用于汽车可变电压转换器的栅极控制电路

技术领域

本公开涉及汽车电力系统。

背景技术

机动车辆可以包括用于生成推进动力的电机和用于为电机提供能量和从电机接收能量的牵引电池。各种电力电子电路通常设置在电机与牵引电池之间。

发明内容

一种可变电压转换器包括一对串联连接的开关和电路，所述电路包括另一个开关和光耦合器，光耦合器响应于通过所述串联连接的开关中的至少一个的电流变化超过预定义阈值而激活。所述光耦合器的激活使所述另一个开关导通并减小所述串联连接的开关中的所述至少一个的栅极电压以减小通过所述串联连接的开关中的所述至少一个的所述电流变化。

一种方法包括：响应于通过一对串联连接的开关中的一个的电流变化超过预定义阈值，激活光耦合器以使另一个开关导通并减小所述对串联连接的开关中的所述一个的栅极电压以减小通过所述对串联连接的开关中的所述一个的所述电流变化。

一种车辆电力系统包括牵引电池、电机和电气地介于所述牵引电池和电机之间的功率转换器。所述功率转换器包括一对串联连接的开关和电路。所述电路包括另一个开关和光耦合器，所述光耦合器响应于通过所述串联连接的开关中的一个的电流变化超过预定义阈值而激活。所述光耦合器的激活使所述另一个开关导通并减小所述串联连接的开关中的所述一个的栅极电压以减小通过所述串联连接的开关中的所述一个的所述电流变化。

附图说明

图1是汽车电驱动系统的示意图。

图2A至图2C是用于载波信号、调制信号和栅极信号的迹线。

图3是场效应晶体管栅极控制电路的示意图。

图4A至图4F是与图1的可变电压转换器的各种电压和电流相关联的迹线。

图5A至图5F是与利用图3的栅极控制电路的可变电压转换器的各种电压和电流相关联的迹线。

图6A至图6F是与利用图3的栅极控制电路的可变电压转换器的各种电压和电流相关联的迹线。

具体实施方式

本文描述了实施例。然而，应当理解，所公开的实施例仅是示例并且其他实施例可采用各种和替代的形式。附图不一定按比例绘制。一些特征可被放大或最小化以示出特定部件的细节。因此，本文所公开的具体结构细节和功能细节不应被解释为是限制性的，而是仅仅作为用于教导本领域技术人员的代表性基础。

参考任一附图示出和描述的各种特征可以与一个或多个其他附图中示出的特征相结合，以产生没有明确示出或描述的实施例。示出的特征的组合提供用于典型应用的代表性实施例。然而，对于特定的应用或实施方式，可能期望与本公开的教导一致的对特征的各种组合和修改。

图1示出了用于混合动力电动车辆(HEV)的电驱动(e驱动)系统10。其包括牵引电池12、可变电压转换器(VVC)14、与牵引电池12和VVC 14并联并且电气地介于其之间的电容器16、逆变器18、20、与VVC 14和逆变器18、20中的每一个并联并且电气地介于其之间的电容器22、与逆变器18电连接的牵引马达24以及与逆变器20电连接的发电机26。VVC 14包括全部共享公共节点的一对串联连接的场效应晶体管(FET)28、30(例如，绝缘栅双极晶体管(IGBT))和电感器32。类似地，逆变器18、20各自包括三对这样的FET 34-36、38-40、42-44、46-48、50-52、54-56。一个或多个控制器59与先前提及的元件通信/对其施加控制。

VVC 14和逆变器18可以通过控制对应的FET 28、30、34、36、38、40、42、44来操作，以将电力从牵引电池12传递到牵引马达24。同样地，VVC 14和逆变器20可以通过控制对应的FET 28、30、46、48、50、52、54、56来操作，以将电力从发电机26传递到牵引电池12。

为了不具有其中多对FET中的一对同时导通的情况，将在其间该对FET中的两个FET都关断的暂停时间(例如，小间隔)引入对VVC 14和逆变器18、20的标准脉冲宽度调制(PWM)控制中。然而，这种消隐时间可能导致逆变器18、20中的输出波形失真和基波电压损耗，特别是当输出电压较低时。对于VVC 14而言，暂停时间可能会引入其他问题，如下面所解释的。

PWM方法用于控制VVC 14。如图2A至图2C所示，调制信号与载波进行比较以生成用于FET 28、30的栅极信号S

当牵引电池12放电时，FET 30的占空比是实现电压升压功能的关键。升压电压可以被表示为

其中，D＝T

当牵引电池12充电时，FET 28的占空比是实现电压降压功能的关键。然而，暂停时间使FET 28具有如下的不连续占空比：

1)S

2)S

因此，在暂停时间T

1)在实际应用中，通过使用闭环控制来控制DC总线电压。不连续的DC总线电压操作(例如，220V和275V的交替)可能导致低频谐振，这在牵引电池12和电感器32中生成大的低频电流纹波。

2)如果电池电压高(例如，400V)，则最小DC总线电压可能超过500V。如果该500V电压对于DC总线来说是不可接受的，则直通模式是一种选择，使得DC总线电压被限制为400V。这可能会限制马达/发电机的操作范围。

3)以上是由于暂停时间引起的，并且当开关频率较高时可能变得更加明显。

这里，引入了电路，该电路减小或消除暂停时间并且允许系统不具有一对FET中的两个FET同时导通的情况。图3示出了在硅基IGBT 60(也可以使用碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、硅MOSFET等)的背景下的这种电路58的示例。也就是说，IGBT 60可以表示FET 28、30、34、36、38、40、42、44、46、48、50、52、54、56中的任一者。L

如果电流变化大于预定义阈值(其可以基于设计考虑因素和/或模拟来设定)，则光耦合器Q导通并且电阻器R

当FET 28、30、34、36、38、40、42、44、46、48、50、52、54、56中的每一个采用电路58时，e驱动系统10不会遇到以下情况：即使没有暂停时间，给定对FET中的两个FET也都导通。VVC 14不会遇到不连续的DC总线电压操作，使得将不会发生低频谐振和过升压电压。逆变器18、20不会遇到输出波形失真和基波电压损耗以提高马达驱动性能。因此，e驱动系统可以表现出更好的性能。

e驱动系统10用作模拟中的示例以验证操作，其中具有其驱动器的FET 28、30采用电路58。在该模拟中，没有在FET 28、30的控制信号(即，图3中的V

首先，检查与FET 30的V

其次，检查与FET 30的V

最后，检查在两个栅极信号互补的情况下电路58如何工作。换句话说，两个栅极控制电压V

采用基于光耦合器的反馈控制电路以通过感测集电极电流di/dt来调整FET栅极电压。因此，通过FET的电流变化受到很好的管理。

即使控制信号中没有暂停时间，VVC 14和逆变器18、20也不会遇到其中一对FET中的两个FET同时导通的情况。其他布置可能需要针对其逆变器和VVC的暂停时间(例如，2μs至5μs)，以便在上开关与下开关之间切换。

采用所提出的电路的VVC可能不具有不连续的DC总线电压操作，使得不会发生低频谐振和过升压电压。

采用所提出的电路的逆变器可能不具有输出波形失真和基波电压损耗。因此，对应的e驱动系统性能可以提高。

本文公开的算法、方法或过程可以被输送到计算机、控制器或处理装置或由计算机、控制器或处理装置实施，计算机、控制器或处理装置可以包括任何专用电子控制单元或可编程电子控制单元。相似地，算法、方法或过程可以多种形式存储为可由计算机或控制器执行的数据和指令，包括但不限于永久存储在诸如只读存储器装置的不可写存储介质上的信息和可改地存储在诸如光盘、随机存取存储器装置或其他磁性和光学介质的可写存储介质上的信息。所述算法、方法或过程也可以以软件可执行对象来实施。替代地，可使用合适的硬件部件(诸如专用集成电路、现场可编程门阵列、状态机或其他硬件部件或装置)或固件、硬件和软件部件的组合来整体或部分实现所述算法、方法或过程。

虽然上文描述了示例性实施例，但这些实施例并不意图描述权利要求所涵盖的所有可能形式。在说明书中使用的词语是描述性词语而非限制性词语，并且应当理解，可在不脱离本公开的精神和范围的情况下做出各种改变。词语“控制器”和“多个控制器”在本文可以互换。而且，词语“开关”设想了接触器、场效应晶体管和其他电气断开装置。

如前所述，各个实施例的特征可被组合以形成本发明的可能未被明确描述或示出的另外的实施例。虽然各种实施例可能已经被描述为就一个或多个期望的特性而言相较其他实施例或现有技术实施方式提供了优点或是优选的，但是本领域普通技术人员应认识到，一个或多个特征或特性可被折衷以实现期望的总体系统属性，这取决于具体的应用和实施方式。这些属性可包括但不限于：强度、耐久性、可销售性、外观、包装、大小、可服务性、重量、可制造性、易组装性等。这样，描述为就一个或多个特性而言较其他实施例或现有技术实施方式不太期望的实施例不在本公开的范围之外，并且对于特定应用可能是期望的。

根据本发明，提供了一种可变电压转换器，其具有：一对串联连接的开关；和电路，所述电路包括另一个开关和光耦合器，所述光耦合器被配置为响应于通过所述串联连接的开关中的至少一个的电流变化超过预定义阈值而激活，其中所述光耦合器的激活使所述另一个开关导通并减小所述串联连接的开关中的所述至少一个的栅极电压以减小通过所述串联连接的开关中的所述至少一个的所述电流变化。

根据一个实施例，所述电路被配置为电连接所述串联连接的开关中的所述至少一个的端子和栅极。

根据一个实施例，所述电路被配置为通过所述另一个开关电连接所述端子和所述栅极。

根据一个实施例，所述电路的节点电连接在所述开关中的至少一个的栅极和驱动器之间。

根据一个实施例，所述串联连接的开关是绝缘栅双极晶体管。

根据一个实施例，所述另一个开关是金属氧化物半导体场效应晶体管。

根据本发明，一种方法包括：响应于通过一对串联连接的开关中的一个的电流变化超过预定义阈值，激活光耦合器以使另一个开关导通并减小所述对串联连接的开关中的所述一个的栅极电压以减小通过所述对串联连接的开关中的所述一个的所述电流变化。

在本发明的一个方面，所述方法包括电连接所述对串联连接的开关中的所述一个的端子和栅极，以减小所述对串联连接的开关中的所述一个的所述栅极电压。

在本发明的一个方面，所述方法包括通过所述另一个开关电连接所述端子和所述栅极。

在本发明的一个方面，所述串联连接的开关是绝缘栅双极晶体管。

在本发明的一个方面，所述另一个开关是金属氧化物半导体场效应晶体管。

根据本发明，提供了一种车辆电力系统，其具有：牵引电池；电机；以及功率转换器，所述功率转换器电气地介于所述牵引电池和电机之间并且包括一对串联连接的开关和电路，其中所述电路包括另一个开关和光耦合器，所述光耦合器被配置为响应于通过所述串联连接的开关中的一个的电流变化超过预定义阈值而激活，其中所述光耦合器的激活使所述另一个开关导通并减小所述串联连接的开关中的所述一个的栅极电压以减小通过所述串联连接的开关中的所述一个的所述电流变化。

根据一个实施例，所述电路被配置为电连接所述串联连接的开关中的所述至少一个的端子和栅极。

根据一个实施例，所述电路被配置为通过所述另一个开关电连接所述端子和所述栅极。

根据一个实施例，所述电路的节点电连接在所述开关中的至少一个的栅极和驱动器之间。

根据一个实施例，所述串联连接的开关是绝缘栅双极晶体管。

根据一个实施例，所述另一个开关是金属氧化物半导体场效应晶体管。