CN116667644A - 一种功率开关器件驱动电路及其电机控制器 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及功率器件驱动电路领域，具体涉及一种功率开关器件驱动电路及其电机控制器，所述功率开关器件驱动电路，包括：功率开关器件；检测单元，用于检测功率开关器件在开关时的电流变化率di/dt、电压变化率du/dt以及尖峰电压；控制单元，用于根据所述电流变化率di/dt、电压变化率du/dt以及尖峰电压，调整与功率开关器件栅极连接的驱动电阻控制电路以实现对所述电流变化率di/dt、电压变化率du/dt以及尖峰电压的闭环控制。本公开能够解决基于碳化硅的电机控制器使用过程中遇到的过高的di/dt和du/dt带来的长电缆全反射问题EMC等问题，同时实现了对开关损耗的最优控制。
Description
技术领域
本公开涉及功率器件驱动电路领域，具体涉及一种功率开关器件驱动电路及其电机控制器。
背景技术
功率半导体器件是电力电子技术的基础，是构成电力电子装置的核心器件。碳化硅(SiC)材料作为一种宽禁带半导体材料，具有高击穿场强、高饱和电子漂移速率、高热导率等优点，因此碳化硅功率半导体器件可以实现高压、大功率、高频、高温应用，可以提高电力电子装置的效率、降低装置体积和重量，比传统硅基器件更具优越性。近年来SIC技术的突飞猛进，制造成本和良率的急速提升，SIC在电动汽车驱动器和车载电源方面得到的充分的应用。但在变频器等工控领域一直没有得到广泛的使用。其由以下几个方面的原因：(1)工业应用的场合非常复杂，就以变频器为例，其输出给电机的线缆长度多变。而SIC以高速著称，其电压变化率(DU/DT)大约时IGBT的15-30倍，过高的DU/DT势必会在电缆传输的过程中更容易产生全反射，之前在IGBT应用过程中，线缆可使用的范围大于在30m以内(30m以内不用考虑)，如果使用SIC就要在线缆长度超过1m的情况下就需要考虑是否会产生全反射，很大程度上限制了SIC在变频器等工业场合的应用。(2)SIC在使用过程中其高速还带来过高的电流变化率(di/dt)，过高的di/dt一方面容易造成关断时电压过高，导致功率器件过压失效；另一方面容易造成驱动回路的串扰导致功率器件误开关。(3)过高的电压变化率du/dt和电流变化率di/dt会导致比较严重电磁兼容问题，造成在同一空间内或者同一线路上的其他供电设备不能够正常工作，尤其是对于工业场合其外围的设备更多更复杂，过多的依靠在电机驱动器的外围增加滤波设备，一方面会增加成本和体积，另一方面容易过设计造成浪费。
发明内容
本公开提供一种功率开关器件驱动电路及其电机控制器，能够解决背景技术中提到的至少一个问题，通过实现对碳化硅等功率器件di/dt和du/dt闭环控制以解决基于碳化硅的电机控制器使用过程中遇到的过高的di/dt和du/dt带来的长电缆全反射问题EMC等问题，同时实现了对开关损耗的最优控制。为解决上述技术问题，本公开提供如下技术方案：
根据本公开实施例的一个方面，提供一种功率开关器件驱动电路，包括：
功率开关器件；
检测单元，用于检测功率开关器件在开关时的电流变化率di/dt、电压变化率du/dt以及尖峰电压；
控制单元，用于根据所述电流变化率di/dt、电压变化率du/dt以及尖峰电压，调整与功率开关器件栅极连接的驱动电阻控制电路以实现对所述电流变化率di/dt、电压变化率du/dt以及尖峰电压的闭环控制。
可选地，所述电压变化率du/dt允许最大值根据驱动电路的驱动对象的电缆长度确定，通过控制单元设定电压变化率du/dt以实现对驱动电阻控制电路的实时控制。
可选地，根据电磁兼容的测试结果设定允许的最大的电流变化率di/dt和电压变化率du/dt以实现对驱动电阻控制电路的最优化控制。
可选地，所述检测单元包括用于检测电流变化率di/dt的di/dt测量电路，所述功率开关器件的源极与地之间连接有采样电阻R，所述di/dt测量电路连接在采样电阻R两端；
所述检测单元包括用于检测电压变化率du/dt的du/dt测量电路，所述du/dt测量电路一端连接在所述功率开关器件的漏极与地之间；
所述检测单元包括用于检测尖峰电压的电压峰值测量电路，所述电压峰值测量电路连接在所述功率开关器件的漏极与地之间。
可选地，所述di/dt测量电路包括：
差分放大电路，用于采集到的功率开关器件开关时的电流信号进行放大；
第一上升沿捕获电路，用于将捕获所述电流信号的上升沿的最大值并储存；
第一等比例反向单元，将所述电流信号的下降沿转化为电流上升信号；
第二上升沿捕获电路，用于将所述电流上升信号的最大值捕获并储存。
可选地，所述du/dt测量电路包括：
电压采集模块，用于采集所述功率开关器件开关时电压信号；
第三上升沿捕获电路，用于采集所述电压信号中的上升沿的最大值并储存；
第二等比例反向单元，将所述电压信号的下降沿转化为电压上升信号；
第四上升沿捕获电路，用于将所述电压上升信号的最大值捕获并储存。
可选地，所述电压峰值测量电路包括将降压电路以及峰值采集电路，所述降压电路将所述电压信号转换成能够采集的电压范围，所述峰值采集电路用于将转换后的电压信号中的电压峰值进行采集和储存。
可选地，所述驱动电阻控制电路隔离驱动电路、n个开通电阻控制开关、n个开通电阻，n个关断电阻控制开关、n个关断电阻组成，每个所述开通电阻和关断电阻依次串联后并联，且每个所述开通电阻和关断电阻之间均与所述功率开关器件的栅极连接；每个所述开通电阻控制开关和关断电阻控制开关分别与所述开通电阻和关断电阻的另一端电连接；所述驱动隔离电路与所述开通电阻控制开关和关断电阻控制开关的控制端电连接，所述控制单元通过隔离驱动电路实现对所述开通电阻控制开关和关断电阻控制开关的开关控制。
根据本公开实施例的另一个方面，提供一种电机控制器，包括多个上述的功率开关器件驱动电路。
相对于现有技术，本公开实施例以控制单元为栅极驱动控制的核心，通过采集每个开关周期检测开关器件开关时的电流变化率di/dt、电压变化率du/dt以及尖峰电压，根据提供的约束条件来实时调整驱动电阻，以实现对电流变化率di/dt信号、电压变化率信号du/dt和峰值电压的闭环控制。
(2)可以根据电机驱动器输出线缆的长度确定允许的最大的du/dt，并通过控制单元设定du/dt实现对实时对驱动电阻的控制。实现驱动器在不同电缆长度下的损耗最优化控制。
(3)可以根据电磁兼容的测试结果，设定允许的最大的du/dt和di/dt，并在此设定条件下实现对驱动电阻的最优化控制。
(4)通过实时检测开关器件源极和漏极之间的峰值电压，通过实时控制关断电阻，来实时控制关断时di/dt的变化率，从而避免功率器件在关断时超出安全工作区，造成过压失效。
附图说明
图1为本公开实施例中的功率开关器件驱动电路示意图；
图2为功率器件开通过程示意图；
图3为功率器件关断过程示意图；
图4为本公开实施例中的电机控制器示意图；
图5为di/dt采集电路原理图；
图6为du/dt采集电路原理图；
图7为峰值电压采集电路原理图；
图8为驱动电阻可控电路原理图。
具体实施方式
下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
本公开实施例是发明人为了解决基于碳化硅的电机控制器使用过程中遇到的过高的di/dt和du/dt带来的长电缆全反射问题EMC等问题，同时也为了实现对开关损耗的最优控制而提出的解决方案。可通过如下实施例来实现解决技术问题。
其中，功率开关器件的电压变化率du/dt(针对于SIC器件为开关器件DS两端电压的变化率如图1所示)与母线电压UDC和驱动电阻息息相关。母线电压UDC越高，同样的驱动电阻下，du/dt越大。驱动电阻分为开通电阻和关断电阻，同样母线电压下，开通电阻越小开通时电压下降的du/dt越大，如图2所示；关断电阻越小关断时电压上升的du/dt越大，如图3所示，开关器件的电流变化率di/dt(针对于SIC器件为流过发射极S(如图1所示)的电流Is的变化率)与输出电流和驱动电阻息息相关。输出电流越大，同样的驱动电阻下，di/dt越大。驱动电阻分为开通电阻和关断电阻，同样输出电流下，开通电阻越小开通时电流上升的di/dt越大，如图2所示；关断电阻越小关断时电流下降的di/dt越大，如图3所示。
其中，功率开关器件的开关损耗与di/dt和du/dt有直接的关系，如图2所示，开关器件从T1时刻开始开通，流过发射极的电流Is开始增加，当电流增加到峰值时，Uds电压开始下降，下降至0V时，开关器件完成开通过程，其阴影面积为单次开关器件的开通损耗。如图3所示，开关器件从T2时刻开始关断，Uds的电压开始上升，当电压上升至母线电压时，流过发射极的电流Is开始下降，当电流下降至0时，完成关断过程，开关器件完成开通过程，其阴影面积为单次开关器件的关断损耗。因此通过较小开通和关断电阻，提高Uds电压的变化率du/dt或者Is电流的变化率di/dt可以减少开关时间同时降低开关损耗。
根据本公开实施例的一个方面，提供一种功率开关器件驱动电路，如图1所示，包括：
功率开关器件；本实施例中，所述功率开关器件可为碳化硅器件，如图1所示为具有栅极(G)、源极(S)和漏极(D)的功率场效应管。
检测单元，用于检测功率开关器件在开关时的电流变化率di/dt、电压变化率du/dt以及尖峰电压；
控制单元，用于根据所述电流变化率di/dt、电压变化率du/dt以及尖峰电压，调整与功率开关器件栅极连接的驱动电阻控制电路以实现对所述电流变化率di/dt、电压变化率du/dt以及尖峰电压的闭环控制。所述控制单位可为MCU控制单元，采用微控制器实现计算和控制。
在本实施例中，如图1所示，流过源极S的电流通过电阻R将电流信号转化为电压信号，di/dt检测电路通过实时检测电阻R两端电压得到流过源极S的电流变化率di/dt；du/dt检测电路一端开关器件的D另外一端连在采样电阻端，由于作为电流采样电阻的R，其电阻值都非常小，所以可以近似为du/dt检测电路两端连接在MOS管的DS两端，通过检测DS两端的电压信号并将其转化为开关器件DS之间的电压变化率du/dt；电压峰值检测电路与du/dt检测电路连接方式相同，通过检测DS两端的电压信号并将DS电压的峰值电压进行储存，将采集的电流变化率di/dt信号、电压变化率信号du/dt和峰值电压送给MCU，MCU根据内部设定的电流变化率、电压变化率和峰值电压的参考值，通过驱动电阻控制电路选择合适的驱动电阻，从而实现对电流变化率di/dt信号、电压变化率信号du/dt和峰值电压的实时控制。
作为一种可选的实施方式，所述电压变化率du/dt允许最大值根据驱动电路的驱动对象的电缆长度确定，通过控制单元设定电压变化率du/dt以实现对驱动电阻控制电路的实时控制。
作为一种可选的实施方式，根据电磁兼容的测试结果设定允许的最大的电流变化率di/dt和电压变化率du/dt以实现对驱动电阻控制电路的最优化控制。
作为一种可选的实施方式，所述检测单元包括用于检测电流变化率di/dt的di/dt测量电路，所述功率开关器件的源极与地之间连接有采样电阻R，所述di/dt测量电路连接在采样电阻R两端；图5为本公开实施例为实现di/dt采集搭建的di/dt采集电路，其中电路包括4部分，其中A1部分为差分放大电路，将采集的电压信号进行放大；A2为上升沿捕获电路，其工作原理如下：当流过电阻R上的电流上升沿(由小变大)到来时(电流从电阻R的1脚流到2脚)，经过差分放大电路后A点的电压发生突变(由小变大)，C1上会流过电流，在R5上产生电压，R5上的电压与di/dt的变化率呈正比，经过运算放大器提升输出能力，在经过D1和C2将电阻R5上的峰值电压进行存储，C2上的电压等比例与为di/dt上升沿的最大值；A3为等比例反向单元，将下降沿信号转化为上升信号，其工作原理如下：当流过电阻R上的电流下降沿(由大变小)到来时(电流从电阻R的1脚流到2脚)，A点的电压发生突变(由大变小)B点的电压等比例由小变大。A4与A2相同为上升沿捕获电路，将B电电压变化的最大值存储下来，C4上的电压等比例与为di/dt下降沿的最大值。当di/dt采集完成并送给MCU后，将S1和S2至高电平，电容放电，待下一次采样之前将S1和S2置0等待采样。
所述检测单元包括用于检测电压变化率du/dt的du/dt测量电路，所述du/dt测量电路一端连接在所述功率开关器件的漏极与地之间；图6为本公开实施例为实现du/dt采集搭建的du/dt采集电路，其工作原理与di/dt采集电路基本相似，A1模块为电压采集模块，A2为上升沿捕获电路，C2上的电压等比例与为du/dt上升沿的最大值；A3为等比例反向单元，A4与A2相同为上升沿捕获电路，将B电电压变化的最大值存储下来，C4上的电压等比例与为du/dt下降沿的最大值。当du/dt采集完成并送给MCU后，将S1和S2至高电平，电容放电，待下一次采样之前将S1和S2置0等待采样。
所述检测单元包括用于检测尖峰电压的电压峰值测量电路，所述电压峰值测量电路连接在所述功率开关器件的漏极与地之间。图7为本公开实施例为实现DS电压峰值采集搭建的电压峰值采集电路，其工作原理第一步将DN之间的高压转变为5V以内的低压，A点电压随DC电压的变化而变化，再通过D1和C2将A点电压的最大值储存起来。当电压峰值采集完成并送给MCU后，将S1至高电平，电容放电，待下一次采样之前将S1置0等待采样。
作为一种可选的实施方式，所述di/dt测量电路包括：
差分放大电路，用于采集到的功率开关器件开关时的电流信号进行放大；
第一上升沿捕获电路，用于将捕获所述电流信号的上升沿的最大值并储存；
第一等比例反向单元，将所述电流信号的下降沿转化为电流上升信号；
第二上升沿捕获电路，用于将所述电流上升信号的最大值捕获并储存。
作为一种可选的实施方式，所述du/dt测量电路包括：
电压采集模块，用于采集所述功率开关器件开关时电压信号；
第三上升沿捕获电路，用于采集所述电压信号中的上升沿的最大值并储存；
第二等比例反向单元，将所述电压信号的下降沿转化为电压上升信号；
第四上升沿捕获电路，用于将所述电压上升信号的最大值捕获并储存。
作为一种可选的实施方式，所述电压峰值测量电路包括将降压电路以及峰值采集电路，所述降压电路将所述电压信号转换成能够采集的电压范围，所述峰值采集电路用于将转换后的电压信号中的电压峰值进行采集和储存。
作为一种可选的实施方式，所述驱动电阻控制电路隔离驱动电路、n个开通电阻控制开关、n个开通电阻，n个关断电阻控制开关、n个关断电阻组成，每个所述开通电阻和关断电阻依次串联后并联，且每个所述开通电阻和关断电阻之间均与所述功率开关器件的栅极连接；每个所述开通电阻控制开关和关断电阻控制开关分别与所述开通电阻和关断电阻的另一端电连接；所述驱动隔离电路与所述开通电阻控制开关和关断电阻控制开关的控制端电连接，所述控制单元通过隔离驱动电路实现对所述开通电阻控制开关和关断电阻控制开关的开关控制。例如，图8为本公开实施例为实现驱动电阻控制搭建的驱动电阻可控电路，其由隔离驱动电路、n个开通电阻控制开关S11-S1n、n个开通电阻R11-R1n，n个关断电阻控制开关S21-S2n、n个关断电阻R21-R2n组成，VCC为驱动电源供电的正电压，VEE为驱动电源供电的负电压。驱动电阻可控电路的输入为MCU提供的控制信号，驱动电阻可控电路的输出为开关器件的栅极G。MCU在每个开关周期内通过隔离驱动电路控制开通电阻控制开关S11-S1n和关断电阻控制开关S21-S2n来实现实时对功率器件驱动电阻的控制。
根据本公开实施例的另一个方面，还提供一种电机控制器，包括多个上述的功率开关器件驱动电路。如图4所示，其中Q1-Q6为6个开关器件，ia、ib和ic为三相输出电流，La、Lb和Lc为输出的线缆，M为电动机。利用如上述实施例中的功率开关器件驱动电路，也可实现如下的技术效果：
相对于现有技术，本公开实施例以控制单元为栅极驱动控制的核心，通过采集每个开关周期检测开关器件开关时的电流变化率di/dt、电压变化率du/dt以及尖峰电压，根据提供的约束条件来实时调整驱动电阻，以实现对电流变化率di/dt信号、电压变化率信号du/dt和峰值电压的闭环控制。
(2)可以根据电机驱动器输出线缆的长度确定允许的最大的du/dt，并通过控制单元设定du/dt实现对实时对驱动电阻的控制。实现驱动器在不同电缆长度下的损耗最优化控制。
(3)可以根据电磁兼容的测试结果，设定允许的最大的du/dt和di/dt，并在此设定条件下实现对驱动电阻的最优化控制。
(4)通过实时检测开关器件源极和漏极之间的峰值电压，通过实时控制关断电阻，来实时控制关断时di/dt的变化率，从而避免功率器件在关断时超出安全工作区，造成过压失效。
尽管已经示出和描述了本公开的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本公开的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本公开的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.一种功率开关器件驱动电路，其特征在于，包括：
功率开关器件；
检测单元，用于检测功率开关器件在开关时的电流变化率di/dt、电压变化率du/dt以及尖峰电压；
控制单元，用于根据所述电流变化率di/dt、电压变化率du/dt以及尖峰电压，调整与功率开关器件栅极连接的驱动电阻控制电路以实现对所述电流变化率di/dt、电压变化率du/dt以及尖峰电压的闭环控制。
2.如权利要求1所述的功率开关器件驱动电路，其特征在于，所述电压变化率du/dt允许最大值根据驱动电路的驱动对象的电缆长度确定，通过控制单元设定电压变化率du/dt以实现对驱动电阻控制电路的实时控制。
3.如权利要求1或2所述的功率开关器件驱动电路，其特征在于，根据电磁兼容的测试结果设定允许的最大的电流变化率di/dt和电压变化率du/dt以实现对驱动电阻控制电路的最优化控制。
4.如权利要求1所述的功率开关器件驱动电路，其特征在于，所述检测单元包括用于检测电流变化率di/dt的di/dt测量电路，所述功率开关器件的源极与地之间连接有采样电阻R，所述di/dt测量电路连接在采样电阻R两端；
所述检测单元包括用于检测电压变化率du/dt的du/dt测量电路，所述du/dt测量电路一端连接在所述功率开关器件的漏极与地之间；
所述检测单元包括用于检测尖峰电压的电压峰值测量电路，所述电压峰值测量电路连接在所述功率开关器件的漏极与地之间。
5.如权利要求4所述的功率开关器件驱动电路，其特征在于，所述di/dt测量电路包括：
差分放大电路，用于采集到的功率开关器件开关时的电流信号进行放大；
上升沿捕获电路，用于将捕获所述电流信号的上升沿的最大值并储存；
等比例反向单元，将所述电流信号的下降沿转化为电流上升信号；
上升沿捕获电路，用于将所述电流上升信号的最大值捕获并储存。
6.如权利要求4所述的功率开关器件驱动电路，其特征在于，所述du/dt测量电路包括：
电压采集模块，用于采集所述功率开关器件开关时电压信号；
上升沿捕获电路，用于采集所述电压信号中的上升沿的最大值并储存；
等比例反向单元，将所述电压信号的下降沿转化为电压上升信号；
上升沿捕获电路，用于将所述电压上升信号的最大值捕获并储存。
7.如权利要求4所述的功率开关器件驱动电路，其特征在于，所述电压峰值测量电路包括将降压电路以及峰值采集电路，所述降压电路将所述电压信号转换成能够采集的电压范围，所述峰值采集电路用于将转换后的电压信号中的电压峰值进行采集和储存。
8.如权利要求1所述的功率开关器件驱动电路，其特征在于，所述驱动电阻控制电路由隔离驱动电路、n个开通电阻控制开关、n个开通电阻，n个关断电阻控制开关、n个关断电阻组成，每个所述开通电阻和关断电阻依次串联后并联，且每个所述开通电阻和关断电阻之间均与所述功率开关器件的栅极连接；每个所述开通电阻控制开关和关断电阻控制开关分别与所述开通电阻和关断电阻的另一端电连接；所述驱动隔离电路与所述开通电阻控制开关和关断电阻控制开关的控制端电连接，所述控制单元通过隔离驱动电路实现对所述开通电阻控制开关和关断电阻控制开关的开关控制。
9.一种电机控制器，其特征在于，包括多个如权利要求1-8任一项所述的功率开关器件驱动电路。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310423469.5A CN116667644A (zh) | 2023-04-19 | 2023-04-19 | 一种功率开关器件驱动电路及其电机控制器 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN202310423469.5A CN116667644A (zh) | 2023-04-19 | 2023-04-19 | 一种功率开关器件驱动电路及其电机控制器 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117318684A (zh) * | 2023-11-30 | 2023-12-29 | 深圳青铜剑技术有限公司 | 关断电路和电子设备 |
-
2023
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| CN117318684B (zh) * | 2023-11-30 | 2024-05-07 | 深圳青铜剑技术有限公司 | 关断电路和电子设备 |
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