[發明專利]具有降低的共用源電感的分離式功率開關裝置

有效

• 申請號: 201710408403.3
• 申請日: 2017-06-02
• 公開（公告）號: CN107482945B
• 公開（公告）日: 2021-04-27
• 發明（設計）人: 徐竹嫻;陳清麒
• 申請（專利權）人: 福特全球技術公司
• 主分類號: H02M7/537
• 分類號: H02M7/537;H02P27/06
• 代理公司: 北京連和連知識產權代理有限公司 11278
• 代理人: 劉小峰

一種用于控制分離式功率開關裝置的柵極信號的布線(例如在用于電動車輛驅動的逆變器中)配置用于補償由于集成電路封裝而導致的在開關裝置中固有的共用源電感。該功率裝置具有通過柵極管腳的柵極信號通道和通過第一和第二電源管腳的功率信號通道，其中柵極信號通道和功率信號通道具有第一互感。電路板裝置提供與功率信號通道并置的柵極接線回路，其中柵極接線回路和功率信號通道具有大體上抵消第一互感的第二互感。由此導致的共用源電感降低避免了在其他情況下會由共用源電感引入的開關速度降低和開關損耗增加。

技術領域

本發明總體涉及降低分離式半導體功率開關裝置中的共用源電感的影響，并且更特別地涉及使用具有快速開關時間和低損耗的分離式功率開關裝置的電動車輛的逆變器驅動系統。

背景技術

已經為高壓、高功率電子開關應用引入了各種類型的半導體功率開關裝置，例如功率MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金屬氧化物半導體場效應晶體管)和絕緣柵雙極型晶體管(IGBT，Insulated Gate Bipolar Transistor，)。由于半導體裸片大小和散熱要求，所以這些裝置通常包含在安裝一個或多個開關裝置的獨立的封裝中，例如在“TO”(Transistor-Outline，晶體管輪廓)封裝樣式中。該獨立的功率開關裝置封裝通常安裝至印刷電路板，印刷電路板還帶有與開關應用相關聯的輔助電子裝置。

電動車輛，例如HEV(Hybrid Electric Vehicle，混合動力電動車輛)和PHEV(Plug-In Hybrid Electric Vehicle，插電式混合動力電動車輛)，使用這樣的功率開關裝置為電機構造逆變器以提供牽引扭矩和再生制動扭矩。典型的電動驅動系統包括DC(Direct Current，直流)電源(例如電池組或燃料電池)，該DC電源通過接觸器開關連接至變壓轉換器(VVC，Variable Voltage Converter)以控制主鏈路電容器兩端的主總線電壓。第一逆變器連接在主總線和牽引馬達之間以推進車輛。第二逆變器可以連接在主總線和發電機之間以在制動期間再生能量，從而通過VVC再充電電池。

逆變器包括以橋式配置連接的功率開關裝置(最典型的IGBT)。電子控制器通過柵極驅動器電路打開和關閉該開關，以便將來自總線的DC電壓逆變為應用于馬達的AC(Alternating Current，交流)電壓，或以便將來自發電機的AC電壓逆變為總線上的DC電壓。在每種情況下，通過改變功率裝置開啟和關閉的頻率和占空比響應于各種感測條件來控制逆變器。

用于馬達的逆變器脈寬調制DC鏈電壓以傳輸正弦電流輸出的近似值，從而以期望的速度和扭矩驅動馬達。應用于IGBT的柵極的PWM(Pulse Width Modulation，脈沖寬度調制)控制信號依據必要打開柵極和關閉柵極，以便使產生的電流匹配期望的電流。IGBT和它們的反向恢復二極管具有相關聯的開關損耗，而這種開關損耗必須最小化以便限制效率的損耗和余熱的引起。

共用源電感指的是在功率開關裝置中由主功率回路(例如裝置的漏極-源極或集電極-發射極功率輸出)和柵極驅動器回路(例如柵極-源極或柵極-發射極)共享的電感。共用源電感傳遞裝置輸出電流(例如漏極到源極電流)和柵極充電/放電電流。共用源電感兩端感生的電壓通過限制打開/關閉的開關時間和增加開關損耗的方式來改變柵極電壓。在典型的開關模型中存在共用源電感的各種影響因子，這些影響因子隨著與裝置封裝和印刷電路板跡線相關聯的寄生電感而引起。電流通路的相對位置和分離和/或阻塞電感耦合的各種結構的使用已經用于降低已引起的寄生電感的大小。

盡管有已知的實踐，由封裝(例如TO-247和TO-220)引入的分離式功率裝置的共用源電感仍然可能高達10nH。隨著新一代的功率裝置(例如，CoolMOS、SiC和GaN裝置)變得越來越快，共用源電感顯著地限制了開關速度和增加了開關損耗。

發明內容