CN110635669A - 一种高压mosfet开关驱动及保护电路 - Google Patents

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Abstract

一种高压MOSFET开关驱动及保护电路，包括浮地电压源、内部低压源、电荷泵、逻辑控制、过流检测、过温检测以及栅极驱动部分；输入高压电源通过稳压或降压电路获得浮地电源和内部低压源；浮地电源驱动电荷泵电路获得高于输入电源的MOSFET栅极驱动电压；采用栅极逻辑运算单元连接栅极驱动，该栅极逻辑运算单元中输入端为内部低压源与外部TTL输入信号：内部低电压源用于比较外部TTL输入信号以及过流、过温的逻辑控制信号；当外部TTL输入信号为高电平时，栅极逻辑运算单元关断MOSFET，卸载负载电压源。当外部TTL输入信号为低电平时，开启MOSFET，高电压源加载至负载。实现的保护功能：当过流或过温工作时，关断MOSFET，保护驱动电路及负载。

Description

一种高压MOSFET开关驱动及保护电路
技术领域：
本发明属于电子信息技术领域，具体涉及一种高压MOSFET开关驱动电路及保护电路。
背景技术：
功率场效应晶体管(MOSFET)具有开关速度快、驱动功率小和安全工作区宽等特点，在高性能的开关电源及各种控制应用领域得到了广泛的应用。例如，脉冲调宽的低压信号，通过开关高压功率MOSFET可以实现电机的位移控制。在高功率激光的驱动应用中，脉冲宽度控制的脉冲信号通过开关MOSFET高压功率管，实现激光工作电流及工作温度的精密调节。此外，在雷达探测的应用中，氮化镓功率放大器工作在脉冲方式，需要开关MOSFET为功率负载提供高压脉冲电源。以上所述的各种应用对MOSFET驱动电路的要求包括：高压(50-100V)MOSFET开关受外部低压(3.3-5V)信号的控制。为实现快速的MOSFET开启将输入电源加载至负载，MOSFET的栅极电压须高于电源电压(l0～l5V)。并且，此时高压MOSFET对电路吸收的功率很小，对***总效率的影响需忽略。
当前，为实现高压MOSFET的开启，可使用变压器的MOSFET栅极驱动方式，但是此方式不适用于高速开关的场景。采用独立栅极供电的方式需引入新的电源，增加了***的复杂性。而采用已有输入电源实现MOSFET的驱动，可以极大的简化电路，提升电路的集成性。此外，为了电路的安全性，驱动电路在MOSFET的负载电流或工作温度超限时，需要能及时关断MOSFET，具备保护开关驱动及后级负载的能力。
发明内容：
为改变现有方案的缺点并满足对驱动和保护能力的需求，本发明目的是，提出一种高压MOSFET开关驱动和保护电路。该驱动电路实现的功能是：当外部TTL输入信号为低电平时，开启MOSFET，将输入高电压源加载至负载。当外部TTL输入信号为高电平时，关断MOSFET，卸载负载电压源。同时，该电路实现的保护功能是：当MOSFET过流或过温工作时，关断MOSFET，保护驱动电路及负载。
本发明的技术方案是，一种高压MOSFET开关驱动及保护电路，包括浮地电压源、内部低压源、电荷泵、逻辑控制、过流检测、过温检测以及MOSFET栅极驱动部分；输入高压电源通过稳压或降压电路获得浮地电源和内部低压源；浮地电源驱动电荷泵电路获得高于输入电源的MOSFET栅极驱动电压；采用栅极逻辑运算单元连接MOSFET栅极驱动电路，该栅极逻辑运算单元中输入端为内部低压源与外部TTL输入信号：内部低电压源用于比较外部TTL输入信号以及过流、过温的逻辑控制信号：当外部TTL输入信号为低电平时，栅极逻辑运算单元开启MOSFET，将输入高电压源加载至负载。当外部TTL输入信号为高电平时，栅极逻辑运算单元关断MOSFET，卸载负载电压源。栅极逻辑运算单元为外部TTL信号和过流检测信号通过各种门电路，完成开启和关闭MOSFET的判断信号。
所述逻辑控制信号通过栅极驱动模块实现高压MOSFET的开断。所述过流检测及过温检测通过电流采样及温度采样获得。
过流检测及过温检测电路连接到栅极逻辑运算单元，当MOSFET工作过流或过温时，栅极逻辑运算单元关断MOSFET，保护驱动电路及负载；过流检测及过温检测通过电流采样及温度采样获得。
所述的浮地电源为输入高压电源通过稳压二极管获得。浮地电源的高电位等于输入高压源高电位，低电位为稳压二极管的正极低电位。浮地电源压差由稳压二极管决定，为10-15V之间。
所述内部低电压源为输入电源通过线性稳压获得，电压范围为5-12V之间。
内部低电压源为逻辑控制电路以及温度过载电路供电。
所述浮地电源通过Dickson电荷泵获得高于输入电源12V的MOSFET栅极驱动电压。
所述的外部控制信号经过逻辑处理及栅极驱动电路，实现了MOSFET的开关控制。外部控制信号为TTL高/低电平时，分别关断/开启MOSFET。
所述电荷泵获得的栅极驱动高压源还通过线性稳压为过流检测电路的供电；所述过流检测的方式为：将电流采样电阻的压降与基准电压值比较，判断MOSFET是否电流过载。电流过载高压电平转换为低电压及通过逻辑控制后，关断MOSFET。
电流过载电平的电压转换，通过光耦隔离的方式实现。
所述温度过载检测的方式为：将负温度系数热敏电阻紧贴MOSFET，通过热敏电阻采样电压与参考电压进行比较，判断MOSFET是否温度超限。当过温时，比较器电平通过逻辑控制及栅极驱动电路，保持关断MOSFET。
电荷泵的原理是，电容的充电和放电采用不同的连接方式，如并联充电、串联放电，串联充电、并联放电等，实现升压、降压、负压等电压转换功能。电荷泵的一个用途就是在由N沟道MOSFET构成的半桥电路中为上桥臂提供浮驱电压。
有益效果：本发明实现高压MOSFET的开启，使用逻辑运算的MOSFET栅极驱动方式，该驱动电路实现的功能是：当外部TTL输入信号为低电平时，开启MOSFET，将输入高电压源加载至负载。当外部TTL输入信号为高电平时，关断MOSFET，卸载负载电压源。无需要独立栅极供电的方式，驱动电路在MOSFET的负载电流或工作温度超限时，能及时关断MOSFET，具备保护开关驱动及后级负载的能力。
附图说明：
图1为本发明中MOSFET开关驱动及保护电路的功能结构示意图。
图2为驱动及保护电路的浮地电压及内部低压源产生电路实例图。
图3为获得MOSFET栅极驱动电压的电荷泵电路实例图。
图4为外部输入信号以及过流\过温控制的逻辑处理电路实例图。
图5为驱动控制信号的MOSFET栅极驱动电路实例图。
图6为MOSFET工作电流过载检测电路实例图。
图7为MOSFET工作温度过载检测电路实例图。
图8为外部TLL、过温、过流控制MOSFET开断的逻辑图(表)。
图9为高压MOSFET开关驱动及保护电路的时序实例图。
具体实施方式：
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下通过实施例并参照附图对本发明进一步详细说明，但是本发明的实施方式不仅限于此。
图1为高压MOSFET开关驱动及保护电路的功能组成结构示意图。驱动及保护电路的组成部分包括：浮地电压源101、内部低压源102、电荷泵103、逻辑控制104、过流检测105、过温检测106以及MOSFET栅极驱动107几个部分。输入电源电压Vin通过稳压电路获得浮地电源101和内部低压电源102。浮地电源101驱动电荷泵102获得高于输入电源电压的MOSFET栅极驱动电压。内部低电压源102为外部输入控制信号以及过流105、过温106逻辑控制处理供电。通过比较采样电阻电压与参考阈值电压，实现MOSFET的过流检测。MOSFET管旁紧贴热敏元件，通过比较热敏元件的电压与参考阈值电压，实现MOSFET的过温检测。逻辑控制信号通过栅极驱动模块107实现高压MOSFET的开断。当外部输入TTL信号为低电平时，开启MOSFET，将输入高电压源加载至负载。当外部输入TTL信号为高电平时，关断MOSFET，卸载电压源。同时，当MOSFET发生过流或温度过载的情况时，通过逻辑控制104和栅极驱动107电路控制关断MOSFET。下面将对功能结构中每个组成部分分别进行描述。
图2显示了浮地电源201(VH)和内部低压电源202(VL)的实例电路。输入电源203(Vin)为60V左右的高压源。Vin首先通过D1稳压管获得浮地电源201。D1的稳压管的负极为浮地电源的高电平VH，D1稳压管的正极为浮地电源的地FGND。VH与FGND之间的浮地电压差为12V。输入电压进一步通过线性稳压电路204，获得内部低压电源202(VL)。VL对地GND的电压差为5V。线性稳压电路由调整管Q1，电阻R1，三极管Q2，稳压管D2和采样电阻R2、R3组成。
高压MOSFET在快速开关工作时，要求MOSFET的栅源压差VGS在饱和开启电压下。此时MOSFET的开关电阻最小，功率损失最小，因此MOSFET栅源电压差VGS要大于等于12V。由于MOSFET源极的电压接近输入电压203(Vin)，为获得比Vin更高的栅极电压，采用电荷泵电路来完成。图3显示了电荷泵电路的实例电路。本实施例中采用了Dickson二级电荷泵。该电荷泵的时钟脉冲信号由计数器301(A1)的振荡功能模块实现，R4和C4设定脉冲振荡频率。时钟脉冲经泵电容C1，C2耦合到各级。利用二极管D3，D4，D5的单向导电性和电容存储电荷的特性，在两相不交叠的时钟脉冲驱动下将电荷从输入端推向输出端，随着输出端电容上电荷的不断增加，输出电压不断上升，最终电荷泵电源302(Vp)的电压值到达Vin+12V。本发明振荡电路301(A1)的供电由浮地电源201(VH)提供。利用浮地电源201驱动301振荡器，优点在于可以使用低压工作的振荡芯片，并且使用更少的电荷泵级次获得高于电源电压的MOSFET栅极驱动电压输出。
在获得电路所需的各级驱动电压源后，下面举实例说明开关MOSFET逻辑、驱动及保护电路的实现方式。
外部TTL信号控制MOSFET开关的逻辑是：当外部TTL信号为高电平时，关断MOSFET。当外部TTL信号为低电平时，开启MOSFET。同时，当出现过流或过温的情况，保护逻辑要求保持关断MOSFET。图4显示了实现这个功能的逻辑电路实例。该逻辑电路的供电来自内部低压电源202(VL)，是输入高压电源通过降压稳压获得。401为外部输入TTL控制信号，402为输入过流/过温检测信(高电平代表过流/过温)，403为输出逻辑控制信号(连接至MOSFET栅极驱动模块107)。当MOSFET的工作电流和温度在阈值范围内时，(404)A2非门的输入端为低电平，输出为高电平。与非门405(A3)的输出只受外部输入TTL信号401控制。当外部输入信号401为高电平时，与非门405输出高电平。当外部输入信号401为低电平时，与非门405输出低电平。而当出现过流温或过温的情况时，非门(402)的输入端为高电平。此时与非门的输出保持403为高电平，MOSFET保持关断，不收外部TTL信号的控制。逻辑控制信号403要求高电平关断MOSFET，低电平开启MOSFET。
为实现低压逻辑控制信号403对高压MOSFET的开断，还需要将图4的逻辑控制信号连接至图5的MOSFET栅极驱动电路。图5显示了MOSFET栅极驱动示意图。当逻辑控制信号403为高电平时，Q4光耦导通。NPN管Q5截止，MOSFET管关断。当逻辑控制信号403为低电平时，Q4光耦截止，NPN管Q5导通，电荷泵电源302(Vp)加载至MOSFET的栅极，MOSFET开启，输入电源203(Vin)加载至负载。
进一步的为了保护负载的电流不超过限制，需要进行过流检测。当过流发生时，保持关断MOSFET。过流检测的电路如图6所示。601(Rs)为串接在MOSFET漏极的采样电阻。采样电阻601选择小阻值的功率电阻。由于输入电源Vin经过采样电阻的压差比较小，为保证比较器正常工作，要求比较器602的供电电压大于输入电源。本实例中，电荷泵电源302(Vp)通过降压至Vin+5V后为比较器602供电。比较器的负电源为浮地电源的地电位。这种设计的优点是：使用常规电压工作的比较器实现了绝对高压的电压比较。因此，当MOSFET漏极电流变大时，比较器负端电压变小，当小于比较器正端设定的阈值时，比较器输出高电平。高电平为高压信号，通过光耦Q8转换成低电压的过流检测高电平信号402。
进一步的为了保护MOSFET的工作温度不超过限制，需要进行过温检测。当过温发生时，保持关断MOSFET管。过温检测的电路如图7所示。该逻辑电路的供电来自内部低压电源202(VL)，是输入高压电源通过降压稳压获得。701(Rth)为用于温度检测的负温度系数热敏电阻，热敏电阻紧贴所述MOSFET。Rth，R14，R15，R16，A5组成桥式比较电路。当温度升高时，701(Rth)的电阻降低，导致比较器702(A5)负端电压下降。当702负端电压低于正端的设定阈值时，比较器输出过温高电平信号402。
根据以上的实例描述，外部TL信号L、过温、过流控制MOSFET开关的逻辑如图8所示。对应的一个高压MOSFET开关驱动及保护电路的实例时序如图9所示。

Claims (10)

1.一种高压MOSFET开关驱动及保护电路，其特征是，包括浮地电压源、内部低压源、电荷泵、逻辑控制、过流检测、过温检测以及MOSFET栅极驱动部分；输入高压电源通过稳压或降压电路获得浮地电源和内部低压源；浮地电源驱动电荷泵电路获得高于输入电源的MOSFET栅极驱动电压；采用栅极逻辑运算单元连接MOSFET栅极驱动，该栅极逻辑运算单元中输入端为内部低压源与外部TTL输入信号：内部低电压源用于比较外部TTL输入信号以及过流、过温的逻辑控制信号：当外部TTL输入信号为低电平时，栅极逻辑运算单元开启MOSFET，将输入高电压源加载至负载；当外部TTL输入信号为高电平时，栅极逻辑运算单元关断MOSFET，卸载负载电压源。
2.根据权利要求1所述的高压MOSFET开关驱动及保护电路，其特征是，所述栅极逻辑运算单元逻辑控制信号通过栅极驱动单元实现高压MOSFET的开断。
3.根据权利要求1或2所述的高压MOSFET开关驱动及保护电路，其特征是，过流检测及过温检测电路连接到栅极逻辑运算单元，当MOSFET工作过流或过温时，栅极逻辑运算单元关断MOSFET，保护驱动电路及负载；过流检测及过温检测通过电流采样及温度采样获得；所述温度过载检测的方式为：将负温度系数热敏电阻紧贴MOSFET，通过热敏电阻采样电压与参考电压进行比较，判断MOSFET是否温度超限。当过温时，栅极逻辑运算单元通过栅极驱动电路，保持关断MOSFET。
4.根据权利要求1或2所述的高压MOSFET开关驱动及保护电路，其特征是，所述的浮地电源为输入高压电源通过稳压二极管获得，浮地电源的高电位等于输入高压源高电位，低电位为稳压二极管的正极低电位。
5.根据权利要求4所述的高压MOSFET开关驱动及保护电路，其特征是，浮地电源压差由稳压二极管决定，为10-15V之间。
6.根据权利要求1或2所述的高压MOSFET开关驱动及保护电路，其特征是，所述内部低电压源为输入电源通过线性稳压获得，电压范围为5-12V之间。
7.根据权利要求1或2所述的高压MOSFET开关驱动及保护电路，其特征是，内部低电压源为逻辑控制电路以及温度过载电路供电。
8.根据权利要求1或2所述的高压MOSFET开关驱动及保护电路，其特征是，所述浮地电源通过Dickson电荷泵获得高于输入电源12V的MOSFET栅极驱动电压。所述电荷泵获得的栅极驱动高压源还通过线性稳压为过流检测电路的供电。
9.根据权利要求1或2所述的高压MOSFET开关驱动及保护电路，其特征是，所述过流检测的方式为：将电流采样电阻的压降与基准电压值比较，判断MOSFET是否电流过载；电流过载高压电平转换为低电压及通过逻辑控制后，关断MOSFET。
10.根据权利要求1或2所述的高压MOSFET开关驱动及保护电路，其特征是，电流过载电平的电压转换，通过光耦隔离的方式实现。
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