CN113659969A - 电机系统及其igbt开关电路 - Google Patents

电机系统及其igbt开关电路 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种电机系统及其IGBT开关电路，其中，所述IGBT开关电路包括：IGBT电路(2011，2012，2013，2014，2015，2016)，其包括并联的三极管(T21)和第一二极管(d21)，所述的IGBT电路(2011，2012，2013，2014，2015，2016)充当电机(200)及其负载(100)之间的调制开关；耦合至该IGBT电路(2011，2012，2013，2014，2015，2016)的有源钳位保护电路(P)；在所述IGBT电路(2011，2012，2013，2014，2015，2016)和所述保护电路(P)之间还连接有一开关(S2)。本发明能够解决IGBT关断时由于IGBT中三极管输出电压过压而造成的IGBT损坏问题。并且，本发明也能够解决IGBT被误开通或有源钳位电路的损坏的技术问题。

Description

电机系统及其IGBT开关电路
本申请是申请人于2014年6月27日提交的、申请号为“201410302818.9”的、发明名称为“电机系统及其IGBT开关电路”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及电动汽车领域，尤其涉及一种用于电动汽车的电机系统及其IGBT开关电路。
背景技术
电动汽车是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶的新型车辆。相对传统汽车，电动汽车对环境影响非常小，因此电动汽车的前景被广泛看好。现在市面上也有将电动汽车和传统汽车相结合的混合动力汽车，车中装备有两个以上动力源系统，例如，内燃机车发电机再加上蓄电池的混合动力汽车。
在混合动力及电动汽车电力驱动系统中，经常使用IGBT(Insulated GateBipolar Transistor)来驱动电机系统，进而驱动汽车。换言之，IGBT电路可以视作电机系统和汽车之间的调整占空比的高频调制开关。图1示出了依据现有技术的IGBT电路的结构示意图。如图1所示，IGBT电路是由并联的三极管T1和二极管d1组合而成的。当IGBT需要关断时，也就是电机系统需要和电动汽车的轮胎切断电力供应时，IGBT电路中的输入电压(也就是三极管T1栅极和发射极之间的电压)Vge会骤然变小。由于系统中的连接线路/连接件会在各个电路支路产生寄生电感，例如图1所示的寄生电感ls11、寄生电感ls12、寄生电感ls14、寄生电感ls13。此时各个支路的寄生电感ls11、寄生电感ls12、寄生电感ls14、寄生电感ls13由于输入电流Ic的急剧变化而产生感应电压从而对三极管T1的输出电压产生影响。这是由于：
V感应电压＝L寄生电感·ΔIc
其中，L寄生电感是此时各个支路的寄生电感ls11、寄生电感ls12、寄生电感ls14、寄生电感ls13的寄生电感等效值。当电流变化率ΔIc增大时，寄生电感的V感应电压增大，从而使得三极管T1的输入电压增大。因此，根据三极管的特性三极管T1的输出电压Vce(也就是三极管T1的发射极和集电极之间的电压)会产生一个尖峰电压。
图2示出了依据现有技术的IGBT电路的输出电压曲线图，其中，横坐标表示时间，竖坐标表示IGBT电路的输出电压Vce，也就是三极管T1的发射极和集电极之间的电压。图2还示出了现有技术的IGBT电路的输入电压曲线图，其中，横坐标表示时间，竖坐标表示IGBT电路的输入电压，也就是三极管T1栅极和发射极之间的电压Vge。Ic指示的是三极管T1的输入电流，也就是从三极管T1的集电极流入的电流。图2的上下两个曲线图在时间轴上是对应的。根据三极管的特性，三极管T1的输出电压为：
Vce＝Vdc+Vtr
其中，Vdc表示母线电压，也就是系统的总电压。Vtr表示三极管T1的尖峰电压。如图2所示，在t1时刻左右，电机系统200开始断开与电动汽车100的电力供应，在三极管T1的输入电压Vge变小，也就是三极管T1的输入电流Ic开始变小。此时如图2所示Vtr达到一个极大值，从而Vce过压损坏IGBT电路。
因此，业内通常会为IGBT电路设置一个保护电路，但是设置保护电路又会带来新的问题。
发明内容
本发明提出了一种电机系统及其IGBT开关电路。
本发明第一方面提供了一种IGBT开关电路，其中，所述IGBT开关电路包括：IGBT电路和第一二极管，所述的IGBT电路充当电机及其负载之间的调制开关；耦合至该IGBT电路的有源钳位保护电路；在所述IGBT电路和所述保护电路之间还连接有一开关。该方案能够解决IGBT关断时由于IGBT中三极管输出电压过压而造成的IGBT损坏问题。并且，该方案也能够解决当电机被反拖到最高速，电机成为一台发电机并产生很高的反电势，把母线电压充高到过压状态，最终导致IGBT的集电极与发射极两端电压达到作为保护电路的源钳位电路开启电压，有可能导致IGBT被误开通或有源钳位电路的损坏的技术问题。
进一步地，所述三极管为NPN三极管。
进一步地，所述保护电路包括串联的瞬态抑制二极管和第二二极管。该保护电路利用瞬态抑制二极管反向击穿的特性，用于将该点电位钳制。
进一步地，所述开关包括PMOS，其源极连接至所述保护电路的第二二极管，其漏极连接至IGBT电路的三极管的栅极。本发明利用PMOS的期间特性，实现开关功能。
进一步地，所述开关还连接有一NMOS，其漏极耦合至作为所述开关的PMOS的栅极，其源极接地。由于控制信号不能直接传递至开关，而需要做一个电平匹配的缓冲作用。
进一步地，所述IGBT开关电路还包括一连接至所述NMOS栅极的门级驱动器，用于驱动IGBT电路。
进一步地，所述门极驱动器和所述NMOS栅极之间还连接有一电阻电路，其用于控制IGBT电路的驱动速度。
进一步地，所述开关电路还包括一控制电路，该控制电路发出控制信号来控制开关的开启和关闭。
进一步地，所述控制信号为特定频率的方波信号，其在所述电机及其负载断开电供应时控制所述开关保持闭合。当IGBT电路开通时，开关被控制电导通，保护电路正常工作。当第一IGBT电路关断时，开关仍维持一段时间闭合状态(处于高电位)，以保证保护电路正常工作以有效抑制尖峰值，然后开关关断，使IGBT电路免于受到反电势过压误导通而损坏。
本发明第二方面提供了一种电机系统，其中，所述电机系统包括对负载进行驱动的电机，其中包括至少三条支路，每个支路均连接至两个并联的如本发明第一方面所述的IGBT开关电路。
本发明第三方面提供了一种电动汽车，其中，其包括本发明第二方面所述的电机系统。
附图说明
下面将参照附图详细描述本发明的实施例，附图中：
图1是现有技术的IGBT开关电路的结构示意图；
图2是现有技术的IGBT电路的输出电压曲线图和输入电压曲线图；
图3是根据本发明一个具体实施例的电机系统的模块结构示意图；
图4是根据本发明一个具体实施例的电机系统和IGBT开关电路的连接示意图；
图5是根据本发明的一个具体实施例的IGBT电路及其保护电路的电路连接图；
图6是根据本发明的一个具体实施例的IGBT电路的输出电压曲线图和输入电压曲线图；
图7是根据本发明的一个具体实施例的IGBT开关电路的电路结构图；
图8是根据本发明的一个具体实施例的IGBT开关电路的控制电路发出控制信号的波形图。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明的具体实施方式进行说明。
下文将结合将电机系统及其IGBT开关电路应用于电动汽车领域为例进行说明，其中，电机系统用于给电动汽车的轮胎提供电力从而使得电动汽车的轮胎获得动力以驱动汽车行驶，IGBT开关电路用于驱动电机系统给电动汽车的轮胎提供电力。然而，本领域技术人员应当理解，本发明不限于此，所有能够电机系统并且需要在电机系统和负载之间设置驱动电路的应用也应涵盖在本发明的保护范围之内。
首先对本发明提供的电机系统和负载的连接，以及电机系统内部的模块进行概要介绍。图3是根据本发明一个具体实施例的电机系统的模块结构示意图，如图3所示，电机200通过力矩控制给电动汽车100供电，从而使得电动汽车100将电力转化为轮子旋转的动力。IGBT电路充当电机200和电动汽车100之间的开关，根据本发明一个优选实施例，IGBT电路包括第一IGBT电路2011、第二IGBT电路2012、第三IGBT电路2013、第四IGBT电路2014、第五IGBT电路2015、第六IGBT电路2016。需要说明的是，IGBT电路的数量是根据电机200来确定的，下文将会做详细解释。本发明在IGBT电路的下游电路设置了一开关S2，其由控制电路C2发出控制信号PWM来驱动。IGBT电路还连接有一个保护电路P，其用于保护IGBT电路不受过压电压的影响。
首先对电机系统和IGBT开关电路之间的连接进行总体介绍。图4是根据本发明一个具体实施例的电机系统和IGBT开关电路的连接示意图。现在业内常用的电机(Motor)一般具有三条支路，如图4所示，根据本发明的一个优选实施例，电机M具有三条支路，分别为第一支路A、第二支路B和第三支路C。由于系统电源提供的母线电压Udc具有正负两个方向，因此，第一支路A、第二支路B和第三支路C分别需要两个IGBT电路。具体地，如图4所示，第一支路A连接了两个并联的第一第一IGBT电路2011和第二IGBT门级2012，其中，第一第一IGBT电路2011连接至母线电压的正极，第二IGBT电路2012连接至母线电压的负极；第二支路B连接了两个并联的第三IGBT电路2013和第四IGBT门级2014，其中，第三IGBT电路2013连接至母线电压的正极，第四IGBT电路2014连接至母线电压的负极；第三支路C连接了两个并联的第五IGBT电路2015和第六IGBT电路2016，其中，第五IGBT电路2015连接至母线电压的正极，第六IGBT电路2016连接至母线电压的负极。电机工作时，第一支路A、第二支路B和第三支路C分别产生正方向或者负方向的电压，并且第一支路A、第二支路B和第三支路C的其中两条至少产生相反方向的电压，由此使得电机获得交流的电压，从而给电动汽车的轮胎供应电力，以使得电动汽车的轮胎获得旋转的动力以驱动汽车行驶。
本领域技术人员应当理解，虽然本文以电机包括三条支路为例进行说明，然而，本发明不限于此，本发明的应用范围包括至少三条支路的电机系统。
下面以图4所示电机中的第一支路A所连接的IGBT开关电路为例对本发明进行说明。
图5是根据本发明的一个具体实施例的IGBT电路及其保护电路的电路连接图。图5中的电感L相当于图4中电机200中的电感L，图5示出的IGBT电路相当于图5中第一支路A并联的IGBT电路的其中之一，例如第一第一IGBT电路2011。
参照图4和图5，本发明第一方面提供了一种IGBT开关电路，其中，所述IGBT开关电路包括一第一IGBT电路2011，其由并联的NPN型三极管T21和第一二极管d21组成，所述的第一IGBT电路2011充当了电机系统和汽车之间的调整占空比的高频调制开关。在本实施例中，所述负载示例性地为电动汽车。本发明提供的IGBT开关电路还专门设置了一第一IGBT电路2011的保护电路P，该保护电路P是一个有源钳位电路，其包括串联的瞬态抑制二极管TVS和第二二极管d22反向连接而成。本领域技术人员应当理解，瞬态抑制二极管又叫箝位型二极管，是目前业内普遍使用的一种高效能电路保护器件，其能吸收高达数千瓦的浪涌功率。瞬态抑制二极管TVS主要特点是一旦反向电压超过额定值就反向击穿导通，从而允许大电流通过同时把电压箝制在预定水平。
具体地，前文已述及，由于当电机和电动汽车断开电连接时，第一IGBT电路2011中的三极管T21的输入电压V ge降低，因此其输入电流Ic也降低，此时寄生电感Ls21、寄生电感Ls22、寄生电感Ls23和寄生电感Ls24由于输入电流Ic的变化率变化而产生感应电压，感应电压作用于第一IGBT电路2011中的三极管T21，则引起三极管T21的输出电压产生一个尖峰值的极大值导致IGBT电路的损坏。保护电路P的设置正是为了解决这个问题。具体地，当寄生电感感应产生感应电压时，相当于瞬态抑制二极管TVS的反向电压增高，当反向电压超过额定值瞬态抑制二极管TVS就反向击穿导通。由于保护电路P连接至三极管T21的栅极，则三极管T21的栅极电位Vg增大，因此三极管T21的输入电压Vge得到补偿而增大，其输出电压Vce也相应降低，从而避免了输出电压Vce产生尖峰值的极大值导致的IGBT电路的损坏。
图6示出了根据本发明一个具体实施例的IGBT电路的输出电压曲线图，其中，横坐标表示时间，竖坐标表示IGBT电路的输出电压Vce，也就是三极管T21的发射极和集电极之间的电压。图6还示出了根据本发明一个具体实施例的IGBT电路的输入电压曲线图，其中，横坐标表示时间，竖坐标表示IGBT电路的输入电压，也就是三极管T21栅极和发射极之间的电压Vge。Ic指示的是三极管T21的输入电流，也就是从三极管T21的集电极流入的电流。图6所示的上下两个曲线图在时间轴上是对应的。根据三极管的特性，三极管T21的输出电压为：
Vce＝Vdc+Vtr
其中，Vdc表示母线电压，也就是系统的总电压。Vtr表示三极管T21的尖峰值。如图6所示，在t2时间段，电机系统开始断开与电动汽车的电力供应，三极管T21的输入电压Vge变小。由于保护电路P对三极管T21栅极电位的补偿作用，在t2时间段中Vge被拉高，因此Vce也不会出现尖峰值的极大值，避免了由此导致的IGBT电路损坏。
然而，这样的设计也会带来新的问题。例如，当作为负载的汽车在下坡时，由于轮胎高速旋转，此时电机被反拖到最高速，导致电机成为一台发电机，并产生很高的反电势，从而把母线电压充高到过压状态，最终导致IGBT电路的三极管T21集电极与发射极两端电压即其输出电压Vce达到作为保护电路P的有源钳位电路开启电压，从而造成IGBT电路会被误开通或保护电路P的损坏。
因此，进一步地，本发明还在IGBT电路2011和所述保护电路P之间还连接有一开关电路202。如图3所示，进一步地，所述开关电路202包括一开关S2以及控制该开关的控制电路C2。具体地，如图7所示，所述开关S2示例性地为MOESFET器件PMOS，其源极连接至所述保护电路的第二二极管d22，其漏极连接至IGBT电路的NPN三极管T2的输入端。本发明在有源钳位电路的保护电路P的基础上，增加一个MOSFET器件作为开关S2控制保护电路P的有源钳位电路功能的开通和关闭。如图3所示，开关控制信号来源于上位机控制电路C2的控制信号PWM。其中，在第一IGBT电路2011处于正常工作情况下，该控制保护电路P的有源钳位电路功能被打开，从而能够有效保护第一IGBT电路2011不会因为过压而被损坏。而在第一IGBT电路2011关断时，本发明能提供电压钳位功能，防止IGBT电路的三极管T21的发射极和集电极两端出现过压危险。而在电机被反拖到高速的情况下，上位机通过关闭控制信号PWM的指令同时关闭IGBT驱动信号和保护电路P有源钳位电路的功能。
图8是根据本发明的一个具体实施例的IGBT开关电路的控制电路发出控制信号的波形图，其中，横坐标表示时间，竖坐标表示电压。图8上方的波形图是控制电路C2发出的控制信号PWM的波形图，可见PWM是具有特定频率的方波。图8中间的波形代表开关S2，开关S2的高电位表示闭合，低电位表示开启。图8下方的波形图代表第一IGBT电路2011的输出电压Vce，波形图波峰附近的凸起表示输出电压Vce的尖峰值Vtr。因此，如图所示，当第一IGBT电路2011开通时，开关S2被控制电路C2导通，保护电路P正常工作。在t3时间段，当第一IGBT电路2011关断时，开关S2仍维持一段时间闭合状态(出于高电位)，以保证保护电路P正常工作以有效抑制尖峰值Vtr，然后开关S2关断，使第一IGBT电路2011免于受到反电势过压误导通而损坏。
进一步地，所述开关还连接有一NMOS，其漏极连接至作为开关S2的PMOS的栅极，其源极接地。NMOS在图7中用附图标记B2来指代，这是由于PWM信号不能直接传递至开关S2，而需要B2做一个电平匹配的缓冲作用。
进一步地，所述IGBT开关电路还包括一连接至所述NMOS栅极的门级驱动器(未示出)，用于驱动IGBT电路。
进一步地，所述门极驱动电路和所述NMOS栅极之间还连接有一电阻电路R2，其用于控制IGBT门级的驱动速度。
此外，开关S2还并联有一个稳压电路M2，用于保证开关S2不过压。在驱动电路M2的电路上游还连接有一驱动电路N2，用于驱动开关S2。
本发明第二方面还提供了一种电机系统，其特征在于，所述电机系统包括一用于给负载提供电力的电机200，其中包括至少三条支路，每个支路均连接至两个并联的如前文所述的IGBT开关电路。
特别地，所述负载为电动汽车，所述电机200用于给电动汽车的轮胎旋转提供电力，以使得所述轮胎获得旋转的动力。
利用本发明提供的电机系统及其IGBT开关电路，能够解决IGBT关断时由于IGBT中三极管输出电压过压而造成的IGBT损坏问题。并且，本发明也能够解决当电机被反拖到最高速，电机成为一台发电机并产生很高的反电势，把母线电压充高到过压状态，最终导致IGBT的集电极与发射极两端电压达到作为保护电路的源钳位电路开启电压，有可能导致IGBT被误开通或有源钳位电路的损坏的技术问题。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。此外，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求；“包括”一词不排除其它权利要求或说明书中未列出的装置或步骤；“第一”、“第二”等词语仅用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

Claims (7)

1.一种IGBT开关电路，其特征在于，所述IGBT开关电路包括：
IGBT电路(2011，2012，2013，2014，2015，2016)，其包括并联的三极管(T21)和第一二极管(d21)，所述的IGBT电路(2011，2012，2013，2014，2015，2016)充当电机(200)及其负载(100)之间的调制开关；
耦合至该IGBT电路(2011，2012，2013，2014，2015，2016)的有源钳位保护电路(P)，所述保护电路(P)包括串联的瞬态抑制二极管(TVS)和第二二极管(d22)；
在所述IGBT电路(2011，2012，2013，2014，2015，2016)和所述保护电路(P)之间还连接有一开关(S2)，所述开关(S2)包括PMOS，其源极连接至所述保护电路的第二二极管(d22)，其漏极连接至IGBT电路(2011，2012，2013，2014，2015，2016)的三极管(T21)的栅极；
一控制电路(C2)，该控制电路(C2)发出控制信号(PWM)来控制开关(S2)的开启和关闭，所述控制信号(PWM)为特定频率的方波信号，其在所述电机(200)及其负载(100)断开电供应时控制所述开关(S2)保持闭合。
2.根据权利要求1所述的IGBT开关电路，其特征在于，所述三极管(T21)为NPN三极管。
3.根据权利要求1所述的IGBT开关电路，其特征在于，所述开关(S2)还连接有一NMOS(B2)，其漏极耦合至作为所述开关(S2)的PMOS的栅极，其源极接地。
4.根据权利要求3所述的IGBT开关电路，其特征在于，所述IGBT开关电路还包括一连接至所述NMOS(B2)栅极的门级驱动器，用于驱动IGBT电路。
5.根据权利要求4所述的IGBT开关电路，其特征在于，所述门极驱动器和所述NMOS(B2)栅极之间还连接有一电阻电路(R2)，其用于控制IGBT电路(2011，2012，2013，2014，2015，2016)的驱动速度。
6.一种电机系统，其特征在于，所述电机系统包括对负载(100)进行驱动的电机(200)，其中包括至少三条支路(A，B，C)，每个支路均连接至两个并联的如权利要求1至5任一项所述的IGBT开关电路。
7.一种电动汽车(100)，其特征在于，其包括如权利要求6所述的电机系统。
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