用于降低開關(guān)損耗的動(dòng)態(tài)IGBT柵極驅(qū)動(dòng)的制作方法

本申請(qǐng)總體上涉及對(duì)混合動(dòng)力電動(dòng)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中的igbt的柵極電壓的控制，其中，柵極電壓包括保持在第一電壓水平的階躍函數(shù)，之后柵極電壓在一段時(shí)間內(nèi)升高至第二電壓水平。

背景技術(shù)：

電氣化車輛(包括混合動(dòng)力電動(dòng)車輛(hev)和電池電動(dòng)車輛(bev))依靠牽引電池向用于推進(jìn)的牽引馬達(dá)提供電力，并且依靠牽引電池和牽引馬達(dá)之間的電力逆變器將直流(dc)電力轉(zhuǎn)換為交流(ac)電力。典型的ac牽引馬達(dá)是3相馬達(dá)，3相馬達(dá)由3個(gè)正弦信號(hào)提供電力，所述3個(gè)正弦信號(hào)中的每個(gè)以120度的相位分離驅(qū)動(dòng)。牽引電池被配置為在特定電壓范圍內(nèi)操作。典型的牽引電池的端電壓超過(guò)100伏特dc，并且牽引電池可選地被稱作高電壓電池。然而，電機(jī)的改善的性能可通過(guò)在不同的電壓范圍內(nèi)進(jìn)行操作來(lái)實(shí)現(xiàn)，所述電壓范圍通常處于比牽引電池更高的電壓處。很多電氣化車輛包括dc-dc轉(zhuǎn)換器，dc-dc轉(zhuǎn)換器還被稱作可變電壓轉(zhuǎn)換器(vvc)，以將牽引電池的電壓轉(zhuǎn)換為電機(jī)的操作電壓水平。電機(jī)可能需要高電壓和高電流。由于電壓需求、電流需求和開關(guān)需求，絕緣柵雙極型晶體管(igbt)通常被用于產(chǎn)生電力逆變器和vvc中的信號(hào)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

一種車輛動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)包括igbt和控制器，所述igbt被配置為在電源和負(fù)載之間傳導(dǎo)電流，所述控制器被配置為：向所述igbt的柵極施加第一水平的電壓持續(xù)第一持續(xù)時(shí)間，并且在第二持續(xù)時(shí)間內(nèi)增大所述電壓，其中，所述第一持續(xù)時(shí)間取決于所述柵極的電容，所述第二持續(xù)時(shí)間是基于落在由所述負(fù)載的電源電壓定義的閾值以下的所述電流的變化率的。

一種控制車輛的電機(jī)的方法包括：由柵極驅(qū)動(dòng)器將第一水平的電壓施加到igbt的柵極上持續(xù)基于所述柵極的電容的預(yù)定時(shí)間；由所述igbt響應(yīng)于所述電壓而使電流流動(dòng)通過(guò)電機(jī)的相；響應(yīng)于流過(guò)所述相的電流的變化率超過(guò)由所述電機(jī)的電源電壓定義的預(yù)定閾值，從所述第一水平轉(zhuǎn)換到高于所述第一水平的第二水平。

一種控制動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)逆變器的igbt的方法包括：由柵極驅(qū)動(dòng)器將第一水平的電壓施加到igbt的柵極持續(xù)基于所述柵極的電容的預(yù)定時(shí)間；由所述igbt響應(yīng)于所述電壓而使電流流動(dòng)通過(guò)所述igbt的集電極；響應(yīng)于流過(guò)所述igbt的電流的變化率超過(guò)由所述逆變器的電源電壓定義的預(yù)定閾值，將所述電壓從所述第一水平增大到高于所述第一水平的第二水平。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述預(yù)定時(shí)間與所述電容成正比，并且與所述柵極的電阻成反比。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述第一水平高于所述igbt的導(dǎo)通閾值電壓，并且低于所述igbt在所述igbt處于飽和模式時(shí)傳導(dǎo)最大負(fù)載電流時(shí)的最小柵極電壓。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述增大是在基于所述igbt的寄生電感和溫度的時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行的。

一種車輛包括igbt和控制器，所述igbt被配置為選擇性地在電源和負(fù)載之間傳導(dǎo)電流，所述控制器被配置為：向所述igbt的柵極施加第一水平的電壓持續(xù)根據(jù)所述柵極的電阻得到的持續(xù)時(shí)間，在所述持續(xù)時(shí)間到期后，基于比與電源電壓對(duì)應(yīng)的閾值小的所述電流的變化率控制所述電壓的增大率。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述第一水平還根據(jù)所述柵極的電容被得到。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述持續(xù)時(shí)間還根據(jù)所述柵極的電容被得到。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述持續(xù)時(shí)間與所述柵極的電容成正比，并且與所述柵極的電阻成反比。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述增大率是基于在所述電源和負(fù)載之間的傳導(dǎo)的電流的。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述負(fù)載是電機(jī)或dc-dc轉(zhuǎn)換器的電感器。

附圖說(shuō)明

圖1是示出典型的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)和能量?jī)?chǔ)存組件的混合動(dòng)力車輛的示圖，其中，在動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)和能量?jī)?chǔ)存組件之間具有電力逆變器。

圖2是車輛可變電壓轉(zhuǎn)換器的示意圖。

圖3是車輛電動(dòng)馬達(dá)逆變器的示意圖。

圖4是柵極電壓相對(duì)于時(shí)間的分布曲線的圖形表示。

圖5是示出用于igbt的柵極驅(qū)動(dòng)控制的流程圖。

圖6a是與igbt的柵極關(guān)聯(lián)的電壓相對(duì)于時(shí)間的分布曲線的圖形表示。

圖6b是與igbt的柵極關(guān)聯(lián)的電流相對(duì)于時(shí)間的分布曲線的圖形表示。

圖6c是與igbt關(guān)聯(lián)的集電極至發(fā)射極電壓相對(duì)于時(shí)間的分布曲線的圖形表示。

圖6d是與igbt的集電極關(guān)聯(lián)的電流相對(duì)于時(shí)間的分布曲線的圖形表示。

具體實(shí)施方式

在此描述本公開的實(shí)施例。然而，應(yīng)理解的是，所公開的實(shí)施例僅為示例，并且其它實(shí)施例可采用各種和替代形式。附圖不必按比例繪制；可夸大或最小化一些特征以示出特定組件的細(xì)節(jié)。因此，在此公開的具體結(jié)構(gòu)和功能細(xì)節(jié)不應(yīng)被解釋為限制，而僅僅作為用于教導(dǎo)本領(lǐng)域技術(shù)人員以多種形式利用本發(fā)明的代表性基礎(chǔ)。如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解的是，參考任一附圖示出和描述的各種特征可與在一個(gè)或更多個(gè)其它附圖中示出的特征組合，以產(chǎn)生未明確示出或描述的實(shí)施例。示出的特征的組合提供用于典型應(yīng)用的代表實(shí)施例。然而，與本公開的教導(dǎo)一致的特征的各種組合和變型可被期望用于特定的應(yīng)用或?qū)嵤┓绞健?/p>

絕緣柵雙極型晶體管(igbt)和反激二極管或續(xù)流二極管在多種工業(yè)應(yīng)用(諸如電動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)和電力逆變器)中被廣泛使用。igbt的操作由柵極驅(qū)動(dòng)器供應(yīng)的柵極電壓控制。常規(guī)的柵極驅(qū)動(dòng)器通常是基于被施加到具有限流電阻器的igbt柵極上的大于閾值電壓的電壓的，所述柵極驅(qū)動(dòng)器由可變電壓源和柵極電阻器組成。低柵極電阻可導(dǎo)致快速的開關(guān)速度和低開關(guān)損耗，但也會(huì)在半導(dǎo)體器件上產(chǎn)生更高的負(fù)荷(stress)(例如，過(guò)電壓負(fù)荷)。因此，選擇柵極電阻以尋求開關(guān)損耗、開關(guān)延遲和負(fù)荷之間的折衷。

與用于igbt導(dǎo)通的常規(guī)的柵極驅(qū)動(dòng)器關(guān)聯(lián)的一些缺點(diǎn)包括：對(duì)開關(guān)延遲時(shí)間、電流斜率和電壓斜率的有限的控制，使得優(yōu)化開關(guān)損耗受到限制。另一缺點(diǎn)是：柵極電阻通?；谧畈钋闆r的操作狀況被選擇，因此在正常操作狀況下引入了過(guò)多的開關(guān)損耗。例如，在高dc總線電壓下，柵極電阻基于電流相對(duì)于時(shí)間的變化(di/dt)被選擇，以避免在負(fù)載的二極管反激期間過(guò)度的二極管電壓過(guò)沖。然而，在低dc總線電壓下，由于盡管二極管過(guò)電壓低于閾值但是開關(guān)速度因柵極電阻而降低，因此使用被選擇用于保護(hù)高總線電壓的柵極電阻引入了過(guò)多的開關(guān)損耗。

智能柵極驅(qū)動(dòng)策略對(duì)于實(shí)現(xiàn)整個(gè)開關(guān)軌跡以及全部操作范圍內(nèi)的最佳開關(guān)性能是至關(guān)重要的。在此，呈現(xiàn)了具有用于igbt導(dǎo)通的操作狀況(例如，電壓、負(fù)載電流、溫度等)的反饋的所提出的階躍斜坡電壓柵極驅(qū)動(dòng)策略(step-rampvoltagegatedrivingstrategy)。最初，柵極電壓與截止的igbt對(duì)應(yīng)?？刂破麟S后接收用于使igbt導(dǎo)通的信號(hào)，在此之后，控制器向igbt柵極施加電壓階躍函數(shù)。電壓階躍函數(shù)處于高于閾值電壓且低于最小柵極電壓水平的水平，在該水平下，igbt操作在飽和模式下，在飽和模式下igbt的集電極電流等于最大負(fù)載電流。電壓水平保持在該水平持續(xù)根據(jù)器件特性(諸如，柵極電容或柵極電阻)得到的持續(xù)時(shí)間。在所述持續(xù)時(shí)間結(jié)束時(shí)，電壓斜坡上升(ramp)至igbt導(dǎo)通柵極電壓。柵極電壓在時(shí)間段內(nèi)斜坡上升，其中，所述時(shí)間段是基于小于與電源電壓對(duì)應(yīng)的閾值的電流的導(dǎo)數(shù)的。

選擇階躍函數(shù)柵極電壓來(lái)減少導(dǎo)通延遲時(shí)間，以及提高開關(guān)速度并降低開關(guān)損耗。柵極電壓的斜坡增大降低了開關(guān)速度，以避免續(xù)流二極管上的過(guò)度的電壓過(guò)沖。每個(gè)階段的時(shí)序適應(yīng)于igbt的操作狀況(例如，開關(guān)電壓(vce))，以實(shí)現(xiàn)在整個(gè)操作范圍內(nèi)的最佳開關(guān)性能。柵極驅(qū)動(dòng)器基于操作狀況產(chǎn)生最高的柵極電壓斜坡上升速率，以便在將二極管電壓過(guò)沖保持在安全限制內(nèi)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)最小開關(guān)損耗。

圖1描繪了可被稱作插電式混合動(dòng)力電動(dòng)車輛(phev)的電氣化車輛112。插電式混合動(dòng)力電動(dòng)車輛112可包括機(jī)械地連接至混合動(dòng)力傳動(dòng)裝置116的一個(gè)或更多個(gè)電機(jī)114。電機(jī)114能夠作為馬達(dá)或發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。此外，混合動(dòng)力傳動(dòng)裝置116機(jī)械地連接至發(fā)動(dòng)機(jī)118?；旌蟿?dòng)力傳動(dòng)裝置116還機(jī)械地連接至驅(qū)動(dòng)軸120，驅(qū)動(dòng)軸120機(jī)械地連接至車輪122。電機(jī)114能在發(fā)動(dòng)機(jī)118啟動(dòng)或關(guān)閉時(shí)提供推進(jìn)和減速能力。電機(jī)114還可用作發(fā)電機(jī)，并且能夠通過(guò)回收在摩擦制動(dòng)系統(tǒng)中通常將作為熱損失掉的能量來(lái)提供燃料經(jīng)濟(jì)性效益。電機(jī)114還可通過(guò)允許發(fā)動(dòng)機(jī)118以更高效的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)并允許混合動(dòng)力電動(dòng)車輛112在特定狀況下以發(fā)動(dòng)機(jī)118關(guān)閉的電動(dòng)模式運(yùn)轉(zhuǎn)而減少車輛排放。電氣化車輛112還可以是電池電動(dòng)車輛(bev)。在bev配置中，發(fā)動(dòng)機(jī)118可不存在。在其它配置中，電氣化車輛112可以是沒有插電能力的全混合動(dòng)力電動(dòng)車輛(fhev)。

牽引電池或電池組124儲(chǔ)存可被電機(jī)114使用的能量。車輛電池組124可提供高電壓直流電(dc)輸出。牽引電池124可電連接至一個(gè)或更多個(gè)電力電子模塊126。一個(gè)或更多個(gè)接觸器142可在斷開時(shí)將牽引電池124與其它組件隔離，并且可在閉合時(shí)將牽引電池124連接到其它組件。電力電子模塊126還電連接至電機(jī)114，并提供在牽引電池124與電機(jī)114之間雙向傳輸能量的能力。例如，牽引電池124可提供dc電壓而電機(jī)114可使用三相交流電(ac)來(lái)運(yùn)轉(zhuǎn)。電力電子模塊126可將dc電壓轉(zhuǎn)換為三相ac電流來(lái)運(yùn)轉(zhuǎn)電機(jī)114。在再生模式下，電力電子模塊126可將來(lái)自用作發(fā)電機(jī)的電機(jī)114的三相ac電流轉(zhuǎn)換為與牽引電池124兼容的dc電壓。

車輛112可包括在牽引電池124和電力電子模塊126之間電連接的可變電壓轉(zhuǎn)換器(vvc)152。vvc152可以是被配置為增大或升高由牽引電池124提供的電壓的dc/dc升壓轉(zhuǎn)換器。通過(guò)增大電壓，電流需求可被降低，從而導(dǎo)致電力電子模塊126和電機(jī)114的布線尺寸減小。此外，電機(jī)114可在較高的效率和較低的損耗下運(yùn)轉(zhuǎn)。

牽引電池124除了提供用于推進(jìn)的能量之外，還可為其它車輛電力系統(tǒng)提供能量。車輛112可包括dc/dc轉(zhuǎn)換器模塊128，dc/dc轉(zhuǎn)換器模塊128將牽引電池124的高電壓dc輸出轉(zhuǎn)換成與低電壓車輛負(fù)載兼容的低電壓dc供應(yīng)。dc/dc轉(zhuǎn)換器模塊128的輸出可電連接至輔助電池130(例如，12v電池)以用于為輔助電池130充電。低電壓系統(tǒng)可電連接至輔助電池130。一個(gè)或更多個(gè)電負(fù)載146可連接至高電壓總線。電負(fù)載146可具有相關(guān)聯(lián)的控制器，所述控制器適時(shí)地操作和控制電負(fù)載146。電負(fù)載146的示例可以是風(fēng)扇、電加熱元件和/或空調(diào)壓縮機(jī)。

電氣化車輛112可被配置為通過(guò)外部電源136對(duì)牽引電池124進(jìn)行再充電。外部電源136可連接到電源插座。外部電源136可電連接至充電器或電動(dòng)車輛供電設(shè)備(evse)138。外部電源136可以是由公共電力公司提供的配電網(wǎng)或電網(wǎng)。eves138可提供電路和控制，以調(diào)節(jié)和管理電源136與車輛112之間的能量傳輸。外部電源136可向evse138提供dc電力或ac電力。evse138可具有用于插入到車輛112的充電端口134中的充電連接器140。充電端口134可以是被配置為從evse138向車輛112傳輸電力的任意類型的端口。充電端口134可電連接至充電器或車載電力轉(zhuǎn)換模塊132。電力轉(zhuǎn)換模塊132可對(duì)從evse138供應(yīng)的電力進(jìn)行調(diào)節(jié)，以向牽引電池124提供合適的電壓水平和電流水平。電力轉(zhuǎn)換模塊132可與evse138進(jìn)行接口連接，以協(xié)調(diào)對(duì)車輛112的電力傳輸。evse連接器140可具有與充電端口134的相應(yīng)凹槽匹配的插腳?？蛇x地，被描述為電耦合或電連接的各種組件可使用無(wú)線感應(yīng)耦合來(lái)傳輸電力。

可提供一個(gè)或更多個(gè)車輪制動(dòng)器144，以使車輛112減速并阻止車輛112移動(dòng)。車輪制動(dòng)器144可以是液壓致動(dòng)的、電致動(dòng)的或者它們的某種組合。車輪制動(dòng)器144可以是制動(dòng)系統(tǒng)150的一部分。制動(dòng)系統(tǒng)150可包括用于操作車輪制動(dòng)器144的其它組件。為簡(jiǎn)單起見，附圖描繪了制動(dòng)系統(tǒng)150與車輪制動(dòng)器144中的一個(gè)之間的單一連接。制動(dòng)系統(tǒng)150和其它車輪制動(dòng)器144之間的連接被隱含。制動(dòng)系統(tǒng)150可包括控制器，以監(jiān)測(cè)和協(xié)調(diào)制動(dòng)系統(tǒng)150。制動(dòng)系統(tǒng)150可監(jiān)測(cè)制動(dòng)組件并控制車輪制動(dòng)器144以使車輛減速。制動(dòng)系統(tǒng)150可對(duì)駕駛員命令做出響應(yīng)并且還可自主運(yùn)轉(zhuǎn)以實(shí)現(xiàn)諸如穩(wěn)定性控制的功能。當(dāng)被另一控制器或子功能請(qǐng)求時(shí)，制動(dòng)系統(tǒng)150的控制器可實(shí)現(xiàn)施加被請(qǐng)求的制動(dòng)力的方法。

車輛112中的電子模塊可經(jīng)由一個(gè)或更多個(gè)車輛網(wǎng)絡(luò)通信。車輛網(wǎng)絡(luò)可包括用于通信的多個(gè)信道。車輛網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)信道可以是諸如控制器局域網(wǎng)(can)的串行總線。車輛網(wǎng)絡(luò)的信道中的一個(gè)可包括由電氣與電子工程師協(xié)會(huì)(ieee)802標(biāo)準(zhǔn)族定義的以太網(wǎng)。車輛網(wǎng)絡(luò)的其它信道可包括模塊之間的離散連接，并且可包括來(lái)自輔助電池130的電力信號(hào)。不同的信號(hào)可通過(guò)車輛網(wǎng)絡(luò)的不同信道進(jìn)行傳輸。例如，視頻信號(hào)可通過(guò)高速信道(例如，以太網(wǎng))進(jìn)行傳輸，而控制信號(hào)可通過(guò)can或離散信號(hào)進(jìn)行傳輸。車輛網(wǎng)絡(luò)可包括協(xié)助在模塊之間傳輸信號(hào)和數(shù)據(jù)的任何硬件組件和軟件組件。車輛網(wǎng)絡(luò)沒有在圖1中示出，但是可隱含了車輛網(wǎng)絡(luò)可連接在車輛112中存在的任何電子模塊?？纱嬖谲囕v系統(tǒng)控制器(vcs)148來(lái)協(xié)調(diào)各個(gè)組件的操作。

圖2描繪了被配置為升壓轉(zhuǎn)換器的vvc152的示圖。vvc152可包括可通過(guò)接觸器142連接至牽引電池124的端子的輸入端。vvc152可包括連接至電力電子模塊126的端子的輸出端。vvc152可被操作為使輸出端處的電壓高于輸入端處的電壓。車輛112可包括監(jiān)測(cè)和控制vvc152中的多個(gè)位置處的電參數(shù)(例如電壓和電流)的vvc控制器200。在一些配置中，vvc控制器200可被包括為vvc152的一部分。vvc控制器200可確定輸出電壓基準(zhǔn)vvc控制器200可基于電參數(shù)和電壓基準(zhǔn)確定足夠使vvc152實(shí)現(xiàn)期望的輸出電壓的控制信號(hào)。在一些配置中，控制信號(hào)可被實(shí)現(xiàn)為脈沖寬度調(diào)制(pwm)信號(hào)，其中，pwm信號(hào)的占空比是變化的。控制信號(hào)可在預(yù)定開關(guān)頻率下操作。vvc控制器200可命令vvc152使用控制信號(hào)提供期望的輸出電壓。操作vvc152的特定控制信號(hào)可與由vvc152提供的電壓升高量直接相關(guān)。

vvc152的輸出電壓可被控制以達(dá)到期望的基準(zhǔn)電壓。在一些配置中，vvc152可以是升壓轉(zhuǎn)換器。在升壓轉(zhuǎn)換器的配置中，vvc控制器200控制占空比，輸入電壓vin和輸出電壓vout之間的理想關(guān)系以及占空比d可使用以下等式示出：

期望的占空比d可通過(guò)測(cè)量輸入電壓(例如牽引電池電壓)以及將輸出電壓設(shè)置為基準(zhǔn)電壓來(lái)被確定。vvc152可以是降低從輸入至輸出的電壓的降壓轉(zhuǎn)換器。在降壓配置中，可推導(dǎo)得到將輸入電壓和輸出電壓與占空比關(guān)聯(lián)的不同表達(dá)式。在一些配置中，vvc152可以是可增大或減小輸入電壓的降壓-升壓轉(zhuǎn)換器。這里描述的控制策略不限于特定的可變電壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)洹?/p>

參照?qǐng)D2，vvc152可升高或“提高(stepup)”由牽引電池124提供的電力的電勢(shì)。牽引電池124可提供高電壓(hv)dc電力。在一些配置中，牽引電池124可提供150伏特和400伏特之間的電壓。接觸器142可串聯(lián)電連接在牽引電池124和vvc152之間。當(dāng)接觸器142閉合時(shí)，hvdc電力可從牽引電池124被傳輸?shù)絭vc152。輸入電容器202可與牽引電池124并聯(lián)電連接。輸入電容器202可穩(wěn)定總線電壓并減小任何電壓紋波和電流紋波。vvc152可接收hvdc電力，并根據(jù)占空比升高或“提高”輸入電壓的電勢(shì)。

輸出電容器204可電連接在vvc152的輸出端子之間。輸出電容器204可穩(wěn)定總線電壓，并減小vvc152的輸出處的電壓紋波和電流紋波。

進(jìn)一步參照?qǐng)D2，vvc152可包括用于升高輸入電壓以提供升高的輸出電壓的第一開關(guān)器件206和第二開關(guān)器件208。開關(guān)器件206、208可被配置為使電流選擇性地流動(dòng)至電負(fù)載(例如電力電子模塊126和電機(jī)114)。每個(gè)開關(guān)器件206、208可被vvc控制器200的柵極驅(qū)動(dòng)電路(未示出)獨(dú)立控制，并可包括任何類型的可控開關(guān)(例如絕緣柵型雙極晶體管(igbt)或場(chǎng)效應(yīng)晶體管(fet))。柵極驅(qū)動(dòng)電路可向每個(gè)開關(guān)器件206、208提供基于控制信號(hào)(例如pwm控制信號(hào)的占空比)的電信號(hào)。二極管可跨接在開關(guān)器件206、208中的每個(gè)上。開關(guān)器件206、208可分別具有關(guān)聯(lián)的開關(guān)損耗。開關(guān)損耗是在開關(guān)器件的狀態(tài)變化(例如開/關(guān)和關(guān)/開的轉(zhuǎn)換)期間產(chǎn)生的功率損耗?？赏ㄟ^(guò)在轉(zhuǎn)換期間流經(jīng)開關(guān)器件206、208的電流以及開關(guān)器件206兩端的電壓和開關(guān)器件208兩端的電壓來(lái)量化開關(guān)損耗。開關(guān)器件還可具有當(dāng)器件接通時(shí)產(chǎn)生的相關(guān)聯(lián)的傳導(dǎo)損耗。

車輛系統(tǒng)可包括用于測(cè)量vvc152的電參數(shù)的傳感器。第一電壓傳感器210可被配置為測(cè)量輸入電壓(例如電池124的電壓)，并向vvc控制器200提供相應(yīng)的輸入信號(hào)(vbat)。在一個(gè)或更多個(gè)實(shí)施例中，第一電壓傳感器210可測(cè)量與電池電壓對(duì)應(yīng)的輸入電容器202兩端的電壓。第二電壓傳感器212可測(cè)量vvc152的輸出電壓并向vvc控制器200提供相應(yīng)的輸入信號(hào)(vdc)。在一個(gè)或更多個(gè)實(shí)施例中，第二電壓傳感器212可測(cè)量與dc總線電壓對(duì)應(yīng)的輸出電容器204兩端的電壓。第一電壓傳感器210和第二電壓傳感器212可包括用于將電壓縮放到適合vvc控制器200的水平的電路。vvc控制器200可包括用于對(duì)來(lái)自第一電壓傳感器210和第二電壓傳感器212的信號(hào)進(jìn)行濾波和數(shù)字化的電路。

輸入電感器214可串聯(lián)電連接在牽引電池124和開關(guān)器件206、208之間。輸入電感器214可在將能量?jī)?chǔ)存在vvc152中和釋放vvc152中的能量之間轉(zhuǎn)換，從而能夠提供可變的電壓和電流能夠作為vvc152的輸出，并且能夠?qū)崿F(xiàn)期望的電壓升高。電流傳感器216可測(cè)量通過(guò)輸入電感器214的輸入電流，并且可向vvc控制器200提供相應(yīng)的電流信號(hào)(il)。通過(guò)輸入電感器214的輸入電流可以是vvc152的輸入電壓和輸出電壓之間的電壓差、開關(guān)器件206、208的導(dǎo)通時(shí)間以及輸入電感器214的電感l(wèi)共同作用的結(jié)果。vvc控制器200可包括用于對(duì)來(lái)自電流傳感器216的信號(hào)進(jìn)行縮放、濾波和數(shù)字化的電路。在另一實(shí)施例中，旁路二極管218可連接在vvc的輸入和vvc的輸出之間，使得vvc的輸出(例如逆變器輸入電壓)被鉗位到vvc的輸入電壓(例如牽引電池電壓)。

vvc控制器200可被配置為控制vvc152的輸出電壓。vvc控制器200可經(jīng)由車輛網(wǎng)絡(luò)從vvc152和其它控制器接收輸入，并且可確定控制信號(hào)。vvc控制器200可監(jiān)測(cè)輸入信號(hào)(vbat、vdc、il、)，以確定控制信號(hào)。例如，vvc控制器200可向柵極驅(qū)動(dòng)電路提供與占空比命令對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)。柵極驅(qū)動(dòng)電路隨后可基于占空比命令控制每個(gè)開關(guān)器件206、208。

提供給vvc152的控制信號(hào)可被配置為以特定的開關(guān)頻率驅(qū)動(dòng)開關(guān)器件206、208。在開關(guān)頻率的每個(gè)周期內(nèi)，開關(guān)器件206、208可以以特定的占空比操作。占空比定義開關(guān)器件206、208處于接通狀態(tài)和斷開狀態(tài)的時(shí)間量。例如，100％的占空比可使開關(guān)器件206、208在無(wú)斷開的持續(xù)接通狀態(tài)下操作。0％的占空比可使開關(guān)器件206和開關(guān)器件208在無(wú)接通的持續(xù)斷開狀態(tài)下操作。50％的占空比可使開關(guān)器件206、208在接通狀態(tài)下操作持續(xù)半個(gè)周期，并且在斷開狀態(tài)下操作持續(xù)半個(gè)周期。兩個(gè)開關(guān)206、208的控制信號(hào)可以是互補(bǔ)的。即，發(fā)送至開關(guān)器件中的一個(gè)(例如，開關(guān)器件206)的控制信號(hào)可以是發(fā)送至另一開關(guān)器件(例如，開關(guān)器件208)的控制信號(hào)的相反的版本。

由開關(guān)器件206、208控制的電流可包括紋波分量，所述紋波分量具有隨著電流幅值以及開關(guān)器件206、208的占空比和開關(guān)頻率的變化而變化的幅值。相對(duì)于輸入電流，在相對(duì)高的輸入電流狀況期間出現(xiàn)最差情況的紋波電流幅值。如圖4所示，當(dāng)占空比固定時(shí)，電感器電流的增大引起紋波電流幅值的增大。紋波電流的幅值還與占空比相關(guān)。當(dāng)占空比等于50％時(shí)，出現(xiàn)最高幅值的紋波電流。電感器紋波電流幅值和占空比之間的大體關(guān)系如圖5所示。基于這些事實(shí)，在高電流和中間范圍占空比狀況下實(shí)施用于減小紋波電流幅值的措施可能是有益的。

當(dāng)設(shè)計(jì)vvc152時(shí)，可選擇開關(guān)頻率和電感器214的電感值以滿足最大可允許紋波電流幅值。紋波分量可以是出現(xiàn)在dc信號(hào)中的周期性變量。紋波分量可由紋波分量幅值和紋波分量頻率來(lái)定義。紋波分量可具有處于可聽頻率范圍內(nèi)的諧波，所述諧波可增加車輛的噪聲特征。此外，紋波分量可能導(dǎo)致難以精確地控制由電源供電的器件。在開關(guān)瞬變期間，開關(guān)器件206、208可在最大電感器電流(dc電流加紋波電流)處斷開，這可引起開關(guān)器件206、208兩端的大電壓尖峰。由于尺寸和成本的限制，可基于傳導(dǎo)電流選擇電感值?？傊?，隨著電流增大，電感可由于飽和而減小。

開關(guān)頻率可被選擇以限制在最差情況的情境(例如，最高輸入電流和/或占空比接近50％的狀況)下的紋波電流分量的幅值。開關(guān)器件206、208的開關(guān)頻率可被選擇為高于連接至vvc152的輸出的馬達(dá)/發(fā)電機(jī)逆變器的開關(guān)頻率(例如，5khz)的頻率(例如，10khz)。在一些應(yīng)用中，vvc152的開關(guān)頻率可被選擇為預(yù)定的固定頻率。預(yù)定的固定頻率通常被選擇以滿足噪聲和波動(dòng)電流的規(guī)范。然而，預(yù)定的固定頻率的選擇可能無(wú)法在vvc152的全部操作范圍內(nèi)提供最佳性能。預(yù)定的固定頻率可在特定集合的操作狀況下提供最佳結(jié)果，但可能在其它操作狀況下對(duì)預(yù)定的固定頻率做出折衷。

增大開關(guān)頻率可減小紋波電流幅值并降低開關(guān)器件206、208上的電壓負(fù)荷，但可能導(dǎo)致更高的開關(guān)損耗。雖然可針對(duì)最差情況的紋波狀況選擇開關(guān)頻率，但是vvc152在最差情況的紋波狀況下的操作時(shí)間可能僅占總操作時(shí)間的小百分比。這可能導(dǎo)致可降低燃料經(jīng)濟(jì)性的非必要的高開關(guān)損耗。此外，固定的開關(guān)頻率可將噪聲頻譜集中在非常窄的范圍內(nèi)。在這個(gè)窄的范圍內(nèi)的增大的噪聲密度可引起顯著的噪聲、振動(dòng)和聲振粗糙度(nvh)問(wèn)題。

vvc控制器200可被配置為基于占空比和輸入電流改變開關(guān)器件206、208的開關(guān)頻率。開關(guān)頻率的改變可通過(guò)降低開關(guān)損耗來(lái)改善燃料經(jīng)濟(jì)性并減少nvh問(wèn)題，同時(shí)保持最差情況的操作狀況下的紋波電流目標(biāo)。

在相對(duì)高的電流狀況期間，開關(guān)器件206、208可能經(jīng)受增大的電壓負(fù)荷。在vvc152的最大操作電流處，可期望選擇相對(duì)高的開關(guān)頻率，從而減小紋波分量的幅值并且開關(guān)損耗水平是合理的?？苫谳斎腚娏鞣祦?lái)選擇開關(guān)頻率，使得開關(guān)頻率隨著輸入電流幅值的增大而增大。開關(guān)頻率可增大到預(yù)定的最大開關(guān)頻率。預(yù)定的最大開關(guān)頻率可以是在較低的紋波分量幅值和較高的開關(guān)損耗之間提供折衷的水平?？稍诓僮麟娏鞣秶鷥?nèi)按照離散步長(zhǎng)改變開關(guān)頻率或持續(xù)改變開關(guān)頻率。

vvc控制器200可被配置為響應(yīng)于電流輸入低于預(yù)定的最大電流而降低開關(guān)頻率。預(yù)定的最大電流可以是vvc152的最大操作電流。開關(guān)頻率的改變可基于輸入到開關(guān)器件206、208的電流的幅值。當(dāng)電流大于預(yù)定的最大電流時(shí)，開關(guān)頻率可被設(shè)置為預(yù)定的最大開關(guān)頻率。隨著電流減小，紋波分量的幅值減小。通過(guò)在電流減小時(shí)以較低的開關(guān)頻率操作，開關(guān)損耗降低。開關(guān)頻率可基于輸入到開關(guān)器件的功率而變化。由于輸入功率是輸入電流和電池電壓的函數(shù)，因此輸入功率和輸入電流可以以類似的方式被使用。

由于紋波電流還受占空比影響，所以開關(guān)頻率可基于占空比而變化?？苫谳斎腚妷号c輸出電壓之間的比值來(lái)確定占空比。因此，開關(guān)頻率還可基于輸入電壓和輸出電壓之間的比值而變化。當(dāng)占空比接近50％時(shí)，預(yù)測(cè)的紋波電流幅值是最大值，并且開關(guān)頻率可被設(shè)置為預(yù)定的最大頻率。預(yù)定的最大頻率可以是被選擇為使紋波電流幅值最小化的最大開關(guān)頻率值。開關(guān)頻率可在占空比范圍內(nèi)按照離散步長(zhǎng)變化或持續(xù)變化。

vvc控制器200可被配置為響應(yīng)于占空比和預(yù)測(cè)的紋波分量幅值為最大值時(shí)的占空比值(例如50％)之間的差的大小而從預(yù)定的最大頻率開始減小開關(guān)頻率。當(dāng)所述差的大小小于閾值時(shí)，開關(guān)頻率可被設(shè)置為預(yù)定頻率。當(dāng)所述差的大小減小時(shí)，開關(guān)頻率可向著預(yù)定的最大頻率增大，以減小紋波分量幅值。當(dāng)所述差的大小小于閾值時(shí)，開關(guān)頻率可被設(shè)置為預(yù)定的最大頻率。

開關(guān)頻率可被限制在預(yù)定的最大頻率和預(yù)定的最小頻率之間。預(yù)定的最小頻率可以是大于連接至電壓轉(zhuǎn)換器152的輸出的電力電子模塊126的預(yù)定開關(guān)頻率的頻率水平。

參照?qǐng)D3，系統(tǒng)300被提供用于控制電力電子模塊(pem)126。圖3的pem126被示出為包括多個(gè)開關(guān)302a至302f(例如，igbt)，所述多個(gè)開關(guān)302a至302f被配置為共同操作為具有第一相臂(phaseleg)316、第二相臂318和第三相臂320的逆變器。盡管逆變器被示出為三相轉(zhuǎn)換器，但是逆變器可包括額外的相臂。例如，逆變器可以是四相轉(zhuǎn)換器、五相轉(zhuǎn)換器、六相轉(zhuǎn)換器等。此外，pem126可包括多個(gè)轉(zhuǎn)換器，pem126中的每個(gè)逆變器包括三個(gè)或更多個(gè)相臂。例如，系統(tǒng)300可控制pem126中的兩個(gè)或更多個(gè)逆變器。pem126還可包括具有高功率開關(guān)(例如，igbt)的dc至dc轉(zhuǎn)換器，以經(jīng)由升壓、降壓或它們的組合將電力電子模塊輸入電壓轉(zhuǎn)換為電力電子模塊輸出電壓。

如圖3所示，逆變器可以是dc至ac轉(zhuǎn)換器。在操作中，dc至ac轉(zhuǎn)換器通過(guò)dc總線304(包括dc總線304a和304b)從dc電力鏈路(powerlink)306接收dc電力，并將dc電力轉(zhuǎn)換為ac電力。ac電力經(jīng)由相電流ia、ib和ic傳輸，以驅(qū)動(dòng)ac電機(jī)，所述ac電機(jī)也被稱作電機(jī)114(諸如圖3中描繪的三相永磁同步馬達(dá)(pmsm))。在這個(gè)示例中，dc電力鏈路306可包括dc蓄電池，以向dc總線304提供dc電力。在另一示例中，逆變器可操作為將來(lái)自ac電機(jī)114(例如，發(fā)電機(jī))的ac電力轉(zhuǎn)換為dc電力的ac至dc轉(zhuǎn)換器，其中，dc總線304可將dc電力提供至dc電力鏈路306。此外，系統(tǒng)300可控制其它電力電子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的pem126。

繼續(xù)參照?qǐng)D3，逆變器中的相臂316、318和320中的每個(gè)均包括電力開關(guān)302，電力開關(guān)302可由多種類型的可控開關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在一個(gè)實(shí)施例中，每個(gè)電力開關(guān)302可包括二極管和晶體管(例如，igbt)。圖3中的二極管被標(biāo)記為da1、da2、db1、db2、dc1和dc2，而圖3的igbt分別被標(biāo)記為sa1、sa2、sb1、sb2、sc1和sc2。電力開關(guān)sa1、sa2、da1和da2是三相轉(zhuǎn)換器的相臂a的一部分，其在圖3中被標(biāo)記為第一相臂a316。類似地，電力開關(guān)sb1、sb2、db1和db2是三相轉(zhuǎn)換器的相臂b318的一部分，電力開關(guān)sc1、sc2、dc1和dc2是三相轉(zhuǎn)換器的相臂c320的一部分。逆變器可根據(jù)逆變器的特定構(gòu)造而包括任意數(shù)量的電力開關(guān)302或電路元件。二極管(dxx)與igbt(sxx)并聯(lián)連接，然而，由于為了適當(dāng)?shù)牟僮?，極性是相反的，因此該構(gòu)造通常被稱作反向并聯(lián)。這種反向并聯(lián)構(gòu)造中的二極管還被稱作續(xù)流二極管。

如圖3所示，設(shè)置電流傳感器csa、csb和csc以分別感測(cè)在相臂316、318和320中電流。圖3示出了與pem126分離的電流傳感器csa、csb和csc。然而，根據(jù)pem126的構(gòu)造，電流傳感器csa、csb和csc可被集成為pem126的一部分。圖3中的電流傳感器csa、csb和csc被安裝成分別與相臂a、b和c(即，圖3中的相臂316、318和320)串聯(lián)，并分別提供用于系統(tǒng)300的反饋信號(hào)ias、ibs和ics(也在圖3中示出)。反饋信號(hào)ias、ibs和ics可以是由邏輯器件(ld)處理的原始電流信號(hào)，或者可被嵌入關(guān)于分別流過(guò)相臂316、318和320的電流的數(shù)據(jù)或信息，或者可利用所述數(shù)據(jù)或信息被編碼。此外，電力開關(guān)302(例如，igbt)可包括電流感測(cè)能力。電流感測(cè)能力可包括被配置有可提供表示ias、ibs和ics的數(shù)據(jù)或信號(hào)的電流鏡像輸出。所述數(shù)據(jù)或信號(hào)可指示分別流過(guò)相臂a、b和c的電流的方向、幅值或者方向和幅值兩者。

再次參照?qǐng)D3，系統(tǒng)300包括邏輯器件(ld)或控制器310?？刂破骰騦d310可由多種類型的電子裝置和/或基于微處理器的計(jì)算機(jī)或控制器或者它們的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)控制pem126的方法，控制器310可執(zhí)行被嵌入有所述方法或利用所述方法編碼并且被存儲(chǔ)在易失性存儲(chǔ)器312和/或永久性存儲(chǔ)器312中的計(jì)算機(jī)程序或算法?？蛇x地，邏輯可被編碼到離散邏輯、微處理器、微控制器或存儲(chǔ)在一個(gè)或更多個(gè)集成電路芯片上的邏輯或門陣列中。如圖3中的實(shí)施例所示，控制器310接收并處理反饋信號(hào)ias、ibs和ics以控制相電流ia、ib和ic，使得相電流ia、ib和ic根據(jù)多種電流模式或電壓模式流過(guò)相臂316、318和320并進(jìn)入電機(jī)114的對(duì)應(yīng)的繞組。例如，電流模式可包括流進(jìn)和流出dc總線304或dc總線電容器308的相電流ia、ib和ic的模式。圖3中的dc總線電容器308被示出為與pem126分離。然而，dc總線電容器308可被集成為pem126的一部分。

如圖3所示，諸如計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)介質(zhì)312(以下稱為“存儲(chǔ)器”)可存儲(chǔ)被嵌入有所述方法或利用所述方法編碼的計(jì)算機(jī)程序或算法。此外，存儲(chǔ)器312可存儲(chǔ)關(guān)于pem126中的各種操作狀況或組件的數(shù)據(jù)或信息。例如，存儲(chǔ)器312可存儲(chǔ)關(guān)于流過(guò)各個(gè)相臂316、318和320的電流的數(shù)據(jù)或信息。如圖3所示，存儲(chǔ)器312可以是控制器310的一部分。然而，存儲(chǔ)器312可被布置在控制器310可訪問(wèn)的任何合適的位置。

如圖3所示，控制器310向電力轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)126發(fā)送至少一個(gè)控制信號(hào)236。電力轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)126接收控制信號(hào)236以控制逆變器的開關(guān)配置，從而控制流過(guò)各個(gè)相臂316、318和320的電流。所述開關(guān)配置是逆變器中的電力開關(guān)302的開關(guān)狀態(tài)的集合。一般而言，逆變器的開關(guān)配置確定逆變器如何轉(zhuǎn)換dc電力鏈路306和電機(jī)114之間的電力。

為了控制逆變器的開關(guān)配置，逆變器基于控制信號(hào)236將逆變器中的每個(gè)電力開關(guān)302的開關(guān)狀態(tài)改變?yōu)殚_啟狀態(tài)或關(guān)閉狀態(tài)。在示出的實(shí)施例中，為了將電力開關(guān)302切換到開啟狀態(tài)或關(guān)閉狀態(tài)，控制器或ld310向每個(gè)電力開關(guān)302提供柵極電壓(vg)，從而驅(qū)動(dòng)每個(gè)電力開關(guān)302的開關(guān)狀態(tài)。柵極電壓vga1、vga2、vgb1、vgb2、vgc1和vgc2(在圖3中示出)控制各個(gè)的電力開關(guān)302的開關(guān)狀態(tài)和特性。雖然逆變器在圖3中被示出為電壓驅(qū)動(dòng)的器件，但是逆變器可以是電流驅(qū)動(dòng)的器件，或者可由將電力開關(guān)302在開啟狀態(tài)和關(guān)閉狀態(tài)之間進(jìn)行切換的其它策略來(lái)控制?？刂破?10可基于電機(jī)114的轉(zhuǎn)速、鏡像電流或igbt開關(guān)的溫度來(lái)改變每個(gè)igbt的柵極驅(qū)動(dòng)。柵極驅(qū)動(dòng)的變化可根據(jù)多個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)電流被選擇，在所述多個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)電流中，柵極驅(qū)動(dòng)電流的變化與igbt開關(guān)速度的變化成比例。

還如圖3所示，相臂316、318和320中的每個(gè)包括兩個(gè)開關(guān)302。然而，在相臂316、318和320中的每個(gè)中僅有一個(gè)開關(guān)可以處于開啟狀態(tài)而不會(huì)使dc電力鏈路306短路。因此，在每個(gè)相臂中，下方開關(guān)的開關(guān)狀態(tài)通常與對(duì)應(yīng)的上方開關(guān)的開關(guān)狀態(tài)相反。因此，相臂的高狀態(tài)指的是相臂中的上方開關(guān)處于開啟狀態(tài)并且下方開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)。類似地，相臂的低狀態(tài)指的是相臂的上方開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)并且下方開關(guān)處于開啟狀態(tài)。作為結(jié)果，具有電流鏡像能力的igbt可以是所有igbt、igbt的子集(例如，sa1、sb1、sc1)或單個(gè)igbt。

在圖3中示出的三相轉(zhuǎn)換器示例的激活狀態(tài)期間會(huì)出現(xiàn)兩種情況：(1)兩個(gè)相臂處于高狀態(tài)，而第三個(gè)相臂處于低狀態(tài)，或者(2)一個(gè)相臂處于高狀態(tài)，而另外兩個(gè)相臂處于低狀態(tài)。因此，三相轉(zhuǎn)換器中的一個(gè)相臂(可被定義為逆變器的特定激活狀態(tài)的“參考”相)處于與另外兩個(gè)具有相同狀態(tài)的相臂(或者“非參考”相)的狀態(tài)相反的狀態(tài)。因此，非參考相在逆變器的激活狀態(tài)期間均處于高狀態(tài)或者均處于低狀態(tài)。

圖4是柵極電壓402相對(duì)于時(shí)間404的分布曲線406的示例圖形表示400。這里，分布曲線406在igbt截止的柵極電壓水平(vg_off)408處開始。igbt截止時(shí)的柵極電壓vg_off是低于igbt傳導(dǎo)電流時(shí)的電壓閾值(vge(th))的柵極電壓。vge(th)是使大于泄漏電流的集電極電流開始流動(dòng)的柵極電壓。vge(th)是溫度相關(guān)的，通常每攝氏度下降10mv至20mv。在時(shí)間410，電壓階躍函數(shù)被施加到igbt的柵極上，其中，階躍電壓水平(vg_step1)412是高于vge(th)且低于最小柵極電壓水平的柵極電壓水平，其中，igbt在最小柵極電壓水平下操作于igbt的集電極電流等于最大負(fù)載電流的飽和模式。電壓水平被保持在階躍電壓水平(vg_step1)412持續(xù)根據(jù)柵極電容和柵極電阻得到的持續(xù)時(shí)間。例如，柵極電壓保持在vg_step1的最大時(shí)間或持續(xù)時(shí)間可遵循等式(2)。

其中，cies是igbt的輸入電容，也就是柵極和發(fā)射極之間的電容以及柵極和集電極之間的電容，rg是柵極電阻，t1_max是保持vg_step1的持續(xù)時(shí)間。保持vg_step1的持續(xù)時(shí)間(t1_max或t1)是斜坡開始時(shí)間414減去電壓階躍函數(shù)時(shí)間410的差。

在斜坡結(jié)束時(shí)間416，施加到igbt的柵極上的電壓水平增加至柵極導(dǎo)通電壓(vg_on)418。vg_on418是igbt操作在導(dǎo)通模式時(shí)的柵極電壓，是足夠高以激活處于飽和區(qū)的igbt的柵極電壓，并且是不超過(guò)柵極擊穿電壓的柵極電壓。通常，vg_on418大約是15v。柵極電壓在時(shí)間段內(nèi)升高至vg_on，時(shí)間段(t2)是斜坡結(jié)束時(shí)間416減去斜坡開始時(shí)間414的差。t2是基于小于與電源電壓對(duì)應(yīng)的閾值的電流的導(dǎo)數(shù)的。通常，igbt開關(guān)損耗是時(shí)間段t2的函數(shù)，其中，開關(guān)損耗隨著時(shí)間段t2增加而增大。此外，電流上升斜率或變化率是t2的函數(shù)，隨著t2增加，電流的變化率降低。此外，所述閾值是電源電壓的函數(shù)，其中，變化率取決于電源電壓(還被稱作dc總線電壓或dc鏈路電壓)。變化率可包括在數(shù)學(xué)上被描述為導(dǎo)數(shù)的瞬時(shí)變化率。420指示逐漸減小的增大率，422指示逐漸增大的增大率，424指示波動(dòng)的增大率。這里，瞬時(shí)變化率受到控制器對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣以確定導(dǎo)數(shù)(例如，實(shí)際上在短時(shí)間間隔小樣本(諸如，10ns的樣本和轉(zhuǎn)換時(shí)間)上獲得的導(dǎo)數(shù))的能力的限制。例如，400v/300a的電源電壓可將變化率限制到5a/ns，因而將持續(xù)時(shí)間t2限制到0.30us。然而，對(duì)于較低的電源電壓(諸如，300v/300a)，變化率可被限制到6.6a/ns，并將持續(xù)時(shí)間t2限制為0.10us。基于此，持續(xù)時(shí)間t2可針對(duì)不同的dc總線電壓vdc被確定，或者作為變化的dc總線電壓、流過(guò)igbt的電流和igbt溫度的函數(shù)而被確定。在一個(gè)實(shí)施例中，查找表被存儲(chǔ)在控制器可訪問(wèn)的非易失性存儲(chǔ)器中?？刂破麟S后可基于感測(cè)到的電壓信號(hào)、電流信號(hào)、溫度信號(hào)來(lái)選擇t2的參考值。控制器隨后可向柵極驅(qū)動(dòng)器發(fā)送指示t2的長(zhǎng)度的命令。

圖5是示出用于igbt的柵極驅(qū)動(dòng)控制的流程圖500。在操作502，控制器接收指示用于使igbt器件導(dǎo)通的命令的開啟信號(hào)。流程圖500可通過(guò)多種方法實(shí)現(xiàn)，所述多種方法包括查找表、開環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)、模擬控制系統(tǒng)、數(shù)字控制系統(tǒng)、自適應(yīng)控制系統(tǒng)、模糊邏輯控制系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

在操作502，控制器接收用于使igbt器件導(dǎo)通的信號(hào)，在接收到所述信號(hào)之后，控制器進(jìn)行到操作504。在使igbt導(dǎo)通之前，截止的igbt的柵極電壓(例如，vg_off)是處于低于vge(th)的水平的柵極電壓。

在操作504，控制器確定初始柵極電壓水平，并使柵極電壓水平階躍到預(yù)定水平(例如，vg_step1)。通常，導(dǎo)通開關(guān)損耗與柵極電流水平和柵極電壓水平成反比。處于柵極電壓導(dǎo)通閾值vge(th)的施加到柵極的電壓將在igbt的集電極和發(fā)射極之間產(chǎn)生導(dǎo)電溝道，然而，igbt可被操作在線性區(qū)域內(nèi)，并因此具有更高的開關(guān)損耗。此外，由于與柵極驅(qū)動(dòng)器相關(guān)聯(lián)的成本通常與柵極驅(qū)動(dòng)器性能成正比，因此初始柵極電壓還可能受到柵極驅(qū)動(dòng)器性能的限制。例如，具有較高的驅(qū)動(dòng)性能的柵極驅(qū)動(dòng)器通常比具有較低驅(qū)動(dòng)性能的柵極驅(qū)動(dòng)器更貴。這里，以階躍電壓水平(例如，vg_step1)將電壓階躍函數(shù)施加到igbt的柵極。階躍電壓水平是高于vge(th)且低于最小柵極電壓水平的柵極電壓水平，在最小柵極電壓水平下，igbt在飽和模式下進(jìn)行操作以將最大負(fù)載電流傳導(dǎo)到負(fù)載。階躍電壓水平可以是預(yù)定的，并存儲(chǔ)在查找表中，使得所述水平可基于操作特性(諸如，igbt溫度)被容易地確定或者使用以上描述的方法在運(yùn)行中(onthefly)被計(jì)算。在施加電壓階躍之后，控制器進(jìn)行到操作506。

在操作506，控制器將電壓水平保持在階躍電壓水平(例如，vg_step1)持續(xù)根據(jù)igbt特性得到的持續(xù)時(shí)間，所述igbt特性包括與柵極關(guān)聯(lián)的電容(例如，柵極和發(fā)射極之間的電容cge、柵極和集電極之間的電容cgc、集電極和發(fā)射極之間的電容cce或它們的組合)、柵極電阻、與igbt的操作關(guān)聯(lián)的柵極電荷(例如，總的柵極電荷qg)、igbt溫度或開關(guān)特性(例如，接通延遲時(shí)間、斷開延遲時(shí)間和開關(guān)損耗)。所述持續(xù)時(shí)間可以是預(yù)定的，并存儲(chǔ)在查找表中，使得所述水平可基于igbt操作特性被容易地確定或者使用以上描述的方法在運(yùn)行中被計(jì)算。一旦所述持續(xù)時(shí)間到期(即，初始柵極電壓已經(jīng)保持了所需的持續(xù)時(shí)間)，則控制器進(jìn)行到操作508。

在操作508，控制器以增大率升高電壓。所述增大率可以是基于包括器件特性、操作狀況和負(fù)載特性的多個(gè)因素的。器件特性包括柵極電阻、柵極電容、閾值電壓、最大集電極電流、二極管正向電流和其它igbt特性。操作狀況包括溫度、開關(guān)速度、pwm占空比、電源電壓和車輛速度。負(fù)載特性包括電感、電阻、最大電流、轉(zhuǎn)速、勢(shì)能、動(dòng)能和其它電特性或機(jī)電特性。通過(guò)第一階躍電壓(例如，vg_step1)和igbt導(dǎo)通電壓(例如，vg_on)之間的差以及發(fā)生電壓變化所持續(xù)的持續(xù)時(shí)間來(lái)確定所述增大率。所述持續(xù)時(shí)間是基于比與電源電壓對(duì)應(yīng)的閾值小的在igbt的集電極和igbt的發(fā)射極之間流動(dòng)的電流的導(dǎo)數(shù)的。

通常，持續(xù)時(shí)間(t2)與斜坡上升速率(ramprate)相關(guān)聯(lián)，所述斜坡上升速率被選擇以避免在所有操作范圍內(nèi)的續(xù)流二極管上的過(guò)度的電壓過(guò)沖。最差情況的操作狀況(例如，最大dc總線電壓)被選擇以確定持續(xù)時(shí)間，在實(shí)踐中，一旦基線被確定，則持續(xù)時(shí)間可逐步增加，直到續(xù)流二極管上的電壓尖峰超過(guò)限制。該數(shù)據(jù)可被用于基于電源電壓和溫度形成查找表。因此，持續(xù)時(shí)間可基于逆變器的dc總線電壓或dc-dc轉(zhuǎn)換器的電池電壓而被確定。

在操作510，控制器將igbt的柵極的電壓與igbt導(dǎo)通柵極電壓進(jìn)行比較。如果施加到柵極的電壓小于導(dǎo)通柵極電壓水平，則控制器返回操作508。如果施加到柵極的電壓等于igbt導(dǎo)通柵極電壓水平(例如，vg_on)，則控制器進(jìn)行到操作512。在操作512，控制器將柵極電壓保持在vg_on，直到接收到另一個(gè)信號(hào)。vg_on是igbt在飽和模式下在集電極和發(fā)射極之間傳導(dǎo)電流的柵極電壓，并且該柵極電壓不超過(guò)柵極擊穿電壓。通常，vg_on大約是15v。

圖6a至圖6d是與柵極驅(qū)動(dòng)電路相關(guān)聯(lián)的igbt操作特性相對(duì)于時(shí)間的圖形表示。柵極驅(qū)動(dòng)策略基于操作反饋適應(yīng)于不同的操作狀況。不同的dc總線電壓下的開關(guān)行為在圖6a至圖6d中被示出?？紤]到二極管具有更大的安全裕度，在較低的dc總線電壓下開關(guān)igbt允許較高的集電極電流和較高的集電極電流相對(duì)于時(shí)間的變化率(di/dt)。因此，柵極電壓(vg)以較大的斜率增大，這在電流增大時(shí)間段期間產(chǎn)生更大的柵極電流(ig)，以加速開關(guān)并降低損耗。以這種方式，階躍斜坡電壓源柵極驅(qū)動(dòng)策略優(yōu)化了所有操作范圍內(nèi)的開關(guān)行為。通常，更高的igbt的di/dt將導(dǎo)致更高的二極管電壓尖峰，這可能使二極管承受過(guò)電壓負(fù)荷并導(dǎo)致器件故障。在一個(gè)實(shí)施例中，igbt的di/dt逐步增大，直到二極管電壓的尖峰達(dá)到安全限制。這提供了針對(duì)選擇的操作狀況的di/dt水平。

圖6a是施加至柵極的電壓602相對(duì)于時(shí)間604的圖形表示600。圖形表示600示出了在低dc總線電壓(例如，200v)下施加至與igbt的柵極串聯(lián)的電阻器的第一柵極驅(qū)動(dòng)電壓分布曲線606。第二柵極驅(qū)動(dòng)電壓分布曲線608是在高dc總線電壓(例如，400v)下施加至與igbt的柵極串聯(lián)的電阻器的電壓。在低dc總線電壓(例如，200v)下在igbt的柵極和發(fā)射極兩端施加第一柵極-發(fā)射極電壓分布曲線610。并且在高dc總線電壓(例如，400v)下在igbt的柵極和發(fā)射極兩端施加第二柵極-發(fā)射極電壓分布曲線612。在時(shí)間614，施加?xùn)艠O電壓階躍函數(shù)以將柵極電壓增大到第一階躍電壓水平605。柵極電壓(606、608)保持在該水平直到時(shí)間618，在時(shí)間618之后，柵極電壓(606、608)以基于持續(xù)時(shí)間的速率增大。所述持續(xù)時(shí)間根據(jù)igbt特性被得到。在所述持續(xù)時(shí)間在時(shí)間618結(jié)束之后，柵極電壓增大至導(dǎo)通電壓。柵極電壓(606、608)在基于小于與電源電壓對(duì)應(yīng)的閾值的電流的導(dǎo)數(shù)的時(shí)間段內(nèi)斜坡上升或增大。例如，在低dc總線電壓下，所述第一階躍電壓與所述導(dǎo)通電壓的差對(duì)應(yīng)于618和620之間的時(shí)間，在高總線電壓下，所述差對(duì)應(yīng)于618和622之間的時(shí)間。

圖6b是到柵極的電流(ig)632相對(duì)于時(shí)間604的圖形表示630。圖形表示630示出了在低dc總線電壓下施加到igbt的柵極的第一柵極電流分布曲線634以及在高dc總線電壓下施加到igbt的柵極的第二柵極電流分布曲線636。638指示電流峰值。

圖6c是集電極至發(fā)射極電壓(vce)642相對(duì)于時(shí)間604的圖形表示640。圖形表示640示出了在低dc總線電壓下施加到igbt的柵極的第一集電極至發(fā)射極電壓分布曲線646以及在高dc總線電壓下施加到igbt的柵極的第二集電極至發(fā)射極電壓分布曲線644。

圖6d是到集電極的電流(ic)652相對(duì)于時(shí)間604的圖形表示650。圖形表示650示出了在低dc總線電壓下流至igbt的集電極的第一集電極電流分布曲線654以及在高dc總線電壓下流至igbt的集電極的第二集電極電流分布曲線656。658指示低dc總線電壓集電極電流峰值。660指示高dc總線電壓集電極電流峰值。

在此公開的處理、方法或算法可被傳送到處理裝置、控制器或計(jì)算機(jī)，或者通過(guò)所述處理裝置、控制器或計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，其中，所述處理裝置、控制器或計(jì)算機(jī)可包括任何現(xiàn)有的可編程電子控制單元或?qū)Ｓ玫碾娮涌刂茊卧ｎ愃频?，所述處理、方法或算法可以多種形式被存儲(chǔ)為可由控制器或計(jì)算機(jī)執(zhí)行的數(shù)據(jù)或指令，其中，所述多種形式包括但不限于信息永久地存儲(chǔ)在非可寫存儲(chǔ)介質(zhì)(諸如，只讀存儲(chǔ)器(rom)裝置)中以及信息可變地存儲(chǔ)在可寫存儲(chǔ)介質(zhì)(諸如，軟盤、磁帶、致密盤(cd)、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(ram)裝置以及其它磁介質(zhì)和光學(xué)介質(zhì))中。所述處理、方法或算法也可在軟件可執(zhí)行對(duì)象中實(shí)現(xiàn)?？蛇x地，可使用合適的硬件組件(諸如，專用集成電路(asic)、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(fpga)、狀態(tài)機(jī)、控制器或者其它硬件組件或裝置)或者硬件組件、軟件組件和固件組件的組合來(lái)整體或部分地實(shí)現(xiàn)所述處理、方法或算法。

雖然以上描述了示例性實(shí)施例，但是并不意在這些實(shí)施例描述權(quán)利要求所涵蓋的所有可能形式。說(shuō)明書中所使用的詞語(yǔ)是描述性詞語(yǔ)而非限制性詞語(yǔ)，并且應(yīng)理解的是，可在不脫離本公開的精神和范圍的情況下做出各種改變。如前所述，可將各個(gè)實(shí)施例的特征進(jìn)行組合以形成本發(fā)明的可能未被明確描述或示出的進(jìn)一步的實(shí)施例。盡管針對(duì)一個(gè)或更多個(gè)期望特性，各個(gè)實(shí)施例可能已經(jīng)被描述為提供優(yōu)點(diǎn)或優(yōu)于其它實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)的實(shí)施方式，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識(shí)到，根據(jù)具體的應(yīng)用和實(shí)施方式，一個(gè)或更多個(gè)特征或特性可被折衷以實(shí)現(xiàn)期望的整體系統(tǒng)屬性。這些屬性可包括但不限于成本、強(qiáng)度、耐用性、生命周期成本、市場(chǎng)性、外觀、包裝、尺寸、可維護(hù)性、重量、可制造性、裝配的容易性等。因此，被描述為在一個(gè)或更多個(gè)特性方面不如其它實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)的實(shí)施方式的實(shí)施例并非在本公開的范圍之外，并且可被期望用于特定的應(yīng)用。