CN111525914B - 功率器件的驱动装置与方法 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了一种功率器件驱动装置，包括检测模块，与功率器件耦合，配置为检测功率器件状态；驱动模块，分别耦合至所述检测模块和功率器件，配置为根据所述检测模块的检测结果对所述功率器件进行调控；其中，所述检测模块包括快速检测子模块，配置为当所述驱动装置的输入信号无效后的预设时间段内对功率器件状态进行检测，并在功率器件存在过流的情况下控制所述驱动模块对功率器件进行软关断。本申请还提供了相应的功率器件驱动方法和用电设备。

Description

功率器件的驱动装置与方法
技术领域
本申请属于电气控制领域，尤其涉及一种适用于功率器件的驱动装置与方法。
背景技术
这些年来功率器件例如绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate BipolarTransistor，IGBT)被广泛地应用于电机驱动、照明电路、变频器、牵引传动等领域。但是在实际应用中常常会出现负载短路的情况。在负载短路情况下，IGBT导通电流会很大，如果没有及时关断功率器件，会引起器件过热，最终导致器件损坏。
当负载发生短路而要关断过流功率器件(如IGBT)时，如果采用正常关断时的驱动能力，有可能会造成VCE的过大，从而损坏功率器件。所以在关断过流器件时，一般采用软关断，即通过降低功率器件例如IGBT晶体管的驱动电压，降低功率器件驱动电路的驱动能力，以降低VCE的电压。系统或用户可以根据需要设定在功率器件软关断后的一段等待时间，以消散过流产生的热量或者等待产生过流的原因消失。在这段等待时间之内，过流的功率器件不会被打开，这段等待时间过后，功率器件重新恢复正常工作。由于在负载短路时，功率器件一般会进入饱和工作区，这种进入软关断同时等待一段时间的保护方式被称为退饱和保护(DESAT)。一般来说，采用滤波器来实现上述退保护保护。
图1所示为现有的功率器件驱动装置的模块示意图。由图可见，一般驱动装置采用的是滤波器对功率器件的电压VCE进行监测，如果发现过流情况，则软关断信号SOFF可以跳变为有效，从而通过驱动模块使功率器件进入软关断模式。
发明内容
本申请针对上述问题，本申请提供了一种功率器件驱动装置，包括检测模块，与功率器件耦合，配置为检测功率器件状态；驱动模块，分别耦合至所述检测模块和功率器件，配置为根据所述检测模块的检测结果对所述功率器件进行调控；其中，所述检测模块包括快速检测子模块，配置为当所述驱动装置的输入信号无效后的预设时间段内对功率器件状态进行检测，并在功率器件存在过流的情况下控制所述驱动模块对功率器件进行软关断。
特别的，所述检测模块还包括滤波子模块，其配置为在所述输入信号有效时对功率器件的状态进行检测。
特别的，所述检测模块还包括耦合在电源和所述快速检测子模块中第一节点之间的电流源；以及耦合在所述检测模块和所述驱动模块之间的或门，其配置为根据所述快速检测子模块和所述滤波子模块的输出为所述驱动模块提供控制信号。
特别的，所述快速检测子模块包括第一比较器，其第一输入端耦合到所述第一节点和所述功率器件第一极，其第二输入端配置为接收第一阈值信号；所述快速检测子模块还包括第一开关，其耦合在所述第一节点和所述滤波子模块之间，并且配置为在所述输入信号无效并且在所述预设时间段内，切断所述滤波子模块与所述功率器件的耦合。
特别的，所述滤波子模块包括第二节点，所述第二节点通过所述第一开关耦合到所述第一节点，并通过第二开关耦合到地电位；第二比较器，其第一输入端耦合到第二节点，第二输入端配置为接收第二阈值信号；以及电容，其耦合在所述第二节点与地电位之间。
特别的，所述驱动装置还包括耦合二极管，其阳极耦合到所述快速检测子模块，其阴极耦合到功率器件的第一极。
特别的，所述预设时间段小于等于100纳秒。
特别的，所述快速检测模块还包括控制单元，配置为使所述快速检测模块仅在所述预设时间段内工作或者输出所述第一比较器的比较结果。
本申请还提供了一种用于功率器件的驱动方法，包括确定功率器件驱动装置的输入信号是否有效；当所述输入信号无效，确定所述输入信号无效时间是否在预设时间段内；当所述输入信号无效时间在预设时间段内，利用非滤波手段对功率器件状态进行检测并确定是否存在过流；当存在过流时，对功率器件进行软关断。
特别的，所述方法还包括当所述输入信号无效时间超出预设时间段，是对功率器件进行硬关断。
特别的，所述方法，还包括当所述输入信号有效，至少利用滤波手段对功率器件状态进行检测。
特别的，在前述方法中，其中所述预设时间段小于等于100纳秒。
本申请还提供了一种用电设备，包括一个或多个功率器件；以及一个或多个前述的驱动装置，所述驱动装置耦合至相应的功率器件，以向所述功率器件提供驱动信号。
采用本申请所提供的技术方案，可以更准确的捕捉到驱动装置的输入信号变为无效的预设时间段内发生的功率器件过流现象，并且及时对功率器件进行软关断，避免了在这段时间内对功率器件进行硬关断而对器件造成损伤的情况。
附图说明
参考附图示出并阐明实施例。这些附图用于阐明基本原理，从而仅仅示出了对于理解基本原理必要的方面。这些附图不是按比例的。在附图中，相同的附图标记表示相似的特征。
图1为现有功率器件驱动装置的架构图；
图2为根据本申请一个实施例的功率器件驱动装置架构图；
图3为基于本申请一实施例的功率器件驱动装置的电路示意图；
图4为基于本申请一实施例的功率器件驱动方法流程图；以及
图5为图3中功率器件驱动装置的时序图。
具体实施方式
在以下优选的实施例的具体描述中，将参考构成本申请一部分的所附的附图。所附的附图通过示例的方式示出了能够实现本申请的特定的实施例。示例的实施例并不旨在穷尽根据本申请的所有实施例。可以理解，在不偏离本申请的范围的前提下，可以利用其他实施例，也可以进行结构性或者逻辑性的修改。因此，以下的具体描述并非限制性的，且本申请的范围由所附的权利要求所限定。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。对于附图中的各单元之间的连线，仅仅是为了便于说明，其表示至少连线两端的单元是相互通信的，并非旨在限制未连线的单元之间无法通信。
在以下的详细描述中，可以参看作为本申请一部分用来说明本申请的特定实施例的各个说明书附图。在附图中，相似的附图标记在不同图式中描述大体上类似的组件。本申请的各个特定实施例在以下进行了足够详细的描述，使得具备本领域相关知识和技术的普通技术人员能够实施本申请的技术方案。应当理解，还可以利用其它实施例或者对本申请的实施例进行结构、逻辑或者电性的改变。
一般来说，当功率器件驱动电路的输入信号从有效电平跳变到无效电平后，驱动电路会快速对功率器件进行硬关断。如果在关断之前发生过流，由于过流监测电路中的滤波器的时间常数比较长(例如1微秒)或者说需要比较长的时间才能检测出是否存在过流现象。如果这时实际发生的过流但是并没有被检测出来，从而对功率器件进行了硬关断，则会损坏功率器件。
针对上述问题，本申请提出一种双模式的过流保护方法。既能在输入信号有效时监测VCE，又能在输入信号无效后的预设时间内对VCE进行快速检测，并在出现过流时切换到对功率器件的软关断，以避免功率器件的过压损坏。在以下的介绍中，将高电平作为有效电平，低电平作为无效电平进行示例性说明。根据一个实施例，输入信号的有效电平代表着指示功率器件导通的指令，输入信号无效电平代表着指示功率器件关断的指令。
图2为依据本申请实施例的驱动装置的架构图。
如图所示，功率器件驱动装置200耦合到功率器件，以向功率器件提供驱动信号。根据一个实施例，驱动装置200可以包括检测模块202和驱动模块204。检测模块202可以用于检测功率器件(例如IGBT晶体管)的状态，以基于功率器件的状态生成相应的状态信号(例如软关断信号SOFF)并将其提供至驱动模块204。基于上述配置，驱动模块204可以基于来自检测模块202的状态信号来驱动功率器件。
根据一个实施例，检测模块202可以包括快速检测子模块2022，这个子模块可以在驱动模块输入信号IN跳变为无效信号后的预设时间段内对功率器件进行快速检测，一旦发现过流，就对功率器件进行软关断。在预设时间过去以后，如果输入信号IN仍然处在无效状态，那么就可以对功率器件进行硬关断。
根据另一个实施例，检测模块202还可以包括传统的滤波子模块2024，用于判断输入信号IN有效的情况下的过流情况，并且决定是否对功率器件进行软关断。
下文将以功率器件是IGBT晶体管、状态信号是该IGBT晶体管的电压VCE为例进行阐述。当然，本领域基础上人员可以理解的是，对于其他类型的功率器件或者其他状态信号(例如电流等)也可以应用本申请中的方案。
图3为基于本申请一实施例的驱动装置的电路示意图。如图所示，驱动装置200可以包括驱动模块204，其耦合到功率器件例如IGBT晶体管的控制极G，以向功率器件提供驱动信号。根据一个实施例，驱动装置200还可以包括检测模块202。根据一个实施例，驱动装置200还可以包括阳极耦合至检测模块202的输入端，阴极耦合至IGBT晶体管第一极C的二极管206。当IGBT晶体管导通，VCE电压较低时，二极管206正向导通，检测端A节点处可以间接获得电压VCE，从而间接检测IGBT的导通电流；当VCE电压较高时(例如在IGBT晶体管关断或发生大电流短路时)，二极管206关断，确保检测端A节点处的电压VCES不发生过压。
根据一个实施例，检测模块202可以包括快速检测子模块2022和滤波子模块2024。根据一个实施例，检测模块202还包括电流源2026，耦合在电源和快速检测子模块2022之间。检测模块还可以包括或门2028，其输入端耦合到快速检测子模块2022和滤波子模块2024的输出端，其输出端耦合到驱动模块204的一个输入端以提供软关断控制信号SOFF。
根据一个实施例，快速检测子模块2022可以包括比较器20222，其正输入端接收与VCE相关的节点A处电压VCES(例如VCES＝VCE+Vthd,Vthd可以是二极管206的阈值电压)，节点A耦合到二极管206的阳极和比较器20222的正输入端以及电流源2026。比较器20222的负输入端接收参考电压VFOC。比较器20222的输出端耦合到或门2028的一个输入端。
根据一个实施例，滤波子模块2024可以包括电容C1和比较器20242，电容C1的一端耦合到地电位，另一端耦合到比较器20242的正输入端。比较器20242的负输入端可以用于接收VDESAT。当然，在本领域中存在着各种滤波子模块的结构，本领域技术人员不需要付出创造性劳动就可以对图3中的滤波子模块的结构进行替换。VDESAT和VFOC可以选择不同的阈值，例如出于抗干扰的考虑，VFOC设置为大于VDESAT；再例如，当用户预留的功率器件耐压的空间比较小的情况，VFOC可以设置为小于VDESAT，以确保关断时的过压不会损坏功率器件。
根据一个实施例，快速检测子模块2022中的节点A通过受信号S2控制的开关T1耦合到滤波子模块2024中的节点B和比较器20242的正输入端。根据一个实施例，节点B通过受信号S1控制的开关T2耦合到地电位。
根据一个实施例，快速检测子模块2022还可以包括非门20224以及与门20226，配置为接收信号S2，与门20226配置为接收非门20224的输出以及比较器20222的输出，并且与门20226的输出可以作为FOC-FLAG与滤波器2024的输出DESAT-FLAG一起作为或门2026的输入。这样一来，参考图5，当S2为低也就是输入信号IN跳变为无效信号后的预设时间段内，非门20224的输出为高，因此在这个时间段内与门20226的输出FOC-FLAG就是比较器20222的输出；而在这个预设时间段以外的时间，S2均为高，因此非门20224的输出均为低，从而与门20226的输出FOC-FLAG也均为低。
根据其他的实施例，快速检测子模块2022可以包括其他的单元用于控制快速子模块2022的工作状态，例如可以对比较器20222进行控制，使其仅仅在输入信号IN跳变为无效信号后的预设时间内工作，而在其他时间段内不工作。
图4为根据本申请一个实施例的功率器件驱动方法的流程图。图5所示为根据本申请一个实施例的功率器件驱动装置工作时序图。
根据一个实施例，在步骤402，可以检测功率器件驱动装置的输入信号IN，并且在步骤404判断输入信号IN是否有效。这个操作的目的主要是为了决定应该启用快速检测子模块还是利用普通的滤波子模块对功率器件进行检测。
当输入信号IN处于有效电平例如图5所示的高电平的情况下，在步骤406采用一般检测模式对代表功率器件的状态信号例如IGBT晶体管的VCE进行检测。根据一个实施例一般检测模式可以由例如过滤子模块实施。
当一般检测模式的结果为功率器件存在着过流情况，则跳转到步骤420，对功率器件进行软关断。
当一般检测模式的结果为功率器件不存在过流情况，则结束检测，或者跳转回步骤402对下一时刻的输入信号IN继续进行检测。
当在步骤404得到的结果是输入信号IN处在无效状态，则在步骤410判断输入信号IN处在无效状态的时间是否仍在预设时间段。根据一个实施例，这个预设时间段可以是比较短的时间，例如100纳秒或者更短。
当输入信号IN处在无效状态的时间已经超出预设时间段，则可以在步骤416对功率器件进行硬关断。
当输入信号IN处在无效状态的时间仍然处在预设时间段内，则在步骤412进入快速检测模式，并在步骤414判断功率器件是否存在过流情况，并且在功率器件存在过流的情况下跳转到步骤420对器件进行软关断，而在功率器件不存在过流的情况下跳转回步骤402，对下一时刻的输入信号IN进行检测。
图5所示为图3中功率器件驱动装置的工作时序图。
(1)T1时刻以前
在这个阶段以前以及包括这个阶段输入信号VIN始终处在有效电平例如高电平，因此开关S2导通，开关S1断开，电容C1被充电，节点A和节点B连通电位均为VCES。在这个阶段IGBT晶体管属于导通状态，VCE电压很低，二极管206导通使得VCES的电压近似于VCE，因此也属于低的状态。
(2)T1-T2时段
自T1时刻开始，VCE自工作电位逐渐上升，说明功率器件开始出现过流现象。但是在该时段，代表VCE的电压VCES始终小于VFOC和VDESAT，说明功率器件的过流情况在可承受范围内。因此，在这个阶段，或门2028的输入FOC-FLAG和DEASAT-FLAT均为低电平，或门2028的输出SOFF也为低电平。
(3)T2-T3时段
在T2时刻，驱动装置的输入信号IN从有效电平高电平跳变为无效电平低电平。在T2时刻开关S2断开，开关S1保持断开，快速检测子模块开始工作。
在这个阶段，即便VCE持续上升，由于开关S2断开，以及电容C1的存在，节点B的电压VC1保持不变，并且始终小于VDESAT。
相对的，节点A处的电位VCES随着VCE持续上升，并且在TX时刻，超过VFOC。因此，在TX时刻，快速检测子模块中的比较器的输出从低电位跳变到高电位。因此，或门的输出信号SOFF在TX时刻也跳变到高电位。功率器件在TX时刻被软关断。
(3)T3时刻以后
在T3时刻以后可以对功率器件进行硬关断，因此功率器件例如IGBT栅极的电压GATE也逐渐从高电平下降到低电平。因此，VCES和VC1也都在这个时刻被下拉到低电平。
在T3时刻开关S2导通，开关S1也可以导通，从而对电容C1进行放电。开关S1的作用是在IGBT晶体管关断时给电容C1放电，从而复位滤波子模块。
根据不同的实施例，功率器件的过流状态可以通过不同的参数来加以体现。例如，可以假设功率器件的导通电阻是一个固定的值，那么通过检测功率器件例如IGBT晶体管的VCE就可以了解功率器件的过流状态。当然，对于其他的功率器件，可以设有电流水平检测装置。对于这样的功率器件来说，则可以通过直接检测其电流的水平来判断其过流状态。本申请所提供的方法和装置不仅仅适用于通过VCE来体现过流状态的情况，也同样适用于利用其他的指标来体现功率器件过流状态的情况。也就是说，本申请中和功率器件的状态相应的阈值可以是电压、电流等等。
采用该实施例中所介绍的电路和方法，不仅仅可以区分一般过流和退饱和过流的情况，从而有针对性的选择相应的保护模式，还延长了监测的时间，在发现存在一般过流现象后持续监测一段时间，如果出现了退饱和过流现象，则立即采取相应的保护措施。由于发生一般过流现象后再发生退饱和过流的概率比较高，因此采用该实施例中的方案可以更加及时准确的捕捉到退饱和过流现象，并对功率器件施加及时有效的保护。
采用本申请所提供的技术方案，与传统的理由滤波手段的检测方法相比，可以更准确的捕捉到驱动装置的输入信号变为无效的预设时间段内发生的功率器件过流现象，并且及时对功率器件进行软关断，避免了在这段时间内对功率器件进行硬关断而对器件造成损伤的情况。
因此，虽然参照特定的示例来描述了本申请，其中这些特定的示例仅仅旨在是示例性的，而不是对本申请进行限制，但对于本领域普通技术人员来说显而易见的是，在不脱离本申请的精神和保护范围的基础上，可以对所公开的实施例进行改变、增加或者删除。

Claims (9)

1.一种功率晶体管驱动装置，包括：
检测模块，与功率晶体管耦合，所述功率晶体管包括第一极，第二极和控制极，所述检测模块配置为检测功率晶体管第一极和第二极之间的电压；
驱动模块，分别耦合至所述检测模块和功率晶体管，配置为根据所述检测模块的检测结果对所述功率晶体管进行调控；
其中，所述检测模块包括滤波子模块，其配置为在所述驱动装置的输入信号有效时对功率晶体管的状态进行检测；
所述检测模块还包括快速检测子模块，配置为当所述输入信号无效后的预设时间段内对所述功率晶体管第一极和第二极之间的电压进行检测，并在功率晶体管存在过流的情况下控制所述驱动模块对功率晶体管进行软关断；
所述检测模块还包括或门，所述或门的输入端与所述快速检测子模块和所述滤波子模块的输出端耦合，所述或门的输出端与所述驱动模块的一个输入端耦合，配置为根据所述快速检测子模块和所述滤波子模块的输出为所述驱动模块提供控制信号；其中
所述快速检测子模块包括，第一比较器，其第一输入端耦合到所述快速检测子模块中第一节点和所述功率晶体管第一极，其第二输入端配置为接收第一阈值信号，所述快速检测子模块的输出端耦合到所述或门；第一开关，其耦合在所述第一节点和所述滤波子模块之间，并且配置为在所述输入信号无效并且在所述预设时间段内，切断所述滤波子模块与所述功率晶体管的耦合；
所述快速检测子模块还包括控制单元，配置为使所述快速检测子模块仅在所述预设时间段内工作或者输出所述第一比较器的比较结果。
2.如权利要求1所述的驱动装置，其中所述检测模块还包括耦合在电源和所述第一节点之间的电流源。
3.如权利要求2所述的驱动装置，其中所述滤波子模块包括
第二节点，所述第二节点通过所述第一开关耦合到所述第一节点，并通过第二开关耦合到地电位；
第二比较器，其第一输入端耦合到第二节点，第二输入端配置为接收第二阈值信号，其输出端耦合到所述或门；以及
电容，其耦合在所述第二节点与地电位之间。
4.如权利要求1所述的驱动装置，还包括耦合二极管，其阳极耦合到所述快速检测子模块，其阴极耦合到功率晶体管的第一极。
5.如权利要求1所述的驱动装置，其中所述预设时间段小于等于100纳秒。
6.一种由权利要求1所述的驱动装置执行的驱动方法，包括：
确定功率晶体管驱动装置的输入信号是否有效，其中所述功率晶体管包括第一极，第二极和控制极；
当所述输入信号为有效，至少利用滤波手段对功率晶体管状态进行检测；
当所述输入信号为无效，确定所述输入信号处在无效时间是否在预设时间段内，所述预设时间段从所述输入信号无效时刻起计算；
当所述输入信号无效时间在预设时间段内，利用非滤波手段对功率晶体管第一极和第二极之间的电压进行检测并确定是否存在过流；
当存在过流时，对功率晶体管进行软关断。
7.如权利要求6所述的方法，还包括
当所述输入信号无效时间超出预设时间段，对所述功率晶体管进行硬关断。
8.如权利要求6或7所述的方法，其中所述预设时间段小于等于100纳秒。
9.一种用电设备，包括：
一个或多个功率晶体管；以及
一个或多个如权利要求1至5所述的驱动装置，所述驱动装置耦合至相应的功率晶体管，以向所述功率晶体管提供驱动信号。
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