专利名称：提高非隔离变换器转换效率的电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及MOS管的导电特性，尤其涉及一种应用MOS管的双向导电特性来提高非隔离变换器转换效率的电路。
背景技术：
人们通常认为，MOS管属于单向导电器件。比如，对于N沟道MOS管，当在栅源极间加上驱动电压时，MOS管导通，电流只能从漏极流向源极，反之则不行。如果负载电流从源极流向漏极，则是因为负载电流流经MOS管的体二极管。由于体二极管和普通二极管一样，导通压降很高，续流损耗比较大，因此人们基于对MOS管的单向导电特性的认识，在非隔离DC/DC变换器中均采用普通二极管作为续流管。以图1所示的传统的同步整流Buck变换器为例，仅仅在主回路中采用MOS管，续流管仍采用二极管。由于人们对MOS管仅限于单向导电特性的认识，使得MOS管在非隔离DC/DC变换器中的应用受到了很大限制。
理论分析和实验证明，MOS管具有双向导电特性，即在MOS管栅源极间加上驱动电压时，MOS管电流不仅能从漏极流向源极，而且能够从源极流向漏极。理论分析如下MOS管为电压控制型器件，电压控制意味着对电场能的控制，故称作为电场效应晶体管。MOS管是利用多数载流子导电的器件，因而又称之为单极性晶体管。以N沟道MOS管为例，其构造如图2(a)所示，图2(b)为工作原理图。
MOS管的电压控制机理是利用栅源极电压的大小来改变感应电场生成的导电沟道的厚度(感生电荷的多少)，从而控制漏极电流Id的。从图2(b)中可以看出，当栅源极电压Ugs小于开启电压Uth时，无论漏源电压Uds的极性如何，两个PN结中，总有一个PN结是反向偏置的，因此漏极电流Id几乎为零，这种情况下形成耗尽层，MOS管不导通。当栅源极电压Ugs大于开启电压Uth时，漏极和源极之间形成N型沟道，由于N型沟道的电阻很小，故在正向漏源电压Uds的作用下，电子从源极流向漏极，或者说，正电荷从漏极流向源极，这就是通常采用的MOS管正向导电特性。可以看出，栅源极电压Ugs的作用仅仅是在于形成漏极和源极之间的N型导电沟道，而N型导电沟道相当于一个无极性的等效电阻。因此，若改变漏源极的电压极性，即漏源极加反向电压，电子会反向从漏极流向源极，正电荷将从源极流向漏极，实现MOS管反向导电特性。从以上分析可知，MOS管实际上是一个双向导电器件，且由于MOS管的导通电阻远小于普通二极管的导通电阻，因而可以利用MOS管来替代普通二极管，以减少损耗。
发明内容
本发明是一种应用MOS管的双向导电特性来提高非隔离变换器转换效率的电路，它不但可以较大幅度提高非隔离变换器的转换效率，减少续流损耗，而且具有结构简单，易于控制等优点。
根据MOS管的双向导电原理，本发明提出了一种应用MOS管的双向导电特性来提高非隔离变换器转换效率的电路，主要有六种形式图3(a)是本发明的Buck变换器的原理电路；图4是本发明的Boost变换器的原理电路；图5是本发明的Buck/Boost变换器的原理电路；图6是本发明的Cuk变换器的原理电路；图7是本发明的Zeta变换器的原理电路；图8是本发明的Sepic变换器的原理电路，它们的原理一样，下面以Buck变换器为例，其原理电路和主要波形图分别如图3(a)和图3(b)所示。在图3(a)电路中主要包含有一个整流MOS管S1、一个续流MOS管S2、输入电源Vin、输出滤波电感L和输出滤波电容C0，D1和D2分别为整流MOS管S1和续流MOS管S2的体二极管。整流MOS管S1用于整流，续流MOS管S2用于续流。整流MOS管S1的漏极与输入电源Vin的正极连接，整流MOS管S1的源极、续流MOS管S2的漏极、输出滤波电感L的一端互相连接且只有一个节点；续流MOS管S2的源极与输入电源地连接；输出滤波电容C0的正极和输出滤波电感L的另一端连接，负极分别与续流MOS管S2的源极、输入电源地连接。
图3(a)所示本发明的Buck变换器的工作原理和传统的同步整流Buck变换器的工作原理基本一致，具体解释如下t0时刻，整流MOS管S1导通，续流MOS管S2关断。整流MOS管S1、输出滤波电感L和输入电源Vin构成负载电流回路。因为MOS管S1的导通压降很小，这样损耗就很小，所以输出滤波电感L的电流就近似线性增加。
t1时刻，整流MOS管S1关断，续流MOS管S2导通。续流MOS管S2(包括S2的体二极管D2)、输出滤波电感L构成负载电流回路。由于MOS管S2的导通压降很小，故续流损耗很小，输出滤波电感L的电流近似线性减小。
t0′时刻，下一个开关周期开始，重复上述工作过程。
上述工作过程假定输出滤波电感L的电流连续，即Buck变换器工作在电流连续模态。一般来说，如果Buck变换器工作在电流连续模态，整流MOS管S1和续流MOS管S2的栅源极驱动电压信号是基本互补的。但是，如果Buck变换器工作在电流断续模态，那么整流MOS管S1和续流MOS管S2的栅源极驱动电压信号是不能互补的。假设在t2时刻输出滤波电感L的电流减小为0，这时，应该关断续流MOS管，否则续流MOS管会正向导通，和输出滤波电容C0形成短路回路，产生额外的损耗。
续流MOS管S2的体二极管在Buck变换器的正常工作中也非常重要。如果续流MOS管S2存在驱动不足的问题，比如驱动电压幅值过低，或者驱动电压时序不当，造成续流MOS管本身不能导通，这时，其体二极管导通续流。在应用MOS管的双向导电特性提高其它非隔离变换器的转换效率的电路中，这一点同样极为主要。
本发明的有益效果是可以较大幅度提高非隔离变换器的转换效率，减少续流损耗，而且结构简单，易于控制。
图1是传统的同步整流Buck变换器的原理电路；图2(a)是N沟道MOS管构造图；图2(b)是N沟道MOS管工作原理图；图3(a)是本发明的Buck变换器的原理电路；图3(b)是本发明的Buck变换器电路的主要波形；图4是本发明的Boost变换器的原理电路；图5是本发明的Buck/Boost变换器的原理电路；
图6是本发明的Cuk变换器的原理电路；图7是本发明的Zeta变换器的原理电路；图8是本发明的Sepic变换器的原理电路。
图2中1-源极S 2-栅极G 3-漏极D 4-铝 5-二氧化硅 6-衬底 7-耗尽层 8-N型沟道具体实施方式
应用MOS管的双向导电特性还可以提高其它非隔离变换器的转换效率，原理与Buck变换器一样。具体说明如下图4是本发明的Boost变换器的原理电路，主要包含有一个整流MOS管S1、一个续流MOS管S2、输入电源Vin、输出滤波电感L和输出滤波电容C0。它的连接关系是输入电源Vin的正极与输出滤波电感L的一端相连，输出滤波电感L的另一端、整流MOS管S1的漏极、续流MOS管S2的源极互相连接且只有一个节点，整流MOS管S1的源极与电源地连接，续流MOS管S2的漏极与输出滤波电容C0的正极相连，输出滤波电容C0的负极分别与整流MOS管S1的源极、输入电源地连接。
图5是本发明的Buck/Boost变换器的原理电路，主要包含有一个整流MOS管S1、一个续流MOS管S2、输入电源Vin、输出滤波电感L和输出滤波电容C0。它的连接关系是输入电源Vin的正极与整流MOS管S1的漏极连接，整流MOS管S1的源极、输出滤波电感L的一端、续流MOS管S2的漏极相互连接且只有一个节点，输出滤波电感L的另一端与电源地连接，续流MOS管S2的源极与输出滤波电容C0的正极相连，输出滤波电容C0的负极与输入电源地连接。
图6是本发明的Cuk变换器的原理电路，主要包含有一个整流MOS管S1、一个续流MOS管S2、输入电源Vin、输入滤波电感L1、输出滤波电感L2、电容C和输出滤波电容C0。它的连接关系是输入电源Vin的正极与输入滤波电感L1的一端相连，输入滤波电感L1的另一端、MOS管S1的漏极、电容C的一端、MOS管S2的源极相互连接且只有一个节点，MOS管S1的源极、电容C的另一端、MOS管S2的漏极分别与电源地连接，MOS管S2的源极还与输出滤波电感L2的一端相连，输出滤波电感L2的另一端与输出滤波电容CO的正极相连，输出滤波电容C0的负极与输入电源地连接。
图7是本发明的Zeta变换器的原理电路，主要包含有一个整流MOS管S1、一个续流MOS管S2、输入电源Vin、输入滤波电感L1、输出滤波电感L2、电容C和输出滤波电容C0。它的连接关系是输入电源Vin的正极与整流MOS管S1的漏极连接，整流MOS管S1的源极、输入滤波电感L1的一端、电容C的一端相互连接且只有一个节点，电容C的另一端、MOS管S2的漏极、输出滤波电感L2的一端相互连接且只有一个节点，输入滤波电感L1的另一端、MOS管S2的源极分别与电源地连接，输出滤波电感L2的另一端与输出滤波电容C0的正极相连，输出滤波电容C0的负极与输入电源地连接。
图8是本发明的Sepic变换器的原理电路，主要包含有一个整流MOS管S1、一个续流MOS管S2、输入电源Vin、输入滤波电感L1、输出滤波电感L2、电容C和输出滤波电容C0。它的连接关系是输入电源Vin的正极与输入滤波电感L1的一端相连，输入滤波电感L1的另一端、整流MOS管S1的漏极、电容C的一端相互连接且只有一个节点，电容C的另一端、输出滤波电感L2的一端、续流MOS管S2的源极相互连接且只有一个节点，整流MOS管S1的源极、输出滤波电感L2的另一端分别与电源地连接，续流MOS管S2的漏极与输出滤波电容C0的正极相连，输出滤波电容C0的负极与输入电源地连接。
上面已经非常具体地阐述了本发明所述的应用MOS管的双向导电特性提高非隔离变换器转换效率的电路及其可能应用的其它实例。但是，这些并不是对本发明的应用范围的限制。对于本技术领域的一般技术人员来说，可以在不脱离本发明的精神的前提下，做出种种变化。因此，本发明的范围因由所附的权利要求说明书决定。
权利要求
1.一种应用MOS管的双向导电特性来提高非隔离变换器转换效率的电路，主要包含有一个整流MOS管S1、一个续流MOS管S2、输入电源Vin、输出滤波电感L和输出滤波电容C0，其特征在于，整流MOS管S1的漏极与输入电源Vin的正极连接，整流MOS管S1的源极、续流MOS管S2的漏极、输出滤波电感L的一端互相连接且只有一个节点，续流MOS管S2的源极与输入电源地连接，输出滤波电容C0的正极和输出滤波电感L的另一端连接，负极分别与续流MOS管S2的源极、输入电源地连接。
2.一种应用MOS管的双向导电特性来提高非隔离变换器转换效率的电路，主要包含有一个整流MOS管S1、一个续流MOS管S2、输入电源Vin、输出滤波电感L和输出滤波电容C0，其特征在于，输入电源Vin的正极与输出滤波电感L的一端相连，输出滤波电感L的另一端、整流MOS管S1的漏极、续流MOS管S2的源极互相连接且只有一个节点，整流MOS管S1的源极与电源地连接，续流MOS管S2的漏极与输出滤波电容C0的正极相连，输出滤波电容C0的负极分别与整流MOS管S1的源极、输入电源地连接。
3.一种应用MOS管的双向导电特性来提高非隔离变换器转换效率的电路，主要包含有一个整流MOS管S1、一个续流MOS管S2、输入电源Vin、输出滤波电感L和输出滤波电容C0，其特征在于，输入电源Vin的正极与整流MOS管S1的漏极连接，整流MOS管S1的源极、输出滤波电感L的一端、续流MOS管S2的漏极相互连接且只有一个节点，输出滤波电感L的另一端与电源地连接，续流MOS管S2的源极与输出滤波电容C0的正极相连，输出滤波电容C0的负极与输入电源地连接。
4.一种应用MOS管的双向导电特性来提高非隔离变换器转换效率的电路，主要包含有一个整流MOS管S1、一个续流MOS管S2、输入电源Vin、输入滤波电感L1、输出滤波电感L2、电容C和输出滤波电容C0，其特征在于，输入电源Vin的正极与输入滤波电感L1的一端相连，输入滤波电感L1的另一端、MOS管S1的漏极、电容C的一端、MOS管S2的源极相互连接且只有一个节点，MOS管S1的源极、电容C的另一端、MOS管S2的漏极分别与电源地连接，MOS管S2的源极还与输出滤波电感L2的一端相连，输出滤波电感L2的另一端与输出滤波电容C0的正极相连，输出滤波电容C0的负极与输入电源地连接。
5.一种应用MOS管的双向导电特性来提高非隔离变换器转换效率的电路，主要包含有一个整流MOS管S1、一个续流MOS管S2、输入电源Vin、输入滤波电感L1、输出滤波电感L2、电容C和输出滤波电容C0，其特征在于，输入电源Vin的正极与整流MOS管S1的漏极连接，整流MOS管S1的源极、输入滤波电感L1的一端、电容C的一端相互连接且只有一个节点，电容C的另一端、MOS管S2的漏极、输出滤波电感L2的一端相互连接且只有一个节点，输入滤波电感L1的另一端、MOS管S2的源极分别与电源地连接，输出滤波电感L2的另一端与输出滤波电容C0的正极相连，输出滤波电容C0的负极与输入电源地连接。
6.一种应用MOS管的双向导电特性来提高非隔离变换器转换效率的电路，主要包含有一个整流MOS管S1、一个续流MOS管S2、输入电源Vin、输入滤波电感L1、输出滤波电感L2、电容C和输出滤波电容C0，其特征在于，输入电源Vin的正极与输入滤波电感L1的一端相连，输入滤波电感L1的另一端、整流MOS管S1的漏极、电容C的一端相互连接且只有一个节点，电容C的另一端、输出滤波电感L2的一端、续流MOS管S2的源极相互连接且只有一个节点，整流MOS管S1的源极、输出滤波电感L2的另一端分别与电源地连接，续流MOS管S2的漏极与输出滤波电容C0的正极相连，输出滤波电容C0的负极与输入电源地连接。
7.根据权利要求1或2或3或4或5或6所述的一种应用MOS管的双向导电特性来提高非隔离变换器转换效率的电路，其特征在于，D1和D2分别为所述整流MOS管S1和续流MOS管S2的体二极管。
8.根据权利要求1或2或3或4或5或6所述的一种应用MOS管的双向导电特性来提高非隔离变换器转换效率的电路，其特征在于，整流MOS管S1用于整流，续流MOS管S2用于续流。
全文摘要
本发明涉及一种应用MOS管的双向导电特性来提高非隔离变换器转换效率的电路，主要包含有一个整流MOS管S1、一个续流MOS管S2、输入电源Vin、输出滤波电感L和输出滤波电容C0，D1和D2分别为整流MOS管S1和续流MOS管S2的体二极管。本发明利用MOS管的双向导电特性，续流管也采用MOS管，整流管和续流管均采用同步整流技术，即使续流MOS管存在驱动不足的问题，仍然可以通过其体二极管续流。本发明不但可以较大幅度提高非隔离变换器的转换效率，而且具有电路简单，易于控制等优点。
文档编号H02M3/00GK1545193SQ200310112239
公开日2004年11月10日 申请日期2003年11月21日 优先权日2003年11月21日
发明者张波, 张 波 申请人:华南理工大学