CN101640527A

CN101640527A - 利用脉冲调制解调方式实现信号传递的igbt驱动电路

Info

Publication number: CN101640527A
Application number: CN200910041980A
Authority: CN
Inventors: 尹向阳
Original assignee: Mornsun Guangzhou Science and Technology Ltd
Current assignee: Mornsun Guangzhou Science and Technology Ltd
Priority date: 2009-08-19
Filing date: 2009-08-19
Publication date: 2010-02-03

Abstract

本发明公开一种利用脉冲调制解调方式实现信号传递的IGBT驱动电路，依次包括：一脉冲调制电路，将控制信号调制成所需的窄脉冲；一脉冲变压器，将窄脉冲从其初级绕组传递到次级绕组；一脉冲解调电路，将脉冲变压器传递过来的窄脉冲还原为控制信号。基于该调制解调技术的IGBT驱动器，传输延迟时间短，不受控制信号频率与占空比限制，可在高频与低频范围有效工作。

Description

利用脉冲调制解调方式实现信号传递的IGBT驱动电路

技术领域

本发明涉及混合集成型IGBT驱动电路，特别涉及一种利用脉冲调制解调方式实现信号传递的IGBT驱动电路。

背景技术

绝缘栅双极晶体管(IGBT)具有较高的电流容量及电压耐量，其开关频率高、导通饱和压降低、输入阻抗高、驱动简单，其在中、大功率变换系统中得到广泛应用。驱动电路作为控制电路与功率器件之间的桥梁，在充分利用IGBT的性能及提高功率系统可靠性、稳定性方面起着至关重要的作用。IGBT驱动电路的功能是，将来自于控制电路的控制信号经隔离转换为具有足够功率的控制信号，来保证IGBT的可靠开通与关断。

为了能可靠地驱动绝缘栅器件IGBT，目前已有很多成熟电路。当控制信号与功率器件不需要隔离时，驱动电路的设计比较简单，现已有一些优秀的驱动集成电路，如IR2110等。当需要驱动器的输入端与输出端电气隔离时，一般需要采取两种途径，即采用光电耦合器，或是利用脉冲变压器来提供电气隔离。光电耦合器的优点是体积小巧，其主要缺点是：(1)反应较慢，因而具有较大的延迟时间(高速型光耦一般也大于500ns)；(2)光电耦合器的输出级需要隔离的辅助电源供电。用脉冲变压器隔离驱动绝缘栅功率器件有三种方法：无源、有源和自给电源驱动，简述如下：

无源方法就是用变压器次级的输出直接驱动绝缘栅器件，其方法简单，也不需要单独的驱动电源。但由于绝缘栅功率器件的栅源电容Cgs一般较大，使得栅源间的波形Vgs将有明显变形。除非将初级的输入信号改为具有一定功率的大信号才能满足要求，这相应使得脉冲变压器应取较大体积。

有源方法中，变压器只提供隔离的信号，在次级另有整形放大电路来驱动绝缘栅功率器件，当然驱动波形好，但是需要另外提供隔离的辅助电源供给放大器。如果辅助电源处理不当，可能会引进寄生的干扰。

自给电源驱动方法中，宽脉冲调制型自给电源的变压器隔离技术最为经典，即对PWM控制信号进行高频(几个兆赫以上)调制，并将调制信号加在隔离脉冲变压器的初级，在次级通过直接整流得到自给电源，而原PWM调制信号则需经过解调取得。显然，这种方法并不简单，其另一缺点是PWM的解调要增加信号的延时，仅适于传递较低频率的PWM信号。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种利用脉冲调制解调方式实现信号传递的IGBT驱动电路，其传输延迟时间短，不受控制信号频率与占空比限制，可在高频与低频范围有效工作。

为解决以上技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种利用脉冲调制解调方式实现信号传递的IGBT驱动电路，依次包括：

一脉冲调制电路，将控制信号调制成所需的窄脉冲；

一脉冲变压器，将窄脉冲从其初级绕组传递到次级绕组；

一脉冲解调电路，将脉冲变压器传递过来的窄脉冲还原为控制信号。

优选地，所述脉冲解调电路电路设置于所述脉冲变压器的次级，其包括：

一逻辑门电路，连接所述脉冲变压器的次级输出端，用于变换所述脉冲变压器传递过来的窄脉冲；

一保持电路，并接于所述逻辑门电路的输入端与输出端之间，在控制信号跳变前锁定所述逻辑门电路的输出端电平。

所述逻辑门电路包括串接的两个非门。

优选地，所述逻辑门电路包括串接的两个与非门。

优选地，所述逻辑门电路包括一个与门，其中所述与门的一个输入端通过限流电阻后接于电源正端。

优选地，所述逻辑门电路包括两个串接的或非门。

优选地，所述保持电路包括串接的一个二极管和一个限流电阻。

优选地，所述脉冲调制电路设置于所述脉冲变压器的初级，其包括串接的一个限流电阻、两个并接的三极管及一个电容；所述两个三极管工作在饱和区，其中一个为NPN型，另一个为PNP型。

优选地，还包括一功率放大电路，接于所述脉冲解调电路的输出端，用于将还原的控制信号放大，以驱动IGBT。

优选地，还包括一保护电路，输入端连接所述脉冲解调电路，输出端连接所述功率放大电路，在过流或短路时使IGBT关断。

与现有技术相比，本发明提供的利用脉冲调制解调方式实现信号传递的IGBT驱动电路，采用IGBT驱动的窄脉冲边缘调制变压器隔离技术，即将控制信号转化为窄脉冲后再经脉冲变压器进行传递、解调。由于变压器传递的为固定脉宽的窄脉冲，可以采用较小尺寸的变压器，在控制信号的频率较低时也不会饱和。基于该调制解调技术的IGBT驱动器，不仅传输延迟时间短，不受控制信号频率与占空比限制，可在高频与低频范围有效工作，而且其性能可靠、电路简单、成本低廉。

附图说明

图1为本发明利用脉冲调制解调方式实现信号传递的IGBT驱动电路的功能框图；

图2为图1所示IGBT驱动电路第一实施例的电路原理图，其中脉冲解调电路采用两个非门构成反向器；

图3为图2所示IGBT驱动电路中脉冲调制与解调示意图；

图4为图1所示IGBT驱动电路第二实施例的电路原理图，其中采用与非门实现脉冲解调电路；

图5为图1所示IGBT驱动电路第三实施例的电路原理图，其中采用与门实现脉冲解调电路；

图6为图1所示IGBT驱动电路第四实施例的电路原理图，其中采用或非门实现脉冲解调电路。

具体实施方式

本发明的基本构思是，将控制信号转化为窄脉冲，经脉冲变压器传递后再进行解调，还原为控制信号。

下面结合附图和实施例对本发明进一步描述。

请参见图1，本发明利用脉冲调制解调方式实现信号传递的IGBT驱动电路，包括：

脉冲调制电路1，将控制信号调制成所需的窄脉冲；

脉冲变压器T，将窄脉冲从其初级绕组传递到次级绕组；

脉冲解调电路2，将脉冲变压器T传递过来的窄脉冲还原为控制信号；

功率放大电路3，将还原的控制信号放大，以驱动IGBT。

保护电路4，输入端连接脉冲解调电路2，输出端连接功率放大电路3，在IGBT发生过流或短路时启动，保护IGBT即时关断。该保护电路4设有故障监测端口，用以监测故障状态。

参见图2，脉冲调制电路1位于脉冲变压器T的初级一侧，由一个限流电阻R1、两个并接并工作在饱和区的三极管Q1、Q2、一个电容C1依次串接组成，其中，三极管Q1为NPN型，三极管Q2为PNP；三极管Q1、Q2的射极、基极分别连在一起，而两者的集极分别接于电源VD、地。该调制电路1的工作原理是：

当端口VIN、GND输入的控制信号为高电平时，三极管Q1开通，三极管Q2截止，C1开始储能，脉冲变压器T初级电感两端的电压为正，电容的特性为交流导通直流截止；当C1充电饱和后，将回路断开，脉冲变压器初级电感两端的电压为零并保持至输入的脉冲信号变为低电平(0)，输入方波信号的上升沿将因此变为正向的窄脉冲信号。

当输入的控制信号由高电平转为低电平时，三极管Q1截止，Q2开通，电容C1经三极管Q2及脉冲变压器T的初级电感形成回路开始放电，脉冲变压器T初级电感两端的电压为负；当电容C1的电能释放为零后，脉冲变压器T初级电感两端的电压为低电平并保持至下一次输入的脉冲信号变为高电平。这样输入方波信号的下降沿将因此变为负向的窄脉冲信号。

脉冲变压器T的作用为将调制出来的正、负窄脉冲信号从脉冲变压器的初级传递到次级，为功率开关器件IGBT提供必要的初/次级之间的电气隔离。

脉冲解调电路2由非门U1A、U1B、电阻R2、R3、R4、二极管D1等元件组成，其工作原理是：

当输入的控制信号为高电平时，脉冲变压器T初级传递过来正窄脉冲信号；经限流电阻R2，在非门U1A输入端处为高电平，经非门U1A后变为低电平，再经非门U1B后变为高电平；在非门U1B输出端出来的高电平信号使二极管D1导通，流经R4后返回到非门U1A输入端一个高电平信号，将非门U1A的输入端保持为高电平，从而使U1B输出端的信号封锁在高电平处，直至脉冲变压器T初级传递过来一个负的窄脉冲为止；至此，正窄脉冲信号被还原为原来的正方波脉冲信号。

当输入的控制信号为低电平时，脉冲变压器T初级传递过来的负窄脉冲信号经限流电阻R2，在非门U1A输入端处为低电平，经非门U1A后变为高电平，经非门U1B后变为低电平；D1处于反相截止状态，D1与R4组成的回路断开，非门U1B输出端的低电平，在此段时间将一直保持在低电平处，直至脉冲变压器T初级传递过来一个正的窄脉冲为止。

图2所示电路的具体工作过程为：驱动脉冲信号(即控制信号)经C1与三极管Q1、Q2组成的脉冲调制电路1将驱动脉冲信号转化为正、负窄脉冲信号并传递到脉冲变压器T初级；经脉冲变压器T耦合到次级一侧，由反向器U1A、U2B及R4和D1组成的脉冲解调电路，将窄脉冲信号还原为控制信号；再经功率放大电路，将驱动脉冲放大驱动IGBT。而当IGBT发生过流或短路，保护电路4将启动，保护IGBT即时关断。

参见图3，其脉冲调制与解调过程表明，IGBT驱动电路的信号传输延迟时间短，其不受控制信号频率与占空比限制，可在高频与低频范围有效工作。

上述实施例中，脉冲解调电路2的主要功能在于：通过逻辑门电路及变换信号的逻辑关系；同时，将逻辑门电路输出的端得信号通过二极管D1及电阻R4反馈到逻辑门的输入端，以达到保持信号的目的；从而将尖的脉冲信号整形为方波脉冲信号，达到解调的目的。显然，通过不同的逻辑门器件及二极管、电阻等组合后都能达到此目的，只是在逻辑门器件的选择和链接方式的选择上不同，以下举例说明。

参见图4，相对第一实施例的不同点在于，两个串联的非门U1A、U1B换成与非门U1C、U1D。

如图5所示，相对第一实施例的不同点在于，两个串联的非门U1A、U1B换成一个与门U1E，另外该与门U1E的电源输入正VCC处需要串入一个限流电阻R5。

参见图6，相对第一实施例的不同点在于，两个串联的非门U1A、U1B换成或非门U1F、U1G。

以上几种优选实施方式体现了本发明电路集成度高、可靠性高、实用性强等特点，可广泛应用于各类IGBT的驱动及信号传递电路。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1、一种利用脉冲调制解调方式实现信号传递的IGBT驱动电路，其特征在于，依次包括：

一脉冲调制电路，将控制信号调制成所需的窄脉冲；

一脉冲变压器，将窄脉冲从其初级绕组传递到次级绕组；

2、如权利要求1所述的IGBT驱动电路，其特征在于，所述脉冲解调电路电路设置于所述脉冲变压器的次级，其包括：

3、如权利要求2所述的IGBT驱动电路，其特征在于，所述逻辑门电路包括串接的两个非门。

4、如权利要求2所述的IGBT驱动电路，其特征在于，所述逻辑门电路包括串接的两个与非门。

5、如权利要求2所述的IGBT驱动电路，其特征在于，所述逻辑门电路包括一个与门，其中所述与门的一个输入端通过限流电阻后接于电源正端。

6、如权利要求2所述的IGBT驱动电路，其特征在于，所述逻辑门电路包括两个串接的或非门。

7、如权利要求2所述的IGBT驱动电路，其特征在于，所述保持电路包括串接的一个二极管和一个限流电阻。

8、如权利要求1所述的IGBT驱动电路，其特征在于，所述脉冲调制电路设置于所述脉冲变压器的初级，其包括串接的一个限流电阻、两个并接的三极管及一个电容；所述两个三极管工作在饱和区，其中一个为NPN型，另一个为PNP型。

9、如权利要求1-8任一项所述的IGBT驱动电路，其特征在于，还包括一功率放大电路，接于所述脉冲解调电路的输出端，用于将还原的控制信号放大，以驱动IGBT。

10、如权利要求9所述的IGBT驱动电路，其特征在于，还包括一保护电路，输入端连接所述脉冲解调电路，输出端连接所述功率放大电路，在过流或短路时使IGBT关断。