CN115833535A - 具有保护电路的功率模块和功率电子系统 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于驱动电机的功率模块和功率电子系统。该功率模块包括：正总线输入电压端子；用于每个电机相的相端子；逆变器，其包括用于每个电机相的半桥，每个半桥包括被电耦接在正总线输入电压端子与相应的相端子之间的高侧功率开关，以及被电耦接在相应的相端子与地之间的低侧功率开关；第一驱动器电路，其用于驱动每个功率开关的栅极端子；保护开关，其被串联地电耦接在正总线输入电压端子与每个高侧功率开关之间，并且与每个逆变器功率开关相比具有更长的短路耐受时间和更低的短路电流电平；以及第二驱动器电路，其用于在正常工作期间导通保护开关，并且响应于检测到的短路状况而关断保护开关。

Description

具有保护电路的功率模块和功率电子系统
技术领域
本公开一般地涉及电子学领域，并且具体地涉及具有保护电路的功率模块以及功率电子系统。
背景技术
智能功率模块(IPM)是高度集成的紧凑型功率模块，其被设计成驱动范围从家用电器、风扇和泵到通用驱动器的应用中的电机。IPM包括具有用于每个电机相的半桥的逆变器。每个半桥通常包括电耦接在正总线输入电压端子与相应的相端子之间的高侧IGBT(绝缘栅双极晶体管)，以及电耦接在相应的相端子与地之间的低侧IGBT。IPM中包括的IGBT必须满足关于短路耐受时间(SCWT)的特定要求，其中SCWT是器件驱动上升到其峰值的50％的瞬间与它下降到其峰值的50％的瞬间之间的时间间隔。换句话说，SCWT是IGBT在特定条件下能够承受短路的时间。
电机能够在相对长的时段(毫秒到秒，取决于电机尺寸和类型)内吸收非常高的电流电平。然而，IGBT具有微秒级的短路耐受时间。IGBT的短路耐受时间与其跨导或增益以及IGBT管芯的热容量有关。较高的增益会导致IGBT内较高的短路电流电平，而较低的增益会导致较低的短路电平。然而，较高的增益会导致较低的导通状态传导损耗(on-stateconduction loss)。因此，必须在低导通状态损耗与短路耐受时间之间进行权衡。这样，IGBT的性能例如Vce(sat)和开关速度受到限制。
因此，需要具有鲁棒的短路耐受时间但不牺牲IGBT性能的功率模块。
发明内容
根据用于驱动电机的功率模块的实施方式，该功率模块包括：正总线输入电压端子；用于电机的每个相的相端子；逆变器，其包括用于电机的每个相的半桥，每个半桥包括电耦接在正总线输入电压端子与相应的相端子之间的高侧功率开关以及电耦接在相应的相端子与地之间的低侧功率开关；第一驱动器电路，其被配置成驱动逆变器的每个功率开关的栅极端子，第一驱动器电路包括被配置成向逆变器的每个高侧功率开关提供第一导通栅极-发射极电压的第一电平转换电路；保护开关，其串联电耦接在正总线输入电压端子与逆变器的每个高侧功率开关之间，与逆变器的每个功率开关相比，保护开关具有更长的短路耐受时间(SCWT)和更低的短路电流电平；以及第二驱动器电路，其被配置成在功率模块的正常工作期间导通保护开关，并且响应于检测到的短路状况关断保护开关，第二驱动器电路包括被配置成向保护开关提供第二导通栅极-发射极电压的第二电平转换电路。
根据功率电子系统的实施方式，该功率电子系统包括：多相电机；以及被配置成驱动多相电机的功率模块，其中，功率模块包括：正总线输入电压端子；电耦接至多相电机的每个相的相端子；逆变器，其包括用于多相电机的每个相的半桥，每个半桥包括电耦接在正总线输入电压端子与相应的相端子之间的高侧功率开关以及电耦接在相应的相端子与地之间的低侧功率开关；第一驱动器电路，其被配置成驱动逆变器的每个功率开关的栅极端子，第一驱动器电路包括被配置成向逆变器的每个高侧功率开关提供第一导通栅极-发射极电压的第一电平转换电路；保护开关，其串联电耦接在正总线输入电压端子与逆变器的每个高侧功率开关之间，与逆变器的每个功率开关相比，保护开关具有更长的短路耐受时间(SCWT)和更低的短路电流电平；以及第二驱动器电路，其被配置成在功率模块的正常工作期间导通保护开关，并且响应于检测到的短路状况关断保护开关，第二驱动器电路包括被配置成向保护开关提供第二导通栅极-发射极电压的第二电平转换电路。
本领域技术人员在阅读以下具体实施方式以及在查看附图后将认识到其他特征和优点。
附图说明
附图的元素不一定相对于彼此按比例绘制。相似的附图标记表示对应的类似部件。可以将所示出的各种实施方式的特征进行组合，除非它们相互排斥。在附图中描绘了实施方式，并且在下面的描述中对实施方式进行了详细描述。
图1示出了包括多相电机和用于驱动多相电机的功率模块的电子系统的实施方式的示意图，该功率模块包括逆变器和与逆变器的功率开关分开的过电流保护开关。
图2示出了根据实施方式的封装中的功率模块的实施方式的平面图。
图3示出了根据另一实施方式的封装中的功率模块的实施方式的平面图。
图4示出了用于功率模块的保护开关的驱动器电路的实施方式的框图。
图5示出了根据另一实施方式的电子系统的示意图。
图6示出了根据另一实施方式的电子系统的示意图。
图7示出了根据另一实施方式的电子系统的示意图。
图8示出了根据另一实施方式的电子系统的示意图。
图9示出了根据另一实施方式的电子系统的示意图。
具体实施方式
本文描述了用于驱动电机并且具有鲁棒的短路耐受时间而不牺牲功率开关性能的功率模块。功率模块包括过电流保护开关，与功率模块逆变器的每个功率开关相比，该过电流保护开关具有更长(更久)的短路耐受时间(SCWT)和更低的短路电流电平。因此，可以通过排除SCWT作为逆变器功率开关的要求来优化形成功率模块的逆变器电路的功率开关以获得更好的性能。对于相同的晶体管性能，由于SCWT不是约束，因此可以减小芯片(管芯)尺寸以节省成本。如本文所使用的，术语“功率开关”指的是半导体晶体管器件，该半导体晶体管器件被额定为适应至少100V的电压并且更常见的是400V或更大量级的电压，和/或至少1A的电流并且更常见的是10A或更大量级的电流。
接下来参照附图描述的是功率模块的示例性实施方式。
图1示出了包括电机102和用于驱动电机102的功率模块103的电子系统100的实施方式。功率模块103包括正总线输入电压端子‘P’、用于电机102的每个相的相端子‘U’、‘V’、‘W’以及包括用于电机102的每个相的半桥的逆变器104。每个半桥包括电耦接在正总线输入电压端子P与相应的相端子U/V/W之间的高侧功率开关HSn，例如IGBT(绝缘栅双极晶体管)、SiC MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)等，以及电耦接在相应的相端子U/V/W与接地之间的低侧功率开关LSn，例如IGBT、SiC MOSFET等。续流二极管与功率模块103的每个逆变器功率开关HSn/LSn反并联耦接，以通过提供防止反向电流的续流路径来保护对应的功率开关HSn/LSn。续流二极管可以例如取决于所使用的功率开关的类型，与对应的功率开关HSn/LSn单片集成或作为分立部件提供。
功率模块103还包括用于驱动逆变器104的每个功率开关HSn/LSn的栅极端子Gn的第一驱动器电路106。功率模块103的第一驱动器电路106包括用于向逆变器104的每个高侧功率开关HSn提供导通的栅极-发射极电压的电平转换电路108。
功率模块103还包括串联电耦接在功率模块103的正总线输入电压端子P与逆变器104的每个高侧功率开关HSn之间的过电流保护开关Q7，例如IGBT、SiC MOSFET等，从而在功率模块103的正总线输入电压端子P与逆变器功率开关HSn、LSn之间提供电压节点‘VDC’。与保护开关Q7反并联耦接的续流二极管D7提供防止保护开关Q7中的反向电流的续流路径。
与逆变器104的每个功率开关HSn/LSn相比，保护开关Q7具有更长的短路耐受时间(SCWT)和更低的短路电流电平。因此，在选择逆变器功率开关HSn、LSn时，SCWT不是约束。这样，可以优化包括在功率模块103的逆变器104中的功率开关HSn、LSn以获得更好的性能。对于相同的晶体管性能，由于SCWT不是约束，因此可以针对逆变器功率开关HSn、LSn减小管芯尺寸以节省成本。在一个实施方式中，保护开关Q7具有与逆变器104的每个功率开关HSn、LSn相同的击穿电压额定值。单独地或组合地，保护开关Q7可以具有比逆变器104的每个功率开关HSn、LSn更低的饱和电流和更低的集电极-发射极饱和电压。
第二驱动器电路110在功率模块103的正常工作期间导通保护开关Q7，并且响应于检测到的短路状况关断保护开关Q7。在正常工作期间，保护开关Q7导通(导电)，并且逆变器104的每个高侧功率开关HSn电连接至与功率模块103的正总线输入电压端子P所提供的电压对应的VDC。在正常工作期间，保护开关Q7始终导通，并且因此不需要快速切换。因此，保护开关Q7相对于逆变器104的功率开关HSn、LSn可以具有较低的集电极-发射极饱和电压。
逆变器104的半桥被切换以实现正常的电机驱动工作。如果在逆变器工作期间检测到短路状况，则第二驱动器电路110关断保护开关Q7并且保护IGBT Q7进入阻断状态。在保护开关Q7处于阻断状态时，逆变器104的半桥通过保护开关Q7与VDC电断开。第二驱动器电路110包括电平转换电路112，该电平转换电路112用于向保护开关Q7提供导通的栅极-发射极电压，以用于控制保护开关Q7的状态。
控制器114被提供用于控制功率模块103的第一驱动器电路106和第二驱动器电路110两者。例如，控制器114可以包括用于控制逆变器功率开关HSn、LSn的开关状态的PWM(具有调制器的脉冲)116。控制器114可以包括在功率模块103中或可以是与功率模块分离的部件。第一驱动器电路106和第二驱动器电路110可以共享用于指示故障是否已经发生的、提供给控制器114的故障信号输出‘VFO’。功率模块103还可以包括用于感测逆变器电流的分流电阻器R_shunt。缓冲电容器‘缓冲Cap’保护功率开关HSn、LSn免受过电压，并且DC电容器‘DC Cap’降低直流总线电压和电流纹波。
在图1中，‘VB(P)’和‘VS(P)’表示用于保护开关Q7的电源，而‘VBn’和‘VSn’表示用于逆变器104的各个高侧功率开关HSn的电源。‘VDD’和‘VSS’表示用于逆变器104的低侧功率开关LSn的电源。保护开关Q7的发射极电位VS(P)是浮动的，并且与用于逆变器功率开关HSn、LSn的发射极电位VSn、VSS不同地进行处理。例如，当用于U相的低侧功率开关LS4导通时，通过第一自举电路118对电容器CBS(U)充电。然后用于U相的高侧功率开关HS1导通，并且可以通过第二自举电路或通过隔离电源(图1中未示出)对电容器CBS(P)充电。电容器CBS(P)向第二驱动器电路110供电，并且为保护开关Q7提供适当的栅极-发射极电位偏置，这使得第二驱动器电路110能够适当地驱动保护开关Q7。用于对电容器CBS(P)充电的实施方式在本文后面更详细地描述。
图2示出了封装200中的功率模块103的实施方式。封装200包括用于本文先前描述的各种信号和电源连接的端子202。这包括用于电机相U/NU、V/NV、W/NW的端子、用于向第一驱动器电路106供应电力VDD/VSS、VB1/VS1、VB2/VS2、VB3/VS3的端子、用于向第二驱动器电路110供应电力VB(P)/VS(P)的端子、用于从控制器114接收控制信号HS_U、LS_U、HS_V、LS_V、HS_W、LS_W以用于控制逆变器功率开关HSn、LSn的开关状态的端子、用于从控制器114接收控制信号PIN以用于在正常工作期间控制保护开关Q7的开关状态的端子、以及用于向控制器114发送故障信号输出VFO和指示经由分流电阻器R_shunt所提供的电流感测检测到的异常电流的信号‘ITRIP’的端子。用于逆变器功率开关HSn、LSn的管芯203和用于对应的二极管D4的管芯205以及用于保护开关Q7的管芯207和用于对应的二极管D7的管芯209附接至封装200中包括的一个或更多个衬底204。
根据图1所示的实施方式，第一驱动器电路106和第二驱动器电路110集成在同一半导体管芯206中。由于管芯206驱动高侧功率开关和低侧功率开关HSn、LSn以及具有浮动发射极电位的保护开关Q7两者，因此单个驱动器半导体管芯206是高压集成电路(‘HVIC’)。单个驱动器半导体管芯206具有用于驱动每个逆变器半桥的高侧功率开关HSn的单独通道、用于驱动每个逆变器半桥的低侧功率开关LSn的单独通道、以及用于驱动保护开关Q7的单独通道。在三相电机102的情况下，逆变器104具有三个相，单个驱动器半导体管芯206具有七个输出通道(‘7ch’)，七个输出通道中的六个输出通道电耦接至三个逆变器相的功率开关HSn、LSn的栅极端子，并且七个输出通道中的第七个输出通道电耦接至保护开关Q7的栅极端子。
功率开关管芯203在图2中被示为垂直器件，每个垂直器件在管芯203的顶侧具有栅极(G)端子和发射极(S)端子，并且在相对侧具有集电极端子。封装200的功率开关HSn、LSn、Q7、二极管D1-D7、单个驱动器半导体管芯206与对应的端子202之间的电连接可以通过接合线和/或金属夹208、衬底204上的金属化210等来实现。通常，由功率模块103驱动的电机102具有m个相，其中m≥1。
图3示出了功率模块封装200的另一实施方式。图3所示的实施方式类似于图2所示的实施方式。然而，不同的是，第一驱动器电路106和第二驱动器电路110被包括在单独的半导体管芯300、302中。对于三相电机示例，包括第一驱动器电路106的半导体管芯300具有六个输出通道(‘6ch’)；针对逆变器104的每个功率开关HSn、LSn有一个专用通道。包括第二驱动器电路110的半导体管芯302具有用于保护开关Q7的单个输出通道(‘1ch’)。
图4示出了用于保护开关Q7的驱动器电路110的实施方式。如上所述，驱动器电路110是HVIC 400，因为保护开关Q7的发射极电位是浮动的。驱动器电路110包括高电压(‘HV’)块402，该高电压块402用于根据输入至驱动器电路110的功率VB(P)、VS(P)生成栅极-发射极电压(‘P-IGBT栅极’、‘P-IGBT发射极’)，以用于驱动保护开关Q7。HV块402可以感测保护开关Q7的集电极与发射极之间的电压‘DESAT’。驱动器电路110可以基于感测到的电压DESAT检测短路状况，并且作为响应通过关断保护开关Q7来切断短路电流。
驱动器电路110还包括低电压(‘LV’)块404，该低电压块404用于生成报告给控制器114的故障信号输出VFO、ITRIP，并且用于从控制器114接收逻辑控制信号PIN以用于在正常工作期间控制保护开关Q7的开关状态。HVIC 400的LV块404可以由与例如图2所示的逆变器HVIC相同的电源输入VDD、VSS供电。在这种情况下，低侧控制电源端子VDD、VSS电耦接至第一驱动器电路106和第二驱动器电路110两者。故障信号VFO、ITRIP也可以与用于逆变器104的HVIC共享。如图2所示，用于保护开关Q7的HVIC 400可以被嵌入在与用于逆变器104的HVIC相同的管芯上。
图5示出了用于对耦接至用于保护开关Q7的驱动器电路110的电容器CBS(P)进行充电的(第二)自举电路500的实施方式。第二自举电路500电耦接至第一自举电路118并且向第二驱动器电路110提供浮动电源VB(P)、VS(P)，以完全驱动保护开关Q7。第一自举电路118向第一驱动器电路106提供浮动电源VBn、VSn，以完全驱动逆变器104的每个高侧功率开关HSn。
在一个实施方式中，对于逆变器104的每个高侧功率开关HSn，第一自举电路118包括跨第一驱动器电路106的高侧浮动电源电压引脚VBn、VSn而电耦接的第一自举电容器CBS(n)。对于逆变器104的每个高侧功率开关HSn，第一自举二极管BD1n从第一驱动器电路106的低侧控制电源VDD、VSS对对应的第一自举电容器CBS(n)充电。对于逆变器104的每个高侧功率开关HSn，第二自举电路500包括跨第二驱动器电路110的浮动电源电压引脚VB(P)、VS(P)而电耦接的第二自举电容器CBS(P)，和用于从第一自举电路118的对应的第一自举电容器CBS(n)对第二自举电容器CBS(P)充电的第二自举二极管BD2n。
图6示出了功率模块103的另一实施方式。根据该实施方式，电耦接至第一自举电路118的隔离电源600向第二驱动器电路110提供浮动电源VB(P)、VS(P)以完全驱动保护开关Q7。
如本文先前所描述的，第二驱动器电路110可以被配置成检测短路状况并且响应于检测到短路状况而关断保护开关Q7。图7至图9示出了可以由第二驱动器电路110实施的短路检测技术的不同实施方式。
在图7中，第二驱动器电路110监测保护开关Q7两端的电压DESAT。第二驱动器电路110通过将DESAT与阈值水平进行比较来监测短路状况，并且如果所监测的电压超过阈值水平则关断保护开关Q7。
在图8中，第二驱动器电路110监测流过保护开关Q7的电流ICE(sat)。第二驱动器电路110通过将ICE(sat)与阈值水平进行比较来监测短路状况，并且如果所监测的电流超过阈值水平则关断保护开关Q7。
在图9中，第二驱动器电路110监测流过分流电阻器R_shunt的电流Ishunt或分流电阻器R_shunt两端的电压Vshunt。第二驱动器电路110通过将Ishunt或Vshunt与对应的阈值水平进行比较来监测短路状况，并且如果所监测的电压Vshunt或电流Ishunt超过阈值水平则关断保护开关Q7。用于第二驱动器电路110的HVIC 400的LV块404应当具有与逆变器驱动器电路106相同的电压电位，这可以直接导致分流电阻器电压Vshunt。
分流电阻器R_shunt可以串联电耦接在逆变器104的每个低侧功率开关LSn与地之间，例如，如图1和图5至图9所示。可替选地，分流电阻器R_shunt可以串联电耦接在正总线输入电压端子P与逆变器104的每个高侧功率开关HSn之间。在这种情况下，分流电阻器R_shunt可以被插入在正总线输入电压端子P与电压节点VDC之间或保护开关Q7的发射极与高侧逆变器功率开关HSn的集电极之间。
虽然本公开内容不受此限制，但以下编号的示例展示了本公开内容的一个或更多个方面。
示例1.一种用于驱动电机的功率模块，该功率模块包括：正总线输入电压端子；用于电机的每个相的相端子；逆变器，其包括用于电机的每个相的半桥，每个半桥包括电耦接在正总线输入电压端子与相应的相端子之间的高侧功率开关以及电耦接在相应的相端子与地之间的低侧功率开关；第一驱动器电路，其被配置成驱动逆变器的每个功率开关的栅极端子，第一驱动器电路包括被配置成向逆变器的每个高侧功率开关提供第一导通栅极-发射极电压的第一电平转换电路；保护开关，其串联电耦接在正总线输入电压端子与逆变器的每个高侧功率开关之间，与逆变器的每个功率开关相比，保护开关具有更长的短路耐受时间(SCWT)和更低的短路电流电平；以及第二驱动器电路，其被配置成在功率模块的正常工作期间导通保护开关，并且响应于检测到的短路状况关断保护开关，第二驱动器电路包括被配置成向保护开关提供第二导通栅极-发射极电压的第二电平转换电路。
示例2.根据示例1所述的功率模块，其中，第二驱动器电路和第一驱动器电路集成在同一半导体管芯中。
示例3.根据示例2所述的功率模块，其中，电机是三相电机，其中逆变器具有三个相，其中半导体管芯具有七个输出通道，其中所述七个输出通道中的六个输出通道电耦接至三个逆变器相的功率开关的栅极端子，并且其中所述七个输出通道中的第七个输出通道电耦接至保护开关的栅极端子。
示例4.根据示例1所述的功率模块，其中，第一驱动器电路在第一半导体管芯中实现，并且第二驱动器电路在与第一半导体管芯分离的第二半导体管芯中实现。
示例5.根据示例4所述的功率模块，其中，电机是三相电机，其中逆变器具有三个相，其中第一半导体管芯具有电耦接至三个逆变器相的功率开关的栅极端子的六个输出通道，并且其中第二半导体管芯具有电耦接至保护开关的栅极端子的单个通道。
示例6.根据示例1至5中任一项所述的功率模块，还包括：低侧控制电源端子，其电耦接至第一驱动器电路和第二驱动器电路两者。
示例7.根据示例1至6中任一项所述的功率模块，还包括：控制器，其被配置成控制第一驱动器电路和第二驱动器电路两者。
示例8.根据示例7所述的功率模块，其中，第一驱动器电路和第二驱动器电路共享用于指示故障是否已经发生的提供给控制器的故障信号输出。
示例9.根据示例1至8中任一项所述的功率模块，还包括：第一自举电路，其被配置成向第一驱动器电路提供浮动电源以完全驱动逆变器的每个高侧功率开关；以及第二自举电路，其电耦接至第一自举电路并且被配置成向第二驱动器电路提供浮动电源以完全驱动保护开关。
示例10.根据示例9所述的功率模块，其中，第一自举电路包括：对于逆变器的每个高侧功率开关，跨第一驱动器电路的高侧浮动电源电压引脚而被电耦接的第一自举电容器；以及对于逆变器的每个高侧功率开关，被配置成从第一驱动器电路的低侧控制电源对第一自举电容器充电的第一自举二极管，其中，第二自举电路包括：跨第二驱动器电路的浮动电源电压引脚而被电耦接的第二自举电容器；以及对于逆变器的每个高侧功率开关，被配置成从第一自举电容器对第二自举电容器充电的第二自举二极管。
示例11.根据示例1至8中任一项所述的功率模块，还包括：第一自举电路，其被配置成向第一驱动器电路提供浮动电源以完全驱动逆变器的每个高侧功率开关；以及隔离电源，其电耦接至第一自举电路并且被配置成向第二驱动器电路提供浮动电源以完全驱动保护开关。
示例12.根据示例1至11中任一项所述的功率模块，其中，保护开关具有与逆变器的每个功率开关相同的击穿电压额定值。
示例13.根据示例1至12中任一项所述的功率模块，其中，保护开关具有比逆变器的每个功率开关更低的饱和电流和更低的集电极-发射极饱和电压。
示例14.根据示例1至13中任一项所述的功率模块，其中，第二驱动器电路被配置成检测短路状况并且响应于检测到短路状况而关断保护开关。
示例15.根据示例1至14中任一项所述的功率模块，其中，第二驱动器电路被配置成监测保护开关两端的电压，并且如果所监测的电压超过阈值水平则关断保护开关。
示例16.根据示例1至15中任一项所述的功率模块，其中，第二驱动器电路被配置成监测流过保护开关的电流，并且如果所监测的电流超过阈值水平则关断保护开关。
示例17.根据示例1至16中任一项所述的功率模块，还包括：分流电阻器，其串联电耦接在逆变器的每个低侧功率开关与地之间，或者串联电耦接在正总线输入电压端子与逆变器的每个高侧功率开关之间，其中，第二驱动器电路被配置成监测流过分流电阻器的电流或分流电阻器两端的电压，并且如果所监测的电压或电流超过阈值水平则关断保护开关。
示例18.一种功率电子系统，包括：多相电机；以及被配置成驱动多相电机的功率模块，其中，功率模块包括：正总线输入电压端子；电耦接至多相电机的每个相的相端子；逆变器，其包括用于多相电机的每个相的半桥，每个半桥包括电耦接在正总线输入电压端子与相应的相端子之间的高侧功率开关以及电耦接在相应的相端子与地之间的低侧功率开关；第一驱动器电路，其被配置成驱动逆变器的每个功率开关的栅极端子，第一驱动器电路包括被配置成向逆变器的每个高侧功率开关提供第一导通栅极-发射极电压的第一电平转换电路；保护开关，其串联电耦接在正总线输入电压端子与逆变器的每个高侧功率开关之间，与逆变器的每个功率开关相比，保护开关具有更长的短路耐受时间(SCWT)和更低的短路电流电平；以及第二驱动器电路，其被配置成在功率模块的正常工作期间导通保护开关，并且响应于检测到的短路状况关断保护开关，第二驱动器电路包括被配置成向保护开关提供第二导通栅极-发射极电压的第二电平转换电路。
示例19.根据示例18所述的功率电子系统，其中，功率模块还包括：第一自举电路，其被配置成向第一驱动器电路提供浮动电源以完全驱动逆变器的每个高侧功率开关；以及第二自举电路，其电耦接至第一自举电路并且被配置成向第二驱动器电路提供浮动电源以完全驱动保护开关。
示例20.根据示例19所述的功率电子系统，其中，第一自举电路包括：对于逆变器的每个高侧功率开关，跨第一驱动器电路的高侧浮动电源电压引脚而被电耦接的第一自举电容器；以及对于逆变器的每个高侧功率开关，被配置成从第一驱动器电路的低侧控制电源对第一自举电容器充电的第一自举二极管，其中，第二自举电路包括：跨第二驱动器电路的浮动电源电压引脚而被电耦接的第二自举电容器；以及对于逆变器的每个高侧功率开关，被配置成从第一自举电容器对第二自举电容器充电的第二自举二极管。
示例21.根据示例16至20中任一项所述的功率电子系统，还包括：控制器，其被配置成控制第一驱动器电路和第二驱动器电路两者。
示例22.根据示例21所述的功率电子系统，其中，第一驱动器电路和第二驱动器电路共享用于指示故障是否已经发生的提供给控制器的故障信号输出。
术语例如“第一”、“第二”等被用于描述各种元件、区域、部分等，并且也不旨在是限制性的。在整个说明书中相似的术语指代相似的元件。
如本文所使用的，术语“具有”、“含有”、“包括”、“包含”等是指示所陈述的元件或特征的存在的开放性术语，但是不排除附加的元件或特征。除非上下文另外明确指出，否则冠词“一”、“一个”和“该”旨在包括复数和单数。
虽然本文已经示出和描述了具体实施方式，但是本领域普通技术人员将理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以用各种替选和/或等效实现方式来代替所示出和描述的具体实施方式。本申请旨在涵盖本文所讨论的具体实施方式的任何修改或变型。因此，本发明旨在仅由权利要求及其等同物来限制。

Claims (20)

1.一种用于驱动电机的功率模块，所述功率模块包括：
正总线输入电压端子；
用于所述电机的每个相的相端子；
逆变器，其包括用于所述电机的每个相的半桥，每个半桥包括电耦接在所述正总线输入电压端子与相应的相端子之间的高侧功率开关以及电耦接在所述相应的相端子与地之间的低侧功率开关；
第一驱动器电路，其被配置成驱动所述逆变器的每个功率开关的栅极端子，所述第一驱动器电路包括被配置成向所述逆变器的每个高侧功率开关提供第一导通栅极-发射极电压的第一电平转换电路；
保护开关，其被串联地电耦接在所述正总线输入电压端子与所述逆变器的每个高侧功率开关之间，与所述逆变器的每个功率开关相比，所述保护开关具有更长的短路耐受时间和更低的短路电流电平；以及
第二驱动器电路，其被配置成在所述功率模块的正常工作期间导通所述保护开关，并且响应于检测到的短路状况而关断所述保护开关，所述第二驱动器电路包括被配置成向所述保护开关提供第二导通栅极-发射极电压的第二电平转换电路。
2.根据权利要求1所述的功率模块，其中，所述第二驱动器电路和所述第一驱动器电路被集成在同一个半导体管芯中。
3.根据权利要求2所述的功率模块，其中，所述电机是三相电机，其中所述逆变器具有三个相，其中所述半导体管芯具有七个输出通道，其中所述七个输出通道中的六个输出通道被电耦接至所述逆变器的三个相的功率开关的栅极端子，并且其中所述七个输出通道中的第七个输出通道被电耦接至所述保护开关的栅极端子。
4.根据权利要求1所述的功率模块，其中，所述第一驱动器电路在第一半导体管芯中被实现，并且所述第二驱动器电路在与所述第一半导体管芯分离的第二半导体管芯中被实现。
5.根据权利要求4所述的功率模块，其中，所述电机是三相电机，其中所述逆变器具有三个相，其中所述第一半导体管芯具有被电耦接至所述逆变器的三个相的功率开关的栅极端子的六个输出通道，并且其中所述第二半导体管芯具有被电耦接至所述保护开关的栅极端子的单个通道。
6.根据权利要求1所述的功率模块，还包括：
低侧控制电源端子，其被电耦接至所述第一驱动器电路和所述第二驱动器电路两者。
7.根据权利要求1所述的功率模块，还包括：
第一自举电路，其被配置成向所述第一驱动器电路提供浮动电源，以完全驱动所述逆变器的每个高侧功率开关；以及
第二自举电路，其被电耦接至所述第一自举电路，并且被配置成向所述第二驱动器电路提供浮动电源以完全驱动所述保护开关。
8.根据权利要求7所述的功率模块，
其中，所述第一自举电路包括：
针对所述逆变器的每个高侧功率开关的、跨所述第一驱动器电路的高侧浮动电源电压引脚而被电耦接的第一自举电容器，以及
针对所述逆变器的每个高侧功率开关的、被配置成从所述第一驱动器电路的低侧控制电源对所述第一自举电容器充电的第一自举二极管；
其中，所述第二自举电路包括：
跨所述第二驱动器电路的浮动电源电压引脚而被电耦接的第二自举电容器，以及
针对所述逆变器的每个高侧功率开关的、被配置成从所述第一自举电容器对所述第二自举电容器充电的第二自举二极管。
9.根据权利要求1所述的功率模块，还包括：
第一自举电路，其被配置成向所述第一驱动器电路提供浮动电源，以完全驱动所述逆变器的每个高侧功率开关；以及
隔离电源，其被电耦接至所述第一自举电路，并且被配置成向所述第二驱动器电路提供浮动电源以完全驱动所述保护开关。
10.根据权利要求1所述的功率模块，其中，所述保护开关具有与所述逆变器的每个功率开关相同的击穿电压额定值。
11.根据权利要求1所述的功率模块，其中，所述保护开关具有比所述逆变器的每个功率开关更低的饱和电流和更低的集电极-发射极饱和电压。
12.根据权利要求1所述的功率模块，其中，所述第二驱动器电路被配置成检测短路状况并且响应于检测到所述短路状况而关断所述保护开关。
13.根据权利要求1所述的功率模块，其中，所述第二驱动器电路被配置成监测所述保护开关两端的电压，并且如果所监测的电压超过阈值水平则关断所述保护开关。
14.根据权利要求1所述的功率模块，其中，所述第二驱动器电路被配置成监测流过所述保护开关的电流，并且如果所监测的电流超过阈值水平则关断所述保护开关。
15.根据权利要求1所述的功率模块，还包括：
分流电阻器，其被串联地电耦接在所述逆变器的每个低侧功率开关与地之间，或者被串联地电耦接在所述正总线输入电压端子与所述逆变器的每个高侧功率开关之间，
其中，所述第二驱动器电路被配置成监测流过所述分流电阻器的电流或所述分流电阻器两端的电压，并且如果所监测的电压或电流超过阈值水平则关断所述保护开关。
16.一种功率电子系统，包括：
多相电机；以及
被配置成驱动所述多相电机的功率模块，
其中，所述功率模块包括：
正总线输入电压端子；
被电耦接至所述多相电机的每个相的相端子；
逆变器，其包括用于所述多相电机的每个相的半桥，每个半桥包括被电耦接在所述正总线输入电压端子与相应的相端子之间的高侧功率开关以及被电耦接在所述相应的相端子与地之间的低侧功率开关；
第一驱动器电路，其被配置成驱动所述逆变器的每个功率开关的栅极端子，所述第一驱动器电路包括被配置成向所述逆变器的每个高侧功率开关提供第一导通栅极-发射极电压的第一电平转换电路；
保护开关，其被串联地电耦接在所述正总线输入电压端子与所述逆变器的每个高侧功率开关之间，与所述逆变器的每个功率开关相比，所述保护开关具有更长的短路耐受时间和更低的短路电流电平；以及
第二驱动器电路，其被配置成在所述功率模块的正常工作期间导通所述保护开关，并且响应于检测到的短路状况而关断所述保护开关，所述第二驱动器电路包括被配置成向所述保护开关提供第二导通栅极-发射极电压的第二电平转换电路。
17.根据权利要求16所述的功率电子系统，其中，所述功率模块还包括：
第一自举电路，其被配置成向所述第一驱动器电路提供浮动电源，以完全驱动所述逆变器的每个高侧功率开关；以及
第二自举电路，其被电耦接至所述第一自举电路，并且被配置成向所述第二驱动器电路提供浮动电源以完全驱动所述保护开关。
18.根据权利要求17所述的功率电子系统，
其中，所述第一自举电路包括：
针对所述逆变器的每个高侧功率开关的、跨所述第一驱动器电路的高侧浮动电源电压引脚而被电耦接的第一自举电容器，以及
针对所述逆变器的每个高侧功率开关的、被配置成从所述第一驱动器电路的低侧控制电源对所述第一自举电容器充电的第一自举二极管；
其中，所述第二自举电路包括：
跨所述第二驱动器电路的浮动电源电压引脚而被电耦接的第二自举电容器，以及
针对所述逆变器的每个高侧功率开关的、被配置成从所述第一自举电容器对所述第二自举电容器充电的第二自举二极管。
19.根据权利要求16所述的功率电子系统，还包括：
控制器，其被配置成控制所述第一驱动器电路和所述第二驱动器电路两者。
20.根据权利要求19所述的功率电子系统，其中，所述第一驱动器电路和所述第二驱动器电路共享用于指示故障是否已经发生的故障信号输出，所述故障信号输出被提供给所述控制器。
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