CN112383297B - 一种igbt驱动器 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种IGBT驱动器，降低了IGBT误开通的概率。在该IGBT驱动器中，PWM编码单元将驱动信号的边沿转换成两路互补的窄脉冲序列信号；其中上升沿转换出k1个窄脉冲，下降沿转换出k2个窄脉冲，k1＞k2≥1；这两路互补的窄脉冲序列信号各自输入一路放大器电路后，经高频隔离变压器耦合到副边，再经具有锁存功能的信号转换单元输入PWM解码单元；该信号转换单元用于当输入+1电平时，输出0电平；当输入‑1电平时，输出+1电平；当输入0电平时输出保持上一个状态不变。该PWM解码单元在输入信号的上升沿个数等于k1时，还原出驱动信号的上升沿，在输入信号的下降沿的个数等于k2时，还原出驱动信号的下降沿。

Description

一种IGBT驱动器

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，更具体地说，涉及一种IGBT驱动器。

背景技术

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极晶体管)驱动器多采用高频隔离变压器作为隔离元件来完成驱动信号的隔离传输。如图1所示，该IGBT驱动器包括：转换电路、隔直电容C、高频隔离变压器和PWM锁存器；驱动信号经过转换电路提取上升沿和下降沿，然后经过隔直电容C、高频隔离变压器传输至副边，再经过PWM锁存器还原驱动信号，从而完成驱动信号的隔离传输。将图1所示IGBT驱动器下的原始驱动信号、副边信号、还原后驱动信号分别记作PWM_P、PWM_T和PWM_S，则这三路信号的时序波形图如图2所示。

但是，对于图1所示IGBT驱动器来说，驱动信号传输过程中，其脉冲边沿容易受IGBT强电磁场干扰而产生畸变，形成误开通或者误关断指令，特别是误开通指令容易使IGBT上下管直通，造成IGBT损坏。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种IGBT驱动器，以提高驱动信号传输可靠性，降低IGBT误开通的概率。

一种IGBT驱动器，包括：PWM编码单元、高频隔离变压器、具有锁存功能的信号转换单元、PWM解码单元以及两路放大器电路；

所述PWM编码单元，用于将驱动信号的边沿转换成两路互补的窄脉冲序列信号；其中所述边沿分为上升沿和下降沿两种，上升沿转换成的两路窄脉冲序列信号均具有k1个窄脉冲，下降沿转换成的两路窄脉冲序列信号均具有k2个窄脉冲，k1＞k2≥1；

所述两路互补的窄脉冲序列信号各自输入一路所述放大器电路；

两路所述放大器电路的输出端接在所述高频隔离变压器的原边绕组的两端；所述高频隔离变压器的副边绕组的一端接地，另一端经过所述具有锁存功能的信号转换单元接入所述PWM解码单元；

所述具有锁存功能的信号转换单元，用于当输入+1电平时，输出0电平；当输入-1电平时，输出+1电平；当输入0电平时输出保持上一个状态不变；

所述PWM解码单元，用于在接收到的窄脉冲序列信号的上升沿个数等于k1时，还原出所述驱动信号的上升沿，在接收到的窄脉冲序列信号的下降沿的个数等于k2时，还原出所述驱动信号的下降沿。

可选的，k1=4，k2=3。

一种IGBT驱动器，包括：PWM编码单元、高频隔离变压器、具有锁存功能的信号转换单元、PWM解码单元以及两路放大器电路；

所述PWM编码单元，用于将驱动信号的边沿转换成两路互补的窄脉冲序列信号；其中所述边沿分为上升沿和下降沿两种，上升沿转换成的两路窄脉冲序列信号均具有k1个窄脉冲，下降沿转换成的两路窄脉冲序列信号均具有按时间降序排序的n组窄脉冲序列，按时间降序排序的第i组窄脉冲序列为Si个窄脉冲，n≥2，1≤Si＜k1，每组窄脉冲个数互不相等；

所述两路互补的窄脉冲序列信号各自输入一路所述放大器电路；

两路所述放大器电路的输出端接在所述高频隔离变压器的原边绕组的两端；所述高频隔离变压器的副边绕组的一端接地，另一端经过所述具有锁存功能的信号转换单元接入所述PWM解码单元；

所述具有锁存功能的信号转换单元，用于当输入+1电平时，输出0电平；当输入-1电平时，输出+1电平；当输入0电平时输出保持上一个状态不变；

所述PWM解码单元，用于在接收到的窄脉冲序列信号的上升沿个数等于k1时，还原出所述驱动信号的上升沿，在接收到的窄脉冲序列信号的下降沿的个数等于k2时，还原出所述驱动信号的下降沿。

可选的，i=2，k1=4，S1=3，S2=2。

可选的，在上述公开的任一种IGBT驱动器中，所述具有锁存功能的信号转换单元包括：信号转换电路和锁存器；

所述高频隔离变压器的副边绕组的另一端顺次经过所述信号转换电路、所述锁存器接入所述PWM解码单元；

所述信号转换电路，用于当输入+1电平时，输出+1电平；当输入-1电平时，输出0电平；当输入0电平时，输出状态不定；

所述锁存器，用于随所述信号转换电路输出状态的翻转产生状态翻转，在所述信号转换电路输出状态不定时输出保持上一个状态不变。

可选的，所述锁存器采用RS锁存器或D锁存器。

可选的，在上述公开的任一种IGBT驱动器中，所述信号转换电路包括：电阻R1、电阻R2、二极管D1、二极管D2和稳压管ZD1；

电阻R1一端接地，另一端接所述高频隔离变压器的副边绕组的一端、二极管D2的阳极以及稳压管ZD1的阳极；

稳压管ZD1的阴极接二极管D1的阴极；

二极管D1的阳极接二极管D2的阴极和电阻R2的一端；

电阻R2的另一端接入所述锁存器。

或者，所述具有锁存功能的信号转换单元包括：信号转换电路和锁存器；

所述高频隔离变压器的副边绕组的另一端顺次经过所述信号转换电路、所述锁存器接入所述PWM解码单元；

所述信号转换电路，用于当输入+1电平时，输出0电平；当输入-1电平时，输出+1电平；当输入0电平时，输出状态不定；

所述锁存器，用于在所述信号转换电路输出+1电平时，输出+1电平，在所述信号转换电路输出0电平时，输出0电平，在所述信号转换电路输出状态不定时输出保持上一个状态不变。

从上述的技术方案可以看出，本发明从硬件结构上去掉了隔值电容，将驱动信号由边沿传输变为窄脉冲传输，同时通过对窄脉冲边沿数量的判别来还原驱动信号。当窄脉冲传输受干扰而发生丢脉冲时，由于丢失后的窄脉冲上升沿数量达不到要求值k1，所以IGBT继续保持关断，不会发生IGBT误开通。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术公开的一种IGBT驱动器结构示意图；

图2为图1所示IGBT驱动器下多路信号的时序波形图；

图3为本发明实施例公开的一种IGBT驱动器结构示意图；

图4为应用于图3所示IGBT驱动器中的具有锁存功能的信号转换单元结构示意图；

图5为图4所示IGBT驱动器下多路信号的时序波形图；

图6为本发明实施例公开的又一种IGBT驱动器下多路信号的时序波形图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图3，本发明实施例公开了一种IGBT驱动器，包括：PWM编码单元、高频隔离变压器、具有锁存功能的信号转换单元、PWM解码单元以及两路放大器电路(这两路放大器电路在图3中分别用Driver1和Driver2进行标识)。

所述PWM编码单元，用于将驱动信号(记作PWM_P)的边沿转换成两路互补的窄脉冲序列信号，分别记作PWM1信号和PWM2信号；其中所述边沿分为上升沿和下降沿两种，上升沿转换成的PWM1信号和PWM2信号均具有k1个窄脉冲，下降沿转换成的PWM1信号和PWM2信号均具有k2个窄脉冲，k1＞k2≥1。例如可以设置k1=4、k2=3。

PWM1信号和PWM2信号各自经过一路所述放大器电路进行功率放大后，得到PWM1D信号和PWM2D信号。图5中示出了PWM_P信号的时序波形，以及当k1=4、k2=3时PWM1D、PWM2D信号的时序波形。

两路所述放大器电路的输出端接在所述高频隔离变压器的原边绕组的两端；所述高频隔离变压器的副边绕组的一端接地，另一端经过所述具有锁存功能的信号转换单元接入所述PWM解码单元。

其中，所述高频隔离变压器的基本功能描述如下：将所述信号转换电路的输入端记作A点，PWM1D信号和PWM2D信号经所述高频隔离变压器耦合到副边，在A点形成一路正负窄脉冲序列信号PWMA。图5中示出了当k1=4、k2=3时PWMA信号的时序波形。

所述具有锁存功能的信号转换单元的基本功能描述如下：所述具有锁存功能的信号转换单元，用于当输入+1电平时，输出0电平；当输入-1电平时，输出+1电平；当输入0电平时输出保持上一个状态不变。用PWM_OUT表示所述具有锁存功能的信号转换单元的输出信号，图5中示出了当k1=4、k2=3时PWM_OUT信号的时序波形。

可选的，参见图4，所述具有锁存功能的信号转换单元包括：信号转换电路和锁存器；所述高频隔离变压器的副边绕组的另一端顺次经过所述信号转换电路、所述锁存器接入所述PWM解码单元；

所述信号转换电路的基本功能描述如下：所述信号转换电路用于当输入+1电平时，输出+1电平；当输入-1电平时，输出0电平；当输入0电平时，输出状态不定；

所述锁存器的基本功能描述如下：所述锁存器随所述信号转换电路输出状态的翻转产生状态翻转，在所述信号转换电路输出状态不定时输出保持上一个状态不变(即锁住信号)。锁存器的输入输出信号相互耦合，所以锁存器的输入端信号(锁存器的输入端记作B点，B点信号记作PWMB)在所述信号转换电路输出状态不定时也是保持上一个状态不变。

在图4下，当PWMA信号为+1电平时，所述信号转换电路输出+1电平，PWM_OUT信号为0电平；当PWMA信号为-1电平时，所述信号转换电路输出0电平，PWM_OUT信号为+1电平；当PWMA信号为0电平时，所述信号转换电路输出状态不定，PWMB信号和PWM_OUT信号均保持上一个电平状态不变；图5中还示出了当k1=4、k2=3并且采用图4所示具有锁存功能的信号转换单元时PWMB信号的时序波形。

所述PWM解码单元的基本功能描述如下：所述PWM解码单元用于在接收到的窄脉冲序列信号PWM_OUT的上升沿个数等于k1时，还原出驱动信号的上升沿(驱动信号的上升沿为IGBT的开通指令ON)，在接收到的窄脉冲序列信号PWM_OUT的下降沿的个数等于k2时，还原出驱动信号的下降沿(驱动信号的下降沿为IGBT的关断指令OFF)，从而得到了还原后的驱动信号，完成了驱动信号的隔离传输。

由以上描述可知，本发明实施例从硬件结构上去掉了隔值电容C，将驱动信号由边沿传输变为窄脉冲传输(即将低频PWM信号转化为百ns级宽度的PWM脉冲进行传输)，同时通过对窄脉冲边沿数量的判别来还原驱动信号。当窄脉冲传输受干扰而发生丢脉冲时，由于丢失后的窄脉冲上升沿数量达不到要求值k1，所以IGBT继续保持关断，不会发生IGBT误开通。

而且，将边沿传输变为窄脉冲传输，就是在高频隔离变压器原本传输的低频信号中插入了高频脉冲信号；而且高频隔离变压器原边线圈正负脉冲交替，使得变压器磁芯工作在一、三象限而自动去磁(即实现了高频隔离变压器自动复位)；插入高频脉冲+自动去磁的方案增强了高频隔离变压器抗饱和性，也消除了线圈反向电动势引起的信号不规则现象，增强了信号传输和触发还原的可靠性。

可选的，在图4中，所述锁存器例如可采用常见的RS锁存器或D锁存器等，图4中仅以采用RS锁存器作为示例。

可选的，仍参见图4，在上述公开的任一实施例中，所述信号转换电路包括：电阻R1、电阻R2、二极管D1、二极管D2和稳压管ZD1；

其中，电阻R1一端接地，另一端接所述高频隔离变压器的副边绕组的一端A、二极管D2的阳极以及稳压管ZD1的阳极；

稳压管ZD1的阴极接二极管D1的阴极；

二极管D1的阳极接二极管D2的阴极和电阻R2的一端；

电阻R2的另一端B接入所述锁存器。

上述信号转换电路的工作原理如下：

当+1电平施加在A点时，二极管D2正向导通，所以锁存器输入B点为+1电平；

当-1电平施加在A点时，二极管D2反向截止，B点由+1电平通过二极管D1和稳压管ZD1被箝位接近零；

当+0电平施加在A点时，B点电压不受A点电压控制，但由于锁存器的存在B点电压会保持上一状态不变。

以上方案未对IGBT关断过程进行分级。所谓分级关断，是指根据系统和器件关断特性，将关断过程标定为不同的时间段，在不同的时间投入不同的关断参数，灵活控制关断动态过程，优化系统性能。分级关断可以应用在大回路杂感模组而使IGBT不过压击穿。

为实现IGBT分级关断，对于上述公开的任一实施例，可改变PWM编码单元的编码规则，将上述“下降沿转换成的PWM1信号和PWM2信号均具有k2个窄脉冲，k1＞k2≥1”替换为“下降沿转换成的PWM1信号和PWM2信号均具有按时间降序排序的n组窄脉冲序列（按时间降序排序是指最新的时间排在最前，以此往下进行排序），按时间降序排序的第i组窄脉冲序列为Si个窄脉冲，n≥2，1≤Si＜k1，每组窄脉冲个数互不相等”。

例如可以分为两级关断，即i=2，并设置S1=2，S2=3。图6中示出了PWM_P信号的时序波形，以及当i=2、k1=4、S1=3、S2=2并且采用图4所示具有锁存功能的信号转换单元时PWM1D、PWM2D、PWMA、PWMB、PWM_OUT信号的时序波形。

最后需要说明的是，在上述公开的任一实施例中，所述信号转换单元和所述锁存器的功能并不局限上述给出的功能，也可以替换为：

所述信号转换电路用于当输入+1电平时，输出0电平；当输入-1电平时，输出+1电平；当输入0电平时，输出状态不定；

所述锁存器用于在所述信号转换电路输出+1电平时，输出+1电平，在所述信号转换电路输出0电平时，输出0电平，在所述信号转换电路输出状态不定时输出保持上一个状态不变。

综上所述，本发明从硬件结构上去掉了隔值电容，将驱动信号由边沿传输变为窄脉冲传输，同时通过对窄脉冲边沿数量的判别来还原驱动信号。当窄脉冲传输受干扰而发生丢脉冲时，由于丢失后的窄脉冲上升沿数量达不到要求值k1，所以IGBT继续保持关断，不会发生IGBT误开通。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的不同对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明实施例的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明实施例将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种IGBT驱动器，其特征在于，包括：PWM编码单元、高频隔离变压器、具有锁存功能的信号转换单元、PWM解码单元以及两路放大器电路；

所述PWM编码单元，用于将驱动信号的边沿转换成两路互补的窄脉冲序列信号；其中所述边沿分为上升沿和下降沿两种，上升沿转换成的两路窄脉冲序列信号均具有k1个窄脉冲，下降沿转换成的两路窄脉冲序列信号均具有k2个窄脉冲，k1＞k2≥1；

所述两路互补的窄脉冲序列信号各自输入一路所述放大器电路；

两路所述放大器电路的输出端接在所述高频隔离变压器的原边绕组的两端；所述高频隔离变压器的副边绕组的一端接地，另一端经过所述具有锁存功能的信号转换单元接入所述PWM解码单元；

所述具有锁存功能的信号转换单元，用于当输入+1电平时，输出0电平；当输入-1电平时，输出+1电平；当输入0电平时输出保持上一个状态不变；

所述PWM解码单元，用于在接收到的窄脉冲序列信号的上升沿个数等于k1时，还原出所述驱动信号的上升沿，在接收到的窄脉冲序列信号的下降沿的个数等于k2时，还原出所述驱动信号的下降沿。

2.根据权利要求1所述的IGBT驱动器，其特征在于，k1=4，k2=3。

3.一种IGBT驱动器，其特征在于，包括：PWM编码单元、高频隔离变压器、具有锁存功能的信号转换单元、PWM解码单元以及两路放大器电路；

所述PWM编码单元，用于将驱动信号的边沿转换成两路互补的窄脉冲序列信号；其中所述边沿分为上升沿和下降沿两种，上升沿转换成的两路窄脉冲序列信号均具有k1个窄脉冲，下降沿转换成的两路窄脉冲序列信号均具有按时间降序排序的n组窄脉冲序列，按时间降序排序的第i组窄脉冲序列为Si个窄脉冲，n≥2，1≤Si＜k1，每组窄脉冲个数互不相等；

所述两路互补的窄脉冲序列信号各自输入一路所述放大器电路；

两路所述放大器电路的输出端接在所述高频隔离变压器的原边绕组的两端；所述高频隔离变压器的副边绕组的一端接地，另一端经过所述具有锁存功能的信号转换单元接入所述PWM解码单元；

所述具有锁存功能的信号转换单元，用于当输入+1电平时，输出0电平；当输入-1电平时，输出+1电平；当输入0电平时输出保持上一个状态不变；

所述PWM解码单元，用于在接收到的窄脉冲序列信号的上升沿个数等于k1时，还原出所述驱动信号的上升沿，在预设时长内接收到的窄脉冲序列信号的下降沿的个数等于Si时，还原出所述驱动信号的下降沿，在预设时长内接收到的窄脉冲序列信号的下降沿的个数不同，则IGBT的关断参数不同。

4.根据权利要求3所述的IGBT驱动器，其特征在于，i=2，k1=4，S1=3，S2=2。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的IGBT驱动器，其特征在于，所述具有锁存功能的信号转换单元包括：信号转换电路和锁存器；

所述高频隔离变压器的副边绕组的另一端顺次经过所述信号转换电路、所述锁存器接入所述PWM解码单元；

所述信号转换电路，用于当输入+1电平时，输出+1电平；当输入-1电平时，输出0电平；当输入0电平时，输出状态不定；

所述锁存器，用于随所述信号转换电路输出状态的翻转产生状态翻转，在所述信号转换电路输出状态不定时输出保持上一个状态不变。

6.根据权利要求5所述的IGBT驱动器，其特征在于，所述锁存器采用RS锁存器或D锁存器。

7.根据权利要求5所述的IGBT驱动器，其特征在于，所述信号转换电路包括：电阻R1、电阻R2、二极管D1、二极管D2和稳压管ZD1；

电阻R1一端接地，另一端接所述高频隔离变压器的副边绕组的一端、二极管D2的阳极以及稳压管ZD1的阳极；

稳压管ZD1的阴极接二极管D1的阴极；

二极管D1的阳极接二极管D2的阴极和电阻R2的一端；

电阻R2的另一端接入所述锁存器。

8.根据权利要求1-4中任一项所述的IGBT驱动器，其特征在于，所述具有锁存功能的信号转换单元包括：信号转换电路和锁存器；

所述高频隔离变压器的副边绕组的另一端顺次经过所述信号转换电路、所述锁存器接入所述PWM解码单元；

所述信号转换电路，用于当输入+1电平时，输出0电平；当输入-1电平时，输出+1电平；当输入0电平时，输出状态不定；

所述锁存器，用于在所述信号转换电路输出+1电平时，输出+1电平，在所述信号转换电路输出0电平时，输出0电平，在所述信号转换电路输出状态不定时输出保持上一个状态不变。

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