CN107026638A - 一种igbt驱动装置及驱动方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种IGBT驱动装置及驱动方法，属于半导体功率器件技术领域，解决了传统的IGBT驱动装置及方法无法在降低IGBT开关损耗的同时兼顾IGBT安全可靠性的技术问题。该IGBT驱动装置包括：通信单元，其用于接收PWM信号；驱动电路单元，其输出端与IGBT栅极连接，所述驱动电路单元包括：多个驱动电阻支路；驱动控制单元，其输入端与所述通信单元连接，输出端与所述驱动电路单元连接，所述驱动控制单元用于根据IGBT在开通和关断过程中所处的阶段，在相应阶段从所述驱动电路单元中选择所述驱动电阻支路传输PWM信号。

Description

一种IGBT驱动装置及驱动方法
技术领域
本发明涉及半导体功率器件技术领域，具体的说，涉及一种IGBT驱动装置及驱动方法。
背景技术
当前，绝缘栅双极性晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)作为第三代半导体器件已经应用到生活的各个领域，包括轨道交通、工业传动、风力发电、电动汽车、家用电器等。随着IGBT器件的不断发展和进步，器件的高频和低损耗成为各个领域的强烈需求。
对于IGBT驱动的研究是我们研究IGBT开关损耗的重点之一。传统IGBT驱动器均采用一个门极开通电阻和关断电阻控制IGBT的开、关。采用较小的门极电阻，IGBT通断快，可以减小IGBT的开关损耗，但是会造成较大开通电流尖峰和关断电压尖峰，从而产生较大的干扰，严重的将使整个装置无法工作。反之，采用阻值较高的门极电阻，IGBT通断则慢，同时开关损耗大。
因此，亟需一种能够在降低IGBT开关损耗的同时兼顾IGBT安全可靠性的IGBT驱动装置及驱动方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种IGBT驱动装置及驱动方法，以解决传统的IGBT驱动装置及方法无法在降低IGBT开关损耗的同时兼顾IGBT安全可靠性的技术问题。
本发明提供一种IGBT驱动装置，该装置包括：
通信单元，其用于接收PWM信号；
驱动电路单元，其输出端与IGBT栅极连接，所述驱动电路单元包括：多个驱动电阻支路；
驱动控制单元，其输入端与所述通信单元连接，输出端与所述驱动电路单元连接，所述驱动控制单元用于根据IGBT在开通和关断过程中所处的阶段，在相应阶段从所述驱动电路单元中选择所述驱动电阻支路传输PWM信号。
所述驱动控制单元还用于在IGBT开通过程中的充电开始时刻和米勒平台结束时刻以及关断过程中的放电开始时刻和米勒平台结束时刻分别从驱动电路单元中选择驱动电阻支路导通进行PWM信号的传输，使所述驱动电路单元中传输PWM信号的驱动电阻支路的总阻值分别为第一阻值、第二阻值、第三阻值和第四阻值，第一阻值大于第二阻值，第三阻值小于第四阻值。
所述驱动控制单元包括：
多个功率放大模块，其用于对所述PWM信号进行功率放大，每个功率放大模块输出端与多个驱动电阻支路连接；
第一选择模块，其用于根据IGBT在开通和关断过程中所处的阶段，在相应阶段选择所述功率放大模块传输PWM信号。
所述驱动电路单元包括第一功率放大模块、第二功率放大模块、第三功率放大模块和第四功率放大模块，第一选择模块用于在IGBT开通过程中的充电开始时刻，导通第一和第二功率放大模块，在IGBT开通过程中的米勒平台结束时刻和关断过程中的放电开始时刻，导通所述第一、第二、第三和第四功率放大模块，在IGBT关断过程中的米勒平台结束时刻，导通第三和第四功率放大模块。
所述多个驱动电阻支路分为多个开通驱动电阻支路和多个关断驱动电阻支路，所述功率放大模块包括：
功率放大电路，其用于对所述PWM信号进行功率放大，所述功率放大电路输出端连接有开通驱动电阻支路和关断驱动电阻支路；
第二选择电路，其用于根据PWM信号在IGBT开通过程中选择开通驱动电阻支路传输功率放大后的PWM信号，在IGBT关断过程中选择关断驱动电阻支路传输功率放大后的PWM信号。
本发明提供的IGBT驱动装置还包括：
第一采集单元，其用于采集所述IGBT栅极电位数据；
第二采集单元，其用于采集所述IGBT发射极电位数据；
第三采集单元，其用于采集所述IGBT集电极电位数据；
第四采集单元，其用于采集所述IGBT辅助发射极电位数据；
数据处理单元，其用于根据采集到的所述电位数据获得所述IGBT的栅极辅助发射极电压、集电极辅助发射极电压、发射极辅助发射极电压。
本发明提供的IGBT驱动装置还包括：
软短路保护单元，其用于根据所述发射极辅助发射极电压获得发射极辅助发射极寄生电流变化率，当所述寄生电流变化率大于预设值时，通过所述驱动电路单元向所述IGBT发送关断信号。
所述驱动控制单元还用于在所述寄生电流变化率大于预设值时从驱动电路单元中选择驱动电阻支路导通进行所述关断信号的传输，使所述驱动电路单元中传输所述关断信号的驱动电阻支路的总阻值为第五阻值，第五阻值大于第三阻值。
本发明还提供一种IGBT驱动方法，该方法包括：
接收PWM信号；
根据IGBT在开通和关断过程中所处的阶段，在相应阶段从包括有多个驱动电阻支路的驱动电路单元中选择驱动电阻支路向IGBT栅极传输PWM信号。
在所述在相应阶段从驱动电路单元中选择驱动电阻支路传输PWM信号的步骤中包括：
在IGBT开通过程中的充电开始时刻和米勒平台结束时刻以及关断过程中的放电开始时刻和米勒平台结束时刻分别从驱动电路单元中选择驱动电阻支路导通进行PWM信号的传输，使所述驱动电路单元中传输PWM信号的驱动电阻支路的总阻值分别为第一阻值、第二阻值、第三阻值和第四阻值，第一阻值大于第二阻值，第三阻值小于第四阻值。
本发明实施例提供的IGBT驱动装置及驱动方法，通过在IGBT开通和关断过程中的不同阶段从驱动电路单元中选择不同的驱动电阻支路构成栅极电阻来实现对于栅极电阻的阻值的控制，从而在IGBT开通过程中抑制了开通电流尖峰，在IGBT关断过程中抑制了关断电压尖峰，在提升IGBT应用的可靠性的同时降低了IGBT的开关损耗。并且通过对于IGBT发射极辅助发射极寄生电流变化率的实时监测，降低IGBT软短路时的电流，进一步减小IGBT损坏风险。另外，通过实时监控IGBT栅极辅助发射极电压、集电极辅助发射极电压、发射极辅助发射极电压以及IGBT驱动装置内温度，并对监控数据进行存储，为后期的故障数据分析和研究提供有利条件。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要的附图做简单的介绍：
图1是本发明实施例提供的IGBT驱动装置的示意图；
图2是本发明实施例提供的IGBT开通过程中的电压—时间曲线图；
图3是本发明实施例提供的IGBT关断过程中的电压—时间曲线图；
图4是本发明实施例提供的IGBT驱动装置的应用示意图；
图5是本发明实施例提供的IGBT驱动方法的流程图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
本发明实施例提供一种IGBT驱动装置，如图1所示，该装置包括：通信单元、驱动电路单元和驱动控制单元。其中，通信单元用于接收PWM信号。驱动电路单元的输入端与驱动控制单元连接，输出端与IGBT栅极连接，驱动电路单元中包括有多个驱动电阻支路。驱动控制单元输入端与通信单元连接，输出端与驱动电路单元连接，驱动控制单元用于根据IGBT在开通和关断过程中所处的阶段，在相应阶段从驱动电路单元中选择驱动电阻支路传输PWM信号。在本发明实施例提供的IGBT驱动装置中，驱动控制单元在IGBT开通和关断的不同阶段在驱动电路单元中选用不同的驱动电阻支路来作为IGBT栅极电阻传输通信单元接收的PWM信号，使得在通过PWM信号驱动IGBT时，在IGBT开通和关断过程中的不同时刻，IGBT栅极驱动电阻的阻值产生变化，通过可控的IGBT栅极电阻对IGBT的工作过程进行优化。
下面结合图2所示的IGBT开启过程中栅极G与发射极E之间的电压VGE与时间t的曲线图和图3所示的IGBT关断过程中栅极G与发射极E之间的电压VGE与时间t的曲线图来进一步说明驱动电路单元和驱动控制单元的工作过程。
如图2所示，IGBT的开通过程中，在图中纵向虚线t1所表示的时间点开始为IGBT的栅极充电，栅极G与发射极E之间的电压VGE从关断电压VGE(off)开始上升。当VGE上升到阈值电压时，IGBT开始导通，之后VGE继续上升至VGE(pl)到达米勒平台，此时栅极电流由于米勒效应持续为不断增长的栅极集电极电容充电，VGE维持在米勒平台不变。在图中纵向虚线t2所表示的时间点，米勒平台结束，VGE继续上升直至达到开通电压VGE(on)，IGBT完全导通，完成开通过程。
驱动控制单元用于在IGBT开通过程中的充电开始时刻t1和米勒平台结束时刻t2分别从驱动电路单元中选择驱动电阻支路导通进行PWM信号的传输，使驱动电路单元中传输PWM信号的驱动电阻支路的总阻值分别为第一阻值、第二阻值，第一阻值大于第二阻值。由于在t2时刻之前，若IGBT的开通速度过快，会产生开通电流尖峰，导致反向恢复二极管承受较大的电流应力，可能会使反向恢复二极管损坏。因此，在本发明中，驱动控制单元从驱动电路单元中选出总阻值为第一阻值的驱动电阻支路来作为栅极电阻，相对于第二阻值较大的第一阻值可以有效的减缓IGBT在t1到t2时刻之间的开通速度，使反向恢复二极管承受较小的反向恢复电流应力，从而保护反向恢复二极管。而在t2时刻之后，IGBT还未完全开通，此时驱动控制单元从驱动电路单元中选出总阻值为第二阻值的驱动电阻支路来作为栅极电阻，相对于第一阻值较大的第二阻值可以有效的加快IGBT在t2时刻之后的开通速度，从而减小IGBT开通过程中的损耗。
IGBT的关断过程是开通过程的逆过程，如图3所示，IGBT的关断过程中，在图中纵向虚线t3所表示的时间点IGBT的栅极开始放电，栅极G与发射极E之间的电压VGE从开通电压VGE(on)开始下降。当VGE下降至VGE(pl)到达米勒平台，在图中纵向虚线t2所表示的时间点，米勒平台结束，VGE继续下降直至达到关断电压VGE(off)，IGBT完全关断，完成关断过程。
驱动控制单元用于在IGBT关断过程中的放电开始时刻t3和米勒平台结束时刻t4分别从驱动电路单元中选择驱动电阻支路导通进行PWM信号的传输，使驱动电路单元中传输PWM信号的驱动电阻支路的总阻值分别为第三阻值和第四阻值，第三阻值小于第四阻值。在t3时刻驱动控制单元从驱动电路单元中选出总阻值为第三阻值的驱动电阻支路来作为栅极电阻，相对于第四阻值较小的第三阻值可以有效的加快IGBT在t3到t4时刻之间的关断速度，从而减小IGBT关断过程中的损耗。由于在t4时刻之后，IGBT即将完成关断，直流母流、IGBT、反向恢复二极管回路产生的集成电感会与反向恢复二极管发生LC谐振，进而产生关断电压尖峰，若IGBT的关断速度过快会造成过高的电压尖峰，进而导致IGBT过压击穿。因此，在t4时刻，驱动控制单元从驱动电路单元中选出总阻值为第四阻值的驱动电阻支路来作为栅极电阻，相对于第三阻值较大的第四阻值可以有效的减缓IGBT在t4时刻之后的关断速度，避免产生过高的关断电压尖峰，从而保护IGBT。
进一步的，在本发明的一种实施方式中，如图4所示，驱动控制单元包括中包括有：多个功率放大模块和第一选择模块。其中，功率放大模块用于对PWM信号进行功率放大，每个功率放大模块输出端与多个驱动电阻支路连接。第一选择模块用于根据IGBT在开通和关断过程中所处的阶段，在相应阶段选择功率放大模块传输PWM信号。在一种实施方式中，驱动电路单元包括4个功率放大模块，分别为第一功率放大模块、第二功率放大模块、第三功率放大模块和第四功率放大模块。第一选择模块用于在IGBT开通过程中的充电开始时刻，导通第一和第二功率放大模块，在IGBT开通过程中的米勒平台结束时刻和关断过程中的放电开始时刻，导通第一、第二、第三和第四功率放大模块，在IGBT关断过程中的米勒平台结束时刻，导通第三和第四功率放大模块。
更为具体的，在该实施方式中，多个驱动电阻支路分为多个开通驱动电阻支路和多个关断驱动电阻支路，功率放大模块由功率放大电路和第二选择电路组成，功率放大电路用于对PWM信号进行功率放大，功率放大电路输出端连接有一个开通驱动电阻支路和一个关断驱动电阻支路。第二选择电路用于根据PWM信号在IGBT开通过程中选择开通驱动电阻支路传输功率放大后的PWM信号，在IGBT关断过程中选择关断驱动电阻支路传输功率放大后的PWM信号。
第一选择单元进行功率放大模块的选择，在功率放大模块内由第二选择电路进行开通驱动电阻支路和关断驱动电阻支路的选择。即在t1时刻第一选择模块导通第一和第二功率放大模块，第一和第二功率放大模块内第二选择电路导通对应的开通驱动电阻支路，其上电阻分别为RON1和RON2。
在t2时刻导通第一、第二、第三和第四功率放大模块，第一、第二、第三和第四功率放大模块内第二选择电路导通对应的开通驱动电阻支路，其上电阻分别为RON1、RON2、RON3和RON4。t2时刻由RON1、RON2、RON3和RON4并联组成的栅极电阻的阻值即第二阻值小于t1时刻由RON1和RON2并联组成的栅极电阻的阻值即第一阻值。
在t3时刻导通第一、第二、第三和第四功率放大模块，第一、第二、第三和第四功率放大模块内第二选择电路导通对应的关断驱动电阻支路，其上电阻分别为ROFF1、ROFF2、ROFF3和ROFF4。
在t4时刻导通第三和第四功率放大模块，第三和第四功率放大模块内第二选择电路导通对应的关断驱动电阻支路，其上电阻分别为ROFF3和ROFF4。t3时刻由ROFF1、ROFF2、ROFF3和ROFF4并联组成的栅极电阻的阻值即第三阻值小于t4时刻由ROFF3和ROFF4并联组成的栅极电阻的阻值即第四阻值。
可选的，本发明实施例提供的IGBT驱动装置还包括：第一采集单元、第二采集单元、第三采集单元、第四采集单元、数据处理单元、温度检测单元和存储单元。其中，第一采集单元用于采集IGBT栅极电位数据。第二采集单元用于采集IGBT发射极电位数据。第三采集单元用于采集IGBT集电极电位数据。第四采集单元用于采集IGBT辅助发射极电位数据。数据处理单元用于根据采集到的电位数据获得IGBT的栅极辅助发射极电压、集电极辅助发射极电压、发射极辅助发射极电压。温度检测单元用于实时检测IGBT驱动装置内温度。通过第一采集单元、第二采集单元、第三采集单元、第四采集单元、温度检测单元和数据处理单元实时监控，将采集到的数据转入存储单元进行存储，在发生故障时，可根据上层控制系统的指示，通过通信单元将存储的故障数据编码发送给上层控制系统，便于之后进行分析研究。
进一步的，本发明实施例提供的IGBT驱动装置还包括：软短路保护单元，软短路保护单元用于根据发射极辅助发射极电压获得发射极辅助发射极寄生电流变化率di/dt，当寄生电流变化率di/dt大于预设值时，通过驱动电路单元向IGBT发送关断信号。驱动控制单元还用于在寄生电流变化率di/dt大于预设值时从驱动电路单元中选择驱动电阻支路导通进行关断信号的传输，使驱动电路单元中传输关断信号的驱动电阻支路的总阻值为第五阻值，第五阻值大于第三阻值。当IGBT发射极辅助发射极寄生电流变化率di/dt大于预设值时即IGBT在“软”短路时，为了保证IGBT承受较小的电流应力，软短路保护单元发送关断信号驱动IGBT关断，此时传输关断信号的驱动电阻支路的总阻值为第五阻值，即当采用相对于第三阻值较大的第五阻值的目的在于减缓IGBT的关断速度，保护IGBT。
进一步的，本发明实施例提供的IGBT驱动装置还包括：PWM信号检测单元，其用于检测PWM信号是否有宽度和频率异常，在PWM信号发生宽度和频率异常现象时，通过通信单元向上层控制系统发送警示信息。
在本发明的一种实施方式中，第一选择模块、数据处理单元、软短路保护单元和PWM信号检测单元的功能可集成在FPGA芯片上实现，第一采集单元、第二采集单元、第三采集单元以及第四采集单元可由运算放大器电路和模数转换电路实现。
本发明实施例还提供一种IGBT驱动方法，如图5所示，该方法包括步骤101和步骤102。在步骤101中，接收PWM信号。在步骤102中，根据IGBT在开通和关断过程中所处的阶段，在相应阶段从包括有多个驱动电阻支路的驱动电路单元中选择驱动电阻支路向IGBT栅极传输PWM信号。
其中步骤102具体为：在IGBT开通过程中的充电开始时刻和米勒平台结束时刻以及关断过程中的放电开始时刻和米勒平台结束时刻分别从驱动电路单元中选择驱动电阻支路导通进行PWM信号的传输，使所述驱动电路单元中传输PWM信号的驱动电阻支路的总阻值分别为第一阻值、第二阻值、第三阻值和第四阻值，第一阻值大于第二阻值，第三阻值小于第四阻值。
关于本发明实施例提供的IGBT驱动方法的具体细节，在上述提供的IGBT驱动装置的实施方式中以进行了详细说明，在此不再敖述。
本发明实施例提供的IGBT驱动装置及驱动方法，通过在IGBT开通和关断过程中的不同阶段从驱动电路单元中选择不同的驱动电阻支路构成栅极电阻来实现对于栅极电阻的阻值的控制，从而在IGBT开通过程中抑制了开通电流尖峰，在IGBT关断过程中抑制了关断电压尖峰，在提升IGBT应用的可靠性的同时降低了IGBT的开关损耗。并且通过对于IGBT发射极辅助发射极寄生电流变化率的实时监测，降低IGBT软短路时的电流，进一步减小IGBT损坏风险。另外，通过实时监控IGBT栅极辅助发射极电压、集电极辅助发射极电压、发射极辅助发射极电压以及IGBT驱动装置内温度，并对监控数据进行存储，为后期的故障数据分析和研究提供有利条件。
虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种IGBT驱动装置，其特征在于，包括：
通信单元，其用于接收PWM信号；
驱动电路单元，其输出端与IGBT栅极连接，所述驱动电路单元包括：多个驱动电阻支路；
驱动控制单元，其输入端与所述通信单元连接，输出端与所述驱动电路单元连接，所述驱动控制单元用于根据IGBT在开通和关断过程中所处的阶段，在相应阶段从所述驱动电路单元中选择所述驱动电阻支路传输PWM信号。
2.根据权利要求1所述的IGBT驱动装置，其特征在于，所述驱动控制单元还用于在IGBT开通过程中的充电开始时刻和米勒平台结束时刻以及关断过程中的放电开始时刻和米勒平台结束时刻分别从驱动电路单元中选择驱动电阻支路导通进行PWM信号的传输，使所述驱动电路单元中传输PWM信号的驱动电阻支路的总阻值分别为第一阻值、第二阻值、第三阻值和第四阻值，第一阻值大于第二阻值，第三阻值小于第四阻值。
3.根据权利要求2所述的IGBT驱动装置，其特征在于，所述驱动控制单元包括：
多个功率放大模块，其用于对所述PWM信号进行功率放大，每个功率放大模块输出端与多个驱动电阻支路连接；
第一选择模块，其用于根据IGBT在开通和关断过程中所处的阶段，在相应阶段选择所述功率放大模块传输PWM信号。
4.根据权利要求3所述的IGBT驱动装置，其特征在于，所述驱动电路单元包括第一功率放大模块、第二功率放大模块、第三功率放大模块和第四功率放大模块，第一选择模块用于在IGBT开通过程中的充电开始时刻，导通第一和第二功率放大模块，在IGBT开通过程中的米勒平台结束时刻和关断过程中的放电开始时刻，导通所述第一、第二、第三和第四功率放大模块，在IGBT关断过程中的米勒平台结束时刻，导通第三和第四功率放大模块。
5.根据权利要求1至4任一项所述的IGBT驱动装置，其特征在于，所述多个驱动电阻支路分为多个开通驱动电阻支路和多个关断驱动电阻支路，所述功率放大模块包括：功率放大电路，其用于对所述PWM信号进行功率放大，所述功率放大电路输出端连接有开通驱动电阻支路和关断驱动电阻支路；
第二选择电路，其用于根据PWM信号在IGBT开通过程中选择开通驱动电阻支路传输功率放大后的PWM信号，在IGBT关断过程中选择关断驱动电阻支路传输功率放大后的PWM信号。
6.根据权利要求5所述的IGBT驱动装置，其特征在于，还包括：
第一采集单元，其用于采集所述IGBT栅极电位数据；
第二采集单元，其用于采集所述IGBT发射极电位数据；
第三采集单元，其用于采集所述IGBT集电极电位数据；
第四采集单元，其用于采集所述IGBT辅助发射极电位数据；
数据处理单元，其用于根据采集到的所述电位数据获得所述IGBT的栅极辅助发射极电压、集电极辅助发射极电压、发射极辅助发射极电压。
7.根据权利要求6所述的IGBT驱动装置，其特征在于，还包括：
软短路保护单元，其用于根据所述发射极辅助发射极电压获得发射极辅助发射极寄生电流变化率，当所述寄生电流变化率大于预设值时，通过所述驱动电路单元向所述IGBT发送关断信号。
8.根据权利要求7所述的IGBT驱动装置，其特征在于，所述驱动控制单元还用于在所述寄生电流变化率大于预设值时从驱动电路单元中选择驱动电阻支路导通进行所述关断信号的传输，使所述驱动电路单元中传输所述关断信号的驱动电阻支路的总阻值为第五阻值，第五阻值大于第三阻值。
9.一种IGBT驱动方法，其特征在于，包括：
接收PWM信号；
根据IGBT在开通和关断过程中所处的阶段，在相应阶段从包括有多个驱动电阻支路的驱动电路单元中选择驱动电阻支路向IGBT栅极传输PWM信号。
10.根据权利要求9所述的IGBT驱动方法，其特征在于，在所述在相应阶段从驱动电路单元中选择驱动电阻支路传输PWM信号的步骤中包括：
在IGBT开通过程中的充电开始时刻和米勒平台结束时刻以及关断过程中的放电开始时刻和米勒平台结束时刻分别从驱动电路单元中选择驱动电阻支路导通进行PWM信号的传输，使所述驱动电路单元中传输PWM信号的驱动电阻支路的总阻值分别为第一阻值、第二阻值、第三阻值和第四阻值，第一阻值大于第二阻值，第三阻值小于第四阻值。
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