【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及功率半导体及开关电源领域，尤其涉及一种适用于igbt模块有源驱动的自适应电流检测电路及方法。
技术介绍
1、绝缘栅双极型晶体管(igbt)是电压驱动的全控型功率器件，可实现khz～10khz级别的开关频率。igbt模块的功率等级相比分立器件的更高，在光伏和风电等领域的ac/dc和dc/dc变换器中应用广泛。在主回路寄生电感等参数及续流二极管反向恢复作用下，其在开关过程中易产生电压和电流振荡。这会影响器件运行时的安全，例如：集射极过电压击穿和集电极过电流。另外，较大的振荡还会加剧系统的电磁干扰，对emc设计提出更高要求。因此，有必要改善igbt的开关性能抑制电压和电流的振荡。
2、从振荡产生的源头来看，降低回路的杂散电感和改善二极管反向恢复特性是根本解决办法。但在实际应用中，无法完全消除杂散电感及二极管反向恢复电荷。除此之外，驱动电路也是影响igbt开关性能的主要原因，可以通过改变驱动电路的驱动电流降低其对振荡的影响。
3、传统驱动电路采用电压源和驱动电阻对igbt栅射极电容充电。从驱动的角度来看，这些振荡均与驱动电流的大小正相关，因此增大驱动电阻可以有效抑制振荡，但也会降低开关速度，增加开关损耗，不利于系统功率密度和效率的提升。为改善igbt的开关性能，有源驱动电路近些年得到深入发展。有源驱动电路在传统驱动电路的基础上增加开关管等有源器件，可实现在开关过程中不影响振荡的阶段增大驱动电流以加快电压或电流的变化速率，降低开关损耗；而在影响电压振荡的阶段降低驱动电流以抑制振荡。因此，亟需开发有源驱
技术实现思路
1、为解决上述技术问题，本专利技术提供一种适用于igbt模块有源驱动的自适应电流检测电路及方法，该电路对自身及互补igbt的射极电感电压进行积分获取电流信息，可基本消除igbt的电流信息延时，实现电流振荡抑制效果对电流等级的即时自适应。且无需增加额外的传感器或取样电阻，具有良好的即插即用性。
2、为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
3、一种适用于igbt模块有源驱动的自适应电流检测电路由比较器、数字隔离器、运算放大器、模拟隔离器和fpga构成。其中，比较器和数字隔离器负责获取有源驱动电路图腾柱动作的时刻信息，运算放大器和模拟隔离器负责获取igbt的电流信息，fpga负责收集时刻信息并输出各图腾柱的驱动信号。
4、本专利技术还提供一种自适应电流检测电路的igbt有源驱动电路的控制方法，包括：
5、上igbt上一次关断初始的t5时刻，驱动信号sc_h和sc_hl由1转0，双向开关sw1_l关断，sw2_h开通，下igbt的运算放大器ap1_l开始对下igbt射极电感电压uee_l积分，积分初始值为0。由于上igbt上一次关断初始的t5时刻，下igbt集电极电流为0，下igbt集电极电流与积分输出电压的表达式如下：
6、
7、上式中，ic_l为下igbt集电极电流,uap1_l为下igbt的运算放大器ap1_l输出电压，rl3_l为下igbt的射极积分电阻，cl1_l为下igbt的射极积分电容，le_l为下igbt的射极电感；
8、在上igbt本次开通t0时刻之前的下igbt关断t5时刻，驱动信号sc_l和sc_lh由1转0，开关管sw1_h关断，sw2_l开通，上igbt的运算放大器ap1_h开始对上igbt射极电感电压uee_h积分，积分初始值为0。由于下igbt上一次关断初始的t5时刻，上igbt集电极电流为0，上igbt集电极电流与积分输出电压的表达式如下：
9、
10、上式中，ic_h为上igbt集电极电流,uap1_h为上igbt的运算放大器ap1_h输出电压，rl3_h为上igbt的射极积分电阻，cl1_h为上igbt的射极积分电容，le_h为上igbt的射极电感；
11、(1)第一开通阶段(t∈[t0，t1])，t0为igbt开通的驱动起始时刻，t1为igbt开通的集电极电流上升起始时刻：图腾柱t1，图腾柱t2和图腾柱t3均上管开通，但由于图腾柱t3所在支路无串联电阻，驱动电流将从d3经过。该阶段驱动电阻为rg1，其值最小用以减小驱动时间，表达式如下。其中，rint为igbt栅极内部电阻。
12、rg1＝rint
13、该阶段驱动电源vcc经过驱动电阻rg1开始给上igbt栅射极电容cge_h充电，上igbt栅射极电压uge_h从负电压上升到门槛电压vth，上igbt集射极电压uce_h和集电极电流ic_h无变化。
14、在该阶段的ta时刻，驱动信号sc_h和sc_hl由0转1，双向开关sw1_l开通，对下igbt射极电感电压uee_l积分清零，为下一次积分做准备；sw2_h关断，下igbt运算放大器ap1_l输出的积分电压信息在模拟隔离器ai1_l输出位置被锁定用于提供输出电流i的信息，表达式如下。
15、
16、上式中，uap1_l|t＝ta为时间t为ta时刻时的下igbt的运算放大器ap1_l输出电压，ta时刻为上igbt开通阶段栅射极电压uge_h等于0的时刻；
17、(2)第二开通阶段(t∈[t1，tb])，tb为igbt开通的集电极电流接近输出电流i的时刻：图腾柱t3上管关断，驱动电流经图腾柱t1和t2所在支路并联输出。该阶段的驱动电阻rg2较小用以加速电流上升速率减小该阶段损耗，同时控制电流变化率不至于过大。驱动电阻rg2表达式如下。
18、
19、上式中，rext1为图腾柱t1输出端连接的电阻，rext2为图腾柱t2输出端连接的电阻；
20、该阶段驱动电源vcc经过驱动电阻rg2继续给上igbt栅射极电容cge_h充电。上igbt栅射极电压uge_h从门槛电压vth上升到米勒电压vmil，ic_h开始快速上升，表达式如下。其中，gfs为igbt的跨导。
21、ic_h＝gfs(uge_h-vth)
22、上式中，gfs为igbt的跨导，vth为门槛电压；
23、(3)第三开通阶段(t∈[tb，tc])，tc为igbt开通的集电极电流峰值时刻：tb时刻，上igbt的运算放大器ap1_h输出的上igbt实时电流信息大于参考电流iref_h，表达式如下。
24、
25、由于信号传输和处理以及图腾柱的动作存在延时，因此，补偿电压vδ_h取值较小，接近于0，使参考电流iref_h接近输出电流i，作为输出电流i的提前量；由于输出电流i的信息于本次的ta时刻获取，tb时刻参与比较，而ta和tb之间的时刻差很小，因此，输出电流i的信息基本没有延迟。
26、上igbt的比较器cp2_h输出高电平信号，使图腾柱t2上管关断，驱动电流经图腾柱t1所在支路输出。该阶段的驱动电阻rg3较大用以抑制上igbt集电极电流ic_h的振荡幅值，本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种适用于IGBT模块有源驱动的自适应电流检测电路，其特征在于：由比较器、数字隔离器、运算放大器、模拟隔离器和FPGA所构成；比较器和数字隔离器负责获取有源驱动电路图腾柱动作的时刻信息，运算放大器和模拟隔离器负责获取IGBT的电流信息，FPGA负责收集时刻信息并输出各图腾柱的驱动信号；
2.根据权利要求1所述的一种适用于IGBT模块有源驱动的自适应电流检测电路，其特征在于：实现IGBT开通电流振荡抑制效果对电流等级的即时自适应。
3.根据权利要求2所述的一种适用于IGBT模块有源驱动的自适应电流检测电路，其特征在于：对于上IGBT，在上IGBT上一次关断初始的t5时刻，驱动信号SC_H和SC_HL由1转0，双向开关SW1_L关断，SW2_H开通，下IGBT的运算放大器AP1_L开始对下IGBT射极电感电压ueE_L积分，积分初始值为0；下IGBT积分开启后将持续至上IGBT本次开通电流上升之前的ta时刻，该时刻驱动信号SC_H和SC_HL由0转1，双向开关SW1_L开通，对下IGBT射极电感电压ueE_L积分清零，为下一次积分做准备；SW2_H关断，下
4.根据权利要求2所述的一种适用于IGBT模块有源驱动的自适应电流检测电路，其特征在于：对于下IGBT，在下IGBT上一次关断初始的t5时刻，驱动信号SC_L和SC_LH由1转0，双向开关SW1_H关断，SW2_L开通，上IGBT的运算放大器AP1_H开始对上IGBT射极电感电压ueE_H积分，积分初始值为0；上IGBT积分开启后将持续至下IGBT本次开通电流上升之前的ta时刻，该时刻驱动信号SC_L和SC_LH由0转1，双向开关SW1_H开通，对上IGBT射极电感电压ueE_H积分清零，为下一次积分做准备；SW2_L关断，上IGBT运算放大器AP1_H输出的积分电压信息在模拟隔离器AI1_H输出位置被锁定用于提供输出电流I的信息；由于下IGBT上一次关断初始的t5时刻，上IGBT集电极电流为0，因此，ta时刻锁定的输出电流I的信息是正确的；同时，在下IGBT本次开通t0时刻之前的上IGBT关断t5时刻，驱动信号SC_H和SC_HL由1转0，双向开关SW1_L关断，SW2_H开通，下IGBT的运算放大器AP1_L开始对下IGBT射极电感电压ueE_L积分，积分初始值为0；由于下IGBT开始积分时，下IGBT集电极电流为0；因此，积分输出电压反映下IGBT集电极电流的实时信息；下IGBT本次开通电流振荡之前的tb时刻，下IGBT实时的集电极电流接近输出电流I的值，下IGBT的比较器CP2_L输出高电平信号，使下IGBT驱动电路图腾柱动作并投入大驱动电阻抑制电流振荡；由于ta时刻和tb时刻非常接近，则认为输出电流I的信息基本不变，IGBT的电流信息延时被消除，即实现下IGBT开通电流振荡抑制效果对电流等级的即时自适应；在下IGBT本次关断后的上IGBT开通ta时刻，驱动信号SC_H和SC_HL由0转1，双向开关SW1_L开通，对下IGBT射极电感电压ueE_L积分清零，为下一次积分做准备；SW2_H关断，下IGBT运算放大器AP1_L输出的积分电压信息在模拟隔离器AI1_L输出位置被锁定用于提供输出电流I的信息供上IGBT开通使用。...
【技术特征摘要】
1.一种适用于igbt模块有源驱动的自适应电流检测电路，其特征在于：由比较器、数字隔离器、运算放大器、模拟隔离器和fpga所构成；比较器和数字隔离器负责获取有源驱动电路图腾柱动作的时刻信息，运算放大器和模拟隔离器负责获取igbt的电流信息，fpga负责收集时刻信息并输出各图腾柱的驱动信号；
2.根据权利要求1所述的一种适用于igbt模块有源驱动的自适应电流检测电路，其特征在于：实现igbt开通电流振荡抑制效果对电流等级的即时自适应。
3.根据权利要求2所述的一种适用于igbt模块有源驱动的自适应电流检测电路，其特征在于：对于上igbt，在上igbt上一次关断初始的t5时刻，驱动信号sc_h和sc_hl由1转0，双向开关sw1_l关断，sw2_h开通，下igbt的运算放大器ap1_l开始对下igbt射极电感电压uee_l积分，积分初始值为0；下igbt积分开启后将持续至上igbt本次开通电流上升之前的ta时刻，该时刻驱动信号sc_h和sc_hl由0转1，双向开关sw1_l开通，对下igbt射极电感电压uee_l积分清零，为下一次积分做准备；sw2_h关断，下igbt运算放大器ap1_l输出的积分电压信息在模拟隔离器ai1_l输出位置被锁定用于提供输出电流i的信息；由于上igbt上一次关断初始的t5时刻，下igbt集电极电流为0，因此，ta时刻锁定的输出电流i的信息是正确的；同时，在上igbt本次开通t0时刻之前的下igbt关断t5时刻，驱动信号sc_l和sc_lh由1转0，双向开关sw1_h关断，sw2_l开通，上igbt的运算放大器ap1_h开始对上igbt射极电感电压uee_h积分，积分初始值为0；由于上igbt开始积分时，上igbt集电极电流为0；因此，积分输出电压反映上igbt集电极电流的实时信息；上igbt本次开通电流振荡之前的tb时刻，上igbt实时的集电极电流接近输出电流i的值，上igbt的比较器cp2_h输出高电平信号，使上igbt驱动电路图腾柱动作并投入大驱动电阻抑制电流振荡；由于ta时刻和tb时刻非常接近，则认为输出电流i的信息不变，igbt的电流信息延时被消除，即实现上igbt开通电流振荡抑制效果对电流等级的即时自适应；在上igbt本次关断后的下igbt开通ta时刻，驱动信号sc_l和sc_lh由0转1，双向开关sw1_h开通，对上igbt射极电感电压uee_h积分清零，为下一次积分做准备；sw2_l关断，上igbt运算放大器ap1_h输出的积分电压信息在...
【专利技术属性】
技术研发人员：黄连生，窦盛，陈晓娇，何诗英，张秀青，傅鹏，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：
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