CN111817556B - 一种功率器件的控制***和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种功率器件的控制***和控制方法，包括：控制单元、电池电压监测单元、温度监测单元、电压调节单元和开关单元；开关单元包括多个可选的开关回路；控制单元的第一输入端与电池电压监测单元电连接，用于接收电池电压监测单元监测的电压值；控制单元的第二输入端与温度检测单元电连接，用于接收温度监测单元监测的温度值；控制单元的第一输出端分别与多个开关回路电连接，用于控制控制单元的第一输出端与目标回路导通；目标回路为开关单元中的一开关回路；电压调节单元与控制单元的第二输出端电连接；控制单元用于根据电压值和温度值控制电压调节单元向目标回路输出控制电压，优化器件工作状态，提高了控制***的工作效率。

Description

一种功率器件的控制***和控制方法

技术领域

本发明涉及电路驱动领域，尤其涉及一种功率器件的控制***和控制方法。

背景技术

电动汽车是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶的一类汽车。由于电动汽车采用车载电池为动力，排放汽车尾气对环境影响相对传统汽车较小，其前景被广泛看好。

现有技术中电动汽车中功率器件的驱动方式为固定驱动电阻，固定驱动电压，由于该驱动方式中的驱动电路的驱动电阻和驱动电压固定后，驱动电路中的参数不可调整，使得功率器件的开关损耗无法在整个电动汽车运行过程中达到最优。此外，驱动电路中降低功率器件损耗多采用优化开关过程的方法，即加速开关单元导通过程，如采用大电流向开关管门级电容充电，从而实现功率器件的快速导通，或是开关单元导通过程采用多级电压控制，即开关单元开通前半段时间内采用高压快速为门级充电以实现快速开关单元快速导通。以上方式虽然加快了功率器件的开关速度，但由于驱动电路在设计形成后无法实现实时采集IGBT自身状态和外部环境状态，不能实现根据IGBT的实时工作状态实时优化驱动参数的驱动电路。

发明内容

本发明实施例提供一种功率器件的控制***和控制方法，以降低功率器件在工作状态下的损耗，提高控制***的效率。

第一方面，本发明实施例提供了一种功率器件的控制***，包括：控制单元、电池电压监测单元、温度监测单元、电压调节单元和开关单元；所述开关单元包括多个可选的开关回路；

所述控制单元的第一输入端与所述电池电压监测单元电连接，用于接收所述电池电压监测单元监测的动力电池的电压值；

所述控制单元的第二输入端与所述温度检测单元电连接，用于接收所述温度监测单元监测的功率器件的温度值；

所述控制单元的第一输出端分别与多个所述开关回路电连接，用于根据接收的所述电压值和所述温度值控制所述控制单元的第一输出端与目标回路导通；所述目标回路为所述开关单元中的一所述开关回路；

所述电压调节单元与所述控制单元的第二输出端电连接；所述控制单元用于根据所述电压值和所述温度值控制所述电压调节单元向所述目标回路输出控制电压。

可选的，还包括隔离单元，所述隔离单元与所述控制单元的第三输入端电连接，用于隔离外部输入的驱动信号中的高低边电压。

可选的，所述开关回路包括开关电阻，多个所述开关回路的所述开关电阻的阻值不同。

可选的，所述目标回路满足：

Vbat+L*di/dt<Vces

其中，Vbat为所述电池电压监测单元监测的动力电池的电压值，L为功率回路的电感，Vces为功率器件在所述温度监测单元监测的温度值下的耐压值，di/dt为功率器件在所述目标回路中的关断电流斜率。

第二方面，本发明实施例还提供了一种功率器件的控制方法，包括：获取电池电压监测单元监测的动力电池的电压值；

获取温度监测单元监测的功率器件的温度值；

根据获取的所述电压值和所述温度值控制控制单元的第一输出端与目标回路导通，并控制电压调节单元向所述目标回路输出控制电压；其中，所述目标回路为所述开关单元中的一开关回路。

可选的，所述根据获取的所述电压值和所述温度值控制控制单元的第一输出端与目标回路导通，并控制电压调节单元向所述目标回路输出控制电压，包括：

根据获取的所述电压值和所述温度值计算功率器件允许的最大电流斜率；

根据所述最大电流斜率确定所述目标回路以及所述目标回路的控制电压；

控制所述控制单元的第一输出端与所述目标回路导通，以及控制电压调节单元向所述目标回路输出控制电压。

可选的，所述根据所述最大电流斜率确定所述目标回路以及所述目标回路的控制电压包括：

根据所述最大电流斜率确定所述开关单元中各所述开关回路的开关损耗；

计算功率器件在一个正弦电流的导通周期内的导通损耗；

根据各所述开关回路的开关损耗和功率器件的导通损耗确定所述目标回路以及所述目标回路的控制电压。

可选的，各所述开关回路的开关损耗满足：

E＝Eon+Eoff+Erec；

其中，Eon为开关回路打开损耗，Eoff为开关回路关断损耗，Erec为开关过程二极管反向恢复损耗。

可选的，所述开关回路的导通损耗满足：

其中，

为表示功率因数，m表示调制比，V_CE0表示功率器件的管压降，r_CE表示功率器件导通过程的等效电阻，I表示流过功率器件的正弦电流的峰值。

可选的，在根据所述最大电流斜率确定所述目标回路以及所述目标回路的控制电压之后还包括：

若所述控制单元的第一输出端与所述目标回路导通，所述功率器件的功耗为最小功耗，执行控制所述控制单元的第一输出端与所述目标回路导通，以及控制电压调节单元向所述目标回路输出控制电压。

本发明实施例提供的功率器件的控制***和控制方法，通过电池电压监测单元检测动力电池提供的电压值，通过温度监测单元检测功率器件的温度值，当控制单元接收到电压值和温度值后，根据电压值和温度值选择导通的开关回路，并控制电压调节单元向目标回路输出控制电压，进而实现通过判断功率器件当前的工作状态，动态的调整功率器件导通的开关回路和控制电压，从而降低功率器件在工作状态下的损耗，提高控制***的效率。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种功率器件的控制***的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的另一种功率器件的控制***的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种功率器件的控制方法的流程示意图；

图4为本发明实施例提供的另一种功率器件的控制方法的流程示意图；

图5为本发明实施例提供的又一种功率器件的控制方法的流程示意图；

图6为本发明实施例提供的一种功率器件的控制方法的仿真结果示意图；

图7为本发明实施例提供的另一种功率器件的控制方法的仿真结果示意图；

图8为本发明实施例提供的又一种功率器件的控制方法的仿真结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

图1为本发明实施例提供的一种功率器件的控制***的结构示意图，如图1所示，控制***100包括控制单元10、电池电压监测单元20、温度监测单元30、电压调节单元40和开关单元50，开关单元50包括多个可选的开关回路51。控制单元10的第一输入端11与电池电压监测单元20电连接，用于接收电池电压监测单元监测20的动力电池60的电压值，控制单元10的第二输入端12与温度监测单元30电连接，用于接收温度监测单元30监测的功率器件70的温度值。控制单元10的第一输出端13分别与多个开关回路51电连接，用于根据接收的电压值和温度值控制控制单元10的第一输出端13与目标回路导通，目标回路为所述开关单元50中的一开关回路51。电压调节单元40与控制单元10的第二输出端14电连接，控制单元10用于根据电压值和温度值控制电压调节单元40向目标回路输出控制电压。

如图1所示，控制***100包括控制单元10、电池电压监测单元20、温度监测单元30、电压调节单元30和开关单元50，其中，电池电压监测单元20用于监测动力电池60输出的电压值并发送监测的电压值至控制单元10，温度监测单元30用于监测功率器件70的温度值并发送监测的温度值至控制单元10，当控制单元10分别接收到电压值和温度值后，可以根据当前功率器件70的工作温度以及动力电池60向控制***100提供的电压值选择导通的开关回路51，并根据接收到的温度值和电压值控制电压调节单元30向导通的开关回路51输出控制电压，同时实现通过判断功率器件70当前的工作状态，动态的调整功率器件70导通的开关回路51和控制电压，从而降低功率器件70在工作状态下的损耗，提高控制***的效率。例如当温度监测单元20监测到当前功率器件70处于较低温度的工作环境时，此时由于功率器件70的耐压能力较常温下功率器件70的耐压能力有所下降，因此控制单元10控制电压调节单元30输出较低的电压和有较大开关电阻的开关回路51去控制功率器件70，以降低功率器件开70关过程中的电流变化。而随着功率器件70的不断工作后自发热，温度监测单元30监测到功率器件的温度逐渐上升，当温度监测单元30监测到功率器件70恢复至常温以上时，此时功率器件70处于正常耐压范围，选用较小的电阻和较高的电压去控制功率器件70，进而降低功率器件70的损耗。

本发明实施例提供的功率器件的控制***，通过电池电压监测单元检测动力电池提供的电压值，通过温度监测单元检测功率器件的温度值，当控制单元接收到电压值和温度值后，根据电压值和温度值选择导通的开关回路，并控制电压调节单元向目标回路输出控制电压，进而实现通过判断功率器件当前的工作状态，动态的调整功率器件导通的开关回路和控制电压，从而降低功率器件在工作状态下的损耗，提高控制***的效率。

可选的，在上述实施例的基础上，图2是本发明实施例提供的另一种功率器件的控制***的结构示意图，如图2所示，控制***100还包括隔离单元80，隔离单元80与控制单元10的第三输入端15电连接，用于隔离外部输入的驱动信号中的高低边电压。

结合图1和图2，当控制单元10直接接收到外部驱动单元90输出的驱动控制信号时，通过在控制单元10的第三输入端15设置隔离单元80，采用隔离单元80对驱动单元输出的驱动控制信号的高低边电压进行隔离，即隔离弱点信号和高压强电信号，并将隔离后的驱动控制信号发送给控制单元10进而实现控制单元对电压调节单元30的控制和对开关单元50的选择。

可选的，继续参见图1，开关回路50包括开关电阻，多个开关回路50的开关电阻的阻值不同。

由于功率器件70的开关损耗不仅与功率器件70关断过程中切断的电流和器件本身两端电压有关，而且也与功率器件70本身开关速度有关，而功率器件的开关速度主要受控制回路参数的影响，因此在工况一定的情况下调整开关回路51的开关电阻能够有调整功率器件的开关损耗。因此，通过在多个开关回路51设置不同阻值的开关电阻，当控制单元10接收到电池电压监测单元20监测的动力电池60的电压值，以及温度监测单元30监测的功率器件70的温度值后，通过选择开关单元50中的一个开关回路51导通，并通过控制电压调节单元30向导通的开关回路51输出控制电压，在保证控制电压调节单元30输出的控制信号与选择的开关回路51的电阻值满足功率器件70工作的前提下，适当提高驱动电压，同时减小功率器件70控制回路的等效导通电阻，从而降低功率器件70的损耗，提高功率器件的工作效率。

可选的，目标回路满足：

Vbat+L*di/dt<Vces (1)

其中，Vbat为电池电压监测单元30监测的动力电池的电压值，L为功率回路的电感，Vces为功率器件70在温度监测单元30监测的温度值下的耐压值，di/dt为功率器件70在目标回路中的关断电流斜率。

由公式(1)可知，当电池电压监测单元20监测的动力电池60的电压值Vbat为确定值，温度监测单元30监测的功率器件70当前的温度值下的耐压值Vces为确定的，功率器回路的电感L为确定值，此时根据功率器件70在目标回路中的关断电流斜率可以确定导通的开关回路和控制电压。

需要说明的是，由于根据公式(1)求得的功率器件的关断电流斜率为一个上限阈值，因此，可选择的功率器件70的开关回路51与控制电压值为多个，本发明实施例不对选择的开关回路51和控制电压进行具体限定，只要满足公式(1)的开关回路和控制电压均是本发明的保护范围。

可选的，在上述实施例的基础上，图3是本发明实施例提供的一种功率器件的控制方法的流程示意图，如图3所示，功率器件的控制方法包括：

S110、获取电池电压监测单元监测的动力电池的电压值。

功率器件的工作时需要外部动力电池提供电压，通过获取外部动力电池提供的电压值，根据外部电池提供的电压值选择功率器件导通的开关回路的开关电阻，避免出现动力电池提供的电压值较小，而功率器件导通的开关回路的阻值过大而使得功率器件工作在较大损耗的工作状态或动力电池提供的电压值较大，而功率器件导通的开关回路的阻值过小而出现功率器件的关断电流斜率过高导致浪涌过高击穿器件现象。

S120、获取温度监测单元监测的功率器件的温度值。

由于功率器件的工作效率与导通损耗与功率器件所处的环境有关，当功率器件处于较低温度的工作环境中时，此时功率器件的耐压能力相比较正常温度的工作环境的耐压能力较弱，因此，在对功率器件的导通损耗的计算过程中，需要获取当前功率器件所处的工作环境的温度，进而根据功率器件的所处环境的温度值确定需要选择导通的开关回路。

S130、根据获取的电压值和温度值控制控制单元的第一输出端与目标回路导通，并控制电压调节单元向目标回路输出控制电压，其中，目标回路为开关单元中的一开关回路。

当温度监测单元监测到当前功率器件的温度值以及电池电压监测单元监测到动力电池的电压值后，控制单元根据获取的电压值和温度值控制控制单元导通的开关回路，并控制电压调节单元向导通的开关回路输出控制电压。

本发明实施例提供的功率器件的控制方法，根据获取的电池电压监测单元监测的动力电池的电压值以及温度监测单元监测的功率器件的温度值，控制控制单元的第一输出端与目标回路导通，且控制电压调节单元向目标回路输出控制电压。通过获取功率器件当前的工作状态即动力电池提供的外部电压与功率器件当前所处的工作温度，选择功率器件导通的开关回路和控制电压，从而降低功率器件在工作状态下的损耗，提高控制***的效率。

可选的，在上述实施例的基础上，图4是本发明实施例提供的另一种功率器件的控制方法的流程示意图，如图4所示，根据获取的电压值和温度值控制控制单元的第一输出端与目标回路导通，并控制电压调节单元向目标回路输出控制电压，其中，目标回路为开关单元中的一开关回路包括：

S210、根据获取的电压值和温度值计算功率器件允许的最大电流斜率。

在功率器件开通和关断过程中，增大电流变化率有利于减小开关损耗。一般来讲，功率器件可以实现非常快的开通速度。但在实际应用中，开通速度只受续流二极管换流关断的限制，二极管的反向恢复峰值电流会随着功率器件开关速度的增加而增大，另外二极管反向恢复电流的拖尾也会增加，并且在此期间，二极管几乎承受全部的直流母线电压，可能导致二极管在额定电压以下发生雪崩击穿。这是由于半导体内的强电场，高浓度的载流子及其高变化率共同作用造成的，如果二极管没有足够的动态鲁棒性并且换流速度太快，可能会损坏半导体。因此，通过获取计算功率器件允许的最大电流斜率，避免出现对功率器件的损坏的现象。

而功率器件允许的最大电流斜率的获取方式由公式(1)可知，当获取电压值和温度值后，由于电池电压监测单元监测的动力电池的电压值为确定值，功率器件的电感为确定值，功率器件在温度监测单元监测的温度值为确定值，由公式Vbat+L*di/dt<Vces可求解得到功率器件在目标回路中的最大电流斜率di/dt。

S220、根据最大电流斜率确定目标回路以及目标回路的控制电压。

由于由公式(1)求解的电流斜率di/dt为取值范围，通过选取电流斜率di/dt的最大值，此时可根据功率器件允许的最大电流斜率确定目标回路以及目标回路的控制电压，即在保证功率器件正常工作的提前下，选择目标回路以及目标回路的控制电压。

S230、控制控制单元的第一输出端与目标回路导通，以及控制电压调节单元向目标回路输出控制电压。

当确定目标回路后，控制控制单元的第一输出端与目标回路导通，并且控制电压调节输出单元向目标回路输出控制电压。

需要说明的是，根据最大电流斜率确定的目标回路以及目标回路的控制电压可以为一个回路，也可以为多个回路，不同的目标导通回路的控制电压不尽相同。

可选的，在上述实施例的基础上，图5是本发明实施例提供的又一种功率器件的控制方法的流程示意图，如图5所示，根据最大电流斜率确定目标回路以及目标回路的控制电压包括：

S310、根据最大电流斜率确定开关单元中各开关回路的开关损耗。

各开关回路的开关损耗满足：

E＝Eon+Eoff+Erec (2)

其中，Eon为开关回路打开损耗，Eoff为开关回路关断损耗，Erec为开关过程二极管反向恢复损耗。

如图6所示，开关回路打开损耗Eon与关断损耗Eoff与开关回路的电阻呈正相关，即开关回路打开损耗Eon与关断损耗Eoff会随着开关电阻增大而增大。如图7所示，开关回路在开关过程中二极管反向恢复损耗Erec与开关回路的电阻呈负相关，即开关回路在开关过程中二极管反向恢复损耗Erec会随着开关电阻增大而减小。但由于开关回路打开损耗Eon与关断损耗Eoff占整个开关损耗的绝大部分，因此整体开关损耗的变化仍然随着开关电阻的增大而增大，随着开关电阻的减小而减小。

S320、计算功率器件在一个正弦电流的导通周期内的导通损耗。

开关回路的导通损耗满足：

其中，

表示功率因数，m表示调制比，V_CE0表示功率器件的管压降，r_CE表示功率器件导通过程的等效电阻，I表示流过功率器件的正弦电流的峰值。

由公式(3)和图8可知，开关回路的开关损耗功率与器件导通过程的等效电阻r_CE有关，根据选择的导通的开关回路可确定开关回路的开关损耗。

S330、根据各开关回路的开关损耗和功率器件的导通损耗确定目标回路以及目标回路的控制电压。

可选的，继续参见图5，在根据最大电流斜率确定目标回路以及目标回路的控制电压之后还包括：

S240、若控制单元的第一输出端与目标回路导通，功率器件的功耗为最小功耗，执行控制控制单元的第一输出端与目标回路导通，以及控制电压调节单元向目标回路输出控制电压。

通过开关单元中各开关回路的开关损耗以及导通损耗，选择最优的开关回路路控制电压，保证功率器件的功耗为最小功耗，此时控制控制单元的第一输出端与目标回路导通，以及控制电压调节单元向目标回路输出控制电压。

需要说明的是，本发明实施例提供的驱动电路的控制***和控制方法中的功率器件可以为绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)，也可以为场效应管(MOSFET)、功率晶体管(BJT)等，本发明实施例不对功率器件的类型进行具体限定。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (8)

1.一种功率器件的控制***，其特征在于，包括：控制单元、电池电压监测单元、温度监测单元、电压调节单元和开关单元；所述开关单元包括多个可选的开关回路；

所述控制单元的第一输入端与所述电池电压监测单元电连接，用于接收所述电池电压监测单元监测的动力电池的电压值；

所述控制单元的第二输入端与所述温度监测单元电连接，用于接收所述温度监测单元监测的功率器件的温度值；

所述控制单元的第一输出端分别与多个所述开关回路电连接，用于根据接收的所述电压值和所述温度值控制所述控制单元的第一输出端与目标回路导通；所述目标回路为所述开关单元中的一所述开关回路；

所述电压调节单元与所述控制单元的第二输出端电连接；所述控制单元用于根据所述电压值和所述温度值控制所述电压调节单元向所述目标回路输出控制电压；

其中，所述开关回路包括开关电阻，多个所述开关回路的所述开关电阻的阻值不同，所述目标回路满足：

Vbat+L*di/dt<Vces

其中，Vbat为所述电池电压监测单元监测的动力电池的电压值，L为功率回路的电感，Vces为功率器件在所述温度监测单元监测的温度值下的耐压值，di/dt为功率器件在所述目标回路中的关断电流斜率。

2.根据权利要求1所述的功率器件的控制***，其特征在于，还包括隔离单元，所述隔离单元与所述控制单元的第三输入端电连接，用于隔离外部输入的驱动信号中的高低边电压。

3.一种功率器件的控制方法，其特征在于，包括：

获取电池电压监测单元监测的动力电池的电压值；

获取温度监测单元监测的功率器件的温度值；

根据获取的所述电压值和所述温度值控制控制单元的第一输出端与目标回路导通，并控制电压调节单元向所述目标回路输出控制电压；其中，所述目标回路为开关单元中的一开关回路；

其中，所述开关回路包括开关电阻，多个所述开关回路的所述开关电阻的阻值不同，所述目标回路满足：

Vbat+L*di/dt<Vces

其中，Vbat为所述电池电压监测单元监测的动力电池的电压值，L为功率回路的电感，Vces为功率器件在所述温度监测单元监测的温度值下的耐压值，di/dt为功率器件在所述目标回路中的关断电流斜率。

4.根据权利要求3所述的功率器件的控制方法，其特征在于，所述根据获取的所述电压值和所述温度值控制控制单元的第一输出端与目标回路导通，并控制电压调节单元向所述目标回路输出控制电压，包括：

根据获取的所述电压值和所述温度值计算功率器件允许的最大电流斜率；

根据所述最大电流斜率确定所述目标回路以及所述目标回路的控制电压；

控制所述控制单元的第一输出端与所述目标回路导通，以及控制电压调节单元向所述目标回路输出控制电压。

5.根据权利要求4所述的功率器件的控制方法，其特征在于，所述根据所述最大电流斜率确定所述目标回路以及所述目标回路的控制电压包括：

根据所述最大电流斜率确定所述开关单元中各所述开关回路的开关损耗；

计算功率器件在一个正弦电流的导通周期内的导通损耗；

根据各所述开关回路的开关损耗和功率器件的导通损耗确定所述目标回路以及所述目标回路的控制电压。

6.根据权利要求5所述的功率器件的控制方法，其特征在于，各所述开关回路的开关损耗满足：

E＝Eon+Eoff+Erec；

其中，Eon为开关回路打开损耗，Eoff为开关回路关断损耗，Erec为开关过程中二极管的反向恢复损耗。

7.根据权利要求5所述的功率器件的控制方法，其特征在于，所述开关回路的导通损耗满足：

其中，cos(φ)表示功率因数，m表示调制比，V_CE0表示功率器件的管压降，r_CE表示功率器件导通过程的等效电阻，I表示流过功率器件的正弦电流的峰值。

8.根据权利要求5所述的功率器件的控制方法，其特征在于，在根据所述最大电流斜率确定所述目标回路以及所述目标回路的控制电压之后还包括：

若所述控制单元的第一输出端与所述目标回路导通，所述功率器件的功耗为最小功耗，执行控制所述控制单元的第一输出端与所述目标回路导通，以及控制电压调节单元向所述目标回路输出控制电压。

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