专利名称：金属氧化物半导体场效应晶体管栅极驱动电路及开关电源的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种MOSFET栅极的驱动电路，以及包括该MOSFET栅极驱动电路的开关电源。
背景技术：
目前，对电源的工作效率和功率密度要求越来越高。对于作为功率开关管的MOSFET来说，快速且性能可靠的栅极驱动器对其至关重要。参考图1所示，为现有技术中一种常用的栅极驱动电路100。Vll是一个PWM驱动，V12是一个12V左右的辅助电源。二极管D11、二极管D12和MOSFET Qll组成栅极驱动电路是初级驱动电路。Tll是驱动变压器。电阻R11、电阻R12、二极管D13和辅助开关管Q12组成次级驱动电路，Q13是作为功率开关管的M0SFET。当PWM驱动Vll为高电平时，MOSFET Qll导通，驱动电流流过驱动变压器Tll的初级绕组。此时驱动变压器Tll的次级绕组电压上正下负，驱动电流经过驱动变压器Tll的次级绕组、电阻Rl1、电阻R12和功率开关管Q13，功率开关管MOSFET Q13导通；当PWM驱动VlI为低电平时，MOSFET Qll关断，驱动变压器Tll的初级绕组通过二极管Dll和二极管D12续流，次级绕组的电压变为下正上负，辅助开关管Q12导通。功率开关管Q13栅极的电荷经过电阻R12和辅助开关管Q12被放电，功率开关管Q13关断。以上为整个栅极驱动器在正常工作模式下大致的工作过程。但在占空比较小或跳周期工作模式中，功率开关管Q13的关断时间远大于驱动变压器Tll的复位时间。驱动变压器Tll复位完成后，次级驱动电路中执行对功率开关管Q13关断任务的辅助开关管Q12，其栅极为悬浮状态，不能保证功率开关管Q13的有效关断。另外，功率开关管Q13漏极的噪声通过其栅漏极之间的电容Cdg和栅源极之间的电容Cgs分压，使得其栅极同样产生噪声。该栅极噪声在电路实际工作中会触发功率开关管Q13的误导通，可靠性大大降低。
实用新型内容本实用新型提供了一种MOSFET栅极驱动电路，其带有噪声抑制电路，解决栅极噪声的问题。一方面，本实用新型提供了一种MOSFET栅极驱动电路，连接于MOSFET (34)的栅极，包括驱动变压器(T3)，包括初级绕组和次级绕组；初级驱动电路(31)，包括上述初级绕组；以及次级驱动电路(32)，包括上述次级绕组，第一电阻(R32)以及辅助开关管(Q32);其中，上述辅助开关管(Q32)并联于上述MOSFET (34)的栅极和源极；上述MOSFET栅极驱动电路还包括噪声抑制电路(33)，与上述MOSFET (34)的栅极和源极并联；上述噪声抑制电路(33)包括三极管(Q33)以及第二电阻(R33);上述三极管(Q33)的发射极与上述MOSFET(34)的源极相连，上述三级管(Q33)的集电极通过与上述第一电阻(R32)串联而连接于所述MOSFET (34)的栅极；上述第二电阻(R33)串联于上述三极管(Q33)的基极和上述次级绕组的一端之间。上述噪声抑制电路(33)还包括二极管(D34)，上述二极管(D34)的阳极连接上述三极管(Q33)的基极，上述二极管(D34)的阴极连接于上述三极管(Q33)集电极。上述二极管(D34)是肖特基二极管或者低压降快速二极管。当上述次级绕组电压方向为上负下正时，上述三极管(Q33)导通，并与上述MOSFET (34)组成回路。当上述次级绕组电压方向为上负下正时，上述辅助开关管(Q32)导通，并与上述MOSFET (34)和上述第一电阻(R32)组成回路，上述MOSFET (34)关断。上述次级驱动电路(32)包括第三电阻(R31)，上述第三电阻(R31)串接于上述次级绕组和所述辅助开关管(Q32)的漏极之间，并与上述第一电阻(R32)串联。上述辅助开关管(Q32)是M0SFET，其栅极与上述第二电阻(R33)连接于上述次级绕组的同一端，源极连接于上述MOSFET (34)的源极，漏极连接于上述第一电阻(R32)和第三电阻(R31)的连接节点(A)。当上述次级绕组电压方向为上正下负时，上述辅助开关管(Q32)关断，上述次级绕组与上述第一电阻(R32)、上述第三电阻(R31)以及上述M0SFET(34)组成回路，上述MOSFET(34)导通。本实用新型提供的MOSFET栅极驱动电路，包括用于抑制栅极噪声的上述噪声抑制电路(33)。在占空比很小或跳周期工作模式中，在上述MOSFET (34)的栅极会形成振铃，在实际电路工作的时候会触发上述MOSFET (34)的误导通，引起可靠性问题。而应用本实用新型提供的MOSFET栅极驱动电路，上述MOSFET SI栅极的振铃会使上述三极管Q33导通，形成从上述MOSFET (34)栅极，上述三极管(Q33)、上述第一电阻(R32)到上述MOSFET
(34)源极的通路，从而旁路掉上述栅极振铃，避免了 MOSFET (34)的误导通。再者，上述二极管(D34 )可以避免上述三极管(Q33 )的深度饱和，提高了上述三极管(Q33)的关断速度，提高上述栅极驱动电路的性能。另一方面，本实用新型还提供了一种开关电源，包括任一的上述MOSFET栅极驱动电路。
图1是现有技术中的一种MOSFET栅极驱动电路；图2是本实用新型所提供的MOSFET栅极驱动电路；图3是本实用新型所提供的MOSFET栅极驱动电路在正常工作模式下PWM驱动电压(上)以及MOSFET栅极电压(下)的波形图；图4是是本实用新型所提供的MOSFET栅极驱动电路在占空比较小或跳周期工作模式下PWM驱动电压(上)以及MOSFET栅极电压(下)的波形图。
具体实施方式
以下结合附图以及具体实施例对本实用新型的技术方案做进一步说明。下面对优选实施方式的描述仅仅是示范性的，而绝不是对本发明及其应用或用法的限制。图2是本实用新型提供的一种MOSFET栅极驱动电路300，包括初级驱动电路31、驱动变压器T3、次级驱动电路32、噪声抑制电路33以及功率开关管MOSFET 34。图2中电路34代表所述功率开关管MOSFET 34的等效电路，包括开关S1、电容C31以及电容C32。如图2所示，节点D等效为所述功率开关管MOSFET 34的漏极，节点G等效为所述功率开关管MOSFET 34的栅极，节点S等效为所述功率开关管MOSFET 34的源极。所述电容C31连接于所述节点D、G之间，所述电容C32连接于所述节点S、G之间。所述初级驱动电路31包括PWM驱动VI，一个12V左右的辅助电源V2，二极管D31和D32，MOSFET Q31以及驱动变压器T3的初级绕组。所述驱动变压器T3的初级绕组串接在所述PWM驱动Vl和所述MOSFET Q31的漏极之间。所述MOSFET Q31的源极接地。所述二极管D32阳极接于所述MOSFET Q31的源极，其阴极接于所述MOSFET Q31的栅极。所述二极管D31阳极接于所述MOSFET Q31的漏极和所述初级绕组的下端之间；其阴极接于所述辅助电源V2的阳极。所述次级驱动电路32包括所述驱动变压器T3的次级绕组、二极管D33、电阻R31、电阻R32以及辅助开关管Q32。所述电阻R31、R32串接于所述次级绕组的上端以及所述节点G (即所述功率开关管MOSFET 34的栅极)之间，所述二极管D33的阴极与所述次级绕组的下端相连，所述二极管D33的阳极与节点S (即所述功率开关管MOSFET 34的源极)相连。当所述开关SI闭合，所述次级绕组、所述电阻R31、所述电阻R32、所述开关SI以及所述二极管D33可形成闭合回路。所述辅助开关管Q32为M0SFET，其主要工作是执行对所述功率开关管MOSFET 34的关断任务。所述辅助开关管Q32的栅极接于所述次级绕组的下端，所述辅助开关管Q32的源极连接于所述节点S，所述辅助开关管Q32的漏极连接于所述电阻R31和所述电阻R32的连接点A。所述辅助开关管Q32并联于所述功率开关管MOSFET 34的栅极(即所述节点G)与源极(即所述节点S)。当所述辅助开关管Q32和所述开关SI均为导通状态时，所述辅助开关管Q32、所述开关SI和所述电阻R32可形成闭合回路。以上电路可组成为常见的栅极驱动电路。当所述PWM驱动V31为高电平时，所述MOSFET Q31导通，驱动电流流过驱动所述变压器T3的初级绕组。此时所述次级绕组电压上正下负，驱动电流经过所述次级绕组、所述电阻R31、所述电阻R32和所述功率开关管MOSFET 34，所述功率开关管MOSFET 34导通(即所述开关SI导通);当所述PWM驱动V31为低电平时，所述功率开关管MOSFET 34 Q31关断，所述驱动变压器T3的初级绕组通过所述二极管D31、D32续流，所述次级绕组的电压变为下正上负，所述辅助开关管Q32导通。所述功率开关管MOSFET 34栅极的电荷经过所述电阻R32和所述辅助开关管Q32被放电，所述功率开关管MOSFET 34关断(即所述开关SI关断)。但是，在占空比较小或跳周期工作模式中，所述功率开关管MOSFET 34的关断时间远大于所述驱动变压器T3的复位时间。所述驱动变压器T3复位完成后，所述次级驱动电路32中的辅助开关管Q12，其栅极为悬浮状态，不能保证所述功率开关管MOSFET 34的有效关断(即所述开关SI的有效关断)。另外，所述功率开关管MOSFET 34的漏极(即所述节点S)的噪声通过其栅漏极之间(即所述节点G、D之间)的电容C31和栅源极之间(即所述节点G、S之间)的电容C32分压，使得所述功率开关管MOSFET 34的栅极同样产生噪声。所述栅极噪声在电路实际工作中会触发所述功率开关管MOSFET 34的误导通，可靠性大大降低。因此，本实用新型在上述的栅极驱动电路中增加了与所述MOSFET (34)的栅极和源极并联的噪声抑制电路33，来解决上述的栅极噪声问题。所述噪声抑制电路33包括三极管Q33、电阻R33以及二极管D34。所述电阻R33串接于所述次级绕组的下端以及所述三极管Q33的基极之间。所述三极管Q33的发射极接地，其集电极通过串联所述电阻R32与所述节点G (即所述功率开关管MOSFET 34的栅极)相连。当所述三极管Q33和所述开关SI(即所述功率开关管MOSFET 34)均导通时，所述电阻R32、所述三极管Q33以及所述开关SI构成闭合回路。所述二极管D34的正向电压较低，其阳极接于所述三极管Q33的基极和所述电阻R33之间，其阴极连接于所述三极管(Q33)的集电极，所述二极管D34并联于所述三极管的集电极和基极。所述二极管D34对于所述MOSFET栅极驱动电路并不为必须，但在正常工作中，所述二极管D34可以避免所述三极管Q33的深度饱和，提高了所述三极管Q33的关断速度，提高所述栅极驱动电路300的性能。本实用新型的实施例提供的栅极驱动电路中，所述二极管D34采用的是肖特基二极管。本领域的技术人员应该理解，所述二极管D34不限制为肖特二极管，还可以是低压降快速二极管，所有特性符合的二极管器件都可应用于此处。在占空比较小或跳周期工作模式中，所述功率开关管MOSFET 34的关断时间远大于所述驱动变压器T3的复位时间。当所述PWM驱动V31输出高电平，所述MOSFET Q31的栅极和源极之间加电压后导通，驱动电流流过所述驱动变压器T3的初级绕组。与此同时，所述次级绕组感应电势，其两端电压为上正下负。驱动电流流过所述次级绕组、所述电阻R31、所述电阻R32，驱动所述开关SI开通。所述次级绕组、所述电阻R31、所述电阻R32、所述二极管D33以及所述开关SI形成回路，所述开关SI导通。当所述PWM驱动V31输出低电平，所述MOSFET Ql关断，所述初级绕组通过所述二极管D31、D32续流；所述次级绕组感应电势，其两端电压为下正上负，所述辅助开关管Q32导通。此时，所述辅助开关管Q32、所述电阻R32以及所述开关SI形成闭合回路。通过所述电阻R32的损耗，使得所述开关SI两端即所述节点G、S之间电压越来越小，从而关断所述开关SI。由于所述开关SI的关断时间远大于所述驱动变压器T3的复位时间，所述辅助开关管Q32的栅极处于悬浮状态，不能保证所述开关SI的有效关断。所述功率开关管MOSFET34漏极的噪声会通过所述电容C31 (即其漏极和栅极之间的电容)以及所述电容C32 (即其栅极和源极之间的电容)分压，使得所述功率开关管MOSFET 34的栅极存在噪声，即所述电容C32两端存在电压。此时，所述栅极噪声会通过所述电阻R32、所述电阻R31、所述次级绕组、所述电阻R33以及所述三极管Q33的BE结，使得所述三极管Q33导通。从而，所述电阻R32、所述三极管Q33以及所述节点S (即所述功率开关管MOSFET 34的源极)形成通路，所述栅极噪声被旁路掉，避免了所述电容C32两端的电压(即所述栅极噪声)对所述开关SI的误导通。所述MOSFET栅极驱动电路300可在抑制栅极噪声的同时保证驱动能力，不增加额外损耗，提高工作可靠性。在占空比较小或跳周期工作模式下下，所述PWM驱动的驱动电压(如上图所示)与所述功率开关管MOSFET 34栅极电压(如下图所示)的波形对比，如图3所示。其中，所述PWM驱动的驱动电压即为所述MOSFET栅极驱动电路的输入电压；所述功率开关管MOSFET34的栅极电压即为所述MOSFET栅极驱动电路的输出电压。由图3可看出，两波形的形状大致相同，几乎无噪声，所述功率开关管MOSFET 34工作性能可靠。在占空比较小或跳周期工作模式下，所述PWM驱动的驱动电压(如上图所示)与所述功率开关管MOSFET 34栅极电压(如下图所示)的波形对比，如图4所示。由图4可看出，两波形的高电平部分相同；所述功率开关管MOSFET 34栅极电压的波形在低电平部分出现所述栅极噪声造成的细微波纹，其峰值远远小于高电平的压值。由图4可见，所述栅极噪声被所述噪声抑制电路33所抑制，避免了所述开关SI的误导通，工作性能可靠。本实用新型还提供了一种开关电源，所述开关电源为变压器隔离驱动，包括前述的MOSFET栅极驱动电路。所述MOSFET栅极驱动电路抑制所述功率开关管MOSFET 34的栅极噪声，其不会出现误导通；所述开关电源效率高，工作性能稳定。本实用新型提供的所述MOSFET栅极驱动电路应用于开关电源，其应用范围仅起示例性作用。所述MOSFET栅极驱动电路可应用于所有变压器隔离的MOSFET栅极驱动中。本实用新型提供的示例性实施例以使本公开更加完整，并向本领域技术人员全面传达其保护范围。阐述许多细节，比如特定部件、装置和方法的例子，以提供对本公开的全面的实施例的理解。对本领域技术人员来说很明显的，不必提供细节，示例性实施例可以许多不同形式实施，且不应该解释为限制本公开的范围。在某些示例性实施例中，众所周知的过程、众所周知的装置结构和众所周知的技术不作详细说明。尽管在此可以使用术语第一、第二、第三等等以描述各种元件、部件或部分，但这些元件、部件或部分不应被这些术语限制；这些术语可仅用于区别一个元件、部件或部分。当在此使用术语如“第一”、“第二”及其他数值术语时，其并不包含顺序或次序，除非上下文中明确指出。因此，在不脱离示例性实施例的说明的情况下，以下所述第一元件、部件、部分可以解释为术语第一元件、部件、部分。尽管在此已详细描述本实用新型的各种实施方式，但是应该理解本实用新型并不局限于这里详细描述和示出的具体实施方式
，在不偏离本实用新型的实质和范围的情况下可由本领域的技术人员实现其它的变型和变体。所有这些变型和变体都落入本实用新型的范围内。而且，所有在此描述的构件都可以由其他技术性上等同的构件来代替。
权利要求1.一种MOSFET栅极驱动电路，连接于MOSFET (34)的栅极，包括 驱动变压器(T3)，包括初级绕组和次级绕组； 初级驱动电路(31)，包括所述初级绕组；以及 次级驱动电路(32)，包括所述次级绕组，第一电阻(R32)以及辅助开关管(Q32)； 其中，所述辅助开关管(Q32)并联于所述MOSFET (34)的栅极和源极； 其特征在于，所述MOSFET栅极驱动电路还包括与所述MOSFET (34)的栅极和源极并联的噪声抑制电路(33);所述噪声抑制电路(33)包括三极管(Q33)以及第二电阻(R33);所述三极管(Q33 )的发射极与所述MOSFET (34 )的源极相连，所述三级管(Q33 )的集电极通过与所述第一电阻(R32)串联而连接于所述MOSFET (34)的栅极；所述第二电阻(R33)串联于所述三极管(Q33)的基极和所述次级绕组的一端之间。
2.根据权利要求1所述的MOSFET栅极驱动电路，其特征在于，所述噪声抑制电路(33)还包括二极管(D34)，所述二极管(D34)的阳极连接所述三极管(Q33)的基极，所述二极管(D34)的阴极连接于所述三极管(Q33)集电极。
3.根据权利要求2所述的MOSFET栅极驱动电路，其特征在于，所述二极管(D34)是肖特基二极管或者低压降快速二极管。
4.根据权利要求1或3所述的MOSFET栅极驱动电路，其特征在于，当所述次级绕组电压方向为上负下正时，所述三极管(Q33)导通，并与所述MOSFET (34)组成回路。
5.根据权利要求1或3所述的MOSFET栅极驱动电路，其特征在于，当所述次级绕组电压方向为上负下正时，所述辅助开关管(Q32)导通，并与所述MOSFET (34)和所述第一电阻(R32)组成回路，所述MOSFET (34)关断。
6.根据权利要求1或3所述的MOSFET栅极驱动电路，其特征在于，所述次级驱动电路(32)包括第三电阻(R31)，所述第三电阻(R31)串接于所述次级绕组和所述辅助开关管(Q32)的漏极之间，并与所述第一电阻(R32)串联。
7.根据权利要求6所述的MOSFET栅极驱动电路，其特征在于，所述辅助开关管(Q32)是M0SFET，其栅极与所述第二电阻(R33)连接于所述次级绕组的同一端，源极连接于所述MOSFET (34)的源极，漏极连接于所述第一电阻(R32)和第三电阻(R31)的连接节点(A)。
8.根据权利要求6所述的MOSFET栅极驱动电路，其特征在于，当所述次级绕组电压方向为上正下负时，所述辅助开关管(Q32)关断，所述次级绕组与所述第一电阻(R32)、所述第三电阻(R31)以及所述MOSFET (34)组成回路，所述MOSFET (34)导通。
9.一种开关电源，其特征在于，包括如权利要求1-8任一所述的MOSFET栅极驱动电路。
专利摘要本实用新型提供了一种金属氧化物半导体场效应晶体管栅极驱动电路及开关电源，该MOSFET栅极驱动电路，连接于MOSFET(34)的栅极，包括与所述MOSFET(34)的栅极和源极并联的噪声抑制电路(33)；上述噪声抑制电路(33)包括三极管(Q33)以及第二电阻(R33)；上述三极管(Q33)的发射极与上述MOSFET(34)的源极相连，上述三级管(Q33)的集电极通过与上述第一电阻(R32)串联而连接于所述MOSFET(34)的栅极；上述第二电阻(R33)串联于上述三极管(Q33)的基极和上述次级绕组的一端之间。该MOSFET栅极驱动电路可在抑制栅极噪声的同时保证驱动能力，不增加额外损耗，提高工作可靠性。
文档编号H02M3/335GK202978714SQ201220669138
公开日2013年6月5日 申请日期2012年12月6日 优先权日2012年12月6日
发明者刘军, 张振东, 魏晨, 陈伟龙 申请人:雅达电子国际有限公司