本发明涉及功率半导体技术领域，尤其是涉及一种具备数据采集功能的智能型功率半导体器件驱动装置及系统。
背景技术：
作为一种应用广泛的功率半导体器件，自上世纪80年代igbt（insulatedgatebipolartransistor，绝缘栅双极性晶体管）问世以来，就以其高开关速度、低饱和压降、大电流承载能力等众多的优越性，很快取代gto（gateturn-offthyristor，门极可关断晶闸管的简称），成为轨道交通、工业传动、新能源等领域的核心器件。随着igbt功率密度、开关速度、电压等级不断提升与发展，igbt应用技术的发展也日新月异。
igbt应用技术的核心即igbt驱动技术，我们定义传统型的igbt驱动器为：以逻辑电路、隔离电路、功率放大电路、故障检测电路和保护电路组成的电路架构。目前，传统型的igbt驱动器通常采用分立器件或集成度较高的asic（applicationspecificintegratedcircuit，专用集成电路的简称）芯片，在铁路、工业、风电、光伏、电动汽车等领域有着较为广泛的应用。随着应用数量和领域的扩展，变流器模块的故障数量也逐渐增加，于是igbt驱动器的质量与可靠性成为应用技术的关键。因此，工程师需要大量的igbt故障数据，为igbt的更新换代提供数据支撑。但传统型igbt驱动器没有数据采集功能，在变流器模块发生故障后，也不能提供有效的故障数据。因此，开发具备数据采集功能的igbt驱动器已成为功率半导体器件，尤其是igbt应用发展的关键。
目前国内外主流的功率半导体驱动电路仍采用传统型驱动结构，电路拓扑为隔离电源、推挽放大的方式。信号隔离主要有脉冲变压器隔离、光纤隔离和光耦隔离，保护策略主要为通过二极管或电阻检测igbt管压降实现短路（过流）保护，有源钳位和软关断技术用于抑制较大di/dt造成的过电压。另外，部分驱动电路具备米勒钳位结构，用于抑制较大dv/dt造成的igbt误导通。
现有传统型的功率半导体驱动器一般只具备常规的驱动与保护功能，不能对功率半导体器件的运行状态数据进行采集，也不能与上位机进行实时通信以交换数据。此外，一些驱动公司推出的基于cpld器件的驱动器也仅仅是实现了数字化可编程的功率半导体驱动，并不具备完全意义上的智能化驱动功能。随着智能化和大数据时代的来临，功率半导体芯片及封装不断地更新换代，传统型的驱动技术已完全不能满足当前的应用需求。因此，开发一种具备可编程和数据监视、保护等功能的智能化功率半导体驱动装置及系统成为当前亟待解决的技术问题。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种具备数据采集功能的功率半导体器件驱动装置，解决现有传统型igbt驱动器智能化程度低，只具备常规的驱动与保护功能，不能对igbt运行状态数据进行采集，也不能与上位机进行实时通信交换数据的技术问题。
为了实现上述发明目的，本发明具体提供了一种具备数据采集功能的功率半导体器件驱动装置的技术实现方案，一种具备数据采集功能的功率半导体器件驱动装置，包括：
设置在驱动板上的控制单元、数据采集单元、脉冲信号接收与故障反馈单元和驱动单元，所述控制单元分别与所述数据采集单元、脉冲信号接收与故障反馈单元、驱动单元相连。
所述数据采集单元在所述控制单元的控制下，获取来自于外部的检测板采集的功率半导体器件的状态信息；
所述控制单元将所述数据采集单元采集到的所述功率半导体器件的状态信息传送至外部的采集板；
所述控制单元通过所述脉冲信号接收与故障反馈单元接收来自于外部的脉冲板的脉冲信号，对脉冲信号进行处理后再通过所述驱动单元向外部的功率半导体器件发送驱动信号；
所述控制单元通过所述脉冲信号接收与故障反馈单元将所述功率半导体器件的故障信号传送至所述脉冲板。
优选的，所述驱动单元中还进一步包括检测电路，所述检测电路获取所述功率半导体器件的故障信号，并将所述故障信号发送至所述控制单元。
优选的，所述功率半导体器件驱动装置还包括为所述控制单元、数据采集单元和驱动单元提供电源的电源单元。
优选的，所述电源单元进一步包括隔离变压器、第一buck电路、第二buck电路、第三buck电路、低压线性稳压器、升压电荷泵和反向电荷泵。所述驱动板内的电源通过所述隔离变压器的次边绕组输出dc±15v电源，dc-15v电源为所述驱动单元供电，一路dc+15v电源经所述升压电荷泵为所述驱动单元中的检测电路提供dc+30v电源，另一路dc+15v电源经所述第一buck电路转换为dc+5v电源。dc+5v电源经所述第二buck电路为所述控制单元提供dc+3.3v电源，dc+5v电源经所述第三buck电路为所述控制单元提供dc+1.2v电源，dc+5v电源经所述低压线性稳压器为所述数据采集单元提供dc+2.5v电源，dc+5v电源经所述反向电荷泵为所述数据采集单元提供dc-2.5v电源。
优选的，所述驱动单元进一步包括信号处理电路、pmos和nmos。由所述控制单元输出的pwm脉冲信号经所述信号处理电路进行电平转换和信号放大处理后，再输出至由所述pmos和nmos构成的功率半导体器件驱动单元驱动所述功率半导体器件实现开通或关断。
优选的，所述数据采集单元还在所述控制单元的控制下，获取来自于所述驱动板内部的温度信息。
优选的，所述数据采集单元采集经过信号调理单元处理后的所述功率半导体器件的门极发射极电压、集电极发射极电压及饱和导通压降。所述控制单元通过i2c总线监视所述数据采集单元获取的来自于所述驱动板内部的温度信息。
优选的，所述驱动板与所述采集板、脉冲板之间均通过光纤连接，所述控制单元通过光纤传输将16位串行数据帧发送至所述采集板，光纤传输的最大波特率为37.5mbps。所述16位串行数据帧包括所述功率半导体器件的门极发射极电压、集电极发射极电压各8位数据。
优选的，所述控制单元基于fpga实现，所述功率半导体器件为igbt。
优选的，所述驱动板同时驱动两个所述功率半导体器件。
本发明还另外具体提供了一种具备数据采集功能的功率半导体器件驱动系统的技术实现方案，一种具备数据采集功能的功率半导体器件驱动系统，包括：如上所述的驱动板，及与所述驱动板相连的采集板、脉冲板和检测板。所述驱动板的下级连接所述检测板和功率半导体器件，所述驱动板将所述检测板采集到的所述功率半导体器件的状态信息传送至所述采集板。所述驱动板的上级连接所述采集板、脉冲板，所述驱动板接收所述脉冲板下发的pwm脉冲信号，并根据该pwm脉冲信号为所述功率半导体器件提供开通或关断驱动信号。所述驱动板通过驱动单元中的检测电路获取所述功率半导体器件的故障信号，所述驱动板同时向所述脉冲板反馈所述功率半导体器件的故障信号。
优选的，所述脉冲板将接收到的所述功率半导体器件的故障信号传送至所述采集板。
通过实施上述本发明提供的具备数据采集功能的功率半导体器件驱动装置的技术方案，具有如下有益效果：
（1）本发明既继承了传统功率半导体器件驱动装置的稳定性和可靠性，又具有实时采集功率半导体器件状态数据信息，及与上位机通讯并存储故障时刻数据的功能，能够在功率半导体器件发生故障后能还原故障波形，为功率半导体器件的寿命预测及质量提升设计提供了可靠的数据支撑；
（2）本发明相对于传统的功率半导体器件驱动装置，采用fpga进行脉冲及保护逻辑处理，工作电压由dc+15v降低至dc+3.3v，驱动装置的功耗得以大幅度地降低；
（3）本发明功率半导体器件驱动装置采用fpga处理脉冲及实现保护逻辑，使得驱动板具有可编程特性，可通过修改软件实现驱动参数配置，能够有效简化任务量、缩短硬件开发周期；
（4）本发明功率半导体器件驱动装置具有可编程特性，通过编程可以接收并行或串行格式的脉冲信号，以适应不同的系统需求，大大提高了驱动装置的适用性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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实施例。
图1是本发明具备数据采集功能的功率半导体器件驱动系统一种具体实施方式的结构组成框图；
图2是本发明具备数据采集功能的功率半导体器件驱动系统另一种具体实施方式的结构组成框图；
图3是本发明具备数据采集功能的功率半导体器件驱动装置一种具体实施方式的结构组成框图；
图4是本发明具备数据采集功能的功率半导体器件驱动装置另一种具体实施方式的结构组成框图；
图5是本发明具备数据采集功能的功率半导体器件驱动装置一种具体实施方式中电源单元的结构组成框图；
图6是本发明具备数据采集功能的功率半导体器件驱动装置一种具体实施方式中驱动单元的结构组成框图；
图7是本发明具备数据采集功能的功率半导体器件驱动装置一种具体实施方式中数据采集单元的连接结构示意图；
图8是本发明具备数据采集功能的功率半导体器件驱动装置一种具体实施方式与上位机的连接结构示意图；
图中：1-驱动板，2-采集板，3-脉冲板，4-检测板，5-功率半导体器件，6-上位机，11-控制单元，12-数据采集单元，13-脉冲信号接收与故障反馈单元，14-驱动单元，15-电源单元，16-信号调理单元，41-第一检测板，42-第二检测板，111-第一控制单元，112-第二控制单元，121-第一数据采集单元，122-第二数据采集单元，131-第一脉冲信号接收与故障反馈单元，132-第二脉冲信号接收与故障反馈单元，141-第一驱动单元，142-第二驱动单元，143-信号处理电路，144-pmos，145-nmos，151-隔离变压器，152-第一buck电路，153-第二buck电路，154-第三buck电路，155-低压线性稳压器，156-升压电荷泵，157-反向电荷泵。
具体实施方式
为了引用和清楚起见，将下文中使用的技术名词、简写或缩写记载如下：
igbt：insulatedgatebipolartransistor，绝缘栅双极性晶体管；
gto：gateturn-offthyristor，门极可关断晶闸管的简称；
fpga：fieldprogrammablegatearray，现场可编程门阵列；
pwm：pulsewidthmodulation，脉宽调制技术；
adc：analogtodigitalconvert，模拟-数字转换器；
buck：降压型dc（直流）-dc（直流）变换器的简称；
ldo：lowdropoutregulator，低压差线性稳压器的简称；
mosfet：metal-oxide-semiconductorfield-effecttransistor，金属-氧化物半导体场效应晶体管的简称；
pmos：positivechannelmetaloxidesemiconductor，p型金属氧化物场效应管；
nmos：negativechannelmetaloxidesemiconductor，n型金属氧化物场效应管。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如附图1至附图8所示，给出了本发明具备数据采集功能的功率半导体器件驱动装置及系统的具体实施例，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
在下述的实施例1-3中，功率半导体器件5均以igbt为例进行介绍，功率半导体器件5还可以为除igbt之外的其它功率半导体器件。
实施例1
如附图1所示，一种具备数据采集功能的功率半导体器件驱动系统的具体实施例，包括：驱动板1，及与驱动板1相连的采集板2、脉冲板3和检测板4。驱动板1的下级通过电连接方式连接检测板4和功率半导体器件5，驱动板1将检测板4采集到的功率半导体器件5的状态信息传送至采集板2。驱动板1的上级连接采集板2、脉冲板3，驱动板1接收脉冲板3下发的pwm脉冲信号，并根据该pwm脉冲信号为功率半导体器件5提供开通或关断驱动信号（对于igbt来说即为门极驱动信号）。驱动板1中还进一步包括检测电路，驱动板1通过驱动单元14中的检测电路获取功率半导体器件5的故障信号，驱动板1同时向脉冲板3反馈功率半导体器件5的故障信号。脉冲板3将接收到的功率半导体器件5的故障信号传送至采集板2。
本发明实施例1描述的具备数据采集功能的功率半导体器件驱动系统基于成熟的功率半导体（igbt）驱动系统架构，采用全新的驱动与保护电路结构，能可靠地控制功率半导体器件5的开关，并进行有效保护。同时，还能对功率半导体器件5的运行状态数据进行实时采集，并上传至采集板2进行记录和存储，从而实现故障数据波形的还原。
实施例2
如附图3所示，一种具备数据采集功能的功率半导体器件驱动装置的具体实施例，具有实现主电路与控制单元的隔离，对pwm脉冲信号进行处理，对功率半导体器件5的开关信号进行功率放大和驱动，并对功率半导体器件5进行可靠保护等功能。功率半导体器件驱动装置具体包括：
设置在驱动板1上的控制单元11、数据采集单元12、脉冲信号接收与故障反馈单元13和驱动单元14。控制单元11分别与数据采集单元12、脉冲信号接收与故障反馈单元13、驱动单元14相连。
数据采集单元12在控制单元11的控制下，获取来自于外部的检测板4采集的功率半导体器件5的状态信息。
控制单元11将数据采集单元12采集到的功率半导体器件5的状态信息通过光纤通信传送至外部的采集板2进行存储。在本发明具体实施例中，采集板2为数据信息流的终端，不再将数据上传至外部的上位机6，但可通过外部的计算机连接采集板2下载相应的数据。
控制单元11通过脉冲信号接收与故障反馈单元13接收来自于外部的脉冲板3的脉冲信号，对脉冲信号进行处理后再通过驱动单元14向外部的功率半导体器件5发送驱动信号。
驱动板1的驱动单元14中进一步包括检测电路，检测电路获取功率半导体器件5的故障信号，并将故障信号发送至控制单元11。控制单元11对检测电路采集的功率半导体器件5故障信号进行数字滤波处理（或者不经处理直接发送至脉冲信号接收与故障反馈单元13），并通过脉冲信号接收与故障反馈单元13将经过处理后的功率半导体器件5的故障信号传送至脉冲板3。
功率半导体器件驱动装置还包括为控制单元11、数据采集单元12和驱动单元14提供电源的电源单元15。如附图5所示，电源单元15进一步包括隔离变压器151、第一buck电路152、第二buck电路153、第三buck电路154、低压线性稳压器155、升压电荷泵156和反向电荷泵157。驱动板1内的dc+15.7v电源通过6000vac的隔离变压器151的次边绕组输出dc±15v电源，其中，dc-15v电源为驱动单元14供电，一路dc+15v电源经升压电荷泵156为驱动单元14中的检测电路提供dc+30v电源，另一路dc+15v电源经第一buck电路152转换为dc+5v电源。dc+5v电源经第二buck电路153为控制单元11提供dc+3.3v电源，dc+5v电源经第三buck电路154为控制单元11提供dc+1.2v电源。dc+5v电源经低压线性稳压器（ldo，lowdropoutregulator）155为数据采集单元12提供dc+2.5v电源，dc+5v电源经反向电荷泵157为数据采集单元12提供dc-2.5v电源。
功率半导体器件5的驱动单元14采用mosfet驱动，mosfet相对于bjt能提供更大的驱动电流，具有更高的开关频率，本实施例采用一个ir公司的p沟道mosfet和一个vishay公司的n沟道mosfet构成功率半导体器件（igbt）5的驱动单元14，其峰值电流可达31a。如附图6所示，驱动单元14进一步包括信号处理电路143、pmos144和nmos145。由控制单元11输出的pwm脉冲信号经信号处理电路143进行电平转换（移位）和信号放大处理后，再输出至由pmos144和nmos145构成的功率半导体器件驱动单元驱动功率半导体器件5实现开通或关断。
数据采集单元12还能在控制单元11的控制下，获取来自于驱动板1内部各温度敏感位置的温度信息。如附图7所示，数据采集单元12采集经过信号调理单元16处理后的功率半导体器件5的门极发射极电压vge、集电极发射极电压vce及功率半导体器件5的饱和导通压降vcesat。控制单元11通过i2c（inter－integratedcircuit，内部整合电路的简称，是一种通用的串行通讯总线标准）总线监视数据采集单元12获取的来自于驱动板1内部的温度信息。数据采集单元12对模拟量的采集采用adi公司和ti公司的芯片，本实施例共需采集3路模拟量（vge、vce和vcesat），采用两片ad（模拟数字）转换芯片，一片双通道12位ad转换芯片用于采集vge和vcesat，一片单通道14位ad转换芯片用于采集vce，两片ad转换芯片的最大采样率为65msps，并采用模拟差分输入，并行输出。信号调理单元16的输入输出结构为单端转差分，调理好的差分模拟信号再由数据采集单元12的adc（模拟数字转换）芯片转换成所需精度的并行数据，再将并行数据送入控制单元11中进行处理。驱动板1发送门极驱动信号vge驱动功率半导体器件5，同时接收功率半导体器件5的反馈信号vce、vcesat。
如附图8所示，驱动板1与上位机6之间通过avago公司的50mhz光纤传输数据，驱动板1与采集板2、脉冲板3之间均通过光纤连接，光纤传输的最大波特率为37.5mbps，通信格式为：1位起始位、2位停止位、16位数据位、1位偶校验，传输vge、vce各8位，vge为有符号数据，vce为无符号数据，数据帧长度为2个字节，纠错方式采用数据帧后空一帧的方式。控制单元11通过光纤传输将16位串行数据帧发送至采集板2，16位串行数据帧包括功率半导体器件5的门极发射极电压vge、集电极发射极电压vce各8位数据。
控制单元11基于xilinx的fpga（现场可编程门阵列）实现，fpga内部具有丰富的资源，能够很好地适用于逻辑处理量大的应用场合。
实施例3
如附图2所示，在实施例2的基础上，一块驱动板1进一步同时驱动两个功率半导体器件5。如附图4所示，检测板4进一步包括第一检测板41和第二检测板42，第一检测板41和第二检测板42分别采集一个功率半导体器件（即图中igbt）5的运行状态信息。控制单元11进一步包括第一控制单元111和第二控制单元112，数据采集单元12进一步包括第一数据采集单元121和第二数据采集单元122，脉冲信号接收与故障反馈单元13进一步包括第一脉冲信号接收与故障反馈单元131和第二脉冲信号接收与故障反馈单元132，驱动单元14进一步包括第一驱动单元141和第二驱动单元142。
本发明具体实施例提出了一种基于分立器件的具备数据采集功能的功率半导体器件驱动装置及系统的技术方案，实现了功率半导体器件5的智能化驱动，具备功率半导体器件运行状态参数模拟量采集功能，通过采集故障时刻功率半导体器件5的开关数据，主要包括门极发射极电压vge、集电极发射极电压vce，并通过光纤通讯，将采集的信息实时传输至上位机6存储，另外还具有采集驱动板1温度的功能，目前这些技术方案在业内仍处于空白。随着大数据与寿命预测的发展，作为变流器的执行机构-功率半导体器件（igbt）5的运行状态数据必须被监控参与运算，并通过上层统一管理。本发明具体实施例提出的基于智能化驱动的功率半导体器件驱动装置及系统在功率半导体器件5的整个寿命周期中具有至关重要的作用，功率半导体器件5的运行状态及故障数据可以作为改进传统型功率半导体器件驱动模块的参考和依据，进一步提升传统型功率半导体驱动模块的质量与可靠性。
通过实施本发明具体实施例描述的具备数据采集功能的功率半导体器件驱动装置及系统的技术方案，能够产生如下技术效果：
（1）本发明具体实施例描述的具备数据采集功能的功率半导体器件驱动装置及系统既继承了传统功率半导体器件驱动装置的稳定性和可靠性，又具有实时采集功率半导体器件状态数据信息，及与上位机通讯并存储故障时刻数据的功能，能够在功率半导体器件发生故障后能还原故障波形，为功率半导体器件的寿命预测及质量提升设计提供了可靠的数据支撑；
（2）本发明具体实施例描述的具备数据采集功能的功率半导体器件驱动装置及系统相对于传统的功率半导体器件驱动装置，采用fpga进行脉冲及保护逻辑处理，工作电压由dc+15v降低至dc+3.3v，驱动装置的功耗得以大幅度地降低；
（3）本发明具体实施例描述的具备数据采集功能的功率半导体器件驱动装置及系统功率半导体器件驱动装置采用fpga处理脉冲及实现保护逻辑，使得驱动板具有可编程特性，可通过修改软件实现驱动参数配置，能够有效简化任务量、缩短硬件开发周期；
（4）本发明具体实施例描述的具备数据采集功能的功率半导体器件驱动装置及系统功率半导体器件驱动装置具有可编程特性，通过编程可以接收并行或串行格式的脉冲信号，以适应不同的系统需求，大大提高了驱动装置的适用性。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围。