用于高电压功率逆变器的具有无变压器栅极驱动器的集成功率模块制造技术

公开了一种用于电机的驱动电路。在一个示例中，驱动电路利用自举电容器和自举二极管，然后是调节器，作为用于驱动逆变器的功率级的栅极的基础。来自自举电容器和自举二极管的经调节的电压消除了使用变压器以用于驱动逆变器的功率级的栅极的需要。器的功率级的栅极的需要。器的功率级的栅极的需要。

【技术实现步骤摘要】
用于高电压功率逆变器的具有无变压器栅极驱动器的集成功率模块


[0001]本公开涉及一种用于向电机供应功率的系统和方法。系统可以包括逆变器，该逆变器包括经由无变压器栅极驱动器驱动的功率级。
技术介绍
和
技术实现思路

[0002]交通工具可以经由电机驱动。电机可以由电池供应功率。由电池提供的直流(DC)功率可以通过逆变器路由，该逆变器可以选择性地将电池功率切换至电机。逆变器可以包括具有晶体管的功率级，晶体管可以经由外部栅极驱动器板上的驱动器放大器或栅极驱动器来驱动。栅极驱动器板可以包括栅极驱动器集成电路(IC)和变压器，以调节供应到功率级中晶体管的栅极的电压。栅极驱动器集成电路和变压器相对昂贵，并且变压器尺寸相对较大。因此，栅极驱动器IC和变压器被放置在与包括功率级晶体管的板分离的板(例如，栅极驱动器板)上。此外，将变压器放置在外部栅极驱动器板上增加了栅极环形电路的长度，这可能会限制逆变器的最大开关频率。
[0003]在美国专利公开2006/0034107中，自举电容器用于向低电压电路中的晶体管栅极提供电压(例如，小于48VDC)。然而，这种方法存在问题，因为所描述电路中的每一个电路中的自举电容器电压是未经调节的，并且由于操作占空比增加，它可能会比可期望的降低更多。具体地，随着栅极开关占空比增加，自举电容器电压可能会降低，并且如果DC/DC转换器消耗来自自举电容器的功率，则自举电容器可能会进一步降低。电容器电压降低可能会增加逆变器功率损耗，并且功率输出级不能够在100％的占空比下操作，因为自举电容器电压是未经调节的，并且自举电容器电压随着占空比增加而降低。此外，自举电容器被放置在栅极驱动器板上功率级的外部，这增加了栅极环形电路迹线长度。增加的栅极环形电路长度增加了栅极环形寄生电感，当自举电容器经历充电和放电周期时，寄生电感趋向于产生高电压尖峰。自举电容器的容量和尺寸随着所需栅极电荷的增加而呈指数增加，以允许自举电容两端的低电压降。在常规的高电压应用中(例如，大于48VDC)，不使用自举电容器，因为自举电容器的尺寸将会因为高栅极电荷水平而增加得更多。此外，可能期望将低电压总线和低电压设备与高电压总线和高电压设备隔离，以降低系统退化的可能性。然而，常规的自举栅极驱动并不提供这样的隔离。此外，常规的设计可能不允许在高电压应用中断开晶体管可能所需的负栅极电压。此外，在常规的自举方法中，功率级晶体管可能必须在自举电容器电压增加到允许电路根据需要进行操作的水平之前切换数次，这可能会增加使驱动器电路可操作所需的时间。最终，自举电容器充电回路中的元件和自举电容器充电回路的长度可能会导致自举电容器充电回路的长时间常数，使得电路系统(circuitry)的占空比可能被进一步限制到小于100％。
[0004]本专利技术的专利技术人已经认识到上述问题，并开发了一种用于电机的驱动电路，包括：第一晶体管；第二晶体管，第二晶体管与第一晶体管串联布置，并且直接电耦合到第一晶体管；自举电容器；自举二极管，自举二极管与自举电容器串联布置，自举二极管的阳极直接电耦合到高电压总线，自举二极管的阴极直接电耦合到自举电容器的第一引线，并且自举
电容器的第二引线直接电耦合到第一晶体管和第二晶体管。
[0005]通过将自举二极管电耦合到高电压总线，并将自举电容器耦合到自举二极管，然后是调节器，可以可向逆变器的功率级的栅极供应经调节的电压，以使得可以从驱动器板省略变压器。具体地，自举电容器可以向调节器提供输入，调节器将经调节的信号输出到晶体管栅极。自举电容器和自举二极管可以被并入包括逆变器的功率级晶体管的板中，因为它们比它们所替换的反激变压器小得多。此外，自举电容器的电压被输入到电压调节器，以向功率级中的晶体管的栅极供应经调节的电压，从而功率级可以在100％的占空比下操作。
[0006]本描述可以提供若干优点。具体地，本文所描述的系统和方法可以提供与现有方法相比功率密度更高、尺寸更小、并且具有增加的功能的电机驱动设备。此外，本方法可以以对逆变器的功率级晶体管的栅极进行驱动的100％的占空比信号来进行操作，并且可以使用自举电容器的短充电回路来实现，从而使得可以消除电路系统中较高的电压尖峰。此外，该方法提供了具有负输出电压的调节器，其可以被应用以关闭逆变器的功率级中的开关。
[0007]应该理解，提供以上概述以通过简化形式介绍以下具体实施方式中进一步描述的一些概念。这并不旨在标识所要求保护主题的关键或必要特征，所要求保护主题的范围由具体实施方式之后的权利要求书来唯一地限定。此外，所要求保护的主题不限于解决在上述或本公开的任一部分中提及的任何缺点的实现。附图的简要说明
[0008]附图被包括在此作为说明书的一部分。本文描述的附图解说了本公开主题的实施例，并且解说了本公开的所选原理和教导。然而，附图没有解说本公开主题的所有可能实现，并且不旨在以任何方式限制本公开的范围。
[0009]图1是包括电机的示例交通工具传动系的示意图；
[0010]图2A和图2B示出了根据本专利技术的高电压电源组的示例硬件板布局；
[0011]图3示出了第一示例高电压电源组的框图；
[0012]图4示出了用于向电机供应电功率的第一示例高电压电源组电路的电气示意图；
[0013]图5示出了第二示例高电压电源组的框图；
[0014]图6示出了用于向电机供应电功率的第二示例高电压电源组电路的电气示意图；以及
[0015]图7示出了用于控制高电压电源组的功率级的方法的流程图。
具体实施方式
[0016]以下描述涉及一种用于向电机供应电功率的系统和方法。电机可以向交通工具递送推进力。本描述提供了栅极驱动电路系统，该栅极驱动电路系统消除对可电耦合到逆变器的功率级的高电压(例如，大于48伏直流(VDC))总线的反激变压器的需要。此外，本文所描述的系统和方法可以扩展到用于低电压系统(例如，小于48VDC)的栅极驱动电路系统。系统和方法可以应用于图1所示类型的交通工具。系统可以包括图2A和图2B所示类型的功率模块或电路板，以增加功率模块的功率密度，并减小栅极驱动器电路系统的充电回路的长度。图3和图5中示出了示例高电压电源组(例如，集成功率模块)的框图。图4和图6中示出了高电压电源组的详细电路图。最后，图7中示出了用于操作功率模块的方法。
[0017]图1示出了包括在交通工具10中的示例交通工具传动系199。交通工具10包括前侧110和后侧111。交通工具10包括前轮102和后轮103。交通工具10包括可以选择性地向后轴190提供推进力的推进源12。在其他示例中，推进源可以向前轮102提供推进力。推进源12可以是电机(例如，电动机/发电机)。推进源12示出为机械地耦合到差速器191，但是在一些示例中，推进源12和差速器191之间可以包括变速器。在其他示例中，推进源12可以并入后轴190中。电能存储设备16(例如，牵引电池或电容器)可以经由逆变器14向推进源12提供高电压(例如，大于48VDC)功率。逆变器14可以将来自电能存储设备16的直流电(本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于电机的驱动电路，所述驱动电路包括：第一晶体管；第二晶体管，所述第二晶体管与所述第一晶体管串联布置，并且直接电耦合到所述第一晶体管；自举电容器；自举二极管，所述自举二极管与所述自举电容器串联布置，所述自举二极管的阳极直接电耦合到高电压总线，所述自举二极管的阴极直接电耦合到所述自举电容器的第一引线，并且所述自举电容器的第二引线直接电耦合到所述第一晶体管和所述第二晶体管。2.如权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，所述第一晶体管直接电耦合到所述高电压总线，并且其中所述第二晶体管直接电耦合到接地基准。3.如权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，所述第一晶体管、所述第二晶体管、所述自举电容器和所述自举二极管被包括在单板上。4.如权利要求1所述的驱动电路，进一步包括正电压调节器和负电压调节器，所述正电压调节器和所述负电压调节器直接电耦合到驱动器放大器。5.如权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，所述驱动电路是无变压器的。6.如权利要求1所述的驱动电路，进一步包括驱动器放大器，所述驱动器放大器直接电耦合到所述第一晶体管和所述自举电容器的所述第二引线。7.如权利要求6所述的驱动电路，进一步包括四个电压调节器，所述四个电压调节器直接电耦合到所述驱动器放...

【专利技术属性】
技术研发人员：A，
申请(专利权)人：德纳TM四股份有限公司，
类型：发明
国别省市：