一种MOSFET驱动电路、有源整流桥及图腾柱PFC的制作方法

一种mosfet驱动电路、有源整流桥及图腾柱pfc
技术领域
1.本发明涉及电力电子驱动领域，且特别是有关于一种mosfet 驱动电路。


背景技术：

2.ac/dc变换器一般采用无源整流桥，即由四个二极管构成的整流桥，然而，在高功率场合，二极管会消耗大量的功率，造成整个 ac/dc变换器的效率降低。二极管消耗的这些功率不仅会使二极管发热，还会导致周边环境和其他器件的温度升高，影响ac/dc变换器整体的散热，同时还需要为ac/dc变换器设置额外的散热措施，这又影响了功率密度的提升。
3.因此，在某些场合使用由四个mosfet构成的有源整流桥代替无源整流桥，能减小功率消耗，显著提高ac/dc变换器的效率。其中，mosfet由控制芯片驱动实现开通和关断。然而，用控制芯片驱动mosfet的可靠性较低并且成本高。


技术实现要素：

4.为解决上述问题，本实用新型提供了一种结构简单、成本低、效率高的mosfet驱动电路，适用于上管的驱动，实现对mosfet的快速和准确控制，并且能防止电流反灌。
5.为达到上述目的，本实用新型技术方案是：
6.一种mosfet驱动电路，包括多个三极管、多个电阻、多个二极管、第一电容，第一三极管的发射极与第二三极管的发射极连接，所述第一三极管的基极与所述第二三极管的基极连接，所述第一三极管的发射极连接第一开关管的栅极，所述第二三极管的集电极连接所述第一开关管的源极，第三三极管的基极连接第四三极管的基极，所述第三三极管的发射极连接第一二极管的阳极，所述第一二极管的阴极连接所述第一开关管的漏极，所述第四三极管的发射极连接第二二极管的阳极，所述第二二极管的阴极连接所述第一开关管的源极，所述第一三极管的集电极连接第三二极管的阴极，所述第三二极管的阳极连接第一电源，所述第三三极管的集电极经过第一电阻连接到所述第三二极管的阴极，所述第三三极管的基极连接所述第三三极管的集电极，所述第四三极管的集电极经过第二电阻连接到所述第三二极管的阴极，所述第一三极管的基极连接所述第四三极管的集电极，所述第一电容并联在所述第三二极管的阴极与所述第二三极管的集电极之间。
7.上述第一三极管为npn型三极管，上述第二三极管为pnp型三极管，上述第三三极管为npn型三极管，上述第四三极管为npn型三极管。
8.上述第一二极管、上述第二二极管为耐高压二极管。
9.本实用新型还提供一种有源整流桥，包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管，所述第一开关管的源极连接所述第三开关管的漏极作为第一输入端，所述第二开关管的源极连接所述第四开关管的漏极作为第二输入端，所述第一开关管的漏极连接所述第二开关管的漏极作为第一输出端，所述第三开关管的源极连接所述第四开关管的源极作为第二输出端，所述第一开关管的栅极、所述第二开关管的栅极分别连接一mosfet驱动电路，所述mosfet驱动电路，包括多个三极管、多个电阻、多个二极管、第一电容，第一三
极管的发射极与第二三极管的发射极连接，所述第一三极管的基极与所述第二三极管的基极连接，所述第一三极管的发射极连接第一开关管的栅极，所述第二三极管的集电极连接所述第一开关管的源极，第三三极管的基极连接第四三极管的基极，所述第三三极管的发射极连接第一二极管的阳极，所述第一二极管的阴极连接所述第一开关管的漏极，所述第四三极管的发射极连接第二二极管的阳极，所述第二二极管的阴极连接所述第一开关管的源极，所述第一三极管的集电极连接第三二极管的阴极，所述第三二极管的阳极连接第一电源，所述第三三极管的集电极经过第一电阻连接到所述第三二极管的阴极，所述第三三极管的基极连接所述第三三极管的集电极，所述第四三极管的集电极经过第二电阻连接到所述第三二极管的阴极，所述第一三极管的基极连接所述第四三极管的集电极，所述第一电容并联在所述第三二极管的阴极与所述第二三极管的集电极之间。
10.上述第一三极管为npn型三极管，上述第二三极管为pnp型三极管，上述第三三极管为npn型三极管，上述第四三极管为npn型三极管。
11.上述第一二极管、上述第二二极管为耐高压二极管。
12.本实用新型还提供一种图腾柱pfc，包括第一交流电源、第一电感、第五开关管、第六开关管、第七开关管、第八开关管、第三电阻，所述第一交流电源的第一端连接所述第一电感的第一端，所述第一电感的第二端连接所述第五开关管的源极以及所述第六开关管的漏极，所述第五开关管的漏极连接所述第七开关管的漏极，所述第六开关管的源极连接所述第八开关管的源极，所述第七开关管的源极以及所述第八开关管的漏极连接所述第一交流电源的第二端，所述第三电阻并联在所述第五开关管的漏极以及所述第六开关管的源极之间，所述第五开关管的栅极连接一mosfet驱动电路，所述mosfet驱动电路，包括多个三极管、多个电阻、多个二极管、第一电容，第一三极管的发射极与第二三极管的发射极连接，所述第一三极管的基极与所述第二三极管的基极连接，所述第一三极管的发射极连接第一开关管的栅极，所述第二三极管的集电极连接所述第一开关管的源极，第三三极管的基极连接第四三极管的基极，所述第三三极管的发射极连接第一二极管的阳极，所述第一二极管的阴极连接所述第一开关管的漏极，所述第四三极管的发射极连接第二二极管的阳极，所述第二二极管的阴极连接所述第一开关管的源极，所述第一三极管的集电极连接第三二极管的阴极，所述第三二极管的阳极连接第一电源，所述第三三极管的集电极经过第一电阻连接到所述第三二极管的阴极，所述第三三极管的基极连接所述第三三极管的集电极，所述第四三极管的集电极经过第二电阻连接到所述第三二极管的阴极，所述第一三极管的基极连接所述第四三极管的集电极，所述第一电容并联在所述第三二极管的阴极与所述第二三极管的集电极之间。
13.上述第一三极管为npn型三极管，上述第二三极管为pnp型三极管，上述第三三极管为npn型三极管，上述第四三极管为npn型三极管。
14.上述第一二极管、上述第二二极管为耐高压二极管。
15.有益效果，本实用新型一种mosfet驱动电路，利用一对npn 型三极管检测mosfet的体二极管是否有电流流过并产生相应的驱动信号，控制方式简单；耐高压二极管防止高电压击穿三极管的发射结，适用于各种高压场合，应用广泛；通过自举二极管与自举电容实现对上管的驱动，且使得上管共用一个驱动电源，节约电路体积与成本；电路的结构简单、器件数量少、不需要电流互感器，可以代替控制芯片并且成本极低、占用的体积小；开关速
度快，减小了体二极管上的损耗，可扩展到高频的应用场合；可扩展到用mosfet代替自然换流二极管的应用场合。
16.为让实用新型的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图式作详细说明如下。
附图说明
17.图1为本实用新型一种mosfet驱动电路的电路示意图。
18.图2为本实用新型一种mosfet驱动电路的第一实施例。
19.图3为本实用新型一种mosfet驱动电路的第二实施例。
20.在附图中，类似的附图标号是指相同的附图元件。
具体实施方式
21.为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
22.图1为本实用新型一种mosfet驱动电路的电路示意图。如图1所示，一种mosfet驱动电路10，包括npn型三极管q1、pnp 型三极管q2、npn型三极管q3、npn型三极管q4、多个二极管、多个电阻、电容c1，所述三极管q1的基极与所述三极管q2的基极连接，所述三极管q1的发射极与所述三极管q2的发射极连接，所述三极管q1与所述三极管q2构成图腾柱结构。所述三极管q1的发射极连接开关管m1的栅极，所述三极管q1的集电极连接二极管 d4的阴极，所述二极管d4的阳极连接电源v
cc
，所述三极管q2的集电极连接所述开关管m1的源极。所述三极管q3的基极连接所述三极管q4的基极，所述三极管q3的发射极连接二极管d2的阳极，所述二极管d2的阴极连接所述开关管m1的漏极，所述三极管q4 的发射极连接二极管d3的阳极，所述二极管d3的阴极连接所述开关管m1的源极。所述三极管q3的集电极经过电阻r1连接所述二极管d4的阴极，所述三极管q4的集电极经过电阻r2连接所述二极管d4的阴极，所述三极管q3的基极连接其集电极，所述三极管q1 的基极连接所述三极管q4的集电极，所述电容c1并联在所述二极管d4的阴极与所述三极管q2的集电极之间。其中，所述二极管d2、所述二极管d3为耐高压二极管，用于防止高电压将所述三极管q3、所述三极管q4的发射结击穿；所述电阻r1为所述三极管q3与所述三极管q4的基极电阻，所述电阻r2为驱动电阻；所述二极管d4 为自举二极管，所述电容c1为自举电容，为上管的驱动提供了稳定的电压。所述三极管q3与所述三极管q4为一对npn型三极管，可选地，可将所述三极管q3与所述三极管q4集成在一个封装里。
23.请继续参考图1，本实用新型一种mosfet驱动电路，利用一对npn型三极管q3、q4检测所述开关管m1的体二极管d1中是否有电流流过。当所述体二极管d1中有电流流过，所述三极管q4被钳位而处于截止状态，所述电阻r2与所述三极管q4集电极的连接点电位为高电平，从而驱动图腾柱结构中所述三极管q1的发射极输出高电平驱动所述开关管m1导通；当所述体二极管d1中没有电流流过，所述开关管m1的漏极与源极之间被施加电压，漏极的电位高于源极的电位，此时所述三极管q4导通，所述电阻r2与所述三极管q4集电极的连接点
电位为低电平，从而驱动图腾柱结构中所述三极管q1的发射极输出低电平驱动所述开关管m1关断，与此同时，在所述电源v
cc
的作用下，有电流经过所述二极管d4给所述电容c1 充电，从而使得在所述体二极管d1中有电流流过时，所述电容c1 给所述开关管m1的驱动提供稳定的电压。所述电容c1的电容容量需要足够大，才能保证提供稳定的电压。所述电阻r1、所述电容c1 与rc滤波频率f的关系为f＝1/(2*π*r1*c1)，其中，所述rc滤波频率f远小于开关频率。
24.图2为本实用新型一种mosfet驱动电路第一实施例的电路示意图。如图2所示，本实用新型所述一种mosfet驱动电路用于驱动有源整流桥。所述有源整流桥包括开关管m11、开关管m21、开关管m31、开关管m41，所述开关管m11、所述开关管m21、所述开关管m31、所述开关管m41为n型mosfet，所述开关管m11 的体二极管为d11，所述开关管m21的体二极管为d21，所述开关管m31的体二极管为d31，所述开关管m41的体二极管为d41。所述开关管m11的源极与所述开关管m31的漏极连接作为第一输入端 in1，所述开关管m21的源极与所述开关管m41的漏极连接作为第二输入端in2，所述开关管m11的漏极与所述开关管m21的漏极连接作为第一输出端out1，所述开关管m31的源极与所述开关管m41 的源极连接作为第二输出端out2。
25.第一驱动电路11连接所述开关管m11的栅极，控制所述开关管 m11的通断。所述第一驱动电路11，包括npn型三极管q11、pnp 型三极管q12，所述三极管q11的基极与所述三极管q12的基极连接，所述三极管q11的发射极与所述三极管q12的发射极连接，所述三极管q11与所述三极管q12构成图腾柱结构。所述三极管q11 的发射极连接所述开关管m11的栅极，所述三极管q11的集电极连接二极管d14的阴极，所述二极管d14的阳极连接电源v
cc
，所述三极管q12的集电极连接所述开关管m11的源极，电容c11并联在所述三极管q11的集电极与所述三极管q12的集电极之间。所述第一驱动电路11还包括npn型三极管q13、npn型三极管q14，所述三极管q13的基极连接所述三极管q14的基极，所述三极管q13 的发射极连接二极管d12的阳极，所述二极管d12的阴极连接所述开关管m11的漏极，所述三极管q14的发射极连接二极管d13的阳极，所述二极管d13的阴极连接所述开关管m11的源极。所述三极管q13的集电极经过电阻r11连接所述二极管d14的阴极，所述三极管q14的集电极经过电阻r12连接所述二极管d14的阴极，所述三极管q13的基极连接其集电极，所述三极管q11的基极连接所述三极管q14的集电极。其中，所述二极管d12、所述二极管d13为耐高压二极管，所述电阻r11为所述三极管q13与所述三极管q14 的基极电阻，所述电阻r12为驱动电阻，所述二极管d14为自举二极管，所述电容c11为自举电容。所述三极管q13与所述三极管q14 为一对npn型三极管，可选地，可将所述三极管q13与所述三极管 q14集成在一个封装里。
26.第二驱动电路12连接所述开关管m21的栅极，控制所述开关管 m21的通断。所述第二驱动电路12，包括npn型三极管q21、pnp 型三极管q22，所述三极管q21的基极与所述三极管q22的基极连接，所述三极管q21的发射极与所述三极管q22的发射极连接，所述三极管q21与所述三极管q22构成图腾柱结构。所述三极管q21 的发射极连接所述开关管m21的栅极，所述三极管q21的集电极连接二极管d24的阴极，所述二极管d24的阳极连接所述电源v
cc
，所述三极管q22的集电极连接所述开关管m21的源极，电容c21并联在所述三极管q21的集电极与所述三极管q22的集电极之间。所述第二驱动电路12还包括npn型三极管q23、npn型三极管q24，所述三极管q23的基极连接所述三极管q24的基极，所述三极管q23 的发射极
连接二极管d22的阳极，所述二极管d22的阴极连接所述开关管m21的漏极，所述三极管q24的发射极连接二极管d23的阳极，所述二极管d23的阴极连接所述开关管m21的源极。所述三极管q23的集电极经过电阻r21连接所述二极管d24的阴极，所述三极管q24的集电极经过电阻r22连接所述二极管d24的阴极，所述三极管q23的基极连接其集电极，所述三极管q21的基极连接所述三极管q24的集电极。其中，所述二极管d22、所述二极管d23为耐高压二极管，所述电阻r21为所述三极管q23与所述三极管q24 的基极电阻，所述电阻r22为驱动电阻，所述二极管d24为自举二极管，所述电容c21为自举电容。所述三极管q23与所述三极管q24 为一对npn型三极管，可选地，可将所述三极管q23与所述三极管 q24集成在一个封装里。
27.第三驱动电路13连接所述开关管m31的栅极，控制所述开关管 m31的通断。第四驱动电路14连接所述开关管m41的栅极，控制所述开关管m41的通断。上管m11、m21的驱动电路中设置了自举二极管d14、d24以及自举电容c11、c21，其目的是为上管m11、m21 的驱动提供稳定的电压。
28.所述第一输入端in1与所述第二输入端in2之间并联交流电压v
ac
，经所述开关管m11、所述开关管m21、所述开关管m31、所述开关管m41整流后，在所述第一输出端out1与所述第二输出端 out2之间输出直流电压。
29.在交流电压v
ac
正半周，在交流电压v
ac
刚过过零点从负值变为正值时，所述开关管m11还未导通，所述体二极管d11中有电流流过，可将此时所述开关管m11的漏极的电位看作为v
d1
，因为所述二极管d12上具有一个pn结的压降v
pn
，所述三极管q13的基极和发射极之间也具有一个从基极指向发射极的pn结的压降v
pn
，所述三极管q13和所述三极管q14的基极电压v
b13
被钳位在v
d1
+2*v
pn
，所述三极管q13导通。由于所述体二极管d11上也具有一个pn结的压降，此时所述开关管m11的源极的电位为v
d1
+v
pn
，并且所述二极管d13上也有一个pn结的压降v
pn
，因此所述三极管q14被钳位处于截止状态。所述电阻r12与所述三极管q14的集电极的连接点电位处于高电平，使得图腾柱结构中的所述三极管q11导通、所述三极管q12截止，在所述电容c11上电压的作用下，所述三极管 q11的发射极输出高电平驱动所述开关管m11导通。
30.当交流电压v
ac
位于负半周，所述体二极管d11中没有电流流过，所述开关管m11的漏极和源极之间被施加交流电压v
ac
，其中，所述开关管m11的源极电位低于所述开关管m11的漏极电位，所述三极管q13的基极电压v
b13
被钳位在v
d1
+2*v
pn
，也即所述三极管 q14的基极电压v
b13
被钳位在v
d1
+2*v
pn
，此时所述三极管q14导通。所述电阻r12与所述三极管q14的集电极的连接点电位处于低电平，使得所述三极管q11截止、所述三极管q12导通，所述三极管q11的发射极输出低电平驱动所述开关管m11关断。在交流电压 v
ac
的负半周内，在所述电源v
cc
的作用下，有电流经过所述二极管 d14给所述电容c11充电，从而使得在交流电压v
ac
的正半周，所述电容c11给所述开关管m11的驱动提供稳定的电压。所述电容c11 的电容容量需要足够大，从而保证在交流电压v
ac
的正半周内能提供稳定的电压。所述电阻r11、所述电容c11与rc滤波频率f的关系为f＝1/(2*π*r11*c11)，其中，所述rc滤波频率f远小于开关频率。
31.在交流电压v
ac
负半周，在交流电压v
ac
刚过过零点从正值变为负值时，所述开关管m21还未导通，所述体二极管d21中有电流流过，可将此时所述开关管m21的漏极的电位看作为v
d2
，因为所述二极管d22上具有一个pn结的压降v
pn
，所述三极管q23的基极和发射极之间
也具有一个从基极指向发射极的pn结的压降v
pn
，所述三极管q23和所述三极管q24的基极电压v
b23
被钳位在v
d2
+2*v
pn
，所述三极管q23导通。由于所述体二极管d21上也具有一个pn结的压降，此时所述开关管m21的源极的电位为v
d2
+v
pn
，并且所述二极管d23上也有一个pn结的压降v
pn
，所述三极管q24被钳位处于截止状态。所述电阻r22与所述三极管q24的集电极的连接点电位处于高电平，使得图腾柱结构中的所述三极管q21导通、所述三极管q22截止，在所述电容c21上电压的作用下，所述三极管q21 的发射极输出高电平驱动所述开关管m21导通。
32.当交流电压v
ac
位于正半周，所述体二极管d21中没有电流流过，所述开关管m21的漏极和源极之间被施加交流电压v
ac
，其中，所述开关管m21的源极电位低于所述开关管m21的漏极电位，所述三极管q23的基极电压v
b23
被钳位在v
d2
+2*v
pn
，也即所述三极管 q24的基极电压v
b23
被钳位在v
d2
+2*v
pn
，此时所述三极管q24导通。所述电阻r22与所述三极管q24的集电极的连接点电位处于低电平，使得所述三极管q21截止、所述三极管q22导通，所述三极管q21的发射极输出低电平驱动所述开关管m21关断。在交流电压 v
ac
的正半周内，在所述电源v
cc
的作用下，有电流经过所述二极管 d24给所述电容c21充电，从而使得在交流电压v
ac
的负半周，所述电容c21给所述开关管m21的驱动提供稳定的电压。所述电容c21 的电容容量需要足够大，从而保证在交流电压v
ac
的正半周内能提供稳定的电压。所述电阻r21、所述电容c21与rc滤波频率f的关系为f＝1/(2*π*r21*c21)，其中，所述rc滤波频率f远小于开关频率。
33.综上所述，在交流电压v
ac
的正半周，所述第一驱动电路11驱动所述开关管m11导通，所述第四驱动电路14驱动所述开关管m41 导通；在交流电压v
ac
的负半周，所述第二驱动电路12驱动所述开关管m21导通，所述第三驱动电路13驱动所述开关管m31导通，从而将所述第一输入端in1和所述第二输入端in2之间并联的交流电压v
ac
变换为直流电压并在所述第一输出端out1和所述第二输出端 out2之间输出。
34.图3为本实用新型一种mosfet驱动电路的第二实施例。如图 3所示，本实用新型中所述一种mosfet驱动电路也可以用于图腾柱pfc中慢管mosfet的驱动，所述图腾柱pfc包括交流电源ac、电感l51、开关管m51、开关管m52、开关管m61、开关管m62、电阻r53、电容c52，所述交流电源ac的第一端连接所述电感l51 的第一端，所述电感l51的第二端连接所述开关管m51的源极以及所述开关管m61的漏极，所述开关管m51的漏极连接所述开关管 m52的漏极，所述开关管m61的源极连接所述开关管m62的源极，所述开关管m52的源极与所述开关管m62的漏极连接到所述交流电源ac的第二端，所述电阻r53并联在所述开关管m51的漏极与所述开关管m61的源极之间，所述电容c52并联在所述电阻r53的两端，所述电阻r53为负载电阻，所述开关管m52的体二极管为d55，所述开关管m62的体二极管为d65。
35.第五驱动电路15连接所述开关管m51的栅极，控制所述开关管 m51的通断，所述开关管m51的体二极管为d51。所述第五驱动电路15，包括npn型三极管q51、pnp型三极管q52，所述三极管 q51的基极与所述三极管q52的基极连接，所述三极管q51的发射极与所述三极管q52的发射极连接，所述三极管q51与所述三极管 q52构成图腾柱结构。所述三极管q51的发射极连接所述开关管m51 的栅极，所述三极管q51的集电极连接二极管d54的阴极，所述二极管d54的阳极连接电源v
cc
，所述三极管q52的集电极连接所述开关管m51的源极。所述第五驱动电路15还包括npn型三极管q53、 npn型三极管q54，所述三极管q53的基极连接所述
三极管q54的基极，所述三极管q53的发射极连接二极管d52的阳极，所述二极管d52的阴极连接所述开关管m51的漏极，所述三极管q54的发射极连接二极管d53的阳极，所述二极管d53的阴极连接所述开关管 m61的源极。所述三极管q53的集电极经过电阻r51连接所述二极管d54的阴极，所述三极管q54的集电极经过电阻r52连接所述二极管d54的阴极，所述三极管q53的基极连接其集电极，所述三极管q51的基极连接所述三极管q54的集电极，电容c51并联在所述二极管d54的阴极与所述开关管m51的源极之间。其中，所述二极管d52、所述二极管d53为耐高压二极管，所述电阻r51为所述三极管q53与所述三极管q54的基极电阻，所述电阻r52为驱动电阻。所述三极管q53与所述三极管q54为一对npn型三极管，可选地，可将所述三极管q53与所述三极管q54集成在一个封装里。
36.第六驱动电路16连接所述开关管m61的栅极，控制所述开关管 m61的通断，所述第五驱动电路15的工作原理与图2中所述第一驱动电路11以及所述第二驱动电路12的工作原理相同，在此不在赘述。
37.本实用新型一种mosfet驱动电路并不限定应用于上述实施例，也可用于buck、boost、buck-boost、flyback、cuk、sepic等电路中。
38.虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。