[发明专利]栅极浮置及电平转换的功率MOS管栅极驱动电路及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种功率MOS管栅极驱动电路及方法，特别是一种具有栅极浮置及电平转换功能的功率MOS管栅极驱动电路及方法。

背景技术

上下功率MOS管的驱动结构广泛应用于当今很多的功率变换器中，如半桥、全桥电源、双管正激电源、逆变器、马达驱动、class D功放等，其结构如图1虚框中所示。

一般功率MOS管的栅极驱动，需要高电平为10V～15V的脉宽调制信号，并且需要瞬时电流大于1A的驱动能力。此外对于上管的栅极驱动，由于其源极电位是浮动的，则其栅极驱动电压必须浮置在源极的电位上，才能正常地驱动上管打开。

目前绝大部分功率变换器电路中，对功率MOS管的原始脉宽调制控制信号都是由低压的模拟及数字逻辑电路产生，其不能直接用来进行功率MOS管的栅极驱动，需要在控制信号后加一级驱动电路，用以实现功率MOS管的栅极驱动，控制其导通及关断。这样的驱动电路需要将控制芯片或数字控制器输出的脉宽调制信号进行电流放大，并将电平转换为10V～15V范围。在上下管结构中还需要对上管进行栅极浮置驱动。目前解决此类驱动的主要方法有如下两种：

采用专用驱动芯片，如IR2113、LM5100等，成本高，电路复杂；

采用隔离变压器，需要绕制变压器，具有体积大，有延迟，饱和等问题，高频时驱动波形不理想；

采用带驱动能力的光耦进行隔离浮置驱动，光耦的动态响应较慢，线性度差，需提供附加电源，不适用于频率较高的场合，另外带驱动的光耦成本较高。

发明内容

本发明目的是针对现有技术存在的缺陷提供一种栅极浮置及电平转换的功率MOS管栅极驱动电路及方法。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

本发明栅极浮置及电平转换的功率MOS管栅极驱动电路，包括上管驱动电路和下管驱动电路，其特征在于所述上管驱动电路包括第一至第四电阻、自举电容第二电容、第一和第二二极管、第一和第二PNP型三极管以及第一NPN型三极管，所述下管驱动电路包括第五至第九电阻、第三和第四电容、第三二极管、第三和第四PNP型三极管以及第二NPN型三极管；其中第一NPN型三极管的基极接第一原始脉宽调制信号，发射极串接第三电阻后接地，集电极分别接第二PNP型三极管的基极和第四电阻的一端；第二PNP型三极管的集电极分别接第一二极管的阳极、第一PNP型三极管的基极和第二电阻的一端，发射极分别接第四电阻的另一端、第二二极管的阴极、自举电容的输入端；第一PNP型三极管的发射极分别接第二电容的输入端、第一电阻的一端和第一功率MOS管的栅极，集电极分别接第二电阻的另一端、第二电容的输出端、自举电容的输出端、第一功率MOS管的源极和第二功率MOS管的的漏极；第一电阻的另一端接第一二极管的阴极，第二二极管的阳极分别接栅极驱动电压电源、第八电阻的一端和第三PNP型三极管的发射极；第二NPN型三极管的基极接第二原始脉宽调制信号，发射极串接第九电阻后接地，集电极分别接第八电阻的另一端和第三PNP型三极管的基极；第三PNP型三极管的集电极分别接第三二极管的阳极、第四PNP型三极管的基极和第七电阻的一端；第四PNP型三极管的发射极分别接第六电阻的一端和第四电容的输入端，集电极分别与第七电阻的另一端、第三电容的输入出端、第五电阻的一端和第二功率MOS管的源极连接接地；第六电阻的另一端接第三二极管的阴极，第四电容的输出端分别与第三电容的输入端、第五电阻的另一端和第二功率MOS管的栅极连接。

所述的栅极浮置及电平转换的功率MOS管栅极驱动电路的驱动方法，其特征在于所述方法如下：

对于第一功率MOS管，需要栅极浮置驱动：当第一NPN型三极管基极的第一原始脉宽调制信号为低电平时，第一NPN型三极管和第二PNP型三极管都不导通，第一功率MOS管的栅源电压为0即关断，当第一功率MOS管关断期间，若第二功率MOS管导通，则栅极驱动电压电源压经第二二极管向自举电容充电；当第一原始脉宽调制信号为高电平时，第一NPN型三极管和第二PNP型三极管导通，自举电容两端的电压通过第二PNP型三极管、第一二极管、第一电阻加到第一功率MOS管的栅极上，这样第一功率MOS管栅极驱动电压是浮置于其源极之上的，实现了栅浮置驱动；当第一原始脉宽调制信号再次转为低电平时，第一PNP型三极管导通，使第一功率MOS管的栅极放电，关断第一功率MOS管；