一种功率变换器中功率MOS管的栅极驱动电路

摘要

一种功率变换器中功率MOS管的栅极驱动电路，包括直流电压源V、MOS管Q1、储能电容C、储能电感L、MOS管Q2和MOS管Q3，直流电压源V的正极连接MOS管Q1的漏极，MOS管Q1的栅极连接外接控制信号I，MOS管Q1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Q2的漏极和MOS管Q3的源极，MOS管Q2的栅极连接外接控制信号II，MOS管Q2的源极连接直流电压源V的负极并接地，MOS管Q3的栅极连接外接控制信号III，MOS管Q3的漏极连接功率变换器中功率MOS管Q4的栅极；外接控制信号I、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。

权利要求

1.一种功率变换器中功率MOS管的栅极驱动电路，其特征在于：包括直流电压源V、MOS管Q1、储能电容C、储能电感L、MOS管Q2和MOS管Q3，直流电压源V的正极连接MOS管Q1的漏极，MOS管Q1的栅极连接外接控制信号I，MOS管Q1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Q2的漏极和MOS管Q3的源极，MOS管Q2的栅极连接外接控制信号II，MOS管Q2的源极连接直流电压源V的负极并接地，MOS管Q3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Q4的栅极；外接控制信号I、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；

上述驱动电路在开关电源中功率MOS管Q4的一个开关周期内，MOS管Q1只开关一次，在功率MOS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、MOS管Q2和MOS管Q3组成的等效Boost电路传递到功率MOS管Q4的栅极，在功率MOS管Q4关断过程中，功率MOS管Q4栅极上的能量通过由MOS管Q3、MOS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。

2.根据权利要求1所述的功率变换器中功率MOS管的栅极驱动电路，其特征在于：所述直流电压源V是一个输出0.7V的恒压源，其作用相当于一个电荷泵。

3.根据权利要求1或2所述的功率变换器中功率MOS管的栅极驱动电路，其特征在于：所述MOS管Q1、MOS管Q2和MOS管Q3均为N沟道型MOSFET，型号采用IRF120,MOS管Q4为N沟道型MOSFET，型号采用SPW20N60S5,储能电容C为10μF,储能电感L为1μH。

说明书

一种功率变换器中功率MOS管的栅极驱动电路

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MOS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MOS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MOS管，要保证电路中有能量从输入端传递到输出端，功率MOS管的可靠性必须得到保证。而对于MOS管的损耗主要来源包括两个：开关损耗和导通损耗。MOS管的导通损耗由MOS管自身的导通电阻以及流过的电流决定的，由于MOS管的导通电阻是由MOS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，MOS管的导通损耗是可以接受的。但是，MOS管的开关损耗在很大程度上取决于MOS管的栅极驱动电路。如果MOS管的栅极驱动电路设计的不合理，那么由此造成的MOS管的开关损耗非常有可能导致MOS管的失效。

[0004] 目前，对于传统的功率MOS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MOS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MOS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MOS管栅极驱动电路的设计，在MOS管需要关断时，驱动电路是将MOS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MOS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MOS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MOS管的栅极驱动电路，以降低MOS管的损耗，尤其是降低MOS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MOS管的栅极驱动电路，其特征在于：包括直流电压源V、MOS管Q1、储能电容C、储能电感L、MOS管Q2和MOS管Q3，直流电压源V的正极连接MOS管Q1的漏极，MOS管Q1的栅极连接外接控制信号I，MOS管Q1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Q2的漏极和MOS管Q3的源极，MOS管Q2的栅极连接外接控制信号II，MOS管Q2的源极连接直流电压源V的负极并接地，MOS管Q3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Q4的栅极；外接控制信号I、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MOS管Q4的一个开关周期内，MOS管Q1只开关一次，在功率MOS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、MOS管Q2和MOS管Q3组成的等效Boost电路传递到功率MOS管Q4的栅极，在功率MOS管Q4关断过程中，功率MOS管Q4栅极上的能量通过由MOS管Q3、MOS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] 所述直流电压源V是一个输出0.7V的恒压源，其作用相当于一个电荷泵。

[0010] 所述MOS管Q1、MOS管Q2和MOS管Q3均为N沟道型MOSFET，型号采用IRF120,MOS管Q4为N沟道型MOSFET，型号采用SPW20N60S5,储能电容C为10μF,储能电感L为1μH。

[0011] 本发明具有如下优点：

[0012] 1、在驱动电路使功率MOS管Q4关断时，传统驱动方案往往将MOS管Q4栅极电荷通过大地完全泄放掉，或者由栅源泄放电阻和MOS管Q4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MOS管Q4的可靠性。本发明所采用的驱动方案，是将功率MOS管Q4栅极上面的电荷在MOS管Q4关断时，又回馈到驱动电路的储能电容中。用于驱动MOS管Q4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MOS管Q4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中关键节点示意图；

[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泵。

[0023] MOS管Q1为N沟道型MOSFET，栅极外接控制信号I，控制MOS管Q1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MOS管Q4开通之前，存储来自直流电压源V中的能量。

[0025] 储能电感L在被驱动的MOS管Q4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] MOS管Q2为N沟道型MOSFET，栅极外接控制信号II，控制MOS管Q2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MOS管Q4开通过程，MOS管Q2的作用相当于基本Boost电路中的开关管，通过MOS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] MOS管Q3为N沟道型MOSFET，栅极外接控制信号III，控制MOS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MOS管Q4开通过程，MOS管Q3的作用相当于基本Boost电路中的“续流二极管”，通过MOS管Q3为储能电感L续流，实现Boost变换器的功能。在功率MOS管Q4关断过程，MOS管Q2和MOS管Q3的作用刚好互换，在关断过程，MOS管Q3的作用相当于基本Buck电路中的开关管，MOS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MOS管Q4为N沟道型功率MOSFET，代表开关变换器中需要被驱动的MOSFET。

[0029] 如图2，是图1示原理图中的关键节点A、B、C，这三点处的信号波形就能反映出该电路是否能够正常工作。

[0030] 如图3，是实施例电路原理图。本发明在具体实施过程中元器件参数以及器件型号均如图3所示。

[0031] 如图4，是本发明提出的驱动电路正常工作时的时序波形图，最终在图2所示的关键节点C处，得到高低电平交替变换的开关信号，达到驱动功率MOS管Q4的目的。

[0032] 如图5，是采用传统串接栅极驱动电阻方案和采用本发明提出的驱动方案，在不同的开关频率下，驱动电路效率的对比图。从图5中可以看到，随着开关频率的提高，驱动电路的效率都有所下降。但是采用本发明提出的驱动方案，在较高的开关频率下，效率均高于传统的栅极串接驱动电阻方案的效率。

[0033] 直流电压源V串接MOS管Q1的漏极，MOS管Q1的栅极外接控制信号I，MOS管Q1的源极分别与储能电容C、储能电感L的一端相连接，储能电容C的另一端接地，储能电感L的另一端串接MOS管Q3的源极，MOS管Q3的栅极外接控制信号III，MOS管Q2的漏极与变换器中功率MOS管Q4的栅极相连，功率MOS管Q4的源极接地，储能电感和MOS管Q2的公共端与MOS管Q2的漏极相接，MOS管Q2的栅极外接控制信号II，MOS管Q2的源极接地。

[0034] 本发明在MOS管Q4开通时，电路可以等效成为基本的Boost电路，此时MOS管Q2相当于Boost电路中的“续流二极管”；在MOS管Q4关断时，电路可以等效成为基本的Buck的电路，此时MOS管Q2相当于Buck电路中的“续流二极管”。而且，在MOS管Q4关断时，MOS管Q4栅极电荷，并没有通过外接栅源泄放电阻或者MOS管内部寄生栅源电阻消耗掉，而是通过等效的Buck电路回馈到储能电感，最后返回到储能电容中，降低MOS管的Q4的开关损耗，同时也降低了MOS管的栅极驱动电路损耗，有助于提高系统的效率及可靠性。

[0035] 本发明工作过程如下：

[0036] 如图4所示，系统上电瞬间，控制信号I给出，使控制信号I变为高电平，MOS管Q1实现开通，直流电压源开始给储能电容充电。经过0～t1时间，控制信号I变为低电平，将MOS管Q1关断。此时储能电容中获得能量。

[0037] 经过t1～t2时间之后，控制信号II给出，使控制信号II变为高电平，MOS管Q2实现开通，开始有电流通过储能电感，储能电感开始储能，储能电容中能量开始传递到储能电感中。

[0038] 经过t2～t3时间之后，控制信号II变为低电平，MOS管Q2关断。由于电感电流不能突变，就会在MOS管Q2的漏极产生一个上升的电压。然后经过t3～t4死区时间，在t4时刻，控制信号III给出，控制信号III变为高电平，MOS管Q3实现开通。此时电路等效成为一个基本的Boost电路，电感中的能量开始给MOS管Q4的栅源电容充电，MOS管Q4开始导通，经过t4～t5时间，将控制信号III变为低电平，MOS管Q2关断，之后MOS管Q4的栅源电压稳定在14.2V，MOS管Q4实现开通。此时，MOS管Q1、MOS管Q2、MOS管Q3均处于关断状态，而且由于MOS管Q3接入电路中的方式，是漏极连接被驱动的功率MOS管Q4的栅极，避免了在MOS管Q3关断器件，功率MOS管Q4栅源电容上面的电荷通过MOS管Q3的体二极管进行泄放，这样就可以保证功率MOS管Q4在t5～t6期间可靠地导通。

[0039] 在t6时刻，给出控制信号III，使控制信号III变成高电平，MOS管Q3实现开通。此时由于MOS管Q2处于关断状态，则功率MOS管Q4的栅源电容上面的电荷就通过储能电感又回馈到储能电容中，电容上的电压在此时段会出现稍微的上升，此时电路等效成为一个基本的Buck电路。经过t6～t7时间，控制信号III变为低电平，将MOS管Q3关断。此时，MOS管Q4的栅源电压已经稳定在0.7V左右，使MOS管Q4可靠地截止。

[0040] 经过t7～t3死区时间，在t8时刻控制信号II给出，使得控制信号II变成高电平，MOS管Q2实现开通，作用相当于基本Buck电路中的“续流二极管”，从而为储能电感续流。经过t8～t9时间，控制信号II变成低电平，MOS管Q2关断，直至T时刻，电路一个周期的工作状态结束。接下来按照上述的时序，电路周期性地工作。在图2所示的C点处就会产生高低交替的开关信号，使得功率MOS管Q4周期性地开通和关断，实现驱动开关变换器中功率MOS管Q4的目的。并且还能够实现在功率MOS管Q4关断的时候，将其栅源电容中的能量回馈到储能电容中，降低MOS管Q4的开关损耗，进一步提高整个开关变换器的效率。