利用有源截止来降低开关损耗的IGBT栅极驱动制造技术

本公开涉及利用有源截止来降低开关损耗的IGBT栅极驱动。一种车辆动力传动系统包括：IGBT，具有开尔文发射极和镜像电流感测，并且被配置为激励电感；第一开关，被配置为：当所述电感的电流超过阈值时，以基于通过第一开关接入的电阻的速率从IGBT的栅极汲取电流；第二开关，被配置为：响应于所述电感的电流小于所述阈值，增大所述速率。在一个实施例中，所述电感的电流是基于当开尔文发射极连接到底盘地时连接在镜像电流感测与底盘地之间的电阻器两端的滤波后的电压的。在另一实施例中，所述电感的电流是基于连接在镜像电流感测与开尔文发射极之间的电阻器两端的滤波后的电压的。

【技术实现步骤摘要】
利用有源截止来降低开关损耗的IGBT栅极驱动
本申请总体上涉及用于降低开关损耗的在器件截止期间混合动力电动动力传动系统中的IGBT栅极上的电压的控制和系统。
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。电机(可包括牵引马达)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：IGBT，具有开尔文发射极和镜像电流感测，并且被配置为激励电感；第一开关，被配置为：当所述电感的电流超过阈值时，以基于通过第一开关接入的电阻的速率从IGBT的栅极汲取电流；第二开关，被配置为：响应于所述电感的电流小于所述阈值，增大所述速率。一种通过栅极驱动器使车辆动力系统的IGBT截止的方法包括：响应于由IGBT驱动的电机的相电流小于阈值，以基于与闭合开关相关联的电阻的速率从IGBT的栅极提取电流；响应于所述相电流超过所述阈值，断开所述开关以减小所述速率。一种车辆动力传动系统包括：IGBT，具有开尔文发射极，并且被配置为激励电感；第一开关，被配置为：以基于通过第一开关接入的电阻的速率从IGBT的栅极汲取电流；第二开关，被配置为：响应于所述电感的电流变化率超过阈值变化率，增大所述速率。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可变电压转换器和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是车辆的电机逆变器的示意图。图4是利用IGBT的镜像电流来控制截止期间的IGBT的有源栅极驱动电路的示意图。图5是利用IGBT的镜像电流和负载电压来控制截止期间的IGBT的有源栅极驱动电路的示意图。图6是IGBT操作特性相对于时间的图形表示。图7A是基于IGBT来控制截止期间的IGBT的有源栅极驱动电路的示意图。图7B是利用IGBT的镜像电流和负载电压来控制截止期间的IGBT的有源栅极驱动电路的示意图。图8是IGBT操作特性相对于时间的图形表示。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。绝缘栅双极型晶体管(IGBT)和续流二极管在多种工业应用(诸如，电动马达驱动和电力逆变器)中被广泛使用。由栅极驱动器供应的栅极电压控制IGBT的操作。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，所述栅极驱动器可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较高的负荷(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。当使IGBT截止时，大的栅极电阻器减小了从栅极流出的电流并因此增大了IGBT的截止时间。与用于IGBT导通和截止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控制有限，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，以避免过度的IGBT电压过冲。然而，在低di/dt下，由于使用被选择用于保护最坏情况的高di/dt的栅极电阻导致过多的开关损耗，因此在低di/dt操作期间，可通过减小栅极电阻而提高开关速度以减小截止时间。这里，基于从固态开关流向电感负载(诸如，电机的相或DC-DC转换器电感器)的电流来调节固态开关(诸如，IGBT或金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或双极结型晶体管(BJT))的截止。在常规的栅极驱动系统中，用于IGBT截止的栅极驱动通常是从导通电压(诸如，15V)到截止电压(诸如，0V)的阶跃函数。低栅极电阻Rg将引起快速的开关速度和低开关损耗，但是还可能在半导体器件上产生较高的负荷(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。通常，使用分离的栅极电阻来限制IGBT的导通和截止期间的电流。分离的栅极电阻可包括被用于使IGBT导通的栅极电阻Ron和被用于使IGBT截止的栅极电阻Roff。通常，常规的栅极驱动系统不能单独地控制开关延迟时间、电流斜率和电压斜率以优化开关轨迹。在从IGBT的栅极汲取电流的IGBT截止期间，电流相对于时间的变化(di/dt)可由电源电路回路中的电感泄漏而在IGBT上产生浪涌电压。当设计截止栅极电阻Roff时，Roff的值被选择使得浪涌电压与DC链路电压的和在任何电流水平下都不超过IGBT的额定电压。通常在较高电流水平下，浪涌电压较高。因此，通常基于作为最大负载电流的最高的可能的截止电流水平下的浪涌电压来选择Roff的值。然而，在大多数应用中，逆变器/转换器主要工作在远低于最大负载电流的电流水平下。因此，牺牲掉了逆变器/转换器在大多数操作点处的效率。这里，公开了一种在小于IGBT的最大负载电流水平的IGBT电流水平下的快速截止。图1描绘了可被称作插电式混合动力电动车辆(PHEV)的电气化车辆112。插电式混合动力电动车辆112可包括机械地连接至混合动力传动装置116的一个或更多个电机114。电机114能够作为马达或发电机运转。此外，混合动力传动装置116机械地连接至发动机118。混合动力传动装置116还机械地连接至驱动轴120，驱动轴120机械地连接至车轮122。电机114可在发动机118启动或关闭时提供推进和减速能力。电机114还可用作发电机，并且能够通过回收在摩擦制动系统中通常将作为热损失掉的能量来提供燃料经济性效益。电机114还可通过允许发动机118以更高效的转速运转，并允许混合动力电动车辆112在特定状况下以发动机118关闭的电动模式运转，而减少车辆排放。电气化车辆112还可以是电池电动车辆(BEV)。在BEV配置中，可以不存在发动机118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：IGBT，具有开尔文发射极和镜像电流感测，并且被配置为激励电感；第一开关，被配置为：当所述电感的电流超过阈值时，以基于通过第一开关接入的电阻的速率从IGBT的栅极汲取电流；第二开关，被配置为：响应于所述电感的电流小于所述阈值，增大所述速率。

【技术特征摘要】
2016.08.01 US 15/224,7131.一种车辆动力传动系统，包括：IGBT，具有开尔文发射极和镜像电流感测，并且被配置为激励电感；第一开关，被配置为：当所述电感的电流超过阈值时，以基于通过第一开关接入的电阻的速率从IGBT的栅极汲取电流；第二开关，被配置为：响应于所述电感的电流小于所述阈值，增大所述速率。2.如权利要求1所述的车辆动力传动系统，其中，所述电感的电流是基于当开尔文发射极连接到底盘地时连接在镜像电流感测与底盘地之间的电阻器两端的滤波后的电压的。3.如权利要求1所述的车辆动力传动系统，其中，所述电感的电流是基于连接在镜像电流感测与开尔文发射极之间的电阻器两端的滤波后的电压的。4.如权利要求1所述的车辆动力传动系统，其中，所述阈值小于IGBT的短路保护阈值。5.如权利要求1所述的车辆动力传动系统，其中，所述电感是电机的相绕组。6.如权利要求1所述的车辆动力传动系统，其中，所述电感是DC-DC转换器的电感器。7.如权利要求1所述的车辆动力传动系统，其中，第一开关与第二开关是双极结型晶体管。8.如权利要求1所述的车辆动力传动系统，其中，第一开关是金属氧化物半导体场效应晶体管。9.一种使车辆动力系统的IGBT截止的方法，包括：响应于由IGBT驱动的电机的相电流小于阈值，由栅极驱动器以基于与闭合开关相关联的电阻的速率从IGBT的栅极提取电流；响应于所述相电流超过所述阈值，断开所述开关以减小所述速率。10.如权利要求9所述的方法，其中，超过所述阈值的所述相电流是基于连接在I...

【专利技术属性】
技术研发人员：周彦，陈礼华，杨水涛，徐帆，
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