CN112290920B - 动态调整门极电压的驱动系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种动态调整门极电压的驱动系统及方法，所述动态调整门极电压的驱动系统包括：开关器件模块；极间电压检测模块，与所述开关器件模块连接，用于检测所述开关器件模块中开关器件的极间电压；极间电压分析模块，与所述极间电压检测模块连接，用于对所述极间电压进行分析后生成调整信号；电压调整模块，分别与所述极间电压分析模块和开关器件模块连接，用于根据所述调整信号对所述开关器件的门极电压进行动态调整。本发明通过对Vce的检测，可以实时对门极电压作出调整，以降低开关器件在正常运行时的通态损耗。

Description

动态调整门极电压的驱动系统及方法

技术领域

本发明属于驱动控制的技术领域，涉及一种门极电压调整方法，特别是涉及一种动态调整门极电压的驱动系统及方法。

背景技术

在现有技术中，当前的开关器件诸如IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管)、MOS管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-EffectTransistor，MOSFET的简称即金属-氧化物半导体场效应晶体管)的驱动技术主要以恒压作为主要的驱动方式，可靠性较低且损耗较大。然而，在不同的驱动电压下，这些器件的导通电阻和导通压降不同。在每一个开关周期，驱动电路都会产生一定的损耗，这个损耗与驱动电压相关。

因此，如何提供一种动态调整门极电压的驱动系统及方法，以解决现有技术无法通过极间电压检测对开关器件的门极电压进行实时调整，以降低电路损耗、提高电路的效率等缺陷，成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种动态调整门极电压的驱动系统及方法，用于解决现有技术无法通过极间电压检测对开关器件的门极电压进行实时调整，以降低电路损耗、提高电路的效率的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明一方面提供一种动态调整门极电压的驱动系统，所述动态调整门极电压的驱动系统包括：开关器件模块；极间电压检测模块，与所述开关器件模块连接，用于检测所述开关器件模块中开关器件的极间电压；极间电压分析模块，与所述极间电压检测模块连接，用于对所述极间电压进行分析后生成调整信号；电压调整模块，分别与所述极间电压分析模块和开关器件模块连接，用于根据所述调整信号对所述开关器件的门极电压进行动态调整。

于本发明的一实施例中，所述开关器件模块为IGBT模块；所述极间电压检测模块为运放模块；所述运放模块在所述IGBT模块中的IGBT开通或关断时，对所述IGBT的集电极与发射极之间的电压进行采样；所述运放模块包括开通电压信号输出端和关断电压信号输出端。

于本发明的一实施例中，所述极间电压分析模块包括短路保护单元、误差放大单元、尖峰检测单元和电压逻辑控制单元；所述短路保护单元、误差放大单元、尖峰检测单元均与所述电压逻辑控制单元连接；所述短路保护单元和误差放大单元均与所述开通电压信号输出端连接；所述尖峰检测单元与所述关断电压信号输出端连接。

于本发明的一实施例中，所述电压逻辑控制单元包括正电压逻辑控制子单元和负电压逻辑控制子单元；所述正电压逻辑控制子单元分别与所述短路保护单元和误差放大单元连接；其中，所述短路保护单元用于对所述开通电压信号输出端输出的开通电压信号进行过流检测；所述误差放大单元用于根据所述开通电压信号产生误差量，所述误差量用于IGBT开通后的门极电压调整；所述正电压逻辑控制子单元用于在过流检测产生短路信号时，将正向电压降至软关断电压范围，并产生对应的电压基准；在过流检测未产生短路信号时，根据所述误差量调整正向电压至正常开通电压范围；所述负电压逻辑控制子单元与所述尖峰检测单元连接；所述尖峰检测单元用于对关断电压信号进行尖峰检测；所述负电压逻辑控制子单元用于在尖峰检测产生过压尖峰信号时，将负向电压转为可靠关断电压范围，并产生对应的电压基准。

于本发明的一实施例中，所述电压调整模块分别与所述正电压逻辑控制子单元和负电压逻辑控制子单元连接；所述电压调整模块包括可调电压源和推挽放大单元；所述可调电压源与所述推挽放大单元连接，用于将所述正电压逻辑控制子单元和负电压逻辑控制子单元的调整信号传输至所述推挽放大单元，以进行导通电压和关断电压的电平调整。

于本发明的一实施例中，所述可调电压源还包括一电源电荷泄放子单元，所述电源电荷泄放子单元用于对所述可调电压源进行电源电荷的快速泄放。

于本发明的一实施例中，所述动态调整门极电压的驱动系统还包括：信号传输模块，分别与所述电压调整模块和极间电压检测模块连接，用于向所述电压调整模块输出开关器件开通或关断的PWM脉冲信号，以实现信号侧与功率侧的隔离；以及向所述极间电压检测模块提供开通电压信号和关断电压信号输出时的控制信号。

本发明另一方面提供一种动态调整门极电压的驱动方法，所述动态调整门极电压的驱动方法包括：检测开关器件的极间电压；对所述极间电压进行分析后生成调整信号；根据所述调整信号对所述开关器件的门极电压进行动态调整。

于本发明的一实施例中，所述开关器件模块为IGBT模块；所述检测开关器件的极间电压的步骤包括：在所述IGBT模块中的IGBT开通或关断时，对所述IGBT的集电极与发射极之间的电压进行采样，分别产生开通电压信号和关断电压信号。

于本发明的一实施例中，所述根据所述调整信号对所述开关器件的门极电压进行动态调整的步骤包括：根据所述开通电压信号产生误差量，所述误差量用于IGBT开通后的门极电压调整；对所述开通电压信号进行过流检测，在过流检测产生短路信号时，通过将正向电压降至软关断电压范围，并产生对应的电压基准进行门极电压调整；在过流检测未产生短路信号时，根据所述误差量调整正向电压至正常开通电压范围，以进行门极电压调整；对所述关断电压信号进行尖峰检测，在尖峰检测产生过压尖峰信号时，通过将负向电压转为可靠关断电压范围，并产生对应的电压基准进行门极电压调整。

如上所述，本发明所述的动态调整门极电压的驱动系统及方法，具有以下有益效果：

本发明通过导通Vce的控制，可以降低IGBT在正常运行时的通态损耗，从而提高了电路的效率。通过正负电压的逻辑控制，使得IGBT在开通与关断过程中不易出现震荡情况，降低了噪声EMI(Electromagnetic Interference，电磁干扰)，并降低开关损耗。本发明的短路保护比较器保证了IGBT在发生过电流或短路等异常情况下的可靠性。关断尖峰比较器则保证了IGBT在有异常输入电压或震荡尖峰时，不会被击穿，提升了正常运行的可靠性。

附图说明

图1显示为本发明的动态调整门极电压的驱动系统于一实施例中的结构原理示意图。

图2显示为本发明的动态调整门极电压的驱动系统于一实施例中的电路结构图。

图3显示为本发明的动态调整门极电压的驱动系统于一实施例中的IGBT与运放模块电路图。

图4显示为本发明的动态调整门极电压的驱动系统于一实施例中的极间电压分析模块电路图。

图5显示为本发明的动态调整门极电压的驱动系统于一实施例中的主控电路图。

图6显示为本发明的动态调整门极电压的驱动系统于一实施例中的可调电压源电路图。

图7A显示为本发明的动态调整门极电压的驱动系统于一实施例中的推挽放大电路图。

图7B显示为本发明的动态调整门极电压的驱动系统于一实施例中的推挽放大内部原理图。

图8显示为本发明的动态调整门极电压的驱动系统于一实施例中的通态电压曲线图。

图9显示为本发明的动态调整门极电压的驱动方法于一实施例中的原理流程图。

元件标号说明

1 开关器件模块

2 极间电压检测模块

3 极间电压分析模块

4 电压调整模块

S11～S13 步骤

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

本发明所述的动态调整门极电压的驱动系统可以实时检测Vce，来调整驱动电压，以在开通时降低导通损耗，开关时抑制震荡以降低开关损耗，并提升IGBT可靠性。

以下将结合图1至图9详细阐述本实施例的一种动态调整门极电压的驱动系统及方法的原理及实施方式，使本领域技术人员不需要创造性劳动即可理解本实施例的动态调整门极电压的驱动系统及方法。

请参阅图1，显示为本发明的动态调整门极电压的驱动系统于一实施例中的结构原理示意图。如图1所示，所述动态调整门极电压的驱动系统包括：开关器件模块、极间电压检测模块、极间电压分析模块和电压调整模块。

所述极间电压检测模块2与所述开关器件模块1连接，用于检测所述开关器件模块1中开关器件的极间电压。

所述极间电压分析模块3与所述极间电压检测模块2连接，用于对所述极间电压进行分析后生成调整信号。

所述电压调整模块4分别与所述极间电压分析模块3和开关器件模块1连接，用于根据所述调整信号对所述开关器件的门极电压进行动态调整。

请参阅图2，显示为本发明的动态调整门极电压的驱动系统于一实施例中的电路结构图。如图2所示，显示了动态调整门极电压的具体的电路结构。MCU(MicrocontrollerUnit，微控制单元或单片机)将PWM信号发送至信号传输模块，并传输至推挽放大单元，PWM经推挽放大后对IGBT进行导通或关断，IGBT的集电极c极电压和发射极e极电压通过运放放大对开通Vce和关断Vce进行电压采样，开通Vce分别通过短路保护比较器和误差放大器进行检测，并将检测结果反馈至正电压逻辑控制端，关断Vce通过关断尖峰比较器进行尖峰检测，并将检测结果反馈至负电压逻辑控制端。正电压逻辑与负电压逻辑接收检测结果后对可调电压源进行相应控制，并将调控后的电压反馈至推挽放大单元，以对Vge作出动态实时调整。

在图2中，所述开关器件模块为IGBT模块。所述极间电压检测模块为运放模块，进行运放放大。

所述运放模块在所述IGBT模块中的IGBT开通或关断时，对所述IGBT的集电极与发射极之间的电压进行采样与信号放大。

所述运放模块包括开通电压信号输出端和关断电压信号输出端。

请参阅图3，显示为本发明的动态调整门极电压的驱动系统于一实施例中的IGBT与运放模块电路图。如图3所示，虚线左侧为IGBT模块，包括IGBT开关器件和门极电阻Rg。虚线右侧的开通运放和关断运放分别检测IGBT的CE的电压信号，分别在开通时通过开通电压信号输出端输出高增益的导通Vce，在关断时通过关断电压信号输出端输出低增益的关断Vce。

具体地，通过运放放大将IGBT的CE两个电极进行采样，并且分两路放大采样，一路关断Vce，低倍数(放大倍数<1)用于对关断后的Vce进行放大，因关断时Vce电压较高，因此使用低增益即低放大倍数的运放即可；另一路开通Vce，高倍数的放大，对开通后的Vce进行放大，因导通时Vce电压较低，因此需要使用高增益即高放大倍数的运放。并产生两路采样信号输出，通过信号传输模块的PWM控制信号电平高低来判断运放输出的是导通Vce还是关断Vce。进一步地，在导通Vce(Vce-on)和关断Vce(Vce-off)的输出端进行输出控制，以使两个Vce电压信号的输出受控，所述输出控制可以是MCU单片机接收Vce电压信号后结合PWM的高低电平控制相应输出Vce-on至误差放大器、短路保护比较器，或输出Vce-off至关断尖峰比较器。所述输出控制还可以是在导通Vce(Vce-on)和关断Vce(Vce-off)的输出端设有P型开关管和N型开关管，PWM信号直接与P型开关管、N型开关管的门极连接，以实现一开一关的互补输出形式。

请参阅图4，显示为本发明的动态调整门极电压的驱动系统于一实施例中的极间电压分析模块电路图。如图4所示，所述极间电压分析模块包括短路保护单元(短路保护比较器)、误差放大单元(误差放大器)、尖峰检测单元(关断尖峰比较器)和电压逻辑控制单元；所述短路保护单元、误差放大单元、尖峰检测单元均与所述电压逻辑控制单元连接。

所述短路保护单元和误差放大单元均与所述开通电压信号输出端连接。

所述尖峰检测单元与所述关断电压信号输出端连接。

图4中的短路保护比较器将运放放大给出的开通Vce-on信号和预先设定的保护动作阈值Vsc比较，即当检测到Vce-on＞Vsc时，认为IGBT进行过流或短路的状态，并送出一个短路保护信号SC_FAULT通知后级的正电压逻辑控制子单元，其中正电压逻辑控制子单元与负电压逻辑控制子单元设于MCU单片机中，以便将开通电压调低至软关断电压范围，优选为6-8V，延时1-3us后产生一个关断信号传输至推挽放大单元，进入关断IGBT过程，防止突然直接关断产生过高的Vce对IGBT造成击穿或其他损害。

图4中的误差放大器将运放放大给出的开通Vce-on信号和预先设定的目标VceReff进行比较，即当检测到导通Vce-on＞VceReff时，认为IGBT可以继续提升门极电压Vge以降低Vce，并输出与VceReff的差值比较放大信号Positive使得后级的正电压逻辑控制子单元发出control1信号在正常开通电压范围内调高门极电压，降低导通损耗。

图4中的关断尖峰比较器将运放放大输出的关断Vce-off和IGBT自身安全关断区的电压VceMAX进行比较，当短管Vce信号＜设定阈值时，认为此时关断Vce电压处于安全关断区间，控制关断电压处于可靠关断电压范围，优选为从0V逐渐降至-10V(可自定义)；即当检测到Vce＞VceMAX时，认为IGBT可能处于击穿风险区域，认为需要调整关断电压至米勒平台处，送出关断电压尖峰过高信号Negative通知后级负电压逻辑控制子单元，使得负电压逻辑控制子单元发出control2信号IGBT略微导通降低Vce。

在图2中，所述电压逻辑控制单元包括正电压逻辑控制子单元和负电压逻辑控制子单元。

所述正电压逻辑控制子单元分别与所述短路保护单元和误差放大单元连接；其中，所述短路保护单元用于对所述开通电压信号输出端输出的开通电压信号进行过流检测；所述误差放大单元用于根据所述开通电压信号产生误差量，所述误差量用于IGBT开通后的门极电压调整；所述正电压逻辑控制子单元用于在过流检测产生短路信号时，将正向电压降至软关断电压范围，并产生对应的电压基准；在过流检测未产生短路信号时，根据所述误差量调整正向电压至正常开通电压范围。

所述负电压逻辑控制子单元与所述尖峰检测单元连接；所述尖峰检测单元用于对关断电压信号进行尖峰检测；所述负电压逻辑控制子单元用于在尖峰检测产生过压尖峰信号时，将负向电压转为可靠关断电压范围，并产生对应的电压基准。

在图2中，所述电压调整模块分别与所述正电压逻辑控制子单元和负电压逻辑控制子单元连接。

所述正电压逻辑控制子单元主要用于控制IGBT开通时的导通电压。在IGBT开通时，通过MCU单片机control1控制信号在正常开通电压范围内调整开通后门级电压的信号，优选为逐渐从10V提升至15V(该电压范围可根据不同IGBT的门极驱动电压范围进行自定义，例如也可调整为正压14-18V)，并在接收到短路比较信号时，进行IGBT二阶关断电压的控制，将开通电压降低到软关断电压范围，优选为6-8V，并产生对应的电压基准，进行软关断的过渡，1us后调整为0V，且在导通后根据误差放大器给出的信号，实时调整门极电压的电平，保证导通Vce足够低，降低损耗。

所述负电压逻辑控制子单元主要用于控制IGBT关断时的电压，在IGBT正常关断时，通过MCU单片机control2控制信号逐渐从0V降低至-10V(可自定义)，并在接收到关断尖峰通知时，MCU控制将关断电压快速切换到正电压状态。具体地，当MCU Negative引脚监测到关断尖峰比较器输出的尖峰通知后，说明当前IGBT关断过程产生过高的尖峰Vce电压，此时通过MCU单片机control1控制信号调整至可靠关断电压范围，优选为将负压逻辑暂且提升为正电压3-6V，产生对应的电压基准，使可调电压源输出正电压使IGBT短暂开通，降低Vce电压，然后继续IGBT的负电压关断过程。

请参阅图5，显示为本发明的动态调整门极电压的驱动系统于一实施例中的主控电路图。如图5所示，所述正电压逻辑控制子单元和负电压逻辑控制子单元设于MCU单片机中。其中，正电压逻辑控制子单元的输入端为Positive引脚，与误差放大器的Positive引脚输出端连接，正电压逻辑控制子单元的输出端为control1(导通电源电压控制或正向电压控制)引脚，与可调电压源的control1引脚输入端连接。此外，正电压逻辑控制子单元的输入端还包括SC_FAULT引脚，与短路保护比较器的SC_FAULT引脚输出端连接。负电压逻辑控制子单元的输入端为Negative引脚，与关断尖峰比较器的Negative引脚输出端连接，负电压逻辑控制子单元的输出端为control2(关断电源电压控制或负向电压控制)引脚，与可调电压源的control2引脚输入端连接。

所述电压调整模块包括可调电压源和推挽放大单元；所述可调电压源与所述推挽放大单元连接，用于将所述正电压逻辑控制子单元和负电压逻辑控制子单元的调整信号传输至所述推挽放大单元，以进行导通电压和关断电压的电平调整。

在图2中，所述可调电压源还包括一电源电荷泄放子单元，所述电源电荷泄放子单元用于对所述可调电压源进行电源电荷的快速泄放。

请参阅图6，显示为本发明的动态调整门极电压的驱动系统于一实施例中的可调电压源电路图。如图6所示，基于IGBT的发射极提供两个快速可调整的电压，一个导通电源电压用于IGBT的开通过程及导通调整，另一个关断电源电压用于IGBT的关断过程及关断调整。

可调电压源的电压包括+15V，15V-(即-15V)和-10V，通过变压器T1转换得到。在control1电压控制电路中，R1为数字电位器，通过数字信号control1的输入调整阻值大小，进而调整开通电源电压Vout1的大小。在control2电压控制电路中，R4为数字电位器，通过数字信号control2的输入调整阻值大小，进而调整关断电源电压Vout2的大小。

电源电荷泄放子单元当IGBT未处于开通或关断时，负载极小，为了可调电压源可快速的进行电源电荷的泄放，实现可调电压快速降低的功能。电源电荷泄放子单元与可调电压源的储能电容E1或E2相连，用于在需要降压时经过放电电阻R3或放电电阻R6进行快速放电。其中，是否需要降压通过在放电电阻R3或放电电阻R6所在支路设置通断开关来实现。在需要泄放降压时，通过MCU单片机控制开关连通，以使放电电阻并联于储能电容两侧开始放电。在不需要泄放降压时，通过MCU单片机控制开关断开，此时放电电阻并未并联在储能电容两端，因而没有构成放电回路。

请参阅图7A，显示为本发明的动态调整门极电压的驱动系统于一实施例中的推挽放大电路图。如图7A所示，推挽放大单元接收3处信号，并进行相应的控制与判断。具体地，推挽放大单元中的推挽放大电路与驱动光耦电路连接。

一方面，推挽放大单元接收可调电压源给予的电源电压Vout1和Vout2，用于相应调整被控IGBT开通和关断的门极电压。其中，导通门极电压和关断门极电压的电平level高低由逻辑判断后输出到可调电压源进行控制。其中，双向开关S1仅为示意型符号，具体实现开关的功能通过可以接收控制信号的开关器件电路进行实现。

另一方面，推挽放大单元还接收MCU单片机发出的PWM信号，并将该PWM信号经过推挽放大及光耦隔离后，通过门极电阻Rg传入IGBT，以控制IGBT的开关状态。结合图3中IGBT的类型和图7A，当检测到PWM低电平时为IGBT导通控制信号，检测为高电平时为IGBT的关断控制信号。通过推挽放大对PWM信号进行功率放大，以产生足够驱动IGBT电流。具体的开通与关断的信号判断与P型IGBT还是N型IGBT有关。

又一方面，推挽放大单元还接收短路保护比较器的信号SC_FAULT，以根据信号SC_FAULT，控制IGBT转换为关断状态。具体地，当发生IGBT短路或过流情况的时候，短路保护比较器会输出一路延时关断信号SC_FAULT送至推挽放大之前的DQ锁存器，以进行信号锁存，在短路信号SC_FAULT将高电平传输至1脚

和19脚

时，通过非门的翻转变为低电平有效，使能

和

引脚，从而启动锁存器对PWM信号进行锁存，停止向后级电路进行PWM输出。此延时时间内由正电压逻辑控制模块输出二阶关断电压控制信号control2，可调电压源调低Vge电压，将IGBT的Vce电压降至某一软关断可靠区间内，然后再控制关断IGBT，达到延时安全关断IGBT的效果。

进一步地，请参阅图7B，显示为本发明的动态调整门极电压的驱动系统于一实施例中的推挽放大内部原理图。如图7B所示，与DQ锁存器的Q1输出端连接的驱动光耦为推挽放大电路，驱动光耦芯片内部设有推挽放大电路结构，用以直接驱动IGBT，例如TLP151芯片或其他带推挽放大的隔离芯片均可应用于本发明的推挽放大单元中。

所述动态调整门极电压的驱动系统还包括：信号传输模块。

所述信号传输模块分别与所述电压调整模块和极间电压检测模块连接，用于向所述电压调整模块输出开关器件开通或关断的PWM脉冲信号，以实现信号侧与功率侧的隔离；以及向所述极间电压检测模块提供开通电压信号和关断电压信号输出时的控制信号。

所述信号传输模块用于接收MCU单片机输出的PWM信号，并将PWM信号分两路进行传输。一路传送至推挽放大子单元进行功率放大与隔离，另一路传送至运放模块，以使运放模块根据PWM信号电平高低分别输出开通Vce-on或关断Vce-off。

本发明所述的动态调整门极电压的驱动系统适用于所有以IGBT或MOS管作为逆变元器件的逆变电路模块。此处以变频器应用举例，变频驱动器的DSP芯片(相当于MCU单片机)输出可变占空比的PWM控制信号，PWM信号的电平幅值优选为3.3V。PWM信号经过推挽放大电路将信号放大至驱动IGBT门级开通的电压范围内，根据不同芯片的门极电压属性和导通特性，Vge参考电平值也不同，例如为14～18V。

结合图2至图7B，动态调整门极电压的驱动系统的工作过程如下：

(1)当IGBT为开通工作状态时：

如果检测开通Vce-on＞误差放大器设定目标VceReff，误差放大器输出反馈信号Positive至正电压逻辑控制子单元，即MCU单片机的Positive信号输入引脚，单片机中的正电压逻辑控制子单元根据反馈信号Positive输出调节控制信号control1至可调电压源，升高Vge电压给到推挽放大子单元。IGBT得到更高的Vge开通电压后，则Vce下降，如果检测的Vce-on仍然大于VceReff，进行继续调节直至检测Vce-on等于VceReff。

如果检测开通后开通Vce-on＜误差放大器设定目标VceReff，误差放大器输出反馈信号Positive至正电压逻辑模块，正电压逻辑电路输出调节控制信号control1至可调电压源，降低Vge电压给到推挽放大子单元，以实现Vge可稳定在IGBT可靠开通及可靠的允许电压范围内。

通过在短路保护比较器中设置Vce的短路阈值Vsc实现短路过流保护功能。并且Vsc的设定高于误差放大器中VceReff的设定，当IGBT处于开通状态，检测到Vce-on＞Vsc时，认为电路IGBT器件发生了短路过流的情况，此时短路比较器第一时间输出反馈信号SC_FAULT给正电压逻辑控制子单元，正电压逻辑控制子单元输出调节控制信号control1控制可调电压源降低IGBT门级Vge电压为6-8V，减小IGBT关断时的应力。同时在短路信号产生后延迟1-3us后给推挽放大模块关断IGBT的指令，此关断过程控制在10us以内。

(2)当IGBT为关断工作状态时：

IGBT关断时Vce会产生一个尖峰电压，此尖峰电压如果超过IGBT的耐受电压值，有导致IGBT集电极和发射极击穿的风险。关断尖峰比较器通过将检测到的Vce-off和设定的IGBT最大可耐受VceMAX进行比较，比如IGBT的VceMAX规格为600V的时候，根据设计降额可以把最大可耐受电压设为600V的80％。

如果检测到IGBT关断电压Vce-off＜VceMAX，此时IGBT处于正常关断逻辑，关断比较器提供反馈信号Negative＝0至负电压逻辑控制子单元。负电压逻辑控制子单元通过控制信号control2控制可调电压源输出-10V至0V可调的Vge电压给推挽放大电路，用于关断IGBT的门级电压。采用负压关断可以使IGBT的关断更加迅速，从而降低开关损耗。

如果检测到IGBT关断电压Vce-off＞VceMAX，说明IGBT关断产生的反复尖峰电压冲击可能导致IGBT损坏或降低IGBT可靠性，这时负电压逻辑控制子单元得到关断尖峰比较器输出的信号Negative，单片机中的负电压逻辑控制子单元根据反馈信号Negative＝1输出调节控制信号control1至可调电压源，控制可调电压源输出3-6V的正电压，产生对应的电压基准，降低IGBT关断速度，使得关断时的di/dt减小，达到降低Vce尖峰电压，保护IGBT的目的。当检测到关断Vce恢复正常值以下时，再通过控制信号control2继续正常的负压关断过程。

请参阅图8，显示为本发明的动态调整门极电压的驱动系统于一实施例中的通态电压曲线图。如图8所示，显示了某PIM(Power Integrated Module，功率集成模块)中IGBT的V_CE或Vce的通态电压曲线，IGBT在不同的门级V_GE或Vge电压驱动下，通态的V_CE或Vce电压有所差别。可以通过提高Vge电压达到降低Vce通态电压的目的。因为Vce通态电压影响通态损耗，因此降低Vce通态电压可以降低通态时的IGBT损耗。

结合图8可知，IGBT为本发明的受益元器件，在IGBT开通状态时，通过闭环调节IGBT门级驱动电压Vge的幅值，实现对IGBT通态损耗的控制。在IGBT关断状态时，通过对关断Vce的检测，实现负电压可靠快速关断，进而降低通态损耗和开关损耗，可以有效降低驱动器整体的散热成本。减小了在IGBT开通时的短路过流异常情形以及在IGBT关断时尖峰电压对IGBT可靠性和寿命造成的影响，提高IGBT的使用寿命。

请参阅图9，显示为本发明的动态调整门极电压的驱动方法于一实施例中的原理流程图。如图9所示，所述动态调整门极电压的驱动系统具体包括以下几个步骤：

S11，检测开关器件的极间电压。

在本实施例中，所述开关器件模块为IGBT模块；S11包括：

在所述IGBT模块中的IGBT开通或关断时，对所述IGBT的集电极与发射极之间的电压进行采样，分别产生开通电压信号和关断电压信号。

S12，对所述极间电压进行分析后生成调整信号。

S13，根据所述调整信号对所述开关器件的门极电压进行动态调整。

在本实施例中，S13包括：

(1)根据所述开通电压信号产生误差量，所述误差量用于IGBT开通后的门极电压调整。

(2)对所述开通电压信号进行过流检测，在过流检测产生短路信号时，通过将正向电压降至软关断电压范围，并产生对应的电压基准进行门极电压调整；在过流检测未产生短路信号时，根据所述误差量调整正向电压至正常开通电压范围，以进行门极电压调整。

(3)对所述关断电压信号进行尖峰检测，在尖峰检测产生过压尖峰信号时，通过将负向电压转为可靠关断电压范围，并产生对应的电压基准进行门极电压调整。

本发明所述的动态调整门极电压的驱动系统的保护范围不限于本实施例列举的步骤执行顺序，凡是根据本发明的原理所做的现有技术的步骤增减、步骤替换所实现的方案都包括在本发明的保护范围内。

本发明所述的动态调整门极电压的驱动系统可以实现本发明所述的动态调整门极电压的驱动系统，但本发明所述的动态调整门极电压的驱动系统的实现设备包括但不限于本实施例列举的动态调整门极电压的驱动系统的结构，凡是根据本发明的原理所做的现有技术的结构变形和替换，都包括在本发明的保护范围内。

综上所述，本发明所述动态调整门极电压的驱动系统及方法通过导通Vce的控制，可以降低IGBT在正常运行时的通态损耗，从而提高了电路的效率。通过正负电压的逻辑控制，使得IGBT在开通与关断过程中不易出现震荡情况，降低了噪声EMI(ElectromagneticInterference，电磁干扰)，并降低开关损耗。本发明的短路保护比较器保证了IGBT在发生异常的过电流或短路的情况下的可靠性。关断尖峰比较器则保证了IGBT在有异常输入电压或震荡尖峰时，不会被击穿，提升了正常运行的可靠性。本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种动态调整门极电压的驱动系统，其特征在于，所述动态调整门极电压的驱动系统包括：

开关器件模块；

极间电压检测模块，与所述开关器件模块连接，用于检测所述开关器件模块中开关器件的极间电压；

极间电压分析模块，与所述极间电压检测模块连接，用于对所述极间电压进行分析后生成调整信号；所述极间电压分析模块包括短路保护单元、误差放大单元、尖峰检测单元和电压逻辑控制单元；所述电压逻辑控制单元包括正电压逻辑控制子单元和负电压逻辑控制子单元；

电压调整模块，分别与所述极间电压分析模块和开关器件模块连接，用于根据所述调整信号对所述开关器件的门极电压进行动态调整；所述电压调整模块分别与所述正电压逻辑控制子单元和负电压逻辑控制子单元连接；所述正电压逻辑控制子单元接收所述短路保护单元和所述误差放大单元针对开通电压信号的检测结果，所述负电压逻辑控制子单元接收所述尖峰检测单元针对关断电压信号的检测结果；所述电压调整模块包括可调电压源，所述正电压逻辑控制子单元和负电压逻辑控制子单元接收对应的检测结果后输出所述调整信号对所述可调电压源进行控制，所述可调电压源根据所述调整信号输出所述门极电压对应的电源电压。

2.根据权利要求1所述的动态调整门极电压的驱动系统，其特征在于，所述开关器件模块为IGBT模块；

所述极间电压检测模块为运放模块；

所述运放模块在所述IGBT模块中的IGBT开通或关断时，对所述IGBT的集电极与发射极之间的电压进行采样；

所述运放模块包括开通电压信号输出端和关断电压信号输出端。

3.根据权利要求2所述的动态调整门极电压的驱动系统，其特征在于：

所述短路保护单元、误差放大单元、尖峰检测单元均与所述电压逻辑控制单元连接；

所述短路保护单元和误差放大单元均与所述开通电压信号输出端连接；

所述尖峰检测单元与所述关断电压信号输出端连接。

4.根据权利要求3所述的动态调整门极电压的驱动系统，其特征在于：

所述正电压逻辑控制子单元分别与所述短路保护单元和误差放大单元连接；其中，所述短路保护单元用于对所述开通电压信号输出端输出的所述开通电压信号进行过流检测；所述误差放大单元用于根据所述开通电压信号产生误差量，所述误差量用于IGBT开通后的门极电压调整；所述正电压逻辑控制子单元用于在过流检测产生短路信号时，将正向电压降至软关断电压范围，并产生对应的电压基准；在过流检测未产生短路信号时，根据所述误差量调整正向电压至正常开通电压范围；

所述负电压逻辑控制子单元与所述尖峰检测单元连接；所述尖峰检测单元用于对所述关断电压信号进行尖峰检测；所述负电压逻辑控制子单元用于在尖峰检测产生过压尖峰信号时，将负向电压转为可靠关断电压范围，并产生对应的电压基准。

5.根据权利要求4所述的动态调整门极电压的驱动系统，其特征在于：

所述电压调整模块还包括推挽放大单元；所述可调电压源与所述推挽放大单元连接，用于将所述正电压逻辑控制子单元和负电压逻辑控制子单元的调整信号传输至所述推挽放大单元，以进行导通电压和关断电压的电平调整。

6.根据权利要求5所述的动态调整门极电压的驱动系统，其特征在于：

所述可调电压源还包括一电源电荷泄放子单元，所述电源电荷泄放子单元用于对所述可调电压源进行电源电荷的快速泄放。

7.根据权利要求1所述的动态调整门极电压的驱动系统，其特征在于，所述动态调整门极电压的驱动系统还包括：

信号传输模块，分别与所述电压调整模块和极间电压检测模块连接，用于向所述电压调整模块输出开关器件开通或关断的PWM脉冲信号，以实现信号侧与功率侧的隔离；以及向所述极间电压检测模块提供开通电压信号和关断电压信号输出时的控制信号。

8.一种动态调整门极电压的驱动方法，其特征在于，所述动态调整门极电压的驱动方法包括：

检测开关器件的极间电压；

通过极间电压分析模块对所述极间电压进行分析后生成调整信号；所述极间电压分析模块包括短路保护单元、误差放大单元、尖峰检测单元和电压逻辑控制单元；所述电压逻辑控制单元包括正电压逻辑控制子单元和负电压逻辑控制子单元；

通过电压调整模块根据所述调整信号对所述开关器件的门极电压进行动态调整；所述电压调整模块分别与所述正电压逻辑控制子单元和负电压逻辑控制子单元连接；所述正电压逻辑控制子单元接收所述短路保护单元和所述误差放大单元针对开通电压信号的检测结果，所述负电压逻辑控制子单元接收所述尖峰检测单元针对关断电压信号的检测结果；所述电压调整模块包括可调电压源，所述正电压逻辑控制子单元和负电压逻辑控制子单元接收对应的检测结果后输出所述调整信号对所述可调电压源进行控制，所述可调电压源根据所述调整信号输出所述门极电压对应的电源电压。

9.根据权利要求8所述的动态调整门极电压的驱动方法，其特征在于，所述开关器件设于开关器件模块中，所述开关器件模块为IGBT模块；所述检测开关器件的极间电压的步骤包括：

在所述IGBT模块中的IGBT开通或关断时，对所述IGBT的集电极与发射极之间的电压进行采样，分别产生所述开通电压信号和所述关断电压信号。

10.根据权利要求9所述的动态调整门极电压的驱动方法，其特征在于，所述根据所述调整信号对所述开关器件的门极电压进行动态调整的步骤包括：

根据所述开通电压信号产生误差量，所述误差量用于IGBT开通后的门极电压调整；

对所述开通电压信号进行过流检测，在过流检测产生短路信号时，通过将正向电压降至软关断电压范围，并产生对应的电压基准进行门极电压调整；在过流检测未产生短路信号时，根据所述误差量调整正向电压至正常开通电压范围，以进行门极电压调整；

对所述关断电压信号进行尖峰检测，在尖峰检测产生过压尖峰信号时，通过将负向电压转为可靠关断电压范围，并产生对应的电压基准进行门极电压调整。

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