一种基于磁隔离的自供电逆变器IGBT驱动装置的制作方法

本发明涉及一种电力电子开关部件驱动装置，尤其涉及应用于逆变电源领域，亦可用于各种电气系统变流器中的一种基于磁隔离的自供电逆变器igbt驱动装置。

背景技术：

随着大功率电力电子开关部件的快速发展，大功率、大电流、高耐压的开关器件igbt管成为电力电子领域最主要的开关器件，被广泛的使用在电压变换、新能源并网、电机驱动、逆变电源、电磁感应加热等专业电源的应用场合。igbt管的结构有其特殊性，它通过控制栅极电场变化致使器件导通或者截止，因此在驱动igbt管导通时，需要有一个强度很大的脉冲注入电流，在驱动igbt管截止时，需要有一个强度很大的脉冲抽出电流，也就是说，igbt管在驱动过程，需要有正负两个电源供电。igbt管通常应用在h桥的拓扑结构环境，工作时是由多个管子协同工作的，由于各个管子的工作位置电位各不相同，因此igbt在实际应用中需要独立驱动，也就是说，igbt管的驱动装置必须相互隔离。鉴于igbt管本身的特性和工作环境的要求，它的驱动装置必须满足二个基本技术条件：隔离驱动、正负电源供电。

目前主流的igbt驱动电路大多采用dc-dc变换器提供隔离的正负直流电源，如文献[黄先进，智能化igbt驱动电路研究，电工技术学报，2005年4月]采用高频开关电源为驱动电路供电，该方法可为igbt驱动电路提供三路相互隔离的+15v、-10v电源。文献[张黎等，智能化igbt驱动模块2sd315a关键技术分析，大功率变流技术，2009年1月]采用反激拓扑构成了隔离型dc/dc变换器，将15v电源转换成两路+15v、-10v隔离电源。为了解决igbt管需要隔离驱动的问题，目前国内应用最广的方法是采用光电耦合器作为隔离元件的驱动方法。文献[胡聪等，一种适合感应加热的igbt驱动电路，电力电子技术，2007年6月]介绍了一种采用6n137作为光电隔离的专业igbt驱动电路模块ixdd414ci，该模块可应用于感应加热电源的igbt驱动环节中；文献[刘伟明等，光耦合器hcpl-316j在igbt驱动电路中的应用，空军雷达学院学报，2008年6月]采用hcpl-316j光电耦合器件作为隔离原件设计了一种igbt驱动电路，可驱动150a、1200v的igbt管，上述工作表明：采用dc/dc变换器可为igbt驱动电路提供所需要的隔离电源，但专用的隔离电源模块增加了电路的元器件数量和占用了安装体积；采用光电耦合器可以很好的解决中低频率igbt管的隔离驱动问题，但由于半导体光敏元件在高速工作情况下表现不尽人意，因此光电耦合器不能应用在高频igbt管的隔离驱动电路中。

随着电力电子技术的发展，提高单位体积功率密度成为电源技术的主要目标。为了提高功率、减少体积，电源技术向着提高工作频率、减少元器件需求方向发展。在这种背景下，光电耦合技术由于不适应高频工作条件而难以应用在igbt驱动电路中；采用dc/dc变换器为igbt驱动电路提供隔离电路的方法也由于占用体积而需要重新考虑供电方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种igbt驱动装置，这个igbt驱动装置采用磁耦合方法取代光电耦合方法实现隔离驱动，解决了高频工作条件下igbt驱动问题；采用携带电能量的高频载波与调制信号混频的方法向次级提供所需要的工作电压，省去了dc/dc直流隔离供电电路，节省了该部分电路所占用的安装体积，装置具有工作频率高、功率密度大的优点。

本发明技术方案的特点是：

1、提出了一种磁隔离变压器结构，该变压器构成的磁耦合通道可同时将驱动信号与电能量由初级传递到次级通道；

2、提出了一种信号与能量隔离传输的方法，该方法是将代表igbt驱动信号的调制信号与携带电能量的高频载波混频调制，形成一个既有控制信号又携带能量的载波信号，构成混合信号。混合信号经由磁隔离变压器提供的磁回路传递到次级，并在次级重新分解为调制信号与高频载波。

本发明一种基于磁隔离的自供电逆变器igbt驱动装置，包括：功率乘法器、抗磁偏电路、磁隔离变压器、整流器、滤波器、解调器、整形过流保护电路、放大器；所述磁隔离变压器由初级线圈n1，次级线圈n2、n3、n4、n5构成，其中线圈n2、n3首尾相接构成中心抽头电源线圈组，线圈n4、n5首尾相接构成中心抽头信号线圈组，初级线圈与次级线圈之间通过磁芯实现磁耦合；所述滤波器由+滤波环节与-滤波环节构成；所述调制信号为pwm信号、spwm信号与svpwm信号中的一种，调制信号与高频载波信号作为功率乘法器的输入信号，通过功率乘法器处理后的信号送抗磁偏电路处理，形成不带直流分量的输出信号，该输出信号作为初级线圈n1的输入信号uin；uin信号输入初级线圈n1后，经磁隔离变压器耦合，传输到次级，耦合到线圈n2、n3构成的电源线圈组的信号送往整流器，经整流器整流后获得脉动直流信号；整流器输出的脉动直流信号送往滤波器，经由+滤波环节与-滤波环节滤波后获得了+vcc与-vcc两个直流电压输出；耦合到线圈n4、n5构成的信号线圈组的信号送往解调器，经解调后还原出调制信号；解调器输出的调制信号送往整形过流保护器进行整形，获得高质量的调制信号；整形过流保护器输出的高质量spwm信号送往放大器进行放大，获得足够的功率后输出，驱动igbt管；igbt管集电极信号被引到整形过流保护器的输入端，作为表征igbt管电流大小的信号；由+滤波环节输出的+vcc电压分别送往整形过流保护器和放大器，由-滤波环节输出的-vcc电压分别送往整形过流保护器和放大器，作为整形过流保护器和放大器的工作电源。

所述功率乘法器由基础乘法器与电流驱动电路组成，基础乘法器由线性乘法器、集成电路乘法器、逻辑器件、混频器等器件构成，电流驱动电路由推挽拓扑电路构成。

所述高频载波携带着为次级提供工作电源的电能量，该电能量经功率乘法器与调制信号混合，形成既有代表igbt开关控制信息的调制信号又有携带电能量的高频载波信号的混合信号。

所述磁隔离变压器同时完成电气隔离、高频载波电能量取出、调制信号取出三个功能，它由初级线圈、次级线圈与磁芯组成。初级线圈为单个线圈，次级线圈由两个线圈组组成。n2线圈没标同铭端的端头与n3有标同铭端的端头相连，相连后抽出一条线为中线，以这种连接方式n2、n3线圈组合成一个三条引线的电源线圈组，用于接收初级线圈通过磁耦合传递过来的混合信号中的高频载波信号，获得其携带的电能量，三条引线分别是：n2线圈有同铭端的线端、n2与n3相连的线端、n3没有同铭端的线端。n4线圈没标同铭端的端头与n5有标同铭端的端头相连，相连后抽出一条线为中线，以这种连接方式n4、n5线圈组合成一个三条引线的信号线圈组，用于接收初级线圈通过磁耦合传递过来的混合信号中的调制信号，获得其携带的控制信号，三条引线分别是：n4线圈有同铭端的线端、n4与n5相连的线端、n5没有同铭端的线端。

所述整形过流保护器由高速比较器、电流阀值比较器构成，具有在一个开关周期内关断igbt管的能力。

本发明的有益效果在于：区别以往的igbt控制电路，调制信号和功率电源必须分开传送；通过引入磁隔离变压器，用于控制igbt管的调制信号和调制在高频载波的功率电源通过磁隔离变压器同时送到igbt管的控制电路；大大的简化了电路结构，减少安装体积，又提高了可靠性、降低了成本，具有工作频率高、功率密度大的优点。

附图说明

图1为本发明实施例的电路拓扑示意图。

图2为本发明实施例之一的功率乘法器示意图。

图3为本发明实施例之一的整形过流保护器示意图。

图4为本发明实施例之一的放大器示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例之一对本发明作进一步说明：

参见图1，本发明电路包括：包括：功率乘法器(1)、抗磁偏电路(2)、磁隔离变压器(3)、整流器(4)、滤波器(5)、解调器(6)、整形过流保护电路(7)、放大器(8)；所述磁隔离变压器(3)由初级线圈n1(31)，次级线圈由n2(32)、n3(33)、n4(34)、n5(35)构成，其中线圈n2(32)、n3(33)首尾相接构成中心抽头电源线圈组，线圈n4(34)、n5(35)首尾相接构成中心抽头信号线圈组，初级线圈与次级线圈之间通过磁芯实现磁耦合。

参考图2，本发明实施例之一的功率乘法器为至少由线性乘法器、集成电路乘法器、逻辑器件、混频器等器件之一构成的基础乘法器(11)，npn型晶体管(12)、pnp型晶体管(13)接成推挽结构，构成电流驱动电路。

参考图3，本发明实施例之一的整形过流保护器的构成为：电阻r1(71)、电阻r2(72)构成分压器，将参考电压uf1分压后得到基准电压ur1，基准电压ur1接到比较器a1(73)负输入端，作为比较器a1(73)的比较电压。电阻r4(76)、电阻r3(77)构成分压器，将参考电压uf2分压后得到基准电压ur2，基准电压ur2接到比较器a2(75)的正输入端，作为比较器a2的比较电压。具体工作描述为：当由解调器(6)送过来的解调后的调制信号作为整形过流保护器的输入信号之一us被送到比较器a1(73)的正端，与负端的基准电压ur1进行比较整形，比较器a1(73)输出高质量的调制信号并送往与门f(74)。流过igbt管发射极的电流ib作为整形过流保护器的输入信号之一被送入变压器t8(79)的初级n1线圈，经变压器耦合后形成次级线圈n2中的电流ib2。ib2在r5(78)上形成电压uib。uib被送往比较器a2(75)的负极，与正极的基准电压ur2进行比较，比较结果送往与门f(74)。当igbt管发射极电流ib小于保护值时，uib小于基准电压ur2，比较器a2(75)输出高电平，比较器a1(73)输出的高质量的调制信号可通过与门f(74)输出。当igbt管发射极电流ib大于保护值时，uib大于基准电压ur2，比较器a2(75)输出低电平，比较器a1(73)输出的高质量的调制信号无法通过与门f(74)输出，门f(74)输出低电平，关断igbt。

参考图4，本发明实施例之一的放大器的构成为：npn晶体管t1(81)、t2(83)构成npn型达林顿复合管，pnp晶体管t2(81)、t4(84)构成pnp型达林顿复合管。npn型达林顿复合管与pnp型达林顿复合管构成互补推挽结构，形成电流驱动电路，输出电压为vout1。电容c1(85)与电容c2(86)构成分压器，将电压+vcc、-vcc分压后获得中点电压vout2。在实施例中，vout1送往igbt的栅极g，vout2送往igbt的发射极e。

本发明实施例之一的工作过程为：调制信号为携带者对igbt管的控制信号，高频载波信号为携带电能量的载波信号，他们通过功率乘法器处理后，形成既携带对igbt管的控制信号，又携带电能量的混合信号。该混合信号送抗磁偏电路处理后，形成不带直流分量的输出信号，该输出信号作为初级线圈n1的输入信号uin。uin信号输入初级线圈n1后，经磁隔离变压器耦合，传输到次级，耦合到线圈n2、n3构成的电源线圈组的信号送往整流器，经整流器整流后获得脉动直流信号；整流器输出的脉动直流信号送往滤波器，经由+滤波环节与-滤波环节滤波后获得了+vcc与-vcc两个直流电压输出，该直流电压作为其他电路的电源。耦合到线圈n4、n5构成的信号线圈组的信号送往解调器，经解调后还原出调制信号。解调器输出的调制信号送往整形过流保护器进行整形，获得高质量的调制信号。整形过流保护器输出的高质量spwm信号送往放大器进行放大，获得足够的功率后输出，驱动igbt管；igbt管集电极信号被引到整形过流保护器的输入端，作为表征igbt管电流大小的信号。

本发明技术方案提出一种磁隔离变压器结构，该变压器构成的磁耦合通道可同时将驱动信号与电能量由初级传递到次级通道；提出一种信号与能量隔离传输的方法，该方法是将代表igbt驱动信号的调制信号与携带电能量的高频载波混频调制，形成一个既有控制信号又携带能量的载波信号，构成混合信号。混合信号经由磁隔离变压器提供的磁回路传递到次级，并在次级重新分解为调制信号与高频载波。

本发明的有益效果在于：区别以往的igbt控制电路，调制信号和功率电源必须分开传送；通过引入磁隔离变压器，用于控制igbt管的调制信号和调制在高频载波的功率电源通过磁隔离变压器同时送到igbt管的控制电路；大大的简化了电路结构，减少安装体积，又提高了可靠性、降低了成本，具有工作频率高、功率密度大的优点。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明保护范围为准。