用于降低开关损耗的双模式IGBT栅极驱动制造技术

本公开涉及一种用于降低开关损耗的双模式IGBT栅极驱动。一种车辆动力传动系统包括电机、逆变器和栅极驱动器，逆变器包括具有栅极的IGBT，栅极被配置为使电流流过电机的相。栅极驱动器被配置为：经由电压调节源对栅极供电，并且响应于IGBT的集电极电流超过流过电机的相的先前的稳定状态电流，转换到电流调节源以驱动栅极。栅极驱动器可被配置为将所述转换延迟预定时间，所述预定时间是基于先前的稳定状态电流与反向恢复峰值电流之间的差的。

Dual mode IGBT gate driver for reducing switching losses

The present disclosure relates to a dual mode IGBT gate driver for reducing switching losses. A vehicle power transmission system includes a motor, an inverter, and a gate driver. The inverter includes a IGBT with a gate, and the gate is configured to make the current flow through the motor. The gate driver is configured to supply power to the gate through the voltage regulator, and in response to the prior steady state current of the collector current of the IGBT exceeding the phase of the flow through the motor, the converter is converted to the current regulation source to drive the gate. The gate driver can be configured to convert the conversion delay to a predetermined time, based on the difference between the previous steady state current and the reverse recovery peak current.

【技术实现步骤摘要】
用于降低开关损耗的双模式IGBT栅极驱动
本申请总体上涉及对混合动力电动动力传动系统中的IGBT的栅极电流的控制，其中，栅极驱动是恒定电压以及之后的恒定电流。
技术介绍
电气化车辆(包括混合动力电动车辆(HEV)和电池电动车辆(BEV))依靠牵引电池向用于推进的牵引马达提供电力，并且依靠牵引电池和牵引马达之间的电力逆变器将直流(DC)电力转换为交流(AC)电力。典型的AC牵引马达是可由3个正弦信号提供电力的3相马达，所述3个正弦信号中的每个以120度的相位分离驱动。牵引电池被配置为在特定电压范围内操作。典型的牵引电池的端电压超过100伏特DC，并且可选地，牵引电池被称作高电压电池。然而，电机的改善的性能可通过在不同的电压范围内进行操作来实现，所述电压范围通常高于牵引电池的电压。很多电气化车辆包括DC-DC转换器(还被称作可变电压转换器(VVC))，以将牵引电池的电压转换为电机的操作电压水平。可使用电力逆变器将来自VVC的电压从DC转换到AC，以驱动电机。电机可包括牵引马达，牵引马达可能需要高电压和高电流。由于电压需求、电流需求和开关需求，绝缘栅双极型晶体管(IGBT)通常被用于产生电力逆变器和VVC中的信号。
技术实现思路
一种车辆动力传动系统包括电机、逆变器和栅极驱动器，逆变器包括具有栅极的IGBT，栅极被配置为使电流流过电机的相。栅极驱动器被配置为：经由电压调节源对栅极供电，并且响应于IGBT的集电极电流超过流过电机的相的先前的稳定状态电流，转换到电流调节源以驱动栅极。一种控制电力系统的IGBT的方法包括：由栅极驱动器执行以下处理：将来自电压调节源的处于一电压水平的电压施加到IGBT的栅极，响应于IGBT的集电极电流超过流过与IGBT连接的电机的相的电流，将来自电流调节源的处于一电流水平的电流施加到IGBT的栅极。根据本专利技术的一个实施例，所述方法还包括：将由电流调节源进行的电流的施加延迟预定量。根据本专利技术的一个实施例，所述预定量是基于先前的稳定状态电流与反向恢复峰值电流之间的差的。根据本专利技术的一个实施例，所述预定量是基于先前的稳定状态电流的平均值与反向恢复峰值电流之间的差的。一种车辆动力传动系统的DC-DC转换器包括电感器、IGBT和栅极驱动器，IGBT具有被配置为使电流流过电感器的栅极。栅极驱动器被配置为：经由电压调节源对栅极供电，并且响应于IGBT的集电极电流达到先前记录的电感器的稳定状态电流，转换到电流调节源以驱动栅极。根据本专利技术的一个实施例，转换到电流调节源以驱动栅极是自IGBT的集电极电流超过先前记录的稳定状态电流的时间点的预定延迟，其中，所述预定延迟是基于先前记录的稳定状态电流与反向恢复峰值电流之间的差的。根据本专利技术的一个实施例，由电压调节源供应的电力处于超过IGBT的阈值电压的电压水平。根据本专利技术的一个实施例，由电流调节源供应的电力处于大于由电压调节源供应的电流量的电流水平。根据本专利技术的一个实施例，栅极驱动器还包括电流调节源阻抗和电压调节源阻抗，其中，电流调节源阻抗小于电压调节源阻抗。根据本专利技术的一个实施例，栅极驱动器还被配置为：响应于栅极的电荷水平达到IGBT的密勒平台(Millerplateau)，转换到电流调节源以驱动栅极。根据本专利技术的一个实施例，IGBT包括第一发射极和第二发射极，并且集电极电流是基于来自所述第一发射极的发射极电流的。附图说明图1是示出典型的动力传动系统和能量储存组件以及在动力传动系统和能量储存组件之间的电力逆变器的混合动力车辆的示图。图2是车辆的可变电压转换器的示意图。图3是车辆的电动马达逆变器的示意图。图4是栅极电流相对于时间的图形表示。图5是集电极电流(Ic)和集电极到发射极之间的电压(Vce)相对于导通时间的图形表示。图6是用于驱动车辆动力传动系统逆变器中的IGBT的栅极的方法的流程图。图7是IGBT栅极驱动电路的示意图。图8是集电极电流(Ic)、集电极到发射极之间的电压(Vce)以及能量损耗(Eon)相对于导通时间的图形表示。具体实施方式在此描述本公开的实施例。然而，应理解的是，所公开的实施例仅为示例，并且其它实施例可采用各种和替代形式。附图不必按比例绘制；可夸大或最小化一些特征以示出特定组件的细节。因此，在此公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制，而仅仅作为用于教导本领域技术人员以多种形式利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是，参考任一附图示出和描述的各种特征可与在一个或更多个其它附图中示出的特征组合，以产生未明确示出或描述的实施例。示出的特征的组合提供用于典型应用的代表实施例。然而，与本公开的教导一致的特征的各种组合和变型可被期望用于特定的应用或实施方式。诸如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的半导体器件和反激二极管或续流二极管在多种电力系统(包括但不限于消费者、医疗和工业应用(诸如，电动马达驱动和电力逆变器))中被广泛使用。这里，IGBT的栅极控制被示出；然而，构思和架构也可应用于MOSFET。IGBT的操作受由栅极驱动器供应的栅极电压控制。常规的栅极驱动器通常是基于被施加到具有限流电阻器的IGBT栅极上的大于阈值电压的电压的，所述栅极驱动器由可开关电压源和栅极电阻器组成。低栅极电阻会导致快速的开关速度和低开关损耗，但是也会在半导体器件上产生更高的负荷(stress)(例如，过电压负荷)。因此，选择栅极电阻以寻求开关损耗、开关延迟和负荷之间的折衷。与用于IGBT导通的常规的栅极驱动器关联的一些缺点包括：对开关延迟时间、电流斜率和电压斜率的有限的控制，使得优化开关损耗受到限制。另一缺点是：栅极电阻通常基于最差情况的操作状况被选择，因此在正常操作状况下引入了过多的开关损耗。例如，在高DC总线电压下，栅极电阻基于电流相对于时间的变化(di/dt)被选择，以避免在负载的二极管反激期间过度的二极管电压过冲。然而，在低DC总线电压下，由于尽管二极管过电压低于阈值但是开关速度因栅极电阻而降低，因此使用被选择用于保护高总线电压的栅极电阻引入了过多的开关损耗。传统的电压源栅极驱动器的另一缺点是：电压斜率(dv/dt)随着导通瞬间的操作状况而改变，例如，电压斜率随着马达相电流增大而减小。因此，开关损耗由于更大的电流以及减小的电压斜率而增加。因此，导通损耗可相对于马达相电流以比线性增加更快的方式增加。然而，电流源栅极驱动器不呈现这些限制。当栅极电流被控制为使得栅极电流基本上保持恒定时(其中，ig＝Ccg*dv/dt)，dv/dt仅与栅极电流ig和密勒电容Ccg有关并且将在很多不同操作状况下恒定。此外，传统的电流源栅极驱动器的限制是电流斜率(di/dt)随着马达相电流增大而线性增大，这导致IGBT的集电极电流基于di/dt的积分而指数式增大。这样可能产生高反向恢复电流峰值，高反向恢复电流峰值可能导致二极管阶跃区域内的高di/dt，并且导致二极管电压的高电压过冲。然而，由于预定栅极电压可被选择使得di/dt导致装置饱和，所以电压源栅极驱动器不具有该限制。智能栅极驱动策略对于在整个开关轨迹和很多操作范围上获得最优开关性能来说是至关重要的。这里，提出了具有针对IGBT导通的操作状况(例如，电压、负载电流、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种车辆动力传动系统，包括：电机；逆变器，包括具有栅极的IGBT，栅极被配置为使电流流过电机的相；栅极驱动器，被配置为：经由电压调节源对栅极供电，并且响应于IGBT的集电极电流超过流过电机的相的先前的稳定状态电流，转换到电流调节源以驱动栅极。

【技术特征摘要】
2016.05.11 US 15/151,9441.一种车辆动力传动系统，包括：电机；逆变器，包括具有栅极的IGBT，栅极被配置为使电流流过电机的相；栅极驱动器，被配置为：经由电压调节源对栅极供电，并且响应于IGBT的集电极电流超过流过电机的相的先前的稳定状态电流，转换到电流调节源以驱动栅极。2.如权利要求1所述的车辆动力传动系统，其中，栅极驱动器还被配置为：将所述转换延迟预定时间。3.如权利要求2所述的车辆动力传动系统，其中，所述预定时间是基于先前的稳定状态电流与反向恢复峰值电流之间的差的平均值的。4.如权利要求1所述的车辆动力传动系统，其中，由电压调节源供应的电力处于大于IGBT的阈值电压的电压水平。5.如权利要求1所述的车辆动力传动系统，其中，由电流调节源供应的电力在密勒平台区域内的操作期间处于大于由电压调节源供应的电流量的电流水平。6.如权利要求1所述的车辆动力传动系统，其中，栅极驱动器还包括电流...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆樨，陈清麒，徐竹娴，邹轲，
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