功率管驱动电路和功率管驱动方法与流程

1.本公开涉及电子电路领域，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。


技术实现要素：

4.本公开的目的是提供一种可靠、高效的功率管驱动电路和功率管驱动方法。
5.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。
6.其中，输入模块用于获取pwm信号和变压器的初级端的电压，并在获取到的pwm信号有效的情况下，控制变压器的初级端产生交变电流，并根据所述变压器的初级端的电压调整所述变压器的振荡频率；
7.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；
8.所述输入模块和所述输出模块通过所述变压器连接，所述变压器用于将所述输入模块和所述输出模块隔离。
9.可选地，所述输入模块包括：
10.信号生成子模块，用于若所述初级端的电压大于预定的第一电压阈值，则输出断开信号；若所述初级端的电压小于预定的第二电压阈值，则输出导通信号；
11.驱动子模块，与所述信号生成子模块连接，用于若接收到所述断开信号，则控制将所述初级端和电源之间的开关断开；若接收到所述导通信号，则控制将所述初级端和电源之间的开关导通。
12.可选地，所述信号生成子模块包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第一电阻和第二电阻，电源通过所述第一电阻接所述第一开关管的漏极，与所述变压器连接的初级端电压信号输入端通过所述第二电阻接所述第一开关管的源极，所述第一开关管的漏极接所述第三开关管的栅极、所述第三开关管的源极接所述电源，所述第三开关管的漏极接所述第二开关管的漏极，所述第二开关管的栅极接所述第一开关管的源极，所述第二开关
管的源极接地，所述第三开关管的漏极接信号输出端，其中，所述第一开关管和所述第二开关管为n型开关管，所述第三开关管为p型开关管。
13.可选地，所述信号生成子模块还包括第四开关管、第五开关管、第三电阻和第四电阻，电源通过所述第三电阻接所述第五开关管的漏极，所述第五开关管的栅极接所述第一开关管的源极，所述第五开关管的源极接地线，所述第五开关管的漏极接所述第四开关管的栅极、所述第四开关管的源极接所述电源，所述第四开关管的漏极通过所述第四电阻接所述第一开关管的漏极，其中，所述第四开关管为p型开关管，所述第五开关管为n型开关管。
14.可选地，所述第四电阻的电阻值小于所述第一电阻的电阻值。
15.可选地，所述信号生成子模块还包括放大整形子模块，所述放大整形子模块用于将所述第三开关管的漏极输出的信号进行放大和整形后输出。
16.可选地，所述放大整形子模块包括第一反相器和第二反相器，所述第三开关管的漏极依次通过所述第一反相器和所述第二反相器接所述信号输出端。
17.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，所述变压器用于将所述输入模块和所述输出模块隔离，所述方法包括：
18.所述输入模块获取pwm信号和所述变压器的初级端的电压；
19.所述输入模块在获取到的pwm信号有效的情况下，控制变压器的初级端产生交变电流，并根据所述变压器的初级端的电压调整所述变压器的振荡频率；
20.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。
21.可选地，根据所述变压器的初级端的电压调整所述变压器的振荡频率，包括：
22.若所述初级端的电压大于预定的第一电压阈值，则控制将所述初级端和电源之间的开关断开；
23.若所述初级端的电压小于预定的第二电压阈值，则控制将所述初级端和电源之间的开关导通。
24.可选地，若所述初级端的电压大于预定的第一电压阈值，则控制将所述初级端和电源之间的开关断开，包括：若所述初级端的电压大于预定的第一电压阈值，则控制在预定的第一时长内将所述初级端和电源之间的开关断开；
25.若所述初级端的电压小于预定的第二电压阈值，则控制将所述初级端和电源之间的开关导通，包括：若所述初级端的电压小于预定的第二电压阈值，则控制在预定的第二时长内将所述初级端和电源之间的开关导通。
26.通过上述技术方案，根据变压器的初级端的电压调整变压器的振荡频率，并根据变压器的次级端的电压信号控制功率管的开闭。这样能够确保变压器的振荡频率与其本身的参数相匹配，使次级端信号的振荡幅度较大且信号稳定，以满足变压器次级信号接收的需要，从而可靠、高效地驱动功率管的开闭。
27.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
28.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：
29.图1是一示例性实施例提供的功率管驱动电路的基本原理示意图；
30.图2是现有技术中的功率管驱动电路的结构示意图；
31.图3是理想情况下图2的功率管驱动电路中的各个信号的波形示意图；
32.图4是当图2中电感量和频率不匹配时各个信号的波形示意图；
33.图5是一示例性实施例提供的功率管驱动电路的框图；
34.图6是一示例性实施例提供的功率管驱动电路的电路示意图；
35.图7是一示例性实施例提供的信号生成子模块的电路图；
36.图8是另一示例性实施例提供的信号生成子模块的电路图；
37.图9是一示例性实施例提供的功率管驱动电路中的各个节点处的信号的波形示意图；
38.图10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
39.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。
40.图1是一示例性实施例提供的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，存在输入端与输出端的电源域不同的问题，一般输入部分11的地vss1与系统地相连，为0v；而输出部分12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12输出的信号与igbt的栅极g连接，igbt的源极c可以与电源连接。在输入部分11与输出部分12之间有隔离器13，进行隔离处理。
41.图2是现有技术中的功率管驱动电路的结构示意图。如图2所示，采用芯片内部给定的振荡时钟来作为变压器的控制信号，即当输入的pwm信号有效时，固定时钟频率产生模块111以设定的振荡频率来控制初级端tx对电源vcc通路开关k1的通断，进而在初级端tx上产生交变的电流。时钟的振荡频率参考变压器的电感量，一般为几百兆量级，以确保次级端rx所接收到的整形后的电压有效值足够大，使接收模块121可以识别到该振荡信号，以得到对应的最终输出波形。
42.图3是理想情况下图2的功率管驱动电路中的各个信号的波形示意图。在图3中，pwm为输入信号，itx为变压器输入端的电流波形，vtx为变压器输入端的电压波形，vrx为变压器输出端的电压波形，横轴为时间。
43.上述方案中，用于产生变压器交变电流的控制信号频率固定，当电感量与频率匹配比较好的前提下(频率接近电感量l与其并联的电容所形成的自谐振频率)，次级所接收到的整形后电压有效值比较大，有利于次级接收信号的处理。但如果二者匹配不好，则会导致变压器整形电压有效值偏小，有可能会导致次级信号接收不到。图4是当图2中电感量和频率不匹配时各个信号的波形示意图。由于工艺偏差，实际的产品的各项参数与仿真相比会存在一定的偏差及离散，即给定的固定工作频率将无法满足全部芯片的需求，实际芯片的设定频率可能与自谐振频率相差较大，进而无法满足信号收发需要。
44.图5是一示例性实施例提供的功率管驱动电路的框图。如图5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。
45.输入模块10用于获取pwm信号和变压器的初级端的电压，并在获取到的pwm信号有效的情况下，控制变压器的初级端产生交变电流，并根据变压器的初级端的电压调整变压器的振荡频率。
46.输出模块20用于接收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。
47.输入模块10和输出模块20通过变压器30连接，变压器30用于将输入模块10和输出模块20隔离。
48.其中，若pwm信号的标志位指示已产生驱动信号时，pwm信号有效。例如，若pwm信号为高电平“1”时，pwm信号有效。
49.在本公开中，输入模块10获取变压器30的初级端的电压，并根据初级端的电压调整变压器30的振荡频率，这样能够确保变压器30的振荡频率与其本身的参数相匹配，使次级端信号的振荡幅度较大且信号稳定，以满足变压器30次级信号接收的需要，从而可靠、高效地驱动功率管的开闭。
50.图6是一示例性实施例提供的功率管驱动电路的电路示意图。如图6所示，如图6所示，输入模块10可以包括信号生成子模块101和驱动子模块102。
51.信号生成子模块101可以接收pwm信号，并获取变压器30的初级端tx的电压。信号生成子模块101还用于若初级端tx的电压大于预定的第一电压阈值，则输出断开信号；若初级端tx的电压小于预定的第二电压阈值，则输出导通信号。
52.驱动子模块102与信号生成子模块101连接，用于若接收到断开信号，则控制将初级端tx和电源vcc之间的开关k1断开；若接收到导通信号，则控制将初级端tx和电源vcc之间的开关k1导通。
53.举例来说，信号生成子模块101在判定pwm信号有效，并判定初级端tx的电压大于预定的第一电压阈值时，其输出信号df可以为低电平，低电平信号为断开信号；信号生成子模块101在判定pwm信号有效，并判定初级端tx的电压小于预定的第二电压阈值时，其输出信号df可以为高电平，高电平信号为导通信号。
54.驱动子模块102在接收到断开信号时，其输出信号ct可以为低电平信号，以控制将开关k1断开，驱动子模块102在接收到导通信号时，其输出信号ct可以为高电平信号，以控制将开关k1导通。
55.其中，由于初级端tx的电压的上升和下降速度与电感量直接相关，因此根据初级端tx的电压得到的工作频率与电感量相关。初级端tx的电压小于第一电压阈值且大于第二电压阈值时，可以认为振荡频率接近初级端tx的电感量与其并联的电容所形成的自谐振频率，初级端tx的电感量与振荡频率匹配比较好，其上的振荡信号足够大，从而使次级端能够很好地检测到信号。第一电压阈值和第二电压阈值可以预先根据试验或经验得出。
56.该实施例中，通过将初级端tx的电压与预定的阈值进行比较，来控制将初级端tx与电源连接或导通，以使初级端tx的电压限定在一个范围内，进而使初级端tx的电感量与振荡频率匹配得较好，这样，控制方法简单，效果好。
57.图7是一示例性实施例提供的信号生成子模块101的电路图。如图7所示，信号生成
子模块101可以包括第一开关管m1、第二开关管m2、第三开关管m3、第一电阻r1和第二电阻r2，信号生成子模块101还包括初级端电压信号输入端和信号输出端。电源vcc通过第一电阻r1接第一开关管m1的漏极，与变压器(的初级端tx)连接的初级端电压信号输入端通过第二电阻r2接第一开关管m1的源极，第一开关管m1的漏极接第三开关管m3的栅极、第三开关管m3的源极接电源vcc，第三开关管m3的漏极接第二开关管m2的漏极，第二开关管m2的栅极接第一开关管m1的源极，第二开关管m2的源极接地，第三开关管m3的漏极接信号输出端(输出df信号)。其中，第一开关管m1和第二开关管m2为n型开关管，第三开关管m3为p型开关管。
58.并且，信号生成子模块101还可以包括放大整形子模块，放大整形子模块连接在第三开关管m3的漏极和信号输出端之间。放大整形子模块用于将第三开关管m3的漏极输出的信号进行放大和整形后输出。放大整形子模块可以包括用于放大和整形的常用器件。
59.其中，上述的开关管是指具有开关功能的器件，例如，开关管可以包括三极管和场效应管。对应地，n型开关管可以为npn型三极管或n沟道型场效应管，p型开关管可以为pnp型三极管或p沟道型场效应管。
60.在图7中，放大整形子模块可以包括第一反相器inv1和第二反相器inv2，第三开关管m3的漏极依次通过第一反相器inv1和第二反相器inv2接信号输出端(输出df信号)。
61.其中，若初级端tx的电压下降到小于第二电压阈值，则第一开关管m1导通，第一电阻r1上将产生压降，使第三开关管m3导通，此时第二开关管m2由于初级端tx的电压下降而导通变弱直到关断，同时第三开关管m3中的电流增大，于是net0节点的电压抬高，直到第一反相器inv1翻转，于是第二反相器inv2输出的df为高电平1，提供给后续的驱动子模块102，闭合开关k1，使初级端tx的电压逐渐上升。随着初级端tx的电压的上升，若大于第一电压阈值，则第一开关管m1关断，节点net1的电压被第一电阻r1上拉，第三开关管m3逐步关断，同时第二开关管m2导通，节点net0的电压被下拉到0，则第二反相器inv2输出df为低电平0，初级端tx对电源vcc的通路断开，初级端tx的电压逐步下降，如此往复。
62.在图7的实施例中，在初级端tx电压的下降过程中，第一开关管m1能够实现对节点net1电压的下拉。其中，第一电阻r1的电阻值越大，第一开关管m1的电压下拉得越快。因此，可以把第一电阻r1的电阻值设置得较大，使得第一开关管m1的电压能够快速地下拉。
63.第一开关管m1的电压下拉后，第三开关管m3也可以迅速开启。但是，在初级端tx电压的上升过程中，第一开关管m1关断，节点net1的电压将由第一电阻r1进行上拉，第一电阻r1越大，则节点net1的电压上拉得越慢。反之，当第一电阻r1值小到可以确保在初级端tx电压上升过程中，节点net1的电压上拉足够快，则对于初级端tx电压的下降，第一开关管m1的电压下拉速度又会变慢。
64.为了克服上述的缺陷，可以在图7的基础上对信号生成子模块101的电路进行改进。图8是另一示例性实施例提供的信号生成子模块101的电路图。如图8所示，在图7的基础上，信号生成子模块101还可以包括第四开关管m4、第五开关管m5、第三电阻r3和第四电阻r4。电源vcc通过第三电阻r3接第五开关管m5的漏极，第五开关管m5的栅极接第一开关管m1的源极，第五开关管m5的源极接地线，第五开关管m5的漏极接第四开关管m4的栅极、第四开关管m4的源极接电源vcc，第四开关管m4的漏极通过第四电阻r4接第一开关管m1的漏极。其中，第四开关管m4为p型开关管，第五开关管m5为n型开关管。
65.其中，在初级端tx电压下降过程中，第五开关管m5将关断，节点net3的电压被第三
电阻r3上拉，第四开关管m4关断，第四电阻r4不接入电路中，此时，第一开关管m1导通，将节点net1的电压下拉到低电平0。其中，可以将第一电阻r1设置为较大的电阻，第四电阻r4设置为较小的电阻，即第四电阻r4的电阻值小于第一电阻r1的电阻值。这样，第四电阻r4可以经过较大的电流，从而使节点net1的电压能够被快速地下拉到低电平0。
66.当节点net1的电压下拉到低电平0时，第二开关管m2关断，节点net0的电压上拉到高电平1，输出df＝1，提供给后续的驱动子模块102，闭合开关k1，使初级端tx电压逐渐上升；随着初级端tx电压的上升，第五开关管m5将导通，节点net3的电压被下拉，第四开关管m4导通，此时，第四电阻r4与第一电阻r1并联，第一开关管m1关断，节点net1的电压将被第四电阻r4与第一电阻r1迅速上拉到1，第三开关管m3将关断，又第二开关管m2导通，则有net0＝0，得到df＝0。
67.与图7的实施例相比，图8的实施例中信号响应更加迅速，因此更加适用于高速的应用环境。
68.图9是一示例性实施例提供的功率管驱动电路中的各个节点处的信号的波形示意图。如图9所示，初级端tx电压在第一电压阈值和第二电压阈值之间振荡，节点net1、节点net0和信号df的电平跟随初级端tx电压的振荡而出现高低电平的交替。
69.本公开还提供一种应用于上述功率管驱动电路的功率管驱动方法。图10是一示例性实施例提供的功率管驱动方法的流程图。如图10所示，该方法可以包括以下步骤：
70.步骤s101，输入模块获取pwm信号和变压器的初级端的电压。
71.步骤s102，输入模块在获取到的pwm信号有效的情况下，控制变压器的初级端产生交变电流，并根据变压器的初级端的电压调整变压器的振荡频率。
72.步骤s103，输出模块接收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。
73.通过上述技术方案，根据变压器的初级端的电压调整变压器的振荡频率，并根据变压器的次级端的电压信号控制功率管的开闭。这样能够确保变压器的振荡频率与其本身的参数相匹配，使次级端信号的振荡幅度较大且信号稳定，以满足变压器次级信号接收的需要，从而可靠、高效地驱动功率管的开闭。
74.可选地，根据变压器的初级端的电压调整变压器的振荡频率可以包括：
75.若初级端的电压大于预定的第一电压阈值，则控制将初级端和电源之间的开关断开；若初级端的电压小于预定的第二电压阈值，则控制将初级端和电源之间的开关导通。该实施例可以对应图6或图7的实施例。
76.可选地，若初级端的电压大于预定的第一电压阈值，则控制将初级端和电源之间的开关断开，包括：若初级端的电压大于预定的第一电压阈值，则控制在预定的第一时长内将初级端和电源之间的开关断开；
77.若初级端的电压小于预定的第二电压阈值，则控制将初级端和电源之间的开关导通，包括：若初级端的电压小于预定的第二电压阈值，则控制在预定的第二时长内将初级端和电源之间的开关导通。
78.该实施例可以对应图8的实施例，第一时长和第二时长可以为根据试验预先确定的时长。在预定的第一时长内将初级端和电源之间的开关断开，并在预定的第二时长内将初级端和电源之间的开关导通，则可以认为信号响应比较迅速，适用于高速的应用环境。
79.关于上述实施例中的方法，其中各个步骤执行操作的具体方式已经在有关该电路的实施例中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。
80.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。
81.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。
82.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。