电源开关装置的分段式温度补偿制造方法及图纸

一种电源开关电路，该电路为绝缘栅电源开关装置提供温度补偿。定时电路确定开关定时信号，该信号包括开关装置期望的开和关切换时间。温度监控器量化装置温度。栅极驱动分布曲线生成器生成根据开关定时信号并且具有dv/dt阶段和di/dt阶段的开关装置驱动信号。驱动信号在di/dt阶段期间具有响应于装置温度而调整的分布曲线，并且驱动信号在dv/dt阶段期间具有不响应于装置温度而调整的分布曲线。

Sectional temperature compensation for power switch device

A power switch circuit that provides temperature compensation for an insulated gate power switch device. The timing circuit determines the switching timing signal, which includes the open and off switching time expected by the switch device. The temperature monitor quantifies the temperature of the device. The grid driven distribution curve generator generates a switching device driver signal based on a switching timing signal and a dv/dt phase and a di/dt stage. The driving signal has a distribution curve which is adjusted in response to the device temperature during the di/dt stage, and the driving signal has a distribution curve which is not adjusted to the device temperature during the dv/dt stage.

【技术实现步骤摘要】
电源开关装置的分段式温度补偿
本专利技术大体涉及控制电源开关晶体管的开关瞬态，并且更具体地，涉及用于电动车辆中的一种类型的电源转换器的温度补偿栅极驱动信号。
技术介绍
诸如混合动力电动车辆(HEV)、插电式混合动力电动车辆(PHEV)和电池电动车辆(BEV)的电动车辆使用变频驱动电机以提供牵引扭矩。典型的电力驱动系统包括通过接触器开关连接到可变电压转换器(VVC)的DC(直流)电源(例如电池组或燃料电池)，以调节主DC链路电容器两端的主总线电压。逆变器连接在用于DC链路的主总线和牵引马达之间，以便将DC电源转换为连接到马达绕阻的AC(交流)电源以推进车辆。逆变器包括晶体管开关装置(例如绝缘栅双极晶体管，或IGBT)，该晶体管开关装置以包括多个相桥的桥配置连接。典型的配置包括由逆变器驱动的具有三相桥的三相马达。电子控制器打开和关闭开关，以便将DC电压从总线转换为施加到马达的AC电压。响应于包括电机的旋转位置和各相中的电流的各种感测条件来控制逆变器。用于马达的逆变器可以优选地脉冲宽度调制DC链路电压，以便传输正弦电流输出的近似值，从而以期望的速度和扭矩来驱动马达。施加脉冲宽度调制(PWM)控制信号以驱动IGBT的栅极，以便根据需要打开和关闭该栅极。在理想化的形式中，栅极驱动控制信号是在完全断开和完全导通(饱和)状态之间交替每个电源开关装置(例如，IGBT)的方波信号。在关闭和打开期间，装置需要时间来响应栅极驱动信号的变化。例如，在栅极驱动信号从关闭状态转变为打开状态之后，通过装置输出的传导在几微秒内从零电流转变为最大电流。诸如IGBT的功率半导体晶体管装置的最佳开关速度是在高应力之间的折衷，高应力可能以非常快的开关速度破坏装置并且降低效率，并且在较慢的开关速度下增加功率损耗。用于装置的驱动电路可以配置为用遵循至优化的开关速度的轨迹的时变控制信号激励晶体管的栅极端子。然而，随着晶体管的温度变化，开关速度也响应于包括内部栅极电阻、阈值电压和跨导的晶体管的某些参数而变化。通常，随着温度的升高，开关速度降低，所以开关损耗增加；随着温度的降低，电压和电流应力增加，所以可靠性降低。为了避免增加的应力和降低的效率，补偿温度引起的参数变化变的很有必要。用于选择最佳栅极控制信号轨迹或斜率(例如由栅极电阻或类似控制参数确定)的常规设计标准是在最低工作温度下发生的最坏情况下优化转换性能。因此，随着温度的升高，并且装置开关速度相应地降低，并且需要以趋向提高开关速度的方式调整控制参数。通常通过栅极驱动信号与温度增加成比例地增加提供给栅极的电流的幅度和/或斜率来增加开关速度。例如，可以通过使用用于栅极驱动器的可控电流源来直接改变栅极电流，或者可以通过增加栅极电压或降低栅极电阻间接地操纵栅极电流。参数已经被1)使用基于测量温度的闭环控制系统进行调整，以及2)例如通过结合连接到栅极的负温度系数(NTC)电阻来自动地进行调整。然而，已经发现，不是开关瞬态的所有方面都需要通过受控电流源的温度变化来调整。因此，除了现有技术中使用的栅极驱动信号的全面修改之外，甚至可以进行更好的优化。
技术实现思路
本专利技术认识到，开关瞬态包括两个分开的部分：dv/dt部分和di/dt部分。如果栅极由恒流源驱动，则dv/dt部分几乎不随温度变化，因为结电容不是温度的强函数。由于阈值电压和跨导值的变化，di/dt部分随温度变化更强烈。现有技术不分别处理di/dt和dv/dt部分。因此，当调整不同温度下的栅极电源电压、栅极电流或栅极电阻时，改变di/dt或dv/dt之一可以调整为最佳，而di/dt或dv/dt中的另一个不能同时达到最佳。本专利技术分别控制di/dt和dv/dt部分，使得每个都可以被优化。在本专利技术的一个方面，电源开关电路设置有绝缘栅电源开关装置。定时电路确定开关定时信号，该信号包括开关装置期望的开和关的转换时间。温度监控器量化装置温度。栅极驱动分布曲线生成器(gatedriveprofilegenerator)根据开关定时信号产生开关装置驱动信号并且具有dv/dt阶段和di/dt阶段。驱动信号在di/dt阶段期间具有响应于装置温度而调整的分布曲线，并且该驱动信号在dv/dt阶段期间具有不响应于装置温度而调整的分布曲线。分布曲线生成器优选地由受控电流源组成。根据本专利技术，提供一种电源开关电路，包括：绝缘栅电源开关装置；定时电路，定时电路确定包括开关装置期望的开和关切换时间的开关定时信号；量化装置温度的温度监控器；和栅极驱动分布曲线生成器，栅极驱动分布曲线生成器产生根据开关定时信号并且具有dv/dt阶段和di/dt阶段的开关装置驱动信号，其中驱动信号在di/dt阶段期间具有响应于装置温度而调整的分布曲线，并且其中驱动信号在dv/dt阶段期间具有不响应于装置温度而调整的分布曲线。在本专利技术的一个实施例中，栅极驱动分布曲线生成器是受控电流源。在本专利技术的一个实施例中，驱动信号是经修改的方波，其中在di/dt阶段期间的分布曲线配置为通过开关装置保持预定瞬态电流。在本专利技术的一个实施例中，预定瞬态电流具有恒定的斜率。在本专利技术的一个实施例中，在di/dt阶段期间的分布曲线由提供给开关装置的栅极的变化的电流组成。在本专利技术的一个实施例中，通过调整驱动信号的电压来控制变化的电流。在本专利技术的一个实施例中，当开关装置导通时，在di/dt阶段期间的栅极驱动信号的电压Vge符合以下公式：其中Vth是在装置温度下开关装置的阈值电压，a是限定预定瞬态电流的时间函数的常数，以及K是在装置温度下开关装置的跨导。在本专利技术的一个实施例中，当断开开关装置时，在di/dt阶段期间的栅极驱动信号的电压Vge符合以下公式：其中Vth是在装置温度下开关装置的阈值电压，Iss是标称的导通电流，a是限定预定瞬态电流的时间函数的常数，以及K是在装置温度下开关装置的跨导。在本专利技术的一个实施例中，开关装置连接在逆变器桥中，并且其中开关定时信号由脉冲宽度调制(PWM)控制信号组成。在本专利技术的一个实施例中，驱动信号是经修改的方波，其中在dv/dt阶段期间的分布曲线配置为在开关装置两端保持预定瞬态电压。在本专利技术的一个实施例中，预定瞬态电压符合以下公式：其中vcg是结电压，ig是栅极电流，以及Ccg是集电极栅极结电容。附图说明图1是示出了根据本专利技术的一个实施例的电动车辆的动力传动系统的示意框图；图2A、2B和2C是与导通晶体管装置有关的波形图；图3A、3B和3C是与断开晶体管装置有关的波形图；图4A和4B分别是示出了晶体管装置的断开和导通性能的温度变化的波形图；图5是示出了晶体管和驱动电路的电路图；图6是示出了具有自补偿NTC栅极电阻的现有技术的晶体管装置的示图；图7是示出了导通晶体管装置期间的开关瞬态的dv/dt和di/dt阶段的图；图8是示出了断开晶体管装置期间的开关瞬态的dv/dt和di/dt阶段的图；图9是示出了本专利技术的栅极驱动器的一个实施例的框图；图10是示出了在di/dt阶段期间导通的晶体管的瞬态输出电流的一个优选示例的图；图11是示出了在di/dt阶段期间断开的晶体管的瞬态输出电流的一个优选示例的图；图12是示出了在装置导通的di/dt阶段期间期望的集电极电流瞬态的恒定斜率的代表性示例的图；图13是示出了计算的电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电源转换器，包括：DC链路，所述DC链路配置为接收DC电源电压；相桥，所述相桥包括连接在所述DC链路两端的一对开关装置，其中在所述开关装置之间的结点配置为连接到负载；测量所述开关装置的温度的温度传感器；和PWM定时电路，所述PWM定时电路确定包括所述开关装置期望的开和关切换时间的开关定时信号；栅极驱动分布曲线生成器，所述栅极驱动分布曲线生成器根据所述开关定时信号产生开关装置驱动信号，其中所述驱动信号中的转变具有dv/dt阶段和di/dt阶段，其中所述驱动信号的所述di/dt阶段具有响应于所述装置温度而调整的分布曲线，并且其中所述驱动信号的所述dv/dt阶段具有不响应于所述装置温度而调整的分布曲线。

【技术特征摘要】
2016.09.13 US 15/263,6911.一种电源转换器，包括：DC链路，所述DC链路配置为接收DC电源电压；相桥，所述相桥包括连接在所述DC链路两端的一对开关装置，其中在所述开关装置之间的结点配置为连接到负载；测量所述开关装置的温度的温度传感器；和PWM定时电路，所述PWM定时电路确定包括所述开关装置期望的开和关切换时间的开关定时信号；栅极驱动分布曲线生成器，所述栅极驱动分布曲线生成器根据所述开关定时信号产生开关装置驱动信号，其中所述驱动信号中的转变具有dv/dt阶段和di/dt阶段，其中所述驱动信号的所述di/dt阶段具有响应于所述装置温度而调整的分布曲线，并且其中所述驱动信号的所述dv/dt阶段具有不响应于所述装置温度而调整的分布曲线。2.根据权利要求1所述的电源转换器，其中所述栅极驱动分布曲线生成器是受控电流源。3.根据权利要求1所述的电源转换器，其中所述驱动信号是经修改的方波，其中在所述di/dt阶段期间的所述分布曲线配置为通过所述开关装置保持预定瞬态电流。4.根据权利要求1所述的电源转换器，其中在所述di/dt阶段期间的所述分布曲线由提供给所述开关装置的栅极的变化的电流组成。5.根据权利要求1所述的电源转换器，其中所述变化的电流是通过调整所述驱动信号的电压来控制，并且其中当所述开关装置之一导通时，在所述di/dt阶段期间的所述栅极驱动信号的电压Vge符合以下公式：其中Vth是在所述装置温度下所述开关装置的阈值电压，a是限定预定瞬态电流的时间函数，以及K是在所述装置温度下所述开关装置的跨导。6.根据权利要求1所述的电源转换器，其中所述变化...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆樨，陈清麒，迈克尔·W·德格尼尔，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