[發明專利]一種隔離電壓倍增的片上變壓器

在審

• 申請號: 202110041435.0
• 申請日: 2021-01-13
• 公開（公告）號: CN112885585A
• 公開（公告）日: 2021-06-01
• 發明（設計）人: 方健;黎明;馬紅躍
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H01F27/40
• 分類號: H01F27/40;H01F30/08;H01F38/16;H01L25/00
• 代理公司: 成都點睛專利代理事務所(普通合伙) 51232
• 代理人: 葛啟函

一種隔離電壓倍增的片上變壓器，單通道和雙通道的高側通道變壓器架構包括電荷泵模塊、自舉模塊和N級變壓器模塊，單個通道包括N+1個管芯，第1個管芯內設置第1級變壓器模塊信號調制單元，供電電壓為低壓電源，參考地為地電壓；第i個管芯內設置第i級變壓器模塊信號調制單元和第i?1級變壓器模塊信號解調單元，參考地為第i電源，供電電壓是電荷泵模塊將第i電源抬升一個低壓電源后的信號；第N+1個管芯內設置第N級變壓器模塊信號解調單元，參考地為浮動地，供電電壓是自舉模塊將浮動地抬升一個低壓電源后的信號；雙通道的低側通道變壓器架構包括N級變壓器模塊分布在N+1個管芯內，低側通道的管芯供電電壓都為低壓電源，參考地都為地電壓。

技術領域

本發明屬于數字隔離變壓器技術領域，涉及一種能有效提高隔離電壓的片上無芯變壓器，包括單通道的片上變壓器架構和雙通道的片上變壓器架構。

背景技術

傳統的柵驅動電路使用電平位移電路，利用LDMOS、VDMOS固有的結進行隔離。IGBT作為需要驅動的功率管不能集成到芯片上，雖然IGBT的耐壓可達5kV以上，但現有電平位移架構的隔離電壓遠不足以達到IGBT的耐壓(目前國內外常用的LDMOS的隔離電壓大部分為600V-1200V)。

如圖1所示為傳統的片上磁隔離變壓器結構示意圖，變壓器的電壓隔離能力取決于初級線圈、次級線圈之間的絕緣層材料以及絕緣層材料的厚度，變壓器的隔離電壓小于絕緣層擊穿電壓。如圖2所示是常規架構的片上變壓器，單個通道內的一個變壓器模塊設置在兩個管芯內，對于特定的工藝，絕緣層材料以及絕緣層厚度是確定的，所以片上變壓器的電壓隔離能力也是確定的。

基于上述分析，亟需提出一種具有高隔離電壓能力的電壓隔離架構；另一方面電平位移電路由于高壓管寄生電容很大，導致信號速度有限，無法實現高速轉換，因此也需要提出一種能夠進行高速轉換的電壓隔離架構。

發明內容

針對上述片上變壓器的絕緣層擊穿電壓限制其電壓隔離能力的問題，本發明提出一種級聯結構的片上變壓器架構，能夠實現隔離電壓倍增，大幅度了提高電壓隔離能力；另外本發明的片上變壓器架構能夠大幅降低傳輸延時，實現高速轉換。

針對上述問題本發明提出了單通道和雙通道的片上變壓器架構，其中單通道的技術方案為：

一種單通道隔離電壓倍增的片上變壓器，包括電荷泵模塊、自舉模塊和N個級聯的變壓器模塊，其中N為大于1的正整數；每個所述變壓器模塊包括初級線圈和次級線圈、以及與初級線圈連接的信號調制單元和與次級線圈連接的信號解調單元；

所述片上變壓器包括N+1個管芯，第1個管芯內設置第1級所述變壓器模塊的信號調制單元，第i個管芯內設置第i級所述變壓器模塊的信號調制單元和第i-1級所述變壓器模塊的信號解調單元，i∈[2，N]，第N+1個管芯內設置第N級所述變壓器模塊的信號解調單元；

所述第1個管芯的供電電壓為低壓電源，參考地為地電壓；

所述第i個管芯的參考地為第i電源，所述第i電源的電壓值小于等于第i級所述變壓器模塊的電壓隔離能力；所述電荷泵模塊將所述第i電源抬升一個所述低壓電源的電壓值后作為所述第i個管芯的供電電壓；

令所述片上變壓器需要隔離的總電壓為第一電源，所述N個變壓器模塊的電壓隔離能力之和大于等于所述第一電源的電壓值；所述第N+1個管芯的參考地為浮動地，所述浮動地的區間為地電壓至所述第一電源，所述自舉模塊將所述浮動地抬升一個所述低壓電源的電壓值后作為所述第N+1個管芯的供電電壓。

具體的，N為2或3。

雙通道的片上變壓器技術方案為：

一種雙通道隔離電壓倍增的片上變壓器，