[发明专利]一种功率变换器中功率MOS管的栅极驱动电路

说明书

技术领域

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

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。

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。

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。

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

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。

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；

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。

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泵。