一种MOSFET的有源驱动电路和方法与流程

本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种mosfet的有源驱动电路和方法。

背景技术：

金属氧化物半导体场效应晶体管mosfet是一种广泛应用在模拟电路和数字电路的半导体器件，凭借开关速度快、功耗低、性能稳定和抗辐射能力强等优势，正逐渐替代三极管，被广泛应用于光伏逆变器，电动汽车和风力发电等领域。

与si(硅)材料相比，sic(碳化硅)材料的优点在于拥有更高的临界击穿场强，更高的禁带宽度，更高的饱和载流子迁移率和更高的热导性，所以与simosfet相比，sicmosfet具有更高的击穿电压，更低的导通电阻，更快的开关速度和更高的工作温度。但是，mosfet的高开关速度和电路中存在的寄生电感，寄生电容会使mosfet在导通过程中发生电流过冲和振荡，在关断过程中发生电压过冲和振荡，电流过冲、电流过冲和振荡会增加mosfet的开关损耗，甚至损坏半导体功率器件。

为了抑制mosfet的电流过冲、电压过冲和振荡，通常采用以下措施：1)通过优化pcb布局减少mosfet应用电路中的寄生参数，但是无法完全消除应用电路中的寄生参数，抑制效果差，且成本高；2)增加驱动电阻阻值，mosfet的开关时间长，开关损耗大。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术中抑制效果差、成本高、开关时间长且开关损耗大的不足，本发明提供一种mosfet的有源驱动电路，包括推挽模块、电阻模块和脉冲产生模块；

所述推挽模块通过电阻模块连接被驱动mosfet的栅极，所述脉冲产生模块一端连接被驱动mosfet的栅极，另一端连接电阻模块；

基于推挽模块产生的被驱动mosfet的驱动电压以及脉冲产生模块基于采集的被驱动mosfet的栅源极电压产生的脉冲信号为被驱动mosfet提供可变的驱动电阻。

所述脉冲产生模块包括采样电路、脉冲产生电路和放大电路；

所述采样电路一端连接被驱动mosfet的栅极，其另一端连接脉冲产生电路的输入端，用于采集被驱动mosfet的栅源极电压，并将栅源极电压传输给脉冲产生电路；

所述脉冲产生电路的输出端连接放大电路的输入端，用于根据mosfet的栅源极电压产生脉冲信号，并将脉冲信号传输给放大电路；

所述放大电路的输出端连接电阻模块，用于对脉冲信号进行放大，并将放大后的脉冲信号传输给电阻模块。

所述推挽模块包括第一开关管q1和第二开关管q2；

所述第一开关管q1的集电极连接驱动正电压vcc，其发射极连接公共连接点a，其基极连接第二开关管q2的基极，所述第二开关管q2的集电极连接驱动负电压vee，其发射极连接公共连接点a。

所述电阻模块包括第一二极管d1、第二二极管d2、第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3、第一场效应晶体管mos1和第二场效应晶体管mos2；

所述第一电阻r1两端分别与公共连接点a和公共连接点b连接；所述第一二极管d1的阳极连接公共连接点a，其阴极通过第二电阻r2连接第一场效应晶体管mos1的源极；所述第二二极管d2的阴极连接公共连接点a，其阳极通过第三电阻r3连接第二场效应晶体管mos2的漏极；所述第一场效应晶体管mos1的漏极和第二场效应晶体管mos2源极均连接公共连接点b，且两者的栅极均连接放大电路；所述公共连接点b连接被驱动mosfet的栅极。

所述采样电路包括第四电阻r4、第五电阻r5和电容c1；

所述第四电阻r4的两端分别与公共连接点b和公共连接点c连接；所述第五电阻r5和电容c1并联后，一端接地，另一端连接公共连接点c。

所述脉冲产生电路包括第一电压比较器com1、第二电压比较器com2和逻辑与非门nand；

所述第一电压比较器com1的正输入端连接第一比较器com1的参考电压vref1，其负极输入端连接公共连接点c；所述第二电压比较器com2的正输入端连接公共连接点c，其负输入端连接第二比较器com2的参考电压vref2；所述第一电压比较器com1输出端连接逻辑与非门nand的第一输入端，所述第二电压比较器com2的输出端连接逻辑与非门nand的第二输入端，所述逻辑与非门nand的输出端连接放大电路。

所述放大电路包括运算放大器amp、第六电阻r6和第七电阻r7；

所述运算放大器amp的正输入端连接逻辑与非门nand输出端，其负输入端连接公共连接点d，所述第六电阻r6一端接地，另一端连接公共连接点d，所述第七电阻r7的一端连接公共连接点d，所述第七电阻r7的另一端和所述运算放大器amp的输出端均连接第一场效应晶体管mos1的栅极和第二场效应晶体管mos2的栅极。

另一方面，本发明还提供一种mosfet的有源驱动方法，包括：

推挽模块产生被驱动mosfet的驱动电压；

脉冲产生模块采集被驱动mosfet的栅源极电压，并基于所述栅源极电压产生脉冲信号；

电阻模块基于所述驱动电压和脉冲信号为被驱动mosfet提供可变的驱动电阻。

所述电阻模块基于所述驱动电压和脉冲信号为被驱动mosfet提供可变的驱动电阻，包括：

在mosfet导通过程中，所述脉冲产生模块的采样电路采集被驱动mosfet的栅源极电压；

经过采样电路的第四电阻r4分压后，分压电压传入脉冲产生模块的第一比较器com1和第二比较器com2，具体分为以下三种情况：

1)当分压电压低于第一比较器com1的参考电压vref1时，第一比较器com1输出高电平，第二比较器com2输出低电平，因此脉冲产生模块的逻辑与非门nand输出高电平，电阻模块的第一场效应晶体管mos1导通，电阻模块为被驱动mosfet提供的驱动电阻为第一电阻r1和第二电阻r2并联驱动；

2)当分压电压低于第二比较器com2的参考电压vref2且高于第一比较器com1的参考电压vref1时，第一比较器com1和第二比较器com2均输出高电平，因此第一逻辑与非门nand输出低电平，第一场效应晶体管mos1关断，电阻模块为被驱动mosfet提供的驱动电阻为第一电阻r1单独驱动；

3)当分压电压高于第二比较器com2的参考电压vref2时，第一比较器com1输出低电平，第二比较器com2输出高电平，因此逻辑与非门nand输出高电平，第一场效应晶体管mos1导通，电阻模块为被驱动mosfet提供的驱动电阻为第一电阻r1和第二电阻r2并联驱动。

所述电阻模块基于所述驱动电压和脉冲信号为被驱动mosfet提供可变的驱动电阻，包括：

在mosfet关断过程中，采样电路采集被驱动mosfet的栅源极电压；

经过第四电阻r4分压后，分压电压传入第一比较器com1和第二比较器com2，具体分为以下三种情况：

1)当分压电压低于第一比较器com1的参考电压vref1时，第一比较器com1输出高电平，第二比较器com2输出低电平，因此逻辑与非门nand输出高电平，第二场效应晶体管mos2导通，驱动电阻为第一电阻r1和第三电阻r3并联驱动；

2)当分压电压低于第二比较器com2的参考电压vref2且高于第一比较器com1的参考电压vref1时，第一比较器com1和第二比较器com2均输出高电平，因此逻辑与非门nand输出低电平，第二场效应晶体管mos2关断，驱动电阻为第一电阻r1单独驱动；

3)当分压电压高于第二比较器com2的参考电压vref2时，第一比较器com1输出低电平，第二比较器com2输出高电平，因此逻辑与非门nand输出高电平，第二场效应晶体管mos2导通，驱动电阻为第一电阻r1和第三电阻r3并联驱动。

本发明提供的技术方案具有以下有益效果：

本发明提供的mosfet的有源驱动电路包括推挽模块、电阻模块和脉冲产生模块；推挽模块通过电阻模块连接被驱动mosfet的栅极，所述脉冲产生模块一端连接被驱动mosfet的栅极，另一端连接电阻模块；基于推挽模块产生的被驱动mosfet的驱动电压以及脉冲产生模块基于采集的被驱动mosfet的栅源极电压产生的脉冲信号为被驱动mosfet提供可变的驱动电阻，不需要增加驱动电阻，通过电阻模块提供可变的驱动电阻，缩短了mosfet的开关时间，降低了开关损耗和成本，且抑制效果好；

本发明提供的有源驱动电路的结构简单，能够在牺牲较小mosfet开关损耗的基础上，有效抑制器件开关过程中的电流、电压过冲和振荡；

本发明提供的mosfet的有源驱动电路能够在mosfet运行过程中检测mosfet的栅源极电压，在mosfet开关瞬间改变mosfet的驱动电阻，从而抑制mosfet开关过程中电流、电压上升速度，进而抑制电流过冲、电压过冲和振荡现象；

本发明提供的mosfet的有源驱动电路应用范围广，可以用于各类mosfet，应用于光伏逆变器、电动汽车和风力发电等高功率密度、高温等应用场合。

附图说明

图1是本发明实施例中mosfet的有源驱动电路框图；

图2是本发明实施例中mosfet的有源驱动电路结构图；

图3是本发明实施例中mosfet的有源驱动电路测试电路图；

图4是本发明实施例中mosfet的有源驱动电路仿真过程mosfet导通波形示意图；

图5是本发明实施例中mosfet的有源驱动电路仿真过程mosfet关断波形示意图；

图6是本发明实施例中mosfet的有源驱动方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

实施例1

本发明实施例1提供一种mosfet的有源驱动电路，如图1所示，包括推挽模块、电阻模块和脉冲产生模块；

推挽模块通过电阻模块连接被驱动mosfet的栅极，所述脉冲产生模块一端连接被驱动mosfet的栅极，另一端连接电阻模块；

基于推挽模块产生的被驱动mosfet的驱动电压以及脉冲产生模块基于采集的被驱动mosfet的栅源极电压产生的脉冲信号为被驱动mosfet提供可变的驱动电阻。

脉冲产生模块包括采样电路、脉冲产生电路和放大电路；

采样电路一端连接被驱动mosfet的栅极，其另一端连接脉冲产生电路的输入端，用于采集被驱动mosfet的栅源极电压，并将栅源极电压传输给脉冲产生电路；

所述脉冲产生电路的输出端连接放大电路的输入端，用于根据mosfet的栅源极电压产生脉冲信号，并将脉冲信号传输给放大电路；

放大电路的输出端连接电阻模块，用于对脉冲信号进行放大，并将放大后的脉冲信号传输给电阻模块。

如图2所示，推挽模块包括第一开关管q1和第二开关管q2；

所述第一开关管q1的集电极连接驱动正电压vcc，其发射极连接公共连接点a，其基极连接第二开关管q2的基极，第二开关管q2的集电极连接驱动负电压vee，其发射极连接公共连接点a。

其中的驱动正电压vcc和驱动负电压vee需根据实际选用的mosfet确定，本发明实实施例中vcc取+20v，vee取-5v，第一开关管q1为小功率npn三极管，第二开关管q2为小功率pnp三极管。

电阻模块包括第一二极管d1、第二二极管d2、第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3、第一场效应晶体管mos1和第二场效应晶体管mos2；

所述第一电阻r1两端分别与公共连接点a和公共连接点b连接；所述第一二极管d1的阳极连接公共连接点a，其阴极通过第二电阻r2连接第一场效应晶体管mos1的源极；所述第二二极管d2的阴极连接公共连接点a，其阳极通过第三电阻r3连接第二场效应晶体管mos2的漏极；所述第一场效应晶体管mos1的漏极和第二场效应晶体管mos2源极均连接公共连接点b，且两者的栅极均连接放大电路；所述公共连接点b连接被驱动mosfet的栅极。本发明实施例1中，第一电阻r1、第二电阻r2和第三电阻r3三者的阻值相等。

采样电路包括第四电阻r4、第五电阻r5和电容c1；

所述第四电阻r4的两端分别与公共连接点b和公共连接点c连接；所述第五电阻r5和电容c1并联后，一端接地，另一端连接公共连接点c。

所述脉冲产生电路包括第一电压比较器com1、第二电压比较器com2和逻辑与非门nand；

所述第一电压比较器com1的正输入端连接第一比较器com1的参考电压vref1，其负极输入端连接公共连接点c；所述第二电压比较器com2的正输入端连接公共连接点c，其负输入端连接第二比较器com2的参考电压vref2；所述第一电压比较器com1输出端连接逻辑与非门nand的第一输入端，所述第二电压比较器com2的输出端连接逻辑与非门nand的第二输入端，所述逻辑与非门nand的输出端连接放大电路。本发明实施例1中，第一比较器com1的参考电压vref1和第二比较器com2的参考电压vref2的取值根据mosfet的型号确定。

所述放大电路包括运算放大器amp、第六电阻r6和第七电阻r7；

所述运算放大器amp的正输入端连接逻辑与非门nand输出端，其负输入端连接公共连接点d，所述第六电阻r6一端接地，另一端连接公共连接点d，所述第七电阻r7的一端连接公共连接点d，所述第七电阻r7的另一端和所述运算放大器amp的输出端均连接第一场效应晶体管mos1的栅极和第二场效应晶体管mos2的栅极。

本发明实施例1提供一种mosfet的有源驱动电路能够抑制mosfet导通过程中的电流过冲和振荡，且能够抑制mosfet在关断过程中的电压过冲和振荡。

图3为本发明实施例1所采用的测试电路，用于测试本发明实施例1提供的mosfet的有源驱动电路实际效果，图3中，d为续流二极管，l为负载电感，vdc为直流母线电压；负载电感l与续流二极管d并联，续流二极管d的阳极与被驱动mosfet的漏极连接，续流二极管d的阴极连接正极直流母线电压，被驱动mosfet的源极和负极直流母线电压均接地。本发明实施例1使用ltspice仿真软件对有源驱动电路行仿真验证，mosfet的有源驱动电路仿真过程mosfet导通波形示意图如图4所示，图4中，曲线a表示现有技术中驱动电路仿真过程mosfet导通对应的电流波形，曲线b表示采用本发明提供的mosfet的有源驱动电路仿真过程mosfet导通对应的电流波形，通过图4可以看出，与现有技术中的驱动电路相比，本发明实施例1提供的有源驱动电路能够显著抑制mosfet导通过程中的电流过冲和振荡，mosfet的有源驱动电路仿真过程mosfet关断波形示意图如图5所示，图5中，曲线a表示现有技术中驱动电路仿真过程mosfet导通对应的电压波形，曲线b表示采用本发明实施例1提供的mosfet的有源驱动电路仿真过程mosfet导通对应的电压波形，通过图5可以看出，与现有技术中的驱动电路相比，本发明实施例1提供的有源驱动电路能够显著抑制mosfet关断过程中的电压过冲和振荡。综上所述，本发明实施例1提供的mosfet的有源驱动电路能够在mosfet运行过程中检测mosfet的栅源极电压，在mosfet开关的特定时段内，改变mosfet的驱动电阻，从而抑制mosfet开关过程中电流、电压上升速度，进而抑制电流过冲、电压过冲和振荡现象。本发明实施例1提供的mosfet的有源驱动电路可以用于各类mosfet，应用于高功率密度、高温等应用场合，如光伏逆变器、电动汽车和风力发电等领域。

实施例2

本发明实施例2提供一种mosfet的有源驱动方法，如图6所示，包括：

s101：推挽模块产生被驱动mosfet的驱动电压；

s102：脉冲产生模块采集被驱动mosfet的栅源极电压，并基于栅源极电压产生脉冲信号；

s103：电阻模块基于驱动电压和脉冲信号为被驱动mosfet提供可变的驱动电阻。

上述s103中，电阻模块基于驱动电压和脉冲信号为被驱动mosfet提供可变的驱动电阻，具体分为mosfet导通过程和关断过程两种情况。

在mosfet导通过程中，电阻模块基于驱动电压和脉冲信号为被驱动mosfet提供可变的驱动电阻，包括：

采样电路采集被驱动mosfet的栅源极电压；

经过采样电路的第四电阻r4分压后，分压电压传入脉冲产生模块的第一比较器com1和第二比较器com2，具体分为以下三种情况：

1)当分压电压低于第一比较器com1的参考电压vref1时，第一比较器com1输出高电平，第二比较器com2输出低电平，因此逻辑与非门nand输出高电平，第一场效应晶体管mos1导通，驱动电阻为第一电阻r1和第二电阻r2并联驱动；

2)当分压电压低于第二比较器com2的参考电压vref2且高于第一比较器com1的参考电压vref1时，第一比较器com1和第二比较器com2均输出高电平，因此第一逻辑与非门nand输出低电平，第一场效应晶体管mos1关断，驱动电阻为第一电阻r1单独驱动；

3)当分压电压高于第二比较器com2的参考电压vref2时，第一比较器com1输出低电平，第二比较器com2输出高电平，因此逻辑与非门nand输出高电平，第一场效应晶体管mos1导通，驱动电阻为第一电阻r1和第二电阻r2并联驱动。在mosfet导通过程的漏极电流上升段内改变驱动电阻，抑制mosfet漏极电流上升率，从而抑制mosfet导通过程中电流过冲和振荡。

在mosfet关断过程中，电阻模块基于驱动电压和脉冲信号为被驱动mosfet提供可变的驱动电阻，包括：

采样电路采集被驱动mosfet的栅源极电压；

经过第四电阻r4分压后，分压电压传入第一比较器com1和第二比较器com2，具体分为以下三种情况：

1)当分压电压低于第一比较器com1的参考电压vref1时，第一比较器com1输出高电平，第二比较器com2输出低电平，因此逻辑与非门nand输出高电平，第二场效应晶体管mos2导通，驱动电阻为第一电阻r1和第三电阻r3并联驱动；

2)当分压电压低于第二比较器com2的参考电压vref2且高于第一比较器com1的参考电压vref1时，第一比较器com1和第二比较器com2均输出高电平，因此逻辑与非门nand输出低电平，第二场效应晶体管mos2关断，驱动电阻为第一电阻r1单独驱动；

3)当分压电压高于第二比较器com2的参考电压vref2时，第一比较器com1输出低电平，第二比较器com2输出高电平，因此逻辑与非门nand输出高电平，第二场效应晶体管mos2导通，驱动电阻为第一电阻r1和第三电阻r3并联驱动。在mosfet关断过程的漏极电流下降阶段内改变驱动电阻，抑制mosfet漏源极电压上升率，从而抑制mosfet关断过程中电压过冲和振荡。

为了描述的方便，以上所述装置的各部分以功能分为各种模块或单元分别描述。当然，在实施本申请时可以把各模块或单元的功能在同一个或多个软件或硬件中实现。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的保护范围之内。