一种功率变换器中功率mos管的栅极驱动电路的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及开关变换器，尤其涉及一种功率变换器中功率M0S管的栅极驱动电路。
【背景技术】
[0002]近年来，在功率变换器中为了进一步减小无源器件的体积，提高功率变换器的功率密度，人们设计的变换器开关频率越来越高。一般情况下，随着开关频率的增加，变换器中的功率M0S管的开关损耗以及栅极驱动电路的损耗都会随之增加，导致整个系统的效率降低。这样，在高频应用场合中，即使在轻载情况下，由于开关损耗以及栅极驱动电路损耗的增加，系统的可靠性也不能够保证。如果不能有效减小这些损耗，就有可能导致相关器件失效、系统的可靠性降低，甚至会导致整个系统不能正常工作。
[0003]尤其是变换器中的功率M0S管，要保证电路中有能量从输入端传递到输出端，功率M0S管的可靠性必须得到保证。而对于M0S管的损耗主要来源包括两个:开关损耗和导通损耗。M0S管的导通损耗由M0S管自身的导通电阻以及流过的电流决定的，由于M0S管的导通电阻是由M0S管自身的性能决定的，而且基本上是处于零点几欧姆级别左右。因此正常情况下，M0S管的导通损耗是可以接受的。但是，M0S管的开关损耗在很大程度上取决于M0S管的栅极驱动电路。如果M0S管的栅极驱动电路设计的不合理，那么由此造成的M0S管的开关损耗非常有可能导致M0S管的失效。
[0004]目前，对于传统的功率M0S管栅极驱动电路的设计方案，大多数采用电压源通过串接一个栅极驱动电阻，然后对功率M0S管的栅极进行充放电。这种驱动电路的设计方案虽然简单且容易实现，但是驱动电流在对M0S管的栅极进行充放电的同时，也流经了栅极驱动电阻，这样就会不可避免的增加栅极驱动电路的损耗。而且，传统M0S管栅极驱动电路的设计，在M0S管需要关断时，驱动电路是将M0S管栅极上面的电荷经过地线泄放掉，明显增加了栅极驱动电路的损耗，不利于功率变换器整体效率的提高。
[0005]除此之外，有人针对降低栅极驱动电路的损耗还提出根据负载输出情况的不同而调节功率M0S管的开关频率，这样虽然从一个周期整体来看，有助于降低驱动电路的损耗，但是这种方案不仅电路实现较为复杂，而且还会导致输出电压有较大的纹波和较为严重的EMI。因此，设计一种结构简单，又具有高效率的M0S管栅极驱动电路，是要解决的一大问题。
【发明内容】
[0006]本发明目的在于提供一种功率变换器中功率M0S管的栅极驱动电路，以降低M0S管的损耗，尤其是降低M0S管的开关损耗，进一步提高变换器的效率，增加系统的可靠性。
[0007]本发明为实现上述目的，采用如下技术方案:一种功率变换器中功率M0S管的栅极驱动电路，其特征在于:包括直流电压源V、M0S管Q1、储能电容C、储能电感L、M0S管Q2和M0S管Q3，直流电压源V的正极连接M0S管漏极，M0S管Q:的栅极连接外接控制信号I，MOS管Qi的源极连接储能电容C的一端和储能电感L的一端，储能电容C的另一端接地，储能电感L的另一端连接MOS管02的漏极和MOS管Q 3的源极，MOS管Q 2的栅极连接外接控制信号II，MOS管02的源极连接直流电压源V的负极并接地，MOS管Q 3的栅极连接外接控制信号III，MOS管Q3的漏极作为驱动电路的输出，连接功率变换器中功率MOS管04的栅极；外接控制信号1、外接控制信号II和外接控制信号III都是由占空比可调的波形发生器所提供；
[0008]上述驱动电路在开关电源中功率M0S管Q4的一个开关周期内，M0S管Q 开关一次，在功率M0S管Q4开通过程中，储能电容C中的能量通过由储能电容C、储能电感L、M0S管02和M0S管Q 3组成的等效Boost电路传递到功率M0S管Q 4的栅极，在功率M0S管Q 4关断过程中，功率M0S管Q4栅极上的能量通过由M0S管Q 3、M0S管Q2、储能电感L和储能电容C组成的等效Buck电路返回到储能电容C中。
[0009]所说直流电压源V是一个输出0.7V的恒压源，其作用相当于一个电荷栗。
[0010]所说M0S管QpMOS管02和M0S管Q 3均为N沟道型M0SFET，型号采用IRF120, M0S管Q4SN沟道型M0SFET，型号采用SPW20N60S5，储能电容C为10 μ F，储能电感L为ΙμΗ。
[0011]本发明具有如下优点:
[0012]1、在驱动电路使功率M0S管Q4关断时，传统驱动方案往往将M0S管Q 4栅极电荷通过大地完全泄放掉，或者由栅源泄放电阻和M0S管仏的栅源寄生电阻消耗掉，这样不仅增加了驱动电路的损耗，而且也降低了功率皿^管仏的可靠性。本发明所采用的驱动方案，是将功率M0S管Q4栅极上面的电荷在M0S管Q4关断时，又回馈到驱动电路的储能电容中。用于驱动M0S管04下一周期的开通，大大降低了驱动电路的损耗。
[0013]2、在驱动电路使功率M0S管04开通时，与传统的驱动方案相比，本发明由于省去了栅极驱动电阻，这样就不存在栅极驱动电阻上面的损耗，降低了驱动电路的损耗，提高了系统的效率。
[0014]3、本发明提出的驱动方案，当驱动电流流经电感需要续流时，采用同步整流的方法代替了传统意义的“续流二极管”，进一步降低驱动电路的损耗。
[0015]4、本发明提出的驱动方案，是由基本的Buck、Boost电路拓扑变形而来，仅增加了两个起储能作用的无源器件储能电感L和储能电容C，结构及控制方法简单，容易实现。
【附图说明】
[0016]图1是本发明电路原理图；
[0017]图2是图1中关键节点不意图；
[0018]图3是图1实施例原理图；
[0019]图4是图2中相关控制信号以及关键节点的波形图；
[0020]图5是本发明与传统串接栅极驱动电阻方案在不同开关频率下的效率对比图；
【具体实施方式】
[0021]下面结合附图对发明的技术进行详细说明。
[0022]如图1，是本发明提出的具体原理图。直流电压源V是一个能够输出0.7V大小的恒压源，其作用相当于一个电荷栗。
[0023]MOS管QiS N沟道型MOSFET，栅极外接控制信号I，控制MOS管Q J在合适的时刻开通和关断。控制信号I由一个占空比可调的波形发生器所提供。
[0024]储能电容C在被驱动的M0S管开通之前，存储来自直流电压源1中的能量。
[0025]储能电感L在被驱动的M0S管开通之前储存来自储能电容C中的能量，为Boost升压电路的开启做准备。
[0026]M0S管02为N沟道型MOSFET，栅极外接控制信号II，控制M0S管Q 2在合适的时刻开通和关断。控制信号II的来源和控制信号I类似，也是由一个占空比可调的波形发生器所提供。在功率皿^管仏开通过程，105管02的作用相当于基本Boost电路中的开关管，通过M0S管Q2给储能电感L充电，将储能电容C中的能量转移到储能电感中，为Boost升压电路的开启做准备。
[0027]M0S管03为N沟道型MOSFET，栅极外接控制信号III，控制M0S管Q3在合适的时刻开通和关断。控制信号III同样由一个占空比可调的波形发生器所提供。在功率皿^管仏开通过程，105管％的作用相当于基本Boost电路中的“续流二极管”，通过M0S管03为储能电感L续流，实现Boost变换器的功能。在功率M0S管Q4关断过程，M0S管Q 2和M0S管93的作用刚好互换，在关断过程，105管03的作用相当于基本Buck电路中的开关管，M0S管Q2的作用相当于基本Buck电路中的“续流二极管”，为储能电感L续流，从而实现Buck变换器的功能。
[0028]功率M0