CN111952933B - 驱动电路 - Google Patents

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Abstract

一种驱动电路,所述驱动电路用于驱动在碳化硅基板上的开关元件(61),包括:比较器(81),所述比较器用于对流过开关元件的电流和过电流阈值进行比较;判断单元(83),所述判断单元用于基于比较结果来对过电流是否流动进行判断;控制单元(88),所述控制单元用于基于驱动命令来生成驱动信号,所述驱动信号用于控制开关元件的驱动操作,并且所述控制单元用于在判断为过电流流动时断开开关元件;以及设定单元(88),所述设定单元用于根据与开关元件的主电极之间的电压相关联的物理量来可变地设定过电流阈值。

Description

驱动电路
技术领域
本公开涉及用于开关元件的驱动电路。
背景技术
专利文献1公开的驱动电路将流过开关元件的电流与过电流阈值(对应于参考电压)进行比较。当电流等于或大于过电流阈值时,驱动电路判断为过电流正在流动,并且断开开关元件。
在MOSFET形成在Si(硅)基板上的情况下,由于电流是饱和的,因此,可以基于预定的过电流阈值来对过电流是否正在流动进行判断。然而,在开关元件形成在SiC(碳化硅)基板上的情况下,有可能检测不到过电流。因此,不能适当地保护开关元件免受过电流的影响。
专利文献1:JP2017-175771-A
发明内容
本公开的一个方面是提供能够适当地保护开关元件免受过电流影响的驱动电路。
根据本公开的驱动电路是用于驱动形成在SiC基板上的开关元件的电路。驱动电路包括比较器、判断单元、控制单元和设定单元。
比较器将流过开关元件的电流与过电流阈值进行比较。判断单元基于比较结果来对过电流是否正在流动进行判断。控制单元基于驱动命令来生成用于控制开关元件的驱动操作的驱动信号,并且在判断为过电流正在流动时断开开关元件。然后,设定单元根据与开关元件的主电极之间的电压相关联的物理量可变地设定过电流阈值。
在开关元件形成在SiC基板上的情况下,流过开关元件的电流随着主电极之间的电压的增大而增大。饱和电流不是恒定值。根据驱动电路,可以根据与开关元件的主电极之间的电压相关联的物理量来可变地设定过电流阈值。因此,可以根据主电极之间的电压来改变过电流阈值。因此,可以在主电极之间的宽电压范围内检测到过电流。其结果是,可以适当地保护形成在SiC基板上的开关元件免受过电流的影响。
附图说明
从以下参考附图的详细描述中,本公开的上述和其它目的、特征和优点将变得更加明显。在附图中:
图1是示出应用了根据第一实施方式的驱动电路的电力转换装置的电路构造的图;
图2是示出驱动电路的图;
图3是示出电压VH与过电流阈值之间的关系的图;
图4是示出过电流阈值的开关操作的图;
图5是当过电流阈值被设定为固定值时的参考图;
图6是示出根据第二实施方式的驱动电路的图;
图7是示出根据第三实施方式的驱动电路的图;
图8是示出滤波时间tf与电压Vds之间的关系的图。
具体实施方式
下面将参考附图描述多个实施方式。在多个实施方式中,功能上和/或结构上对应的部分标注相同的附图标记。以下描述的电力转换装置可应用于诸如燃料电池车辆(FCV)、电动车辆(EV)、混合动力车辆(HV)等车辆。
(第一实施方式)
首先,参照图1,对应用了电力转换装置的车辆驱动系统的示意性构造进行描述。
<车辆驱动系统>
如图1所示,车辆驱动系统1设置有DC(直流)电源2、电动发电机3和电力转换装置4。
DC电源2是包括可充电/放电的二次电池的直流电压源。二次电池是例如锂离子电池或镍氢电池。电动发电机3是三相AC(交流)型旋转电机。电动发电机3用作车辆驱动动力源,即电动机。电动发电机3在再生期间也用作发电机。电力转换装置4在DC电源2与电动发电机3之间进行电力转换。
<电力转换装置的电路构造>
接下来,将参照图1,对电力转换装置4的电路构造进行描述。电力转换装置4至少包括电力转换单元。在本实施方式中,电力转换装置4包括滤波电容器C1、平滑电容器C2、转换器5、逆变器6、控制电路7和驱动电路8。
滤波电容器C1连接在VL线9L与N线10之间,所述VL线9L是连接到DC电源2的正极的电源线,所述N线10连接到DC电源2的负极。N线10可以定义为接地(GND)线。滤波电容器C1与DC电源2并联连接。例如,滤波电容器C1从DC电源2去除电源噪波。VL线9L和N线10中的至少一个在DC电源2与滤波电容器C1之间设置有系统主继电器(SMR)(未示出)。
平滑电容器C2连接在N线10与作为电源线的VH线9H之间。平滑电容器C2布置在转换器5与逆变器6之间。平滑电容器C2并联连接到转换器5和逆变器6。转换器5布置在VL线9L与VH线9H之间,并且VH线9H的电位等于或高于VL线9L的电位。
例如,平滑电容器C2对由转换器5升高的DC电压进行平滑,并且累积DC电压的电荷。平滑电容器C2的两端之间的电压提供DC高压,以用于驱动电动发电机3。平滑电容器C2的两端之间的电压等于或高于滤波电容器C1的两端之间的电压。
转换器5是将DC电压转换为具有不同值的DC电压的DC-DC转换器。在本实施方式中,转换器5具有升高从DC电源2供给的DC电压的功能。转换器5具有电抗器51、开关元件52和作为整流元件的二极管53。在本实施方式中,使用IGBT作为开关元件52。回流二极管54反向并联(即反向地)连接到开关元件52。替代地,可以使用MOSFET来代替IGBT。
开关元件52和二极管53串联连接在VH线9H与N线10之间,其中二极管53布置在VH线9H侧。开关元件52(即IGBT)具有连接到N线10的发射极和连接到二极管53的阳极的集电极。电抗器51的一端经由升压线55连接到发射极与阳极之间的连接点。电抗器51的另一端连接到VL线9L。
转换器5根据由控制电路7进行的切换控制来升高由DC电源2供给的DC电压。电力转换装置4包括与开关元件52对应的驱动电路11。驱动电路11基于来自控制电路7的驱动命令向开关元件52的栅极供给驱动电压。驱动电路11通过施加驱动电压来驱动开关元件52接通和断开。
逆变器6是DC-AC转换器。逆变器6根据控制电路7的切换控制将DC电压转换为三相AC电压,并且将三相AC电压输出到电动发电机3。因此,驱动电动发电机3以产生预定转矩。
逆变器6构造成具有分别用于三相的上臂电路和下臂电路60。每个上臂电路和下臂电路60的连接点经由输出线12连接到对应的相绕组3a。上臂电路和下臂电路60具有上臂60U和下臂60L。上臂60U和下臂60L串联连接在VH线9H与N线10之间,其中上臂60U布置在VH线9H侧。逆变器6具有六个臂。
每个臂都具有二极管62和作为开关元件的MOSFET 61。二极管62反向并联(即反向地)连接到MOSFET 61以用于回流。二极管62可以是MOSFET61的寄生二极管(即体二极管),或者可以与寄生二极管分开设置。MOSFET 61和二极管62形成在半导体基板上。在本实施方式中,MOSFET 61是n沟道型。在MOSFET 61中,漏极是高电位侧的主电极,而源极是低电位侧的主电极。MOSFET 61形成在SiC(即碳化硅)基板上。SiC具有比Si(即硅)更大的带隙。
在上臂60U中,漏极连接到VH线9H。在下臂60L中,源极连接到N线10。上臂60U侧的源极和下臂60L侧的漏极彼此连接。二极管62的阳极连接到对应的MOSFET 61的源极,而阴极连接到漏极。
上臂电路和下臂电路60中的每一个都具有分流电阻器63。通过布置分流电阻器63,驱动电路8可以检测如后所述的过电流。
控制电路7生成用于操作转换器5的开关元件52和逆变器6的MOSFET61的驱动命令,并且将驱动命令输出到驱动电路8、11。控制电路7基于从更高级别ECU(未示出)输入的转矩请求和包括由各种传感器检测到的信号的各种信息,来生成驱动命令。各种传感器包括例如电流传感器、旋转角度传感器和电压传感器。
电流传感器对流过电动发电机3的每个相绕组3a的相电流进行检测。另一电流传感器布置在升压线55上,并且对流过电抗器L1的电流进行检测。旋转角度传感器对电动发电机3的转子的旋转角度进行检测。电压传感器对平滑电容器C2的两端之间的电压、即VH线9H的电压进行检测。另一电压传感器对滤波电容器C1的两端的电压、即VL线9L上的电压进行检测。
电力转换装置4包括这些传感器(未示出)。控制电路7输出PWM信号作为驱动命令。控制电路7包括例如微型计算机(microcomputer)。“ECU”是“电子控制单元”的缩写。“PWM”是“脉冲宽度调制”的缩写。
控制电路7的驱动命令经由诸如光耦合器之类的绝缘电路(未示出)输入到驱动电路8。驱动电路8基于驱动命令向对应臂的MOSFET 61的栅极供给驱动电压。驱动电路8通过施加驱动电压以接通和断开对应MOSFET 61的驱动,来驱动对应MOSFET 61。驱动电路8也定义为驱动器。在本实施方式中,对于一个臂布置一个驱动电路8。
注意,如上所述的转换器5可以具有降压功能。通过将整流元件从二极管53改变为开关元件,可以提供升压/降压功能。在车辆的再生制动时,逆变器6根据控制电路7的切换控制,通过接收来自车轮的旋转力将电动发电机3产生的三相AC电压转换为DC电压,并且将DC电压输出到VH线9H。转换器5根据控制电路7的开关控制,降低VH线9H的电压,并且对DC电源2充电。除了转换器5和DC电源2之外,还可以设置降压转换器和DC电源(未示出)。
<驱动电路>
接下来,将参考图2对驱动电路8进行描述。图2示出下臂60L侧的驱动电路8。上臂60U侧的驱动电路8具有相同的构造。
如图2所示,驱动电路8包括比较器81、可变电源82、判断单元83、接通状态开关84、断开状态开关85和驱动控制单元88。
比较器81的输入端子中的一个接收分流电阻器63的高电位侧的端子电压。过电流阈值(即参考电压)被输入到输入端子中的另一个。比较器81将分流电阻器63的两端之间的电压与过电流阈值进行比较,并且输出比较结果。在本实施方式中,比较器81在分流电阻器63两端的电压、即流过MOSFET 61的电流等于或大于过电流阈值时输出“1”,并且在电压小于过电流阈值时输出“0”。比较器81对应于比较单元。比较器81与分流电阻器63一起构成对流过MOSFET 61的电流进行检测的电流检测单元。
可变电源82是对作为过电流阈值的参考电压进行改变的电源。可变电源82根据从驱动控制单元88输出的设定信号生成过电流阈值,并且将该阈值输出到比较器81的输入端子。
判断单元83基于比较器81的输出来对过电流是否正在流动进行判断。判断单元83具有滤波功能。当比较器81的输出从“0”切换为“1”并且“1”的状态持续预定的滤波时间时,判断单元83判断为过电流流动。判断单元83向驱动控制单元88输出指示判断结果的信号。
接通状态开关84布置在MOSFET 61的栅极与电源之间。在本实施方式中,接通状态开关84是p沟道MOSFET。接通状态开关84的源极连接到电源。接通状态开关84的漏极经由电阻器86连接到MOSFET 61的栅极。接通状态开关84可以被称为充电开关。
断开状态开关85布置在地与MOSFET 61的栅极之间。在本实施方式中,断开状态开关85是n沟道MOSFET。断开状态开关85的源极连接到地。断开状态开关85的漏极经由电阻器87连接到MOSFET 61的栅极。断开状态开关85可以被称为放电开关。在下文中,接通状态开关84和断开状态开关85可以被简单地称为开关84、85。
开关84、85串联连接在电源与地(即GND)之间。开关84、85的漏极彼此连接。MOSFET61的栅极连接到开关84、85之间的连接点。电阻器86设置在开关84、85的连接点与接通状态开关84之间,并且电阻器87设置在连接点与断开状态开关85之间。
驱动命令经由绝缘电路(未示出)从控制电路7输入到驱动控制单元88。驱动控制单元88基于作为PWM信号的驱动命令来控制驱动开关84、85。
当驱动命令处于L(即低)电平时,驱动控制单元88将接通状态开关84接通,并且将断开状态开关85断开。其结果是,经由接通状态开关84和电阻器86在电源与MOSFET 61的栅极之间形成第一路径。在接通时,电流从电源流向MOSFET 61的栅极,并且栅极被充电。
当驱动命令处于H(即高)电平时,驱动控制单元88将接通状态开关84断开,并且将断开状态开关85接通。其结果是,经由断开状态开关85和电阻器87在地与MOSFET 61的栅极之间形成第二路径。在断开时,电流从MOSFET61的栅极流向地,并且栅极的电荷被提取(即放电)。
用于断开MOSFET 61的断开驱动命令是H电平信号。用于接通MOSFET61的接通驱动命令是具有预定占空比的信号。当施加正电压作为驱动电压以接通MOSFET 61时,如上所述地形成第一路径。
注意,驱动电路8可以包括负电压源(未示出),以在断开MOSFET 61时向栅极施加负电压而不是0V(零)。据此,可以抑制MOSFET 61的错误发射(即接通)。
判断单元83的判断信号被输入到驱动控制单元88。当判断单元83判断为发生过电流时,无论驱动命令如何,驱动控制单元88都会强制地断开MOSFET61。例如,当上臂60U、即相反的臂中的MOSFET 61的主电极之间发生短路或接通状态固定时,由于构成下臂60L的MOSFET 61的接通驱动而发生上下短路。根据本实施方式,检测到由于上下短路引起的过电流,并且下臂60L中的MOSFET 61断开。由此,可以保护MOSFET 61免受过电流的影响。
VH信号被进一步输入到驱动控制单元88。如上所述,VH信号是电压传感器(未示出)检测到的VH线9H的电压。在下文中,VH线9H的电压可以被简单地称为电压VH。在本实施方式中,VH信号经由绝缘电路从控制电路7输入。电压VH是与MOSFET 61的漏极-源极电压Vds相关联的物理量。当电压VH增大时,电压Vds也增大,并且当电压VH减小时,电压Vds也减小。
驱动控制单元88向可变电源82输出过电流阈值的设定信号,使得过电流阈值具有与VH信号对应的值、即与电压Vds对应的值。可变电源82根据设定信号对过电流阈值进行设定。驱动控制单元88在电压VH增大时增大过电流阈值,并且在电压VH减小时减小过电流阈值。驱动控制单元88对应于控制单元和设定单元。
如图3的实线所示,驱动控制单元88可以根据电压VH连续地设定过电流阈值。此外,如图3中的虚线所示,驱动控制单元88可以根据电压VH以步进方式来设定过电流阈值。电压VH与过电流阈值之间的关系由映射或函数给出。图4示出过电流阈值以两级切换的示例。当电压VH增大并且变得等于或高于参考电压Vs时,驱动控制单元88将过电流阈值的设定从第一阈值切换到大于第一阈值的第二阈值。当电压VH下降并且变得低于参考电压Vs时,驱动控制单元88将过电流阈值的设定从第二阈值切换到小于第二阈值的第一阈值。
图5是示出电压Vds与饱和电流Ids(sat)之间的关系的参考图。在图5中,形成在SiC基板上的MOSFET的特性用实线表示,而形成在Si基板上的MOSFET的特性用虚线表示。
在Si的情况下,当施加在MOSFET的栅极上的驱动电压恒定时,饱和电流Ids(sat)在电压Vds的工作范围内几乎没有变化。因此,可以基于预定过电流阈值(即固定值)来检测过电流。另一方面,在SiC的情况下,饱和电流Ids(sat)根据电压Vds而变化。随着电压Vds增大,饱和电流Ids(sat)也增大。如果使用固定值作为过电流阈值,例如,当电压Vds在工作电压范围内较低时,则无法检测过电流。
另一方面,根据本实施方式的驱动电路8,可以根据与形成在SiC基板上的MOSFET61的电压Vds相关联的物理量来可变地设定过电流阈值。因此,可以根据物理量来切换过电流阈值。由此,可以在电压Vds的宽范围内检测到过电流。其结果是,可以适当地保护形成在SiC基板上的MOSFET 61免受过电流的影响。
特别地,在本实施方式中,VH线9H的电压VH被作为相关物理量使用。如上所述,电压VH是在控制电路7生成驱动命令时使用的物理量。由于使用了用于控制的物理量,因此,可以在电压Vds的宽范围内检测过电流,同时对电路构造的复杂设计进行抑制。
可以使用电压VL来代替电压VH。电压VL是由电压传感器(未示出)检测到的VL线9L的电压。电压VL也是在控制电路7生成驱动命令时使用的物理量。因此,可以在宽范围的电压Vds中检测过电流,同时对电路构造的复杂性进行抑制。注意,关于电压VH、VL的信息可以叠加在驱动命令上。据此,可以减少输入到绝缘电路和驱动电路8的信号的数量。
如图3所示,可以连续地设定过电流阈值。此外,可以分为三个或更多步骤进行该设定。据此,能够以更高的精度检测过电流。
(第二实施方式)
第二实施方式是对作为基本构造的在先实施方式的变形,并且可以结合对在先实施方式的描述。
图6示出本实施方式的驱动电路8。图6对应于图2,并且示出下臂60L侧的驱动电路8。与前述实施方式类似,上臂60U上的驱动电路8具有与下臂60L上的驱动电路8相同的构造。驱动控制单元88获取MOSFET 61的漏极与源极之间的电压Vds。驱动控制单元88根据电压Vds来设定过电流阈值。其他结构与在先实施方式中的结构类似。检测放大器的电压Vds等的功能可以由驱动控制单元88提供。可以采用这样的构造,即,使得电压检测单元与驱动控制单元88分开设置,并且检测信号被输出到驱动控制单元88。
根据本实施方式,驱动电路8对用于设定过电流阈值的电压Vds进行检测。由于电压Vds被直接地检测,因此,可以适当地设定与电压Vds对应的过电流阈值。
(第三实施方式)
第三实施方式是对作为基本构造的在先实施方式的变形,并且可以结合对在先实施方式的描述。
图7示出本实施方式的驱动电路8。图7对应于图2,并且示出下臂60L侧的驱动电路8。与前述实施方式类似,上臂60U上的驱动电路8具有与下臂60L上的驱动电路8相同的构造。如上所述,判断单元83具有滤波功能。驱动控制单元88根据物理量可变地设定判断单元83的滤波时间tf。
图8示出滤波时间tf与电压Vds之间的关系。当电压Vds降低时,驱动控制单元88增加滤波时间tf。当电压Vds增大时,驱动控制单元88缩短滤波时间tf。如图8中的实线所示,驱动控制单元88可以根据电压Vds连续地设定滤波时间tf。替代地,如图3中的虚线所示,驱动控制单元88可以根据电压Vds以步进方式设定滤波时间tf。电压Vds与滤波时间tf之间的关系由映射或函数给出。
根据本实施方式的驱动电路14,可以根据电压Vds来设定直到判断为过电流为止的滤波时间tf。特别地,当电压Vds减小时,滤波时间tf延长,从而可以对过电流检测的精度的降低进行抑制。换言之,可以对过电流的错误检测进行抑制。此外,当电压Vds增大时,滤波时间tf缩短,从而可以缩短判断过电流所需的时间。
尽管电压Vds的示例被描述为物理量,但它不限于此。可以使用前述实施方式中描述的电压VH、VL。
(其他实施方式)
本说明书和附图等中的公开内容不限于示例性实施方式。本公开包含所说明的实施方式和本领域技术人员基于该实施方式的变形。例如,本公开不限于实施方式中所示的部分和/或元件的组合。本公开可以以各种组合来实现。本公开可以具有可以添加到实施方式的附加部件。本公开涵盖对实施方式的部分和/或元件的省略。本公开涵盖在一个实施方式和另一个实施方式之间的部件、元件的替换或组合。所公开的技术范围不限于各实施方式的描述。
控制电路7和驱动电路8由包括至少一个计算机的控制系统来提供。该计算机包括至少一个作为硬件的处理器(硬件处理器)。硬件处理器可以由以下(i)、(ii)或(iii)来提供。
(i)硬件处理器可以是硬件逻辑电路。在这种情况下,计算机由包括许多可编程逻辑单元(门电路)的数字电路提供。该数字电路可以包括用于存储程序和/或数据的存储器。该计算机可以由模拟电路提供。计算机可以由数字电路和模拟电路的组合来提供。
(ii)硬件处理器可以是执行存储在至少一个存储器中的程序的至少一个处理器核心。在这种情况下,计算机由至少一个存储器和至少一个处理器核心提供。处理器核心被称为例如CPU。存储器也称为存储介质。存储器是非暂时性的、有形的存储介质,所述存储介质非暂时性地存储由处理器可读取的程序和/或数据。
(iii)硬件处理器可以是所述(i)和所述(ii)的组合。(i)和(ii)被放置在不同的芯片上或共用芯片上。
也就是说,由控制电路7和驱动电路8提供的方法和/或功能可以仅由硬件、仅由软件或其组合来提供。
尽管该示例被描述为使得驱动电路8被用于构成上臂电路和下臂电路60的MOSFET61(即开关元件),但是本公开不限于此。本公开还可以用于不包括滤波电容器C1和转换器5的电力转换装置4。本公开还可以用于构成转换器5的开关元件。尽管该示例被描述为使得电力转换器装置4被用于驱动系统1,但是本公开不限于此。
驱动控制单元88用于设定过电流阈值的定时可以没有特别的限制。驱动控制单元88例如可以每隔规定的时间间隔读取物理量,并且例如将与该物理量对应的设定信号输出到可变电源82。替代地,驱动控制单元88可以使用另一信号的开关操作作为触发,来执行过电流阈值的设定处理。例如,在驱动命令从接通驱动命令切换到断开驱动命令的定时,驱动控制单元88获取物理量。然后,在从断开驱动命令切换到接通驱动命令的定时,可以执行根据获取的物理量的过电流阈值的设定。
尽管该示例被描述为使得由分流电阻器63检测电流,但是本公开不限于此。例如,在与MOSFET 61相同的半导体基板上,布置具有与MOSFET 61相同的结构且面积约为MOSFET61的1/1000到1/10000的感测元件。然后,可以对流过感测元件的电流进行检测。
本公开中描述的控制器和方法可以由专用计算机实现,该专用计算机通过构造存储器和处理器来创建,所述处理器被编程为执行嵌入在计算机程序中的一个或多个特定功能。替代地,本公开中描述的控制器和方法可以由专用计算机实现,该专用计算机通过构造由一个或多个专用硬件逻辑电路提供的处理器来创建。替代地,本公开中描述的控制器和方法可以由一个或多个专用计算机来实现,所述专用计算机通过构造存储器和被编程以执行一个或多个特定功能的处理器以及由一个或多个硬件逻辑电路提供的处理器的组合而创建。可以将计算机程序作为可由计算机执行的指令存储在有形的、非暂时性计算机可读介质中。
虽然已经参考本公开的实施方式描述了本公开,但是应该理解,本公开不限于这些实施方式和构造。本公开旨在涵盖各种变形例和等同布置。另外,包括更多、更少或仅单个元件的各种组合和构造、其他组合和构造也在本公开的精神和范围内。

Claims (6)

1.一种驱动电路,所述驱动电路用于驱动形成在碳化硅基板上的开关元件,所述驱动电路包括:
比较器,所述比较器用于对流过所述开关元件的电流和过电流阈值进行比较;判断单元,所述判断单元用于基于比较结果来对过电流是否流动进行判断;
控制单元,所述控制单元用于基于驱动命令来生成驱动信号,所述驱动信号用于控制所述开关元件的驱动操作,并且所述控制单元用于在判断为所述过电流流动时断开所述开关元件;以及
设定单元,所述设定单元用于根据与所述开关元件的主电极之间的电压相关联的物理量来可变地设定所述过电流阈值。
2.如权利要求1所述的驱动电路,其特征在于,
所述物理量是电源线的电压,所述电源线对包括所述开关元件的电路和直流电源进行连接。
3.如权利要求1所述的驱动电路,其特征在于,
所述物理量是所述开关元件的主电极之间的电压。
4.如权利要求2所述的驱动电路,其特征在于,
当作为所述物理量的电压增大时,所述设定单元增大所述过电流阈值;
当所述电压减小时,所述设定单元减小所述过电流阈值。
5.如权利要求1所述的驱动电路,其特征在于,
当所述电流等于或大于所述过电流阈值的所述比较结果持续了预定时间时,所述判断单元判断为所述过电流流动;
所述设定单元根据所述物理量可变地设定所述预定时间;
当所述物理量减小时,所述设定单元延长所述预定时间。
6.如权利要求1至5中任一项所述的驱动电路,其特征在于,
所述设定单元以连续或步进的方式设定所述过电流阈值。
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