CN108400721A - 使用接地栅极端子的逆变器开关器件的有源栅极钳位 - Google Patents

使用接地栅极端子的逆变器开关器件的有源栅极钳位 Download PDF

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Abstract

一种用于电动车辆的逆变器包括具有在正母线和地母线之间串联的上部和下部晶体管的相脚。上部和下部栅极驱动电路向上部和下部晶体管提供栅极驱动信号。每个栅极驱动电路包括用于停用上部和下部晶体管的有源钳位。晶体管包括半导体器件，每个半导体器件具有各自的栅极、集电极、和发射极端子。每对栅极和发射极端子适于在其间提供增强的共源极电感。每个栅极端子适于连接到驱动电路的地电压。每个相应的有源钳位包括P沟道MOSFET，P沟道MOSFET的源极端子连接到相应晶体管的栅极端子并且P沟道MOSFET的漏极端子绕过相应的增强的共源极电感而连接到相应晶体管的发射极端子。

Description

使用接地栅极端子的逆变器开关器件的有源栅极钳位
技术领域
本发明大体涉及电动车辆驱动***的逆变桥中的功率开关器件，并且更具体地，涉及用于避免逆变器中的功率开关器件意外激活的有源栅极钳位(active gateclamping)。
背景技术
混合动力电动车辆(hybrid electric vehicle，HEV)、插电式混合动力电动车辆(plug-in hybrid electric vehicle，PHEV)、和电池电动车辆(battery electricvehicle，BEV)等电动车辆使用逆变器驱动的电机提供牵引扭矩。典型的电驱动***可以包括通过接触开关连接到可变电压转换器(variable voltage converter，VVC)的DC(直流)电源(例如电池组或燃料电池)，以调节跨越主DC链路电容器两端的主母线电压。逆变器连接在主母线和牵引马达之间，以便于将DC母线功率转换成连接到马达绕组的AC(交流)电压，以推进车辆。
逆变器包括以具有多个相脚的桥接配置连接的晶体管开关器件(例如绝缘栅双极晶体管，IGBT(insulated gate bipolar transistor))。典型的配置包括由具有三个相脚的逆变器驱动的三相马达。电子控制器通断开关，以将来自母线的直流电压逆变为施加到马达的交流电压。逆变器通常对DC链路电压进行脉冲宽度调制，以传递正弦电流输出的近似值，以所需的速度和扭矩来驱动马达。施加到IGBT栅极的脉冲宽度调制(Pulse WidthModulation，PWM)控制信号按需使栅极通断，使得得到的电流与期望的电流相符。
因为逆变器的每个相脚具有跨接在DC链路两端的一对上和下开关晶体管，重要的是相脚中的两个器件不会同时导通(即打开)。通常在PWM开关信号中***短时间间隔(称为死区时间)，在死区时间期间相脚的上和下开关器件关闭以便于防止正极母线和地母线(地母线有时称为负母线，虽然它被标记为零伏)之间的“直通”。由于电子元件和晶体管的栅极输入端的信号路径之间的电子噪声和磁耦合，当晶体管的栅极驱动信号试图关断时，必须注意避免晶体管意外导通。有时使用有源钳位，其中将跨接在栅极两端的钳位激活，以确保开关晶体管保持关断。
共源极电感是指由功率开关晶体管中的主功率回路(即晶体管的漏极到源极或集电极到发射极的功率输出)和栅极驱动回路(即栅极到源极或栅极到发射极)共享的电感。共源极电感同时承载器件输出电流(例如漏极到源极电流)和栅极充/放电电流。共源极电感的输出(功率回路)部分的电流以增强(例如加速)开关性能的方式改变栅极电压。对于开关桥而言，减少的开关时间可能是合乎需要的，因为只要包含其它潜在的副作用，就会具有在开关转换期间消耗(即损失)的能量的相关减少。例如，大共源极电感的存在可能影响常规有源钳位电路的工作。
发明内容
在本发明的一个方面中，一种逆变器包括具有串联的上部晶体管和下部晶体管的相脚，该上部晶体管和下部晶体管适于在正极母线和地母线之间连接。上部栅极驱动电路和下部栅极驱动电路向上部晶体管和下部晶体管分别提供栅极驱动信号。每个栅极驱动电路包括用于分别停用上部晶体管和下部晶体管的有源钳位。晶体管包括半导体器件，每个半导体器件各自具有相应的栅极、集电极、和发射极端子。每对栅极和发射极端子适于在其间提供增强的共源极电感。每个栅极端子适于连接到驱动电路的地电压。每个相应的有源钳位优选地包括P沟道MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)，P沟道MOSFET的源极端子连接到相应晶体管的栅极端子，并且P沟道MOSFET的漏极端子绕过相应的增强的共源极电感而连接到相应晶体管的发射极端子。
根据本发明，提供一种逆变器，该逆变器包括：
具有串联的上部晶体管和下部晶体管的相脚，所述上部晶体管和下部晶体管适于在正母线和地母线之间连接；和
分别向所述上部晶体管和所述下部晶体管提供栅极驱动信号的上部栅极驱动电路和下部栅极驱动电路，并且所述上部栅极驱动电路和所述下部栅极驱动电路各自包括用于分别停用所述上部晶体管和所述下部晶体管的有源钳位；
其中所述晶体管包括半导体器件，每个所述半导体器件具有各自的栅极、集电极、和发射极端子；
其中每对栅极和发射极端子适于在所述栅极和发射极端子之间提供增强的共源极电感；以及
其中每个所述栅极端子适于连接到所述驱动电路的接地电压。
根据本发明的一个实施例，每个相应的有源钳位包括P沟道MOSFET，所述P沟道MOSFET的源极端子连接到相应的晶体管的所述栅极端子，所述P沟道MOSFET的漏极端子绕过所述相应的增强的共源极电感而连接到所述相应的晶体管的所述发射极端子。
根据本发明的一个实施例，所述栅极驱动信号包括相对于所述地电压的负信号电压，所述负信号电压选择性地施加到相应的发射极端子而不绕过所述相应的增强的共源极电感。
根据本发明的一个实施例，所述栅极驱动电路各自包括互补的MOSFET对，每个互补的MOSFET将相应的栅极信号连接到相应的发射极端子。
根据本发明的一个实施例，每个相应的增强的共源极电感包括相应的导通的共源极电感和相应的关断的共源极电感，其中所述相应的导通的共源极电感和所述相应的关断的共源极电感分别连接到所述互补的MOSFET中的相应的一个。
根据本发明的一个实施例，所述相应的导通的共源极电感和所述相应的关断的共源极电感不相等。
根据本发明的一个实施例，其中所述相应的导通的共源极电感和所述相应的关断的共源极电感共享部分电感。
根据本发明的一个实施例，连接到所述相应的有源钳位的所述发射极端子包括开尔文发射极端子。
根据本发明，提供一种由牵引马达驱动的车辆用的电驱动器，该电驱动器包括：
具有正极母线和地母线的DC链路，所述DC链路配置为接收DC电源电压；
在所述正极母线和所述地母线之间以桥式配置连接的多个相脚，每个所述相脚具有串联的上部晶体管和下部晶体管、以及提供相脚输出端的中间连接点；和
用于每个所述相脚的、分别向所述上部晶体管和所述下部晶体管提供栅极驱动信号的上部栅极驱动电路和下部栅极驱动电路，其中每个驱动电路包括用于分别停用所述上部晶体管和所述下部晶体管的有源钳位；
其中所述晶体管包括半导体器件，并且各自具有相应的栅极、集电极、和发射极端子；
其中每对栅极和发射极端子适于在所述栅极和发射极端子之间提供增强的共源极电感；
其中每个栅极端子适于连接到所述驱动电路的接地电压；并且
其中每个相应的有源钳位包括P沟道MOSFET，所述P沟道MOSFET的源极端子连接到相应的晶体管的所述栅极端子，所述P沟道MOSFET的漏极端子绕过所述相应的增强的共源极电感而连接到所述相应的晶体管的所述发射极端子。
根据本发明的一个实施例，所述栅极驱动信号包括相对于所述地电压的负信号电压，所述负信号电压选择性地施加到相应的发射极端子而不绕过所述相应的增强的共源极电感。
根据本发明的一个实施例，所述栅极驱动电路各自包括互补的MOSFET对，每个互补的MOSFET将相应的栅极信号连接到相应的发射极端子。
根据本发明的一个实施例，每个相应的增强的共源极电感包括相应的导通的共源极电感和相应的关断的共源极电感，其中所述相应的导通的共源极电感和所述相应的关断的共源极电感分别连接到所述互补的MOSFET中的相应的一个。
根据本发明的一个实施例，所述相应的导通的共源极电感和所述相应的关断的共源极电感不相等。
根据本发明的一个实施例，其中所述相应的导通的共源极电感和所述相应的关断的共源极电感共享部分电感。
根据本发明，提供一种用于逆变器相位晶体管的栅极驱动器，该栅极驱动器包括：
栅极信号发生器，所述栅极信号发生器将晶体管的栅极接地，并且选择性地将所述晶体管的发射极连接到负电压，其中栅极信号流经与所述发射极相关的增强的共源极电感；和
包括P沟道MOSFET的有源钳位，所述P沟道MOSFET的源极连接到所述栅极，并且所述P沟道MOSFET的漏极绕过所述增强的共源极电感而连接到所述发射极。
根据本发明的一个实施例，所述栅极信号发生器包括互补的MOSFET对，每个互补的MOSFET将所述栅极信号的相应部分连接到所述发射极。
根据本发明的一个实施例，所述增强的共源极电感包括导通的共源极电感和关断的共源极电感，其中所述导通的共源极电感和所述关断的共源极电感各自连接到所述互补的MOSFET中的相应的一个。
根据本发明的一个实施例，所述相应的导通的共源极电感和所述相应的关断的共源极电感不相等。
根据本发明的一个实施例，所述相应的导通的共源极电感和所述相应的关断的共源极电感共享部分电感。
根据本发明的一个实施例，所述发射极包括开尔文发射极。
附图说明
图1是示出包括各自具有增强的共源极电感的一对IGBT的逆变器的相脚的等效电路的示意图；
图2是示出具有绕过增强的共源极电感的有源钳位的驱动电路的示意图；
图3是更详细地示出驱动电路的示意图，其中IGBT的栅极接地，其中增强的共源极电感与发射极端子相关联，并且其中有源钳位包括P沟道MOSFET；
图4是示出具有逆变器IGBT的分离的导通和关断电阻特性的驱动电路的示意图；
图5是示出具有用于IGBT导通和关断的分离的数值的增强的共源极电感的示意图；
图6是更详细地示出具有用于IGBT导通和关断的分离的增强的共源极电感的驱动电路的示意图。
具体实施方式
共源极电感(LCSI)是由晶体管开关器件的主功率回路和栅极驱动回路共享的电感。主功率回路承载器件的集电极-发射极输出电流，并且栅极回路承载栅极-发射极控制电流。公共电感通常产生于与印刷电路板上的器件封装和迹线相关的寄生电感。
图1示出了在电动车辆的逆变器驱动***中驱动电动马达的相脚10的示例，其中上部晶体管11示为具有上部栅极、集电极、和发射极端子的IGBT。也可以使用其它类型的半导体器件，例如功率MOSFET。如本文所使用的，IGBT的栅极、集电极、和发射极端子也指MOSFET的栅极、漏极、和源极端子。下部晶体管12(具有相应的下部栅极、集电极、和发射极端子)与上部晶体管11串联在正极母线13和地母线14之间，以限定中间连接点15。反向并联二极管16和17跨接在晶体管11和12两端。
上部栅极电路和上部发射极端子产生上部共源极电感，上部共源极电感包括与功率回路电感19磁耦合的栅极回路电感18。栅极驱动电路20和栅极电阻器21连接到栅极端子以便于控制上部晶体管11的开关。下部栅极电路和下部发射极端子产生下部共源极电感，下部共源极电感包括与功率回路电感器23磁耦合的栅极回路电感器22。栅极驱动电路24和栅极电阻器25连接到栅极端子以便控制下部晶体管12的开关。如本领域已知的，栅极驱动电路20和24根据来自PWM控制器26的PWM命令信号产生栅极驱动信号。
功率回路和栅极回路之间的磁耦合有时会产生非期望的相互作用，其中来自器件的输出电流改变导致试图控制器件的栅极信号改变。因此，在开发晶体管器件封装和使用这种器件的电路期间使用的典型设计规则通常旨在最小化共源极电感。
对于相脚中的晶体管，共源极电感的大小对开关时间和电压过冲(overshoot)的影响可以是有益的。更具体地说，开关时间可以有利地降低，同时电压过冲或尖峰的大小保持大体较小。开关时间减少可以导致能量损失减少(即提高了效率)。
栅极回路电感和/或功率回路电感的大小以及二者之间的相互耦合程度可以通过选择适当的布局和/或包括在PCB迹线中添加重叠线圈形成到晶体管栅极或发射极的导电路径来容易地操纵(例如增强)，以便于获得所需的共源极电感LCSI。示例在共同未决的、通常指定的在2016年11月28日提交的美国专利申请序号15/361,898中；在2016年12月1日提交的美国专利申请序号15/366,266中；在2016年11月2日提交的美国专利申请序号15/341,184中；以及在2016年8月30日提交的美国专利申请序号15/251,231中示出；以上每一篇专利通过引用其整体而并入本文。
寄生电感(包括共源极电感)、电子噪声、或其他杂散电压有可能引起相脚开关晶体管的错误(即意外)激活。为了抑制这种激活，可以使用了如图2所示的有源钳位。栅极驱动电路30连接到相脚开关晶体管31。驱动电路30通常可以在集成电路封装中实现，该集成电路封装接受来自输入引脚32处的PWM控制器的开关命令，并且产生适当的信号特性以通过输出引脚33和地引脚34来驱动晶体管31的栅极端子。输出引脚33通过栅极电阻器35连接到晶体管31的栅极端子。地引脚34通过电感器36A连接到晶体管31的发射极端子。功率回路电感器36B与电感器36A磁耦合以便于增强共源极电感。用于通过电感器36A建立栅极回路的发射极端子可以是本领域已知的开尔文发射极端子(即，与晶体管31的主输出电流分离的发射极连接)。
驱动电路30适于使用钳位晶体管40(通常实现为当晶体管31试图处于关断状态时导通的MOSFET)提供有源钳位功能。钳位晶体管40的漏极端子通过引脚41直接连接到晶体管31的栅极，并且钳位晶体管40的源极端子通过引脚42直接连接到晶体管31的发射极。优选地，引脚42连接到晶体管31的另一个开尔文发射极端子。钳位晶体管40的连接配置为绕开栅极电阻器35和电感器36A和36B，以在需要时可靠地将晶体管31保持在关断状态。
在图2的配置中，利用四个集成电路引脚将栅极驱动信号和有源钳位连接到开关晶体管。为了降低成本和节省印刷电路板上的空间而减少引脚数量的需求合乎期望。另外，由于钳位晶体管的源极连接到开关晶体管的发射极，钳位晶体管的栅极因存在可能影响钳位功能性能的共源极电感和其他因素而具有潜在的波动电压。
在图3所示的优选实施例中，驱动电路的一个输入/输出引脚通过在栅极驱动和钳位功能之间共用一个引脚而消除。此外，钳位晶体管的布线将钳位晶体管的栅极端子接地(即，用于栅极驱动器的供电源的地)，使栅极端子本质上较少受到电压波动的影响。参考图3，为相脚开关晶体管(例如IGBT)46提供栅极驱动集成电路45。为了将晶体管46驱动到其导通状态或截止状态，栅极驱动器包括一对互补的MOSFET 47和48。MOSFET 47和48的源极端子分别具有供电源电压-VCC和-VEE。MOSFET47是P沟道器件，并且MOSFET 48是N沟道器件。MOSFET对47/48在中间连接点49处具有输出端，并且具有连接到二者的栅极端子的输入端50。输出连接点49经由输出引脚51通过栅极电阻器52和增强的共源极电感53连接到晶体管46的开尔文发射极端子。通过将栅极电阻器52移动到驱动电路的发射极侧，晶体管46的栅极端子55可以具有到栅极驱动IC 45的单独连接(即，通过由栅极驱动功能和钳位功能共享的GND引脚56直接接地)。激活MOSFET 48使晶体管46导通，而激活MOSFET47使晶体管46截止。在一个优选示例中，使用大约7V的电压来产生电源电压-VEE，使用大约15V的电压来产生电源电压-VCC。
对于有源钳位功能，P沟道MOSFET 57的源极端子连接到栅极端子55(和接地)，并且P沟道MOSFET 57的漏极端子连接到开尔文发射极端子54(或另一个分离的开尔文发射极端子)，使得钳位MOSFET 57的布线绕过栅极电阻器52和增强的共源极电感53。使用P沟道器件允许源极端子接地，由此在栅极驱动和钳位功能之间共享引脚56。此外，将钳位MOSFET57接地的操作对噪声或电压波动具有更大的抗干扰性，并且可以可靠地维持有源钳位(与常规使用将栅极连接到源极电压的N沟道MOSFET相反)。
在电驱动***的一些实施例中，可能需求相脚晶体管在导通和截止时提供不同的开关特性。例如，关断时间与导通时间不同可能是有利的。因此如图4所示，利用栅极电阻的不同值来导通和关断是已知的。使用栅极驱动IC 60来控制相脚晶体管61。栅极驱动器具有一对互补的MOSFET 62和63，MOSFET 62和63分别通过各自的栅极电阻器64和65连接到晶体管61的栅极端子66。通过不同的电阻值在导通期间对栅极66进行充电和在关断期间对栅极66进行放电，由此在栅极驱动器中提供不同的时间常数以用于导通或关断。图4示出了在栅极端子66和发射极端子68之间连接的常规N沟道钳位MOSFET 67。
除了具有不同的导通和关断电阻之外，增强的共源极电感的不同值对于相应的导通/关断操作可能合乎期望。图5示出了用于增强具有晶体管71和72的相脚70中的共源极电感的第一实施例。在晶体管71的发射极侧，增强的LCSI 73具有第一部分73A和第二部分73B。第一栅极电阻器74连接到增强的LCSI 73的中间部分，使得其对应的导通或关断的增强的LCSI小于由第二栅极电阻器75获得的相反的导通或关断操作增强的LCSI。因此，晶体管71的分别导通和关断共源极电感共享部分电感73A，并且导致导通和关断的增强的LCSI不相等。晶体管72具有相同的配置，包括增强的LCSI 76(具有部分电感76A和76B)以及栅极电阻器77和78。
图6更详细地示出了栅极驱动器IC，并且示出了其中增强的LCSI具有用于导通和关断的独立电感的替代性实施例。因此，通过包括栅极驱动互补的MOSFET对82和83的栅极驱动器IC 81来控制相脚晶体管80。关断的MOSFET 82连接到第一输出引脚OUT1。晶体管80的开尔文发射极端子86通过栅极电阻器84和增强的共源极电感85连接到引脚OUT1。导通的MOSFET 83连接到第二输出引脚OUT2。开尔文发射极端子86通过栅极电阻器87和增强的共源极电感88连接到引脚OUT2。有源钳位功能类似于前面的实施例。晶体管80的栅极端子90连接到栅极驱动器IC 81的地引脚GND。地引脚在91接地，并且连接到P沟道钳位MOSFET 92的源极端子。MOSFET 92的漏极端子连接到钳位引脚，钳位引脚绕过栅极电阻和共源极电感直接连接到开尔文发射极端子86。因此，获得独立控制的导通和关断特性，而有源钳位开关和相脚开关的栅极都接地。因此，主动钳位功能获得了更高的可靠性，同时节省了相关驱动电路的成本和空间。也可以使用其他类型的半导体开关器件，并且本发明也可以使用驱动器/钳位电路的分立元件。

Claims (13)

1.一种由牵引马达驱动的车辆用的电驱动器，包括：
具有正极母线和地母线的DC链路，所述DC链路配置为接收DC电源电压；
在所述正极母线和所述地母线之间以桥式配置连接的多个相脚，每个所述相脚具有串联的上部晶体管和下部晶体管、以及提供相脚输出端的中间连接点；和
用于每个所述相脚的、分别向所述上部晶体管和所述下部晶体管提供栅极驱动信号的上部栅极驱动电路和下部栅极驱动电路，其中每个所述驱动电路包括用于分别停用所述上部晶体管和所述下部晶体管的有源钳位；
其中所述晶体管包括半导体器件，并且所述半导体器件各自具有相应的栅极、集电极、和发射极端子；
其中每对栅极和发射极端子适于在所述栅极和发射极端子之间提供增强的共源极电感；
其中每个栅极端子适于连接到所述驱动电路的接地电压；并且
其中每个相应的有源钳位包括P沟道MOSFET，所述P沟道MOSFET的源极端子连接到相应的晶体管的所述栅极端子，所述P沟道MOSFET的漏极端子绕过所述相应的增强的共源极电感而连接到所述相应的晶体管的所述发射极端子。
2.根据权利要求1所述的电驱动器，其中所述栅极驱动信号包括相对于所述接地电压的负信号电压，所述负信号电压选择性地施加到相应的发射极端子而不绕过所述相应的增强的共源极电感。
3.根据权利要求2所述的电驱动器，其中所述栅极驱动电路各自包括互补的MOSFET对，每个互补的MOSFET将相应的栅极信号连接到相应的发射极端子。
4.根据权利要求3所述的电驱动器，其中每个相应的增强的共源极电感包括相应的导通的共源极电感和相应的关断的共源极电感，其中所述相应的导通的共源极电感和所述相应的关断的共源极电感分别连接到所述互补的MOSFET中的相应的一个。
5.根据权利要求4所述的电驱动器，其中所述相应的导通的共源极电感和所述相应的关断的共源极电感不相等。
6.根据权利要求4所述的电驱动器，其中所述相应的导通的共源极电感和所述相应的关断的共源极电感共享部分电感。
7.一种用于逆变器相位晶体管的栅极驱动器，包括：
栅极信号发生器，所述栅极信号发生器将晶体管的栅极接地，并且选择性地将所述晶体管的发射极连接到负电压，其中栅极信号流经与所述发射极相关的增强的共源极电感；和
包括P沟道MOSFET的有源钳位，所述P沟道MOSFET的源极连接到所述栅极，并且所述P沟道MOSFET的漏极绕过所述增强的共源极电感而连接到所述发射极。
8.根据权利要求7所述的栅极驱动器，其中所述栅极信号发生器包括互补的MOSFET对，每个互补的MOSFET将所述栅极信号的相应部分连接到所述发射极。
9.根据权利要求8所述的栅极驱动器，其中所述增强的共源极电感包括导通的共源极电感和关断的共源极电感，其中所述导通的共源极电感和所述关断的共源极电感各自连接到所述互补的MOSFET中的相应的一个。
10.根据权利要求9所述的栅极驱动器，其中所述相应的导通的共源极电感和所述相应的关断的共源极电感不相等。
11.根据权利要求9所述的栅极驱动器，其中所述相应的导通的共源极电感和所述相应的关断的共源极电感共享部分电感。
12.根据权利要求7所述的栅极驱动器，其中所述发射极包括开尔文发射极。
13.一种逆变器，包括：
具有串联的上部晶体管和下部晶体管的相脚，所述上部晶体管和所述下部晶体管适于在正母线和地母线之间连接；和
分别向所述上部晶体管和所述下部晶体管提供栅极驱动信号的上部栅极驱动电路和下部栅极驱动电路，并且所述上部栅极驱动电路和所述下部栅极驱动电路各自包括用于分别停用所述上部晶体管和所述下部晶体管的有源钳位；
其中所述晶体管包括半导体器件，每个所述半导体器件具有各自的栅极、集电极、和发射极端子；
其中每对栅极和发射极端子适于在所述栅极和发射极端子之间提供增强的共源极电感；以及
其中每个所述栅极端子适于连接到所述驱动电路的接地电压。
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