IGBT的控制装置和控制方法、芯片及电路与流程

igbt的控制装置和控制方法、芯片及电路
技术领域
1.本发明涉及电子信息领域，尤其涉及igbt驱动领域，具体地涉及一种igbt的控制装置和控制方法、芯片及电路。


背景技术：

2.功率开关器件绝缘栅双极型晶体管igbt，由于其高功率密度，高耐压等性能被广泛应用于能源的产生、转换、传输、消耗整个产业链，是未来世界能源基础设施建设的关键。这对其开关性能提出了很高要求，如开关时间、开关损耗等。传统设计中，igbt驱动采用固定的栅极电阻来降低开关时的电流和电压过冲，但不同的igbt功率器件，其开通和关断所对应的最佳电阻值不同，所以不同的igbt需要不同的电阻，增大了板级设计的工作量，另外导致板级灵活度较低。
3.为了实现更好的igbt开关性能，近年来各种主动栅极控制技术被不断提出。与传统纯电阻栅极控制相比，主动栅极控制技术可以在开通或关断过程中，主动地调节栅极驱动电流，实现开关时间、开关损耗和开关过冲的性能均衡，从而可以更灵活，更高性能的调节。
4.主动栅极控制可以大致分为开环控制和闭环控制两种类型，闭环控制性能一般优于开环控制。现有技术中，主动栅极控制包括以下方面。1)用于改善igbt开关过冲的主动栅极控制技术，使用比较器检测igbt漏源电流及漏源电压，当达到判决门限后控制驱动电路降低电流，以降低过冲；但此种方法依旧需要挑选合适的栅极电阻。2)使用恒流源组进行栅极控制以降低过冲；但需要构造逻辑电路控制恒流源组，结构较为复杂。3)通过测量igbt的集电极电压和栅极电压使用逻辑电路自动控制igbt开关，但其需要十分复杂的逻辑电路。4)使用分级电流关断igbt防止电压过冲，但是其为开环控制通用性不高且没有对igbt开通进行优化。


技术实现要素：

5.本发明实施例的目的是提供一种igbt的控制装置和控制方法、芯片及电路，其可解决或至少部分解决上述的问题。
6.为了实现上述目的，本发明实施例的一方面提供一种igbt的控制装置，该控制装置包括：电压采样模块，用于采集所述igbt的集电极电压；电流采样模块，用于采集所述igbt的输出电流；以及控制模块，用于：比较输入控制信号和预设控制信号阈值；以及基于比较结果，根据所述电流采样模块采集的所述输出电流或所述电压采集模块采集的所述集电极电压和所述输入控制信号确定输入至所述igbt的栅极的输入电压。
7.可选地，所述控制模块包括：比较模块，与所述电压采样模块和所述电流采样模块连接，用于：比较所述输入控制信号和所述预设控制信号阈值；在所述输入控制信号超过所述预设控制信号阈值的情况下，控制形成电流负反馈电路以使得根据所述输出电流和所述输入控制信号确定所述输入电压，其中，所述电流负反馈电路包括所述igbt的源极和栅极、
所述电流采样模块、所述比较模块和输入电压确定模块；以及在所述输入控制信号未超过所述预设控制信号阈值的情况下，控制形成电压负反馈电路以使得根据所述集电极电压和所述输入控制信号确定所述输入电压，其中，所述电压负反馈电路包括所述igbt的漏极和栅极、所述电压采样模块、所述比较模块和所述输入电压确定模块；以及所述输入电压确定模块，与所述比较模块连接，用于根据所述输出电流或所述集电极电压和所述输入控制信号确定所述输入电压。
8.可选地，所述比较模块还用于对所述输出电流或所述集电极电压进行调整，其中，所述输入电压确定模块根据所述输出电流或所述集电极电压和所述输入控制信号确定所述输入电压为根据调整后的输出电流或集电极电压和所述输入信号确定所述输入电压。
9.可选地，所述输入电压确定模块根据所述输出电流或所述集电极电压和所述输入控制信号确定所述输入电压包括：根据所述输出电流或所述集电极电压和所述输入控制信号的差距确定所述输入电压。
10.可选地，所述输入电压确定模块为误差放大器。
11.相应地，本发明实施例的另一方面提供一种igbt的控制方法，该控制方法包括：比较输入控制信号和预设控制信号阈值；以及基于比较结果，根据所述igbt的输出电流或所述igbt的集电极电压和所述输入控制信号确定输入至所述igbt的栅极的输入电压。
12.可选地，基于比较结果根据所述igbt的输出电流或所述igbt的集电极电压和所述输入控制信号确定输入至所述igbt的栅极的输入电压包括：在所述输入控制信号超过所述预设控制信号阈值的情况下，控制形成电流负反馈电路以使得根据所述输出电流和所述输入控制信号确定所述输入电压，其中，所述电流负反馈电路包括所述igbt的源极和栅极、电流采样模块、比较模块和输入电压确定模块，所述电流采样模块用于采集所述igbt的输出电流，所述比较模块用于比较输入控制信号和预设控制信号阈值及控制形成所述电流负反馈电路或电压负反馈电路，所述输入电压确定模块用于根据所述输出电流或所述集电极电压和所述输入控制信号确定所述输入电压；以及在所述输入控制信号未超过所述预设控制信号阈值的情况下，控制形成所述电压负反馈电路以使得根据所述集电极电压和所述输入控制信号确定所述输入电压，其中，所述电压负反馈电路包括所述igbt的漏极和栅极、所述电压采样模块、所述比较模块和所述输入电压确定模块，所述电压采样模块用于采集所述igbt的集电极电压。
13.此外，本发明实施例的另一方面还提供一种芯片，该芯片包括：上述的控制装置。
14.另外，本发明实施例的另一方面还提供一种电路，该电路包括：上述的控制装置。
15.通过上述技术方案，比较输入控制信号和预设控制信号阈值，基于比较结果根据igbt的输出电流或集电极电压和输入控制信号确定输入至igbt的栅极的输入电压，如此，实现了对igbt的栅极进行控制。此外，在确定输入至igbt的栅极的输入电压时不需要考虑栅极电阻，不需要挑选合适的栅极电阻；不需要使用恒流源组，不需要构造逻辑电路控制恒流源组，结构简单；仅需要采集集电极电压和输出电流及比较输入控制信号和预设控制信号阈值，即可确定输入至igbt的栅极的输入电压，不需要复杂的逻辑电路；在确定输入至igbt的栅极的输入电压需要根据igbt的输出电流或集电极电压，也就是通过igbt的输出电流或集电极电压的闭环反馈控制输入至igbt的栅极的输入电压，改善了通用性，对igbt的开关进行了优化。
附图说明
16.图1是本发明一实施例提供的igbt的控制装置的结构框图；以及
17.图2是本发明另一实施例提供的igbt的控制装置的电路连接示意图。
18.附图标记说明
19.1电压采样模块2控制模块
20.3电流采样模块
具体实施方式
21.以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
22.本发明实施例的一个方面提供一种igbt的控制装置。
23.图1是本发明一实施例提供的igbt的控制装置。如图1所示，该控制装置包括：电压采样模块1、控制模块2和电流采样模块3。其中，电压采样模块1用于采集igbt的集电极电压。可选地，电压采样模块1可以是电压采样电路。例如，电压采样电路可以使用分压电阻、差分放大电路和光耦等等。电流采样模块3用于采集igbt的输出电流。可选地，电流采样模块3可以是电流采样电路。例如，电流采样电路可包括电流采样电阻和差分放大电路；可以先使用电流采样电阻，再使用差分放大电路放大后得到采样值。另外，在本发明实施例中，电压采样电路和电流采样电路可以不单独设置，具体地，电压采样电路可以和igbt的稳压保护部分共用一套电压采样结构，电流采样电路可以和igbt的限流保护部分共用一套电流采样结构。控制模块2用于比较输入控制信号和预设控制信号阈值；以及基于比较结果，根据电流采样模块采集的输出电流或电压采集模块采集的集电极电压和输入控制信号确定输入至igbt的栅极的输入电压。其中，当输入控制信号超过预设控制信号阈值时，根据输出电流和输入控制信号确定输入电压；当输入控制信号未超过预设控制信号阈值时，根据集电极电压和输入控制信号确定输入电压。可选地，在本发明实施例中，输入控制信号可以是电压控制信号。此外，输入控制信号可以矩形波信号，也可以是上升和下降非规则的信号，如图2中所示。需要说明的是，在本发明实施例中，对输入控制信号的具体形式不进行限制，只要满足本发明实施例提供的技术方案的技术构思即可。
24.通过上述技术方案，比较输入控制信号和预设控制信号阈值，基于比较结果根据igbt的输出电流或集电极电压和输入控制信号确定输入至igbt的栅极的输入电压，如此，实现了对igbt的栅极进行控制。此外，在确定输入至igbt的栅极的输入电压时不需要考虑栅极电阻，不需要挑选合适的栅极电阻；不需要使用恒流源组，不需要构造逻辑电路控制恒流源组，结构简单；仅需要采集集电极电压和输出电流及比较输入控制信号和预设控制信号阈值，即可确定输入至igbt的栅极的输入电压，不需要复杂的逻辑电路；在确定输入至igbt的栅极的输入电压需要根据igbt的输出电流或集电极电压，也就是通过igbt的输出电流或集电极电压的闭环反馈控制输入至igbt的栅极的输入电压，改善了通用性，对igbt的开关进行了优化。
25.可选地，在本发明实施例中，控制模块可以包括比较模块和输入电压确定模块。其中，比较模块，与电压采样模块和电流采样模块连接，用于：比较输入控制信号和预设控制信号阈值；在输入控制信号超过预设控制信号阈值的情况下，控制形成电流负反馈电路以
使得根据输出电流和输入控制信号确定输入电压，其中，电流负反馈电路包括igbt的源极和栅极、电流采样模块、比较模块和输入电压确定模块；以及在输入控制信号未超过预设控制信号阈值的情况下，控制形成电压负反馈电路以使得根据集电极电压和输入控制信号确定输入电压，其中，电压负反馈电路包括igbt的漏极和栅极、电压采样模块、比较模块和输入电压确定模块。其中，在本发明实施例中，满足回路的总增益为负的即为负反馈电路。可选地，在本发明实施例中，比较模块可以是调整电路。其中，调整电路内部包括一对开关以构成单刀双掷结构，由输入控制信号和预设控制信号阈值的比较结果控制开关接通电流采样模块或者电压采样模块以构成电流负反馈电路或者电压负反馈电路。
26.此外，输入电压确定模块，与比较模块连接，用于根据输出电流或集电极电压和输入控制信号确定输入电压。例如，可以是根据输出电流或集电极电压与输入控制信号之间的差距确定输入电压。可选地，输入确定模块可以是误差放大器。
27.可选地，在本发明实施例中，在确定输入电压之前还可以对输出电流或集电极电压进行调整，以使得输出电流或集电极电压符合输入电压确定模块的输入要求。具体地，比较模块还用于对输出电流或集电极电压进行调整，其中，输入电压确定模块根据输出电流或集电极电压和输入控制信号确定输入电压为根据调整后的输出电流或集电极电压和输入信号确定输入电压。
28.图2是本发明另一实施例提供的igbt的控制装置的电路连接示意图。结合图2对本发明实施例提供的技术方案进行示例性介绍。其中，在该实施例中，提供一种改善igbt开关过冲的反馈栅极控制技术，主要原理为在开关过程中采样igbt的电流参数和电压参数，并通过负反馈回路控制栅极使得igbt开关过程中电流和电压可以受控变化，从而平衡开关时间、开关过冲和开关损耗的性能指标。相比于其它方法，本发明实施例提供的方法对片外栅极电阻要求低，可以适用于不同的igbt但对栅极电阻的情况不限制；此外，电流采样部分和电压采样部分可以分别与igbt的限流保护部分和稳压保护部分结合；此外，可以通过外部输入简单地控制igbt在开关时的电流和电压，灵活度很高。
29.本发明实施例提供的反馈栅极控制技术的结构图如图2所示，igbt的上、下分别为电压采样电路和电流采样电路，其中，电压采样电路负责采样igbt的集电极电压，电流采样电路负责采样igbt的输出电流。电压采样电路和电流采样电路的输出接入调整电路。调整电路负责根据输入脉冲极性(电压控制信号与预设控制信号阈值的大小关系)选通电压采样电路或电流采样电路以形成电压负反馈电路或电流负反馈电路，获取igbt的集电极电压或输出电流，并对获取到的集电极电压或输出电流进行幅值调整以符合误差放大器的输入范围。调整电路的输出接入误差放大器的反相输入端。误差放大器负责求得电压控制信号与调整电路输出的信号(集电极电压或输出电流)之差并放大，确定输入给igbt的栅极的输入电压，将所确定的输入电压传输到igbt的栅极从而控制igbt，控制igbt的集电极电压或输出电流。在本发明实施例，可以使igbt的输出电流或集电极电压完全受输入的电压控制信号控制。
30.下面结合图2对基于本发明实施例提供的技术方案的igbt开通过程和关断过程进行示例性介绍。
31.igbt的开通过程控制流程。当电压控制信号为高于调整电路判决门限(预设控制信号阈值)时，igbt由关断进入开通过程。此时，调整电路将电流采样电路的采样结果送入
误差放大器，误差放大器放大电压控制信号和电流采样结果的差值，确定出输入至igbt的栅极的输入电压，控制igbt。a)开通延迟阶段。当电压控制信号刚变为高电平后不久，此时igbt关断，电流采样值低于电压控制信号的电压值，误差放大器输出高电压给igbt栅极以进行充电。b)电流上升阶段。igbt的栅射电压高于预设栅射电压阈值之后，igbt开通，电流开始上升。此时，igbt的栅极和源极、电流采样电路、调整电路和误差放大器共同构成电流负反馈电路，通过误差放大器虚短特性，电流采样电路采集的电流经过调整电路调整以后将会被调整为与电压控制信号相同大小。此时，若电压控制信号为图2中所示波形，则igbt电流会先快速上升至电压控制信号的电压值再随电压控制信号缓慢上升。通过改变电压控制信号的波形即可获得更高开关性能。c)米勒平台阶段。当电流上升至最大值之后，栅极电压被钳位在米勒平台，此时集电极电压开始下降，igbt电流不变。此时，电压控制信号的电压持续上升，使得误差放大器正饱和，为igbt栅极高速充电，加快igbt完全导通。
32.igbt的关断过程控制流程。当电压控制信号为低于调整电路判决门限(预设控制信号阈值)时，进入关断过程。此时调整电路将电压采样电路的采样结果送入误差放大器，误差放大器放大电压控制信号和电压采样结果的差值，确定出输入至igbt的栅极的输入电压，控制igbt。a)关断延迟阶段。当电压控制信号刚变为低电平时，igbt为导通状态，集电极电压为0，误差放大器输出低电压给igbt栅极放电。b)电压上升阶段。igbt的栅射电压降低至米勒电压之后，igbt夹断，集电极电压开始上升。此时，igbt的漏极和栅极、电压采样电路、调整电路和误差放大器共同构成电压负反馈电路，通过误差放大器虚短特性，电压采样电路采集的电压经过调整电路以后将会被调整为与电压控制信号相同大小。此时，若电压控制信号为图2中所示波形，则igbt电压会先快速上升至电压控制信号的电压值再随电压控制信号缓慢上升。通过改变电压制信号的波形即可获得更高开关性能。c)电流下降阶段。igbt栅射电压突破米勒电压下降，输出电流开始下降。igbt的集电极电压上升。此时栅极电压持续下降，关断电压尖峰到来。d)电流拖尾阶段。igbt栅极电压下降至预设栅极电压阈值之下，igbt截止，此时集电极电压为0，电压控制信号的电压继续下降，误差放大器负饱和给igbt栅极快速放电，igbt进入拖尾电流阶段直至载流子复合结束完全关断。
33.综上所述，本发明实施例提供的技术方案：1)使用电流或电压采样闭环反馈的方式由输入的电压控制信号直接对igb的输出电流或集电极电压进行精准控制，通过闭环控制igbt的输出电流或者集电极电压实现更加精准灵活的igbt控制方法；2)使用三级导通控制，三级导通精准控制，电流过冲更小；3)使用四级关断控制，四级关断精准控制，电压过冲更小；4)栅极电阻大小几乎没有影响，不限制igbt的栅极电阻的大小，可以适用于不同的igbt；5)电路结构简单；6)电流电压采样可以和其它保护共用采样结构(共用采用电路和端口)。
34.相应地，本发明实施例的另一方面提供一种igbt的控制方法，该控制方法包括：比较输入控制信号和预设控制信号阈值；以及基于比较结果，根据igbt的输出电流或igbt的集电极电压和输入控制信号确定输入至igbt的栅极的输入电压。
35.可选地，在本发明实施例中，基于比较结果根据igbt的输出电流或igbt的集电极电压和输入控制信号确定输入至igbt的栅极的输入电压包括：在输入控制信号超过预设控制信号阈值的情况下，控制形成电流负反馈电路以使得根据输出电流和输入控制信号确定输入电压，其中，电流负反馈电路包括igbt的源极和栅极、电流采样模块、比较模块和输入
电压确定模块，电流采样模块用于采集igbt的输出电流，比较模块用于比较输入控制信号和预设控制信号阈值及控制形成电流负反馈电路或电压负反馈电路，输入电压确定模块用于根据输出电流或集电极电压和输入控制信号确定输入电压；以及在输入控制信号未超过预设控制信号阈值的情况下，控制形成电压负反馈电路以使得根据集电极电压和输入控制信号确定输入电压，其中，电压负反馈电路包括igbt的漏极和栅极、电压采样模块、比较模块和输入电压确定模块，电压采样模块用于采集igbt的集电极电压。
36.本发明实施例提供的igbt的控制方法的具体工作原理及益处与本发明实施例提供的igbt的控制装置的具体工作原理及益处相似，这里将不再赘述。
37.此外，本发明实施例的另一方面还提供一种芯片，该芯片包括：上述实施例中所述的控制装置。
38.另外，本发明实施例的另一方面还提供一种电路，该电路包括：上述实施例中所述的控制装置。
39.以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型。包括各个具体技术特征以任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。但这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种igbt的控制装置，其特征在于，该控制装置包括：电压采样模块，用于采集所述igbt的集电极电压；电流采样模块，用于采集所述igbt的输出电流；以及控制模块，用于：比较输入控制信号和预设控制信号阈值；以及基于比较结果，根据所述电流采样模块采集的所述输出电流或所述电压采集模块采集的所述集电极电压和所述输入控制信号确定输入至所述igbt的栅极的输入电压。2.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述控制模块包括：比较模块，与所述电压采样模块和所述电流采样模块连接，用于：比较所述输入控制信号和所述预设控制信号阈值；在所述输入控制信号超过所述预设控制信号阈值的情况下，控制形成电流负反馈电路以使得根据所述输出电流和所述输入控制信号确定所述输入电压，其中，所述电流负反馈电路包括所述igbt的源极和栅极、所述电流采样模块、所述比较模块和输入电压确定模块；以及在所述输入控制信号未超过所述预设控制信号阈值的情况下，控制形成电压负反馈电路以使得根据所述集电极电压和所述输入控制信号确定所述输入电压，其中，所述电压负反馈电路包括所述igbt的漏极和栅极、所述电压采样模块、所述比较模块和所述输入电压确定模块；以及所述输入电压确定模块，与所述比较模块连接，用于根据所述输出电流或所述集电极电压和所述输入控制信号确定所述输入电压。3.根据权利要求2所述的控制装置，其特征在于，所述比较模块还用于对所述输出电流或所述集电极电压进行调整，其中，所述输入电压确定模块根据所述输出电流或所述集电极电压和所述输入控制信号确定所述输入电压为根据调整后的输出电流或集电极电压和所述输入信号确定所述输入电压。4.根据权利要求2所述的控制装置，其特征在于，所述输入电压确定模块根据所述输出电流或所述集电极电压和所述输入控制信号确定所述输入电压包括：根据所述输出电流或所述集电极电压和所述输入控制信号的差距确定所述输入电压。5.根据权利要求4所述的控制装置，其特征在于，所述输入电压确定模块为误差放大器。6.一种igbt的控制方法，其特征在于，该控制方法包括：比较输入控制信号和预设控制信号阈值；以及基于比较结果，根据所述igbt的输出电流或所述igbt的集电极电压和所述输入控制信号确定输入至所述igbt的栅极的输入电压。7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，基于比较结果根据所述igbt的输出电流或所述igbt的集电极电压和所述输入控制信号确定输入至所述igbt的栅极的输入电压包括：在所述输入控制信号超过所述预设控制信号阈值的情况下，控制形成电流负反馈电路以使得根据所述输出电流和所述输入控制信号确定所述输入电压，其中，所述电流负反馈电路包括所述igbt的源极和栅极、电流采样模块、比较模块和输入电压确定模块，所述电流
采样模块用于采集所述igbt的输出电流，所述比较模块用于比较输入控制信号和预设控制信号阈值及控制形成所述电流负反馈电路或电压负反馈电路，所述输入电压确定模块用于根据所述输出电流或所述集电极电压和所述输入控制信号确定所述输入电压；以及在所述输入控制信号未超过所述预设控制信号阈值的情况下，控制形成所述电压负反馈电路以使得根据所述集电极电压和所述输入控制信号确定所述输入电压，其中，所述电压负反馈电路包括所述igbt的漏极和栅极、所述电压采样模块、所述比较模块和所述输入电压确定模块，所述电压采样模块用于采集所述igbt的集电极电压。8.一种芯片，其特征在于，该芯片包括：权利要求1-5中任一项所述的控制装置。9.一种电路，其特征在于，该电路包括：权利要求1-5中任一项所述的控制装置。

技术总结
本发明涉及电子信息领域，公开了一种IGBT的控制装置和控制方法、芯片及电路，该控制装置包括：电压采样模块，用于采集所述IGBT的集电极电压；电流采样模块，用于采集所述IGBT的输出电流；以及控制模块，用于：比较输入控制信号和预设控制信号阈值；以及基于比较结果，根据所述电流采样模块采集的所述输出电流或所述电压采集模块采集的所述集电极电压和所述输入控制信号确定输入至所述IGBT的栅极的输入电压。藉此，实现了对IGBT的栅极进行控制。实现了对IGBT的栅极进行控制。实现了对IGBT的栅极进行控制。


技术研发人员：邵亚利 解尧明 沈美根 刘芳 付振 赵扬 李东镁 梁英宗 邵瑾 孟庆萌 常泽洲
受保护的技术使用者：北京芯可鉴科技有限公司 国网山西省电力公司电力科学研究院 国网山西省电力公司 国家电网有限公司
技术研发日：2023.05.17
技术公布日：2023/9/12