具有短路保护的栅极驱动器制造技术

技术编号:17783457 阅读:36 留言:0更新日期:2018-04-22 14:21
一种车辆,包括被配置为向车辆提供推进力的电机,以及被配置为使用配置为半桥的第一和第二开关从牵引电池向电机供电的电力逆变器,其中第一开关被栅极驱动器控制。栅极驱动器被配置为:在负载电流超过阈值达到由掩码定时器定义的时间段时以软关断模式操作;当负载电流低于阈值时以快速关断模式操作;并且响应于在负载电流超过阈值之后在掩码定时器期满之前接收到关断请求,启用软关断模式。

【技术实现步骤摘要】
具有短路保护的栅极驱动器
本申请总体涉及用于固态开关的栅极驱动器,其中来自开关的反馈用于检测并提供开关的短路保护。
技术介绍
包括混合动力车辆(HEV)和电池电动车辆(BEV)的电动车辆依靠牵引电池向牵引马达提供用于推进的电力,并且依靠其间的功率逆变器以将直流(DC)功率转换为交流(AC)功率。典型的AC牵引马达是三相马达,其可由3个正弦信号供电,每个信号以120度相分离驱动。牵引电池被配置为在特定电压范围内操作并提供最大电流。牵引电池可选地被称为高压电池,其中典型的牵引电池的端电压超过100伏DC。然而,通过在不同的电压范围内操作,通常在大于牵引电池端电压的电压下,可以实现电机的改进的性能。同样地,驱动车辆电机的电流要求通常涉及大电流,其中在操作中电流可能超过600安培。高电流和电压对电机电感的影响可能导致在开关打开并且能量存储在电机电感器的场中时在开关两端的电压尖峰。此外,许多电动车辆包括也被称为可变电压转换器(VVC)的DC-DC转换器,以将牵引电池的电压转换为电机的操作电压电平。可能包括牵引马达的电机可能需要高电压和高电流。由于电压、电流和开关要求,通常使用诸如绝缘栅双极结型晶体管(IGBT)的固态开关来产生功率逆变器和VVC中的信号。同样,DC-DC转换器或VVC具有电感器,当开关打开并且能量存储在转换器的电感器的场中时,电感器可能导致开关两端的电压尖峰。
技术实现思路
一种功率模块,包括配置成驱动负载的第一开关和第一栅极驱动器。第一栅极驱动器被配置为:当负载电流小于阈值时输出快速关断信号;当电流超过阈值达到由掩码定时器定义的时间段时,锁存软关断信号;并且响应于当电流超过阈值时在掩码定时器期满之前接收到的关断请求,抑制快速关断信号达到大于该时间段的持续时间。一种控制IGBT的方法,包括:当负载电流小于阈值时输出快速关断信号;当负载电流超过阈值达到由掩码定时器定义的时间段时,锁存软关断信号;并且响应于当负载电流超过阈值时在掩码定时器期满之前接收到的关断请求,抑制快速关断信号达到大于该时间段的持续时间。一种车辆,包括被配置为向车辆提供推进力的电机以及配置成使用配置为半桥的第一和第二开关从牵引电池向电机供电的功率逆变器,其中第一开关被栅极驱动器控制。栅极驱动器被配置为:在负载电流超过阈值时以软关断模式操作达到由掩码定时器定义的时间段;当负载电流低于阈值时,栅极驱动器以快速关断模式操作;并且响应于在负载电流超过阈值之后在掩码定时器期满之前接收到的关断请求,启用软关断模式。附图说明图1是示出了典型的传动系和能量存储部件的混合动力车辆的示意图,典型的传动系和能量存储部件之间具有可变电压转换器和功率逆变器;图2是车辆可变电压转换器的示意图;图3是车辆电机逆变器的示意图;图4A是随着时间施加到开关的栅极的电压的图示说明;图4B是随着时间由开关驱动的负载电流的图示说明;图5是用于两个IGBT的双栅极驱动电路的示意图,其包括通过具有跨死区时间延迟的软关断的短路保护;图6是用于IGBT的栅极驱动电路的示意图,其具有通过软关断的短路保护;图7是用于两个IGBT的双栅极驱动电路的示意图,其包括使用原始电流反馈的短路保护,以启用具有跨死区时间延迟的软关断。具体实施方式本文描述了本公开的实施例。然而,应当理解,所公开的实施例仅仅是示例,并且其他实施例可以采取各种和替代形式。图形不一定按比例;某些特征可能被夸大或最小化,以显示特定部件的细节。因此,本文公开的特定结构和功能细节不应被解释为限制性的,而仅仅是用于教导本领域技术人员多样地应用本专利技术的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解的,参考附图中任一图示出和描述的各种特征可以与一个或多个其他图中示出的特征组合以产生未明确示出或描述的实施例。所示特征的组合提供典型应用的代表性实施例。然而,对于特定应用或实施方式,可能期望与本公开的教导一致的特征的各种组合和修改。诸如绝缘栅双极结型晶体管(IGBT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或双极结型晶体管(BJT)的固态器件(SSD)广泛用于各种汽车和工业应用中,例如电动马达驱动器、功率逆变器、DC-DC转换器和功率模块。IGBT和MOSFET的操作是电压控制的,其中操作基于施加到IGBT或MOSFET的栅极的电压,而BJT的操作是电流控制的,其中操作基于施加到BJT的基极的电流。这里将讨论IGBT的使用,但其结构和方法也适用于其他SSD。IGBT的操作由栅极驱动器提供的栅极电压控制。常规栅极驱动器通常基于通过限流电阻器施加到IGBT栅极的超出阈值电压的电压,该限流电阻器通常由可切换电压源和栅极电阻器组成。低栅极电阻将导致快速的开关速度和低开关损耗,但也可能导致半导体器件上的较高应力,例如过压应力。因此,选择栅极电阻以寻求开关损耗、开关延迟和应力之间的折中。当关断IGBT时,栅极电阻器减小了从栅极流出的电流,从而增加了IGBT的关断时间。此外,栅极驱动器可以使用不同的导通和关断栅极电阻器来单独控制导通和关断开关速度。关于开关损耗考虑的另一个因素是当部件处于故障状态时切断部件,例如在短路状态期间。控制或驱动混合动力车辆或电动车辆中的牵引逆变器的开关(例如IGBT)的栅极驱动器通常包括用于保护开关的短路(SC)保护功能。通常,栅极驱动器芯片接收输入栅极信号并相应地导通/关断IGBT。在正常操作条件下,通过向开关的控制栅极输出信号来实现导通和关断。例如,“on(开)”输出可以使电流流过导通电阻(Ron),而“off(关)”输出可以使电流流过断开电阻(Roff)。当出现短路状态时,可能会触发SC保护。SC保护可以包括可以使电流流过软关断电阻(Rsoft)的“软”输出。该软关断电阻减小了从栅极流出的电流,从而增加了IGBT的过渡时间。过渡时间的增加被认为是软关断开关。通常,Rsoft比典型的Roff具有更大的电阻,从而减小了开关器件两端的任何冲击电压。通过减小开关两端的冲击电压,当电流非常高时,栅极驱动器可以保护IGBT免受电压击穿。此外,栅极驱动器可以向系统报告SC故障,并且可以应用某些系统级保护策略。图1描绘了可以被称为插电式混合动力车辆(PHEV)的电动车辆112。插电式混合动力车辆112可以包括机械地连接到混合动力变速器116的一个或多个电机114。电机114可以作为马达或发电机操作。此外,混合动力变速器116机械地连接到发动机118。混合动力变速器116也机械地连接到被机械地连接到车轮122的驱动轴120。当发动机118开启或关断时,电机114可以提供推进和减速能力。电机114还可以用作发电机,并且通过回收通常在摩擦制动系统中作为热量而损失的能量来提供燃料经济性的好处。电机114还可以通过允许发动机118以更有效的速度运转并且允许混合动力车辆112在特定条件下关闭发动机118的情况下以电动模式操作来减少车辆排放。电动车辆112也可以是电池电动车辆(BEV)。在BEV配置中,发动机118可以不存在。在其他配置中,电动车辆112可以是没有插电能力的全混合动力车辆(FHEV)。牵引电池或电池组124存储可以由电机114使用的能量。车辆电池组124可以提供高压直流(DC)输出。牵引电池124可以电连接到一个或多个电力电子本文档来自技高网...
具有短路保护的栅极驱动器

【技术保护点】
一种功率模块,包括:被配置为驱动负载的第一开关;以及被配置为执行以下操作的第一栅极驱动器:当所述负载电流小于阈值时,输出快速关断信号,当所述电流超过所述阈值达到由掩码定时器定义的时间段时,锁存软关断信号,以及响应于在所述电流超过所述阈值时在所述掩码定时器期满之前接收到关断请求,则抑制所述快速关断信号达到大于所述时间段的持续时间。

【技术特征摘要】
2016.10.12 US 15/291,3121.一种功率模块,包括:被配置为驱动负载的第一开关;以及被配置为执行以下操作的第一栅极驱动器:当所述负载电流小于阈值时,输出快速关断信号,当所述电流超过所述阈值达到由掩码定时器定义的时间段时,锁存软关断信号,以及响应于在所述电流超过所述阈值时在所述掩码定时器期满之前接收到关断请求,则抑制所述快速关断信号达到大于所述时间段的持续时间。2.根据权利要求1所述的功率模块,还包括第二开关和与所述第二开关连接的第二栅极驱动器,其中所述第一栅极驱动器还被配置为响应于所述电流超过所述阈值,将从所述第二栅极驱动器到所述第二开关的导通请求延迟死区时间。3.根据权利要求2所述的功率模块,其中所述第一和第二开关被配置为半桥。4.根据权利要求3所述的功率模块,其中所述第一和第二开关是绝缘栅双极结型晶体管(IGBT)或金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。5.根据权利要求4所述的功率模块,其中所述时间段是包括测量所述电流的时间的短路保护延迟。6.根据权利要求5所述的功率模块,其中所述时间是比较器的延迟时间,所述比较器连接在电阻器两端的电压和短路参考电压之间,所述电阻器连接在所述IGBT的感测发射极和开尔文发射极之间。7.根据权利要求4所述的功率模块,其中所述掩码定时器是电阻器两端的电压和短路参考电压的滤波器,所述电阻器连接在感测发射极和开尔文发射极之间。8.根据权利要求2所述的功率模块,其中所述功率模块是车辆的功率逆变器,并且所述第一和第二开关被配置为半桥,以用于使来自牵引电池的电流流向电机,所述电机被配置为向所述车辆提供推进力。9.根据权利要求2所述的功率模块,其中所述功率模块是车辆的DC-DC转换器,并且所述电流是从牵引电池流向电感器的电流,所述电感器被配置为将所述牵引电池的电压升高到被配置为向所述车辆提供推进力的电机的操作电压。10.一种控制IGBT的方法,包括:当负载电流小于阈值时,输出快速关断信号;当所述负载电流超过所述...

【专利技术属性】
技术研发人员:周彦杨水涛陈礼华徐帆默罕默德·胡尔希德·阿拉姆
申请(专利权)人:福特全球技术公司
类型:发明
国别省市:美国,US

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