CN110858756A - 集成启动发电机应用中的电机控制和串联通过调节的b6+3桥 - Google Patents

集成启动发电机应用中的电机控制和串联通过调节的b6+3桥 Download PDF

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Abstract

本公开涉及集成启动发电机应用中的电机控制和串联通过调节的B6+3桥。本公开描述了一种用于管理针对集成电机发电机(IMG)(诸如集成启动发电机(ISG)系统)的能量流的控制电路。当IMG以发电机模式操作时，该电路调节IMG的输出电压。该电路包括用于与针对相位的半桥电路反串联连接的每个相的附加开关，例如，附加开关的漏极连接到高侧开关的漏极。当ISG处于发电机模式时，控制附加开关，例如，以在ISG的整个速度范围内(即，高rpm和低rpm)以恒定电压和电流对电池充电。在发电机模式下，可以断开高侧开关，这将高侧开关配置为用作二极管并且当相电压较低时阻止电池放电以实现低rpm操作。

Description

集成启动发电机应用中的电机控制和串联通过调节的B6+3桥
技术领域
本公开涉及电机控制电路。
背景技术
集成启动发电机(ISG)可以用于替换车辆(诸如汽车)的传统的启动系统和交流发电机(发电机)。在一些示例中，ISG可以允许更大的发电能力，并且可以用在内燃机(ICE)或可以将ICE与电驱动器组合的混合动力电动车辆(HEV)中。ISG可以通过包括具有直接连接到ICE的曲轴的交流发电机的定子线圈来代替启动电机，而不是具有在ICE启动期间连接到曲轴的滑动齿轮的启动电机。在电机模式下以启动ICE的同时，ISG接收能量，例如从电池。
当ICE在诸如丙烷或汽油等燃料上运行时，ISG以发电机模式操作以为车辆中的电力服务供电并且对电池再充电。在一些示例中，ISG可以具有相反的规格，诸如在宽速度范围内的高启动转矩和弱磁能力。ISG的一些示例可以用在具有自动怠速停止系统的车辆中，其在车辆(诸如汽车)停止时(例如，在交通拥挤或交叉路口处)停止发动机怠速。
发明内容
总体上，本公开涉及一种用于管理针对集成电机发电机(IMG)(诸如集成启动发电机(ISG)系统)的能量流的控制电路。当集成电机发电机以发电机模式操作时，该电路调节集成电机发电机的输出电压。该电路包括用于与针对相位的半桥电路反串联连接的每个相的开关。控制电路还包括开关控制电路系统和开关控制方案以在整个操作条件范围内操作控制电路，包括启动、低每分钟转数(rpm)和高rpm操作。
用于ISG系统的半桥可以包括串联连接的两个开关。在n沟道功率场效应晶体管(FET)的示例中，串联连接表示高侧开关的源极连接到低侧开关的漏极。本公开的电路包括反串联连接到每个半桥支路的附加开关。在n沟道示例中，反串联连接表示附加n沟道开关的漏极连接到高侧开关的漏极。当ISG处于发电机模式时，附加开关例如通过控制电路或电机控制单元(MCU)被控制为在ISG的整个速度范围内(即，高rpm和低rpm)以恒定电压对电池充电。在发电机模式下，高侧开关断开，这将高侧开关配置为用作二极管并且在相电压较低时阻止电池放电以实现低rpm操作。当处于电机模式时，控制电路可以接通附加开关并且控制高侧和低侧开关使用来自电池或某种其他电源的电力来驱动电机。
在一个示例中，本公开涉及一种用于集成电机发电机的控制电路，该电路包括：包括栅极端子和电流通道的开关，电流通道包括第一端子和第二端子；以及包括第一栅极控制输出端子、第二栅极控制输出端子和第三栅极控制输出端子的开关驱动电路。第一栅极控制输出电连接到开关的栅极端子，第二栅极控制输出端子被配置为控制半桥电路高侧开关的栅极端子，并且第三栅极控制输出端子被配置为控制半桥电路低侧开关的栅极端子；并且其中开关的第一端子在高侧开关的、与半桥电路的开关节点相对的一侧连接到高侧开关。
在另一示例中，本公开涉及一种系统，该系统包括；被配置为以电机模式和以发电机模式操作的集成电机发电机；包括被耦合到低侧开关的高侧开关的半桥电路。半桥电路：在半桥电路的开关节点处被耦合到集成电机发电机；并且被配置为控制集成电机发电机的操作。该系统还包括控制电路，控制电路包括：包括栅极端子和电流通道的开关，电流通道包括第一端子和第二端子；包括控制输入、第一栅极控制输出端子、第二栅极控制输出端子和第三栅极控制输出端子的开关驱动电路。第一栅极控制输出电连接到开关的栅极端子，第二栅极控制输出端子被配置为控制半桥电路高侧开关的栅极端子，第三栅极控制输出端子被配置为控制半桥电路低侧开关的栅极端子，该开关的第一端子在高侧开关的、与半桥电路的开关节点相对的一侧连接到高侧开关的电流通道。该系统还包括可操作地耦合到半桥电路和控制电路并且被配置为从半桥电路和集成电机发电机接收感测信号的处理电路系统。
在另一示例中，本公开涉及一种调节集成电机发电机的输出电压的方法，该方法包括：断开一个或多个半桥电路的每个相应高侧开关和每个相应低侧开关，其中一个或多个半桥电路被配置为在集成电机发电机以电机模式操作的同时控制集成电机发电机。在集成电机发电机以发电机模式操作时，控制一个或多个串联调节开关的导通时间，其中一个或多个串联调节开关中的每个串联调节开关反串联连接到一个或多个半桥电路的相应高侧开关。
在附图和以下描述中阐述了本公开的一个或多个示例的细节。根据说明书和附图以及权利要求，本公开的其他特征、目的和优点将很清楚。
附图说明
图1是示出使用SCR的示例串联调节电路的示意图；
图2是示出使用MOSFET和二极管配置的示例串联调节电路的示意图；
图3是示出根据本公开的一种或多种技术的使用反串联MOSFET配置的示例串联调节电路的示意图和框图；
图4是示出根据本公开的一种或多种技术的使用反串联MOSFET配置的串联调节电路的示例实现的示意图和框图；以及
图5是示出根据本公开的一种或多种技术的用于集成电机发电机的串联调节电路的示例操作的流程图。
具体实施方式
本公开描述了一种用于管理诸如集成启动发电机(ISG)系统的集成电机发电机的能量流的控制电路。当集成电机发电机以发电机模式操作时，该电路调节集成电机发电机的输出电压。该电路包括用于与针对相位的半桥电路反串联连接的每个相的开关。控制电路还包括开关控制电路系统和开关控制方案以在整个操作条件范围内操作控制电路，包括启动、低每分钟转数(rpm)和高rpm操作。
用于集成电机发电机(IMG)的半桥可以包括用于每个电机相的串联连接的两个开关。在n沟道功率场效应晶体管(FET)的示例中，串联连接表示高侧开关的源极连接到低侧开关的漏极。本公开的技术包括反串联连接到每个半桥支路的附加开关。继续n通道示例，反串联连接表示附加开关的漏极连接到高侧开关的漏极。例如，三相电机可以包括三个半桥支路和与每个支路反串联连接的三个附加开关。
在一些示例中，当处于电机模式时，控制电路(例如，电机控制单元(MCU))接通附加开关，并且控制高侧和低侧开关使用来自电池的电力在电机模式下驱动ISG，诸如以启动内燃机(ICE)。在具有自动怠速停止系统的车辆的示例中，当车辆驾驶员释放制动器并且按下加速器时，MCU可以引起ISG从电池汲取电力以在电机模式下旋转ISG并且启动ICE。在一些示例中，ISG可以提供动力辅助，诸如在增加的负载下。
当ISG处于发电机模式时，附加开关例如通过控制电路或直接通过MCU被控制为在ISG的整个速度范围内(即，高rpm和低rpm)以恒定电压对电池充电。可以断开高侧开关，这将高侧开关配置为用作二极管并且在相电压较低时阻止电池放电以实现低rpm操作。低侧开关也可以断开，这导致通过低侧开关的体二极管发生整流。
在一些示例中，MCU可以通过由ADC或外部中断感测每个相位过零点来通过软件管理同步的负相位周期整流。通过管理整流，MCU或类似电路可以在体二极管导通时的周期部分期间接通低侧开关。因此，代替电流流过体二极管，电流可以流过晶体管电流通道。晶体管电流通道的RDS-ON可以比通过体二极管的电流消耗更少的功率。
在一些示例中，MCU或类似电路通过控制每个附加开关的导通时间来控制电压和电流调节以对电池充电。随着发电机的速度(即，每分钟转数(RPM))增加，相电压可以增加，并且MCU可以控制附加开关的导通时间。MCU可以通过监测ISG系统的参数来确定导通时间，诸如电池电压、充电电流、用于每相的开关节点电压、用于每相的过零点和类似参数。在一些示例中，MCU可以经由模数转换器(ADC)电路来接收监测信号。
本公开的技术可以使用串联调节来提供恒定的输出电压，因为串联调节可以比用于ISG系统的分流调节更有效。分流调节可以允许使用较低电压装置，但是在ISG应用中，分流调节可以在ISG系统的ICE部分上保持负载，即使引擎上没有负载。串联调节不会在空载状态下对ISG的引擎部分施加负载，因此可能比用于ISG应用的分流调节更有效。然而，当电机在高rpm下用作发电机时，发电机可以在高rpm下输出高电压，在一些示例中超过50Vrms，系统可以将该电压调节为较低电压。本公开的技术允许在ISG系统的整个操作范围内使用更有效的串联调节。由于反串联体二极管，具有半桥支路的反串联开关的配置还提供反向电池保护。
与其他技术相比，本公开的技术和电路配置的优点包括降低的功耗、更少的组件、更低的成本和减小的尺寸。例如，与针对每个相使用可控硅整流器(SCR)相比，每个SCR可以跨SCR具有高压降，导致高功耗并且可能需要大的散热器来帮助管理SCR加热，因此可能导致控制电路尺寸增大。使用与每相串联的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)和二极管组合是另一种串联调节技术，其可能导致附加组件、更高成本和更大尺寸的电路。
图1是示出使用SCR的示例串联调节电路的示意图。电路1可以用于控制和调节针对三相集成电机发电机的电压，诸如可以用于ISG系统。
电路1包括集成电机发电机(IMG)8、MCU 10、用于每相的半桥电路、用于每相的SCR、电池14、和诸如晶体管M0等其他电路组件。
在图1的示例中，MCU 10还包括用于驱动每个半桥的栅极的MOSFET驱动电路。在其他示例中，驱动电路可以是由MCU 10控制的单独电路。MCU 10经由包括电阻器R1和R2的电阻器分压器接收用于电池14的VBAT感测信号12。MCU 10还可以控制晶体管M0和SCR S1-S2的栅极。
MCU 10可以包括处理电路系统，该处理电路系统可以包括任何类型的处理器，包括微控制器(MCU)(例如，包含处理器核、存储器和可编程输入/输出外围设备的单个集成电路上的计算机)、微处理器(μP)(例如，单个集成电路(IC)上的中央处理单元(CPU))。可以被包括在MCU 10中的处理电路系统的一些示例还可以包括微处理器、控制器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、片上系统(SoC)或等效的分立或集成逻辑电路系统中的任何一个或多个。处理器可以是集成电路系统，即集成处理电路系统，并且集成处理电路可以实现为固定硬件处理电路系统、可编程处理电路系统和/或固定和可编程处理电路系统的组合。
电路1包括用于每个相的半桥电路。在图1的示例中，半桥电路是n沟道MOSFET，其中每个高侧晶体管M1、M2和M3的源极通过电阻器R3连接到M0的漏极。M1的漏极连接到低侧晶体管M4的源极，M2的漏极连接到低侧晶体管M5的源极，M6的漏极连接到低侧晶体管M6的源极。晶体管M1和M4、M2和M5以及M3和M6形成用于IMG8的三个相的三个半桥电路。在本公开中，晶体管M1-M6的半桥配置可以被称为B6半桥。
每个半桥电路包括开关节点(SW节点)，SW节点是将高侧晶体管的漏极连接到低侧晶体管的源极的节点。在图1的示例中，开关节点15用于包括晶体管M1和M4的半桥电路，并且开关节点17用于包括晶体管M3和M6的半桥电路。为清楚起见，未标记用于包括晶体管M2和M5的半桥电路的开关节点。每个半桥电路的开关节点连接到IMG 8。
每个SCR S1-S3的阳极连接到每个相应开关节点。例如，SCR S1的阳极连接到开关节点15，SCR S3的阳极连接到开关节点17，SCR S2的阳极连接到包括晶体管M2和M5的半桥电路。SCR S1-S3的阴极全部连接到包括晶体管M0的源极和电池14的正端子的节点。
在操作中，MCU 10可以控制半桥电路和晶体管M0的栅极，同时IMG 8处于电机模式以控制IMG 8的转矩、以每分钟转数(rpm)为单位的速度等，以控制从电池14到IMG 8的电能。例如，在ISG系统中，当车辆停止时，可以停止车辆的ICE(图1中未示出)。当车辆驾驶员下压加速器踏板时，或者在一些示例中释放制动踏板时，MCU 10可以接收启动ICE的信号。MCU 10可以在电机模式下控制IMG 8以启动ICE。
当ICE正在运行时，MCU 10可以控制半桥电路的栅极以及M0和SCR S1-S3的栅极以整流和调节来自IMG 8的电压，IMG 8可以以发电机模式操作。在一些示例中，MCU 10可以控制导通角，即SCR导通的时间，以调节来自IMG 8的输出电压。来自发电机模式的IMG8的电能可以对电池14充电，以及支持车辆中的其他电负载，诸如照明、LED指示灯、风扇和其他电气负载。
电路1可能与可以调节来自IMG 8的电压的其他类型的电路相比具有一些缺点。因为电路1是串联调节电路，它可以比分流调节电路更有效，但是可以在更高的电压下操作，例如在某些示例中大约为50Vrms。SCR的使用可能导致跨SCR的电压降，这可能导致跨SCR的功耗更高。较高的功耗可能导致SCR达到高温，因此使用大的散热器来散热并且保护电路。与其他示例相比，大型散热器可能导致更大、更重且更昂贵的MCU。
图2是示出使用MOSFET和二极管配置的示例串联调节电路的示意图。与图1所示的具有相同附图标记的图2的元素具有相同的属性、连接和功能。例如，MCU 10、IMG 8、电池14、具有晶体管M1和M4的半桥电路、具有开关节点15和17的M2和M5和M3和M6、以及来自电阻器R1和R2的Vbat感测12全部具有如上面关于图1所述的相同的属性、连接和功能。
与图1的电路1相反，图2的示例电路20包括用于每相的p沟道MOSFET和二极管组合，而不是用于每相的SCR。晶体管M22、M24和M26的漏极全部连接到包括晶体管M0的源极和电池14的正端子的节点。晶体管M22的源极通过二极管D22连接到开关节点15，晶体管M26的源极通过二极管D26连接到开关节点17，晶体管M24的源极通过二极管D24连接到用于包括晶体管M2和M5的半桥电路的开关节点。二极管D22的阳极连接到开关节点15，并且阴极连接到晶体管M22的源极。同样，二极管D26的阳极连接到开关节点17，并且阴极连接到晶体管M26的源极，并且二极管D24的阳极连接到用于包括晶体管M2和M5的半桥电路的开关节点，并且阴极连接到晶体管M24的源极。
类似于图1的示例，在操作中，MCU 10可以控制半桥电路和晶体管M0的栅极，同时IMG8处于电机模式以控制IMG8的转矩、以每分钟转数(rpm)为单位的转速等，以驱动作为电机的IMG8。当IMG 8处于发电机模式时，MCU 10可以控制半桥电路的栅极以及M0和晶体管M22、M24和M26的栅极，以通过晶体管M22、M24和M26的导通角的相位控制来整流和调节来自IMG 8的电压。类似于上面关于图1描述的电路1，通过控制导通角，MCU 10可以向电池14和车辆中的其他电负载提供近似恒定的电压。在具有12VDC电池的汽车的示例中，MCU 10可以向电池14提供大约13VDC的输出电压。
电路20可能与可以调节来自IMG 8的电压的其他类型的电路相比具有一些缺点。与如上面关于图1描述的电路1相同，电路20是串联调节电路，该电路可以比分流调节电路更有效，但是可以在更高的电压下操作。此外，除了半桥电路中的晶体管之外，电路20的MOSFET和二极管组合还包括用于电路的材料清单(BOM)中的七个功率器件。与串联调节电路的其他示例相比，七个器件——晶体管M0、晶体管M22、M24和M26以及二极管D22-D26可以增加发动机控制单元(ECU)的尺寸、复杂性和成本。
图3是示出根据本公开的一种或多种技术的使用反串联MOSFET配置的示例串联调节电路的示意图和框图。类似于上面关于图1和2描述的电路1和2，电路100还在电机模式下控制集成电机发电机，并且在发电机模式下调节输出电压和输出电流。然而，图1的技术可以具有优于电路1和20的优点，如下所述。
电路100包括由半桥电路130、MCU 110、电池150和控制电路106控制的IMG 180。电路100可以与电路1和20类似地起作用，例如通过在发电机模式下控制MOSFET M9-M11的导通角以调节IMG180的输出电压。电路100可以是ECU的一部分或连接到ECU。电路100的示例是三相系统，然而，本公开的技术可以应用于具有一个或多个相的IMG。半桥电路130可以包括一个或多个半桥电路以对应于用于IMG 180的一个或多个相中的每个相。
IMG 180是集成电机发电机，类似于上面关于图1和2描述的IMG8。在图1的示例中，IMG 180可以用于各种应用，诸如上述ISG系统。在电机模式下，IMG 180的转速、转矩和其他机械输出可以由半桥电路130控制，如上面针对IMG 8所述。在发电机模式下，半桥电路可以用作整流器电路，诸如通过使电流流过半桥电路130的低侧晶体管的体二极管(图3中未示出)。在一些示例中，MCU 110可以通过经由来自半桥电路130的感测信号(诸如开关节点监测信号114)感测每相过零定时而通过软件来管理同步负相周期整流。IMG 180的经调节的输出电压和输出电流可以对电池150充电，以及供给其他电负载，如上面关于图1和2所述。
在一些示例中，MCU 110、驱动器和电荷泵电路120或图3中未示出的类似电路可以检测每相过零定时并且同步低侧开关的控制以管理负相周期整流。通过在低侧体二极管导通时接通低侧开关，电路100可以更有效。接通低侧开关允许电流流过主晶体管电流通道而不是体二极管。对于相同的电流量，与主电流通道相比，体二极管可以消耗更多的功率，例如，作为热量。因此，重定向电流使其通过晶体管电流通道可以提高电路100的效率。在一些示例中，过零检测可以包括窗口比较器特征。在一些示例中，窗口比较器可以包括组合成单个比较器级的反相和非反相比较器。窗口比较器可以检测在特定频带或电压窗口内的输入电压电平，而不是指示电压是大于还是小于某个预设或固定电压参考点。
类似于上面关于图1和2描述的MCU 10，MCU 110可以可操作地耦合到电路100的其他部分。换言之，MCU 110可以控制IMG 180的电机操作并且调节到IMG 180的发电机模式操作的电压。MCU 110可以向控制电路106发送驱动器控制信号，诸如调节驱动器控制信号112和半桥驱动器控制信号116。MCU 110可以包括模数转换器(ADC)输入和其他输入以接收感测信号，诸如直接来自电池150的Vbat1监测器信号156、来自控制电路106的Vbat2监测信号158、开关节点监测信号114和类似信号。在一些示例中，MCU 110可以从IMG 180接收感测信号，诸如温度、rpm或其他信息，MCU 110可以使用这些感测信号来控制由电路100描绘的系统。
在电路100的示例中，控制电路106包括驱动器和电荷泵电路120、以及调节电路170，调节电路170驱动调节晶体管M9、M10和M11的栅极。在一些示例中，控制电路106可以包括更少的组件或附加组件(诸如MCU 110)或者图3中未示出的其他组件。在一些示例中，驱动器和电荷泵电路120可以组合在与调节电路170相同的块中。在电机模式下，控制电路106在电源输入端子处从电池150的正端子接收电源输入Vbat+。控制电路106还可以包括一个或多个监测输出端子，诸如电源输入监测器端子Vbat2监测器158。监测输出端子可以向MCU110提供感测信号，例如向MCU 110的ADC输入提供感测信号。
在图3的示例中，调节晶体管M9-M11是n沟道MOSFET，该n沟道MOSFET包括栅极端子、包括源极端子和漏极端子的电流通道、以及体二极管D9-D11。每个晶体管M9-M11的源极连接到电池150的正端子Vbat+152，正端子Vbat+152也可以连接到图3中未示出的其他电气负载。与电路20不同，每个晶体管M9-M1的漏极连接到半桥电路130的每个半桥的相应高侧晶体管(图3中未示出)的漏极。换言之，调节晶体管M9-M11的漏极端子连接到在高侧开关的、与半桥电路的开关节点(图3中未示出)相对的一侧的高侧开关。换言之，调节晶体管反串联连接到半桥电路130中的一个或多个半桥电路的相应高侧开关。还可以描述用于调节晶体管到半桥电路的连接，对于每个相，调节晶体管(例如，晶体管M9)的电流通道连接到高侧开关的电流通道，使得晶体管M9的体二极管D9的阴极连接到与相应高侧开关的体二极管(图3中未示出)的阴极相同的节点。类似地，体二极管D10和D11的阴极连接到与相应高侧开关的相应阴极相同的节点。
调节电路170可以响应于驱动器控制信号112经由栅极信号172驱动晶体管M9-M11的栅极。在电机模式下，调节电路170可以确保晶体管M9-M11持续导通并且半桥电路130控制IMG 180的操作。在发电机模式下，调节电路170可以控制晶体管M9-M11的导通时间，即导通角，以向电池150输出近似恒定的电压以及控制输出电流。MCU 110可以经由IMG监测器118监测IMG 180的输出电流、电机温度和其他参数。在一些示例中，调节电路170可以接收由驱动器和电荷泵电路120生成的电压供给。换言之，晶体管M9-M11的导通角可以基于输出电流和平均输出电流来调节。恒定电压恒定电流调节方案可以称为CVCC。
在一些示例中，电路100可以调节附加开关(即，晶体管M9-M11)的导通角，使得当相接近零相电压时，用于该相的开关将断开，这可以在开关断开时避免感应相反激电压。换言之，调节用于控制开关的导通角的定时，使得当用于集成电机发电机的相电压变为小于电池电压时开关断开，因此当用于相的开关断开时，相电压避免了感应相反激电压。以这种方式，当相电压接近电池电压时控制导通角有助于在开关断开时确保通过附加开关的电流基本上为零，这有助于避免由相感应引起的反激电压。在一些示例中，当针对相应相的相电压下降时，MCU 110或调节电路170可以通过导通相应晶体管M9、M10或M11来实现导通角控制。MCU 114可以监测相电压和信号调节电路170，以在适当的时间控制相应晶体管以避免针对相应相的感应反激电压。在一些示例中，调节电路170可以直接监测相电压(图3中未示出)。
调节导通角以避免相感应反激电压的这种技术可以提供优于其他技术的优点。例如，使用这种技术避免反激电压有助于避免需要大尺寸的NMOS，这可能导致电路的占用面积减小。在不避免或消除反激情况的示例中，电路可能需要具有外部缓冲器的高压MOSFET或具有高重复雪崩能量处理能力的MOSFET。在MOSFET上施加重复雪崩事件的电路可能导致电路加热到很高，并且高加热可能导致可靠性问题。避免相感应反激电压可以减少对散热的需要，例如使用散热器、风扇等，因此可以提供降低成本和尺寸的附加优点。
在电路100的示例中，驱动器和电荷泵电路120从MCU 110接收控制信号116，并且响应于控制信号116将栅极驱动信号132输出到半桥电路130。在电机模式下，驱动器和电荷泵电路120可以控制半桥电路130以驱动IMG 180，例如，在ISG系统的示例中启动ICE。在发电机模式下，驱动器和电荷泵电路120可以控制半桥电路130的栅极以整流IMG 180的输出，例如，通过高侧和低侧晶体管的体二极管(图3中未示出)。
驱动器和电荷泵电路120的电荷泵部分可以向晶体管的栅极提供更高幅度的电压以确保栅极源极电压足以导通晶体管。例如，对于n沟道增强MOS晶体管，当施加到栅极端子的栅极电压(VGS)大于阈值电压(VTH)电平时，漏极电流将仅流过电流通道。电荷泵可以提供足够高的VGS以引起产生电导，以使晶体管成为跨导器件。对于p沟道增强MOS晶体管则相反。当VGS＝0时，器件为“截止”并且通道打开。向p型MOSFET施加负栅极电压增强了电流通道导电性，这使其“导通”。然后对于p沟道增强型MOSFET：正VGS使晶体管“截止”，而负VGS的足够幅度使晶体管“导通”。在本公开中，除非另有说明，否则术语晶体管和开关可以互换使用。而且，可以重新布置本公开的电路示例以使用p沟道MOSFET代替n沟道MOSFET，反之亦然。
具有控制电路106包括反串联连接到半桥电路130的附加调节晶体管M9-M11的电路100可以具有优于如上面关于图1和2所述的电路1和20的优点。电路100的配置与电路20相比减少了功率组件的数目，并且与电路1相比可以提供更低的功耗。与其他示例相比，减少BOM中的功率组件的数目以及降低功耗可以降低包括电路100的ECU的成本、复杂性、尺寸和重量。与电路20相比，电路100不包括晶体管M0或二极管D22-D26，从而将功率组件的数目从七减少到四。使用MOSFET M9-M11代替SCR S1-S3可以使得电压降降低，因为通过MOSFETM9-M11的RDSon的电压降可以小于跨SCR S1-S3的电压降。降低的电压降使得功耗更低，并且可能使得散热器的尺寸减小。附加地，电路100的配置提供反向电池保护，其中MOSFET M9-M11的体二极管反串联地布置到半桥电路130。换言之，在发电机模式下的较高rpm下，IMG180可以生成更高的电压，但是体二极管(例如，体二极管D9-D11)保护电池150免受来自IMG180的较高电压的影响。
图4是示出根据本公开的一种或多种技术的使用反串联MOSFET配置的串联调节电路的示例实现的示意图和框图。图4的电路200是以上关于图3描述的电路100的示例实现。
由电路200描绘的系统包括由半桥电路244、MCU 210、电池250控制的IMG 280。电路200可以起到类似于电路100的作用，例如通过在发电机模式下控制MOSFET M9-M11的导通角以调节IMG 280的输出电压和输出电流。与电路100一样，电路200可以是ECU的一部分或连接到ECU。
半桥电路244可以包括高侧开关M201、M202和M203以及低侧开关M204、M205和M206。用于每相的高侧开关在半桥电路的开关节点处耦合到用于每相的低侧开关。换言之，在电路200的示例中，M201的源极在用于IMG 280的相位的开关节点处连接到M204的漏极。半桥电路在用于每相的半桥电路的开关节点处耦合到IMG 280。类似地，M202的源极连接到开关节点处的M205的漏极，并且M203的源极在开关节点处连接到M206的漏极。每个开关节点耦合到IMG280的相应相。Rshunt 222将低侧晶体管M204-M206的源极连接到地。
通过测量跨Rshunt 222的电压224，MCU 210可以在发电机模式下监测IMG 280的输出电流。监测电池的充电电压以及充电电流可能是改善电池寿命所期望的。例如，当诸如IMG 280的高功率发电机对某些类型的电池(诸如低安培小时电池)充电时，还可能需要电流调节以及电压调节以维持长电池寿命。MCU 210可以使用来自Rshunt222的分流电阻器反馈来监测平均充电电流。使用分流电阻器只是用于监测电流的一种示例技术。
用于三相系统的电路100和200的配置可以称为B6+3配置。换言之，半桥电路244的六个晶体管(M201-M206)包括“B6”。三个附加调节晶体管M9-M11包括“+3”，从而产生B6+3配置。
电路200的示例是三相系统，然而，本公开的技术可以应用于具有一个或多个相的IMG。如上面关于图3所述，尽管在4的示例中描绘为两个单独的块，但是在其他示例中，驱动器和电荷泵电路220以及调节电路270可以组合成单个开关驱动电路。开关驱动电路(220和270)可以接收控制输入，例如，从MCU 210，并且可以包括用于每个相的三个栅极控制输出端子。第一栅极控制输出可以电连接到附加调节开关(例如，晶体管M9、M10或M11)的栅极端子。第二栅极控制输出端子可以被配置为控制半桥电路高侧开关(例如，M201、M202或M203)的栅极端子。用于该相的第三栅极控制输出端子可以被配置为控制半桥电路低侧开关(例如，M204、M205或M206)的栅极端子。附加调节开关(例如，晶体管M9、M10或M11)的端子连接到位于高侧开关的、与半桥电路的开关节点相对的一侧的高侧开关(例如，M201、M202或M203)的电流通道。在图4的示例中，高侧晶体管M201-M203的源极将电流通道连接到半桥电路开关节点，并且与开关节点相对的每个高侧晶体管的漏极连接到调节晶体管M9-M11的每个相应漏极。换言之，晶体管M9的漏极连接到晶体管M201的漏极，晶体管M10的漏极连接到晶体管M202的漏极，晶体管M11的漏极连接到晶体管M203的漏极。
如上面关于图3所述，驱动器和电荷泵电路220的电荷泵部分可以输出电压，使得当来自电池的电压不足以导通每个晶体管时，针对每个晶体管的栅极源极电压足以超过阈值电压并且导通每个晶体管。为了导通NMOS晶体管，栅极电压超过源极电压。在图4的示例中，驱动器和电荷泵电路220可以直接驱动半桥244的高侧和低侧晶体管的栅极。驱动器和电荷泵电路220可以向调节电路270提供电荷泵供给电压122，调节电路270又驱动调节晶体管M9-M11的栅极。
二极管242描绘了用于在电荷泵电路较弱或发生故障的情况下提供可选的备用电源电压以驱动调节晶体管M9-M11的栅极的一个示例配置。在使用时，通过二极管D242的备用电源可以在发电机280的高电频率下驱动M9、10、11的栅极。在较高的电频率、即高ICErpm下，相电压可以高于电池电压。当使用备用电源时，调节电路270可以对D242输出进行滤波，并且将通过备用电源接收的电压钳位到用于调节晶体管M9-M11的MOSFET栅极额定值内。当通过二极管D242存在备用电源时，二极管D230阻止反向电流以对泵电路充电。因为电荷泵提供用于驱动调节晶体管M9-M11的栅极的电压，所以二极管D230、242可以用作小电流二极管，并且二极管额定电压可以是低的，例如，额定值小于60V。
二极管242的阳极连接到半桥电路244的每个相的开关节点，以及连接到至MCU210的开关节点监测信号214切换。如上面关于图3所述，MCU 210可以在MCU 210的ADC处接收开关节点监测信号214。MCU 210还可以从IMG 280(图4中未示出)接收感测信号。MCU可以通过监测ISG系统的参数(诸如电池电压、用于每个相的开关节点电压、用于每个相的过零点和类似参数)来确定电路200中的晶体管的导通时间。MCU 210还可以监测电池250的电压或其他参数，例如经由包括电阻器R236、R238和电容器C240的电阻器分压器电路。
类似于上面关于图1-3所述，在操作中，图4的MCU 210可以通过控制从电池250到IMG 280的电能来在IMG 280处于电机模式时控制半桥电路244和调节晶体管M9-M11的栅极，以控制IMG 280的转矩、转速等。例如，在电机模式下，开关驱动电路、即驱动器和电荷泵电路220以及调节驱动器270可以引起晶体管M9-M11可以连续导通，即以低RDSon从电池250传导能量。驱动器和电荷泵电路220可以控制半桥电路244的晶体管M201-M206以控制作为电机的IMG280。在一些示例中，MCU 210可以发送驱动器控制信号(诸如图3所示的调节驱动器控制信号112和半桥驱动器控制信号116(图4中未示出))以在电机模式和发电机模式下控制驱动器和电荷泵电路220以及调节电路270的操作。
在发电机模式下，驱动器和电荷泵电路220可以控制半桥电路244的栅极以整流和调节来自IMG 280的电压。例如，M201-M203可以保持截止(即，不导通)。当开关节点处的输出相电压较低时，即当IMG 208为低rpm时，M201-M203的体二极管可以用作二极管并且阻止电池放电。类似地，M204-M206可以保持截止，并且M204-M206的体二极管对来自IMG 280的交流信号进行整流。在一些示例中，MCU 210可以通过经由到ADC的SW节点监测信号214或基于外部中断感测每个相过零检测通过软件来管理同步负相周期整流。驱动器和电荷泵电路220可以控制导通角(即，每个调节晶体管M9-M11导通的时间)以调节来自IMG 280的输出电压。来自发电机模式的IMG 280的电能可以对电池250充电，以及支持车辆中的其他电气负载，诸如照明、LED指示灯、风扇和其他电气负载。
图5是示出根据本公开的一种或多种技术的用于集成电机发电机的串联调节电路的示例操作的流程图。除非另有说明，否则图5的步骤将参考图3和4来描述。
对于包括IMG的系统，诸如ISG系统或动力辅助系统，IMG可以以电机模式或发电机模式操作。在发电机模式下，系统调节诸如IMG 180或IMG 280等IMG的输出电压，以提供电力，例如以对电池充电或向其他电负载提供电力。在低rpm下，IMG可以输出低电压，并且根据本公开的一种或多种技术，该系统被配置为在IMG输出低电压的同时防止不期望的电池放电。例如包括驱动器和电荷泵电路120或220的控制电路可以断开一个或多个半桥电路的每个相应高侧开关(例如，晶体管M201-M203)和每个相应低侧开关(例如，晶体管M204-M205)，其中一个或多个半桥电路被配置为在集成电机发电机以电机模式操作的同时控制IMG 280(90)。当相电压较低时，断开高侧开关引起高侧开关的体二极管阻止电池放电。关闭低侧开关引起低侧开关的体二极管用作整流器，作为将IMG 280的输出转换为DC输出电压的第一步。
在IMG 280以发电机模式操作的同时，该系统可以控制一个或多个串联调节开关(例如，M9-M11)的导通时间(92)。调节开关(例如，晶体管M9-M11)连接成使得开关的电流通道与控制电机模式的IMG的半桥电路的高侧晶体管反串联。当IMG 280的rpm增加时，IMG280的rms输出电压也增加。在这种配置中，调节开关、晶体管M9-M1可以通过改变每个调节开关的导通时间或导通角来控制通过高侧开关(例如，M201-M203)的体二极管的平均电流和电压。在一些示例中，MCU 110可以经由到调节电路170的驱动器控制信号112来控制晶体管M9-M11的导通时间。
在一个或多个示例中，上文所述的功能可以用硬件、软件、固件或其任何组合来实现。例如，图3的各种组件(诸如MCU 110)可以用硬件、软件、固件或其任何组合来实现。如果以软件实现，则这些功能可以作为一个或多个指令或代码存储在计算机可读介质上或经由计算机可读介质传输并且由基于硬件的处理单元执行。计算机可读介质可以包括计算机可读存储介质或存储器。数据存储介质可以是可以由一个或多个计算机或一个或多个处理器访问以检索用于实现本公开中描述的技术的指令、代码和/或数据结构的任何可用介质。作为示例而非限制，这样的计算机可读存储介质可以包括RAM、ROM、EEPROM、闪存、或者可以用于以指令或数据结构的形式存储期望的程序代码并且可以由计算机访问的任何其他介质。
指令可以由处理电路执行，诸如一个或多个DSP、通用微处理器、ASIC、FPGA、或者其他等效的集成或离散逻辑电路。因此，如本文中使用的术语“处理器”可以是指任何前述结构或适合于实现本文中描述的技术的任何其他结构。另外，本文中描述的功能可以在专用硬件和/或软件模块内提供。而且，这些技术可以完全在一个或多个电路或逻辑元件中实现。
本公开的技术可以在各种各样的设备或装置中实现，例如，集成电路(IC)或一组IC(例如，芯片组)。在本公开中描述了各种组件、模块或单元以强调被配置为执行所公开的技术的设备的功能方面，但不一定需要由不同的硬件单元实现。而是，如上所述，各种单元可以在硬件单元中组合，或者由一组互操作硬件单元(包括如上所述的一个或多个处理器)结合合适的软件和/或固件来提供。以下示例中描述了本公开的其他技术。
示例1.一种用于集成电机发电机的控制电路，所述电路包括：包括栅极端子和电流通道的开关，所述电流通道包括第一端子和第二端子；以及包括第一栅极控制输出端子、第二栅极控制输出端子和第三栅极控制输出端子的开关驱动电路。所述第一栅极控制输出电连接到开关的栅极端子，所述第二栅极控制输出端子被配置为控制半桥电路高侧开关的栅极端子，所述第三栅极控制输出端子被配置为控制半桥电路低侧开关的栅极端子；并且其中所述开关的第一端子在所述高侧开关的、与所述半桥电路的开关节点相对的一侧连接到所述高侧开关。
示例2.根据示例1所述的控制电路，其中所述开关的电流通道连接到所述高侧开关的电流通道，使得所述开关的体二极管的阴极与所述高侧开关的体二极管的阴极连接到相同的节点。
示例3.根据示例1至2中任一项或其任何组合所述的控制电路，其中所述开关的第一端子是所述开关的漏极，并且所述开关的漏极连接到所述高侧开关的漏极。
示例4.根据示例1至3的任何组合所述的控制电路，其中所述开关是第一开关，所述电路还包括第二开关和第三开关，其中：所述第二开关的第一端子连接到第二高侧开关的电流通道，所述第三开关的第一端子连接到第三高侧开关的电流通道。
示例5.根据示例1至4的任何组合所述的控制电路，还包括电荷泵电路，其中所述电荷泵电路被配置为向至少所述第一栅极控制输出端子提供电压。
示例6.根据示例1至5的任何组合所述的控制电路，其中所述开关驱动电路是第一开关驱动电路，所述电路还包括第二开关驱动电路，所述第二开关驱动电路被配置为：从所述电荷泵电路接收电压；向所述开关的栅极端子输出第一栅极控制输出。
示例7.根据示例1至6的任何组合所述的控制电路，其中所述电路被配置为在所述集成电机发电机以发电机模式操作的同时调节所述集成电机发电机的输出电压。
示例8.根据示例1至7的任何组合所述的控制电路，其中所述电路被配置为调节所述集成电机发电机的输出电压以对电池充电。
示例9.根据示例1至8的任何组合所述的控制电路，其中所述电路被配置为通过控制所述开关的导通角来调节所述输出电压和输出电流。
示例10.根据示例1至9的任何组合所述的控制电路，其中调节用于控制所述开关的导通角的定时，使得当针对所述集成电机发电机的相电压接近电池电压时所述开关断开，使得所述相电压避免感应相反激电压。
示例11.根据示例1至10的任何组合所述的控制电路，其中所述电路被配置为：断开所述半桥电路高侧开关，并且断开所述半桥电路低侧开关；以及通过控制所述开关的导通时间来调节所述集成电机发电机的输出电压。
示例12.根据示例1至11的任何组合所述的控制电路，其中所述电路被配置为在所述集成电机发电机以电机模式操作的同时接通所述开关。
示例13.一种系统，包括：被配置为以电机模式和以发电机模式操作的集成电机发电机；包括耦合到低侧开关的高侧开关的半桥电路。所述半桥电路：在所述半桥电路的开关节点处耦合到所述集成电机发电机；以及被配置为控制所述集成电机发电机的操作。所述系统还包括控制电路。所述控制电路包括：包括栅极端子和电流通道的开关，所述电流通道包括第一端子和第二端子；包括控制输入、第一栅极控制输出端子、第二栅极控制输出端子和第三栅极控制输出端子的开关驱动电路。所述第一栅极控制输出电连接到所述开关的栅极端子，所述第二栅极控制输出端子被配置为控制半桥电路高侧开关的栅极端子，所述第三栅极控制输出端子被配置为控制半桥电路低侧开关的栅极端子，所述开关的第一端子在所述高侧开关的、与所述半桥电路的开关节点相对的一侧连接到所述高侧开关的电流通道。所述系统还包括可操作地耦合到所述半桥电路和所述控制电路并且被配置为从所述半桥电路和所述集成电机发电机接收感测信号的处理电路系统。
示例14.根据示例13所述的系统，其中所述开关的电流通道连接到所述高侧开关的电流通道，使得所述开关的体二极管的阴极与所述高侧开关的体二极管的阴极连接到相同的节点。
示例15.根据示例13至14的任何组合所述的系统，其中所述开关的第一端子是所述开关的漏极，并且所述开关的漏极连接到所述高侧开关的漏极。
示例16.根据示例13至15的任何组合所述的系统，其中所述开关是第一开关，所述电路还包括第二开关和第三开关，其中：所述第二开关的第一端子连接到第二高侧开关的电流通道，所述第三开关的第一端子连接到第三高侧开关的电流通道。
示例17.根据示例13至16的任何组合所述的系统，其中当所述集成电机发电机以发电机模式操作时，所述电路被配置为：断开所述半桥电路高侧开关，并且断开所述半桥电路低侧开关；通过控制所述开关的导通时间来调节所述集成电机发电机的输出电压。
示例18.根据示例13至17的任何组合所述的系统，其中所述电路被配置为调节所述集成电机发电机的输出电压以对电池充电。
示例19.一种调节集成电机发电机的输出电压的方法，所述方法包括：断开一个或多个半桥电路的每个相应高侧开关和每个相应低侧开关，其中所述一个或多个半桥电路被配置为在所述集成电机发电机以电机模式操作的同时控制所述集成电机发电机。在所述集成电机发电机以发电机模式操作的同时，控制一个或多个串联调节开关的导通时间，其中所述一个或多个串联调节开关中的每个串联调节开关反串联连接到所述一个或多个半桥电路的相应高侧开关。
示例20.根据示例19所述的方法，其中控制所述一个或多个串联调节开关的所述导通时间包括向所述一个或多个串联调节开关的栅极施加电压，其中所述电压由电荷泵电路生成。
已经描述了本公开的各种示例。这些和其他示例在所附权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种用于集成电机发电机的控制电路，所述电路包括：
开关，包括栅极端子和电流通道，所述电流通道包括第一端子和第二端子；以及
开关驱动电路，包括第一栅极控制输出端子、第二栅极控制输出端子和第三栅极控制输出端子，其中：
所述第一栅极控制输出电连接到所述开关的所述栅极端子，
所述第二栅极控制输出端子被配置为控制半桥电路高侧开关的栅极端子，以及
所述第三栅极控制输出端子被配置为控制半桥电路低侧开关的栅极端子；以及
其中所述开关的所述第一端子在所述高侧开关的、与所述半桥电路的开关节点相对的一侧连接到所述高侧开关。
2.根据权利要求1所述的电路，其中所述开关的所述电流通道连接到所述高侧开关的电流通道，使得所述开关的体二极管的阴极与所述高侧开关的体二极管的阴极连接到相同的节点。
3.根据权利要求1所述的电路，其中所述开关的所述第一端子是所述开关的漏极，并且所述开关的所述漏极连接到所述高侧开关的漏极。
4.根据权利要求1所述的电路，其中所述开关是第一开关，所述电路还包括第二开关和第三开关，其中：
所述第二开关的第一端子连接到第二高侧开关的电流通道，
所述第三开关的第一端子连接到第三高侧开关的电流通道。
5.根据权利要求1所述的电路，还包括电荷泵电路，其中所述电荷泵电路被配置为向至少所述第一栅极控制输出端子提供电压。
6.根据权利要求5所述的电路，其中所述开关驱动电路是第一开关驱动电路，所述电路还包括第二开关驱动电路，所述第二开关驱动电路被配置为：
从所述电荷泵电路接收电压；
向所述开关的所述栅极端子输出所述第一栅极控制输出。
7.根据权利要求1所述的电路，其中所述电路被配置为在所述集成电机发电机以发电机模式操作的同时调节所述集成电机发电机的输出电压。
8.根据权利要求7所述的电路，其中所述电路被配置为调节所述集成电机发电机的所述输出电压以对电池充电。
9.根据权利要求7所述的电路，其中所述电路被配置为通过控制所述开关的导通角来调节所述输出电压和输出电流。
10.根据权利要求9所述的电路，其中用于控制开关的所述导通角的定时被调节，使得当针对所述集成电机发电机的相电压接近电池电压时所述开关断开，使得所述相电压避免感应相反激电压。
11.根据权利要求9所述的电路，其中所述电路被配置为：
断开所述半桥电路高侧开关，并且断开半桥电路低侧开关；以及
通过控制所述开关的导通时间来调节所述集成电机发电机的所述输出电压。
12.根据权利要求1所述的电路，其中所述电路被配置为在所述集成电机发电机以电机模式操作的同时接通所述开关。
13.一种系统，包括：
集成电机发电机，被配置为以电机模式和以发电机模式操作；
半桥电路，包括被耦合到低侧开关的高侧开关，其中所述半桥电路：
在所述半桥电路的开关节点处被耦合到所述集成电机发电机；以及
被配置为控制所述集成电机发电机的操作；控制电路，包括：
开关，包括栅极端子和电流通道，所述电流通道包括第一端子和第二端子；
开关驱动电路，包括控制输入、第一栅极控制输出端子、第二栅极控制输出端子和第三栅极控制输出端子，其中：
所述第一栅极控制输出电连接到所述开关的所述栅极端子，
所述第二栅极控制输出端子被配置为控制半桥电路高侧开关的栅极端子，
所述第三栅极控制输出端子被配置为控制半桥电路低侧开关的栅极端子，
所述开关的所述第一端子在所述高侧开关的、与所述半桥电路的所述开关节点相对的一侧连接到所述高侧开关的电流通道；以及
处理电路系统，可操作地被耦合到所述半桥电路和所述控制电路，并且被配置为从所述半桥电路和所述集成电机发电机接收感测信号。
14.根据权利要求13所述的系统，其中所述开关的所述电流通道连接到所述高侧开关的所述电流通道，使得所述开关的体二极管的阴极与所述高侧开关的体二极管的阴极连接到相同的节点。
15.根据权利要求13所述的系统，其中所述开关的所述第一端子是所述开关的漏极，并且所述开关的所述漏极连接到所述高侧开关的漏极。
16.根据权利要求13所述的系统，其中所述开关是第一开关，所述电路还包括第二开关和第三开关，其中：
所述第二开关的第一端子连接到第二高侧开关的电流通道，
所述第三开关的第一端子连接到第三高侧开关的电流通道。
17.根据权利要求13所述的系统，其中在所述集成电机发电机以发电机模式操作的同时，所述电路被配置为：
断开所述半桥电路高侧开关，并且断开所述半桥电路低侧开关；
通过控制所述开关的导通时间来调节所述集成电机发电机的所述输出电压。
18.根据权利要求17所述的系统，其中所述电路被配置为调节所述集成电机发电机的所述输出电压以对电池充电。
19.一种调节集成电机发电机的输出电压的方法，所述方法包括：
断开一个或多个半桥电路的每个相应高侧开关和每个相应低侧开关，其中所述一个或多个半桥电路被配置为在所述集成电机发电机以电机模式操作的同时控制所述集成电机发电机；以及
在所述集成电机发电机以发电机模式操作的同时，控制一个或多个串联调节开关的导通时间，其中所述一个或多个串联调节开关中的每个串联调节开关被反串联连接到所述一个或多个半桥电路的相应高侧开关。
20.根据权利要求19所述的方法，其中控制所述一个或多个串联调节开关的所述导通时间包括向所述一个或多个串联调节开关的栅极施加电压，其中所述电压由电荷泵电路生成。
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