CN108964646A - 一种功能集成的边沿调制igbt/mos驱动系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电力电子领域，公开了一种功能集成的边沿调制IGBT/MOS驱动系统及方法，功能集成的边沿调制IGBT/MOS驱动系统包括：控制信号的边沿调制模块；控制信号的隔离与解调模块；辅助电源的产生与隔离传输模块；辅助电源隔离与信号隔离的集成技术模块。本发明提供的一种功能集成的边沿调制IGBT/MOS驱动系统，通过双边沿调制与解调技术，实现了控制信号的0HZ～1MHz、占空比从0％～100％的隔离传输；同时通过磁路集成技术，实现辅助电源和控制信号一体化传输，电路简单、价格低廉、易于实现。

Description

一种功能集成的边沿调制IGBT/MOS驱动系统
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，尤其涉及一种功能集成的边沿调制IGBT/MOS驱动系统。
背景技术
目前，业内常用的现有技术是这样的：
隔离驱动是功率开关器件的二次开发应用的重要内容，是功率开关器件安全工作的重要保障。长时期以来，驱动电路受两大问题困扰，一种是辅助电源过多，使得系统复杂问题；二是脉冲变压器隔离传递控制信号频率、占空比受限的技术问题。在第三代半导体功率开关器件逐步进入应用市场后，变换器的拓扑结构向集成化简单化发展，驱动电路的电气隔离、辅助电源过多的问题将变得非常突出。
驱动电路(Drive Circuit)，位于主电路和控制电路之间，用来对控制电路的信号进行放大的中间电路(即放大控制电路的信号使其能够驱动功率晶体管)，称为驱动电路。驱动电路的基本任务，就是将信息电子电路传来的信号按照其控制目标的要求，转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号。对全控型器件则既要提供开通控制信号，又要提供关断控制信号，以保证器件按要求可靠导通或关断。
综上所述，现有技术存在的问题是：
(1)辅助电源过多，使得系统复杂问题；
(2)脉冲变压器隔离传递控制信号的频率、占空比的技术问题。
本发明提出：通过脉冲变压器实现电气隔离，通过特殊设计的调制/解调方法实现控制信号的频率f从0.1Hz～1MHz、占空比D从0～0.95的传递；同时，通过磁路集成为驱动电路提供辅助电源，控制、驱动系统得到充分简化。
解决上述技术问题的难度和意义：
针对脉宽、脉冲频率设计的脉冲变压器存在传递信号受限的难题；同时，通过脉冲变压器传递的信号会产生延时和畸变，需要整形电路，一般整形电路需要另加带隔离的辅助电源，对于一只单管驱动需要两只磁性元件，存在驱动系统结构复杂，体积大的难题。解决前一个难题可以采取双边沿调制技术，但它存在边沿辨识的难题；通过磁路集成可以减少磁性元件数量，但它存在磁路解耦的难题。
意义：提供了一种简易的边沿调制电路；提出了一种简便的解调思路，提供一种简单可行的边沿脉冲前后沿辨识电路；提出了利用常规集成芯片变换方法，提供一种信号与电源磁路集成的方式实现高频DC/DC。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种功能集成的边沿调制IGBT/MOS驱动系统。
本发明是这样实现的，一种功能集成的边沿调制IGBT/MOS驱动系统，包括：
控制信号的边沿调制模块；用于利用常规的逻辑门及其微分电路，进行控制信号的上升/下降沿调制，将信号的上升沿调制为tδ1＜0.5μs的窄脉冲、下降沿调制为tδ2＜0.5μs的窄脉冲；
控制信号的隔离与解调模块；用于由门电路的输出与变压器隔离绕组的初级组成全桥逆变电路，将信号隔离传输给次级解调电路；
辅助电源的产生与隔离传输模块；由开关芯片UC3524及高频变压器初级绕组N1、N2组成推挽逆变器产生，UC3524输出三极管需要并联高频续流二极管，高频变压器次级绕组N3、N4接全波整流电路，产生驱动电路所需要的单电源或正、负双电源；
辅助电源隔离与信号隔离的集成技术模块；与控制调制信号隔离集成于同一高频磁芯上，即N1、、N3、N4、N5、N6在同一磁芯上绕制。
本发明的另一目的在于提供一种搭载有所述功能集成的边沿调制IGBT/MOS驱动系统的功率开关器件。
本发明的另一目的在于提供一种利用所述功能集成的边沿调制IGBT/MOS驱动系统的功能集成的边沿调制IGBT/MOS驱动方法，所述功能集成的边沿调制IGBT/MOS驱动方法包括：
图4(a)和图(b)所示的电路，图4(a)中控制信号的前沿通过R1C微分电路变为窄脉冲信号，控制信号通过反向器NOT反向后再通过R2C微分电路将控制信号的后沿变为窄脉冲信号。前后沿脉冲信号通过AND1、AND2整形后变为方波信号，完成了前后沿的调制；调制信号通过AND1、AND2的输出电路组成逆变电路，将通过脉冲变压器整形后的窄脉冲传递给次级，完成电气隔离与调制信号的传递，脉冲变压器次级通过二极管VD1VD2检测后再与图4(b)相连接。
图4(b)以集成放大器A为核心，完成脉冲信号的解调，输出解调信号(即还原控制信号)，该信号经过三极管Q1Q2放大驱动功率开关器件工作。
辅助电源产生方法如图2所示：
图2中高频变换器控制电路和逆变电路由开关芯片UC3524完成，利用UC3524内部控制器进行PWM调制，利用UC3524的输出电路的四只三极管，通过反并高频二极管后与检测电路电源、高频变压器T一起组成推挽变换器，变换器T的绕组N1、N2为初级绕组，N3、N4为次级绕组；次级绕组接全波整流器，滤波器输出的平稳直流VDD作为驱动电路所需辅助电源；
根据被驱动功率开关管的功率大小，通过调节UC3524引脚COM脚的电压，控制输出宽度，输出电压。
进一步，控制信号调制方法包括：
通过微分电路进行控制信号上升沿的边沿调制，控制信号前沿到来后，通过前沿调制电路，输出一个＜0.5μs的窄脉冲；通过反向器形成的下降沿调制电路，当控制信号下降沿到来后，通过下降沿调制电路，输出＜0.5μs的窄脉冲；
利用解调的与非门集成芯片中的输出电路和变压器T绕组N5一起形成全桥变换器，以耦合输出解调后的上升沿窄脉冲信号和下降沿窄脉冲信号，进行信号的隔离。
进一步，控制信号的解调方法包括：
利用集成运放形成双稳输出，变压器绕组N6传过来的控制信号的上升沿和下降沿的窄脉冲信号，连接集成运放的输入端，输出还原控制。
进一步，磁集成方法包括：
辅助电源与控制信号的隔离采取磁路集成方式，N1～N6全部绕制在同一EE型铁氧体磁芯上，EE型铁氧体磁芯，左、中柱无气隙，右柱磨有0.1mm的气隙；
辅助电源的初级绕组N1、N2绕制在中柱，初级绕组产生的磁通只通过低磁阻的左柱，将能量耦合到次级绕组N3、N4、N5、N6绕组不受电源传输能量的影响；经过调制的控制信号通过绕组N5产生的磁势极小；通过中柱与左柱一起形成磁通通路。
进一步，辅助电源产生方法中，利用包括UC3524在内的常规PWM芯片构成推挽模式、单端变压器、外接磁集成变压器绕组形成辅助开关。
本发明的另一目的在于提供一种运行所述功能集成的边沿调制IGBT/MOS驱动方法的功率开关器件。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：
本发明提供的一种功能集成的边沿调制IGBT/MOS驱动系统，通过双边沿调制与解调技术，实现宽频、宽占空比信号的传递，表1是本发明与传统的脉冲变压器传递信号的数据对比。同时，通过磁路集成技术，实现辅助电源和控制信号一体化传输，电路简单、价格低廉、易于实现。
表1本发明与传统脉冲变压器数据对比
频率范围 占空比范围
传统脉冲变压器 (1±0.2)fN (1+0.2)DN
本发明方案 0.1Hz～1MHz 0.1～0.95
表2是传统的脉冲变压器传递与辅助电源电路和本发明的电路结构对比。
表2本发明与传统脉冲变压器结构对比
。
附图说明
图1是本发明实施例提供的功能集成的边沿调制IGBT/MOS驱动系统示意图。
图中：1、控制信号的边沿调制模块；2、控制信号的隔离与解调模块；3、辅助电源的产生与隔离传输模块；4、辅助电源隔离与信号隔离的集成技术模块。
图2是本发明实施例提供的辅助电源+双边沿调制集成驱动电路整体原理示意图。
图3是本发明实施例提供的辅助电源产生方法示意图。
图4是本发明实施例提供的边沿调制与解调电路示意图。
图中：(a)、控制信号的前沿通过R1C微分电路变为窄脉冲信号图；(b)、以集成放大器A为核心，完成脉冲信号的解调，输出解调信号图。
图5是本发明实施例提供的磁集成原理示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明实施例提供的功能集成的边沿调制IGBT/MOS驱动系统，包括：
控制信号的边沿调制模块1；控制信号的隔离与解调模块2；辅助电源的产生与隔离传输模块3；辅助电源隔离与信号隔离的集成技术模块4。
控制信号的边沿调制模块1；用于利用常规的逻辑门及其微分电路，进行控制信号的上升/下降沿调制，将信号的上升沿调制为tδ1＜0.5μs的窄脉冲、下降沿调制为tδ2＜0.5μs的窄脉冲；
控制信号的隔离与解调模块2；用于由门电路的输出与变压器隔离绕组的初级组成全桥逆变电路，将信号隔离传输给次级解调电路；
辅助电源的产生与隔离传输模块3；由开关芯片UC3524及高频变压器初级绕组N1、N2组成推挽逆变器产生，UC3524输出三极管需要并联高频续流二极管，高频变压器次级绕组N3、N4接全波整流电路，产生驱动电路所需要的单电源或正、负双电源；
辅助电源隔离与信号隔离的集成技术模块4；与控制调制信号隔离集成于同一高频磁芯上，即N1、、N3、N4、N5、N6在同一磁芯上绕制。
如图2所示，本发明提供的辅助电源+双边沿调制集成驱动电路整体原理示意图。
如图3所示，本发明提供的辅助电源产生方法图。
本发明的辅助电源产生方式包括：
A、利用开关芯片UC3524及输出端驱动三极管集电极开路的条件，通过反并高频二极管后与检测电路电源、高频变压器T一起组成推挽变换器，变换器T的绕组N1、N2为初级绕组，N3、N4为次级绕组。次级绕组接全波整流器，滤波器输出的平稳直流VDD作为驱动电路所需辅助电源。
B、简化电路，不设专门的输出电压检测与反馈电路。根据被驱动功率开关管的功率大小，通过调节UC3524引脚9(COM脚)的电压，控制输出宽度，稳定输出电压。
如图4所示，本发明提供的边沿调制与解调电路示意图。图4(a)调制电路图，图4(b)解调电路图。
本发明的控制信号调制电路：
一、通过微分电路，实现控制信号上升沿的边沿调制，即：控制信号上生沿到来后，通过上升沿调制电路，输出一个＜0.5μs的窄脉冲；通过***形成的下降沿调制电路，即当控制信号下降沿到来后，通过下降沿调制电路，输出＜0.5μs的窄脉冲；
二、为简化电路，降低成本，利用解调的与非门集成芯片中的多余门电路和变压器T绕组N5一起形成全桥变换器，以耦合输出解调后的上升沿窄脉冲信号和下降沿窄脉冲信号，并实现了信号的隔离。
本发明的控制信号的解调电路：
1、利用廉价的集成运放(比较器)形成双稳输出，变压器绕组N6传过来的控制信号的上升沿和下降沿的窄脉冲信号，连接即集成运放的输入端，其输出该还原控制(解调)。
2、解调电路的核心芯片集成运放即可单电源、也可双电源供电，所以驱动电路即可输出正脉冲(驱动)，也可输出负脉冲(关断)。所以，该驱动电路即可驱动MOS管(不需要负电源关断)，也可以驱动IGBT(关断时需要负电源)。
如图5所示，本发明提供的磁集成原理示意图。
辅助电源与控制信号的隔离采取磁路集成方式，即：N1～N6全部绕制在同一磁芯上，其集成磁元件包括：EE型铁氧体磁芯，左、中柱无气隙，右柱磨有0.1mm左右的气隙。辅助电源的初级绕组N1、N2绕制在中柱，初级绕组产生的磁通只通过低磁阻的左柱，将能量耦合到次级绕组N3、N4、N5、N6绕组不受电源传输能量的影响；经过调制的控制信号通过绕组N5产生的磁势(ICN5)极小。它通过中柱与左柱一起形成磁通通路。由于磁通量很小，时间极突变对电源绕组的工作产生的影响极小，不干扰电源的正常工作。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种功能集成的边沿调制IGBT/MOS驱动系统，其特征在于，所述的功能集成的边沿调制IGBT/MOS驱动系统包括：
控制信号的边沿调制模块，用于利用常规的逻辑门及其微分电路，进行控制信号的上升/下降沿调制，将信号的上升沿调制为tδ1＜0.5μs的窄脉冲、下降沿调制为tδ2＜0.5μs的窄脉冲；
控制信号的隔离与解调模块，用于由门电路的输出与变压器隔离绕组的初级组成全桥逆变电路，将信号隔离传输给次级解调电路；
辅助电源的产生与隔离传输模块，由开关芯片及高频变压器初级绕组N1、N2组成推挽逆变器产生，开关芯片输出三极管需要并联高频续流二极管，高频变压器次级绕组N3、N4接全波整流电路，产生驱动电路所需要的单电源或正、负双电源；
辅助电源隔离与信号隔离的集成技术模块，与控制调制信号隔离集成于同一高频磁芯上，即N1、、N3、N4、N5、N6在同一磁芯上绕制。
2.一种搭载有权利要求1所述功能集成的边沿调制IGBT/MOS驱动系统的功率开关器件。
3.一种利用权利要求1所述功能集成的边沿调制IGBT/MOS驱动系统的功能集成的边沿调制IGBT/MOS驱动方法，其特征在于，所述功能集成的边沿调制IGBT/MOS驱动方法包括：
控制信号的前沿通过R1C微分电路变为窄脉冲信号，控制信号通过反向器NOT反向后再通过R2C微分电路将控制信号的后沿变为窄脉冲信号；前后沿脉冲信号通过AND1、AND2整形后变为方波信号，进行前后沿的调制；
调制信号通过AND1、AND2的输出电路组成逆变电路，将通过脉冲变压器整形后的窄脉冲传递给次级，急性电气隔离与调制信号的传递，脉冲变压器次级通过二极管VD1VD2检测后；
以集成放大器A为核心，进行脉冲信号的解调，输出解调信号，解调信号经过三极管Q1Q2放大驱动功率开关器件进行工作。
4.如权利要求1所述功能集成的边沿调制IGBT/MOS驱动方法，其特征在于，辅助电源隔离与信号隔离的集成技术模块的辅助电源产生方法包括：
高频变换器控制电路和逆变电路由开关芯片进行控制；利用开关芯片4内部控制器进行PWM调制，利用开关芯片的输出电路的四只三极管，通过反并高频二极管后与检测电路电源、高频变压器T一起组成推挽变换器，变换器T的绕组N1、N2为初级绕组，N3、N4为次级绕组；次级绕组接全波整流器，滤波器输出的平稳直流VDD作为驱动电路所需辅助电源；
根据被驱动功率开关管的功率大小，通过调节开关芯片引脚COM脚的电压，控制输出宽度，输出电压。
5.如权利要求3所述功能集成的边沿调制IGBT/MOS驱动方法，其特征在于，
控制信号的解调方法包括：
利用集成运放形成双稳输出，变压器绕组N6传过来的控制信号的上升沿和下降沿的窄脉冲信号，连接集成运放的输入端，输出还原控制。
6.如权利要求1和权利3所述功能集成的边沿调制IGBT/MOS驱动方法，其特征在于，信号脉冲变压器与辅助电源变压器集成在同一磁芯中，图3是集成变压器绕组安排。
辅助电源与控制信号的隔离采取磁路集成方式，N1～N6全部绕制在同一EE型铁氧体磁芯上，EE型铁氧体磁芯，左、中柱无气隙，右柱磨有0.1mm的气隙；
辅助电源的初级绕组N1、N2绕制在中柱，初级绕组产生的磁通只通过低磁阻的左柱，将能量耦合到次级绕组N3、N4、N5、N6绕组不受电源传输能量的影响；经过调制的控制信号通过绕组N5产生的磁势极小；通过中柱与左柱一起形成磁通通路。
7.如权利要求4所述功能集成的边沿调制IGBT/MOS驱动方法，其特征在于，辅助电源产生方法中，利用包括UC3524在内的常规PWM芯片构成推挽模式、单端变压器、外接磁集成变压器绕组形成辅助开关。
8.一种运行权利要求3-7任意一项所述功能集成的边沿调制IGBT/MOS驱动方法的功率开关器件。
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