一种降低IGBT驱动损耗的电路的制作方法

一种降低igbt驱动损耗的电路
技术领域
1.本实用新型涉及半导体器件控制技术领域，尤其涉及一种降低igbt驱动损耗的电路。


背景技术：

2.绝缘栅双极型晶体管(igbt，insulated gate bipolar transistor)，是由双极型三极管(bjt)和绝缘栅型场效应管(mos)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，因其良好的动静态特性，在电力电子产品中得到了广泛应用。
3.由igbt组成的电力电子变换器大多用于感性负载，比如电机或电网。在这种应用场景下，电流一般是幅值和方向交替变化的交流电，需要电力电子变换器电路具有双向导流功能。同时，由于感性负债电路中的电流不能突变，电力电子变换器需要提供相应的续流回路以便电流流通。由于igbt器件结构，其是单相导流器件；为了满足双向导流以及提供电流续流功能，业界一般通过为igbt反并联一个二极管来实现，如图1中s1所示。
4.igbt作为可控器件，其开关动作由驱动电路来实现。反并联二极管为不可控器件，其工作状态由外电路所决定。igbt驱动电路接收来自控制单元的开关逻辑信号，当开关逻辑信号为高时，通过图1所示的脉冲驱动输出单元电路为igbt提供驱动电流和电荷，使栅源极等效电容充电建立电压，形成导电沟道。当开关逻辑信号为低时，脉冲驱动输出单元电路为igbt提供反向驱动电流，从栅源极等效电容中不断抽离电荷，从而使导电沟道关断。
5.开关逻辑信号由控制单元根据控制算法和调制策略来实现，而开关逻辑信号生成时，一般将igbt和反并联二极管组成的整体s1当成一个全控型开关来对待，没有区分具体的电流通路是由igbt导流还是经由二极管流通，即：希望s1单元导通的时候，生成高电平驱动信号；希望s1单元关断的时候，生成低电平驱动信号。
6.这种开关逻辑信号生成方式虽然简单易行，但是和电路具体工况缺少关联，导致在反向电流(相对于igbt正向导流方向)流通周期内，高电平开关逻辑信号将使igbt建立沟道，但是由于igbt的单向导流特性，反向电流经由反并联二极管进行流通，使得igbt的开关动作失去意义。


技术实现要素：

7.本实用新型的目的在于克服现有技术中igbt处于反向导流状态下，即使开通igbt也不会实质影响电流路径，反而增加驱动损耗的问题，提供了一种降低igbt驱动损耗的电路。
8.本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：一种降低igbt驱动损耗的电路，包括顺次连接的电流方向采集单元、电流方向判断单元和驱动调节单元。其中，电流方向采集单元与igbt所处电路连接，如与igbt所处电路的电源部分或者负载回路连接，用于获取igbt所处电路的实时电流方向。电流方向判断单元用于判断实时电流方向与igbt的导流方向是否一致，进而确定igbt当前所处正向导流周期还是反向导流周期，以此建立igbt
器件与电路实时工作的联系。驱动调节单元的输入端与igbt的驱动信号生成单元的输出端连接，且其输出端与igbt的栅极连接，用于在实时电流的方向与igbt的正向导流方向不一致时，即igbt处于反向导流周期时，消隐或阻塞或封锁igbt的驱动信号(生成低电平的驱动信号，驱动信号用于控制igbt进行开关动作)，使igbt处于关断状态，避免igbt在其反并联二极管导流期间的开关动作，降低驱动损耗，提升电路整体效率。
9.进一步地，驱动信号生成单元优选为数据处理器，包括不限于单片机、fpga、cpld等控制器，用于通过其输入/输出引脚输出高电平信号或低电平信号，以作为驱动igbt开关的驱动信号。需要说明的是，本实用新型中数据处理器或者其他电路对信号进行比较、判断输出比较或判断结果以及驱动信号生成等数据处理手段均属于本领域技术人员的公知常识，不在本实用新型请求保护的范围之内。
10.在一示例中，电流方向采集单元的输入端与igbt所在电路的负载回路连接，以此获取电流参数信息包括电流大小、方向等，且由于整体电路控制需要，负载回路电流在实际应用中本身就需要采集，因此，本技术电流方向采集单元获取的电流参数信息同时用于igbt驱动控制以及整体电路控制，在兼容整体电路控制的基础上，无需增加单独的硬件，也不会增加驱动回路损耗。
11.在一示例中，电流方向采集单元包括顺次连接的电流采集模块和电流方向检测模块。其中，电流采集模块用于采集igbt所处电路的实时电流，可以为电流传感器如霍尔传感器，也可引入采样电路如采样电阻对回路电流进行采集。电流方向检测模块用于判断igbt所处电路的实时电流的方向。
12.在一示例中，电流采集模块的输出端连接有信号调理电路，信号调理电路包括不限于滤波电路、信号放大电路等。本示例中，电流采集模块的输出端连接有基于运放形成的电压跟随器，用于放大电流信号。
13.在一示例中，电流方向检测模块为基于运放构成的过零比较电路，用于比较电流采集模块输出的信号电压与参考电压信号(0v)进而判断igbt所处电路的实时电流方向。
14.在一示例中，过零比较电路的输出端连接有电平转换电路。具体地，由于电流方向判断单元和驱动调节单元可以通过逻辑门电路(数字电路)实现相应的电路功能，因此本示例中，过零比较电路的输出端连接有稳压二极管，稳压二极管的阳极接地，用于实现信号的电平转换，便于适配后级数字电路的电平等级。
15.在一示例中，电流方向判断单元为第一逻辑门电路，用于根据实时电流方向、igbt的拓扑属性标识输出表征实时电流的方向与igbt的导流方向的真值。其中，逻辑门电路包括不限于与门、非门、同或门、异或门等，各逻辑门可实现不同的逻辑功能。igbt的拓扑属性标识表征了igbt在当前电路中的导流反向与电路中实际电流方向状态标识的关联，其值为1或者0，具体通过接数字电源正极(高电平，逻辑1)或数字电源地(低电平，逻辑0)实现。拓扑属性标识t
flag
的真值需要预定义，可以将拓扑属性标识t
flag
真值1定义为igbt器件的正向导流方向，和电路的实际电流方向(实时电流方向)状态标识i
flag
一致，此时扑属性标识t
flag
真值0表示igbt器件的反向导流方向，和电路的实际电流方向状态标识i
flag
(实时电流方向)相反。当然也可将拓扑属性标识t
flag
真值1定义为igbt器件的反向导流方向，和电路的实际电流方向状态标识i
flag
不一致。
16.在一示例中，第一逻辑门电路具体为同或门电路，同或门电路的输入端连接有电
流方向采集单元、存储有igbt的拓扑属性标识的器件，此时当igbt的拓扑属性标识t
flag
真值、实际电流方向状态标识i
flag
真值有且只有一个是低电平(逻辑0)时，输出为低电平；当igbt的拓扑属性标识t
flag
真值、实际电流方向状态标识i
flag
真值相同时，输出为高电平(逻辑1)。具体地，本示例中将igbt的拓扑属性标识t
flag
真值1定义为igbt器件的正向导流方向，与电路的实际电流方向状态标识i
flag
真值1所对应的电流方向一致，与电路的实际电流方向状态标识i
flag
真值0所对应的电流方向相反，此时仅当实际电流方向状态标识i
flag
真值为1时，同或门电路输出高电平。
17.在一示例中，第一逻辑门电路具体为异或门电路，异或门电路的输入端连接有电流方向采集单元、存储有igbt的拓扑属性标识的器件，此时当igbt的拓扑属性标识t
flag
真值、实际电流方向状态标识i
flag
真值不同时，输出为高电平；当igbt的拓扑属性标识t
flag
真值、实际电流方向状态标识i
flag
真值相同时，输出为低电平(逻辑0)。具体地，本示例中将igbt的拓扑属性标识t
flag
真值1定义为igbt器件的正向导流方向，与电路的实际电流方向状态标识i
flag
真值1所对应的电流方向一致，与电路的实际电流方向状态标识i
flag
真值0所对应的电流方向相反，此时仅当实际电流方向状态标识i
flag
真值为0时，异或门电路输出高电平。
18.进一步地，上述两个示例中存储有igbt的拓扑属性标识的器件优选为与驱动信号生成单元相同的数据处理器，数据处理器的i/o引脚(用于输出igbt的拓扑属性标识真值的i/o引脚)与同或门电路或异或门电路的输入端连接，数据处理器集成有对应的存储器，此时该数据处理器能够生成驱动信号的同时还存储有igbt的拓扑属性标识，能够降低电路成本。
19.在一示例中，驱动调节单元为第二逻辑门电路，用于在实时电流方向与igbt的正向导流方向不一致时，消隐或阻塞或封锁igbt的驱动信号，此处消隐或阻塞或封锁表示将高电平驱动信号转换为低电平信号，进而使igbt处于关断状态。
20.在一示例中，第二逻辑门电路为与门电路，与门电路输入端与驱动信号生成单元、电流方向判断单元连接。此时，当电流方向判断单元输出低电平时，与门电路输出低电平，即实现驱动信号的消隐或阻塞或封锁。
21.当然，第一逻辑门电路、第二逻辑门电路并不限于上述示例，两个逻辑门电路与电流方向判断单元配合，在实时电流方向与igbt的正向导流方向不一致时，能够最后输出低电平，无效高电平驱动信号即可。
22.需要进一步说明的是，上述各示例对应的技术特征可以相互组合或替换构成新的技术方案。
23.与现有技术相比，本实用新型有益效果是：
24.本实用新型通过判断实时电流方向与igbt的导流方向是否一致，进而在igbt处于反向导流周期时，对igbt的驱动信号进行消隐或阻塞或封锁处理，使igbt处于关断状态，避免igbt在其反并联二极管导流期间的开关动作，降低驱动损耗，提升电路整体效率。
附图说明
25.下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的说明，此处所说明的附图用来提供对本技术的进一步理解，构成本技术的一部分，在这些附图中使用相同的参
考标号来表示相同或相似的部分，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。
26.图1为igbt典型脉冲驱动电路示例图；
27.图2为本实用新型一示例的降低igbt驱动损耗的电路框图；
28.图3为本实用新型一示例中基于igbt构成半桥拓扑示意图；
29.图4为本实用新型一示例中降低半桥拓扑中igbt上管损耗的优化电路的原理图；
30.图5为本实用新型一示例中降低半桥拓扑中igbt下管损耗的优化电路的原理图；
31.图6为本实用新型另一示例中降低半桥拓扑中igbt上管损耗的优化电路的原理图；
32.图7为本实用新型另一示例中降低半桥拓扑中igbt下管损耗的优化电路的原理图。
33.图中：第一电压跟随器1a、第一过零比较器2a、第一同或门电路5a、第一与门电路6a、第二电压跟随器1b、第二过零比较器2b、第二同或门电路5b、第二与门电路6b、第三电压跟随器1c、第三过零比较器2c、第三异或门电路5c、第三与门电路6c、第四电压跟随器1d、第四过零比较器2d、第四异或门电路5d、第四与门电路6d。
具体实施方式
34.下面结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
35.在本实用新型的描述中，需要说明的是，属于“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系为基于附图所述的方向或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，使用序数词(例如，“第一和第二”、“第一至第四”等)是为了对物体进行区分，并不限于该顺序，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
36.在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，属于“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
37.此外，下面所描述的本实用新型不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
38.在一示例中，一种降低igbt驱动损耗的电路，如图2所示，具体包括顺次连接的电流方向采集单元、电流方向判断单元和驱动调节单元，电流方向采集单元与igbt所在电路的负载回路连接；驱动调节单元与igbt的驱动信号生成单元的输出端连接，且驱动调节单元输出端与igbt的栅极连接。将本实用新型降低igbt驱动损耗的电路应用至由igbt构成半桥拓扑电路时，如图3所示，此时实时电流方向即输出电流i
out
方向，将上桥臂的igbt(定义
为第一上管igbt)的拓扑属性标识t
flag
的真值定义为1，表示igbt正向导流方向与实时电流方向相同；同时将下桥臂的igbt(定义为第一下管igbt)的拓扑属性标识t
flag
的真值定义为0，表示igbt正向导流方向与i
flag
电流正方向相反。
39.进一步地，对于第一上管igbt，降低其驱动损耗的电路原理如图4所示，包括顺次连接的电流传感器sensor(图中未示出)、第一电压跟随器1a、第一过零比较器2a、第一同或门电路5a、第一与门电路6a。更为具体地，过零比较器2a的输出端连接有稳压二极管，用于实现电平变换；同或门电路5a的输入端接入有拓扑属性标识t
flag
，即同或门电路5a的输入端连接至存储有igbt的拓扑属性标识的器件(图中未示出)；与门电路6a的输入端接入有驱动信号sw，即与门电路6a的输入端连接至驱动信号生成单元(图中未示出)。对于第一下管igbt，降低其驱动损耗的电路原理如图5所示，包括顺次连接的电流传感器sensor(图中未示出)、第二电压跟随器1b、第二过零比较器2b、第二同或门电路5b、第二与门电路6b。更为具体地，过零比较器2b的输出端连接有稳压二极管，用于实现电平变换；同或门电路5b的输入端接入有拓扑属性标识t
flag
，即同或门电路5b的输入端连接至存储有igbt的拓扑属性标识的器件(图中未示出)；与门电路6b的输入端接入有驱动信号sw，即与门电路6b的输入端连接至驱动信号生成单元(图中未示出)。
40.此时，对于第一上管igbt，电流方向状态标识i
flag
和拓扑属性标识t
flag
的逻辑处理真值表如表1所示：
41.表1第一上管igbt的t
flag
与i
flag
逻辑处理真值表
42.i
flag
t
flagsflag
111010
43.根据表1可知，此时当电流方向状态标识i
flag
为0时，同或门电路5a输出的开关状态标识s
flag
为低电平，此时驱动信号被消隐；反之，驱动信号保持，igbt在驱动信号作用下导通。
44.具体地，对于第一下管igbt，电流方向状态标识i
flag
和拓扑属性标识t
flag
的逻辑处理真值表如表2所示：
45.表2第一下管igbt的t
flag
与i
flag
逻辑处理真值表
46.i
flag
t
flagsflag
100001
47.根据表2可知，此时当电流方向状态标识i
flag
为1时，同或门电路5b输出的开关状态标识s
flag
为低电平，此时驱动信号被消隐；反之，驱动信号保持，igbt在驱动信号作用下导通。
48.对应地，本示例中降低igbt驱动损耗的电路的工作原理为：
49.电流传感器sensor采集igbt所处电路中负载回路的电流信号i
sensor
，并经过电流跟随器进行放大处理，过零比较器确定当前输出电流方向，并通过稳压二极管进行电平变换处理，得到电流方向状态标识i
flag
，以匹配后级逻辑门电路的电平等级；电流方向状态标识i
flag
与对应igbt的拓扑属性标识t
flag
经同或门进行逻辑处理得到开关状态标识s
flag
，开关状态标识s
flag
与驱动信号经与门进行逻辑处理，以在实时电流方向与igbt的导流方向相
反时，使高电平驱动信号无效(变换为低电平驱动信号)，进而使igbt处于关断状态，igbt在其反并联二极管导流期间的开关动作，降低驱动损耗。针对本示例，在桥臂输出电流正向周期，对于第一上管igbt，由于桥臂输出电流和第一上管igbt正向导流方向相同，第一上管igbt正常动作；对于第一下管igbt，由于桥臂输出电流和第一下管igbt正向导流方向相反，因其不具备“反向”导通此方向电流的能力，通过同或门电路逻辑处理，使得输入到驱动调节单元的开关信号一直保持低电平状态，从而使得在整体正向周期内，脉冲驱动信号不再对第一下管igbt进行开关驱动。在桥臂输出电流负向周期，第一上管igbt和第一下管igbt的导通逻辑与桥臂输出电流正向周期相反。
50.在另一示例中，将本实用新型降低igbt驱动损耗的电路应用至由igbt构成半桥拓扑电路时，将上桥臂的igbt(定义为第二上管igbt)的拓扑属性标识t
flag
的真值定义为1，表示igbt正向导流方向与i
flag
电流正方向相反；同时将下桥臂的igbt(定义为第二下管igbt)的拓扑属性标识t
flag
的真值定义为0，表示igbt正向导流方向与i
flag
电流正方向相同。
51.进一步地，对于第二上管igbt，降低其驱动损耗的电路原理如图6所示，包括顺次连接的电流传感器sensor(图中未示出)、第三电压跟随器1c、第三过零比较器2c、第三异或门电路5c、第三与门电路6c。更为具体地，过零比较器2c的输出端连接有稳压二极管，用于实现电平变换；异或门电路5c的输入端接入有拓扑属性标识t
flag
，即异或门电路5c的输入端连接至存储有igbt的拓扑属性标识的器件(图中未示出)；与门电路6c的输入端接入有驱动信号sw，即与门电路6c的输入端连接至驱动信号生成单元(图中未示出)。对于第二下管igbt，降低其驱动损耗的电路原理如图7所示，包括顺次连接的电流传感器sensor(图中未示出)、第四电压跟随器1d、第四过零比较器2d、第四异或门电路5d、第四与门电路6d。更为具体地，过零比较器2d的输出端连接有稳压二极管，用于实现电平变换；异或门电路5d的输入端接入有拓扑属性标识t
flag
，即异或门电路5d的输入端连接至存储有igbt的拓扑属性标识的器件(图中未示出)；与门电路6d的输入端接入有驱动信号sw，即与门电路6d的输入端连接至驱动信号生成单元(图中未示出)。
52.此时，对于第二上管igbt，电流方向状态标识i
flag
和拓扑属性标识t
flag
的逻辑处理真值表如表3所示：
53.表3第二上管igbt的t
flag
与i
flag
逻辑处理真值表
54.i
flag
t
flagsflag
110011
55.根据表3可知，此时当电流方向状态标识i
flag
为1时，同或门电路5c输出的开关状态标识s
flag
为低电平，此时驱动信号被消隐；反之，驱动信号保持，igbt在驱动信号作用下导通。
56.具体地，对于第二下管igbt，电流方向状态标识i
flag
和拓扑属性标识t
flag
的逻辑处理真值表如表4所示：
57.表4第二下管igbt的t
flag
与i
flag
逻辑处理真值表
58.i
flag
t
flagsflag
101000
59.根据表4可知，此时当电流方向状态标识i
flag
为0时，同或门电路5d输出的开关状态标识s
flag
为低电平，此时驱动信号被消隐；反之，驱动信号保持，igbt在驱动信号作用下导通。
60.对应地，本示例中降低igbt驱动损耗的电路的工作原理为：
61.电流传感器sensor采集igbt所处电路中负载回路的电流信号i
sensor
，并经过电流跟随器进行放大处理，过零比较器确定当前输出电流方向，并通过稳压二极管进行电平变换处理，得到电流方向状态标识i
flag
，以匹配后级逻辑门电路的电平等级；电流方向状态标识i
flag
与对应igbt的拓扑属性标识t
flag
经异或门进行逻辑处理得到开关状态标识s
flag
，开关状态标识s
flag
与驱动信号经与门进行逻辑处理，以在实时电流方向与igbt的导流方向相反时，使高电平驱动信号无效(变换为低电平驱动信号)，进而使igbt处于关断状态，igbt在其反并联二极管导流期间的开关动作，降低驱动损耗。针对本示例，在桥臂输出电流正向周期，对于第二上管igbt，由于桥臂输出电流和第二上管igbt正向导流方向相同，第二上管igbt正常动作；对于第二下管igbt，由于桥臂输出电流和第二下管igbt正向导流方向相反，因其不具备“反向”导通此方向电流的能力，通过异或门电路逻辑处理，使得输入到驱动调节单元的开关信号一直保持低电平状态，从而使得在整体正向周期内，脉冲驱动信号不再对第二下管igbt进行开关驱动。在桥臂输出电流负向周期，第二上管igbt和第二下管igbt的导通逻辑与桥臂输出电流正向周期相反。
62.假设igbt每次开关动作所需的驱动功率为p
sw
，那么在一个电流周期内，通过上述驱动电路优化，单只igbt可降低损耗：p＝f
sw
/(2*f
out
)*p
sw
，其中f
sw
表示igbt的开关频率；f
out
表示igbt负载回路电压、电流(对应图1中的v
out
、i
out
)的基波频率。对于由此基本拓扑组成的电力电子系统，假设igbt数量为n，驱动损耗整体可降低：p
sys
＝n*f
sw
/(2*f
out
)*p
sw
，通过本实用新型电路，以避免该部分驱动损耗，提升了电路整体效率。
63.以上具体实施方式是对本实用新型的详细说明，不能认定本实用新型的具体实施方式只局限于这些说明，对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演和替代，都应当视为属于本实用新型的保护范围。