结温补偿栅极驱动器的制作方法
本申请总体上涉及一种用于功率模块的固态开关的栅极驱动器，在所述功率模块中，来自功率模块的电流传感器的输出与来自固态开关的电流镜的信号之间的比较用于调节固态开关的操作以降低固态开关的温度。
背景技术
电气化车辆(包括混合动力电动车辆(hev)、插电式混合动力电动车辆(phev)和电池电动车辆(bev))依靠牵引电池向用于推进的牵引马达提供电力，并且依靠牵引电池与牵引马达之间的功率逆变器将直流(dc)电转换为交流(ac)电。典型的ac牵引马达是三相马达，所述三相马达可由三个正弦信号提供电力，所述三个正弦信号中的每个以120度的相位分离被驱动。牵引电池被配置为在特定电压范围内操作，并且提供最大电流。牵引电池可选地被称作高电压电池。
此外，很多电气化车辆包括dc-dc转换器(还被称作可变电压转换器(vvc))，以将牵引电池的电压转换为电机的操作电压水平。电机(可包括牵引马达)可能需要高电压和高电流。由于电压、电流和开关的要求，固态开关(诸如，绝缘栅双极结型晶体管(igbt))通常用于在功率逆变器和vvc中产生信号。
技术实现要素：
一种车辆动力传动系统包括功率逆变器和控制器。功率逆变器包括：负载开关，与镜像开关单片集成；电流传感器，被配置为测量流过负载开关的电流以提供用于马达的矢量控制的电流反馈。控制器可被配置为：响应于由于负载开关的温度变化而产生的镜像开关的镜像电流与电流传感器的输出之间的差，操作功率逆变器以降低负载开关的温度。
根据本发明的一个实施例，所述操作功率逆变器以降低负载开关的温度包括：减小负载开关的开关频率。
一种控制车辆动力传动系统的方法包括：响应于镜像电流超过阈值，禁用逆变器开关，逆变器开关与使镜像电流流动的镜像开关单片集成。所述方法还基于来自逆变器电流传感器的信号控制车辆动力传动系统，并且响应于由于逆变器开关的温度变化而产生的镜像电流与所述信号之间的差，操作车辆动力传动系统以降低逆变器开关的温度。
根据本发明的一个实施例，所述操作车辆动力传动系统以降低逆变器开关的温度包括：减小车辆动力传动系统的负载开关的开关频率。
一种车辆动力传动系统逆变器包括绝缘栅双极结型晶体管(igbt)、电流传感器和控制器，所述igbt与镜像igbt单片集成，电流传感器被配置为测量流过所述igbt的电流。所述控制器可被配置为：响应于由于所述igbt的温度变化而产生的所述镜像igbt的镜像电流与电流传感器的输出之间的差，操作所述igbt以降低所述igbt的温度。
根据本发明的一个实施例，所述输出是模拟输出，所述差通过应用于所述输出的缩放因子被调节。
根据本发明的一个实施例，所述操作所述igbt以降低所述igbt的温度包括减小所述igbt的脉冲宽度调制占空比。
根据本发明的一个实施例，所述控制器基于随时间而累积误差的基于模型的结温估计模型来操作所述igbt，所述控制器还被配置为：基于所述差调节所述基于模型的结温估计模型，以使所述误差最小化。
根据本发明的一个实施例，对所述基于模型的结温估计模型的调节是周期性的。
附图说明
图1是示出典型的动力传动系统和能量储存组件的混合动力车辆的示图，在典型的动力传动系统和能量储存组件之间具有可变电压转换器和功率逆变器。
图2是车载可变电压转换器的示意图。
图3是车载电机逆变器的示意图。
图4是具有温度补偿电路的控制电路的示意图。
图5是具有电流镜和感测电阻器的绝缘栅双极结型晶体管的示意图。
图6是igbt的集电极电流相对于集电极与发射极之间的电压以及与igbt单片集成的镜像器件的镜像电流相对于集电极与发射极之间的电压的图形示图。
具体实施方式
在此描述本公开的实施例。然而，将理解的是，所公开的实施例仅为示例，并且其它实施例可采用各种形式和替代形式。附图不必按比例绘制；可夸大或最小化一些特征以示出特定组件的细节。因此，在此公开的具体结构和功能细节不应被解释为具有限制性，而仅仅作为用于教导本领域技术人员以多种形式利用本发明的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解的是，参考任一附图示出和描述的各种特征可与在一个或更多个其它附图中示出的特征组合，以产生未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实施例。然而，与本公开的教导一致的特征的各种组合和变型可被期望用于特定的应用或实施方式。
在考虑诸如hev、phev或bev的xev时，操作状况可在xev的寿命期间显著变化。例如，在动力传动系统中操作的功率器件(诸如，转换器中的晶体管，所述转换器包括dc-dc转换器或dc-ac转换器)可在宽温度范围内操作，因此，转换器中的功率器件可具有从极低温度(例如，-40℃)变化到非常高的温度(例如，150℃)的结温(tj)。随着操作电压变化，由于功率器件的击穿电压(vb)是tj的函数，因此，功率器件的击穿电压(vb)也变化。在此，公开这样的电路：用于自动调节器件结温的变化以更好地避免器件的反向电压击穿。通常室温是25℃，低温是低于室温的任何温度，而非常低的温度是低于0℃(即，水结冰的温度)的任何温度。通常，开关的击穿电压在室温(即，25℃)下被测量。igbt的击穿可被指定为：当限制与该指定相关联的状况时，在栅极短接到发射极的情况下集电极到发射极的击穿电压(bvces)。例如，所述指定可将击穿状况限制为温度为25℃同时集电极电流是1ma并且vge是0v。然而，当在恶劣环境中使用时，击穿电压bvces可在-25℃时再下降5％并在-50℃时再下降7％。
因此，车辆中的电气模块(诸如，dc-dc转换器或dc-ac转换器)可具有电压峰值，在tj大于室温时所述电压峰值低于击穿电压，在低温时所述电压峰值可超过击穿电压。电压峰值基于栅极电流幅值、通过开关的电流的变化率和电流的幅值。通常开关的击穿电压基于电路拓扑和制造工艺。对于给定的电流容量，具有较高击穿电压的开关通常具有较高成本，在一些实例中，具有较高击穿电压的开关由于开关的材料限制而不可实现。利用开关的电路设计者通常期望操作开关接近击穿电压而不超过击穿电压。因此，为了满足开关的要求和约束，通常利用跨越操作的整个温度范围的最小击穿电压来设计系统。然而，通常开关仅在非常低或极低的温度(例如，-50℃、-40℃、-35℃、-25℃、-15℃或-5℃)下工作一段很短的时间，然后，组件升温(内部升温或通过利用外部加热器升温)并且击穿电压升高。为了降低成本和提高效率，公开了这样的方法和电路：用于基于开关的温度调节开关的栅极电流以在开关操作在低温或非常低的温度时成比例地调节负载电流。
通常，固态器件(ssd)(诸如，绝缘栅双极结型晶体管(igbt)、金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)或双极结型晶体管(bjt))广泛用于各种车辆应用和工业应用(诸如，电动马达驱动、功率逆变器、dc-dc转换器以及功率模块)。igbt和mosfet的操作是电压控制的，其中，所述igbt和mosfet的操作是基于施加到igbt或mosfet的栅极的电压的，而bjt的操作是电流控制的，其中，所述bjt的操作是基于施加到bjt的基极的电流的。这里将讨论igbt的使用，但是结构和方法可适用于其它ssd，例如，绝缘栅ssd包括igbt和mosfet二者。igbt的操作由栅极驱动器提供的栅极电压控制。传统的栅极驱动器通常基于施加到带有限流电阻器的igbt的栅极的大于阈值电压的电压，所述栅极驱动器通常由可开关电压源和栅极电阻器构成。低栅极电阻会导致快速的开关速度和低的开关损耗，但是还可导致半导体器件上的较高应力(例如，过电压应力)。因此，栅极电阻被选择以在开关损耗、开关延迟和应力之间寻求折衷。当使igbt截止时，栅极电阻器使从栅极流出的电流减小，从而使igbt的截止时间加长。此外，igbt在导通和截止期间具有不相等的损耗，因此，可利用提供不同于截止电阻的导通电阻的栅极驱动器。
在此公开一种igbt结温监测系统和方法，所述系统和方法可被实现为同时具有高准确度和低成本。这种系统和方法基于来自至少一个逆变器输出电流传感器和igbt电流镜传感器的数据来推导开关的tj。主要原理利用这种特性：igbt电流镜传感器的输出对tj的变化敏感，同时逆变器输出电流传感器的输出几乎甚至完全不受tj变化的影响。因此，通过将igbt电流镜传感器的输出与逆变器输出电流传感器的输出进行比较，igbt的tj可被推导出来。
通常，逆变器电流传感器用于车载电动动力传动系统以进行输出电流控制，并用于针对偶尔因控制不稳定或外部短路而产生的故障提供保护功能。igbt电流镜传感器本地地监测电流。igbt电流镜传感器可用于保护igbt免受外部短路或内部短路导致的故障的影响。内部短路包括由于高处igbt和低处igbt的同时导通而导致的短路。通常，输出电流传感器使用具有高准确度的霍尔效应传感器或gmr(巨磁阻)传感器。igbt电流镜传感器是使主igbt的部分电流流动的镜像igbt芯片。
图1描绘了可被称作插电式混合动力电动车辆(phev)的电气化车辆112。插电式混合动力电动车辆112可包括机械地连接至混合动力传动装置116的一个或更多个电机114。电机114能够作为马达或发电机运转。此外，混合动力传动装置116机械地连接至发动机118。混合动力传动装置116还机械地连接至驱动轴120，驱动轴120机械地连接至车轮122。电机114能在发动机118启动或关闭时提供推进和减速能力。电机114还可用作发电机，并且能够通过回收在摩擦制动系统中通常将作为热损失掉的能量来提供燃料经济性效益。电机114还可通过允许发动机118以更高效的转速运转并允许混合动力电动车辆112在特定状况下以发动机118关闭的电动模式运转而减少车辆排放。电气化车辆112还可以是电池电动车辆(bev)。在bev配置中，发动机118可不存在。在其它配置中，电气化车辆112可以是没有插电能力的全混合动力电动车辆(fhev)。
牵引电池或电池组124储存可被电机114使用的能量。车辆电池组124可提供高电压直流电(dc)输出。牵引电池124可电连接至一个或更多个电力电子模块126。一个或更多个接触器142可在断开时将牵引电池124与其它组件隔离，并且可在闭合时将牵引电池124连接到其它组件。电力电子模块126还电连接至电机114，并提供在牵引电池124与电机114之间双向传输能量的能力。例如，牵引电池124可提供dc电压，而电机114可使用三相交流电(ac)来运转。电力电子模块126可将dc电压转换为三相ac电流来运转电机114。在再生模式下，电力电子模块126可将来自用作发电机的电机114的三相ac电流转换为与牵引电池124兼容的dc电压。
车辆112可包括在牵引电池124和电力电子模块126之间电连接的可变电压转换器(vvc)152。vvc152可以是被配置为增大或升高由牵引电池124提供的电压的dc/dc升压转换器。通过增大电压，电流需求可被降低，从而导致电力电子模块126和电机114的布线尺寸减小。此外，电机114可在更高的效率和更低的损耗下运转。
牵引电池124除了提供用于推进的能量之外，还可为其它车辆电气系统提供能量。车辆112可包括dc/dc转换器模块128，dc/dc转换器模块128将牵引电池124的高电压dc输出转换成与低电压车辆负载兼容的低电压dc电源。dc/dc转换器模块128的输出可电连接至辅助电池130(例如，12v电池)，以用于对辅助电池130进行充电。低电压系统可电连接至辅助电池130。一个或更多个电负载146可连接至高电压总线。电负载146可具有关联的控制器，所述控制器适时地操作并控制电负载146。电负载146的示例可以是风扇、电加热元件和/或空调压缩机。
电气化车辆112可被配置为通过外部电源136对牵引电池124进行再充电。外部电源136可连接到电插座。外部电源136可电连接至充电器或电动车辆供电设备(evse)138。外部电源136可以是由公共电力公司提供的配电网或电网。evse138可提供电路和控制，以调节和管理电源136与车辆112之间的能量传输。外部电源136可向evse138提供dc电力或ac电力。evse138可具有用于插入到车辆112的充电端口134中的充电连接器140。充电端口134可以是被配置为从evse138向车辆112传输电力的任何类型的端口。充电端口134可电连接至充电器或车载功率转换模块132。功率转换模块132可对从evse138供应的电力进行调节，以向牵引电池124提供合适的电压水平和电流水平。功率转换模块132可与evse138进行接口连接，以协调对车辆112的电力传输。evse连接器140可具有与充电端口134的对应凹槽匹配的引脚。可选地，被描述为电耦合或电连接的各种组件可使用无线感应耦合来传输电力。
可提供一个或更多个车轮制动器144，以使车辆112减速并阻止车辆112移动。车轮制动器144可以是液压致动的、电致动的或者它们的某种组合。车轮制动器144可以是制动系统150的一部分。制动系统150可包括用于操作车轮制动器144的其它组件。为简单起见，附图描绘了制动系统150与车轮制动器144中的一个之间的单一连接。制动系统150与其它车轮制动器144之间的连接被隐含。制动系统150可包括控制器，以监测和协调制动系统150。制动系统150可监测制动组件并控制车轮制动器144以使车辆减速。制动系统150可对驾驶员命令做出响应并且还可自主运转以实现诸如稳定性控制的功能。当制动系统150的控制器被另一控制器或子功能请求时，制动系统150的控制器可实现施加被请求的制动力的方法。
车辆112中的电子模块可经由一个或更多个车辆网络进行通信。车辆网络可包括用于通信的多个信道。车辆网络的一个信道可以是诸如控制器局域网(can)的串行总线。车辆网络的信道中的一个可包括由电气与电子工程师协会(ieee)802标准族定义的以太网。车辆网络的其它信道可包括模块之间的离散连接，并且可包括来自辅助电池130的电力信号。不同的信号可通过车辆网络的不同信道进行传输。例如，视频信号可通过高速信道(例如，以太网)进行传输，而控制信号可通过can或离散信号进行传输。车辆网络可包括协助在模块之间传输信号和数据的任何硬件组件和软件组件。虽然车辆网络在图1中未被示出，但是可隐含了车辆网络可连接到在车辆112中存在的任何电子模块。可存在车辆系统控制器(vsc)148来协调各个组件的操作。
图2描绘了vvc152的示图，vvc152被配置为升压转换器。vvc152可包括可通过接触器142连接至牵引电池124的端子的输入端子。vvc152可包括连接至电力电子模块126的端子的输出端子。vvc152可被操作为使输出端子处的电压高于输入端子处的电压。车辆112可包括vvc控制器200，vvc控制器200监测和控制vvc152中的多个位置处的电参数(例如，电压和电流)。在一些配置中，vvc控制器200可作为vvc152的一部分被包括。vvc控制器200可确定输出电压基准
可控制vvc152的输出电压以实现期望的基准电压。在一些配置中，vvc152可以是升压转换器。在升压转换器配置中，vvc控制器200控制占空比，输入电压vin、输出电压vout和占空比d之间的理想关系可使用以下等式来示出：
期望的占空比d可通过测量输入电压(例如，牵引电池电压)和将输出电压设置为基准电压来确定。vvc152可以是从输入到输出使电压降低的降压转换器。在降压配置中，可以得到将输入和输出电压与占空比相关联的不同表达式。在一些配置中，vvc152可以是可增大或减小输入电压的降压-升压转换器。这里描述的控制策略不限于特定的可变电压转换器拓扑结构。
参照图2，vvc152可升高或“提高”(stepup)由牵引电池124提供的电力的电势。牵引电池124可提供高电压(hv)dc电力。在一些配置中，牵引电池124可提供150伏特与400伏特之间的电压。接触器142可串联电连接在牵引电池124与vvc152之间。当接触器142闭合时，hvdc电力可从牵引电池124被传输到vvc152。输入电容器202可与牵引电池124并联电连接。输入电容器202可稳定总线电压并减小任何电压纹波和电流纹波。vvc152可接收hvdc电力，并根据占空比来升高或“提高”输入电压的电势。
输出电容器204可电连接在vvc152的输出端子之间。输出电容器204可稳定总线电压并降低vvc152的输出处的电压纹波和电流纹波。
进一步参照图2，vvc152可包括用于提高输入电压以提供升高的输出电压的第一开关器件206和第二开关器件208。开关器件206和208可被配置为：选择性地使电流流向电负载(例如，电力电子模块126和电机114)。每个开关器件206、208可通过vvc控制器200的栅极驱动电路(未示出)来独立控制，并可包括任意类型的可控开关(例如，绝缘栅双极结型晶体管(igbt)或场效应晶体管(fet))。栅极驱动电路可向开关器件206和208中的每个提供基于控制信号(例如，pwm控制信号的占空比)的电信号。可在开关器件206和208中的每个的两端连接二极管。开关器件206和208可分别具有关联的开关损耗。开关损耗是在开关器件的状态变化(例如，导通/截止转换和截止/导通转换)期间产生的功率损耗。开关损耗可通过在转换期间流过开关器件206和208的电流以及开关器件206和208两端的电压来量化。开关器件还可具有在器件导通时产生的相关联的导通损耗。
车辆系统可包括用于测量vvc152的电参数的传感器。第一电压传感器210可被配置为测量输入电压(例如，电池124的电压)，并向vvc控制器200提供相应的输入信号(vbat)。在一个或更多个实施例中，第一电压传感器210可测量输入电容器202两端的电压，所述电压与电池电压相对应。第二电压传感器212可测量vvc152的输出电压并向vvc控制器200提供相应的输入信号(vdc)。在一个或更多个实施例中，第二电压传感器212可测量输出电容器204两端的电压，所述电压与dc总线电压相对应。第一电压传感器210和第二电压传感器212可包括用于将电压缩放到适合于vvc控制器200的水平的电路。vvc控制器200可包括用于对来自第一电压传感器210和第二电压传感器212的信号进行滤波和数字化的电路。
输入电感器214(通常被称为升压电感器)可串联电连接在牵引电池124和开关器件206、208之间。输入电感器214可在将能量储存在vvc152中和释放vvc152中的能量之间转换，从而能够提供可变的电压和电流作为vvc152的输出，并且能够实现期望的电压升高。电流传感器216可测量流过输入电感器214的输入电流，并向vvc控制器200提供相应的电流信号(il)。流过输入电感器214的输入电流可以是vvc152的输入电压和输出电压之间的电压差、开关器件206和208的导通时间以及输入电感器214的电感l共同作用的结果。vvc控制器200可包括用于对来自电流传感器216的信号进行缩放、滤波和数字化的电路。
vvc控制器200可被配置为控制vvc152的输出电压。vvc控制器200可通过车辆网络从vvc152或其它控制器接收输入，并确定控制信号。vvc控制器200可监测输入信号
vvc152的控制信号可被配置为：在特定的开关频率下驱动开关器件206、208。在开关频率的每个周期内，可以以指定的占空比操作开关器件206、208。占空比定义了开关器件206、208处于导通状态和截止状态的时间量。例如，100％的占空比可使开关器件206、208在无截止的连续的导通状态下操作。0％的占空比可使开关器件206、208在无导通的连续的截止状态下操作。50％的占空比可使开关器件206、208在导通状态下操作持续半个周期并且在截止状态下操作持续半个周期。两个开关器件206、208的控制信号可以是互补的。也就是说，发送到开关器件之一(例如，开关器件206)的控制信号可以是发送到其它开关器件(例如，开关器件208)的控制信号的相反版本。利用对开关器件206、208的互补控制适于避免电流直接流过高侧开关器件206和低侧开关器件208的击穿状况。高侧开关器件206也被称为通过器件206，低侧开关器件208也被称为充电器件208。
由开关器件206、208控制的电流可包括纹波成分，所述纹波成分的幅值随着电流的幅值、开关器件206、208的占空比和开关频率的变化而变化。相对于输入电流，最差情况的纹波电流幅值发生在相对高的输入电流状况期间。当占空比固定时，电感器电流的增大引起纹波电流的幅值增大。纹波电流的幅值还与占空比相关。当占空比等于50％时，出现最高幅值的纹波电流。基于这些事实，有益的是实现测量以减小在高电流和中范围的占空比的状况下的纹波电流幅值。
在设计vvc152时，电感器214的开关频率和电感值可被选择以满足最大容许的纹波电流幅值。纹波成分可以是在dc信号上出现的周期性变化。纹波成分可根据纹波成分幅值和纹波成分频率来定义。纹波成分可具有在可听频率范围内的谐波，可增加车辆的噪声特征。此外，纹波成分可导致难以准确控制由源供电的器件。在开关瞬变期间，开关器件206、208可在最大电感器电流(dc电流加上纹波电流)时截止，最大电感器电流可产生开关器件206、208上的大电压尖峰。由于尺寸和成本的约束，电感值可基于导通电流而被选择。总体上，随着电流增大，电感可由于饱和而减小。
开关频率可被选择以限制在最差情况的情形(例如，最高输入电流和/或占空比接近于50％的状况)下的纹波电流成分的幅值。开关器件206、208的开关频率可被选择为大于马达/发电机逆变器的开关频率(例如，5khz)的频率(例如，10khz)，所述马达/发电机逆变器连接到vvc152的输出。在一些应用中，vvc152的开关频率可被选择为预定固定频率。预定固定频率通常被选择以满足噪声和纹波电流规格。然而，预定固定频率的选择可能不能在vvc152的整个操作范围提供最佳性能。预定固定频率可提供对于特定操作状况集合的最佳结果，但是对于其它操作状况可能会折衷。
提高开关频率可减小纹波电流幅值并降低开关器件206、208上的电压应力，但是可能导致较高的开关损耗。在开关频率可被选择用于最差情况的纹波状况时，vvc152仅可在最差情况的纹波状况下操作总操作时间的小百分比。这样可导致可降低燃料经济性的不必要的高开关损耗。此外，固定开关频率可将噪声频谱集中到非常窄的范围内。在这个窄范围内的增大的噪声密度可导致显著的噪声、振动与声振粗糙度(nvh)问题。
vvc控制器200可被配置为基于占空比和输入电流来改变开关器件206、208的开关频率。开关频率的变化可通过减小开关损耗来提高燃料经济性，并在保持最差情况的操作状况下的纹波电流目标的同时还减少nvh问题。
在相对高的电流状况期间，开关器件206、208可经历增大的电压应力。在vvc152的最大操作电流处，可期望选择用于在开关损耗的水平合理的情况下减小纹波成分幅值的相对高的开关频率。开关频率可基于输入电流幅值而被选择，以使随着输入电流幅值增大，开关频率增大。开关频率可增大到预定的最大开关频率。预定的最大开关频率可以是在较低的纹波成分幅值与较高的开关损耗之间提供折衷的水平。开关频率可在操作电流范围内按照离散步长改变或持续改变。
vvc控制器200可被配置为响应于输入电流小于预定最大电流而减小开关频率。预定最大电流可以是vvc152的最大操作电流。开关频率的变化可基于输入到开关器件206、208的电流的幅值。当电流大于预定最大电流时，开关频率可被设置为预定最大开关频率。随着电流减小，纹波成分的幅值减小。通过随着电流减小而在较低的开关频率处进行操作，开关损耗减小。开关频率可基于输入到开关器件的功率而变化。由于输入功率是输入电流和电池电压的函数，因此，输入功率和输入电流可以按照类似的方式被利用。
由于纹波电流还受占空比影响，因此，开关频率可基于占空比而变化。可基于输入电压与输出电压的比确定占空比。因此，开关频率还可基于输入电压与输出电压之间的比而变化。当占空比接近50％时，预测的纹波电流幅值是最大值，开关频率可被设置为预定最大频率。预定最大频率可以是被选择以使纹波电流幅值最小化的最大开关频率值。开关频率可在占空比范围内按照离散步长改变或持续改变。
vvc控制器200可被配置为响应于占空比与预测的纹波成分幅值为最大时的占空比(例如，50％)之间的差的大小而从预定最大频率减小开关频率。当所述差的大小小于阈值时，开关频率可被设置为预定频率。当所述差的大小减小时，开关频率可朝着预定最大频率增大，以减小纹波成分幅值。当所述差的大小小于阈值时，开关频率可被设置为预定最大频率。
开关频率可被限制到预定最大频率与预定最小频率之间。预定最小频率可以是大于电力电子模块126的预定开关频率的频率水平，电力电子模块126连接到可变电压转换器152的输出。开关频率还可基于与igbt的栅极相关联的寄生电感。
参照图3，系统300被提供用于控制电力电子模块(pem)126。图3的pem126被示出为包括多个开关302(例如，igbt)，所述多个开关302被配置为共同操作为具有第一相桥(phaseleg)316、第二相桥318和第三相桥320的逆变器。尽管逆变器被示出为三相转换器，但是逆变器可包括额外的相桥。例如，逆变器可以是四相转换器、五相转换器、六相转换器等。此外，pem126可包括多个转换器，pem126中的每个逆变器包括三个或更多个相桥。例如，系统300可控制pem126中的两个或更多个逆变器。pem126还可包括具有高功率开关(例如，igbt)的dc至dc转换器，以经由升压、降压或它们的组合将电力电子模块输入电压转换为电力电子模块输出电压。
如图3所示，逆变器可以是dc至ac转换器。在操作中，dc至ac转换器通过dc总线304从dc电力链路(powerlink)306接收dc电力，并将dc电力转换为ac电力。ac电力经由相电流ia、ib和ic传输，以驱动ac电机，所述ac电机也被称作电机114(诸如在图3中描绘的三相永磁同步马达(pmsm))。在这个示例中，dc电力链路306可包括dc蓄电池，以向dc总线304提供dc电力。在另一示例中，逆变器可操作为将来自ac电机114(例如，发电机)的ac电力转换为dc电力的ac至dc转换器，其中，dc总线304可将dc电力提供至dc电力链路306。此外，系统300可控制其它电力电子拓扑结构中的pem126。
继续参照图3，逆变器中的相桥316、318和320中的每个均包括功率开关302，功率开关302可由多种类型的可控开关来实现。在一个实施例中，每个功率开关302可包括二极管和晶体管(例如，igbt)。图3中的二极管被标记为da1、da2、db1、db2、dc1和dc2，而图3的igbt分别被标记为sa1、sa2、sb1、sb2、sc1和sc2。功率开关sa1、sa2、da1和da2是三相转换器的相桥a的一部分，相桥a在图3中被标记为第一相桥a316。类似地，功率开关sb1、sb2、db1和db2是三相转换器的相桥b318的一部分，并且功率开关sc1、sc2、dc1和dc2是三相转换器的相桥c320的一部分。逆变器可根据逆变器的特定构造而包括任意数量的功率开关302或电路元件。二极管(dxx)与igbt(sxx)并联连接，然而，由于为了适当的操作，极性是相反的，因此该构造通常被称作反向并联连接。这种反向并联构造中的二极管还被称作续流二极管。
如图3所示，设置电流传感器csa、csb和csc以分别感测相桥316、318和320中的电流。图3示出了与pem126分离的电流传感器csa、csb和csc。然而，根据pem126的构造，电流传感器csa、csb和csc可被集成为pem126的一部分。图3中的电流传感器csa、csb和csc被安装成分别与相桥a、b和c(即，图3中的相桥316、318和320)串联，并分别提供用于系统300的反馈信号ias、ibs和ics(也在图3中示出)。反馈信号ias、ibs和ics可以是由逻辑器件(ld)310处理的原始电流信号，或者可被嵌入关于分别流过相桥316、318和320的电流的数据或信息，或者可利用所述数据或信息进行编码。此外，功率开关302(例如，igbt)可包括电流感测能力。电流感测能力可包括被配置有可提供表示ias、ibs和ics的数据/信号的电流镜像输出。所述数据/信号可指示分别流过相桥a、b和c的电流的方向、幅值或者方向和幅值两者。
再次参照图3，系统300包括逻辑器件(ld)或控制器310。控制器或ld310可由多种类型的电子装置和/或基于微处理器的计算机或控制器或者它们的组合来实现。为了实现控制pem126的方法，控制器310可执行被嵌入有所述方法或利用所述方法编码并且被存储在易失性存储器312和/或永久性存储器312中的计算机程序或算法。可选地，逻辑可被编码到离散逻辑、微处理器、微控制器或存储在一个或更多个集成电路芯片上的逻辑阵列或门阵列中。如图3中的实施例所示，控制器310接收并处理反馈信号ias、ibs和ics以控制相电流ia、ib和ic，使得相电流ia、ib和ic根据多种电流模式或电压模式流过相桥316、318和320并进入电机114的对应的绕组。例如，电流模式可包括流入和流出dc总线304或dc总线电容器308的相电流ia、ib和ic的模式。图3中的dc总线电容器308被示出为与pem126分离。然而，dc总线电容器308可被集成为pem126的一部分。
如图3所示，诸如计算机可读存储器的存储介质312(以下称为“存储器”)可存储被嵌入有所述方法或利用所述方法编码的计算机程序或算法。此外，存储器312可存储关于pem126中的各种操作状况或组件的数据或信息。例如，存储器312可存储关于流过各个相桥316、318和320的电流的数据或信息。如图3所示，存储器312可以是控制器310的一部分。然而，存储器312可被布置在控制器310可访问的任何合适的位置。
如图3所示，控制器310向功率转换器系统126发送至少一个控制信号236。功率转换器系统126接收控制信号236以控制逆变器的开关配置，从而控制流过各个相桥316、318和320的电流。所述开关配置是逆变器中的功率开关302的开关状态的集合。一般而言，逆变器的开关配置确定逆变器如何转换dc电力链路306与电机114之间的电力。
为了控制逆变器的开关配置，逆变器基于控制信号236将逆变器中的每个功率开关302的开关状态改变为闭合状态或断开状态。在示出的实施例中，为了将功率开关302切换到闭合状态或断开状态，控制器或ld310向每个功率开关302提供栅极电压(vg)，从而驱动每个功率开关302的开关状态。栅极电压vga1、vga2、vgb1、vgb2、vgc1和vgc2(在图3中示出)控制各个功率开关302的开关状态和特性。虽然逆变器在图3中被示出为电压驱动的器件，但是逆变器可以是电流驱动的器件，或者可由将功率开关302在闭合状态与断开状态之间进行切换的其它策略来控制。控制器310可基于电机114的转速、镜像电流或igbt开关的温度来改变每个igbt的栅极驱动。栅极驱动的变化可根据多个栅极驱动电流被选择，在所述多个栅极驱动电流中，栅极驱动电流的变化与igbt开关速度的变化成比例。
还如图3所示，相桥316、318和320中的每个包括两个开关302。然而，在相桥316、318和320中的每个中仅有一个开关可以在不会使dc电力链路306短路的情况下处于闭合状态。因此，在每个相桥中，下方开关的开关状态通常与对应的上方开关的开关状态相反。上方开关通常被称作高侧开关(即，302a、302b、302c)，下方开关通常被称作低侧开关(即，302d、302e、302f)。因此，相桥的高状态指的是相桥中的上方开关处于闭合状态并且下方开关处于断开状态。类似地，相桥的低状态指的是相桥的上方开关处于断开状态并且下方开关处于闭合状态。作为结果，具有电流镜像能力的igbt可以是所有igbt、igbt的子集(例如，sa1、sb1、sc1)或单个igbt。
在图3中示出的三相转换器示例的激活状态期间会出现两种情况：(1)两个相桥处于高状态，而第三个相桥处于低状态，或者(2)一个相桥处于高状态，而另外两个相桥处于低状态。因此，三相转换器中的一个相桥(可被定义为逆变器的指定激活状态的“参考”相)处于与另外两个具有相同状态的相桥(或者“非参考”相)的状态相反的状态。因此，非参考相在逆变器的激活状态期间均处于高状态或者均处于低状态。
图4是具有温度估计电路的控制电路的示意图。栅极驱动器/控制电路通常从处理器、控制器或其它电路接收输入信号，并且输出连接到igbt的栅极。输入信号可通过由开关(例如，bjt或mosfet)组成的缓冲级被整形。整形可包括缓冲、延迟、放大或调节上升/下降斜率或模式。
图4中示出的电路利用固态开关(例如，igbt)的电流感测引脚(例如，电流镜引脚)来操作混合动力车辆的动力传动系统(例如，dc-dc转换器/vvc或牵引逆变器)。在负载电流以及相应的镜像电流超过阈值时的操作期间(例如，在短路期间)，控制器可禁用负载开关。此外，参照图3，ev/hev牵引逆变器或ev/hevdc-dc转换器的电流传感器(例如，图3中的电流传感器csa、csb、和csc或图2中的电流传感器216)可用于提供电机(例如，114)的矢量控制或提供直接扭矩控制(例如，id和iq)。在此，电路还被配置为基于ev/hev牵引逆变器或ev/hevdc-dc转换器的电流传感器(例如，图3中的电流传感器csa、csb、和csc或图2中的电流传感器216)与镜像开关的镜像电流之间的差来补偿逆变器和dc/dc转换器的操作。
电阻器rs两端的电压的信号通过信号处理406和隔离电路412被发送到微处理器。同时，控制器414接收从电流传感器输出的信号。信号可以是模拟的并且经由adc接收的，或者可以是从数字输入/输出引脚416接收的数字信号。通过将与电阻器rs两端的电压相关联的信号与输出电流传感器信号相比较，控制器414可获得或调节igbt结温。在此，滤波406和信号隔离412可通过诸如dsp的数字电路来完成，其中，滤波可以是iir、fir或其它滤波器类型。
图4是具有温度估计电路的动力传动系统控制器和电路400的示意图。动力传动系统控制电路400驱动具有电流镜的igbt402的栅极。igbt402具有负载开关和镜像开关，负载开关被配置为驱动负载408。这个示图中的负载被示出为连接到发射极(其中，igbt402用作高侧开关)，但是，负载还可连接到集电极使得igbt402被配置为低侧开关。动力传动系统控制电路400包括栅极驱动器块404，栅极驱动器块404使电流流向igbt402的栅极和从igbt402的栅极流出。栅极驱动器块404可包括固态器件(ssd)，诸如，金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)、双极结型晶体管(bjt)、绝缘栅双极结型晶体管(igbt)或其它类型的共栅极驱动开关。栅极驱动器块404的控制由包括控制器414(例如，处理器、控制器、微控制器、组合逻辑或其它电路/机电电路)的控制逻辑410来执行，控制逻辑410由开环滤波比较器406驱动，开环滤波比较器406提供输入到(feed)控制逻辑410的信号隔离器412。控制逻辑410还由负反馈调节，所述负反馈可以是模拟信号418或数字信号416。模拟信号418或数字信号416可来自电流传感器(例如，图3中的电流传感器csa、csb、和csc或图2中的电流传感器216)，并且由控制器414接收。控制器基于电流传感器信号和电流镜输出来估计igbt结温。控制器可在结温高的情况下采取保护动作。
igbt402的电流镜结构通常是使分数值倍的igbt集电极电流ic流动的镜像igbt单片集成器件。电流镜输出通常用于检测过电流状况和/或短路状况。在此，电流镜输出用于主动控制动力传动系统的操作。控制逻辑410由开环滤波比较器406控制，开环滤波比较器406基于连接到感测电阻器rs的电流镜感测引脚的输出，所述感测电阻器rs用于将电流信号转换为电压信号。由于在igbt402开关瞬变期间电流镜信号可具有尖峰，因此，rc滤波器可用于过滤噪声。在此，滤波器由rf和cf形成，并且是低通滤波器，其中，所述滤波器在基于电容器的频率响应的频率处滚降，在其它实施例中，带阻滤波器的用途可被利用。rc滤波器的输出与对应于电流水平阈值的参考电压vref相比较。参考电压可以是常数值或者可基于操作而变化。例如，参考电压可以是来自控制器410的输出(例如，集成pwm信号或来自d/a转换器的输出)，或者参考电压可来自由控制器控制的可变电压调节器。当电流超过阈值时，比较器输出高信号，在所述高信号通过信号隔离器412之后，控制逻辑410检测到所述高信号，控制器414可将信号输出到动力传动系统和栅极控制逻辑404。
通常，电流镜传感器是与主igbt单片集成(即，片上或单片)的小igbt。因此，电流镜传感器的特性受到小igbt和主igbt的温度变化的影响。当恒定的vref用作滤波比较器406的输入时，用于对块406中的比较器进行转换的镜像电流阈值将随着温度改变而变化(例如，将在不同温度下是不同的)。
在此，新型的igbt结温估计利用输出电流传感器(例如，逆变器或dc/dc转换器)和igbt电流镜传感器。与基于模型的结温估计方法相比，这个系统可提供更高的准确度。此外，这可以与基于模型的方法相结合。这个系统还可利用与片上(on-die)温度感测二极管相比低成本的器件来实现，从而可降低igbt芯片/制造的成本。此外，这个系统使用在大多数牵引逆变器中存在的逆变器输出电流传感器和igbt电流镜传感器，因此，额外的电路可限于低通滤波器、比较器和信号隔离器。
图4中的电路实现提出的来自igbt电流镜传感器的输出电压信号vrs与阈值vref相比较的构思。vrs首先通过由rf和cf构成的低通滤波器进行滤波。如果阈值被触发，则信号被发送到控制逻辑410(例如，微处理器、控制器或电路)。同时，控制逻辑(例如，经由控制器414的adc(模数转换器))读取输出电流传感器(例如，图3中的电流传感器csa、csb、和csc或图2中的电流传感器216)。此时接收到的电流(例如，电流镜传感器和电流传感器接收到的电流)的差等同于不同的igbt结温tj。在图6中示出了tj与vrs之间的示例性理论关系。
图5是具有主igbt502、电流镜igbt504和感测电阻器506的绝缘栅双极结型晶体管(igbt)的示意图。在此，igbt器件500的内部示意图具有并联连接的主igbt502和电流镜igbt504。电流镜igbt504的发射极引脚连接到感测电阻器(rs)506。当rs两端的电压(即，vrs)达到vref时，流过电流镜的电流imirror可由下面示出的等式2来表示：
imirror_threshold＝vref/rs(2)
图6是igbt的集电极电流602相对于集电极与发射极之间的电压604以及与igbt单片集成的镜像器件的镜像电流606相对于集电极与发射极之间的电压608的图形示图600。这个示图显示了150℃下的vce相对于ic的曲线610和vce_mirror+vrs相对于imirror的曲线612以及-40℃下的vce相对于ic的曲线614和vce_mirror+vrs相对于imirror的曲线616。这些不同的电流阈值被分别示出为ithreshold_-40c和ithreshold_150c。igbt通常具有正温度系数，在升高的温度下，导通电压降低，因此增大集电极至发射极电流以及相应的电压vce。如图6所示，在高电流水平处，ithreshold_-40c大于ithreshold_150c。
将这些应用于传统的栅极驱动电路，电路将在温度较低时禁用较高电流水平处的快速开关。由于在较高电流水平处截止的di/dt(例如，浪涌电压)可能较高，因此传统的栅极驱动电路的操作不是优选的。此外，在较低温度下，器件击穿电压较低。为了补偿温度对镜像igbt的特性的影响，图4中的电路针对不同温度调节vref。特别是降低较低温度下的vref将导致降低较低温度下的电流阈值。
由控制器执行的控制逻辑或功能可由在一个或更多个附图中的流程图或类似示图来表示。这些附图提供代表性的控制策略和/或逻辑，所述代表性的控制策略和/或逻辑可使用一个或更多个处理策略(诸如，事件驱动、中断驱动、多任务、多线程等)来实现。因此，示出的各个步骤或功能可按照示出的顺序被执行、并行地执行或者在一些情况下被省略。虽然未总是被明确示出，但是本领域普通技术人员将认识到，示出的一个或更多个步骤或功能可根据使用的特定处理策略而被重复执行。类似地，处理的顺序不一定需要实现在此描述的功能和优点，而是被提供以便于示出和描述。控制逻辑可主要以由基于微处理器的车辆、发动机和/或动力传动系统控制器(诸如，控制器)执行的软件的形式被实现。当然，控制逻辑可根据特定应用以一个或更多个控制器中的软件、硬件或者软件和硬件的组合的形式被实现。当以软件形式被实现时，控制逻辑可在已经存储表示由计算机执行以控制车辆或其子系统的代码或指令的数据的一个或更多个计算机可读存储装置或介质中被提供。计算机可读存储装置或介质可包括多个已知物理装置中的一个或更多个，所述多个已知物理装置利用电存储器、磁存储器和/或光学存储器来保存可执行指令和关联的校准信息、操作变量等。
在此公开的处理、方法或算法可被传送到处理装置、控制器或计算机，或者通过所述处理装置、控制器或计算机实现，其中，所述处理装置、控制器或计算机可包括任何现有的可编程电子控制单元或专用电子控制单元。类似地，所述处理、方法或算法可以以多种形式被存储为可由控制器或计算机执行的数据和指令，其中，所述多种形式包括但不限于信息永久地存储在非可写存储介质(诸如，只读存储器(rom)装置)中以及信息可变地存储在可写存储介质(诸如，软盘、磁带、致密盘(cd)、随机存取存储器(ram)装置以及其它磁介质和光学介质)中。所述处理、方法或算法也可在软件可执行对象中实现。可选地，可使用适当的硬件组件(诸如，专用集成电路(asic)、现场可编程门阵列(fpga)、状态机、控制器或者其它硬件组件或装置)或者硬件组件、软件组件和固件组件的组合来整体或部分地实现所述处理、方法或算法。
虽然以上描述了示例性实施例，但是并不意在这些实施例描述权利要求所涵盖的所有可能形式。说明书中所使用的词语是描述性词语而非限制性词语，并且应理解的是，可在不脱离本公开的精神和范围的情况下做出各种改变。如前所述，可将各个实施例的特征进行组合以形成本发明的可能未被明确描述或示出的进一步的实施例。尽管针对一个或更多个期望特性，各个实施例可能已经被描述为提供优点或优于其它实施例或现有技术的实施方式，但是本领域普通技术人员应认识到，根据具体的应用和实施方式，一个或更多个特征或特性可被折衷以实现期望的整体系统属性。这些属性可包括但不限于成本、强度、耐用性、生命周期成本、市场性、外观、包装、尺寸、可维护性、重量、可制造性、装配的容易性等。因此，被描述为在一个或更多个特性方面不如其它实施例或现有技术的实施方式的实施例并非在本公开的范围之外，并且可被期望用于特定的应用。
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