CN101714862A - 一种边沿信号隔离驱动器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种边沿信号隔离驱动器，所述驱动器包括：信号变换单元，用于将驱动输入信号转换为两路互补的信号；隔离传输单元，与所述信号变换单元连接，用于将所述两路互补的信号分别进行隔离传输；信号还原单元，与所述隔离传输单元连接，用于将所述隔离传输单元传输过来的两路信号还原为驱动输入信号；互补电平变换功率放大单元，与所述信号还原单元连接，用于对所述信号还原单元还原得到的驱动输入信号进行功率放大。本发明使得MOSFET及IGBT驱动性能得到大幅度提高，驱动延时短，典型开启延时≤150ns，关闭延时≤120ns；具有可以长期工作，至少达20A的瞬态驱动能力；上升下降沿高；无占空比限制；静态耗电低。

Description

一种边沿信号隔离驱动器
技术领域
本发明涉及晶体管技术领域，特别是涉及一种边沿信号隔离驱动器。
背景技术
随着半导体技术的迅速发展，MOSEFT(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，功率场效应晶体管)和IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)得到广泛的应用。MOSEFT的三个极分别是源极、漏极和栅极，IGBT的三个极分别是集电极、发射极和栅极。
大功率MOSFET及IGBT的控制栅极等效为一个电容。在大功率MOSFET及IGBT开关应用中，随着开关频率的提高，希望快速瞬态开通门极。使隔离驱动信号传输获得高瞬态功率，低的传输延时，低的功率损耗及低成本是一个需要权衡的问题。
现有技术的一种IGBT驱动器如图1所示，该驱动器能够达到驱动延时300-400ns，瞬态驱动功率最大20A(不能长期工作)，上升率最快300ns(0.047uf容性与2Ω串联)左右。其中，其脉冲功率驱动电路的结构如图2所示。
现有脉冲功率驱动电路的结构简图，由于是单电平驱动，使正负脉冲驱动能力具有明显区别，其中输出信号某一边沿上升速率不高，具有较大延时。而且由于采用双极三级管作为主推动，电流能力受到很大限制。因此，现有的驱动器具有以下缺陷：1、驱动延时过长。一方面对瞬态反映不利，延时对控制系统会产生附加相移。另一方面由于关闭延时过长，有可能产生过流现象。由于反映速度慢，使保护功能收到限制。2、驱动功率不够，虽然瞬态功率能够达到20A，但实际工作频率不高，一般不超过20K。且损耗很大，限制了高频应用。随功率器件性能越来越好，大功率变换逐渐向更高频率扩展。而现有驱动器在＞20KHz时，带载能力急剧下降。
发明内容
本发明要解决的问题是提供一种边沿信号隔离驱动器，以克服现有技术中驱动延时过长、驱动功率不够的缺陷。
为达到上述目的，本发明的技术方案提供一种边沿信号隔离驱动器，所述驱动器包括：信号变换单元，用于将驱动输入信号转换为两路互补的信号(或边沿微分信号)；隔离传输单元，与所述信号变换单元连接，用于将所述两路互补的信号(或边沿微分信号)分别进行隔离传输；信号还原单元，与所述隔离传输单元连接，用于将所述隔离传输单元传输过来的两路信号还原为驱动输入信号；互补电平变换功率放大单元，与所述信号还原单元连接，用于对所述信号还原单元还原得到的驱动输入信号进行功率放大。
优选地，所述信号变换单元包括缓冲器，所述驱动输入信号经过缓冲器后形成所述驱动输入信号的两路微分信号。
优选地，所述隔离传输单元包括两路光电耦合器，所述两路光电耦合器的输入端分别接收所述信号变换单元转换的两路微分信号，输出端连接所述信号还原单元。
优选地，所述隔离传输单元包括两路变压器，所述两路变压器的输入端分别接收所述信号变换单元转换的两路微分信号，输出端连接所述信号还原单元。
优选地，所述信号还原单元包括由寄存器构成，其输入端分别接收所述隔离传输单元传输过来的两路信号，两个输出端连接所述互补电平变换功率放大单元。
优选地，所述互补电平变换功率放大单元包括由一个N沟道场效应管和一个P沟道场效应管构成的互补对称功率放大电路，所述N沟道场效应管和P沟道场效应管的栅极分别接收所述寄存器的两个输出端的互补驱动信号，输出端连接待驱动器件。
优选地，所述所述N沟道场效应管和P沟道场效应管由共极三极管推动。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有如下优点：
本发明使得MOSFET及IGBT驱动性能得到大幅度提高，驱动延时短，典型开启延时≤150ns，关闭延时≤120ns；具有可以长期工作，至少达20A的瞬态驱动能力；上升下降沿高；无占空比限制；静态耗电低。
附图说明
图1为现有技术的一种IGBT驱动器的结构示意图；
图2为现有技术的一种脉冲功率驱动电路的结构示意图；
图3为本发明的一种边沿信号隔离驱动器的结构示意图；
图4为本发明实施例的信号变换单元的结构示意图；
图5为本发明实施例的隔离传输单元的结构示意图，列出了两种隔离传输形式；
图6为本发明实施例的信号还原单元的结构示意图，列出了由RS触发器构成的寄存器；
图7为本发明实施例的互补电平变换功率放大单元的结构示意图；
图8为采用本发明边沿信号隔离驱动器的驱动波形图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明的一种边沿信号隔离驱动器的结构如图3所示，包括信号变换单元、隔离传输单元、信号还原单元和互补电平变换功率放大单元。使用该驱动器首先得到两路互补的信号，将此互补信号边沿进行隔离传输(传输上升沿和下降沿)，在接收端进行信号还原，最后用互补电平变换功率放大器变为具有正负输出的驱动信号。
信号变换单元用于将驱动输入信号转换为两路互补的信号；隔离传输单元与所述信号变换单元连接，用于将所述两路互补的信号分别进行隔离传输；信号还原单元与所述隔离传输单元连接，用于将所述隔离传输单元传输过来的两路信号还原为驱动输入信号；互补电平变换功率放大单元与所述信号还原单元连接，用于对所述信号还原单元还原得到的驱动输入信号进行功率放大。
本发明的信号变换单元的结构如图4所示，包括缓冲器，所述驱动输入信号经过缓冲器后形成与所述驱动输入信号互补的信号。驱动输入信号与经过缓冲器后形成的信号分别为UP驱动信号、DWN驱动信号，其传输的是微分信号。
本发明实施例的隔离传输单元的结构如图5所示，所述隔离传输单元可以采用光耦或磁耦合方式。当采用光耦方式时，隔离传输单元包括两路光电耦合器，所述两路光电耦合器的输入端分别接收所述信号变换单元转换的两路互补的信号，输出端连接所述信号还原单元；当采用磁耦合方式时，所述隔离传输单元包括两路变压器，所述两路变压器的输入端分别接收所述信号变换单元转换的两路互补的信号，输出端连接所述信号还原单元。现有隔离信号传输采用的光耦与磁耦合是直接传输，具有明显缺陷：(1)光耦：普遍传输速度不快，超高速光耦速度与本发明相当(50M传输速度)，但成本高，不利推广。高速意味着高的电流驱动，使耗电增加，寿命降低。(2)磁耦合：传输速度可以很快，选择不同磁芯，可以得到很高的传输速度。但为避免磁饱和现象产生，需要满足伏秒积分。它只能传输交流信号，不能传输直流信号。在频率较低时使磁芯增大，漏感增大，传输速度受影响。本实施例具有如下优点：(1)将电平信号传输变为瞬变信号传输。在隔离驱动时，可以使用较大电流传输，提高抗干扰能力。而平均功率却不大。(2)对光耦来讲，瞬态功率的提高意味着传输速度可以更快，平均功率的降低意味着光耦寿命的提高。(3)对磁耦合来讲，不必为选择何种磁芯而烦恼。只选择可以传输传输瞬态信号的高频磁芯，体积可以非常小，匝数也很少，漏感可以降到最低。体积与结构的改变意味着，可以以极低的成本，获得只有超高速光耦光耦才能达到的高速度(甚至超过)。
发明实施例的信号还原单元的结构如图6所示，所述信号还原单元包括由两个或非门构成的RS触发器，其输入端(RD、SD端)分别接收所述隔离传输单元传输过来的两路信号，两个输出端(Q、Q端)连接所述互补电平变换功率放大单元。所述信号还原单元采用RS寄存器采样微分信号，并还原。
本发明实施例的互补电平变换功率放大单元的结构如图7所示，包括由一个N沟道场效应管和一个P沟道场效应管构成的互补对称功率放大电路，所述N沟道场效应管和P沟道场效应管的栅极分别接收所述RS触发器两个输出端的信号，输出端连接待驱动器件；所述所述N沟道场效应管和P沟道场效应管由共极三极管推动。本实施例中，利用RS触发器产生的互补信号，构成互补电平功率放大器。与MOSFET驱动配合，得到最小的延时与驱动信号。使用互补输入结构，共极三极管推动，共漏结构的脉冲驱动结构可以使驱动能力与驱动速度得到本质提高。本发明引入了互补输入结构，使得在开、关过程都获得很高推动能力，可以通过优化输入延时，使共极三极管推动、共漏输出的共态导通时间降至最低。共漏输出结构最适合瞬态大电流情况，是电容性负载的最佳驱动结构。
采用本发明边沿信号隔离驱动器的驱动波形如图8所示，参照图8，可知本发明的边沿信号隔离驱动器具有以下驱动性能：(1)驱动延时极快：典型开启延时≤150ns，关闭延时≤120ns。甚至优于非隔离专用芯片。(2)具有最高可达20A的瞬态驱动能力。(3)上升下降沿50ns(负载0.1μ电容与3.3Ω串联，输出端测量)。(4)工作占空比0-100％。
本发明的边沿信号隔离驱动器从瞬态驱动能力，反应速度，体积，成本上，都优于现有的驱动器：(1)边沿信号传输可以成为超高速光耦的低成本替代产品。隔离延时小于50ns。(2)将高速信号分为2路信号，降低传输速率。由于信号上下沿延时特性一致，即便较慢的dv/dt也不影响对信号的还原。这就使低速器件传输高速信号成为可能。比如将高速信号分为2路，4路，甚至8路进行传输，从而降低传输速率。图9，信号四路传输。(3)互补电平功率放大器，通过引入互补信号，大幅提高了反应速度，驱动能力。
所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，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 (7)

1.一种边沿信号隔离驱动器，其特征在于，所述驱动器包括：
信号变换单元，用于将驱动输入信号转换为两路互补的信号；
隔离传输单元，与所述信号变换单元连接，用于将所述两路互补的信号分别进行隔离传输；
信号还原单元，与所述隔离传输单元连接，用于将所述隔离传输单元传输过来的两路信号还原为驱动输入信号；
互补电平变换功率放大单元，与所述信号还原单元连接，用于对所述信号还原单元还原得到的驱动输入信号进行功率放大。
2.如权利要求1所述的边沿信号隔离驱动器，其特征在于，所述信号变换单元包括缓冲器，所述驱动输入信号经过缓冲器形成与所述驱动输入信号互补的信号，或上下边沿的微分信号。
3.如权利要求1所述的边沿信号隔离驱动器，其特征在于，所述隔离传输单元包括两路光电耦合器，所述两路光电耦合器的输入端分别接收所述信号变换单元转换的两路互补的信号，或上下边沿的微分信号，输出端连接所述信号还原单元。
4.如权利要求1所述的边沿信号隔离驱动器，其特征在于，所述隔离传输单元包括两路变压器，所述两路变压器的输入端分别接收所述信号变换单元转换的两路互补的信号，或上下边沿的微分信号，输出端连接所述信号还原单元。
5.如权利要求1所述的边沿信号隔离驱动器，其特征在于，所述信号还原单元包括信号寄存器，其输入端分别接收所述隔离传输单元传输过来的两路信号，两个输出端连接所述互补电平变换功率放大单元。
6.如权利要求5所述的边沿信号隔离驱动器，其特征在于，所述互补电平变换功率放大单元包括由一个N沟道场效应管和一个P沟道场效应管构成的互补对称功率放大电路，所述N沟道场效应管和P沟道场效应管的栅极分别接收所述寄存器的两个输出端的互补驱动信号，输出端连接待驱动器件。
7.如权利要求6所述的边沿信号隔离驱动器，其特征在于，所述所述N沟道场效应管和P沟道场效应管由共极三极管推动。
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