CN109917179B - 基于功率器件寄生电感的电流检测系统及电流检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电流检测系统，包括一功率器件，其功率发射极和辅助发射极之间连接有低通滤波器，低通滤波器包括滤波器电容和滤波器电阻；采样信号调节电路，与低通滤波器的电容输出端相连；信号整形电路，连接于功率发射极和辅助发射极之间；以及可编程器件，其与采样信号调节电路的输出端和信号整形电路的输出端相连，接收信号整形电路的信号作为启动信号，控制采样信号调节电路进行采样。本发明还提供了一种电流检测方法和一种可编程器件。本发明的电流检测系统可以实现功率器件寄生参数与检测系统的时间常数自动匹配，而不需对每个功率器件的寄生参数进行测量，因此提高了检测精度，并且此检测系统电路结构简单，易于集成。

Description

基于功率器件寄生电感的电流检测系统及电流检测方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，更具体涉及一种基于功率器件寄生电感的电流检测系统及电流检测方法。

技术背景

功率开关器件是电力电子技术中的重要组成部分，而绝缘栅双极型晶体管(IGBT)占有主要的市场，被广泛使用在大功率应用场合。由于其具有耐高压，电流大，耐热更高等特点，IGBT通常工作在高电压，大电流情况下，一旦发生过流极易损坏。因此实时检测IGBT电流，能有效延长IGBT寿命，提高系统的可靠性。

目前常用的电流检测方案主要分为基于欧姆定律、基于电磁场原理和基于 IGBT寄生电感三类，具体有以下三种方案。

(1)采样电阻：在IGBT发射极串接小阻值的采样电阻，或集成采样电阻的IGBT功率模块，其缺点为由于电阻存在寄生电感和温度系数使测量结果存在误差，并且其热损耗也不可忽视。

(2)使用基于电磁场原理的检测元件：例如霍尔传感器，电流探头，罗氏线圈等。这些元件能提供完全的电学隔离，但是体积大，价格不菲，对于大功率多IGBT系统来说，采用基于电磁原理的电流检测方案是不现实的。

(3)基于IGBT寄生电感的电流检测方案。此种电流检测方案无电阻热损耗，体积小，电路简单便于板级实现并且可以集成到芯片内部。

现有的基于寄生电感的IGBT电流检测系统如图1所示。其中，为了减小功率回路振荡对栅极控制信号的影响，现有的IGBT功率模块在封装时常采用开尔文连接方式，即将IGBT的发射极分为功率发射极E和辅助发射极 E′，在功率发射极E和辅助发射极E′之间的连线上存在寄生电感和寄生电阻。

当流过IGBT的负载电流I_c变化时，功率发射极E和辅助发射极E′之间会产生一定的电压差V_EE′,可用式(1)表示。

式中，L_EE′和L_KE′都是功率发射极E和辅助发射极E′间的杂散电感，其中L_EE′是未封装时的发射极寄生电感，L_KE′是由开尔文连接引入的寄生电感， I_g是IGBT的栅极电流，I_c是IGBT的负载电流。

实际工作中IGBT的负载电流I_c远大于栅极电流I_g，因此忽略等式的第二项。

现有技术将R_f与C_f连接在IGBT的功率发射极E与辅助发射极E′之间，构成RC低通滤波电路，随后，测量电容C_f两端的电压作为检测电压Vo。

检测电压V_O与IGBT电流I_c的传输函数表达式为：

其中，R_L是发射极寄生电阻，L_EE’为发射极寄生电感，C_f和R_f是构成低通滤波器的电阻和电容。

观察等式(2)可以发现当

时，检测电压V_O和流过IGBT的电流成比例关系，且只与寄生电阻R_L有关而与频率无关。但是由于IGBT的寄生电感L_EE’和R_L是由功率发射极E和辅助发射极E′的连线引起的，不同IGBT 模块的寄生参数不相同，因此时间常数难以匹配。

因此，由于IGBT寄生参数与检测系统的时间常数难以匹配，通常需要提前对每个IGBT模块进行测量后确定IGBT模块的寄生参数，再根据此寄生参数对检测系统的时间常数R_fC_f进行选取。因为时间常数失配导致测量精度得不到保证，限制了它的使用。

发明内容

本发明的目的是提供一种自适应的基于功率器件寄生电感的电流检测系统及电流检测方法，以进行自动时间常数匹配，提高检测精度。

为了实现上述目的，本发明提供一种基于功率器件寄生电感的电流检测系统，包括一具有功率发射极和辅助发射极的功率器件，所述功率发射极和辅助发射极之间连接有低通滤波器，所述低通滤波器包括滤波器电容和滤波器电阻，还包括：采样信号调节电路，与所述低通滤波的电容输出端相连，对滤波器电容两端的检测电压V_O进行放大和采样；信号整形·电路，连接于所述功率发射极和辅助发射极之间；以及可编程器件，其与所述采样信号调节电路的输出端和所述信号整形电路的输出端相连，其接收信号整形电路的信号作为启动信号，控制采样信号调节电路进行采样。

所述可编程器件还与所述低通滤波器的滤波器电阻相连，并读写滤波器电阻的阻值。

所述滤波器电阻为数字可调电阻。

所述数字可调电阻的可调数值范围为0～20kΩ，0～50kΩ或0～100kΩ。

所述功率器件为IGBT或SiC MOSFET。

所述滤波器电容的一端接地，另一端为所述电容输出端。

所述采样信号调节电路包括与低通滤波器的电容输出端依次相连的运算放大器、交流耦合电路和模数转换器。

所述信号整形电路包括比较器。

所述可编程器件为FPGA。

另一方面，本发明提供一种基于功率器件寄生电感的电流检测方法，包括：

步骤S1：提供一具有功率发射极和辅助发射极的功率器件，所述功率发射极和辅助发射极之间连接有低通滤波器，所述低通滤波器包括滤波器电容和滤波器电阻；

步骤S2：提供一连接于所述功率发射极和辅助发射极之间的信号整形电路，采用该信号整形电路探测所述功率发射极和辅助发射极之间的电感电压 V_EE’的下降沿；

步骤S3：在探测到电感电压V_EE’的下降沿后，提供一连接于所述低通滤波器的电容输出端的采样信号调节电路，采用该采样信号调节电路对所述低通滤波器的滤波器电容两端的检测电压V_O进行采样，并存储采样时间t和检测电压的采样值y，随后采用最小二乘法对公式y＝a*e^-bt+c进行拟合；

步骤S4：根据拟合得到的公式系数a，确定滤波器电阻的调整值，并将滤波器电阻的调整值写入滤波器电阻；

步骤S5：重复所述步骤S2-S4，直到拟合得到的公式系数a为零。

所述步骤S2还包括步骤S21：在探测电感电压V_EE’的下降沿之前，先采用所述信号整形电路探测所述电感电压V_EE’的上升沿，并在上升沿到来时，对所述电感电压V_EE’进行软件消抖和持续监测。

所述步骤S3还包括：读取滤波器电阻(R_f)的阻值。

在所述步骤S4中，当a大于0，则所述调整值为正；当a大于0，则所述调整值为负。

在所述步骤S4中，所述调整值的绝对值为一定值。

本发明的基于功率器件寄生电感的电流检测系统在功率器件寄生电感电流检测方案的基础上，利用模数转换器采样功率电流迅速下降后的输出电压波形，用FPGA等可编程器件调节可调电阻来进行时间常数调节以达到匹配时间常数，提高电流检测精度的目的，可以实现功率器件寄生参数与检测系统的时间常数自动匹配，而不需对每个功率器件的寄生参数进行测量，因此提高了检测精度，并且此检测系统电路结构简单，易于集成。

附图说明

图1是现有的IGBT发射极寄生电感电流检测原理图。

图2是根据本发明一个实施例的基于功率器件寄生电感的电流检测系统的电路图。

图3是根据本发明的一个实施例的电流检测方法的流程图；

图4(a)-(e)是根据本发明的一个实施例的负载电流I_c、检测电压Vo 及采样启动信号波形图，其中图4(a)示出了负载电流I_c，图4(b)-(d) 示出了不同情况下的检测电压V_O，图4(e)示出了电感电压V_EE’。

具体实施方式

下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述，使能更好地理解本发明的功能、特点。

本发明的基于功率器件寄生电感的电流检测系统不仅仅针对IGBT适用，同样可应用于如采用开尔文连接方式的SiC MOSFET等功率器件。此外，电流检测方式可集成到栅极驱动芯片中，替代基于采样电阻的电流检测方式。

如图2所示为根据本发明的一个实施例的基于功率器件寄生电感的电流检测系统，其包括：一功率器件1，该功率器件具有栅极G、功率发射极E 和接地的辅助发射极E’。所述功率发射极E和辅助发射极E’之间连接有彼此并联的低通滤波器2和信号整形电路4。

在本实施例中，所述功率器件1为IGBT，其栅极G与辅助发射极E’通过一驱动电路D相连以实现驱动，驱动电路D连接辅助发射极E’的一端接地，驱动电路D与栅极G之间串联保护电阻R_G。

所述低通滤波器2包括一端接地并连接辅助发射极E’的滤波器电容C_f和滤波器电阻R_f，用于将流过IGBT 1的负载电流I_c以检测电压V_O的形式呈现在滤波器电容C_f两端。滤波器电容C_f未接地的一端为低通滤波器2的电容输出端，其与一采样信号调节电路3相连，用于对滤波器电容C_f两端的检测电压V_O进行放大和采样。

在本实施例中，为简化C_fR_f调节，滤波器电容C_f的电容值为1nf，滤波器电阻R_f优选为数字可调电阻，其阻值目前有三种可调数值范围，0～20kΩ， 0～50kΩ，0～100kΩ，可通过编程改变其电阻值。此外，滤波器电容C_f的电容值还可根据IGBT寄生参数进行选取，只需在滤波器电阻R_f的调节范围内能满足

即可。所述采样信号调节电路3包括与低通滤波器2的电容输出端依次相连的运算放大器U1、交流耦合电路31和模数转换器32(ADC)。运算放大器U1用于将由于IGBT的寄生电阻R_L很小所导致的幅值很小的检测电压V_O放大为V_O1；交流耦合电路31包括隔直电容和多个电阻，用于通过交流耦合方式将信号直流电平移到模数转换器32的输入直流电平；模数转换器32用于进行采样将模拟电压转换为数字代码。

所述信号整形电路4包括比较器，用于将功率发射极E和辅助发射极E’之间的电感电压V_EE’整形。

此外，所述采样信号调节电路3的输出端和所述信号整形电路4的输出端均与一可编程器件5相连，该可编程器件5还与所述低通滤波器2的滤波器电阻R_f通信相连。可编程器件5优选为FPGA，其接收信号整形电路4的信号作为FPGA程序的启动信号，控制采样信号调节电路3进行采样，并读写滤波器电阻R_f的阻值。

根据上文所述的基于功率器件寄生电感的电流检测系统，本发明的功率器件电流检测方法如图3所示，其由所述可编程器件5执行，具体包括以下步骤：

步骤S1：提供一具有功率发射极E和辅助发射极E’的功率器件1，所述功率发射极E和辅助发射极E’之间连接有低通滤波器2，所述低通滤波器2包括滤波器电容C_f和滤波器电阻R_f；

步骤S2：提供一连接于所述功率发射极E和辅助发射极E’之间的信号整形电路4，采用该信号整形电路4探测所述功率发射极E和辅助发射极E’之间的电感电压V_EE’的下降沿；

从图4(a)和图4(e)中可以看到，在IGBT关断的过程中，V_EE’会产生一个脉冲电压，V_EE’的下降沿与电流I_c降为0的时刻相同，因此本发明选取 V_EE’的下降沿作为电流检测的启动信号，可以准确检测到电流。

步骤S2还包括步骤S21：在探测电感电压V_EE’的下降沿之前，先采用信号整形电路4探测电感电压V_EE’的上升沿，并在上升沿到来时，对电感电压 V_EE’进行软件消抖和持续监测，其中持续监测具体是可编程器件fpga每隔一段时间读取比较器的输出，以探测电感电压V_EE’的下降沿；由此，通过软件消抖提高了程序运行的稳定性。

步骤S3：在探测到电感电压V_EE’的下降沿后，提供一连接于所述低通滤波器2的电容输出端的采样信号调节电路3，启动该采样信号调节电路3对所述低通滤波器2的滤波器电容C_f两端的检测电压V_O进行采样，并存储采样时间t和检测电压的采样值y，同时读取滤波器电阻R_f的阻值，随后采用最小二乘法对公式y＝a*e^-bt+c进行拟合；

其中，所述滤波器电阻R_f的阻值是可编程器件5通过SPI接口与可调电阻进行通信，读取可调电阻的游标寄存器中的二进制代码，再将二进制代码转换得到的。

由于检测电压的采样值y是通过读取模数转换器32采样输出的二进制代码并转换得到的。在本实施例中，由于模数转换器32为16位ADC，因此，所述检测电压的采样值y为：

y＝D_ADC/4096×5V，

其中，D_ADC为ADC采样输出的二进制代码。

如图4(a)所示，在IGBT关断时，流过IGBT的电流I_c突然减小，可近似看作一个类似负阶跃形式的电流信号，因此在IGBT关断过程中检测电压V_O在时域的变化可用式(3)表示。

其中，R_L是发射极寄生电阻，L_EE’为发射极寄生电感，C_f和R_f是构成低通滤波器的电阻和电容。

因此，在所述公式y＝a*e^-bt+c中，y为检测电压V_O的采样值，t为采样时间，

c是ADC直流输入电平，R_f为滤波器电阻的阻值，C_f为滤波器电容的值。

令

(1)如图4(b)所示：当a＝0时，时间常数匹配，V_O下降沿陡峭；(2) 如图4(c)所示：当a<0时，C_fR_f较大，波形中过多的高频分量被滤除，V_O下降沿更平滑；(3)如图4(d)所示：当a>0时，C_fR_f较小，波形中包含更多的高频分量，下降沿的尖峰更明显。因此，通过采样IGBT电流I_c下降沿到来后V_O的波形，对其进行拟合得到a的值，再根据a的值对低通滤波器的时间常数进行调整，使得Vo的波形与I_c的波形吻合，提高测量精度。a的正负决定了时间常数的调节方向。

步骤S4：根据拟合得到的公式系数a，确定滤波器电阻R_f的调整值，并将滤波器电阻R_f的调整值写入滤波器电阻R_f，以对滤波器电阻R_f的阻值进行调整。

其中，当a大于0，说明

则需要增大滤波器电阻R_f的阻值，所述滤波器电阻R_f的调整值为正；当a小于0时，说明

则需要减小滤波器电阻R_f的阻值，所述滤波器电阻R_f的调整值为负。

其中，所述滤波器电阻R_f的调整值的绝对值为一定值，从而实现了滤波器电阻R_f的阻值的步进调整。

步骤S5：重复步骤S2-S4，以对滤波器电阻R_f的阻值进行重复的调整，直到拟合得到的公式系数a为零，程序结束。此时，

当前电阻值写入数字可调电阻的内存，使其每次上电时保持当前电阻值低通滤波器实现了时间常数匹配。

本发明不需对每个IGBT模块进行测量，但是由于寄生电阻R_L和寄生电感L是未知的，因此在IGBT首次上电后需要对R_f逐渐进行调整，使最终

本发明的整个调整时长(即从ADC采样开始到单次电阻值写入完成的时间)由ADC采样频率和采样点数，数字可调电阻的读写时间以及计算拟合时间决定，使得每次调整的总时长小于25us，该时长小于IGBT栅极控制信号为低的时间。因此在IGBT工作的每个周期都能进行调整。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (7)

1.一种基于功率器件寄生电感的电流检测系统，包括一具有功率发射极(E)和辅助发射极(E’)的功率器件(1)，所述功率发射极(E)和辅助发射极(E’)之间连接有低通滤波器(2)，所述低通滤波器(2)包括滤波器电容(C_f)和滤波器电阻(R_f)，其特征在于，还包括：

采样信号调节电路(3)，与所述低通滤波器(2)的电容输出端相连，对滤波器电容(C_f)两端的检测电压V_O进行放大和采样；

信号整形电路(4)，连接于所述功率发射极(E)和辅助发射极(E’)之间；以及

可编程器件(5)，其与所述采样信号调节电路(3)的输出端和所述信号整形电路(4)的输出端相连，其接收信号整形电路(4)的信号作为启动信号，控制采样信号调节电路(3)进行采样；

所述可编程器件(5)还与所述低通滤波器(2)的滤波器电阻(R_f)相连，并读写滤波器电阻(R_f)的阻值；所述滤波器电阻(R_f)为数字可调电阻。

2.根据权利要求1所述的基于功率器件寄生电感的电流检测系统，其特征在于，所述数字可调电阻的可调数值范围为0～20kΩ，0～50kΩ或0～100kΩ。

3.根据权利要求1所述的基于功率器件寄生电感的电流检测系统，其特征在于，所述采样信号调节电路(3)包括与低通滤波器(2)的电容输出端依次相连的运算放大器(U1)、交流耦合电路(31)和模数转换器(32)。

4.根据权利要求1所述的基于功率器件寄生电感的电流检测系统，其特征在于，所述功率器件(1)为IGBT或SiC MOSFET，所述信号整形电路(4)包括比较器，且所述可编程器件(5)为FPGA。

5.一种基于功率器件寄生电感的电流检测方法，其特征在于，包括：

步骤S1：提供一具有功率发射极(E)和辅助发射极(E’)的功率器件(1)，所述功率发射极(E)和辅助发射极(E’)之间连接有低通滤波器(2)，所述低通滤波器(2)包括滤波器电容(C_f)和滤波器电阻(R_f)；

步骤S2：提供一连接于所述功率发射极(E)和辅助发射极(E’)之间的信号整形电路(4)，采用该信号整形电路(4)探测所述功率发射极(E)和辅助发射极(E’)之间的电感电压V_EE’的下降沿；

步骤S3：在探测到电感电压V_EE’的下降沿后，提供一连接于所述低通滤波器(2)的电容输出端的采样信号调节电路(3)，采用该采样信号调节电路(3)对所述低通滤波器(2)的滤波器电容(C_f)两端的检测电压V_O进行采样，并存储采样时间t和检测电压的采样值y，随后采用最小二乘法对公式y＝a*e^-bt+c进行拟合；其中，y为检测电压V_O的采样值，t为采样时间，

c是ADC直流输入电平，R_f为滤波器电阻的阻值，C_f为滤波器电容的值；R_L是发射极寄生电阻，L_EE’为发射极寄生电感；

步骤S4：根据拟合得到的公式系数a，确定滤波器电阻(R_f)的调整值，并将滤波器电阻(R_f)的调整值写入滤波器电阻(R_f)；

步骤S5：重复所述步骤S2-S4，直到拟合得到的公式系数a为零。

6.根据权利要求5所述的电流检测方法，其特征在于，所述步骤S2还包括步骤S21：在探测电感电压V_EE’的下降沿之前，先采用所述信号整形电路(4)探测所述电感电压V_EE’的上升沿，并在上升沿到来时，对所述电感电压V_EE’进行软件消抖和持续监测。

7.根据权利要求5所述的电流检测方法，其特征在于，在所述步骤S4中，当a大于0，则所述调整值为正；当a小于0，则所述调整值为负。

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