CN1942037A - 高电压高侧晶体管驱动器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高侧晶体管驱动器，包括：发送器模块，用于生成功率输入信号；转换器模块，用于接收所述功率输入信号和生成具有比所述功率输入信号更高电压的输出信号；以及接收器模块，用于接收所述输出信号和所述功率输入信号，并基于所述输出信号和所述功率输入信号来将晶体管在导通和关断状态之间转换。

Description

高电压高侧晶体管驱动器
技术领域
本发明涉及高侧晶体管驱动器(high-side transistor driver)，更具体而言涉及高电压高侧晶体管驱动器。
背景技术
高侧晶体管驱动器被用于驱动连接到正电源并浮置(即不参考地电平)的高侧晶体管。所述晶体管可以是MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)或IGBT(绝缘栅双极型晶体管)。高侧晶体管可能需要来自例如高电压电平变换器这样的电平变换器件的电压转换。例如高侧晶体管这样的浮置晶体管可能很难快速地导通和关断。
现在参考图1，其示出了示例性晶体管驱动器电路10。晶体管驱动器电路10包括高侧晶体管12和低侧晶体管14。高侧晶体管驱动器16连接到高侧晶体管12的栅极18，并选择性地导通和关断高侧晶体管12。低侧晶体管驱动器20连接到低侧晶体管14的栅极22，并选择性地导通和关断低侧晶体管14。高侧晶体管驱动器16和低侧晶体管驱动器20可以集成在晶体管驱动器模块24中。例如，驱动器16和20根据输入信号28和30导通和关断晶体管12和14，以改变到输出节点26的电流和/或电压。
现在参考图2，其更详细地示出了高侧晶体管12和高侧晶体管驱动器16的示例性布置。输入信号28通过高电压电平变换器40和反相器42被输入高侧晶体管驱动器16。例如，高电压电平变换器40可以包括高电压晶体管。虽然仅示出了一个高电压晶体管，但是可能必需额外的高电压晶体管来实现高电压电平变换器40。一般地，可能很难在同一管芯上将多个高电压晶体管和其他低压晶体管(未示出)集成在一起。
此外，对于某些应用(例如荧光灯镇流驱动器)来说，大于600伏的电压应力可以被施加到高电压晶体管上。高侧晶体管驱动器16的电路需要能够浮动在比地电平高出类似电压的电平上。因此，可以使用例如厚氧化层(thick oxide)SOI(绝缘体硅片)工艺之类的特殊半导体工艺。但是，因为高电压晶体管的结电容很大，所以得到的电路一般很慢。例如，一些实现图2所示的高侧晶体管驱动器16的镇流驱动器可能最大以50kHz进行操作。
发明内容
本发明的第一方面提供了一种高侧晶体管驱动器，包括：
发送器模块，用于生成功率输入信号；
转换器模块，用于接收所述功率输入信号和生成具有比所述功率输入信号更高电压的输出信号；以及
接收器模块，用于接收所述输出信号和所述功率输入信号，并基于所述输出信号和所述功率输入信号来将晶体管在导通和关断状态之间转换。
本发明的第二方面提供了一种用于荧光灯的镇流器，其包括根据本发明第一方面的高侧晶体管驱动器，其中所述镇流器基于所述晶体管的状态来向所述荧光灯提供电流和/或电压。
本发明的第三方面提供了一种高侧晶体管驱动器，包括：
输入模块，其包括接收驱动器输入信号并响应于所述驱动器输入信号生成驱动器信号的变压器，其中所述驱动器输入信号包括脉冲；
转换器模块，其包括接收功率输入信号并生成具有高于所述功率输入信号的电压的输出信号的变压器；以及
接收器模块，用于接收所述输出信号和所述驱动器信号，并基于所述输出信号和所述驱动器信号来将晶体管在导通和关断状态之间转换。
附图说明
从详细描述和附图可更全面地理解本发明，在附图中：
图1是根据现有技术的晶体管驱动器电路的示意图；
图2是根据现有技术的包括高电压电平变换器的高侧晶体管驱动器的示意图；
图3是根据本发明的高侧晶体管驱动器的功能框图；
图4A是根据本发明的包括嵌入信号传导的高侧晶体管驱动器的功能框图；
图4B是根据本发明的包括H桥驱动器的转换器模块的电路图；
图4C是根据本发明的包括中央抽头推挽驱动器的转换器模块的电路图；
图5示出了根据本发明的包括嵌入信号传导的功率输入信号；
图6是根据本发明的包括反向信号传导的高侧晶体管驱动器的功能框图；
图7是根据本发明的包括高侧晶体管驱动器的荧光灯镇流器的功能框图；
图8A是根据本发明的镇流器逻辑模块的功能框图；以及
图8B是根据本发明的镇流器逻辑模块的第二实现方式的功能框图。
具体实施方式
下面的描述在本质上仅是示例性的，而绝非意图限制本公开及其应用或使用。为了清楚起见，附图中相同的标号将标识相同的元件。这里使用的术语模块、电路和/或器件是指执行一个或多个软件或固件程序的专用集成电路(ASIC)、电子电路、处理器(共享的、专用的或群组的)和存储器、组合逻辑电路，和/或提供所描述的功能的其他合适组件。这里使用的短语“A、B和C中的至少一个”应被理解为意味着使用不排他逻辑或的逻辑(A或B或C)。应当理解，在不改变本公开的原理的情况下，可以以不同的顺序执行方法中的步骤。
本发明的高侧晶体管驱动器包括变压器，并且去掉了图2所示的高电压电平变换器中使用的一个或多个高电压晶体管。变压器实现高频功率递送，并且在某些实现方式中，还实现嵌入信号传导。
现在参考图3，高侧晶体管电路50包括转换器模块52、输入信号模块54、接收器模块56，以及高侧晶体管58。输入信号模块54接收功率输入节点60和62处的功率输入信号。例如，功率输入信号可以是被示为64的方波信号，但是也可使用其他输入信号。转换器模块52可以包括变压器66和整流器68。转换器模块52将功率输入信号转换为被输出到接收器模块56的DC输出信号70。转换器模块52实现了将功率从低侧(即功率输入信号64)递送到高侧(即DC输出信号70)的高频推挽DC/DC转换器。例如，变压器66可以足够小，以降低制造成本和空间需求。因此，变压器66可能需要较高频率的操作。变压器66将DC输出信号70与功率输入信号64隔离开。
输入信号模块54包括变压器72，并在输入节点76和78处接收驱动器输入信号74。驱动器输入信号74可包括输入脉冲(示为80)或试图避免变压器72的核心饱和的其他输入信号。输入信号模块54将驱动器信号82输出到接收器模块56。接收器模块56接收和处理驱动器信号82，并将输入脉冲80转换为适于驱动高侧晶体管58的高或低信号。转换器模块52提供驱动高侧晶体管58所需的能量，输入信号模块54确定高侧晶体管58的导通或关断状态。高侧晶体管58从高电压节点84接收例如600伏的高电压。当高侧晶体管58导通时，输出节点62通过高侧晶体管58从高电压节点84接收高电压。
现在参考图4A，其示出了包括嵌入信号传导的高侧晶体管电路100。高侧晶体管电路100包括转换器模块102和发送器模块104。转换器模块102包括变压器106和整流器108。转换器模块102将功率输入信号110转换为DC输出信号112。例如图样辨别接收器模块114这样的解码器件接收DC输出信号112。图样辨别接收器模块114使用来自DC输出信号112的能量来驱动高侧晶体管58。
现在参考图4B和4C，转换器模块102可包括替换的电路布置。例如，转换器模块102可实现图4B所示的H桥驱动器布置。转换器模块102可实现图4C所示的中央抽头推挽驱动器。
现在参考图4A和图5，发送器模块104输出功率输入信号110。功率输入信号110可以是被示为120的方波信号。功率输入信号110还包括用于确定高侧晶体管58的导通或关断状态的嵌入信号122。例如，嵌入信号122可以是干扰功率输入信号110的正常图样的扰动图样(即具有较长周期/较低频率的高和/或低脉冲)。
图样辨别接收器模块114接收嵌入信号122(经由功率输入信号110)，并相应地控制高侧晶体管58的导通或关断状态。图样辨别接收器模块114包括检测功率输入信号110的图样改变的电路。例如，嵌入信号122可以触发图样辨别接收器模块114，以便使高侧晶体管58从关断变为导通或从导通变为关断。
嵌入信号122可以是开始为低然后变高的方波，如124所示。或者，嵌入信号122可以是开始为高然后变低的方波，如126所示。在任一情形下，嵌入信号122都没有DC值，以避免使变压器106饱和。换言之，只要各个脉冲具有相等的幅度并且嵌入信号122不使变压器106饱和，嵌入信号122就不会给转换器模块102造成不良影响。当嵌入信号122的周期低于阈值(例如小于转换器模块102的时钟周期的3到4倍)时，变压器106的核心将不会饱和。
虽然图4和图5所示的嵌入信号122仅示出了两种信号扰动图样，但是其他信号扰动图样也是可能的。例如，发送器模块104可能会将加电定序信号嵌入功率输入信号110中。在一种实现中，加电定序信号可以引导图样辨别接收器模块114和/或高侧的其他组件开始正常操作。在另一实现中，发送器模块104可以将断电信号嵌入功率输入信号110中，其引导高侧晶体管58断电。
现在参考图6，高侧晶体管电路100可实现反向信号传导(即双向通信)，并包括将转换器模块102和/或发送器模块104置于三态。例如，高侧晶体管电路100可包括位于传输模块132的电路的低侧的接收器模块130。接收器模块130与传输模块132和发送器模块104通信。传输模块132与图样辨别接收器模块通信。
图样辨别接收器模块114可包括用于检测高侧晶体管电路100的高侧的各个状态的电路(未示出)。例如，图样辨别接收器模块114可检测的状态包括但不限于短路和超温(over temperature)状况。此外，图样辨别接收器模块可以自动检测变压器106的绕组的极性。或者，可在极性检测搜索期间通过探测高侧电流的改变来检测绕组的极性。
转换器模块102可被临时禁用(例如被置于三态)，以允许双向通信(即允许传输模块132发送数据)。相反，传输模块132在正常操作期间处于三态。传输模块132向接收器模块130传递指示了检测到的状况的状态信息。传输模块132使用存储在电容器134中的能量来操作和传递状态信息。在另一实现方式中，接收器模块130可以与发送器模块104集成，和/或传输模块132可以与图样辨别接收器模块114集成。
发送器模块104可生成时间分配信号，以便通知传输模块132。例如，发送器模块104确定传输模块132进行发送的时间分配时隙。传输模块132接收时间分配信号，并在时间分配时隙(例如时间分配信号之后3毫秒的时隙)中发送通信信息。
现在参考图7，用于荧光灯的镇流器200可实现本发明。镇流器200包括变压器106、全波或半波整流器108、电解电容器202、镇流器逻辑模块204，以及图样辨别接收器模块114。例如，电解电容器202可被用来对电压进行滤波或平滑。镇流器逻辑模块204包括发送器模块104。整流器108和图样辨别接收器模块114可由集成电路(IC)206实现。例如，图样辨别接收器模块114可以共享整流器108的输入引脚。
发送器模块104生成用于驱动图4和图6所示的高侧晶体管58的输入功率信号110。镇流器逻辑模块204生成用于驱动低侧晶体管210的低侧晶体管输入信号208。在启动和/或操作期间，镇流器逻辑模块204切换晶体管58和210的导通和关断，以便改变到荧光灯212的电流和/或电压。
荧光灯212包括密闭的玻璃管214，其包含例如水银这样的第一材料和例如氩这样的第一惰性气体，它们被总地示为216。管214被加压。磷粉218可以沿管214的内表面涂敷。管214包括位于管214两端的电极220A和220B(总地称作电极220)。根据晶体管58和210的导通和关断状态，功率被施加到电极220。
当功率被施加到电极220时，电子通过气体216从管214的一端迁移到另一端。来自流动电子的能量将一些水银从液体变为气体。当电子和带电原子运动通过管214时，一些将与气态水银原子碰撞。碰撞激励了这些原子，并导致电子运动到较高状态。当电子返回较低能级时，它们释放光子或光。水银原子中的电子释放紫外波长范围内的光子。磷涂层218吸收紫外光子，导致磷涂层218中的电子跃迁到较高能级。当电子返回较低能级时，它们释放波长与白光相对应的光子。
在启动期间，通过两个电极220输出电流。电流流动产生了两个电极220之间的电荷差。当荧光灯212开启时，两个电极的灯丝都被迅速加热。电子被发射，从而电离管214中的气体216。一旦气体被电离，电极220之间的电压差就会建立电弧。流动的带电粒子激励水银原子，从而触发发光过程。当更多的电子和离子流过特定区域时，它们撞击更多的原子，从而释放电子并创建更多的带电粒子。电阻降低，电流升高。镇流器逻辑模块204在启动期间和之后都对功率进行调节。2005年4月22日提交的美国专利申请11/112,808中更详细地描述了可以实现镇流器逻辑模块204的示例性荧光灯和镇流器，该申请的全部内容通过引用结合于此。
镇流器200可包括延迟匹配模块222。例如，晶体管58的操作可能在输入功率信号110的处理期间被延迟。例如，在发送器模块104的输出和晶体管58的响应之间可能存在延迟。延迟匹配模块222将该延迟添加到晶体管210。换言之，延迟匹配模块222偏移低侧晶体管210的响应，以补偿延迟。镇流器200可包括用于动态调节延迟的校准电路。例如，镇流器逻辑模块204、发送器模块104或镇流器200的其他组件可确定延迟，并相应地调节延迟匹配模块222。
现在参考图8A，其更详细地示出了根据本发明的示例性镇流器逻辑模块204。镇流器逻辑模块204包括高频振荡器300和数字状态机302。例如，发送器模块104包括高频振荡器300和数字状态机302。数字状态机302生成功率输入信号110。换言之，数字状态机302以根据高频振荡器300的输出频率输出功率输入信号110。镇流器逻辑模块通过改变数字状态机302的计数器值来改变输出频率。为了提高输出频率分辨率，镇流器逻辑模块204还可包括数字内插器304。以此方式，镇流器逻辑模块204可在数字域中实现更复杂的频率扫描算法。此外，镇流器逻辑模块204可通过在最终平均目标振荡器频率附近抖动数字状态机302的计数器值来实现扩频技术。图8B示出了镇流器逻辑模块204的另一实现方式。
如图8A和图8B所示，镇流器逻辑模块204在数字域中操作，以生成功率输入信号110中的扰动图样。在数字域中，镇流器逻辑模块204可以先于某些事件生成扰动图样。例如，镇流器逻辑模块204可较早地生成方波扰动信号，以避免在正常脉冲和较低频率(即扰动)脉冲的边界处生成极窄脉冲。镇流器逻辑模块204能够准确地调节较低频率的脉冲，从而脉冲边沿被精确定位。换言之，在扰动脉冲之后可立即恢复正常脉冲。此外，转换器模块102的时钟信号可从数字状态机302导出。以此方式，镇流器逻辑模块204可将转换器模块102的脉冲与扰动脉冲同步。
镇流器逻辑模块204可包括一个或多个状态模块310。例如，状态模块310可实现基于灯点亮重试来检测灯寿命终点的算法。以此方式，镇流器逻辑模块204可避免过热造成的损坏。此外，状态模块310可通过扫描启动电压来实现过电压灯检测。
现在本领域的技术人员可以从上面的描述中理解，本公开的广泛教导可以多种形式实现。因此，虽然本公开包括特定示例，但是本公开的真实范围不应仅限于此，因为在本领域的技术人员学习附图、说明书和所附权利要求之后将很清楚其他修改。
本申请要求享受2005年9月27日提交的美国临时申请No.60/720,866的优先权。该申请的全部内容通过引用而被包含于此。

Claims (18)

1.一种高侧晶体管驱动器，包括：
发送器模块，用于生成功率输入信号；
转换器模块，用于接收所述功率输入信号和生成具有比所述功率输入信号更高电压的输出信号；以及
接收器模块，用于接收所述输出信号和所述功率输入信号，并基于所述输出信号和所述功率输入信号来将晶体管在导通和关断状态之间转换。
2.如权利要求1所述的高侧晶体管驱动器，其中所述转换器模块包括接收所述功率输入信号的变压器。
3.如权利要求2所述的高侧晶体管驱动器，其中所述转换器模块包括与所述变压器通信并生成所述输出信号的整流器。
4.如权利要求1所述的高侧晶体管驱动器，其中所述功率输入信号包括指示了所述晶体管的所需状态的嵌入信号。
5.如权利要求4所述的高侧晶体管驱动器，其中所述接收器模块检测所述嵌入信号并基于所述嵌入信号来转换所述晶体管。
6.如权利要求4所述的高侧晶体管驱动器，其中所述功率输入信号具有第一频率和低于所述第一频率的第二频率，其中所述第二频率指示所述嵌入信号。
7.如权利要求1所述的高侧晶体管驱动器，还包括第二接收器模块，其中所述接收器模块位于所述高侧晶体管驱动器的高电压侧，所述第二接收器模块位于所述高侧晶体管驱动器的低电压侧。
8.如权利要求7所述的高侧晶体管驱动器，其中所述接收器模块生成状态信号，所述第二接收器模块接收所述状态信号。
9.如权利要求8所述的高侧晶体管驱动器，其中所述状态信号指示了短路状况、超温状况和与所述转换器模块通信的变压器的极性中的至少一个。
10.如权利要求1所述的高侧晶体管驱动器，还包括：
振荡器，用于生成振荡信号；以及
数字状态机，用于响应于所述振荡信号生成所述功率输入信号。
11.如权利要求10所述的高侧晶体管驱动器，还包括数字内插器。
12.一种用于荧光灯的镇流器，包括如权利要求1所述的高侧晶体管驱动器，其中所述镇流器基于所述晶体管的状态来向所述荧光灯提供电流和/或电压。
13.如权利要求12所述的镇流器，还包括包含所述发送器模块的镇流器逻辑模块。
14.如权利要求4所述的高侧晶体管驱动器，其中所述转换器模块实现DC/DC转换器，所述发送器模块将所述DC/DC转换器与所述嵌入信号同步。
15.如权利要求1所述的高侧晶体管驱动器，其中所述功率输入信号包括相位编码和功率传递分量。
16.如权利要求1所述的高侧晶体管驱动器，还包括延迟匹配模块，所述延迟匹配模块将延迟添加到低侧晶体管，其中所述延迟对应于所述高侧晶体管驱动器的延迟。
17.如权利要求8所述的高侧晶体管驱动器，其中所述发送器模块生成指示所述第二接收器模块何时可操作来接收所述状态信号的时间分配信号。
18.一种高侧晶体管驱动器，包括：
输入模块，其包括接收驱动器输入信号并响应于所述驱动器输入信号生成驱动器信号的变压器，其中所述驱动器输入信号包括脉冲；
转换器模块，其包括接收功率输入信号并生成具有高于所述功率输入信号的电压的输出信号的变压器；以及
接收器模块，用于接收所述输出信号和所述驱动器信号，并基于所述输出信号和所述驱动器信号来将晶体管在导通和关断状态之间转换。
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