一種邊沿信號隔離驅動器的製作方法
2023-12-10 06:44:32
專利名稱：一種邊沿信號隔離驅動器的製作方法
技術領域：
本發明涉及電晶體技術領域，特別是涉及一種邊沿信號隔離驅動器。
背景技術：
隨著半導體技術的迅速發展，MOSEFT (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,功率場效應電晶體)和IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor,絕緣柵雙極型電晶體)得到廣泛的應用。MOSEFT的三個極分別是源極、漏極和 柵極，IGBT的三個極分別是集電極、發射極和柵極。 大功率M0SFET及IGBT的控制柵極等效為一個電容。在大功率MOSFET及IGBT開 關應用中，隨著開關頻率的提高，希望快速瞬態開通門極。使隔離驅動信號傳輸獲得高瞬態 功率，低的傳輸延時，低的功率損耗及低成本是一個需要權衡的問題。 現有技術的一種IGBT驅動器如圖l所示，該驅動器能夠達到驅動延時300-400ns， 瞬態驅動功率最大20A(不能長期工作)，上升率最快300ns(0.047uf容性與2Q串聯)左 右。其中，其脈衝功率驅動電路的結構如圖2所示。 現有脈衝功率驅動電路的結構簡圖，由於是單電平驅動，使正負脈衝驅動能力具 有明顯區別，其中輸出信號某一邊沿上升速率不高，具有較大延時。而且由於採用雙極三級 管作為主推動，電流能力受到很大限制。因此，現有的驅動器具有以下缺陷1、驅動延時過 長。 一方面對瞬態反映不利，延時對控制系統會產生附加相移。另一方面由於關閉延時過 長，有可能產生過流現象。由於反映速度慢，使保護功能收到限制。2、驅動功率不夠，雖然 瞬態功率能夠達到20A，但實際工作頻率不高，一般不超過20K。且損耗很大，限制了高頻應 用。隨功率器件性能越來越好，大功率變換逐漸向更高頻率擴展。而現有驅動器在〉20KHz 時，帶載能力急劇下降。
發明內容
本發明要解決的問題是提供一種邊沿信號隔離驅動器，以克服現有技術中驅動延 時過長、驅動功率不夠的缺陷。 為達到上述目的，本發明的技術方案提供一種邊沿信號隔離驅動器，所述驅動器 包括信號變換單元，用於將驅動輸入信號轉換為兩路互補的信號(或邊沿微分信號)；隔 離傳輸單元，與所述信號變換單元連接，用於將所述兩路互補的信號(或邊沿微分信號)分 別進行隔離傳輸；信號還原單元，與所述隔離傳輸單元連接，用於將所述隔離傳輸單元傳輸 過來的兩路信號還原為驅動輸入信號；互補電平變換功率放大單元，與所述信號還原單元 連接，用於對所述信號還原單元還原得到的驅動輸入信號進行功率放大。
優選地，所述信號變換單元包括緩衝器，所述驅動輸入信號經過緩衝器後形成所 述驅動輸入信號的兩路微分信號。 優選地，所述隔離傳輸單元包括兩路光電耦合器，所述兩路光電耦合器的輸入端 分別接收所述信號變換單元轉換的兩路微分信號，輸出端連接所述信號還原單元。
優選地，所述隔離傳輸單元包括兩路變壓器，所述兩路變壓器的輸入端分別接收
所述信號變換單元轉換的兩路微分信號，輸出端連接所述信號還原單元。 優選地，所述信號還原單元包括由寄存器構成，其輸入端分別接收所述隔離傳輸
單元傳輸過來的兩路信號，兩個輸出端連接所述互補電平變換功率放大單元。 優選地，所述互補電平變換功率放大單元包括由一個N溝道場效應管和一個P溝 道場效應管構成的互補對稱功率放大電路，所述N溝道場效應管和P溝道場效應管的柵極 分別接收所述寄存器的兩個輸出端的互補驅動信號，輸出端連接待驅動器件。
優選地，所述所述N溝道場效應管和P溝道場效應管由共極三極體推動。
與現有技術相比，本發明的技術方案具有如下優點 本發明使得MOSFET及IGBT驅動性能得到大幅度提高，驅動延時短，典型開啟延時 《150ns，關閉延時《120ns ;具有可以長期工作，至少達20A的瞬態驅動能力；上升下降沿 高；無佔空比限制；靜態耗電低。
圖1為現有技術的一種IGBT驅動器的結構示意圖； 圖2為現有技術的一種脈衝功率驅動電路的結構示意圖； 圖3為本發明的一種邊沿信號隔離驅動器的結構示意圖； 圖4為本發明實施例的信號變換單元的結構示意圖； 圖5為本發明實施例的隔離傳輸單元的結構示意圖，列出了兩種隔離傳輸形式； 圖6為本發明實施例的信號還原單元的結構示意圖，列出了由RS觸發器構成的寄 存器； 圖7為本發明實施例的互補電平變換功率放大單元的結構示意圖； 圖8為採用本發明邊沿信號隔離驅動器的驅動波形圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式
作進一步詳細描述。以下實施 例用於說明本發明，但不用來限制本發明的範圍。 本發明的一種邊沿信號隔離驅動器的結構如圖3所示，包括信號變換單元、隔離 傳輸單元、信號還原單元和互補電平變換功率放大單元。使用該驅動器首先得到兩路互補 的信號，將此互補信號邊沿進行隔離傳輸(傳輸上升沿和下降沿)，在接收端進行信號還 原，最後用互補電平變換功率放大器變為具有正負輸出的驅動信號。 信號變換單元用於將驅動輸入信號轉換為兩路互補的信號；隔離傳輸單元與所述 信號變換單元連接，用於將所述兩路互補的信號分別進行隔離傳輸；信號還原單元與所述 隔離傳輸單元連接，用於將所述隔離傳輸單元傳輸過來的兩路信號還原為驅動輸入信號； 互補電平變換功率放大單元與所述信號還原單元連接，用於對所述信號還原單元還原得到 的驅動輸入信號進行功率放大。 本發明的信號變換單元的結構如圖4所示，包括緩衝器，所述驅動輸入信號經過 緩衝器後形成與所述驅動輸入信號互補的信號。驅動輸入信號與經過緩衝器後形成的信號 分別為UP驅動信號、DWN驅動信號，其傳輸的是微分信號。
本發明實施例的隔離傳輸單元的結構如圖5所示，所述隔離傳輸單元可以採用光 耦或磁耦合方式。當採用光耦方式時，隔離傳輸單元包括兩路光電耦合器，所述兩路光電耦 合器的輸入端分別接收所述信號變換單元轉換的兩路互補的信號，輸出端連接所述信號還 原單元；當採用磁耦合方式時，所述隔離傳輸單元包括兩路變壓器，所述兩路變壓器的輸入 端分別接收所述信號變換單元轉換的兩路互補的信號，輸出端連接所述信號還原單元。現 有隔離信號傳輸採用的光耦與磁耦合是直接傳輸，具有明顯缺陷(l)光耦普遍傳輸速度 不快，超高速光耦速度與本發明相當(50M傳輸速度)，但成本高，不利推廣。高速意味著高 的電流驅動，使耗電增加，壽命降低。(2)磁耦合傳輸速度可以很快，選擇不同磁芯，可以 得到很高的傳輸速度。但為避免磁飽和現象產生，需要滿足伏秒積分。它只能傳輸交流信 號，不能傳輸直流信號。在頻率較低時使磁芯增大，漏感增大，傳輸速度受影響。本實施例 具有如下優點(l)將電平信號傳輸變為瞬變信號傳輸。在隔離驅動時，可以使用較大電流 傳輸，提高抗幹擾能力。而平均功率卻不大。(2)對光耦來講，瞬態功率的提高意味著傳輸 速度可以更快，平均功率的降低意味著光耦壽命的提高。(3)對磁耦合來講，不必為選擇何 種磁芯而煩惱。只選擇可以傳輸傳輸瞬態信號的高頻磁芯，體積可以非常小，匝數也很少， 漏感可以降到最低。體積與結構的改變意味著，可以以極低的成本，獲得只有超高速光耦光 耦才能達到的高速度(甚至超過)。 發明實施例的信號還原單元的結構如圖6所示，所述信號還原單元包括由兩個或 非門構成的RS觸發器，其輸入端(RD、 S。端)分別接收所述隔離傳輸單元傳輸過來的兩路 信號，兩個輸出端(Q、5端)連接所述互補電平變換功率放大單元。所述信號還原單元採用 RS寄存器採樣微分信號，並還原。 本發明實施例的互補電平變換功率放大單元的結構如圖7所示，包括由一個N溝 道場效應管和一個P溝道場效應管構成的互補對稱功率放大電路，所述N溝道場效應管和P 溝道場效應管的柵極分別接收所述RS觸發器兩個輸出端的信號，輸出端連接待驅動器件； 所述所述N溝道場效應管和P溝道場效應管由共極三極體推動。本實施例中，利用RS觸發 器產生的互補信號，構成互補電平功率放大器。與MOSFET驅動配合，得到最小的延時與驅 動信號。使用互補輸入結構，共極三極體推動，共漏結構的脈衝驅動結構可以使驅動能力與 驅動速度得到本質提高。本發明引入了互補輸入結構，使得在開、關過程都獲得很高推動能 力，可以通過優化輸入延時，使共極三極體推動、共漏輸出的共態導通時間降至最低。共漏 輸出結構最適合瞬態大電流情況，是電容性負載的最佳驅動結構。 採用本發明邊沿信號隔離驅動器的驅動波形如圖8所示，參照圖8，可知本發明的 邊沿信號隔離驅動器具有以下驅動性能(l)驅動延時極快典型開啟延時《150ns，關閉 延時《120ns。甚至優於非隔離專用晶片。(2)具有最高可達20A的瞬態驅動能力。(3)上 升下降沿50ns(負載0. lii電容與3. 3Q串聯，輸出端測量)。(4)工作佔空比0-100% 。
本發明的邊沿信號隔離驅動器從瞬態驅動能力，反應速度，體積，成本上，都優於 現有的驅動器(l)邊沿信號傳輸可以成為超高速光耦的低成本替代產品。隔離延時小於 50ns。 (2)將高速信號分為2路信號，降低傳輸速率。由於信號上下沿延時特性一致，即便 較慢的dv/dt也不影響對信號的還原。這就使低速器件傳輸高速信號成為可能。比如將高 速信號分為2路，4路，甚至8路進行傳輸，從而降低傳輸速率。圖9，信號四路傳輸。(3)互 補電平功率放大器，通過引入互補信號，大幅提高了反應速度，驅動能力。
所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來 說，在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應 視為本發明的保護範圍。
權利要求
一種邊沿信號隔離驅動器，其特徵在於，所述驅動器包括信號變換單元，用於將驅動輸入信號轉換為兩路互補的信號；隔離傳輸單元，與所述信號變換單元連接，用於將所述兩路互補的信號分別進行隔離傳輸；信號還原單元，與所述隔離傳輸單元連接，用於將所述隔離傳輸單元傳輸過來的兩路信號還原為驅動輸入信號；互補電平變換功率放大單元，與所述信號還原單元連接，用於對所述信號還原單元還原得到的驅動輸入信號進行功率放大。
2. 如權利要求1所述的邊沿信號隔離驅動器，其特徵在於，所述信號變換單元包括緩 衝器，所述驅動輸入信號經過緩衝器形成與所述驅動輸入信號互補的信號，或上下邊沿的 微分信號。
3. 如權利要求1所述的邊沿信號隔離驅動器，其特徵在於，所述隔離傳輸單元包括兩 路光電耦合器，所述兩路光電耦合器的輸入端分別接收所述信號變換單元轉換的兩路互補 的信號，或上下邊沿的微分信號，輸出端連接所述信號還原單元。
4. 如權利要求1所述的邊沿信號隔離驅動器，其特徵在於，所述隔離傳輸單元包括兩 路變壓器，所述兩路變壓器的輸入端分別接收所述信號變換單元轉換的兩路互補的信號， 或上下邊沿的微分信號，輸出端連接所述信號還原單元。
5. 如權利要求1所述的邊沿信號隔離驅動器，其特徵在於，所述信號還原單元包括信 號寄存器，其輸入端分別接收所述隔離傳輸單元傳輸過來的兩路信號，兩個輸出端連接所 述互補電平變換功率放大單元。
6. 如權利要求5所述的邊沿信號隔離驅動器，其特徵在於，所述互補電平變換功率放 大單元包括由一個N溝道場效應管和一個P溝道場效應管構成的互補對稱功率放大電路， 所述N溝道場效應管和P溝道場效應管的柵極分別接收所述寄存器的兩個輸出端的互補驅動信號，輸出端連接待驅動器件。
7. 如權利要求6所述的邊沿信號隔離驅動器，其特徵在於，所述所述N溝道場效應管和 P溝道場效應管由共極三極體推動。
全文摘要
本發明公開了一種邊沿信號隔離驅動器，所述驅動器包括信號變換單元，用於將驅動輸入信號轉換為兩路互補的信號；隔離傳輸單元，與所述信號變換單元連接，用於將所述兩路互補的信號分別進行隔離傳輸；信號還原單元，與所述隔離傳輸單元連接，用於將所述隔離傳輸單元傳輸過來的兩路信號還原為驅動輸入信號；互補電平變換功率放大單元，與所述信號還原單元連接，用於對所述信號還原單元還原得到的驅動輸入信號進行功率放大。本發明使得MOSFET及IGBT驅動性能得到大幅度提高，驅動延時短，典型開啟延時≤150ns，關閉延時≤120ns；具有可以長期工作，至少達20A的瞬態驅動能力；上升下降沿高；無佔空比限制；靜態耗電低。
文檔編號H03K3/021GK101714862SQ20091023769
公開日2010年5月26日 申請日期2009年11月16日 優先權日2009年11月16日
發明者李力生 申請人:李力生