CN205430189U - 适用于igbt的栅极驱动信号传输电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种适用于IGBT的栅极驱动信号传输电路，包括调制电路、高频变压器、检波电路、信号还原电路及保护电路，调制电路包括全桥结构的开关S1、S2、S3、S4，开关S1对应的第一输入信号为栅极驱动信号，开关S2对应的第二输入信号与第一输入信号互补，开关S3对应的第三输入信号与第一输入信号具有相位差，开关S4对应的第四输入信号与第三输入信号互补，调制电路对栅极驱动信号移相调制，高频变压器将移相调制后的栅极驱动信号耦合至检波电路以得到调制信号，信号还原电路根据调制信号还原出栅极驱动信号，保护电路设置于检波电路和所信还原电路之间。与现有技术相比，本实用新体积和重量显著降低，电路整体所用元件少，容易实现、可靠性高。

Description

适用于IGBT的栅极驱动信号传输电路

技术领域

本实用新型涉及驱动信号传输技术领域，更具体的涉及一种适用于IGBT的栅极驱动信号传输电路。

背景技术

绝缘栅双极型晶体管(IGBT)作为第三代功率半导体器件，已经广泛应用于生活及工业生产领域。

为了给IGBT提供可靠的开通、关断控制及保护功能，其栅极驱动电路起到了重要作用，IGBT栅极驱动电路的特性直接决定了由IGBT构成的电力电子***的运行损耗、电磁兼容性以及装置最高的开关频率等性能，对设备的性能和寿命有重要影响。而开关信号传输作为IGBT栅极驱动电路的基础功能，对其可靠性体积以及重量都产生了很高要求。传统的IGBT栅极驱动电路的开关信号传输途径通常采用变压器耦合、光电耦合或光纤耦合。然而，传统变压器耦合存在体积大、重量高的缺点；光电耦合存在耐压低、信号传输延时高的缺点，导致传统的IGBT栅极驱动电路的开关信号传输途径难以应用于1700V以上的领域；而光纤耦合也存在信号传输延时高以及端口容易积灰、维护困难的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种适用于IGBT的栅极驱动信号传输电路，以减少栅极驱动信号传输电路的体积和重量、降低信号的传输延时。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种适用于IGBT的栅极驱动信号传输电路，包括：

调制电路，所述调制电路包括组成全桥结构的开关S1、S2、S3、S4，所述开关S1对应的第一输入信号为栅极驱动信号，所述开关S2对应的第二输入信号与所述第一输入信号互补，所述开关S3对应的第三输入信号与所述第一输入信号具有一相位差，所述开关S4对应的第四输入信号与所述第三输入信号互补，所述调制电路输出移相调制后的所述栅极驱动信号；

高频变压器，所述高频变压器的初级线圈与所述调制电路的输出端连接，以对移相调制后的所述栅极驱动信号进行耦合；

检波电路，所述检波电路的输入端与所述高频变压器的次级线圈连接，所述检波电路用于对移相调制后的所述栅极驱动信号进行检波，以得到所述调制电路的调制信号；

信号还原电路，所述信号还原电路的输入端与所述检波电路的输出端连接，用于根据所述调制信号还原得到所述栅极驱动信号；以及

保护电路，所述保护电路设置于所述检波电路和所述信号还原电路之间，用于防止所述高频变压器的漏感电流在所述信号还原电路的输入端产生过高电压而损坏。

与现有技术相比，本实用新型适用于IGBT的栅极驱动信号传输电路包括调制电路、高频变压器、检波电路、信号还原电路以及保护电路，其中调制电路用于对栅极驱动信号进行移相调制，高频变压器将移相调制后的栅极驱动信号耦合至检波电路，检波电路进行检波(即解调)得到调制电路的调制信号，最后信号还原电路根据得到的调制信号还原得到经传输电路所传输的栅极驱动信号，由于高频变压器传输的信号为微秒级的极短脉冲信号，因此高频变压器所需伏秒积相对传统的变压器耦合技术明显降低，因而其体积和重量都显著降低，进而缩小了IGBT栅极驱动电路的体积和重量；同时，采用上述传输电路进行栅极驱动信号的传输时，栅极驱动信号的频率和占空比不再受到限制，且传输电路整体所用元件少，容易实现且可靠性高。

较佳的，所述检波电路包括检波二极管D1、D2、D3、D4，所述检波二极管D1的阳极和所述检波二极管D2的阴极分别与所述高频变压器次级线圈的第一输出端子连接，所述检波二极管D3的阳极和所述检波二极管D4的阴极分别与所述高频变压器次级线圈的第二输出端子连接，所述检波二极管D2的阳极和所述检波二极管D4的阳极接高压侧电位参考点，所述检波二极管D1和所述检波二极管D3的阴极形成所述检波电路的输出端以输出所述调制信号。

较佳的，所述保护电路包括阻值为千欧级的电阻R1和电阻R2，所述检波二极管D1的阴极串联所述电阻R1后接所述高压侧电位参考点，所述检波二极管D3的阴极串联所述电阻R2后接所述高压侧电位参考点。

较佳的，所述信号还原电路包括RS触发器，所述RS触发器的R端与所述检波二极管D1的阴极连接，所述RS触发器的S端与所述检波二极管D3的阴极连接，所述RS触发器的输出端输出经所述调制信号处理后得到的所述栅极驱动信号。

较佳的，所述开关S1、S2、S3、S4为高速半导体开关。

较佳的，所述高速半导体开关由场效应管或高速三极管形成。

通过以下的描述并结合附图，本实用新型将变得更加清晰，这些附图用于解释本实用新型的实施例。

附图说明

图1为本实用新型适用于IGBT的栅极驱动信号传输电路的结构框图。

图2为图1中适用于IGBT的栅极驱动信号传输电路一实施例的电路图。

图3为图1中适用于IGBT的栅极驱动信号传输电路另一实施例的电路图。

图4为图1中适用于IGBT的栅极驱动信号传输电路再一实施例的电路图。

图5为图2中适用于IGBT的栅极驱动信号传输电路的时序图。

具体实施方式

现在参考附图描述本实用新型的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。

请参考图1至图2，本实用新型适用于IGBT的栅极驱动信号传输电路100包括调制电路10、高频变压器20、检波电路30、信号还原电路50以及保护电路40。其中，调制电路10包括组成全桥结构的开关S1、S2、S3、S4，开关S1对应的第一输入信号为栅极驱动信号，开关S2对应的第二输入信号与第一输入信号互补，开关S3对应的第三输入信号与第一输入信号具有一相位差，开关S4对应的第四输入信号与第三输入信号互补，调制电路10输出进行移相调制后的栅极驱动信号；高频变压器20的初级线圈与电路10的输出端连接，高频变压器20的次级线圈与检波电路30的输入端连接，高频变压器20用于将移相调制后的栅极驱动信号耦合至检波电路30；检波电路30用于对移相调制后的栅极驱动信号进行检波(即解调过程)，以得到调制电路10的调制信号；信号还原电路50的输入端与检波电路30的输出端连接，用于根据调制信号还原得到栅极驱动信号；保护电路40设置于检波电路30和信号还原电路50之间，用于防止高频变压器20的漏感电流在信号还原电路50的输入端产生过高电压而损坏。

与现有技术相比，本实用新型适用于IGBT的栅极驱动信号传输电路包括调制电路、高频变压器、检波电路、信号还原电路以及保护电路，其中调制电路用于对栅极驱动信号进行移相调制，高频变压器将移相调制后的栅极驱动信号耦合至检波电路，检波电路进行检波(即解调)得到调制电路的调制信号，最后信号还原电路根据得到的调制信号还原得到经传输电路所传输的栅极驱动信号，由于高频变压器传输的信号为微秒级的极短脉冲信号，因此高频变压器所需伏秒积相对传统的变压器耦合技术明显降低，因而其体积和重量都显著降低，进而缩小了IGBT栅极驱动电路的体积和重量；同时，采用上述传输电路进行栅极驱动信号的传输时，栅极驱动信号的频率和占空比不再受到限制，且传输电路整体所用元件少，容易实现且可靠性高。

请参考图2，图2为图1所示适用于IGBT的栅极驱动信号传输电路100一实施例的实现电路。如图2所示，检波电路30包括检波二极管D1、D2、D3、D4，其中检波二极管D1的阳极和检波二极管D2的阴极分别与高频变压器20次级线圈的第一输出端子连接，检波二极管D3的阳极和检波二极管D4的阴极分别与高频变压器20次级线圈的第二输出端子连接，检波二极管D2的阳极和检波二极管D4的阳极接高压侧电位参考点(对应某一电压值)，检波二极管D1和检波二极管D3的阴极形成检波电路30的输出端以输出调制信号，需要注意的是，移相调制后的栅极驱动信号经过检波二极管后得到的调制信号是RS触发器所需的短脉冲信号。

再请参考图2，本实施例中信号还原电路50包括RS触发器，RS触发器的R端与检波二极管D1的阴极连接，RS触发器的S端与检波二极管D3的阴极连接，RS触发器的输出端输出经调制信号处理后得到的栅极驱动信号。保护电路40包括用于阻值为千欧级的电阻R1和电阻R2，如电阻R1和电阻R2的阻值为6千欧姆，其中检波二极管D1的阴极串联电阻R1后接高压侧电位参考点，检波二极管D3的阴极串联电阻R2后接高压侧电位参考点，电阻R1和电阻R2用于防止高频变压器20的漏感电流在信号还原电路50(RS触发器)的高阻抗输入端产生过高电压而损坏RS触发器。

下面结合图2和图5说明本实用新型适用于IGBT的栅极驱动信号传输电路100的工作原理，图5为图2中适用于IGBT的栅极驱动信号传输电路100工作的时序图。其中，图5中信号T表示栅极驱动信号，信号S1、S2、S3、S4分别为开关S1、S2、S3、S4对应的输入信号，S为RS触发器的S端的输入信号，R为RS触发器的R端的输入信号，RS信号表示RS触发器的输出，由图5可以看出，开关S1对应的第一输入信号S1为栅极驱动信号，开关S2对应的第二输入信号S2与第一输入信号S1互补，开关S3对应的第三输入信号S3与第一输入信号S1具有一相位差(即第三输入信号S3可以由第一输入信号S1整体移相得到)，开关S4对应的第四输入信号S4与第三输入信号S3互补，从而开关S1、S2、S3、S4构成的调制电路可以实现对栅极驱动信号T的移相调制。之后，经调制电路进行移相调制后的栅极驱动信号经高频变压器20耦合后输入至检波电路30进行检波(即解调)过程，以得到调制电路10所对应的调制信号，具体的，移相调制后的栅极驱动信号经检波二极管D1和D2可以得到RS触发器的S端信号(如图5所示)，移相调制后的栅极驱动信号经检波二极管D3和D4可以得到RS触发器的R端信号(如图5所示)，其中信号R和信号S即为调制电路10的调制信号，本实施例中具体为相位偏移。具体的，信号S对应的正脉冲位于栅极驱动信号的一个边沿，信号R对应的正脉冲位于栅极驱动信号的另一个边沿，RS触发器将两个脉冲信号解调为栅极驱动信号，即调制信号经RS触发器处理后即可还原得到最初的栅极触发信号，如图5所示，RS触发器的输出信号RS与栅极驱动信号保持一致。需要说明的是，理论上RS触发器的输出应与栅极触发信号T完全相同，但实际中可能会存在短暂的上升延时和下降延时。

此外，本实用新型中调制电路10中用以组成全桥结构的开关S1、S2、S3、S4为高速半导体开关，高速半导体开关可以由场效应管或高速三极管形成，当然，开关S1、S2、S3、S4。具体的，图3所示电路中开关S1、S2、S3、S4由场效应管实现，由于场效应管的开关速度快，并且导通时允许电流双向流动，因而可以构成高频变压器20的续流回路。该种实现方式所需元件最少，传输速度最快，是图2的最优实现方式。

再请参考图4，图4所示电路中开关S1、S2、S3、S4由三极管实现，由于三极管并不像场效应管一样允许电流双向流动，因此需要反向并联高速二极管构成高频变压器20的续流回路，即三极管的集电极和发射极之间反向并联有二极管，且由于三极管的开关速度并不如场效应管快，因此会存在更高的传输时间延时。该种实现方式所用元件较多，传输速度较慢，是图2的次优实现方式。

本实用新型适用于IGBT的栅极驱动信号传输电路100，可以使传输栅极驱动信号的隔离变压器体积、重量大幅减小，进而缩小IGBT栅极驱动器的体积、重量；同时，信号侧与高压侧间的绝缘水平仅取决于隔离变压器的耐压性能，因此可轻易满足大部分高压应用的需求；最后，栅极驱动信号传输电路100中调制电路10和检波电路30整体所用元件少，容易实现且可靠性高。

以上结合最佳实施例对本实用新型进行了描述，但本实用新型并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本实用新型的本质进行的修改、等效组合。

Claims (6)

1.一种适用于IGBT的栅极驱动信号传输电路，其特征在于，包括：

调制电路，所述调制电路包括组成全桥结构的开关S1、S2、S3、S4，所述开关S1对应的第一输入信号为栅极驱动信号，所述开关S2对应的第二输入信号与所述第一输入信号互补，所述开关S3对应的第三输入信号与所述第一输入信号具有一相位差，所述开关S4对应的第四输入信号与所述第三输入信号互补，所述调制电路输出移相调制后的所述栅极驱动信号；

高频变压器，所述高频变压器的初级线圈与所述调制电路的输出端连接，以对移相调制后的所述栅极驱动信号进行耦合；

检波电路，所述检波电路的输入端与所述高频变压器的次级线圈连接，所述检波电路用于对移相调制后的所述栅极驱动信号进行检波，以得到所述调制电路的调制信号；

信号还原电路，所述信号还原电路的输入端与所述检波电路的输出端连接，用于根据所述调制信号还原得到所述栅极驱动信号；以及

保护电路，所述保护电路设置于所述检波电路和所述信号还原电路之间，用于防止所述高频变压器的漏感电流在所述信号还原电路的输入端产生过高电压而损坏。

2.如权利要求1所述的适用于IGBT的栅极驱动信号传输电路，其特征在于，所述检波电路包括检波二极管D1、D2、D3、D4，所述检波二极管D1的阳极和所述检波二极管D2的阴极分别与所述高频变压器次级线圈的第一输出端子连接，所述检波二极管D3的阳极和所述检波二极管D4的阴极分别与所述高频变压器次级线圈的第二输出端子连接，所述检波二极管D2的阳极和所述检波二极管D4的阳极接高压侧电位参考点，所述检波二极管D1和所述检波二极管D3的阴极形成所述检波电路的输出端以输出所述调制信号。

3.如权利要求2所述的适用于IGBT的栅极驱动信号传输电路，其特征在于，所述保护电路包括阻值为千欧级的电阻R1和电阻R2，所述检波二极管D1的阴极串联所述电阻R1后接所述高压侧电位参考点，所述检波二极管D3的阴极串联所述电阻R2后接所述高压侧电位参考点。

4.如权利要求2所述的适用于IGBT的栅极驱动信号传输电路，其特征在于，所述信号还原电路包括RS触发器，所述RS触发器的R端与所述检波二极管D1的阴极连接，所述RS触发器的S端与所述检波二极管D3的阴极连接，所述RS触发器的输出端输出经所述调制信号处理后得到的所述栅极驱动信号。

5.如权利要求1所述的适用于IGBT的栅极驱动信号传输电路，其特征在于，所述开关S1、S2、S3、S4为高速半导体开关。

6.如权利要求5所述的适用于IGBT的栅极驱动信号传输电路，其特征在于，所述高速半导体开关由场效应管或高速三极管形成。