一种栅极驱动芯片

技术领域

本发明涉及电力电子、微电子和柔性直流输电技术领域，具体涉及一种栅极驱动芯片。

背景技术

以绝缘栅型晶体管(IGBT)为代表的大功率可关断电力电子器件是直流换流阀、直流断路器等高端电力装备的核心，随着装备运行数字化智能化水平的提升，工程实际应用中亟需通过实时采集和监测IGBT的电压、温度、损耗等信息，实现对IGBT健康状态的实时监测，为电力电子装备的精细化数字化运维提供底层技术支撑。

由于这些电力装备中IGBT器件数量庞大，往往达到几千甚至上万个器件，上层控制器无法承担全部IGBT的健康状态运算处理，因此，这些关键信息需要通过与IGBT器件直接相连的IGBT栅极驱动器来进行采集、处理、计算和上传。但目前市场上成熟的IGBT驱动器产品尚不具备上述能力：目前的数字型IGBT驱动器多采用分立元器件搭建，受限于可靠性和成本原因，其由逻辑资源较少的可编程逻辑阵列(FPGA)作为主控制单元，无法实现复杂的算法以及数据处理，此外，为实现上述采集功能需要在驱动器板卡中搭建复杂的电路，极大的增加了设计难度和驱动器的成本，并且在直流输电等强电磁干扰环境下监测的可靠性难以保证。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种栅极驱动芯片，以解决现有技术中的栅极驱动器无法实现在线健康状态监测的技术问题。

本发明实施例提供的技术方案如下：

本发明实施例第一方面提供一种栅极驱动芯片，包括：采样电路、驱动电路以及比较器电路，所述采样电路连接被驱动器件，用于采集被驱动器件的状态参量；所述比较器电路连接被驱动器件，用于监测被驱动器件的电压信号是否大于保护阈值，当大于保护阈值时，输出故障信号；所述驱动电路连接被驱动器件，用于接收栅极驱动信号驱动被驱动器件。

可选地，该栅极驱动芯片还包括：可重构单元模块，所述可重构单元模块连接所述采样电路、比较器电路和驱动电路，所述可重构单元模块用于获取所述状态参量和故障信号，向所述驱动电路输入栅极驱动信号；所述可重构单元模块还用于被驱动器件的导通关断控制、被驱动器件的故障监测与保护、死区时间设置、电源电路输出电压配置、被驱动器件的触发状态以及故障状态回报。

可选地，该栅极驱动芯片还包括：辅助开发软件和保护管脚，当所述保护管脚根据所述辅助开发软件的配置输出第一电平时，所述可重构单元模块根据所述比较器电路输出的故障信号输出固定的保护逻辑动作；当所述保护管脚根据所述辅助开发软件的配置输出第二电平时，所述可重构单元模块根据所述状态参量与不同阈值的比较输出不同的保护动作逻辑。

可选地，该栅极驱动芯片还包括：处理器模块，所述处理器模块连接所述采样电路，用于获取所述状态参量，将所述状态参量进行预处理后进行开关频率统计、集射极电流计算以及开关损耗计算。

可选地，所述栅极驱动芯片上电时，所述可重构单元模块读取存储在存储单元中的程序进行初始化，所述栅极驱动芯片运行过程中，处理器模块根据所述采样电路的采集的状态参量变更可重构单元模块中的程序，所述可重构单元模块根据变更后的程序重构可重构单元模块内部的逻辑电路以及重构连接的比较器电路和驱动电路。

可选地，该栅极驱动芯片还包括：还包括：电源电路，所述电源电路包括：两路DC/DC电路，其中一路DC/DC电路连接被驱动器件，用于为被驱动器件提供栅极驱动电压，另外一路DC/DC电路为可重构单元模块以及处理器模块提供电压，两路DC/DC电路完全独立，没有耦合。

可选地，所述栅极驱动芯片还包括：外部供电引脚；所述比较器电路连接所述电源电路，用于监测所述两路DC/DC电路输出的电压，当所述电压不符合预设要求时，所述外部供电引脚向所述栅极驱动芯片提供电压。

可选地，所述栅极驱动芯片还包括：温度采集电路，所述温度采集电路采集芯片本体温度和所述电源电路温度，将采集的温度发送至所述采样电路。

可选地，该栅极驱动芯片还包括：通信接口和AMBA总线，所述通信接口用于所述栅极驱动芯片和外部的通信；所述AMBA总线用于芯片内部的数据传输；所述AMBA总线中设置的开关矩阵连接所述通信接口、所述可重构单元模块以及处理器模块，对所述通信接口、所述可重构单元模块以及处理器模块的数据交互访问进行时序调度。

可选地，所述可重构单元模块和处理器模块之间的连接管脚可复用，每个连接管脚的数据传输方向可调整。

本发明技术方案，具有如下优点：

本发明实施例提供的栅极驱动芯片，通过设置采样电路，实现了对被驱动器件的相关状态参量的采集；设置比较器电路，能够基于被驱动器件的电压信号进行故障监测；设置驱动电路，能够驱动被驱动器件工作。由此，该栅极驱动芯片通过故障监测以及状态参量的采集，实现了被驱动器件的在线监测；同时，无需在驱动芯片对应的驱动器中搭建复杂的电路，简化了栅极驱动芯片的设计难度，降低了设备体积。

本发明实施例提供的栅极驱动芯片，具备被驱动器件状态参量的在线监测能力，相比于传统的由分立器件搭建的栅极驱动器，利用该芯片设计的驱动器在成本、设计复杂程度等方面具备显著优势，同时，芯片内部具备较强的数据和算法处理能力，能够实现较为复杂的算法，能够更好的实现对器件的精细化控制与保护，同时使驱动器具备了在线监测与边缘计算能力，能够为器件的状态监测与健康管理提供技术支撑，有效提升装备的数字化和智能化水平。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中栅极驱动芯片的结构框图；

图2为本发明实施例中比较器电路的连接结构示意图；

图3为本发明实施例中可重构单元模块重构实现示意图；

图4为本发明实施例中电源电路连接结构示意图；

图5为本发明实施例中处理器模块和可重构单元模块互连示意图；

图6为本发明实施例中柔性直流换流阀子模块结构示意图；

图7为本发明实施例中栅极驱动芯片内部框架以及与IGBT器件连接示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“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，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。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发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明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。

本发明实施例提供一种栅极驱动芯片，如图1所示，包括：采样电路1、驱动电路2以及比较器电路3，所述采样电路1连接被驱动器件，用于采集被驱动器件的状态参量；所述比较器电路3连接被驱动器件，用于监测被驱动器件的电压信号是否大于保护阈值，当大于保护阈值时，输出故障信号；所述驱动电路2连接被驱动器件，用于接收栅极驱动信号驱动被驱动器件。具体地，被驱动器件可以是IGBT，也可以是SIC、MOSFET、GAN等功率电力电子器件。本发明实施例对被驱动器件的类型不做限定，只要是基于栅极驱动工作的器件即可。

其中，采样电路采用ADC采样芯片，用于实现被驱动器件的状态参量的数据采集。例如，当被驱动器件为IGBT时，具体采集的状态参量包括IGBT的集射极电压、栅极电压、发射极杂感电压(IGBT的功率E与信号E之间的电压)、IGBT器件壳温、IGBT所在模组的冷却水水温等等。采用电路具体可以采用12bit的ADC采样芯片，采集速率不低于10M。对于具体的ADC采样芯片的型号，本发明实施例对此不作限定，只要能满足该采集需求即可。

比较器电路中可以设置多个比较器，用于实现多个电压信号的比较。例如，当被驱动器件为IGBT时，可以实现IGBT的集射极电压、栅极电压、发射极杂感电压(IGBT的功率E与信号E之间的电压)等电压信号的监测。将获取的信号和保护阈值进行比较，当大于保护阈值时，输出故障信号。根据该故障信号，可以对被驱动器件进行故障保护。此外，比较器电路也可以对采样电路采集的状态参量和预设阈值进行比较，从而判断相应的状态参量是否超出保护阈值，从而实现对被驱动器件的监测。或者，可以直接将状态参量输出，由相关人员实现对状态参量的监测。需要说明的是，比较器电路比较的电压信号可以直接从被驱动器件上获取，也可以从采样电路采集的状态参量中获取。

驱动电路可采用推挽结构电路，用于将接收的栅极驱动信号进行功率放大，驱动与其连接的芯片外部的被驱动器件。该驱动电路支持最大0.2W，且均支持100％占空比输出。

本发明实施例提供的栅极驱动芯片，通过设置采样电路，实现了对被驱动器件的相关状态参量的采集；设置比较器电路，能够基于被驱动器件的电压信号进行故障监测；设置驱动电路，能够驱动被驱动器件工作。由此，该栅极驱动芯片通过故障监测以及状态参量的采集，实现了被驱动器件的在线监测；同时，无需在驱动芯片对应的驱动器中搭建复杂的电路，简化了栅极驱动芯片的设计难度，降低了设备体积。

在一实施方式中，该栅极驱动芯片还包括：可重构单元模块，所述可重构单元模块连接所述采样电路、比较器电路和驱动电路，所述可重构单元模块用于获取所述状态参量和故障信号，向所述驱动电路输入栅极驱动信号；所述可重构单元模块还用于被驱动器件的导通关断控制、被驱动器件的故障监测与保护、死区时间设置、电源电路输出电压配置、被驱动器件的触发状态以及故障状态回报。其中，保护具体包括过流、短路、过温、过/欠压等等。

在一实施方式中，该栅极驱动芯片还包括：处理器模块(MCU)，所述处理器模块连接所述采样电路，用于获取所述状态参量，将所述状态参量进行预处理后进行开关频率统计、集射极电流计算以及开关损耗计算。其中，预处理包括对状态参量如IGBT的集射极电压、栅极电压、发射极杂感电压(IGBT的功率E与信号E之间的电压)、IGBT器件壳温、IGBT所在模组的冷却水水温、IGBT的开关状态的标幺化处理。在对状态参量处理之后，根据IGBT开关状态统计开关频率、根据采集到的发射极杂感电压求积分获取IGBT的集射极电流、根据开关状态以及电压电流信息计算IGBT开关损耗等。

具体地，对于处理器模块，可以是RISC-V或ARM-M3内核，其包括支持乘法和除法、DSP指令以及IEEE754单精度浮点单元(FPU)的硬件结构，内部包含不少于4个定时器单元和不少于8个中断单元(包括外部中断、定时器中断和串口中断)。具体地，可重构单元模块可以采用嵌入式可编程逻辑阵列(eFPGA)。可重构单元模块的硬件规模不小于2k个LUTs(查找表)。可重构单元中的程序可通过两种方式进行配置，一种是通过上电后芯片中的FLASH中存储的软件程序文件进行配置，另一种是通过MCU实时配置。可重构单元模块用于接收和解析上层控制器下发的控制指令，根据指令控制被驱动器件的导通和关断，例如向驱动电路发送栅极驱动信号等。可重构单元模块连接比较器电路，不仅接收比较器电路的故障信号，如图2所示，同时还可以将设定的保护阈值通过10bit的DAC(数模转换器)发送至比较器电路U1。其中，DAC能够将可重构单元模块输出的数字型保护阈值Vcc通过DAC转换成模拟量V

所述栅极驱动芯片上电时，所述可重构单元模块读取存储在存储单元中的程序进行初始化，所述栅极驱动芯片运行过程中，处理器模块根据所述采样电路的采集的状态参量变更可重构单元模块中的程序，所述可重构单元模块根据变更后的程序重构可重构单元模块内部的逻辑电路以及重构连接的比较器电路和驱动电路。具体地，根据状态参量的变化能够判断是否需要进行保护。如图3所示，当判断被驱动器件正常运行时，基于可重构单元模块中的程序，可重构单元模块内部的逻辑电路(数字可重构电路)控制外部的硬件电路(包括比较器电路和驱动电路)以工况1模式进行连接；当通过状态参量判断被驱动器件运行状态异常时(如器件过流或过压等)，根据故障类型的不同，处理器模块变更可重构单元模块中的程序基于可重构单元模块中的程序，通过内部的逻辑电路的变化改变外部的硬件电路的连接关系，如采用工况2等模式，实现不同的硬件电路功能，实现IGBT器件在故障态下快速安全的保护。其中，可以在电路中设置多个开关，通过开关的开断，改变电路的连接关系。

在一实施方式中，该栅极驱动芯片还包括：电源电路，所述电源电路包括：两路DC/DC电路，其中一路DC/DC电路连接被驱动器件，用于为被驱动器件提供栅极驱动电压，另外一路DC/DC电路为可重构单元模块以及处理器模块提供电压，两路DC/DC电路完全独立，没有耦合。如图4所示，电源电路中包括不少于2路DC/DC电路，一路用于为可重构单元模块和处理器模块提供供电电压，输出电压范围3.3V-5V可调，效率不低于80％，负载调整率不超过2％，另外一路用于提供被驱动器件的栅极驱动电压，输出电压15V-20V可调，负载调整率不超过1.5％。两路DC/DC供电完全解耦。所有DC/DC的输出电压由可重构单元模块进行配置，调节精度为0.1V，具备软启动和短路保护功能。2路DC/DC完全独立供电，不会由于一路DC/DC的供电异常而导致整个控制保护系统失稳

为了避免该电源电路故障影响被驱动器件的工作，该栅极驱动芯片还包括：外部供电引脚；用于监测所述两路DC/DC电路输出的电压，当所述电压不符合预设要求时，所述外部供电引脚向所述栅极驱动芯片提供电压。通过比较器电路对电源电路电压的监测，能及时发现电源电路的故障。具体地，当电源电路故障时，可以通过管脚配置实现通过外部电源实现上述供电同时屏蔽内部电源电路供电功能。

在一实施方式中，栅极驱动芯片还包括：温度采集电路，所述温度采集电路采集芯片本体温度和所述电源电路温度，将采集的温度发送至所述采样电路。采样电路接收被驱动器件的状态参量以及相关的温度参数并行上传。其中，利用二极管导通电压会随温度的升高而下降的原理，该温度采集电路具体可采用二极管作为温度传感器实现温度监测。

其中，对于可重构单元模块和处理器模块中的程序配置，可以采用辅助开发软件EDA实现。通过该软件可以实现芯片管脚配置，内部可重构单元模块和处理器模块的程序编写、综合、布局布线、编译、仿真调试以及程序下载等功能。通过该EDA软件将程序通过SPI通信接口写入芯片内部FLASH中，程序分可重构单元模块和处理器模块两部分进行下载，并分别写入FLASH指定的地址中，芯片上电后，可重构单元模块和处理器模块分别在FLASH的对应地址加载各自程序。

在一实施方式中，该栅极驱动芯片还包括：保护管脚，当所述保护管脚根据所述辅助开发软件的配置输出第一电平时，所述可重构单元模块根据所述比较器电路输出的故障信号输出固定的保护逻辑动作；当所述保护管脚根据所述辅助开发软件的配置输出第二电平时，所述可重构单元模块根据所述状态参量与不同阈值的比较输出不同的保护动作逻辑。

具体地，该栅极驱动芯片通过采用辅助开发软件对保护管脚的配置能够实现两种器件故障时的保护模式。例如，当保护管脚为高电平时，采用比较器模式；当保护管脚为低电平时，采用ADC模式。其中，当保护管脚为高电平时，根据比较器电路输出的故障信号，执行固定的故障逻辑动作；当保护管脚为低电平时，基于采样电路采集的状态参量作为故障保护判据，设置不同的保护阈值，根据超过的不同保护阈值采用不同的保护动作逻辑。其中，不同的保护阈值的设置可以根据采样电路实时采集到的被驱动器件的壳温进行实时校正。

在一实施方式中，该栅极驱动芯片还包括：通信接口和AMBA总线(高级微控制器总线架构，Advanced Microcontroller Bus Architecture)，所述通信接口用于所述栅极驱动芯片和外部的通信；所述AMBA总线用于芯片内部的数据传输；所述AMBA总线中的开关矩阵连接所述通信接口、所述可重构单元模块以及处理器模块，对所述通信接口、所述可重构单元模块以及处理器模块的数据交互访问进行时序调度。此外，该栅极驱动芯片还包括存储单元。

具体地，通信接口包括I2C、SPI、CAN、JTAG接口等。其中，JTAG可以作为芯片测试接口；SPI作为程序下载接口；另外两个用于和其他控制器或芯片接口，如用于传输指令或处理器模块的计算数据等。存储单元包括SRAM和FLASH，其中FLASH用于可重构单元模块和处理器模块的代码存储，SRAM用于可重构单元模块和处理器模块的数据缓存和快速处理。

AMBA总线包括AHB总线(Advanced High Performance Bus，高级高性能总线)和APB总线(Advanced Peripheral Bus，高级外设总线)。其中，可重构单元模块、处理器模块、存储单元等高速数据采用AHB总线协议，I2C、SPI、CAN、JTAG通信接口等低速数据采用APB总线协议进行通信。所述可重构单元模块、处理器模块、存储单元、数据缓存区、以及各个通信接口等均连接至AMBA总线中的开关矩阵，通过开关矩阵对各路数据交互访问进行时序调度，实现多个主设备和多个从设备之间数据访问的并行进行。

所述可重构单元模块和处理器模块之间的连接管脚可复用，每个连接管脚的数据传输方向可调整。具体地，除数据总线交互外，芯片内部可重构单元模块和处理器模块间设置有32个互连的GPIO管脚，每个管脚相互独立，可以根据实际使用需求，通过程序设置每个IO管脚的数据传输方向。

如图5所示为可重构单元模块和处理器模块间互连关系示意图，芯片引脚中可重构单元模块和处理器模块分别有不少于16个GPIO，但某些特殊应用场景下，需要可重构单元模块和处理器模块部分提供更多IO作为GPIO使用，为了缩减芯片体积同时提升芯片通用性，可重构单元模块和处理器模块的GPIO管脚可复用，即芯片内部可重构单元模块和处理器模块间有16个GPIO进行内部互连，通过软件设置可以将其定义成处理器模块的输入或输出管脚，当定义成处理器，模块的输入管脚时，可将可重构单元模块部分连接的芯片外部管脚上的数据通过上述16个内部GPIO透传至处理器模块中，同理，当定义成处理器模块的输出管脚时，处理器模块的16个芯片外部引脚上的数据可通过芯片内部的GPIO透传至可重构单元模块中。

本发明实施例提供的栅极驱动芯片，具备被驱动器件状态参量的在线监测能力，相比于传统的由分立器件搭建的栅极驱动器，利用该芯片设计的驱动器在成本、设计复杂程度等方面具备显著优势，同时，芯片内部具备较强的数据和算法处理能力，能够实现较为复杂的算法，能够更好的实现对器件的精细化控制与保护，同时使驱动器具备了在线监测与边缘计算能力，能够为器件的状态监测与健康管理提供技术支撑，有效提升装备的数字化和智能化水平。

在一实施方式中，如图6所示，为栅极驱动芯片的典型应用场景：在柔直换流阀半桥结构拓扑子模块中的应用，其中每个驱动器控制1个IGBT器件，每个驱动器上放置1颗栅极驱动芯片。在IGBT器件信息采集方面，以IGBT集射极电压采集为例：IGBT的集射极电压引致驱动器电路中，连接到芯片的1路ADC采集引脚上，经由芯片内部ADC采集模块将其转化为数字量，并分别传输至可重构单元模块和处理器模块中。

如图7所示为栅极驱动芯片内部架构框图，该芯片可以是系统级芯片(SoC)。该栅极驱动芯片包括比较器电路、驱动电路(MOSFET驱动)、采样电路(ADC模块)、可重构单元模块、处理器模块(MCU)、电源电路(DC/DC)、全局控制单元、存储单元(FLASH和SRAM)，该栅极驱动芯片连接IGBT器件。其中驱动电路接收可重构单元发送的栅极驱动信号，驱动IGBT器件；比较器电路将接收是IGBT器件的电压信号和可重构单元模块发送的保护阈值比较进行故障监测；采样电路采集IGBT器件的状态参量发送至处理器模块和可重构单元模块进行计算和处理。电源电路用于为采样电路、比较器电路、可重构单元模块以及处理器模块供电，同时为IGBT器件提供栅极驱动电压。全局控制单元连接可重构单元模块、处理器模块、存储单元以及各个通信接口，根据时钟信号对各路数据交互访问进行时序调度。

虽然关于示例实施例及其优点已经详细说明，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和所附权利要求限定的保护范围的情况下对这些实施例进行各种变化、替换和修改，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。对于其他例子，本领域的普通技术人员应当容易理解在保持本发明保护范围内的同时，工艺步骤的次序可以变化。

此外，本发明的应用范围不局限于说明书中描述的特定实施例的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法及步骤。从本发明的公开内容，作为本领域的普通技术人员将容易地理解，对于目前已存在或者以后即将开发出的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤，其中它们执行与本发明描述的对应实施例大体相同的功能或者获得大体相同的结果，依照本发明可以对它们进行应用。因此，本发明所附权利要求旨在将这些工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其保护范围内。