利用温度补偿的截止的栅极驱动器制造技术

本发明专利技术涉及利用温度补偿的截止的栅极驱动器。一种车辆动力传动系统包括开关和栅极驱动器，所述开关被配置为将驱动电流提供至电机并且与二极管阵列连接。所述栅极驱动器可被配置为：响应于当在存在截止请求的情况下提供所述驱动电流时所述二极管阵列上的电压超过阈值，将电阻性开关的操作限制到线性区域，以使与所述电压成比例的所述驱动电流的变化率减小。

【技术实现步骤摘要】
利用温度补偿的截止的栅极驱动器
本申请总体上涉及一种用于固态开关的栅极驱动器，其中，来自固态开关的温度反馈被用于调节栅极电流以改变截止速率。
技术介绍
电气化车辆(包括混合动力电动车辆(HEV)、插电式混合动力电动车辆(PHEV)和电池电动车辆(BEV))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3相马达，3相马达可由3个正弦信号提供电力，所述3个正弦信号中的每个以120度的相位分离被驱动。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作高电压电池，其中，典型的牵引电池的端电压超过100伏特DC。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端电压。同样，用于驱动车辆电机的电流需求通常被称作高电流。由于通常驱动电感负载的高电压和高电流，因此，当开关将电感负载与电流源断开连接并且线圈中的场开始减弱时，可能经历反电动势(cemf或反emf)或瞬态电压峰值以保持电感器两端的电压不变。此外，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。可包括牵引马达的电机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，固态开关(诸如，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开关和栅极驱动器，所述开关被配置为将驱动电流提供至电机并且与二极管阵列连接。所述栅极驱动器可被配置为：响应于当在存在截止请求的情况下提供所述驱动电流时所述二极管阵列上的电压超过阈值，将电阻性开关的操作限制到线性区域，以使与所述电压成比例的所述驱动电流的变化率减小。一种控制车辆动力传动系统的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的方法包括：响应于当在存在针对所述IGBT的截止请求的情况下提供驱动电流时所述IGBT的二极管阵列上的电压超过阈值，将与所述IGBT的栅极电阻器并联电连接的电阻性器件的操作限制到线性区域，以减小所述驱动电流的变化率。一种车辆包括电力转换器和栅极驱动器，所述电力转换器包括功率开关。所述栅极驱动器可被配置为：响应于当在存在截止请求的情况下将电流提供至负载时与所述功率开关连接的二极管阵列上的电压下降到阈值以下，将电阻性器件从线性区域转换至饱和区域，以选择性地增大与所述电压成比例的所述电流的变化率。附图说明图1是示出典型的传动系和能量储存组件的混合动力车辆的示图，其中，在传动系与能量储存组件之间具有可变电压转换器和电力逆变器。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是固态开关的归一化击穿电压相对于固态开关的结温的图形示图。图5是具有温度补偿电路的栅极驱动电路的示意图。图6是与固态开关单片集成的二极管阵列上的电压相对于固态开关的结温的图形示图。图7A是具有温度补偿电路的栅极驱动电路的第一示意图。图7B是具有温度补偿电路的栅极驱动电路的第二示意图。图7C是具有温度补偿电路的栅极驱动电路的第三示意图。图8是IGBT的栅极电流、器件电压和器件电流相对于时间的图形示图。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。当考虑电动车辆(诸如，HEV、PHEV或BEV)时，操作状况可能在电动车辆的寿命期间变化很大。例如，在动力传动系统中操作的功率器件(诸如，转换器(包括DC-DC转换器或DC-AC转换器)中的晶体管)可在宽温度范围内操作，并且因此转换器中的功率器件可具有从极低温度(例如，-40℃)变化到非常高的温度(例如，150℃)的结温(Tj)。当操作电压变化时，由于功率器件的击穿电压(VB)是Tj的函数，因此VB也变化。这里，公开了一种电路来自动调节器件结温的变化以提供针对组件的反向电压击穿的增强保护。通常，室温为25℃，低温为低于室温的任何温度，而非常低的温度是低于0℃(即，水结冰的温度)的任何温度。通常，开关的击穿电压在室温(即，25℃)下被测量。IGBT的击穿可被规定为在栅极短接到发射极的情况下的从集电极到发射极的击穿电压(BVces)，同时限制与所述规定有关的状况。例如，当集电极电流为1mA并且Vge为0V时，所述规定可将击穿状况限制为25℃的温度。然而，在恶劣环境下使用期间，击穿电压BVces可能在-25℃下降额外的5％，并且可能在-50℃下降额外的7％。因此，车辆中的电气模块(诸如，DC-DC转换器或DC-AC转换器)可具有当Tj大于室温时低于击穿电压但是在低温时可超过击穿电压的电压峰值。电压峰值是基于栅极电流大小、通过开关的电流的变化率以及通过开关的电流的大小的。通常，开关的击穿电压是基于电路拓扑和制造工艺的。针对给定的电流容量，具有较高击穿电压的开关通常成本较高，并且在一些实例中，具有较高击穿电压的开关由于开关的材料限制而是不可用的。使用开关的电路设计者通常期望使开关的操作情况接近击穿电压而不超过击穿电压。因此，为了满足开关的要求和约束，系统通常被设计为在整个操作温度范围内使用最小击穿电压。然而，开关通常仅短时间在非常低或极低的温度(例如，-50℃、-40℃、-35℃、-25℃、-15℃或-5℃)下操作，之后组件升温(内部升温或者通过使用外部加热器升温)并且击穿电压增大。为了降低成本并提高效率，公开了这样的方法和系统，所述方法和系统基于开关温度来调节开关的栅极电流，以按比例调节在开关在低和非常低的温度下操作时的负载电流。通常，固态器件(SSD)(诸如，绝缘栅双极型晶体管(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))广泛用于各种车辆应用和工业应用(诸如，电动马达驱动、电力逆变器、DC-DC转换器和电力模块)。IGBT和MOSFET的操作是电压控制的，其中，所述IGBT和MOSFET的操作基于施加到IGBT或MOSFET的栅极的电压，而BJT的操作是电流控制的，其中，所述BJT的操作基于施加到BJT的基极的电流。在此将论述IGBT的使用，但是结构和方法可应用于其它的SSD(例如，绝缘栅SSD包括IGBT和MOSFET)。IGBT的操作由栅极驱动器提供的栅极电压控制。传统的栅极驱动器通常基于利用电流限制电阻器施加到IGBT的栅极的电压，该电压大于阈值电压，所述栅极驱动器一般由可切换的电压源和栅极电阻器构成。低的栅极电阻会引起开关速度快和开关损耗低，但是还可对半导体器件造成较高的负荷(stress)(例如，过电压负荷)。因此，栅极电阻被选择以寻求本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种车辆动力传动系统，包括：开关，被配置为将电流提供至电机，并且与二极管阵列连接；栅极驱动器，被配置为：响应于在存在截止请求的情况下二极管阵列上的电压超过阈值，将与开关栅极电阻器并联的电阻性器件的操作限制到饱和区域，以使与所述电压成比例的所述电流的变化率减小。

【技术特征摘要】
2016.12.01 US 15/366,2261.一种车辆动力传动系统，包括：开关，被配置为将电流提供至电机，并且与二极管阵列连接；栅极驱动器，被配置为：响应于在存在截止请求的情况下二极管阵列上的电压超过阈值，将与开关栅极电阻器并联的电阻性器件的操作限制到饱和区域，以使与所述电压成比例的所述电流的变化率减小。2.如权利要求1所述的车辆动力传动系统，其中，所述电流的变化率基于与所述开关的栅极串联的截止电阻器的电阻，并且所述电阻性器件与所述截止电阻器并联连接。3.如权利要求2所述的车辆动力传动系统，其中，所述电流的变化率还基于所述开关的预测的栅极电压。4.如权利要求2所述的车辆动力传动系统，其中，所述电阻性器件为金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或双极结型晶体管(BJT)。5.如权利要求2所述的车辆动力传动系统，其中，所述开关为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)。6.如权利要求1所述的车辆动力传动系统，其中，所述开关和二极管阵列是单片集成的。7.如权利要求1所述的车辆动力传动系统，其中，所述电阻性器件在所述栅极驱动器输出导通信号时被禁用。8.一种控制绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的方法，包括：响应于当在存在针对所述IGBT的截止请求的情况下提供驱动电流时所述IGBT的二极管阵列上的电压超过阈值，将与所述IGBT的栅极电阻器并联电连接的电阻性器件的操作限制到饱和区域，以减小所述驱动电流的变化率。9.如权利要求8所述的方法，其中，所述驱动电流的变化率与所述电压的变化率成比例。10.如权利要求9所述的方法，其中，所述驱动电流的变化率还基于所述IGBT的预测的栅极电...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐帆，杨水涛，周彦，陈礼华，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