功率管驱动电路和功率管驱动方法与流程

1.本公开涉及电子线路领域，具体地，涉及一种功率管驱动电路和功率管驱动方法。


背景技术：

2.在超高压的功率管驱动电路中，存在输入端与输出端的电源域不同的问题，一般输入地与系统地相连，为0v；而输出地则为浮动地，与功率管(例如，igbt的源极)相连，最低为0v，最高可达几百伏甚至一千多伏。因此需要对输入与输出进行隔离处理，比如用变压器进行输入输出的隔离。
3.在高集成度的应用中，输入芯片、输出芯片以及用作隔离的变压器共同封装在一起，为了满足小体积的要求，所用到的芯片级变压器通过在硅片上做耦合线圈实现，变压器的电感量非常小，一般只有几十纳法的量级。为了实现信号在输入和输出级之间的传输，通常是在变压器的发送端线圈上产生一个交变的电流信号，通过线圈之间的信号耦合，确保接收端得以接收到相应的信号并做出处理及响应。
4.为确保次级芯片能够正确地接收并识别相应的信号，提供给变压器的电流需要足够大，如果电流偏小，则变压器上的谐振幅度将减小，则次级芯片可能无法识别该相应的信号。


技术实现要素：

5.本公开的目的是提供一种可靠且功耗较小的功率管驱动电路和功率管驱动方法。
6.为了实现上述目的，本公开提供一种功率管驱动电路，所述功率管驱动电路包括输入模块、输出模块和变压器，所述输入模块和所述输出模块通过所述变压器连接，所述输入模块用于根据所获取的输入信号控制所述变压器的初级端产生交变电流；所述输出模块用于接收所述变压器的次级端的电压信号，并根据所接收到的电压信号控制功率管的开闭。
7.其中，所述输入模块包括：
8.控制模块，用于根据电源电压的大小输出控制信号；
9.限流电阻模块，用于根据所述控制信号调节所述输入模块中限流电阻值的大小，以使所述限流电阻值随着所述电源电压的增大而增大。
10.可选地，所述限流电阻模块包括第一预置电阻、n个并联电阻和n个并联开关管，所述n个并联电阻和所述n个并联开关管一一对应，每个并联电阻和对应的并联开关管串联后又与所述第一预置电阻并联，并联后的电阻为所述输入模块中的限流电阻。
11.其中，所述控制信号包括n个子信号，所述n个并联开关管一一对应地接收所述n个子信号，每个并联开关管用于根据栅极接收的子信号控制源极和漏极的通断。
12.可选地，所述限流电阻模块包括第一预置电阻、n个串联电阻和n个串联开关管，所述n个串联电阻和所述n个串联开关管一一对应，每个串联电阻和对应的串联开关管并联，所述第一预置电阻和所述n个串联电阻串联连接，串联后的电阻为所述输入模块中的限流
电阻。
13.其中，所述控制信号包括n个子信号，所述n个串联开关管一一对应地接收所述n个子信号，每个串联开关管用于根据栅极接收的子信号控制源极和漏极的通断。
14.可选地，所述限流电阻模块包括并联部分和串联部分，所述并联部分包括第一预置电阻、m个混合并联电阻和m个混合并联开关管，所述m个混合并联电阻和所述m个混合并联开关管一一对应，每个混合并联电阻和对应的混合并联开关管串联后又与所述第一预置电阻并联。
15.所述串联部分包括(n-m)个混合串联开关管和串联连接的(n-m)个混合串联电阻，所述(n-m)个混合串联电阻和所述(n-m)个混合串联开关管一一对应，每个混合串联电阻和对应的混合串联开关管并联。
16.所述并联部分和所述串联部分串联后的电阻为所述输入模块中的限流电阻。
17.其中，所述控制信号包括n个子信号，所述m个混合并联开关管和所述(n-m)个混合串联开关管一一对应地接收所述n个子信号，每个混合并联开关管和每个混合串联开关管用于根据栅极接收的子信号控制源极和漏极的通断。
18.可选地，所述控制模块包括n个分压电阻和n个分压比较器，所述n个分压电阻串联在所述电源和地线之间，所述n个分压电阻和所述n个分压比较器一一对应，每个分压比较器的第一输入端均输入预定的参考电压，每个分压比较器的第二输入端分别连接至对应的分压电阻的同一侧。
19.其中，所述n个分压比较器分别输出所述n个子信号。
20.可选地，所述控制模块包括第一分压电阻、第二分压电阻、n个共压比较器，所述第一分压电阻和所述第二分压电阻串联在所述电源和地线之间，每个共压比较器的第一输入端分别输入n个不同的参考电压，每个共压比较器的第二输入端均连接至所述第一分压电阻和所述第二分压电阻之间。
21.其中，所述n个共压比较器分别输出所述n个子信号。
22.可选地，所述控制模块包括电流源、预置开关管和n个信号生成子模块，所述n个信号生成子模块分别输出所述n个子信号，每个信号生成子模块包括第一开关管、第二开关管、压降生成模块、第二预置电阻和电容。
23.其中，所述预置开关管的源极、所述第一开关管的源极和所述第二开关管的源极接电源，所述预置开关管的漏极和栅极通过所述电流源接地线，所述第一开关管的栅极接所述预置开关管的栅极，所述第一开关管的漏极接所述第二开关管的栅极，所述第一开关管的漏极通过所述压降生成模块接地线，所述第二开关管的漏极接所述第二预置电阻的一端和所述电容的一端，所述第二预置电阻的另一端和所述电容的另一端接地线，所述第二开关管的漏极输出所述子信号。
24.可选地，所述压降生成模块包括第三开关管和第四开关管，所述第三开关管的漏极接所述第一开关管的漏极，所述第三开关管和所述第四开关管之间为二极管接法，所述第四开关管的源极接地线。
25.可选地，所述第三开关管和所述第四开关管为mos管或三极管。
26.可选地，所述压降生成模块为电阻或二极管。
27.本公开还提供一种功率管驱动方法，应用于功率管驱动电路，所述功率管驱动电
路包括输入模块、输出模块和变压器，所述输入模块和所述输出模块通过所述变压器连接，所述方法包括：
28.所述输入模块根据所获取的输入信号控制所述变压器的初级端产生交变电流，其中，根据电源电压的大小输出控制信号；根据所述控制信号调节所述输入模块中限流电阻值的大小，以使所述限流电阻值随着所述电源电压的增大而增大；
29.所述输出模块接收所述变压器的次级端的电压信号，并根据所接收到的电压信号控制功率管的开闭。
30.通过上述技术方案，功率管驱动电路的输入模块中的限流电阻值随着电源电压的增大而增大，这样，当电源电压较小时，限流电阻值较小，以确保驱动电流足够大，实现信号的有效发送与接收。随着电源电压的增大，限流电阻也随之增大，使驱动电流减小，从而减小了芯片的功耗。
31.本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
32.附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：
33.图1是相关技术中功率管驱动电路的基本原理示意图；
34.图2是相关技术中功率管驱动电路的输入部分的结构示意图；
35.图3是一示例性实施例的功率管驱动电路的结构示意图；
36.图4是一示例性实施例的功率管驱动电路的输入模块的结构示意图；
37.图5a是一示例性实施例的限流电阻模块的结构示意图；
38.图5b是另一示例性实施例的限流电阻模块的结构示意图；
39.图5c是又一示例性实施例的限流电阻模块的结构示意图；
40.图6a是一示例性实施例的控制模块的结构示意图；
41.图6b是另一示例性实施例的控制模块的结构示意图；
42.图6c是又一示例性实施例的控制模块的结构示意图；
43.图7a-图7c是图6c的控制模块运行时的波形示意图；
44.图8是一示例性实施例提供的功率管驱动方法的流程图。
具体实施方式
45.以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。
46.图1是相关技术中功率管驱动电路的基本原理示意图。在图1的功率管驱动电路100中，存在输入部分101与输出部分102的电源域不同的问题，输入部分101的地vss1与系统地相连，为0v；而输出部分102的地vss2则为浮动地，与功率管igbt的源极s相连，最低为0v，最高可达几百伏甚至一千多伏。输出部分102输出的信号与igbt的栅极g连接，igbt的漏极d可以与电源连接。在输入部分101与输出部分102之间有隔离器103，进行隔离处理。隔离器103可以为变压器。
47.在高集成度的应用中，输入部分101、输出部分102以及用作隔离器103的变压器共
同封装在一起，为了满足小体积的要求，所用到的芯片级变压器通过在硅片上做耦合线圈实现。变压器的电感量非常小，为了实现信号在输入部分101和输出部分102之间的传输，通常是输入部分101给变压器的发送端线圈上传输一个交变的电流信号，通过线圈之间的信号耦合来传递给输出部分102。为确保输出部分102能够正确地接收并识别该信号，提供给变压器的电流需要足够大，如果电流偏小，则变压器上的谐振幅度将减小，则输出部分102可能无法识别该信号。
48.图2是相关技术中功率管驱动电路的输入部分的结构示意图。其中，输入部分101接收输入信号后经过反相器q1后输入与非门q2，频率产生模块产生的信号也输入与非门q2，与非门q2的输出经过缓冲器q3后输入第一开关管q4的栅极，第一开关管q4的漏极通过固定的电阻rg与电源(vdd)连接。第一开关管q4的源极接第二开关管q5的漏极，并接隔离器的一端，第二开关管q5的栅极输入上述的输入信号，第二开关管q5的源极接隔离器的另一端并接地线。上述固定的电阻rg用来进行限流，避免通过第一开关管q4的电流过大，导致芯片损耗过大，甚至引起局部过热烧毁。
49.在图2的方案中，对功率管驱动电路的输入部分101的限流电阻为固定大小，限流电阻值的设定需要考虑全工作电压范围。当电源电压比较低时，限流电阻必须足够小，以确保驱动电流足够大，使信号得以有效地发送与接收。这样的话，当电源电压较高时，相对应的驱动电流会非常大，导致芯片的功耗大大增加。发明人想到，可以控制限流电阻值随着电源电压的增大而增大，以降低芯片的功耗。
50.图3是一示例性实施例的功率管驱动电路的结构示意图。如图3所示，功率管驱动电路可以包括输入模块10、输出模块20和变压器30，输入模块10和输出模块20通过变压器30连接。输入模块10用于根据所获取的输入信号(例如，pwm信号)控制变压器30的初级端产生交变电流。输出模块20用于接收变压器30的次级端的电压信号，并根据所接收到的电压信号控制功率管的开闭。
51.其中，输入模块10可以包括控制模块11和限流电阻模块12。
52.控制模块11用于根据电源电压的大小输出控制信号。
53.限流电阻模块12用于根据控制信号调节输入模块10中限流电阻值的大小，以使限流电阻值随着电源电压的增大而增大。
54.这样，当电源电压较小时，限流电阻值较小，以确保驱动电流足够大，实现信号的有效发送与接收。随着电源电压的增大，限流电阻也随之增大，使驱动电流减小，从而减小了芯片的功耗。
55.图4是一示例性实施例的功率管驱动电路的输入模块的结构示意图。如图4所示，在图2的基础上，将输入模块中的限流电阻由固定的电阻rg替换成控制模块11和限流电阻模块12。控制模块11连接在电源和地线之间，限流电阻模块12连接在电源和第一开关管q4的漏极之间。限流电阻模块12两端r+、r-之间的电阻即为可调的限流电阻，其阻值大小受控制模块11的控制。控制模块11根据电源电压的大小控制限流电阻模块12的电阻值，以使其阻值(限流电阻值)随着电源电压的增大而增大。
56.限流电阻模块12可由串联和/或并联连接的电阻组成，其中，并联连接方式见图5a，串联连接方式见图5b，串联和并联混合的方式见图5c。
57.图5a是一示例性实施例的限流电阻模块12的结构示意图。如图5a所示，限流电阻
模块12可以包括第一预置电阻r0、n个并联电阻r11～r1n和n个并联开关管pm11～pm1n，n个并联电阻和n个并联开关管一一对应，每个并联电阻和对应的并联开关管串联后又与第一预置电阻r0并联，并联后的电阻为输入模块10中的限流电阻。
58.也就是，第一个并联电阻r11和对应的并联开关管pm11串联后又与第一预置电阻r0并联，第二个并联电阻r12和对应的并联开关管pm12串联后又与第一预置电阻r0并联，
……
，第n个并联电阻r1n和对应的并联开关管pm1n串联后又与第一预置电阻r0并联。
59.其中，并联电阻和对应的并联开关管串联是指将并联开关管的漏极和源极作为两端与并联电阻串联，如图5a所示。也就是，并联开关管的源极与第一预置电阻r0的一端连接，并联开关管的漏极通过对应的并联电阻与第一预置电阻r0的另一端连接。
60.该实施例中，控制信号包括n个子信号，n为大于或等于1的整数。n个并联开关管一一对应地接收n个子信号，每个并联开关管用于根据栅极接收的子信号控制源极和漏极的通断。n个并联开关管pm11～pm1n接收的子信号分别为ct1～ctn。
61.在图5a中，第一预置电阻r0直接接入变压器驱动回路，n个并联电阻r11～r1n则分别受n个并联开关管pm11～pm1n的控制。图5a中采用pmos器件作为开关管，当子信号为“0”时，对应的并联电阻连接到回路当中，进而使限流电阻模块12的电阻值减小；当子信号为“1”时，对应的并联电阻断开回路，进而使限流电阻模块12的电阻值增大。
62.图5b是另一示例性实施例的限流电阻模块12的结构示意图。如图5b所示，限流电阻模块12可以包括第一预置电阻r0、n个串联电阻r21～r2n和n个串联开关管pm21～pm2n。n个串联电阻和n个串联开关管一一对应，每个串联电阻和对应的串联开关管并联，第一预置电阻r0和n个串联电阻串联连接，串联后的电阻为输入模块10中的限流电阻。
63.也就是，第一个串联电阻r21和对应的串联开关管pm21并联，第二个串联电阻r22和对应的串联开关管pm22并联，
……
，第n个串联电阻r2n和对应的串联开关管pm2n并联。
64.其中，控制信号包括n个子信号，n个串联开关管一一对应地接收n个子信号，每个串联开关管用于根据栅极接收的子信号控制源极和漏极的通断。
65.在图5b中，第一预置电阻r0直接接入变压器驱动回路，n个串联电阻r21～r2n则分别受n个串联开关管pm21～pm2n的控制。图5b中采用pmos器件作为开关管，当子信号为“1”时，对应的串联电阻连接到回路当中，进而使限流电阻模块12的电阻值增大；当子信号为“0”时，对应的串联电阻断开回路，进而使限流电阻模块12的电阻值减小。
66.控制模块11中，可以通过比较器进行电源电压大小的判定，进而生成子信号ct1～ctn。
67.图5c是又一示例性实施例的限流电阻模块12的结构示意图。如图5c所示，限流电阻模块12可以包括并联部分和串联部分。并联部分可以包括第一预置电阻r0、m个混合并联电阻r31～r3m和m个混合并联开关管pm31～pm3m。m个混合并联电阻和m个混合并联开关管一一对应，每个混合并联电阻和对应的混合并联开关管串联后又与第一预置电阻r0并联。
68.串联部分可以包括(n-m)个混合串联开关管pm3(m+1)～pm3n和串联连接的(n-m)个混合串联电阻r3(m+1)～r3n。(n-m)个混合串联电阻和(n-m)个混合串联开关管一一对应，每个混合串联电阻和对应的混合串联开关管并联。
69.并联部分和串联部分串联后的电阻为输入模块10中的限流电阻。
70.其中，控制信号包括n个子信号，m个混合并联开关管和(n-m)个混合串联开关管一
一对应地接收n个子信号，每个混合并联开关管和每个混合串联开关管用于根据栅极接收的子信号控制源极和漏极的通断。m为小于n的整数。
71.在图5c中，第一预置电阻r0直接接入变压器驱动回路，m个混合并联电阻r31～r3m分别受m个混合并联开关管pm31～pm3m的控制。(n-m)个混合串联电阻r3(m+1)～r3n则分别受(n-m)个混合串联开关管pm3(m+1)～pm3n的控制。
72.图5c中同样采用pmos器件作为开关管，当子信号为“0”时，对应的混合并联电阻或混合串联电阻连接到回路当中，进而使限流电阻模块12的电阻值改变；当子信号为“1”时，对应的混合并联电阻或混合串联电阻断开回路，进而使限流电阻模块12的电阻值改变。
73.图6a是一示例性实施例的控制模块11的结构示意图。如图6a所示，控制模块11以包括n个分压电阻ra1～ran和n个分压比较器p11～p1n。n个分压电阻串联在电源和地线之间，n个分压电阻和n个分压比较器一一对应。每个分压比较器的第一输入端(-)均输入预定的参考电压vref，每个分压比较器的第二输入端(+)分别连接至对应的分压电阻的同一侧。其中，n个分压比较器分别输出n个子信号ct1～ctn。
74.其中，分压电阻具有两侧，一侧靠近电源，一侧靠近地线。每个分压比较器的第二输入端(+)均连接至对应的分压电阻靠近电源的一侧，或者，均连接至对应的分压电阻靠近地线的一侧。
75.图6a中，每个分压比较器的第一输入端(-)接参考电压vref，第二输入端(+)则连接到电源的电阻分压采样端。n个分压电阻串联构成分压电路。以图6a中控制信号ct1的生成过程为例，当电源电压vdd足够高，vref《vf1，则此时生成的子信号ct1为“1”，输出到限流电阻模块12，图5a中子信号ct1对应的并联电阻为断开状态；
76.随着电源电压vdd的下降，当vf1《vref时，生成的子信号ct1为“0”，输出到限流电阻模块12，图5a中子信号ct1对应的并联电阻为接入状态，减小了驱动回路上的等效阻抗，即减小了限流电阻模块12的电阻值，进而增大了相应电源电压下所能提供的变压器驱动电流。
77.子信号ct2～ctn的生成原理与ct1相似，分压比较器p11～p1n的翻转点可以通过调整输入基准或调整电源的分压电阻比例来实现。图6a中，多个比较器对应同一个参考电压和不同的采样输入。
78.图6b是另一示例性实施例的控制模块11的结构示意图。图6b中，多个比较器对应同一个采样输入和不同的参考电压。如图6b所示，控制模块11包括第一分压电阻rb1、第二分压电阻rb2、n个共压比较器p21～p2n。第一分压电阻和第二分压电阻串联在电源和地线之间，构成分压电路。每个共压比较器的第一输入端(-)分别输入n个不同的参考电压vref1～vrefn，每个共压比较器的第二输入端(+)均连接至第一分压电阻和第二分压电阻之间。第一分压电阻和第二分压电阻之间的分压电阻为vf。其中，n个共压比较器分别输出n个子信号ct1～ctn。
79.图6c是又一示例性实施例的控制模块的结构示意图。如图6c所示，控制模块11包括电流源i0、预置开关管pm0和n个信号生成子模块111～11n，n个信号生成子模块分别输出n个子信号ct1～ctn，每个信号生成子模块包括第一开关管pma、第二开关管pmb、压降生成模块、第二预置电阻rc和电容c0。
80.其中，预置开关管pm0的源极、第一开关管pma的源极和第二开关管pmb的源极接电
源，预置开关管pm0的漏极和栅极通过电流源接地线，第一开关管pma的栅极接预置开关管pm0的栅极，第一开关管pma的漏极接第二开关管pmb的栅极，第一开关管pma的漏极通过压降生成模块接地线，第二开关管pmb的漏极接第二预置电阻rc的一端和电容c0的一端，第二预置电阻rc的另一端和电容c0的另一端接地线，第二开关管pmb的漏极输出子信号。
81.图6c中的压降生成模块包括第三开关管nm1和第四开关管nm2。第三开关管nm1的漏极接第一开关管的漏极，第三开关管nm1和第四开关管nm2之间为二极管接法，第四开关管nm2的源极接地线。
82.第三开关管nm1和第四开关管nm2可以为mos管或三极管。图6c中的第三开关管nm1和第四开关管nm2为n型mos管。
83.图7a-图7c是图6c的控制模块11运行时的波形示意图。电流源i0在第三开关管nm1和第四开关管nm2上产生压降，电压为vnet0，当电源电压vdd足够高使i0保持恒定时，vnet0也将固定，随着电源电压vdd的降低，当其接近vnet0时，电流i1将无法保持而降低，相应地，vnet0也将随之降低，并基本跟随电源电压vdd，如图7a所示。
84.电源电压vdd与vnet0的差值v1＝vdd-vnet0，v1的大小将控制第二开关管pmb的导通情况，进而控制第二开关管pmb的输出电流i2的大小，电流i2的大小主要由第二开关管pmb的器件尺寸(电流)与v1的大小决定，并呈正比关系。在第二开关管pmb尺寸给定的前提下，有i2＝k*v1，其中，k为相关电流产生系数，与器件的工作状态相关。i2的最大值则受限于电源电压vdd/r1，r1为第二预置电阻rc的电阻值。
85.即，当k*v1》vdd/r1时，i2＝vdd/r1；当k*v1《＝vdd/r1时，i2＝k*v1。控制模块11的输出信号ct1即为i2在第二预置电阻rc上所产生的压降i2*r1，如图7b和图7c所示。
86.当电源电压足够高，此时输出的ct1信号将接近电源电压vdd，限流电阻模块12中相应的开关管关断，图5a中所对应的并联电阻与驱动回路断开。
87.随着电源电压vdd的逐渐降低，v1将降低，当k*v1≤vdd/r1，电流i2将从vdd/r1开始逐步减小，进一步的，ct1电压也将从电源电压vdd开始下降，并逐步打开限流电阻模块12中相应的开关管，直到其彻底导通，图5a中的电阻将逐步接入驱动回路当中，提高了在当前电源电压下驱动回路的可供电能力。当电源电压vdd降低到第二开关管pmb关断，此时i2＝0，ct1输出将被r1下拉到“0”电位，如图7c所示。
88.限流电阻模块12中电阻的接入控制信号(子信号ct1～ctn)的阈值主要由电流源i0以及第三开关管nm1和第四开关管nm2器件的尺寸共同决定，其中，电流源i0受第一开关管pma的尺寸控制。
89.除了mos管之外，压降生成模块还可以为电阻或二极管。
90.本公开还提供一种应用于功率管驱动电路的功率管驱动方法。功率管驱动电路包括输入模块10、输出模块20和变压器30，输入模块10和输出模块20通过变压器30连接。图8是一示例性实施例提供的功率管驱动方法的流程图。如图8所示，该方法可以包括：
91.步骤s101，输入模块10根据所获取的输入信号控制变压器30的初级端产生交变电流。其中，根据电源电压的大小输出控制信号，并根据控制信号调节输入模块10中限流电阻值的大小，以使限流电阻值随着电源电压的增大而增大。
92.步骤s102，输出模块20接收变压器30的次级端的电压信号，并根据所接收到的电压信号控制功率管的开闭。
93.通过上述技术方案，功率管驱动电路的输入模块中的限流电阻值随着电源电压的增大而增大，这样，当电源电压较小时，限流电阻值较小，以确保驱动电流足够大，实现信号的有效发送与接收。随着电源电压的增大，限流电阻也随之增大，使驱动电流减小，从而减小了芯片的功耗。
94.以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。
95.另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。
96.此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。