CN111277121A - 在线实时参数可调的开关器件驱动器及开关器件 - Google Patents

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CN111277121A CN202010129543.9A CN202010129543A CN111277121A CN 111277121 A CN111277121 A CN 111277121A CN 202010129543 A CN202010129543 A CN 202010129543A CN 111277121 A CN111277121 A CN 111277121A
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朱楠
向礼
辛纪元
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Abstract

本发明提供一种在线实时参数可调的开关器件驱动器及开关器件，属于开关器件的驱动技术领域。所述开关器件驱动器包括可控隔离驱动电源，用于接收上层控制器的指令；根据指令调节和控制隔离后的门级驱动电压；隔离驱动推挽电路，第一端与可控隔离驱动电源的另一端连接，第二端用于与上层控制器连接，用于：接收上层控制器的PWM指令；接收门级驱动电压；生成用于控制开关器件的电压信号；隔离电阻切换电路，第一端与隔离驱动推挽电路的第三端连接，第二端用于与上层控制器连接，第三端用于与开关器件的控制端连接，第四端用于与开关器件的输出端连接，用于接收上层控制器的用于控制开通或关断电阻的指示；根据指示调节或选择门级电阻的阻值。

Description

在线实时参数可调的开关器件驱动器及开关器件
技术领域
本发明涉及开关器件的驱动技术领域，具体地涉及一种在线实时参数可调的开关器件驱动器及开关器件。
背景技术
在电力电子装置中，开关器件(如IGBT，MOSFET等等)的损耗、电气应力以及散热等决定了装置的最大输出功率和寿命。传统的开关器件驱动采用电压型驱动，并在设计阶段通过设定驱动电压、驱动电阻的阻值以及驱动门级电容的方式来实现驱动器的损耗、电气应力设计，从而达到电力电子装置设定的最大输出功率和寿命。驱动电路一旦设定，在电力电子装置实际运行中即无法对装置的损耗和最大输出功率进行实时调节。针对一些特殊情况，如宽范围的母线电压，宽范围的工作环境温度情况以及短时输出脉冲大功率的应用工况等，单一设定的门级参数无法最大限度利用器件的物理特性，从而无法有效的利用和管理功率器件的损耗、输出能力、电气应力以及器件寿命。
发明内容
本发明实施方式的目的是提供一种在线实时参数可调的开关器件驱动器及开关器件，该开关器件驱动器及开关器件能够通过适应不同的工况及应用场景需求。
为了实现上述目的，本发明实施方式提供一种在线实时参数可调的开关器件驱动器，所述开关器件驱动器包括：
可控隔离驱动电源，所述可控隔离驱动电源的一端用于与上层控制器连接，用于：
接收所述上层控制器的指令；
根据所述指令调节和控制隔离后的门级驱动电压；
隔离驱动推挽电路，所述隔离驱动推挽电路的第一端与所述可控隔离驱动电源的另一端连接，所述隔离驱动推挽电路的第二端用于与所述上层控制器连接，用于：
接收所述上层控制器的PWM指令；
接收所述门级驱动电压；
根据所述PWM指令和所述门级驱动电压生成用于控制所述开关器件的电压信号；
隔离电阻切换电路，所述隔离电阻切换电路的第一端与所述隔离驱动推挽电路的第三端连接，所述隔离电阻切换电路的第二端用于与所述上层控制器连接，所述隔离电阻切换电路的第三端用于与所述开关器件的控制端连接，所述隔离电阻切换电路的第四端用于与所述开关器件的输出端连接，用于：
接收所述上层控制器的用于控制开通或关断电阻的指示；
根据所述指示调节或选择门级电阻的阻值。
可选地，所述开关器件包括绝缘栅双极型晶体管，所述控制端为所述绝缘栅双极型晶体管的门极，所述输出端为所述绝缘栅双极型晶体管的射极。
可选地，所述开关器件包括金属-氧化物半导体场效应晶体管，所述控制端为所述金属-氧化物半导体场效应晶体管的栅极，所述输出端为所述金属-氧化物半导体场效应晶体管的源极。
另一方面，本发明还提供一种开关器件，所述开关器件包括：
可控隔离驱动电源，所述可控隔离驱动电源的一端用于与上层控制器连接，用于：
接收所述上层控制器的指令；
根据所述指令调节和控制隔离后的门级驱动电压；
隔离驱动推挽电路，所述隔离驱动推挽电路的第一端与所述可控隔离驱动电源的另一端连接，所述隔离驱动推挽电路的第二端用于与所述上层控制器连接，用于：
接收所述上层控制器的PWM指令；
接收所述门级驱动电压；
根据所述PWM指令和所述门级驱动电压生成用于控制开关器件本体的电压信号；
隔离电阻切换电路，所述隔离电阻切换电路的第一端与所述隔离驱动推挽电路的第三端连接，所述隔离电阻切换电路的第二端用于与所述上层控制器连接，所述隔离电阻切换电路的第三端与所述开关器件本体的控制端连接，所述隔离电阻切换电路的第四端用于与所述开关器件本体的输出端连接，用于：
接收所述上层控制器的用于控制开通或关断电阻的指示；
根据所述指示调节或选择门级电阻的阻值；
所述开关器件本体。
可选地，所述开关器件本体包括绝缘栅双极型晶体管，所述控制端为所述绝缘栅双极型晶体管的门极，所述输出端为所述绝缘栅双极型晶体管的射极。
可选地，所述开关器件本体包括金属-氧化物半导体场效应晶体管，所述控制端为所述金属-氧化物半导体场效应晶体管的栅极，所述输出端为所述金属-氧化物半导体场效应晶体管的源极。
通过上述技术方案，本发明提供的在线实时参数可调的开关器件驱动器及开关器件通过设置可控隔离驱动电源来动态调节开关器件的驱动电压，通过设置隔离驱动推挽电路来降低PWM信号的失效率，通过设置隔离电阻切换电路来调节门级电阻的阻值，从而使得该开关器件驱动器能够适应不同的工况以及使用场景需求。
本发明实施方式的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明实施方式的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施方式，但并不构成对本发明实施方式的限制。在附图中：
图1是根据本发明的一个实施方式的在线实时参数可调的开关器件驱动器的示意图；
图2是根据本发明的一个实施方式的开关器件的示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施方式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实施方式，并不用于限制本发明实施方式。
在本发明实施方式中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的或者是针对竖直、垂直或重力方向上而言的各部件相互位置关系描述用词。
另外，若本发明实施方式中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施方式之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
如图1所示是根据本发明的一个实施方式的在线参数实时可调的开关器件驱动器的示意图。在图1中，该开关器件驱动器可以包括可控隔离驱动电源01、隔离驱动推挽电路02以及隔离电阻切换电路03。
在图1中，可控隔离驱动电源01的一端用于与上层控制器连接。隔离驱动推挽电路02的第一端与可控隔离驱动电源01的另一端连接，隔离驱动推挽电路02的第二端用于与上层控制器连接。隔离电阻切换电路03的第一端与隔离驱动推挽电路02的第三端连接，隔离电阻切换电路03的第二端用于与上层控制器连接，隔离电阻切换电路03的第三端用于与开关器件的控制端连接，隔离电阻切换电路03的第四端用于与开关器件的输出端连接。
在该开关器件驱动器工作时，可控隔离驱动电源01可以用于接收上层控制器的指令，并根据该指令调节和控制隔离后的门级驱动电压。这样在低母线电压情况下或者电力电子装置需要短时输出高脉冲功率时，可以通过上层控制器向该可控隔离驱动电源01发送对应的控制指令，从而提高门级驱动电压，预计可短时将最大输出功率提高至原来的1.2至5倍。在需要提高电力电子装置效率或者需要延长功率器件的工作寿命等的情境中，此时则可以通过控制该可控隔离驱动电源01以升高门级驱动电压的方式来降低器件的损耗和最高工作结温，从而提高器件的工作效率，延长器件的工作寿命。
在该开关器件驱动器工作时，隔离驱动推挽电路02可以用于接收上层控制器的PWM指令以及可控隔离驱动电源01的门级驱动电压，根据该PWM指令和门级驱动电压生成用于控制开关器件的电压信号。
在该开关器件驱动器工作时，隔离电阻切换电路03可以用于接收上层控制器的用于控制开通或关断电阻的指示，并根据该指示调节或选择门级电阻的阻值。这样在低母线电压情况下或者电力电子装置需要短时输出高脉冲功率时，可以通过上层控制器向该隔离电阻切换电路03发送对应的控制指令，通过降低门级电阻的阻值来提高输出功率。而在一些低温工作环境或者母线电压较高的工作环境中，开关器件的关断往往会产生较高的尖峰电压，这样的电压又很可能会损坏器件本身，那么此时可以通过向该隔离电阻切换电路03发送控制指令，提高门级电阻的阻值，从而保护器件，有效减低器件的电气应力。另外，在需要提高电力电子装置效率或者需要延长功率器件的工作寿命等的情境中，也可以通过降低门级电阻的阻值的方式来降低器件的损耗和最高工作结温，从而提高器件的工作效率，延长器件的工作寿命。
在该实施方式中，该开关器件可以包括但不限于绝缘栅双极型晶体管(InsulatedGate Bipolar Transistor，IGBT)、金属-氧化物半导体场效应晶体管(Metal OxideSemiconductor，MOS管)。
在该开关器件为绝缘栅双极型晶体管的情况下，该控制端则可以为该绝缘栅双极型晶体管的门极，该输出端则为绝缘栅双极型晶体管的射极。
在该开关器件为金属-氧化物半导体场效应晶体管的情况下，该控制端则可以为金属-氧化物半导体场效应晶体管的栅极，该输出端则可以为金属-氧化物半导体场效应晶体管的源极。
另一方面，本发明还提供一种开关器件，如图2所示。在图2中，该开关器件可以包括可控隔离驱动电源01、隔离驱动推挽电路02、隔离电阻切换电路03以及开关器件本体04。
可控隔离驱动电源01的一端用于与上层控制器连接。隔离驱动推挽电路02的第一端与可控隔离驱动电源01的另一端连接，隔离驱动推挽电路02的第二端用于与上层控制器连接。隔离电阻切换电路03的第一端与隔离驱动推挽电路02的第三端连接，隔离电阻切换电路03的第二端用于与上层控制器连接，隔离电阻切换电路03的第三端与开关器件本体04的控制端连接，隔离电阻切换电路03的第四端与开关器件本体04的输出端连接。
在该开关器件工作时，可控隔离驱动电源01可以用于接收上层控制器的指令，并根据该指令调节和控制隔离后的门级驱动电压。这样在低母线电压情况下或者电力电子装置需要短时输出高脉冲功率时，可以通过上层控制器向该可控隔离驱动电源01发送对应的控制指令，从而提高门级驱动电压，预计可短时将最大输出功率提高至原来的1.2至5倍。在需要提高电力电子装置效率或者需要延长功率器件的工作寿命等的情境中，此时则可以通过控制该可控隔离驱动电源01以升高门级驱动电压的方式来降低器件的损耗和最高工作结温，从而提高器件的工作效率，延长器件的工作寿命。
在该开关器件工作时，隔离驱动推挽电路02可以用于接收上层控制器的PWM指令以及可控隔离驱动电源01的门级驱动电压，根据该PWM指令和门级驱动电压生成用于控制开关器件本体04的电压信号。
在该开关器件工作时，隔离电阻切换电路03可以用于接收上层控制器的用于控制开通或关断电阻的指示，并根据该指示调节或选择门级电阻的阻值。这样在低母线电压情况下或者电力电子装置需要短时输出高脉冲功率时，可以通过上层控制器向该隔离电阻切换电路03发送对应的控制指令，通过降低门级电阻的阻值来提高输出功率。而在一些低温工作环境或者母线电压较高的工作环境中，开关器件本体04的关断往往需要较高的尖峰电压，这样的电压又很可能会损坏器件本身，那么此时可以通过向该隔离电阻切换电路03发送控制指令，提高门级电阻的阻值，从而保护器件，有效减低器件的电气应力。另外，在需要提高电力电子装置效率或者需要延长功率器件的工作寿命等的情境中，也可以通过降低门级电阻的阻值的方式来降低器件的损耗和最高工作结温，从而提高器件的工作效率，延长器件的工作寿命。
在该实施方式中，该开关器件本体04可以包括但不限于IGBT、MOS管等。
在该开关器件本体04为IGBT的情况下，该控制端则可以为该IGBT的门极，该输出端则为IGBT的射极。
在该开关器件本体04为MOS管的情况下，该控制端则可以为MOS管的栅极，该输出端则可以为MOS管的源极。
通过上述技术方案，本发明提供的在线实时参数可调的开关器件驱动器及开关器件通过设置可控隔离驱动电源来动态调节开关器件的驱动电压，通过设置隔离驱动推挽电路来降低PWM信号的失效率，通过设置隔离电阻切换电路来调节门级电阻的阻值，从而使得该开关器件驱动器能够适应不同的工况以及使用场景需求。
以上结合附图详细描述了本发明例的可选实施方式，但是，本发明实施方式并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施方式的技术构思范围内，可以对本发明实施方式的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施方式的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施方式对各种可能的组合方式不再另行说明。
本领域技术人员可以理解实现上述实施方式方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一个(可以是单片机，芯片等)或处理器(processor)执行本申请各个实施方式所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
此外，本发明实施方式的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施方式的思想，其同样应当视为本发明实施方式所公开的内容。

Claims (6)

1.一种在线实时参数可调的开关器件驱动器，其特征在于，所述开关器件驱动器包括：
可控隔离驱动电源，所述可控隔离驱动电源的一端用于与上层控制器连接，用于：
接收所述上层控制器的指令；
根据所述指令调节和控制隔离后的门级驱动电压；
隔离驱动推挽电路，所述隔离驱动推挽电路的第一端与所述可控隔离驱动电源的另一端连接，所述隔离驱动推挽电路的第二端用于与所述上层控制器连接，用于：
接收所述上层控制器的PWM指令；
接收所述门级驱动电压；
根据所述PWM指令和所述门级驱动电压生成用于控制所述开关器件的电压信号；
隔离电阻切换电路，所述隔离电阻切换电路的第一端与所述隔离驱动推挽电路的第三端连接，所述隔离电阻切换电路的第二端用于与所述上层控制器连接，所述隔离电阻切换电路的第三端用于与所述开关器件的控制端连接，所述隔离电阻切换电路的第四端用于与所述开关器件的输出端连接，用于：
接收所述上层控制器的用于控制开通或关断电阻的指示；
根据所述指示调节或选择门级电阻的阻值。
2.根据权利要求1所述的开关器件，其特征在于，所述开关器件包括绝缘栅双极型晶体管，所述控制端为所述绝缘栅双极型晶体管的门极，所述输出端为所述绝缘栅双极型晶体管的射极。
3.根据权利要求1所述的开关器件，其特征在于，所述开关器件包括金属-氧化物半导体场效应晶体管，所述控制端为所述金属-氧化物半导体场效应晶体管的栅极，所述输出端为所述金属-氧化物半导体场效应晶体管的源极。
4.一种开关器件，其特征在于，所述开关器件包括：
可控隔离驱动电源，所述可控隔离驱动电源的一端用于与上层控制器连接，用于：
接收所述上层控制器的指令；
根据所述指令调节和控制隔离后的门级驱动电压；
隔离驱动推挽电路，所述隔离驱动推挽电路的第一端与所述可控隔离驱动电源的另一端连接，所述隔离驱动推挽电路的第二端用于与所述上层控制器连接，用于：
接收所述上层控制器的PWM指令；
接收所述门级驱动电压；
根据所述PWM指令和所述门级驱动电压生成用于控制开关器件本体的电压信号；
隔离电阻切换电路，所述隔离电阻切换电路的第一端与所述隔离驱动推挽电路的第三端连接，所述隔离电阻切换电路的第二端用于与所述上层控制器连接，所述隔离电阻切换电路的第三端与所述开关器件本体的控制端连接，所述隔离电阻切换电路的第四端用于与所述开关器件本体的输出端连接，用于：
接收所述上层控制器的用于控制开通或关断电阻的指示；
根据所述指示调节或选择门级电阻的阻值；
所述开关器件本体。
5.根据权利要求4所述的开关器件，其特征在于，所述开关器件本体包括绝缘栅双极型晶体管，所述控制端为所述绝缘栅双极型晶体管的门极，所述输出端为所述绝缘栅双极型晶体管的射极。
6.根据权利要求4所述的开关器件，其特征在于，所述开关器件本体包括金属-氧化物半导体场效应晶体管，所述控制端为所述金属-氧化物半导体场效应晶体管的栅极，所述输出端为所述金属-氧化物半导体场效应晶体管的源极。
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