[發明專利]用于功率開關器件的無傳感器溫度補償

有效

• 申請號: 201711099763.6
• 申請日: 2017-11-09
• 公開（公告）號: CN108075676B
• 公開（公告）日: 2021-05-18
• 發明（設計）人: 陸樨;陳清麒;邁克爾·W·德格尼爾;徐竹嫻;鄒軻
• 申請（專利權）人: 福特全球技術公司
• 主分類號: H02M7/5387
• 分類號: H02M7/5387;H02M7/00;H03K17/041;H03K17/14
• 代理公司: 北京連和連知識產權代理有限公司 11278
• 代理人: 回旋

一種用于電動車輛驅動裝置的逆變器具有包括多個功率開關器件的橋，功率開關器件具有各自的絕緣柵極端子和發射極端子。PWM電路確定用于控制橋的開關命令。多個柵極驅動器接收開關命令并向相應的柵極端子提供柵極驅動信號。多個柵極電容各自熱連接到相應的開關器件，并且電連接在相應的柵極和發射極端子之間。每個柵極電容具有負溫度系數，負溫度系數適于在預定的溫度范圍內補償開關器件的開關速度的變化。因此，保持了恒定開關速度，使得在整個溫度范圍內功率損耗和開關器件的可靠性是最佳的。

技術領域

本發明大體涉及用于功率開關晶體管的開關瞬態的控制，并且更具體地，涉及提供自動溫度補償以維持用于電動車輛中所使用類型的功率轉換器的絕緣柵極晶體管的所需的開關速度。

背景技術

混合動力電動車輛(hybrid electric vehicle，HEV)、插電式混合動力電動車輛(plug-in hybrid electric vehicle，PHEV)、電池電動車輛(battery electric vehicle，BEV)等電動車輛使用逆變器驅動的電機提供牽引轉矩。典型的電驅動系統包括通過接觸開關耦合到可變電壓轉換器(variable voltage converter，VVC)的DC(直流)電源(例如電池組或燃料電池)，以調節跨越主DC鏈路電容兩端的主母線電壓。逆變器連接在主母線和牽引馬達之間，以將DC電力轉換成連接到馬達的繞組的AC(交流)電力以推動車輛。

逆變器包括以具有多個相腳的橋接配置連接的晶體管開關器件(例如絕緣柵雙極晶體管，或稱IGBT(insulated gate bipolar transistor))。典型的配置包括由具有三個相腳的逆變器驅動的三相馬達。電子控制器通斷開關，以將來自母線的直流電壓變頻為施加到馬達的交流電壓。響應于包括電機的旋轉位置和各相電流的各種感測條件而控制逆變器。

用于馬達的逆變器可以優選地對DC鏈路電壓進行脈沖寬度調制，以便于傳遞正弦電流輸出的近似值，以所需的速度和轉矩來驅動馬達。施加脈寬調制(Pulse WidthModulation，PWM)控制信號以驅動IGBT的柵極，以便于根據需要通斷。在理想化形式中，柵極驅動控制信號是將每個功率開關器件(例如IGBT)在完全關斷和完全導通(飽和)狀態之間切換的方波信號。在通斷期間，器件需要時間來響應柵極驅動信號的變化。例如，在柵極驅動信號從關斷狀態轉變為導通狀態之后，通過器件輸出的導通電流在幾微秒內從零變化到最大電流。開關速度或時間取決于由開關器件及其相關電路(包括柵極驅動器)的特性決定的、電流和電壓變化的斜率(di/dt)、(dv/dt)。

功率半導體晶體管器件的最佳開關速度是在非常快的開關速度下降低可靠性的高應力、與在較慢的開關速度下降低效率和增加功率損耗之間的平衡。然而隨著晶體管的工作溫度的變化，開關速度響應于晶體管的某些對溫度敏感的參數(包括內部柵極電阻、閾值電壓、和跨導)而發生變化。通常，開關速度隨著溫度的升高而降低，使得開關損耗增加；隨著溫度的降低，電壓應力增加而擊穿電壓降低，這可能會影響可靠性。

為了確保在整個工作溫度范圍內的可靠工作，一種常規的方法是選擇最佳的柵極控制信號曲線或斜率(例如由柵極電阻或類似的控制參數確定)，然后配置晶體管器件的柵極驅動器和輔助電路以在最低工作溫度下實現最佳斜率。例如，柵極驅動信號的電壓和/或將柵極驅動器耦合到晶體管器件的柵極端子的柵極電阻器的電阻可以配置為確定目標開關性能，由此設定在最壞的溫度情況下使用最小可接受開關時間。盡管功率損耗隨著溫度升高到最低溫度以上而增加，但在所有溫度下都避免了過度的應力。