CN101686019A - 具有隔离的栅极驱动电路的功率转换器组件 - Google Patents

具有隔离的栅极驱动电路的功率转换器组件 Download PDF

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Abstract

本发明涉及具有隔离的栅极驱动电路的功率转换器组件。具体而言，提供一种功率转换器组件。所述功率转换器组件包括至少一个开关、高频振荡器和功率缓冲器，所述高频振荡器耦接到所述至少一个开关并且构造成基于提供到所述高频振荡器的直流(DC)功率产生高频波形，所述功率缓冲器耦接到所述至少一个开关和所述高频振荡器并且构造成基于所述高频波形控制所述至少一个开关的操作。

Description

具有隔离的栅极驱动电路的功率转换器组件
技术领域
[0001]本发明总体涉及功率转换器，且更具体地涉及具有隔离的栅极驱动电路的自动功率转换器。
背景技术
[0002]近年来，技术的发展和日益演进的风格品味，已经引起机动车设计中的重大变化。其中一个变化涉及机动车内电气系统的复杂性，尤其是替代燃料车辆，例如混合动力、电动和燃料电池车辆。这些替代燃料车辆典型地使用一个或多个电动机，或许结合另一致动器以驱动车轮。此外，这些机动车也可包括其他马达和其他高电压部件，以操作机动车内的其他各种系统，例如空调。
[0003]由于替代燃料机动车通常仅包括直流(DC)功率源的事实，直流到交流(DC/AC)逆变器(或功率逆变器)被提供以将DC功率转换成通常电机所需的交流(AC)功率。这些车辆，尤其是燃料电池车辆，还经常使用两个独立电压源，例如蓄电池和燃料电池，以给驱动车轮的电动机供电。因此，功率转换器，例如直流到直流(DC/DC)转换器也典型地被提供以管理并传输来自该两个电压源的功率。
[0004]希望提供功率转换器，具有与上述特性有关的改进性能和允许先进热管理的布局。此外，本发明的其他希望特征和特点将从下面的描述并结合附图和前述技术领域和背景技术变得显而易见。
发明内容
[0005]提供一种功率转换器组件。所述功率转换器组件包括至少一个开关、高频振荡器和功率缓冲器，所述高频振荡器耦接到所述至少一个开关并且构造成基于提供到所述高频振荡器的直流(DC)功率产生高频波形，所述功率缓冲器耦接到所述至少一个开关和所述高频振荡器并且构造成基于所述高频波形控制所述至少一个开关的操作。
[0006]提供一种自动功率转换器组件。所述自动功率转换器组件包括：至少一个晶体管；基底，所述基底包括多个陶瓷层和无源电子部件，所述无源电子部件至少部分地形成高频振荡器，所述高频振荡器耦接到所述至少一个晶体管并且构造成基于提供到所述高频振荡器的直流(DC)功率产生高频波形；以及耦接到所述至少一个晶体管和所述高频振荡器的功率缓冲器，所述功率缓冲器构造成基于所述高频波形控制所述至少一个晶体管的操作。
[0007]提供一种自动驱动系统。所述自动驱动系统包括电动机、耦接到所述电动机并且包括至少一个开关的功率逆变器、构造成产生直流(DC)功率的DC功率源、耦接到所述DC功率源并且构造成基于DC功率产生高频波形的高频振荡器、构造成产生控制信号的控制电路、以及功率缓冲器，所述功率缓冲器耦接到所述高频振荡器、所述控制电路和所述功率逆变器，并且构造成基于所述高频波形和所述控制信号控制所述功率逆变器内的所述至少一个开关的操作，使得交流(AC)功率提供给所述电动机。
附图说明
[0008]这里将结合下面的附图描述本发明，其中在附图中相似的附图标记标识相似的元件，以及
[0009]图1是根据本发明一个实施例的示范性机动车的示意图；
[0010]图2是图1的机动车内的电压源逆变器系统的框图；
[0011]图3是图1的机动车内的逆变器的示意图；
[0012]图4是根据本发明一个实施例的逆变器栅极驱动功率和逻辑控制电路的框图；
[0013]图5是图4的电路可至少部分地在其中实施的陶瓷电路基底的剖面侧视图。
具体实施方式
[0014]下面的详细说明本质上仅是示范性的，并且无意限制本发明或本发明的应用和使用。此外，无意受到在前述技术领域、背景技术、发明内容或下面的详细说明中所提出的任何明示或默示理论的限制。
[0015]下面的描述提及“连接”或“耦接”在一起的元件或特征。如在此所使用的，“连接”可指一个元件/特征机械地结合到另一个元件/特征(或与其直接连通)，而不必是直接地结合。类似地，“耦接”可指一个元件/特征直接或间接地结合到另一个元件/特征(或与其直接或间接地连通)，而不必是机械地。然而，应当理解，虽然下面在一个实施例中可将两个元件描述为“连接”，但是在替代实施例中相似的元件可以是“耦接”，并且反之亦反。因此，虽然在此所示的示意图描述元件的示范性布置，但是，额外的介入元件、装置、特征或部件可以出现在实际的实施例中。
[0016]此外，在此描述的各种部件和特征可使用具体的数字描述符例如第一、第二、第三等以及位置和/或角度描述符例如水平的和垂直的来表示。然而，这些描述符可被使用成仅用于有关附图的描述目的并且不应解释为限制，因为该各种部件在其他实施例中可被重新布置。还应当理解，图1-5仅是说明性的并且可能未成比例绘制。
[0017]图1到图5图示出自动功率转换器组件。功率转换器包括至少一个开关、高频振荡器和功率缓冲器，其中，高频振荡器耦接到该至少一个开关并且构造成基于提供到该高频振荡器的直流(DC)功率产生高频波形，功率缓冲器耦接到该至少一个开关和高频振荡器并且构造成基于该高频波形控制该至少一个开关的操作。高频振荡器可至少部分地形成在陶瓷基底例如低温共烧陶瓷(LTCC)基底内，这允许波形具有非常高的频率(例如，超过100兆赫(MHz))并且利于栅极驱动电路尺寸的减小。
[0018]图1图示出根据本发明的一个实施例的车辆(或“机动车”)10。机动车10包括底盘12、车身14、四个车轮16和电子控制系统18。车身14布置在底盘12上并且大体包围机动车10的其他部件。车身14和底盘12可共同地形成车架。车轮16在靠近车身14的相应拐角处每个都转动地耦接到底盘12。
[0019]机动车10可以是若干不同类型机动车中的任意一种，例如轿车、货车、卡车或运动型多用途车(SUV)，并且可以是两轮驱动(2WD)(即后轮驱动或前轮驱动)、四轮驱动(4WD)或全轮驱动(AWD)。机动车10还可包括若干不同类型发动机中的任意一种或该若干不同类型发动机的组合，这些不同类型发动机例如为汽油或柴油燃料内燃机、“灵活燃料车辆”(FFV)发动机(即，使用汽油和乙醇的混合物)、气体复合物(例如，氢和/或天然气)燃料发动机、燃烧/电动机混合动力发动机和电动机。
[0020]在图1中所图示的示范性实施例中，机动车10是混合动力车辆，并且还包括致动器组件20、蓄电池(或高压直流(DC)功率源)22、功率转换器组件(例如，逆变器组件)24和散热器26。致动器组件20包括内燃机28和电动机/发电机(或电机)30。如本领域技术人员所理解的，电动机30包括在其中的传动机构，并且虽然未图示出，但还包括定子组件(包括导电线圈)、转子组件(包括铁磁芯)和冷却流体(即，冷却剂)。电动机30内的定子组件和/或转子组件可包括多个电磁极(例如，16个极)，如通常所理解。
[0021]仍然参考图1，在一个实施例中，内燃机28和电动机30结合成使得两者通过一个或多个驱动轴32机械地耦接到至少某些车轮16。散热器26在车架外部部分处连接到车架，并且虽然未详细示出，但是散热器26包括在其中的多个冷却通道，冷却通道含有冷却流体(即，冷却剂)例如水和/或乙二醇(即，“防冻剂”)，并且散热器26耦接到发动机28和逆变器24。虽然下面的讨论将功率转换器组件24称为直流到交流(DC/AC)逆变器(即，DC到AC逆变器)，但是应当理解，在某些实施例中本发明的方面可以与直流到直流(DC/DC)转换器一起使用，如本领域技术人员所理解。
[0022]参考图2，示出根据本发明示范性实施例的电压源逆变器系统(或电气驱动系统)34。电压源逆变器系统34包括与脉宽调制(PWM)调制器38(或脉宽调制器)和逆变器24(在其输出处)可操作的通信的控制器36。PWM调制器38耦接到栅极驱动器39，继而栅极驱动器39具有耦接到逆变器24的输入的输入。逆变器24具有耦接到电机30的第二输出。控制器36和PWM调制器38可以与图1中所示的电子控制系统18成一整体。
[0023]图3更详细地示意性图示出图1和2的逆变器24(或功率转换器)。逆变器24包括耦接到电机30的三相电路。更具体地，逆变器24包括具有耦接到电压源Vdc(例如，蓄电池22)的第一输入和耦接到电机30的输出的开关网络。虽然示出单个电压源，但是可以使用带有两个串联源的分布式DC链路。
[0024]开关网络包括三对(a，b和c)与电机30的每一相相对应的带有反并联二极管(即，与每个开关反并联)的串联开关。每一对串联开关都包括第一开关或晶体管(即，“高压”开关)40、42和44和第二开关(即，“低压”开关)46、48和50，其中第一开关40、42和44具有耦接到电压源22的正电极的第一端子，第二开关46、48和50具有耦接到电压源22的负电极的第二端子和耦接到相应第一开关40、42和44的第二端子的第一端子。如通常所理解的，每一个开关40-50都可以是单个半导体装置，例如形成在半导体(例如，硅)基底(例如，晶片)上的集成电路内的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。
[0025]图4示出根据本发明的一个实施例的功率开关晶体管栅极驱动功率和逻辑控制电路(或子系统)52。子系统52包括功率源电路(或功率源)54、逻辑控制电路56和功率缓冲器(或驱动放大器)58。如本领域技术人员将理解的，子系统52对应于栅极驱动器39(图2)并且用于驱动逆变器24内的开关40-50(图3)(图4中象征性地示出有一个开关)。
[0026]功率源54包括高频(HF)振荡器60、HF耦接电路62和整流器64。HF振荡器60包括集成电路66，集成电路66构造成控制HF振荡器60，从而使HF振荡器60保持在由HF振荡器60内的电容器68和电感器70形成的LC电路的谐振频率处工作。通过LC电路，HF振荡器60将高频AC功率传送给HF耦接电路62。在一个实施例中，振荡器是谐振腔振荡器并且同样也包括谐振腔，如通常所理解的。HF耦接电路62包括共同地形成变压器的两个线圈72。在一个实施例中，变压器不包括任何一个线圈72内的铁磁芯。整流器64(例如，20VDC)包括一个或多个(例如，两个)二极管74和一个或多个(例如，两个)电容器76。在一个实施例中，用于操作功率源54(Vdc)的功率由低电压(例如，12V)蓄电池(未示出)提供，因为高电压蓄电池22与低电压系统电气隔离。
[0027]逻辑控制电路56包括HF电磁发送器78和HF电磁接收器80。虽然未示出，但是发送器78和接收器80可包括各种无源电子部件，例如电感器、电阻器、电容器和二极管，如通常所理解的。逻辑控制电路56可至少部分地用于将控制或切换(接通/断开)信号从高电压电气地隔离，以及用于将所述信号传送给驱动放大器。
[0028]在一个实施例中，功率缓冲器(或驱动放大器)58包括与整流器64和HF接收器80可操作地通信(或电气地连接)的一个或多个(例如，两个)金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)82，如通常所理解的。MOSFET82还电气地连接到逆变器24(和/或逆变器24中的其中一个开关)。如本领域技术人员将理解的，除了MOSFET，可使用能够传送用于逆变器24(即，图3中的开关40-50)的切换动作的充分高峰值电流的其他装置。
[0029]在一个实施例中，逆变器栅极驱动功率和逻辑控制子系统52的各种部件在多层陶瓷基底例如低温共烧陶瓷(LTCC)基底84内实施，低温共烧陶瓷(LTCC)基底84的一个例子在图5中示出。如本领域技术人员将理解的，基底84包括多个电介质层86，电介质层86包括在其中形成的导电构件88(例如，通孔(via)和迹线(trace))。导电构件88可由如下步骤形成，即：冲压或钻出通过单个层86(例如，玻璃陶瓷带)的洞，并且例如使用网印或光影像方法将用于构件88的敷金属添加到所述洞中。然后，层86在例如850°和900℃之间处烧制之前堆叠并层压。然后剪切该结构成合适尺寸从而形成基底84。
[0030]结合参考图4和5，层86可构造成使得层86和导电构件88在基底84内共同形成子系统52的某些(或全部)无源电子部件，例如电感器90、电容器92、电阻器94。此外，层86中的其中一个可包括谐振腔96(用于图4的振荡器60)。其他部件，例如集成电路98(例如振荡器60和/或驱动放大器58的集成电路66)、二极管100和印刷电阻器102可安装到基底84的上表面(或在基底84的上表面上形成)。这样，HF振荡器60、HF耦接电路62、整流器64、HF发送器78和HF接收器80至少部分地形成在基底84内(或至少部分地与基底84成一整体)。因此，在至少一个实施例中，整个逆变器栅极驱动功率和逻辑控制子系统在单个部件(即，基底84)内和/或在单个部件(即，基底84)上实施。
[0031]再次参考图1，在所描述的实施例中，逆变器24接收并与电动机30共用冷却剂。散热器26可相似地连接到逆变器24和/或电动机30。电子控制系统18与致动器组件20、高压蓄电池22和逆变器组件24可操作地通信。虽然未详细示出，但是电子控制系统18包括各种传感器和自动控制模块，或电子控制单元(ECU)，例如逆变器控制模块和车辆控制器，以及至少一个处理器和/或存储器，存储器包括存储在其上(或在另一计算机可读介质中)用于执行如下描述的过程和方法的指令。还应当理解，电子控制系统18可包括或整合图2中示出的逆变器组件24的部分，例如控制器36和调制器38。
[0032]在操作期间，参考图1和2，通过内燃机28和电动机30以交替方式和/或内燃机28和电动机30同时地将动力提供给车轮16来操作机动车10。为了给电动机30供应动力，在功率被传送到电动机30之前，DC功率从蓄电池22(以及，在燃料电池机动车的情况下，燃料电池)提供给逆变器24，逆变器24将DC功率转换成AC功率。如本领域技术人员将理解的，DC功率到AC功率的转换大致通过在“开关频率”(Fsw)例如12千赫(kHz)处操作(即反复切换)逆变器24内的晶体管33来执行。通常，控制器36产生用于控制逆变器24的切换动作的脉宽调制(PWM)信号。在优选实施例中，控制器36优选地产生不连续的PWM(DPWM)信号，该不连续的PWM(DPWM)信号具有与逆变器24的每一切换周期相关联的单个零向量。然后逆变器24将PWM信号转换为用于操作电机30的调制电压波形。
[0033]参考图4，由HF振荡器60从蓄电池22接收高压功率信号(Vdc)。HF振荡器60产生频率例如在100兆赫(MHz)和1千兆赫(GHz)之间或更高的HF AC波形。在AC波形由整流器64转换成单一极性之前，AC波形提供给HF耦接电路62，在HF耦接电路62中，由电感器72形成的变压器减小该信号的电压。然后，该信号提供给功率缓冲器58，功率缓冲器58使用功率信号，连同控制信号(接通/断开)以操作逆变器24(即，切换逆变器24内的晶体管)，其中控制信号(接通/断开)由电子控制系统18(图1)内的逆变器模块初始产生并且从逻辑控制电路56接收。
[0034]一个优点是HF振荡器的使用允许AC波形在显著较高的频率处产生，这继而允许无源部件(以及整个基底)尺寸的显著减小。因此，可以减小用于驱动晶体管的栅极的电路与逆变器自身(即，晶体管)之间的距离。在某些实施例中，尺寸的这种减小可允许栅极驱动电路位于逆变器模块中的其中一个内，并且实施为逆变器模块中的其中一个的一部分，从而引起外部部件和部件之间所需的配线线束的减少。
[0035]除了使用在用于电机驱动的逆变器中之外，上述栅极驱动电路可使用在各种类型的系统中，因为其可使用在具有功率开关晶体管的任何应用中。例如，该电路可使用在直流到直流(DC/DC)转换器中，例如升压转换器，并且其可用于驱动控制加热元件的单个开关断路器。
[0036]虽然在前面的详细描述中描述了至少一个示范性实施例，但是应当知道存在大量的变形。还应当知道一个示范性实施例或多个示范性实施例仅仅是例子，并无意以任何方式限制本发明的范围、适用性或构造。相反，前面的详细描述将为本领域技术人员提供方便的指引以实施一个示范性实施例或多个示范性实施例。应当理解在不偏离由所附权利要求及其合法等同方案阐明的本发明范围的情况下可以对元件的功能和布置做出各种变化。

Claims (20)

1.一种功率转换器组件，所述功率转换器组件包括：
至少一个开关；
高频振荡器，所述高频振荡器耦接到所述至少一个开关并且构造成基于提供到所述高频振荡器的直流(DC)功率产生高频波形；以及
功率缓冲器，所述功率缓冲器耦接到所述至少一个开关和所述高频振荡器并且构造成基于所述高频波形控制所述至少一个开关的操作。
2.如权利要求1所述的功率转换器组件，其特征在于，还包括基底，所述基底包括多个陶瓷层和导电构件，并且其中所述高频振荡器与所述基底成一整体。
3.如权利要求2所述的功率转换器组件，其特征在于，所述基底内的所述导电构件共同形成多个无源电子部件。
4.如权利要求3所述的功率转换器组件，其特征在于，还包括变压器和整流器，所述变压器和所述整流器与所述基底成一整体，并且其中所述高频振荡器、所述变压器和所述整流器至少部分地由所述多个无源电子部件形成。
5.如权利要求4所述的功率转换器组件，其特征在于，所述基底是低温共烧陶瓷(LTCC)基底。
6.如权利要求5所述的功率转换器组件，其特征在于，还包括控制电路，所述控制电路耦接到所述功率缓冲器并且构造成给所述功率缓冲器提供控制信号，并且其中所述功率缓冲器还构造成基于所述高频波形和所述控制信号控制所述至少一个开关的操作。
7.如权利要求6所述的功率转换器组件，其特征在于，所述高频波形具有大于1兆赫(MHz)的频率。
8.如权利要求7所述的功率转换器组件，其特征在于，所述自动功率转换器组件构造成将DC功率转换成交流(AC)功率。
9.如权利要求6所述的功率转换器组件，其特征在于，所述控制电路包括发送器和接收器，并且其中所述发送器和所述接收器中的每个的至少一部分至少部分地由所述无源电子部件形成。
10.如权利要求9所述的功率转换器组件，其特征在于，所述发送器是电磁发送器以及所述接收器是电磁接收器。
11.一种自动功率转换器组件，所述自动功率转换器组件包括：
至少一个晶体管；
包括多个陶瓷层和无源电子部件的基底，所述无源电子部件至少部分地形成高频振荡器，所述高频振荡器耦接到所述至少一个晶体管并且构造成基于提供到所述高频振荡器的直流(DC)功率产生高频波形；以及
耦接到所述至少一个晶体管和所述高频振荡器的功率缓冲器，所述功率缓冲器构造成基于所述高频波形控制所述至少一个晶体管的操作。
12.如权利要求11所述的自动功率转换器组件，其特征在于，所述基底是低温共烧陶瓷(LTCC)基底。
13.如权利要求12所述的自动功率转换器组件，其特征在于，还包括控制电路，所述控制电路耦接到所述功率缓冲器并且构造成给所述功率缓冲器提供控制信号，并且其中所述功率缓冲器还构造成基于所述高频波形和所述控制信号控制所述至少一个晶体管的操作。
14.如权利要求13所述的自动功率转换器组件，其特征在于，所述基底内的所述无源电子部件还至少部分地形成耦接到所述高频振荡器和所述功率缓冲器的变压器和整流器。
15.如权利要求14所述的自动功率转换器组件，其特征在于，所述高频波形具有大于100兆赫(MHz)的频率。
16.一种自动驱动系统，所述自动驱动系统包括：
电动机；
耦接到所述电动机并且包括至少一个开关的功率逆变器；
构造成产生直流(DC)功率的DC功率源；
耦接到所述DC功率源并且构造成基于控制信号产生高频波形的高频振荡器；
构造成产生控制信号的控制电路；以及
功率缓冲器，所述功率缓冲器耦接到所述高频振荡器、所述控制电路和所述功率逆变器，并且构造成基于所述高频波形和所述控制信号控制所述功率逆变器内的所述至少一个开关的操作，使得交流(AC)功率提供给所述电动机。
17.如权利要求16所述的自动驱动系统，其特征在于，还包括基底，所述基底包括多个陶瓷层和形成在所述陶瓷层内的导电构件，并且其中所述高频振荡器至少部分地由所述导电构件形成。
18.如权利要求17所述的自动驱动系统，其特征在于，所述基底的所述陶瓷层内的所述导电构件形成多个无源电子部件。
19.如权利要求18所述的自动驱动系统，其特征在于，还包括耦接到所述高频振荡器和所述功率缓冲器的变压器和整流器，并且其中所述变压器和所述整流器至少部分地由所述基底内的所述电子部件形成。
20.如权利要求19所述的自动驱动系统，其特征在于，所述基底是低温共烧陶瓷(LTCC)基底。
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