用于车辆牵引逆变器的动态igbt栅极驱动的制作方法
用于车辆牵引逆变器的动态igbt栅极驱动的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明整体上涉及基于包括镜像电流、IGBT温度和牵引马达转速的特性控制牵引逆变器中的IGBT。
【背景技术】
[0002]混合动力电动车辆和纯电动车辆依靠牵引电池提供电力至用于推进的牵引马达以及其间的将电池DC(直流)电力转换为牵引马达使用的AC(交流)电力的功率逆变器(power inverter)。典型的AC牵引马达是可以通过每者通过120度分相(phaseseparat1n)驱动的三个正弦信号驱动的三相马达。牵引马达可能需要高电压和高电流。由于电压、电流和切换(switching)的要求，绝缘栅双极晶体管(IGBT)通常用于在功率逆变器中产生信号。
【发明内容】
[0003]—种逆变器控制器包括:双发射极IGBT，具有栅极、第一发射极和第二发射极。第一发射极可以配置用于流动负载电流，而第二发射极可以配置用于流动与负载电流成比例的镜像电流。逆变器控制器进一步包括:栅极驱动器(gate driver)，连接至栅极并且配置用于流动多个电流；缓冲电路，基于镜像电流而输出缓冲信号；以及锁存电路，响应于缓冲信号以及高于阈值的栅极电压而输出信号，以配置栅极驱动器流动从多个电流选择的电流。
[0004]根据本发明的一个实施例，所述控制器进一步包括:温度传感器，与所述IGBT热连接；以及温度锁存电路，响应于温度信号以及高于阈值的栅极电压而输出所述温度信号，以配置所述栅极驱动器流动从所述多个电流中选择的电流。
[0005]根据本发明的一个实施例，所述控制器进一步包括:电机，具有转速，与所述第一发射极连接；以及转速锁存电路，响应于转速信号以及高于阈值的栅极电压而输出所述转速信号，以配置所述栅极驱动器流动从所述多个电流中选择的电流。
[0006]根据本发明的一个实施例，所述控制器进一步包括:电机，具有转速，与所述第一发射极连接；以及转速锁存电路，输出转速信号，配置所述栅极驱动器响应于所述转速信号流动从所述多个电流中选择的电流。
[0007]—种逆变器控制器包括:IGBT，具有栅极、第一发射极和第二发射极，并且所述IGBT配置用于使流自第一发射极的镜像电流与流自第二发射极的负载电流成比例。逆变器控制器进一步包括:可变电流电压控制装置，连接至栅极；至少一个控制器，配置用于基于镜像电流而改变流自可变电流电压控制装置的电流。
[0008]根据本发明的一个实施例，可变电流电压控制装置包括多个MOSFET，所述多个MOSFET可以选择性地接通、并联连接、并且配置用于在一定电压下提供多个电流。
[0009]根据本发明的一个实施例，可变电流电压控制装置包括可以选择性地接通的多个电阻。
[0010]根据本发明的一个实施例，至少一个控制器进一步配置用于基于IGBT的温度而改变可变电流电压控制装置的电流。
[0011]根据本发明的一个实施例，至少一个控制器进一步配置用于基于过滤的IGBT温度而改变可变电流电压控制装置的电流。
[0012]—种用于控制车辆逆变器的方法包括:施加栅极电压至包括第一和第二发射极的IGBT以产生电流；响应于栅电压而从第二 IGBT发射极取样与来自第一 IGBT发射极的驱动电流输出成比例的镜像电流输出；响应于镜像电流和栅极电压而改变流至栅极的电流。
[0013]根据本发明的另一方面，提供一种控制车辆逆变器的方法，所述方法包括:施加栅极电压至具有第一和第二发射极的IGBT以产生电流；响应于栅极电压而从第二 IGBT发射极取样与来自第一 IGBT发射极的驱动电流输出成比例的镜像电流输出；以及响应于镜像电流和栅极电压而改变至栅极的电流。
[0014]根据本发明的一个实施例，改变电流是从多个电流中选择电流。
[0015]根据本发明的一个实施例，所述方法进一步包括:过滤镜像电流。
[0016]根据本发明的一个实施例，所述方法进一步包括:响应于栅极电压而取样IGBT温度，并且其中，响应于IGBT温度、镜像电流和栅极电压而改变流至栅极的电流。
[0017]根据本发明的一个实施例，所述方法进一步包括:过滤IGBT温度。
[0018]根据本发明的一个实施例，所述方法进一步包括:取样连接至第一发射极的电机的转速，并且其中，响应于转速、IGBT温度、镜像电流和栅极电压而改变至栅极的电流。
【附图说明】
[0019]图1是说明具有功率逆变器的典型传动系和能量存储部件的示例性混合动力车辆的框图；
[0020]图2是示例性车用电动马达逆变器的示意图；
[0021]图3是具有镜像电流反馈的IGBT驱动器的示例性配置的示意图；
[0022]图4是具有镜像电流反馈和温度反馈的IGBT驱动器的示例性配置的示意图。
【具体实施方式】
[0023]这里描述了本公开的实施例。然而，应理解公开的实施例仅为示例，其它实施例可以多种可替代的形式实施。附图无需按比例绘制；可放大或缩小一些特征以显示特定部件的细节。所以，此处所公开的具体结构和功能细节不应解释为限定，而仅为教导本领域技术人员以多种形式实施本发明的代表性基础。本领域内的技术人员应理解，参考任一【附图说明】和描述的多个特征可与一个或多个其它附图中说明的特征组合以形成未明确说明或描述的实施例。说明的组合特征提供用于典型应用的代表实施例。然而，与本发明的教导一致的特征的多种组合和变型可以根据需要用于特定应用或实施。
[0024]图1描述了混合动力电动车辆(HEV) 112。混合动力电动车辆112可以包括连接至混合动力传动装置116的一个或多个电机114。电机114能作为马达或发电机运转。此外，混合动力传动装置116连接至内燃发动机(ICE) 118。混合动力传动装置116还连接至车轮122的驱动轴120。当发动机118打开或关闭时电机114能提供推进和减速。电机114也可以用作为发电机并且通过回收在摩擦制动系统中通常将作为热量损失掉的能量可以提供燃料经济性益处。电机114还可以通过允许发动机118运转于更高效的状况(发动机转速和负载)下并且允许混合动力电动车辆112在特定状况下关闭发动机118以电动模式运转而减少车辆排放。
[0025]牵引电池或电池组124存储电机114可以使用的能量。车辆电池组124通常提供高压直流(DC)输出。牵引电池124电连接至一个或多个电力电子(power electronic)模块26。一个或多个接触器142在打开时可以隔离牵引电池124与其它部件并且在闭合时将牵引电池124连接至其它部件。电力电子模块126还电连接至电机114并且能在牵引电池124和电机114之间双向传输能量。例如，典型的牵引电池124可以提供直流(DC)电压而电机114可以使用三相交流(AC)电运转。电力电子模块126可以转换直流电压以产生电机114使用的三相交流(AC)电。在再生模式中，电力电子模块126可以将来自作为发电机的电机114的三相交流电转换为向牵引电池124充电的直流电压。本说明书中的描述同样可以应用到纯电动车辆。对于纯电动车辆，混合动力传动装置116可以是连接至电机114的变速箱并且可以没有发动机118。电力电子模块126可以进一步包括具有经由升压、降压及其组合将电力电子模块输入电压转换为电力电子模块输出电压的高功率开关(例如IGBT)的DC-DC转换器。
[0026]牵引电池124除了提供用于推进的能量之外，还可以提供用于其它车辆电子系统的能量。车辆可以包括将牵引电池124的高压DC输出转换为与其它车辆负载兼容的低压DC供应的DC/DC转换器模块128。其它高压电负载(比如压缩器和电动加热器)146可以直接连 接至高压而不需要使用DC/DC转换器模块128。电负载146可以具有在适当的时候运转电负载146的关联控制器。低压系统可以电连接至辅助电池130 (例如12V电池)。DC/DC转换器模块128可以包括经由升压、降压及其组合将DC/DC转换器模块输入电压转换为DC/DC转换器模块输出电压的高功率开关(例如IGBT)。DC/DC转换器模块128也可以双向运转。
[0027]车辆112可以是可通过外部电源136向牵引电池124再充电的电动车辆或混合动力车辆。外部电源136可以是连接至电源插座的连接。外部电源136可以电连接至电动车辆供电设备(EVSE)138。EVSE 138可以提供电路和控制以调整和管理电源136和车辆112之间的能量传输。外部电源136可以向EVSE 138提供DC或AC电源。EVSE 138可以具有用于插进车辆112的充电端口 34的充电连接器140。充电端口 134可以是配置用于从EVSE138传输电力至车辆112的任何类型的端口。充电端口 134可以电连接至充电器或车载电力转换模块132。电力转换模块132可以配适从EVSE 138供应的电力以向牵引电池124提供适合的电压和电流水平。电力转换模块132可以包括经由升压、降压及其组合将转换模块输入电压转换为转换模块输出电压的高功率开关(例如IGBT)。EVSE连接器140可以具有与充电端口 134的对应插孔(recess)匹配的插针。可替代地，描述的电连接的各个部件可以使用无线电感耦合传输电力。
[0028]讨论的多个部件可以具有控制并监视这些部件运转的一个或多个关联的控制器。这些控制器可以经由串行总线(例如控制器局域网(CAN))或经由分离的导线通信。此外，可以存在系统控制器148以协调各个部件的运转。可以根据不同的化学配方构建牵引电池124。典型的电池组化学可以是铅酸、镍氢(ΝΠΙΗ)或锂离子。
[0029]参考图2，提供了用于控制功率转换器系统(power converter system) 212的系统210。图2的功率转换器系统212显示为包括具有第一相桥(phase leg)216、第二相桥218和第三相桥220的逆变器214。虽然逆变器214显示为三相转换器，逆变器214可以包括额外的相桥。例如，逆变器214可以是四相转换器、五相转换器、六相转换器等。此外，功率转换器系统212可以包括多个转换器，转换器系统212中的每个逆变器214包括三个或更多个相桥。例如，系统210可以控制功率转换器系统212中的两个或更多个逆变器214。转换器系统212可以进一步包括具有经由升压、降压或其组合将电力电子模块输入电压转换为电力电子模块输出电压的高功率开关(例如IGBT)的DC-DC转换器。
[0030]如图2中显示的，逆变器214可以是DC-DC转换器。在运转中，DC-DC转换器从DC电源链路(power link) 222通过DC总线224接收DC电源并且将DC电源转换为AC电源。经由相电流ia、ib和i。传输AC电源以驱动AC电机226，比如图2中描述的三相永磁同步马达(PMSM)。在该示例中，DC电源链路222可以包括DC存储电池以提供DC电源至DC总线224。在另一个示例中，逆变器214可以运转为将来自AC电机(例如发电机)226的AC电源转换为DC电源的AC-DC转换器，DC总线224可以将DC电源提供至DC电源链路222。此外，系统210可以控制其它电力电子拓扑结构的功率转换器系统212。
[0031]继续参考图2，逆变器214中相桥216、218、220中的每者包括功率开关228，可以通过各种类型的可控制的开关来实施该开关。在一个实施例中，每个功率开关228可以包括二极管和晶体管(例如IGBT)。图2中的二极管标示为Dal、Da2、Dbl、Db2、D。2而图2中的IGBT分别标示为 Sa1、Sa2、Sbl、Sb2、Scl和 S c2o 具有 Sal、Sa2、Dai 和D 32的功率开关是二相逆变器的相桥A的一部分，在图2中相桥A标不为第一相桥216。类似地，具有Sbl、Sb2、Dbl和Db2的功率开关是相桥B的一部分而具有SD。2的功率开关是三相转换器的相桥C的一部分。逆变器214可以取决于逆变器214的特定配置而包括任何数量的功率开关228或电路元件。
[0032]如图2说明的，提供电流传感器CSa、CSb和CS。以感应各个相桥216、218、220的电流。图2中显示电流传感器CSa、CSb和CS。独立于功率转换器系统212。然而，取决于功率转换器系统212配置，电流传感器CSa、CSb和CS。可以集成为其一部分。图2中的电流传感器CSa、CSb和CS。与相桥A、B和C(即图2中的相桥216、218、220)中的每者串联安装并提供各自的反馈信号ias、ibs和i μ(也说明在图2中)以用于系统210。反馈信号ias、ibs和U可以是通过逻辑装置(LD)230处理的原始电流信号或者可以嵌入或编码有关于通过各个相桥216、218、220的电流的数据或信息。此外，功率开关(例如IGBT) 228可以提供电流感应能力。电流感应能力可以包括配置有电流镜像输出，该输出可以提供ias、ibs和1表示的数据/信号。该数据/信号可以指示流通过各自相桥A、B和C的电流的方向、电流的幅度或者电流的方向和幅度两者。
[0033]再次参考图2，系统210包括逻辑装置(LD)或控制器230。可以通过各种类型的电子装置和/或基于微处理器的计算机或控制器或其组合来实施控制器或LD 230。为了实施控制功率转换器系统212的方法，控制器230可以执行嵌入或编译有该方法并且存储在易失性和/或持久性存储器234中的计算机程序或算法。可替代地，可以离散逻辑、微处理器、微控制器或者存储在一个或多个集成电路芯片上的门阵列(gate array)来编译逻辑。如图2中的实施例显示的，控制器230接收并处理反馈信号ias、ibs和i以控制相电流i a、ib和i。使得相电流i a、ib和i。根据多个电流或电压模式(pattern)流过相桥216、218、220并进入AC电机226的各个绕组。例如，电流模式可以包括流进以及流出DC总线224或DC总线电容器(Cbus) 232的相电流ia、ib和i。的模式。图2中的DC总线电容器232独立于功率转换器系统212显示。然而，DC总线电容器232可以集成为功率转换器系统212的一部分。
[0034]如图2显示的，存储媒介234(此后称为“存储器”)(比如计算机可读的存储器)可以存储嵌入或编译有该方法的计算机程序或算法。此外，存储器234可以存储关于功率转换器系统212中多个工况或部件的数据或信息。例如，存储器234可以存储关于流过各个相桥216、218、220的电流的数据或信息。如图2显示的存储器234可以是控制器230 —部分。然而，存储器234可以被设置在控制器230可以访问的任何适当的位置。
[0035]如图2说明的，控制器230传输至少一个控制信号236至功率转换器系统212。功率转换器系统212接收控制信号236以控制逆变器214的切换配置并且从而控制通过各个相桥216、218和220的电流。切换配置是逆变器214中功率开关228的一组切换状态。通常，逆变器214的切换配置确定逆变器214怎样转换DC电源链路222和AC电机226之间的功率。
[0036]为了控制逆变器214的切换配置，逆变器214基于控制信号236将逆变器214中的每个功率开关228的开关状态改变为打开(0N)状态或者关闭(OFF)状态。在说明的实施例中，为了将功率开关228切换为0N或OFF状态，逆变器214控制向每个功率开关228施加的栅极电压(Vg)并且从而控制每个功率开关228的切换状态。(图2中显示的)栅极电压Vgal、Vga2、Vg bl、Vgb2、VgeJP Vg。2控制各个功率开关228的切换状态和特性。虽然逆变器214在图2中显示为电压驱动的装置，逆变器214可以是电流驱动的装置或者被在0N和OFF状态之间切换功率开关228的其它策略控制。控制器230可以基于AC电机226的转速、镜像电流或IGBT开关的温度而改变用于每个IGBT的栅极驱动。可以从多个栅极驱动电流选择栅极驱动的变化，其中，栅极驱动电流变化与IGBT切换速度变化成比例。
[0037]同样如图2显示的，每个相桥216、218和220包括两个开关228。然而，桥216、218,220的每者中的仅一个开关可以处于0N状态使DC电源链路222不短路。因此，在每个相桥中，下开关的切换状态通常与对应于上开关的切换状态相反。所以，相桥的高(HIGH)状态指桥中上开关处于ON状态而下开关处于OFF状态。类似地，相桥的低(LOW)状态指桥中上开关处于OFF状态而下开关处于0N状态。结果是，所有的IGBT、IGBT的子组(例如Sal、Sbl、Scl)或者单个IGBT可以是具有电流镜像能力的IGBT。
[0038]图2中说明的在三相转换器示例的启用状态期间可以出现两种情形:(1)两个相桥处于HIGH状态而第三相桥处于LOW状态，或者(2) —个相桥处于HIGH状态而其它两个相桥处于LOW状态。因此，三相转换器中一个相桥(该相桥可以定义成用于逆变器214的特定启用状态的“参考”相位)处于与其它两个相桥相反(这两个相桥具有相同的状态)的状态。所以，在逆变器24的启用状态期间非参考相位都处于HIGH状态或都处于LOW状态。
[0039]图3是具有镜像电流反馈300的开关驱动器的示例配置的示意。开关304可以包括场效应管(MOSFET)、IGBT或类似的固态开关。开关可以是单片的或者可以构建为多芯片(mult1-chip)模块。开关配置用于驱动负载电流(1^^)330以及驱动镜像电流(Ι._)332。负载电流作为的逆变器的一部分可以用于驱动牵引马达或者作为DC-DC电源转换器的一部分可以用于将负载电流切换进电感。通过控制器312控制开关304的运转。控制器可以是微处理器、微控制器、专用集成电路(ASIC)、可编程的逻辑装置(PLD)或者可以是离散模拟或者数字电路。控制器可以产生比如脉冲串(pulse train)、脉冲宽度调制(PWM)或类似形式的调制信号以控制栅极调制(gate modulat1n)。
[0040]随后可以在栅极驱动调节控制电路310中通过微处理器、微控制器、ASIC、PLD、离散模拟电路或离散数字电路来发展该调制信号。栅极驱动调节电路(gate drivecondit1ning circuit) 310的输入可以包括比如在与开关运转关联的时间确定的镜像电流332、开关温度或开关两端的电压的特征。与开关关联的时间可以包括当开关启用且通过电流时的时间或者开关接通或断开之前或之后的预定时间。栅极驱动调节控制电路310的输出是栅极驱动电路302。
[0041]栅极驱动电路可以包括驱动或流入电流在开关304的栅极上的晶体管314和限流电阻320。由于它连接IGBT 304的栅极与电源(Vcc)，这通常称为高侧驱动器。类似地，栅极驱动电路可以包括晶体管316和限流电阻318以从开关304的栅极汲取或抽取电流。晶体管(314、316)可以是互补晶体管(例如N沟道MOSFET和P沟道M0SFET、NPN双极型晶体管(NPN BJT)和PNP双极型晶体管(PNP BJT)或类似的)，或者都可以是具有栅极边缘(gate edge)调节电路310的类似结构(例如N沟道M0SFET、NPN BJT)，该栅极边缘调节电路包括满足晶体管(例如N沟道MOSFET)的电压和电流需要的电荷栗(charge pump)。基于电压Vcc、晶体管314、电阻320以及开关的电势(potential)，栅极电流334可以流入开关304的栅极。电流流入该栅极的速率与开关在off状态与on状态之间转换的速度成比例。类似地，基于电压Vee、晶体管316、电阻318和开关的势能，栅极电流334可以流自开关304的栅极。流自栅极的电流的速率与开关在on状态与off状态之间转换的速度成比例。
[0042]通常在电路设计中需要栅极电阻(例如318、320)以限制IGBT栅极充电/放电电流。为了控制基于负载电流330的变化相对于时间的变化(dl/dt)以及开关两端电压的变化相对于时间的变化(dV/dt)的IGBT切换瞬时速度，通常保守地选择栅极电阻(例如318、320)。特别地，包括较大栅极电阻(例如318、320)的IGBT栅极驱动设计具有较慢的切换瞬态、较低的电压过冲(dV/dt)以及较低的电流过冲(dl/dt)，然而较慢的转换可能导致较大的切换损失。可替代地，较小的栅极电阻(例如318、320)具有较快的切换瞬态、提供减少的功率损失，然而较快的转换可能导致较高的电压过冲(dV/dt)和较高的电流过冲(dl/dt)以及增加的电磁干扰/电磁兼容性(EMI/EMC)担忧的可能性。由于可靠性的担忧，实践中牵引逆变器设计通常扩大栅极电阻以保证在最坏情况的场景下切换瞬态导致的电压过冲不应该超过IGBT最大额定电压。IGBT最大额定电压是由于IGBT对于过电压尖峰是脆弱的。例如，如果一个切换瞬态导致的电压尖峰超过IGBT最大额定电压，电压尖峰可能导致IGBT雪崩击穿并且永久地损坏IGBT。扩大的栅极电阻将增加功率模块切换损失，并且从而将影响HEV整体燃料经济性以及增加功率模块冷却设计的困难。
[0043]—种改进措施包括可以动态优化IGBT切换速度的智能栅极驱动电极。图3说明了这样的一个示例，电路300包括栅极驱动器302，并且栅极驱动器302包括与晶体管314和关联的电阻320并联的晶体管322以及关联的电阻328。该并联配置允许增加的电流流到IGBT 304的栅极。流到栅极的电流的增加与IGBT的转换速度的增加成比例。变换速度的增加与切换功率损失成比例。当打开IGBT 304且增加的电流流到栅极时，在栅极允许IGBT饱和导致IGBT 304两端的电压(Vce)减小的情况下沟道得到改善。IGBT两端电压较快的减小和改善的沟道允许负载电流330和镜像电流332较快的增加。在该示例中，显示了并联配置的与关联的电阻(320和328)连接的一对晶体管(314和322)，然而该电路不限于该配置并且可以包括多个开关(例如MOSFET、BJT)，其中BJT可以与关联的电阻连接并且通过MOSFET沟道开启电阻(RJ限制的MOSFET电流直接流向IGBT 304的栅极。
[0044]栅极驱动调节电路310可以包括至少一个与门(AND gate)以基于启动信号和调制信号驱动晶体管322。栅极驱动调节电路310可以包括或门(OR gate)以基于启动信号和调制信号的反相而驱动晶体管324。类似地，门驱动调节电路310可以调节至少一个缓冲器、驱动器、三态缓冲器、反相或非反相类型的与门或者或门以基于启动信号和调制信号驱动晶体管(314、316、322 和 324)。
[0045]图3还说明了补充示例，电路300包括栅极驱动器302，并且栅极驱动器302包括与晶体管316和关联的电阻318并联的晶体管324以及关联的电阻326。该并联配置允许增加的电流流自IGBT 304的栅极。流自栅极的电流的增加与IGBT的转换速度的增加成比例。转换速度的增加与切换功率损失的减少成比例。当关闭IGBT 304且增加的电流流自栅极时，切断开关304导致IGBT 304两端的电压快速增加以及负载电流330和镜像电流332的快速减小。
[0046]镜像电流332可以在镜像电流缓冲电路308中缓冲以产生缓冲的镜像电流334。镜像电流缓冲电路308可以包括滤波器，比如低通滤波器(L PF)、带通滤波器、陷波滤波器或者高通滤波器。滤波器可以是有限脉冲响应(FIR)滤波器、无限脉冲响应(IIR)滤波器或其它适当的滤波器。缓冲的镜像电流334可以在锁存电路(latch circuit) 306中取样或锁存。锁存电路306可以基于IGBT 304的栅极电压。锁存电路306可以包括过滤栅极电压或适当的控制信号的滤波器，比如低通滤波器、带通滤波器、陷波滤波器或者高通滤波器。其中，触发器是D触发器(D-Flip-flop)，D触发器也称为D锁(D-Latch)，Comp是电压比较器，Vthg是栅极阈值参考电压，Vthl是电流阈值参考电压。滤波器可以是有限脉冲响应(FIR)滤波器、无限脉冲响应(IIR)滤波器或其它适当的滤波器。锁存的缓冲镜像电流信号336可以提供至栅极边缘调节电路310作为确定开关304的希望的变化速率的输入。锁存的缓冲镜像电流信号336可以直接用作启动其它电流源来驱动IGBT (例如314、316、322和324)的启动信号或者可以是控制器312的输入，该控制器用于基于更复杂的条件产生启动信号。
[0047]图4是具有镜像电流反馈和温度反馈的IGBT驱动器的示例配置400的示意。类似于图3，图4包括提供反馈并且用作栅极驱动调节电路402的输入的电流镜像配置。类似的，开关404配置用于驱动负载电流(1^)408以及驱动镜像电流然而，图4还包括温度传感器410。温度传感器410可以是单片的(即加工在相同的半导体装置中)或者可以是热连接至(thermally coupled) IGBT的独立传感器。与IGBT热连接的独立传感器可以在多芯片模块(MCM)内或者可以是设置在IGBT附近的分离的传感器(discretesensor)。
[0048]IGBT温度传感器410可以在IGBT温度缓冲电路414中基于温度传感器410而产生缓冲的IGBT温度信号416。IGBT温度缓冲电路414可以包括过滤来自温度传感器的信号的滤波器，比如低通滤波器、带通滤波器、陷波滤波器或者高通滤波器。滤波器可以是有限脉冲响应(FIR)滤波器、无限脉冲响应(IIR)滤波器或其它适当的滤波器。缓冲的IGBT温度信号416可以在温度锁存电路412中取样或锁存。温度锁存电路412可以基于IGBT404的栅极电压，或者控制器312可以控制温度锁存电路412。温度锁存电路412可以包括过滤栅极电压或适当的控制信号的滤波器，比如低通滤波器、带通滤波器、陷波滤波器或者高通滤波器。滤波器可以是有限脉冲响应(FIR)滤波器、无限脉冲响应(IIR)滤波器或其它适当的滤波器。锁存的缓冲IGBT温度信号418可以提供至栅极调节电路402作为确定开关404的希望的变化速率的输入。锁存的缓冲IGBT温度信号418可以直接用作启动额外的电流源来驱动IGBT(例如314、316、322和324)的启动信号或者可以是控制器312的输入，该控制器用于基于更复杂的条件产生启动信号。
[0049]本说明书公开的程序、方法或算法可以传输至处理装置、控制器或计算机/通过其执行，该处理装置、控制器或计算机可以包括任何已有的可编程电子控制单元或专用电子控制单元。类似地，程序或算法可以存储为可通过控制器或计算机以多种形式执行的数据和指令，这些形式包括但不限于永久存储在不可写存储器媒介(比如只读存储器(ROM)装置)上的信息以及可变地存储在可写存储媒介(比如软盘、磁带、光碟(CD)、随机访问存储器(RAM)装置以及其它磁性或光学媒介)上的信息。还可以在软件可执行的对象中执行这些程序、方法或算法。可替代地，可以使用适当的硬件部件整体地或部分地包括该程序、方法或算法，比如专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、状态机、控制器或其它硬件部件或设备，或者硬件、软件和固件部件的结合。
[0050]虽然上文描述了示例实施例，但是并不意味着这些实施例描述了权利要求包括的所有可能的形式。说明书中使用的词语为描述性词语而非限定，并且应理解在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以作出各种改变。如上所述，可以组合多个实施例的特征以形成本发明没有明确描述或说明的进一步的实施例。尽管已经描述了多个实施例，就一个或多个期望特性来说提供了优点或相较于其他实施例或现有技术应用更为优选，本领域技术人员应该认识到，取决于具体应用和实施，为了达到期望的整体系统属性可以对一个或多个特征或特性妥协。这些属性可包括但不限于:成本、强度、耐用性、生命周期成本、可销售性、外观、包装、尺寸、可维护性、重量、可制造性、易于装配等。因此，描述的实施例在一个或多个特性上相对于其他实施例或现有技术应用不令人满意也未超出本发明的范围，并且这些实施例可以满足特定应用。
【主权项】
1.一种逆变器控制器，包括: IGBT，具有栅极、配置用于流动负载电流的第一发射极以及配置用于流动与所述负载电流成比例的镜像电流的第二发射极； 栅极驱动器，连接至所述栅极，并且配置用于流动多个电流； 缓冲电路，配置用于基于所述镜像电流输出缓冲信号；以及 锁存电路，配置用于响应于所述缓冲信号以及高于阈值的栅极电压而输出信号，以配置所述栅极驱动器流动从所述多个电流中选择的电流。2.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述栅极驱动器包括多个MOSFET，所述多个MOSFET可选择性地接通、并联连接、并且配置用于在一定电压下提供所述多个电流。3.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述栅极驱动器包括多个可选择性地接通的电阻。4.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述锁存电路包括过滤所述栅极电压的滤波器。5.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述缓冲电路包括低通滤波器。6.根据权利要求1所述的控制器，进一步包括:温度传感器，与所述IGBT热连接；以及温度锁存电路，输出温度信号，以配置所述栅极驱动器响应于所述温度信号流动从所述多个电流选择的电流。7.根据权利要求6所述的控制器，进一步包括与所述温度传感器连接的温度缓冲电路。8.根据权利要求7所述的控制器，其中，所述温度缓冲电路包括低通滤波器。9.根据权利要求1所述的控制器，进一步包括:电机，具有转速，与所述第一发射极连接；以及转速锁存电路，响应于转速信号、所述缓冲信号以及高于阈值的栅极电压而输出所述转速信号，以配置所述栅极驱动器流动从所述多个电流中选择的电流。10.一种逆变器控制器，包括: IGBT，具有栅极、第一发射极和第二发射极，并且所述IGBT配置用于使流自所述第一发射极的镜像电流与流自所述第二发射极的负载电流成比例； 可变电流电压控制装置，连接至所述栅极；以及 至少一个控制器，配置用于基于所述镜像电流而改变流自所述可变电流电压控制装置的电流。
【专利摘要】本发明公开了一种用于车辆牵引逆变器的动态IGBT栅极驱动。混合动力电动车辆包括牵引电池、牵引马达和其间的功率逆变器。功率逆变器将牵引电池的DC电源转换为驱动牵引马达的每个相位的AC电源。功率逆变器包括调整至牵引马达的功率的绝缘栅双极晶体管(IGBT)。调整IGBT的速度影响包括功率损失、电压过冲和电流过冲的系统性能。使用双发射极IGBT提供驱动电流的电流镜像，可以使用具有栅极驱动电路的电路使得栅极驱动速度可基于包括温度和牵引马达转速的特征而动态改变。
【IPC分类】H02M7/5387, H02M1/08, H02P27/06
【公开号】CN105490510
【申请号】CN201510628261
【发明人】陈礼华, 曹东, 沙雷斯·斯坎特·柯扎雷卡尔, 沙赫拉姆·萨雷, 吴宏杰, 唐宇清
【申请人】福特全球技术公司
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年9月28日
【公告号】DE102015116690A1, US20160099665
【技术领域】
[0001]本发明整体上涉及基于包括镜像电流、IGBT温度和牵引马达转速的特性控制牵引逆变器中的IGBT。
【背景技术】
[0002]混合动力电动车辆和纯电动车辆依靠牵引电池提供电力至用于推进的牵引马达以及其间的将电池DC(直流)电力转换为牵引马达使用的AC(交流)电力的功率逆变器(power inverter)。典型的AC牵引马达是可以通过每者通过120度分相(phaseseparat1n)驱动的三个正弦信号驱动的三相马达。牵引马达可能需要高电压和高电流。由于电压、电流和切换(switching)的要求，绝缘栅双极晶体管(IGBT)通常用于在功率逆变器中产生信号。
【发明内容】
[0003]—种逆变器控制器包括:双发射极IGBT，具有栅极、第一发射极和第二发射极。第一发射极可以配置用于流动负载电流，而第二发射极可以配置用于流动与负载电流成比例的镜像电流。逆变器控制器进一步包括:栅极驱动器(gate driver)，连接至栅极并且配置用于流动多个电流；缓冲电路，基于镜像电流而输出缓冲信号；以及锁存电路，响应于缓冲信号以及高于阈值的栅极电压而输出信号，以配置栅极驱动器流动从多个电流选择的电流。
[0004]根据本发明的一个实施例，所述控制器进一步包括:温度传感器，与所述IGBT热连接；以及温度锁存电路，响应于温度信号以及高于阈值的栅极电压而输出所述温度信号，以配置所述栅极驱动器流动从所述多个电流中选择的电流。
[0005]根据本发明的一个实施例，所述控制器进一步包括:电机，具有转速，与所述第一发射极连接；以及转速锁存电路，响应于转速信号以及高于阈值的栅极电压而输出所述转速信号，以配置所述栅极驱动器流动从所述多个电流中选择的电流。
[0006]根据本发明的一个实施例，所述控制器进一步包括:电机，具有转速，与所述第一发射极连接；以及转速锁存电路，输出转速信号，配置所述栅极驱动器响应于所述转速信号流动从所述多个电流中选择的电流。
[0007]—种逆变器控制器包括:IGBT，具有栅极、第一发射极和第二发射极，并且所述IGBT配置用于使流自第一发射极的镜像电流与流自第二发射极的负载电流成比例。逆变器控制器进一步包括:可变电流电压控制装置，连接至栅极；至少一个控制器，配置用于基于镜像电流而改变流自可变电流电压控制装置的电流。
[0008]根据本发明的一个实施例，可变电流电压控制装置包括多个MOSFET，所述多个MOSFET可以选择性地接通、并联连接、并且配置用于在一定电压下提供多个电流。
[0009]根据本发明的一个实施例，可变电流电压控制装置包括可以选择性地接通的多个电阻。
[0010]根据本发明的一个实施例，至少一个控制器进一步配置用于基于IGBT的温度而改变可变电流电压控制装置的电流。
[0011]根据本发明的一个实施例，至少一个控制器进一步配置用于基于过滤的IGBT温度而改变可变电流电压控制装置的电流。
[0012]—种用于控制车辆逆变器的方法包括:施加栅极电压至包括第一和第二发射极的IGBT以产生电流；响应于栅电压而从第二 IGBT发射极取样与来自第一 IGBT发射极的驱动电流输出成比例的镜像电流输出；响应于镜像电流和栅极电压而改变流至栅极的电流。
[0013]根据本发明的另一方面，提供一种控制车辆逆变器的方法，所述方法包括:施加栅极电压至具有第一和第二发射极的IGBT以产生电流；响应于栅极电压而从第二 IGBT发射极取样与来自第一 IGBT发射极的驱动电流输出成比例的镜像电流输出；以及响应于镜像电流和栅极电压而改变至栅极的电流。
[0014]根据本发明的一个实施例，改变电流是从多个电流中选择电流。
[0015]根据本发明的一个实施例，所述方法进一步包括:过滤镜像电流。
[0016]根据本发明的一个实施例，所述方法进一步包括:响应于栅极电压而取样IGBT温度，并且其中，响应于IGBT温度、镜像电流和栅极电压而改变流至栅极的电流。
[0017]根据本发明的一个实施例，所述方法进一步包括:过滤IGBT温度。
[0018]根据本发明的一个实施例，所述方法进一步包括:取样连接至第一发射极的电机的转速，并且其中，响应于转速、IGBT温度、镜像电流和栅极电压而改变至栅极的电流。
【附图说明】
[0019]图1是说明具有功率逆变器的典型传动系和能量存储部件的示例性混合动力车辆的框图；
[0020]图2是示例性车用电动马达逆变器的示意图；
[0021]图3是具有镜像电流反馈的IGBT驱动器的示例性配置的示意图；
[0022]图4是具有镜像电流反馈和温度反馈的IGBT驱动器的示例性配置的示意图。
【具体实施方式】
[0023]这里描述了本公开的实施例。然而，应理解公开的实施例仅为示例，其它实施例可以多种可替代的形式实施。附图无需按比例绘制；可放大或缩小一些特征以显示特定部件的细节。所以，此处所公开的具体结构和功能细节不应解释为限定，而仅为教导本领域技术人员以多种形式实施本发明的代表性基础。本领域内的技术人员应理解，参考任一【附图说明】和描述的多个特征可与一个或多个其它附图中说明的特征组合以形成未明确说明或描述的实施例。说明的组合特征提供用于典型应用的代表实施例。然而，与本发明的教导一致的特征的多种组合和变型可以根据需要用于特定应用或实施。
[0024]图1描述了混合动力电动车辆(HEV) 112。混合动力电动车辆112可以包括连接至混合动力传动装置116的一个或多个电机114。电机114能作为马达或发电机运转。此外，混合动力传动装置116连接至内燃发动机(ICE) 118。混合动力传动装置116还连接至车轮122的驱动轴120。当发动机118打开或关闭时电机114能提供推进和减速。电机114也可以用作为发电机并且通过回收在摩擦制动系统中通常将作为热量损失掉的能量可以提供燃料经济性益处。电机114还可以通过允许发动机118运转于更高效的状况(发动机转速和负载)下并且允许混合动力电动车辆112在特定状况下关闭发动机118以电动模式运转而减少车辆排放。
[0025]牵引电池或电池组124存储电机114可以使用的能量。车辆电池组124通常提供高压直流(DC)输出。牵引电池124电连接至一个或多个电力电子(power electronic)模块26。一个或多个接触器142在打开时可以隔离牵引电池124与其它部件并且在闭合时将牵引电池124连接至其它部件。电力电子模块126还电连接至电机114并且能在牵引电池124和电机114之间双向传输能量。例如，典型的牵引电池124可以提供直流(DC)电压而电机114可以使用三相交流(AC)电运转。电力电子模块126可以转换直流电压以产生电机114使用的三相交流(AC)电。在再生模式中，电力电子模块126可以将来自作为发电机的电机114的三相交流电转换为向牵引电池124充电的直流电压。本说明书中的描述同样可以应用到纯电动车辆。对于纯电动车辆，混合动力传动装置116可以是连接至电机114的变速箱并且可以没有发动机118。电力电子模块126可以进一步包括具有经由升压、降压及其组合将电力电子模块输入电压转换为电力电子模块输出电压的高功率开关(例如IGBT)的DC-DC转换器。
[0026]牵引电池124除了提供用于推进的能量之外，还可以提供用于其它车辆电子系统的能量。车辆可以包括将牵引电池124的高压DC输出转换为与其它车辆负载兼容的低压DC供应的DC/DC转换器模块128。其它高压电负载(比如压缩器和电动加热器)146可以直接连 接至高压而不需要使用DC/DC转换器模块128。电负载146可以具有在适当的时候运转电负载146的关联控制器。低压系统可以电连接至辅助电池130 (例如12V电池)。DC/DC转换器模块128可以包括经由升压、降压及其组合将DC/DC转换器模块输入电压转换为DC/DC转换器模块输出电压的高功率开关(例如IGBT)。DC/DC转换器模块128也可以双向运转。
[0027]车辆112可以是可通过外部电源136向牵引电池124再充电的电动车辆或混合动力车辆。外部电源136可以是连接至电源插座的连接。外部电源136可以电连接至电动车辆供电设备(EVSE)138。EVSE 138可以提供电路和控制以调整和管理电源136和车辆112之间的能量传输。外部电源136可以向EVSE 138提供DC或AC电源。EVSE 138可以具有用于插进车辆112的充电端口 34的充电连接器140。充电端口 134可以是配置用于从EVSE138传输电力至车辆112的任何类型的端口。充电端口 134可以电连接至充电器或车载电力转换模块132。电力转换模块132可以配适从EVSE 138供应的电力以向牵引电池124提供适合的电压和电流水平。电力转换模块132可以包括经由升压、降压及其组合将转换模块输入电压转换为转换模块输出电压的高功率开关(例如IGBT)。EVSE连接器140可以具有与充电端口 134的对应插孔(recess)匹配的插针。可替代地，描述的电连接的各个部件可以使用无线电感耦合传输电力。
[0028]讨论的多个部件可以具有控制并监视这些部件运转的一个或多个关联的控制器。这些控制器可以经由串行总线(例如控制器局域网(CAN))或经由分离的导线通信。此外，可以存在系统控制器148以协调各个部件的运转。可以根据不同的化学配方构建牵引电池124。典型的电池组化学可以是铅酸、镍氢(ΝΠΙΗ)或锂离子。
[0029]参考图2，提供了用于控制功率转换器系统(power converter system) 212的系统210。图2的功率转换器系统212显示为包括具有第一相桥(phase leg)216、第二相桥218和第三相桥220的逆变器214。虽然逆变器214显示为三相转换器，逆变器214可以包括额外的相桥。例如，逆变器214可以是四相转换器、五相转换器、六相转换器等。此外，功率转换器系统212可以包括多个转换器，转换器系统212中的每个逆变器214包括三个或更多个相桥。例如，系统210可以控制功率转换器系统212中的两个或更多个逆变器214。转换器系统212可以进一步包括具有经由升压、降压或其组合将电力电子模块输入电压转换为电力电子模块输出电压的高功率开关(例如IGBT)的DC-DC转换器。
[0030]如图2中显示的，逆变器214可以是DC-DC转换器。在运转中，DC-DC转换器从DC电源链路(power link) 222通过DC总线224接收DC电源并且将DC电源转换为AC电源。经由相电流ia、ib和i。传输AC电源以驱动AC电机226，比如图2中描述的三相永磁同步马达(PMSM)。在该示例中，DC电源链路222可以包括DC存储电池以提供DC电源至DC总线224。在另一个示例中，逆变器214可以运转为将来自AC电机(例如发电机)226的AC电源转换为DC电源的AC-DC转换器，DC总线224可以将DC电源提供至DC电源链路222。此外，系统210可以控制其它电力电子拓扑结构的功率转换器系统212。
[0031]继续参考图2，逆变器214中相桥216、218、220中的每者包括功率开关228，可以通过各种类型的可控制的开关来实施该开关。在一个实施例中，每个功率开关228可以包括二极管和晶体管(例如IGBT)。图2中的二极管标示为Dal、Da2、Dbl、Db2、D。2而图2中的IGBT分别标示为 Sa1、Sa2、Sbl、Sb2、Scl和 S c2o 具有 Sal、Sa2、Dai 和D 32的功率开关是二相逆变器的相桥A的一部分，在图2中相桥A标不为第一相桥216。类似地，具有Sbl、Sb2、Dbl和Db2的功率开关是相桥B的一部分而具有SD。2的功率开关是三相转换器的相桥C的一部分。逆变器214可以取决于逆变器214的特定配置而包括任何数量的功率开关228或电路元件。
[0032]如图2说明的，提供电流传感器CSa、CSb和CS。以感应各个相桥216、218、220的电流。图2中显示电流传感器CSa、CSb和CS。独立于功率转换器系统212。然而，取决于功率转换器系统212配置，电流传感器CSa、CSb和CS。可以集成为其一部分。图2中的电流传感器CSa、CSb和CS。与相桥A、B和C(即图2中的相桥216、218、220)中的每者串联安装并提供各自的反馈信号ias、ibs和i μ(也说明在图2中)以用于系统210。反馈信号ias、ibs和U可以是通过逻辑装置(LD)230处理的原始电流信号或者可以嵌入或编码有关于通过各个相桥216、218、220的电流的数据或信息。此外，功率开关(例如IGBT) 228可以提供电流感应能力。电流感应能力可以包括配置有电流镜像输出，该输出可以提供ias、ibs和1表示的数据/信号。该数据/信号可以指示流通过各自相桥A、B和C的电流的方向、电流的幅度或者电流的方向和幅度两者。
[0033]再次参考图2，系统210包括逻辑装置(LD)或控制器230。可以通过各种类型的电子装置和/或基于微处理器的计算机或控制器或其组合来实施控制器或LD 230。为了实施控制功率转换器系统212的方法，控制器230可以执行嵌入或编译有该方法并且存储在易失性和/或持久性存储器234中的计算机程序或算法。可替代地，可以离散逻辑、微处理器、微控制器或者存储在一个或多个集成电路芯片上的门阵列(gate array)来编译逻辑。如图2中的实施例显示的，控制器230接收并处理反馈信号ias、ibs和i以控制相电流i a、ib和i。使得相电流i a、ib和i。根据多个电流或电压模式(pattern)流过相桥216、218、220并进入AC电机226的各个绕组。例如，电流模式可以包括流进以及流出DC总线224或DC总线电容器(Cbus) 232的相电流ia、ib和i。的模式。图2中的DC总线电容器232独立于功率转换器系统212显示。然而，DC总线电容器232可以集成为功率转换器系统212的一部分。
[0034]如图2显示的，存储媒介234(此后称为“存储器”)(比如计算机可读的存储器)可以存储嵌入或编译有该方法的计算机程序或算法。此外，存储器234可以存储关于功率转换器系统212中多个工况或部件的数据或信息。例如，存储器234可以存储关于流过各个相桥216、218、220的电流的数据或信息。如图2显示的存储器234可以是控制器230 —部分。然而，存储器234可以被设置在控制器230可以访问的任何适当的位置。
[0035]如图2说明的，控制器230传输至少一个控制信号236至功率转换器系统212。功率转换器系统212接收控制信号236以控制逆变器214的切换配置并且从而控制通过各个相桥216、218和220的电流。切换配置是逆变器214中功率开关228的一组切换状态。通常，逆变器214的切换配置确定逆变器214怎样转换DC电源链路222和AC电机226之间的功率。
[0036]为了控制逆变器214的切换配置，逆变器214基于控制信号236将逆变器214中的每个功率开关228的开关状态改变为打开(0N)状态或者关闭(OFF)状态。在说明的实施例中，为了将功率开关228切换为0N或OFF状态，逆变器214控制向每个功率开关228施加的栅极电压(Vg)并且从而控制每个功率开关228的切换状态。(图2中显示的)栅极电压Vgal、Vga2、Vg bl、Vgb2、VgeJP Vg。2控制各个功率开关228的切换状态和特性。虽然逆变器214在图2中显示为电压驱动的装置，逆变器214可以是电流驱动的装置或者被在0N和OFF状态之间切换功率开关228的其它策略控制。控制器230可以基于AC电机226的转速、镜像电流或IGBT开关的温度而改变用于每个IGBT的栅极驱动。可以从多个栅极驱动电流选择栅极驱动的变化，其中，栅极驱动电流变化与IGBT切换速度变化成比例。
[0037]同样如图2显示的，每个相桥216、218和220包括两个开关228。然而，桥216、218,220的每者中的仅一个开关可以处于0N状态使DC电源链路222不短路。因此，在每个相桥中，下开关的切换状态通常与对应于上开关的切换状态相反。所以，相桥的高(HIGH)状态指桥中上开关处于ON状态而下开关处于OFF状态。类似地，相桥的低(LOW)状态指桥中上开关处于OFF状态而下开关处于0N状态。结果是，所有的IGBT、IGBT的子组(例如Sal、Sbl、Scl)或者单个IGBT可以是具有电流镜像能力的IGBT。
[0038]图2中说明的在三相转换器示例的启用状态期间可以出现两种情形:(1)两个相桥处于HIGH状态而第三相桥处于LOW状态，或者(2) —个相桥处于HIGH状态而其它两个相桥处于LOW状态。因此，三相转换器中一个相桥(该相桥可以定义成用于逆变器214的特定启用状态的“参考”相位)处于与其它两个相桥相反(这两个相桥具有相同的状态)的状态。所以，在逆变器24的启用状态期间非参考相位都处于HIGH状态或都处于LOW状态。
[0039]图3是具有镜像电流反馈300的开关驱动器的示例配置的示意。开关304可以包括场效应管(MOSFET)、IGBT或类似的固态开关。开关可以是单片的或者可以构建为多芯片(mult1-chip)模块。开关配置用于驱动负载电流(1^^)330以及驱动镜像电流(Ι._)332。负载电流作为的逆变器的一部分可以用于驱动牵引马达或者作为DC-DC电源转换器的一部分可以用于将负载电流切换进电感。通过控制器312控制开关304的运转。控制器可以是微处理器、微控制器、专用集成电路(ASIC)、可编程的逻辑装置(PLD)或者可以是离散模拟或者数字电路。控制器可以产生比如脉冲串(pulse train)、脉冲宽度调制(PWM)或类似形式的调制信号以控制栅极调制(gate modulat1n)。
[0040]随后可以在栅极驱动调节控制电路310中通过微处理器、微控制器、ASIC、PLD、离散模拟电路或离散数字电路来发展该调制信号。栅极驱动调节电路(gate drivecondit1ning circuit) 310的输入可以包括比如在与开关运转关联的时间确定的镜像电流332、开关温度或开关两端的电压的特征。与开关关联的时间可以包括当开关启用且通过电流时的时间或者开关接通或断开之前或之后的预定时间。栅极驱动调节控制电路310的输出是栅极驱动电路302。
[0041]栅极驱动电路可以包括驱动或流入电流在开关304的栅极上的晶体管314和限流电阻320。由于它连接IGBT 304的栅极与电源(Vcc)，这通常称为高侧驱动器。类似地，栅极驱动电路可以包括晶体管316和限流电阻318以从开关304的栅极汲取或抽取电流。晶体管(314、316)可以是互补晶体管(例如N沟道MOSFET和P沟道M0SFET、NPN双极型晶体管(NPN BJT)和PNP双极型晶体管(PNP BJT)或类似的)，或者都可以是具有栅极边缘(gate edge)调节电路310的类似结构(例如N沟道M0SFET、NPN BJT)，该栅极边缘调节电路包括满足晶体管(例如N沟道MOSFET)的电压和电流需要的电荷栗(charge pump)。基于电压Vcc、晶体管314、电阻320以及开关的电势(potential)，栅极电流334可以流入开关304的栅极。电流流入该栅极的速率与开关在off状态与on状态之间转换的速度成比例。类似地，基于电压Vee、晶体管316、电阻318和开关的势能，栅极电流334可以流自开关304的栅极。流自栅极的电流的速率与开关在on状态与off状态之间转换的速度成比例。
[0042]通常在电路设计中需要栅极电阻(例如318、320)以限制IGBT栅极充电/放电电流。为了控制基于负载电流330的变化相对于时间的变化(dl/dt)以及开关两端电压的变化相对于时间的变化(dV/dt)的IGBT切换瞬时速度，通常保守地选择栅极电阻(例如318、320)。特别地，包括较大栅极电阻(例如318、320)的IGBT栅极驱动设计具有较慢的切换瞬态、较低的电压过冲(dV/dt)以及较低的电流过冲(dl/dt)，然而较慢的转换可能导致较大的切换损失。可替代地，较小的栅极电阻(例如318、320)具有较快的切换瞬态、提供减少的功率损失，然而较快的转换可能导致较高的电压过冲(dV/dt)和较高的电流过冲(dl/dt)以及增加的电磁干扰/电磁兼容性(EMI/EMC)担忧的可能性。由于可靠性的担忧，实践中牵引逆变器设计通常扩大栅极电阻以保证在最坏情况的场景下切换瞬态导致的电压过冲不应该超过IGBT最大额定电压。IGBT最大额定电压是由于IGBT对于过电压尖峰是脆弱的。例如，如果一个切换瞬态导致的电压尖峰超过IGBT最大额定电压，电压尖峰可能导致IGBT雪崩击穿并且永久地损坏IGBT。扩大的栅极电阻将增加功率模块切换损失，并且从而将影响HEV整体燃料经济性以及增加功率模块冷却设计的困难。
[0043]—种改进措施包括可以动态优化IGBT切换速度的智能栅极驱动电极。图3说明了这样的一个示例，电路300包括栅极驱动器302，并且栅极驱动器302包括与晶体管314和关联的电阻320并联的晶体管322以及关联的电阻328。该并联配置允许增加的电流流到IGBT 304的栅极。流到栅极的电流的增加与IGBT的转换速度的增加成比例。变换速度的增加与切换功率损失成比例。当打开IGBT 304且增加的电流流到栅极时，在栅极允许IGBT饱和导致IGBT 304两端的电压(Vce)减小的情况下沟道得到改善。IGBT两端电压较快的减小和改善的沟道允许负载电流330和镜像电流332较快的增加。在该示例中，显示了并联配置的与关联的电阻(320和328)连接的一对晶体管(314和322)，然而该电路不限于该配置并且可以包括多个开关(例如MOSFET、BJT)，其中BJT可以与关联的电阻连接并且通过MOSFET沟道开启电阻(RJ限制的MOSFET电流直接流向IGBT 304的栅极。
[0044]栅极驱动调节电路310可以包括至少一个与门(AND gate)以基于启动信号和调制信号驱动晶体管322。栅极驱动调节电路310可以包括或门(OR gate)以基于启动信号和调制信号的反相而驱动晶体管324。类似地，门驱动调节电路310可以调节至少一个缓冲器、驱动器、三态缓冲器、反相或非反相类型的与门或者或门以基于启动信号和调制信号驱动晶体管(314、316、322 和 324)。
[0045]图3还说明了补充示例，电路300包括栅极驱动器302，并且栅极驱动器302包括与晶体管316和关联的电阻318并联的晶体管324以及关联的电阻326。该并联配置允许增加的电流流自IGBT 304的栅极。流自栅极的电流的增加与IGBT的转换速度的增加成比例。转换速度的增加与切换功率损失的减少成比例。当关闭IGBT 304且增加的电流流自栅极时，切断开关304导致IGBT 304两端的电压快速增加以及负载电流330和镜像电流332的快速减小。
[0046]镜像电流332可以在镜像电流缓冲电路308中缓冲以产生缓冲的镜像电流334。镜像电流缓冲电路308可以包括滤波器，比如低通滤波器(L PF)、带通滤波器、陷波滤波器或者高通滤波器。滤波器可以是有限脉冲响应(FIR)滤波器、无限脉冲响应(IIR)滤波器或其它适当的滤波器。缓冲的镜像电流334可以在锁存电路(latch circuit) 306中取样或锁存。锁存电路306可以基于IGBT 304的栅极电压。锁存电路306可以包括过滤栅极电压或适当的控制信号的滤波器，比如低通滤波器、带通滤波器、陷波滤波器或者高通滤波器。其中，触发器是D触发器(D-Flip-flop)，D触发器也称为D锁(D-Latch)，Comp是电压比较器，Vthg是栅极阈值参考电压，Vthl是电流阈值参考电压。滤波器可以是有限脉冲响应(FIR)滤波器、无限脉冲响应(IIR)滤波器或其它适当的滤波器。锁存的缓冲镜像电流信号336可以提供至栅极边缘调节电路310作为确定开关304的希望的变化速率的输入。锁存的缓冲镜像电流信号336可以直接用作启动其它电流源来驱动IGBT (例如314、316、322和324)的启动信号或者可以是控制器312的输入，该控制器用于基于更复杂的条件产生启动信号。
[0047]图4是具有镜像电流反馈和温度反馈的IGBT驱动器的示例配置400的示意。类似于图3，图4包括提供反馈并且用作栅极驱动调节电路402的输入的电流镜像配置。类似的，开关404配置用于驱动负载电流(1^)408以及驱动镜像电流然而，图4还包括温度传感器410。温度传感器410可以是单片的(即加工在相同的半导体装置中)或者可以是热连接至(thermally coupled) IGBT的独立传感器。与IGBT热连接的独立传感器可以在多芯片模块(MCM)内或者可以是设置在IGBT附近的分离的传感器(discretesensor)。
[0048]IGBT温度传感器410可以在IGBT温度缓冲电路414中基于温度传感器410而产生缓冲的IGBT温度信号416。IGBT温度缓冲电路414可以包括过滤来自温度传感器的信号的滤波器，比如低通滤波器、带通滤波器、陷波滤波器或者高通滤波器。滤波器可以是有限脉冲响应(FIR)滤波器、无限脉冲响应(IIR)滤波器或其它适当的滤波器。缓冲的IGBT温度信号416可以在温度锁存电路412中取样或锁存。温度锁存电路412可以基于IGBT404的栅极电压，或者控制器312可以控制温度锁存电路412。温度锁存电路412可以包括过滤栅极电压或适当的控制信号的滤波器，比如低通滤波器、带通滤波器、陷波滤波器或者高通滤波器。滤波器可以是有限脉冲响应(FIR)滤波器、无限脉冲响应(IIR)滤波器或其它适当的滤波器。锁存的缓冲IGBT温度信号418可以提供至栅极调节电路402作为确定开关404的希望的变化速率的输入。锁存的缓冲IGBT温度信号418可以直接用作启动额外的电流源来驱动IGBT(例如314、316、322和324)的启动信号或者可以是控制器312的输入，该控制器用于基于更复杂的条件产生启动信号。
[0049]本说明书公开的程序、方法或算法可以传输至处理装置、控制器或计算机/通过其执行，该处理装置、控制器或计算机可以包括任何已有的可编程电子控制单元或专用电子控制单元。类似地，程序或算法可以存储为可通过控制器或计算机以多种形式执行的数据和指令，这些形式包括但不限于永久存储在不可写存储器媒介(比如只读存储器(ROM)装置)上的信息以及可变地存储在可写存储媒介(比如软盘、磁带、光碟(CD)、随机访问存储器(RAM)装置以及其它磁性或光学媒介)上的信息。还可以在软件可执行的对象中执行这些程序、方法或算法。可替代地，可以使用适当的硬件部件整体地或部分地包括该程序、方法或算法，比如专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、状态机、控制器或其它硬件部件或设备，或者硬件、软件和固件部件的结合。
[0050]虽然上文描述了示例实施例，但是并不意味着这些实施例描述了权利要求包括的所有可能的形式。说明书中使用的词语为描述性词语而非限定，并且应理解在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以作出各种改变。如上所述，可以组合多个实施例的特征以形成本发明没有明确描述或说明的进一步的实施例。尽管已经描述了多个实施例，就一个或多个期望特性来说提供了优点或相较于其他实施例或现有技术应用更为优选，本领域技术人员应该认识到，取决于具体应用和实施，为了达到期望的整体系统属性可以对一个或多个特征或特性妥协。这些属性可包括但不限于:成本、强度、耐用性、生命周期成本、可销售性、外观、包装、尺寸、可维护性、重量、可制造性、易于装配等。因此，描述的实施例在一个或多个特性上相对于其他实施例或现有技术应用不令人满意也未超出本发明的范围，并且这些实施例可以满足特定应用。
【主权项】
1.一种逆变器控制器，包括: IGBT，具有栅极、配置用于流动负载电流的第一发射极以及配置用于流动与所述负载电流成比例的镜像电流的第二发射极； 栅极驱动器，连接至所述栅极，并且配置用于流动多个电流； 缓冲电路，配置用于基于所述镜像电流输出缓冲信号；以及 锁存电路，配置用于响应于所述缓冲信号以及高于阈值的栅极电压而输出信号，以配置所述栅极驱动器流动从所述多个电流中选择的电流。2.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述栅极驱动器包括多个MOSFET，所述多个MOSFET可选择性地接通、并联连接、并且配置用于在一定电压下提供所述多个电流。3.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述栅极驱动器包括多个可选择性地接通的电阻。4.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述锁存电路包括过滤所述栅极电压的滤波器。5.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述缓冲电路包括低通滤波器。6.根据权利要求1所述的控制器，进一步包括:温度传感器，与所述IGBT热连接；以及温度锁存电路，输出温度信号，以配置所述栅极驱动器响应于所述温度信号流动从所述多个电流选择的电流。7.根据权利要求6所述的控制器，进一步包括与所述温度传感器连接的温度缓冲电路。8.根据权利要求7所述的控制器，其中，所述温度缓冲电路包括低通滤波器。9.根据权利要求1所述的控制器，进一步包括:电机，具有转速，与所述第一发射极连接；以及转速锁存电路，响应于转速信号、所述缓冲信号以及高于阈值的栅极电压而输出所述转速信号，以配置所述栅极驱动器流动从所述多个电流中选择的电流。10.一种逆变器控制器，包括: IGBT，具有栅极、第一发射极和第二发射极，并且所述IGBT配置用于使流自所述第一发射极的镜像电流与流自所述第二发射极的负载电流成比例； 可变电流电压控制装置，连接至所述栅极；以及 至少一个控制器，配置用于基于所述镜像电流而改变流自所述可变电流电压控制装置的电流。
【专利摘要】本发明公开了一种用于车辆牵引逆变器的动态IGBT栅极驱动。混合动力电动车辆包括牵引电池、牵引马达和其间的功率逆变器。功率逆变器将牵引电池的DC电源转换为驱动牵引马达的每个相位的AC电源。功率逆变器包括调整至牵引马达的功率的绝缘栅双极晶体管(IGBT)。调整IGBT的速度影响包括功率损失、电压过冲和电流过冲的系统性能。使用双发射极IGBT提供驱动电流的电流镜像，可以使用具有栅极驱动电路的电路使得栅极驱动速度可基于包括温度和牵引马达转速的特征而动态改变。
【IPC分类】H02M7/5387, H02M1/08, H02P27/06
【公开号】CN105490510
【申请号】CN201510628261
【发明人】陈礼华, 曹东, 沙雷斯·斯坎特·柯扎雷卡尔, 沙赫拉姆·萨雷, 吴宏杰, 唐宇清
【申请人】福特全球技术公司
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年9月28日
【公告号】DE102015116690A1, US20160099665
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