通技术人员在阅读了说明书后可以对以前所述的具体实施方式做修改或变形，而不背离本发明的实质和范围。

Claims (5)

1.一种改善功率管动态性能的驱动电路实现装置，其特征在于：包括输入信号源、反相器、第一集成电路、第二集成电路、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第十三电阻、第十四电阻、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容、第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第一电源、第二电源、第三电源(外接电源)、第一参考地、第二参考地；
所述第一集成电路为集成运算放大器，第二集成电路为集电极开路比较器、第三电容为积分电容、第一晶体管为NPN型晶体管、第二晶体管为PNP型晶体管，第三晶体管是N沟道增强型场效应管，第一电源为正电源，第二电源为负电源，第三电源为外接电源，第一电源和第二电源以第一参考地电位为参考，第一参考地和第二参考地单点连接；
所述第十二电阻为第三晶体管栅极保护电阻，防止瞬间电流对第三晶体管的冲击；第一电阻、第三电容、第四电阻、第五电阻、第一集成电路以第一集成电路为核心组成深度负反馈，构成了积分器；第二集成电路、第一电源、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻组成开关控制电路；第一晶体管对第一集成电路进行扩流，增强第一集成电路的输出电流能力；第二晶体管为开关晶体管，导通情况下，第二负电源经过第三电阻对积分电容进行放电。
2.如权利要求1所述的改善功率管动态性能的驱动电路实现装置，其特征在于：所述第六电阻和第七电阻对第一电源电压进行分压，将分压结果作为基准电压送至第二集成电路的反相输入端；当第一集成电路输出电压小于基准电压的情况下，第二集成电路输出低电平为第二电源，第八电阻、第九电阻、第十电阻、第一电源、第二电源组成电平移位电路，以控制第二晶体管的基极电压为一定的负电压，保证第二晶体管饱和导通；当第一集成电路输出端电压大于基准电压的情况下，第二集成电路输出高阻态，第八电阻、第九电阻、第十电阻、第一电源、第二电源组成电平移位电路，以控制第二晶体管的基极电压为一定的正电压，保证第二晶体管截止。
3.如权利要求2所述的改善功率管动态性能的驱动电路实现装置，其特征在于：上电后，PWM先不输入，以第一集成电路、第二集成电路、第二电源、第二晶体管和基准电压为核心，构成了电压钳位电路，在第一集成电路输出端电压被钳位在基准电压后，可将输入信号源接入。
4.如权利要求3所述的改善功率管动态性能的驱动电路实现装置，其特征在于：当第一集成电路输出电压小于基准电压的情况下，第二集成电路输出低电平为第二电源，第二晶体管的基极电压为一定的负电压第二晶体管饱和导通，第二电源通过第三电阻连接到第一集成运算放大器的反相输入端，对积分电容进行放电，导致第一集成电路输出电压升高。
5.如权利要求4所述的改善功率管动态性能的驱动电路实现装置，其特征在于：当第一集成电路输出端电压大于基准电压的情况下，第二集成电路同相输入端电压大于反相输入端电压，第二集成电路输出高阻态，基极电压为一定的正电压，第二晶体管截止，第一接地参考通过第二电阻和第三电阻连接到第一集成电路的反相输入端，因为第一集成电路处于深度负反馈状态，虚短成立，第一集成电路的同相输入端连接平衡电阻的一端，平衡电阻的另一端连接第一参考地，第一集成电路反相输入端电位与同相输入端电位相等实现虚地，积分电容停止充电，第一集成电路输出电压停止升高。于是，第一集成电路输出端电压被钳位在基准电压；第一晶体管导通，第三晶体管的栅极输入电压上升，直到比基准电压的第一晶体管基极和发射极结电压的电压值。
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