用于功率调制装置的主动式电压平衡制造方法及图纸

提供一种包括功率调制装置和主动式电压平衡系统的系统。功率调制装置包括串联的第一半导体开关和第二半导体开关。主动式电压平衡系统包括被配置为检测第一半导体开关与第二半导体开关之间的电压差的差分电压逻辑和被配置为检测第一半导体开关和第二半导体开关何时被切换之间的时间差的边沿捕获逻辑。该主动式电压平衡系统还包括微控制器，该微控制器被配置为输出第一栅极驱动信号和第二栅极驱动信号以驱动第一半导体开关和第二半导体开关。微控制器被配置为基于电压差调谐第一栅极驱动信号和第二栅极驱动信号，以补偿电压不平衡，并且基于时间差调谐第一栅极驱动信号和第二栅极驱动信号，以补偿驱动信号不对称性，从而主动地平衡第一半导体开关与第二半导体开关之间的电压。关之间的电压。

【技术实现步骤摘要】
用于功率调制装置的主动式电压平衡


[0001]本公开内容总体上涉及功率调制装置，并且更具体地涉及主动地平衡在功率调制装置中串联连接的多个半导体开关上的电压分布。

技术介绍

[0002]在各种应用中，功率调制装置被用在具有用于驱动大电气负载的相对高电压和高功率能力的电驱动系统中。在这种电驱动系统的功率调制装置中通常采用的半导体开关的电压极限不够高，不足以单独支持对大电气负载的高电压要求。这样，多个半导体开关可以串联连接，使得每个半导体开关共享高电压要求的一部分。然而，由于制造、电路设计和/或环境影响导致的单个半导体开关的物理参数的变化，在串联连接的半导体开关之间可能出现电压不平衡。这种电压不平衡可能导致半导体开关加速退化和性能降低。

技术实现思路

[0003]为了解决上述问题，根据本公开的一个方面，提供了一种包括功率调制装置和主动式电压平衡系统的系统。功率调制装置包括串联的第一半导体开关和第二半导体开关。该主动式电压平衡系统包括被配置为检测第一半导体开关与第二半导体开关之间的电压差的差分电压逻辑以及被配置为检测第一半导体开关和第二半导体开关何时被切换之间的时间差的边沿捕获逻辑。该主动式电压平衡系统还包括微控制器，该微控制器被配置为输出第一栅极驱动信号和第二栅极驱动信号以驱动第一半导体开关和第二半导体开关。微控制器被配置为基于电压差调谐第一栅极驱动信号和第二栅极驱动信号以补偿电压不平衡，并且基于时间差调谐第一栅极驱动信号和第二栅极驱动信号以补偿驱动信号不对称性，从而主动地平衡第一半导体开关与第二半导体开关之间的电压。
[0004]已经讨论的特征和功能可以在各种实施例中独立实现或者可以在其他实施例中组合，其进一步的细节可以参考下面的描述和附图看到。
附图说明
[0005]图1示意性地示出包括电驱动系统的飞行器的示例性实施例。
[0006]图2示意性示出示例性电驱动系统。
[0007]图3是示意性示出功率调制装置和主动式电压平衡系统的各方面的电路图，该功率调制装置包括多个半导体开关，主动式电压平衡系统被配置为主动地平衡多个半导体开关上的电压分布。
[0008]图4是示出用于主动地平衡功率调制装置中串联的多个半导体开关上的电压分布的示例性方法的流程图。
[0009]图5和图6是示出用于调节栅极驱动信号的定时以驱动多个半导体开关从而主动地平衡多个半导体开关上的电压分布的示例性方法的流程图。
[0010]图7A
‑
7D是示出使用和不使用本文描述的主动式电压平衡技术的半导体切换的曲
线图。
具体实施方式
[0011]包括功率调制装置的电驱动系统可以在许多应用中实现以驱动大的电气负载，例如包括汽车、船只和飞行器应用的交通工具应用。对于飞行器应用，作为一个示例，电驱动系统可以用于驱动全电动或混合电动飞行器的推进系统。图1示意性地示出包括高电压(～kV)和高功率(～MW)能力电驱动系统102的飞行器100的示例性实施例。电驱动系统102定位在飞行器100的机身104中。电驱动系统102被配置为从定位在机翼108A、108B中的一对电池106A、106B汲取电力，机翼108A、108B从飞行器100的机身104延伸。注意，电池106A、106B的所示位置是非限制性的，其他电池位置也是可能的。例如，电池可以定位在机身的下部。电驱动系统102被配置为向一对推进马达110A、110B提供电力。电驱动系统102包括功率调制装置112，该功率调制装置112被配置为将从该对电池106A、106B接收到的电功率调制成适于驱动该对推进马达110A、110B的形式。由于推进马达的高电压和高功率要求，所以功率调制装置112可以包括串联的多个半导体开关。基于单个半导体开关的功率/电压容量和飞行器100的总功率/电压要求，功率调制装置112实际上可以包括任何数量的串联半导体开关。在一些实施例中，功率调制装置112可以包括并联连接的多个支路，并且每个支路可以包括一个或更多个开关。对于包括两个或更多个开关的支路，开关串联连接。
[0012]上述电驱动系统是包括具有高功率和高电压能力的功率调制装置的电驱动系统的非限制性示例，该功率调制装置包括多个半导体开关，这些半导体开关被配置为协作地共享电驱动系统的高电压要求的一部分。虽然示例性电驱动系统在此被描述为驱动一对推进马达，但是在一些实施例中，电驱动系统可以被配置为驱动多于两个的推进马达和/或一个以上的非推进马达驱动器(例如，发动机起动器、空气压缩机、液压泵)。虽然在此参考飞行器应用描述了示例性电驱动系统，但是这绝非限制性的。公开的电驱动系统可以用于任何其他应用，包括非飞行器交通工具应用和非交通工具应用。
[0013]图2示意性地示出电驱动系统200的示例性实施例。例如，电驱动系统200可以代表图1所示的电驱动系统102。电驱动系统200被配置为从电源202汲取电功率并驱动电气负载204。电源202可以采取任何合适的形式。在一些示例中，电源202可以包括交流(AC)电源。在其他示例中，电源202可以包括直流(DC)电源。另外，电气负载204可以采取任何合适的形式。虽然在此主要参考高功率和高电压电动机描述电气负载，但是这绝非限制性的。
[0014]电驱动系统200包括功率调制装置206，该功率调制装置206被配置为从电源202汲取电功率并将该电功率调制成适于驱动电气负载204的形式。功率调制装置206可以采取任何合适的形式。此类功率调制装置的非限制性示例包括逆变器和转换器。功率调制装置206包括一个或更多个开关支路208。每个开关支路208包括串联地电连接的多个半导体开关(例如，1
‑
N)210。
[0015]每个开关支路208可以包括任何合适数量的半导体开关。在包括多个开关支路的实施例中，开关支路并联电连接。开关支路的总数以及相应地功率调制装置206的半导体开关的总数可以取决于各个半导体开关的电压和功率能力，使得半导体开关的总数共同分担电气负载204的电压要求。作为一个示例，用于三相电机的电驱动系统可以包括构成三相逆变器的三个开关支路。作为另一示例，用于四相电机的电驱动系统可以包括构成四相逆变
器的四个开关支路。这些开关支路中的每个可以包括一个或更多个开关。对于包括两个或更多个开关的开关支路，开关串联连接。注意，对于DC电源输入，电驱动系统是逆变器(DC/AC转换器)。在输入为AC的实施例中，电驱动装置是AC/AC转换器。在此描述的原理适用于DC/AC或AC/AC转换器，以及其他类型的功率调制装置。
[0016]电驱动系统200包括主动式电压平衡系统212，其被配置为主动地平衡功率调制装置206的支路内串联的多个半导体开关210上的电压分布。如本文所使用的，主动地平衡支路内串联的多个半导体开关上的电压分布意味着调谐用于驱动半导体开关的驱动信号，以减小各个开关两端的电压之间的电压差，使得每个单独半导体开关上的电压理想地(但不是必须地)彼此相等。另外，主动地平衡支路内串联的多本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种系统(200)，包括：功率调制装置(206)，其包括：第一半导体开关(210A)；以及与所述第一半导体开关(210A)串联的第二半导体开关(210B)；以及主动式电压平衡系统(212)，其包括：第一栅极驱动器(336A)，其被配置为控制所述第一半导体开关(210A)在断开状态与闭合状态之间的切换；第二栅极驱动器(336B)，其被配置为控制所述第二半导体开关(210B)在断开状态与闭合状态之间的切换；第一栅极电压边沿捕获单元(326A)，其被配置为输出指示所述第一半导体开关(210A)在所述断开状态与所述闭合状态之间变化的时间的第一定时信号；第二栅极电压边沿捕获单元(326B)，其被配置为输出指示所述第二半导体开关(210B)在所述断开状态与所述闭合状态之间变化的时间的第二定时信号；差分电压比较器(318)，其被配置为输出差分电压信号，所述差分电压信号指示所述第一半导体开关(210A)两端的第一电压与所述第二半导体开关(210B)两端的第二电压之差；以及微控制器(306)，其被配置为：接收由所述第一栅极电压边沿捕获单元(326A)输出的所述第一定时信号；接收由所述第二栅极电压边沿捕获单元(326B)输出的所述第二定时信号；接收由所述差分电压比较器(318)输出的所述差分电压信号；向所述第一栅极驱动器(336A)输出第一栅极驱动信号以控制所述第一半导体开关(210A)的切换；以及向所述第二栅极驱动器(336B)输出第二栅极驱动信号以控制所述第二半导体开关(210B)的切换，其中所述微控制器(306)还被配置为基于所述差分电压信号调谐所述第一栅极驱动信号和所述第二栅极驱动信号，以补偿电压不平衡，并且基于所述第一定时信号和所述第二定时信号的定时差调谐所述第一栅极驱动信号和所述第二栅极驱动信号，以补偿驱动信号不对称性，从而主动地平衡所述第一与第二半导体开关(210A、210B)之间的电压。2.根据权利要求1所述的系统(200)，还包括：第一齐纳二极管(340A)，其电连接在所述第一半导体开关(210A)的源极端子(310A)与漏极端子(312A)之间；以及第二齐纳二极管(340B)，其电连接在所述第二半导体开关(210B)的源极端子(310B)与漏极端子(312B)之间。3.根据权利要求1所述的系统(200)，其中所述差分电压比较器(218)包括：第一电阻分压器(308)，其包括串联地电连接在所述第一半导体开关(210A)的源极端子(310A)与所述第二半导体开关(210B)的漏极端子(312B)之间的第一对电阻(308A、308B)；以及第二电阻分压器(314)，其包括串联地电连接在所述第二半导体开关(210B)的源极端子(310B)与所述第二半导体开关(210B)的所述漏极端子(312B)之间的第二对电阻(314A、
314B)，其中所述第二半导体开关(210B)的所述漏极端子(312B)电连接到公共地(316)，并且其中所述差分电压比较器(318)被配置为感测：所述第一电阻分压器(308)两端的所述第一半导体开关和第二半导体开关(210A、210B)的漏源电压的一半电压作为所述第一电压；以及所述第二电阻分压器(314)两端的所述第二半导体开关(210B)的漏源电压作为所述第二电压。4.根据权利要求3所述的系统(200)，其中所述微控制器(306)还被配置为在所述第一半导体开关和第二半导体开关(210A、210B)的关断瞬变期间，基于所述第二半导体开关(210B)的所述漏源电压低于所述第一半导体开关和第二半导体开关(210A、210B)的所述漏源电压的所述一半电压，相对于所述第一栅极驱动信号的定时提前所述第二栅极驱动信号的定时。5.根据权利要求3所述的系统(200)，其中所述微控制器(306)还被配置为在所述第一半导体开关和第二半导体开关(210A、210B)的关断瞬变期间，基于所述第一半导体开关(210A)的漏源电压低于所述第一半导体开关和第二半导体开关(210A、210B)的所述漏源电压的所述一半电压，相对于所述第二栅极驱动信号的定时提前所述第一栅极驱动信号的定时。6.根据权利要求3所述的系统(200)，其中所述微控制器(306)还被配置为在所述第一半导体开关和第二半导体开关(210A、210B)的接通瞬变期间，基于所述第二半导体开关(210B)的所述漏源电压高于所述第一半导体开关和第二半导体开关(210A、210B)的所述漏源电压的所述一半电压，相对于所述第一栅极驱动信号的定时提前所述第二栅极驱动信号的定时。7.根据权利要求3所述的系统(200)，其中所述微控制器(306)还被配置为在所述第一半导体开关和第二半导体开关(210A、210B)的接通瞬变期间，基于所述第一半导体开关(210A)的所述漏源电压高于所述第一半导体开关和第二半导体开关(210A、210B)的所述漏源电压的所述一半电压，相对于所述第二栅极驱动信号的定时提前所述第一栅极驱动信号的定时。8.根据权利要求1所述的系统(200)，还包括：第一栅源电压瞬变检测器(322A)，其被配置为合成与所述第一半导体开关(210A)的栅源电压变化对应的第一逻辑信号，并将所述第一逻辑信号发送到所述第一栅极电压边沿捕获单元(326A)，其中所述第一栅极电压边沿捕获单元(326A)被配置为基于所述第一逻辑信号生成所述第一定时信号；以及第二栅源电压瞬变检测器(322B)，其被配置为合成与所述第二半导体开关(210B)的栅源电压变化对应的第二逻辑信号，并将所述第二逻辑信号发送到所述第二栅极电压边沿捕获单元(326B)，其中所述第二栅极电压边沿捕获单元(326B)被配置为基于所述第二逻辑信号生成所述第二定时信号。9.根据权利要求8所述的系统(200)，其中所述微控制器(306)还被配置为：在从所述微控制器(306)输出所述第一栅极驱动信号的同时，向所述第一栅极电压边沿捕获单元(326A)输出第一辅助驱动信号，其中所述第一栅极电压边沿捕获单元(326A)被
配置为基于接收到所述第一辅助驱动信号而激活；以及在从所述微控制器(306)输出所述第二栅极驱动信号的同时，向所述第二栅极电压边沿捕获单元(326B)输出第二辅助驱动信号，其中所述第二栅极电压边沿捕获单元(326B)被配置为基于接收到所述第二辅助驱动信号而激活。10.根据权利要求9所述的系统(200)，还包括：第一信号隔离器(330A)，其电连接在所述第一栅极电压边沿捕获单元(326A)与所述微控制器(306)之间，并且电连接在所述第一栅极驱动器(336A)与所述微控制器(306)之间，其中所述第一信号隔离器(330A)被配置为对由所述第一栅极电压边沿捕获单元(326A)输出的所述第一定时信号进行滤波，以向所述微控制器(306)提供第一滤波定时信号，对由所述微控制器(306)输出的所述第一栅极驱动信号进行滤波，以向所述第一栅极驱动器(336A)提供第一滤波栅极驱动信号，并对由所述微控制器(306)输出的所述第一辅助驱动信号进行滤波，以向所述第一栅极电压边沿捕获单元(326A)提供第一滤波辅助驱动信号；以及第二信号隔离器(330B)，其电连接在所述第二栅极电压边沿捕获单元(326B)与所述微控制器(306)之间，并且电连接在所述第二栅极驱动器(336B)与所述微控制器(306)之间，其中所述第二信号隔离器(330B)被配置为对由所述第二栅极电压边沿捕获单元(326B)输出的所述第二定时信号进行滤波，以向所述微控制器(306)提供第二滤波定时信号，对由所述微控制器(306)输出的所述第二栅极驱动信号进行滤波，以向所述第二栅极驱动器(336B)提供第二滤波栅极驱动信号，并对由所述微控制器(306)输出的所述第二辅助驱动信号进行滤波，以向所述第二栅极电压边沿捕获单元(326B)提供第二滤波辅助驱动信号。11.一种用于控制多个半导体开关的主动式电压平衡方法(400)，所述多个半导体开关包括串联在功率调制装置(206)中的至少第一半导体开关和第二半导体开关(210A、210B)，所述主动式电压平衡方法包括：接收(402)由第一栅极电压边沿捕获单元(326A)输出的第一定时信号，其中所述第一定时信号指示所述第一半导体开关(210A)在断开状态与闭合状态之间变化的时间；接收(404)由第二栅极电压边沿捕获单元(326B)输出的第二定时信号，其中所述第二定时信号指示所述第二半导体开关(210B)在所述断开状态与所述闭合状态之间变化的时间；接收(406)由差分电压比较器(318)输出的差分...

【专利技术属性】
技术研发人员：E，
申请(专利权)人：波音公司，
类型：发明
国别省市：