專利名稱：使用半導(dǎo)體裝置使母線電壓放電的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
在此描述的本發(fā)明的實(shí)施例總的涉及電壓放電電路，且更具體地，本發(fā)明的實(shí)施
例涉及適用于使電動(dòng)和混合動(dòng)力車輛中的高電壓母線電容放電的放電電路。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，技術(shù)進(jìn)步以及日益演進(jìn)的風(fēng)格品味已經(jīng)導(dǎo)致汽車設(shè)計(jì)的重大變化。其中 一個(gè)變化涉及汽車尤其是諸如混合動(dòng)力、電動(dòng)和燃料電池車輛的替代燃料車輛內(nèi)各種電氣 系統(tǒng)的功率使用和復(fù)雜性。 在大多數(shù)混合動(dòng)力車輛中，例如電容器的能量存儲(chǔ)裝置通常用于在初級(jí)能量源不 能足夠迅速地供應(yīng)所需功率的操作周期期間通過(guò)捕獲動(dòng)力系統(tǒng)內(nèi)的能量或供應(yīng)額外的能 量來(lái)改善效率。例如，通過(guò)將動(dòng)能變換為電能并將電能存儲(chǔ)在電容器組中，再生制動(dòng)可用于 捕獲能量從而用于隨后的使用。為了適應(yīng)汽車內(nèi)的高電壓操作，電容器組或超級(jí)電容器通 常被使用，因?yàn)樗鼈兙哂醒杆俅鎯?chǔ)能量的能力并且可以以比其他能量源更高的速率放電。 然而，在從電路斷電或汽車關(guān)閉后，電容器可保留有電荷。因此，在關(guān)閉車輛之后或在接近 容納電容器的裝備之前，應(yīng)該正確地使高電壓電容器放電。 使電容器放電通常通過(guò)跨接電容器或母線端子并聯(lián)放置放電或泄放電阻器來(lái)實(shí) 現(xiàn)。除了需要額外的部件外，這些設(shè)計(jì)還需要具有處理高平均功耗的能力的放電電阻器。這 些電阻器通常占據(jù)較大的表面面積并通常需要額外的電氣配線、連接器和散熱器，從而防 止放電電阻器形成在電路板上。除了所增加的空間需要外，在大多數(shù)正常操作模式期間并 不使用這些放電電路。

發(fā)明內(nèi)容
提供一種用于第一電壓軌和第二電壓軌的放電系統(tǒng)的設(shè)備。電勢(shì)存在在第一電壓 軌和第二電壓軌之間。放電系統(tǒng)包括耦接到第一電壓軌的第一半導(dǎo)體裝置和耦接在第一半 導(dǎo)體裝置和第二電壓軌之間的第二半導(dǎo)體裝置?？刂齐娐否罱拥降谝话雽?dǎo)體裝置和所述第 二半導(dǎo)體裝置?？刂齐娐窐?gòu)造成響應(yīng)于放電條件啟動(dòng)第一半導(dǎo)體裝置，并且響應(yīng)于該放電 條件逐漸啟動(dòng)第二半導(dǎo)體裝置，使得電勢(shì)通過(guò)半導(dǎo)體裝置逐漸消耗。 在另一實(shí)施例中，提供一種用于使用在車輛中的電氣系統(tǒng)的設(shè)備。該電氣系統(tǒng)包 括在第一電壓軌和第二電壓軌之間的電容。電氣系統(tǒng)還包括具有相腳的逆變器模塊，所述 相腳包括耦接到第一電壓軌的第一晶體管和耦接在第一晶體管和第二電壓軌之間的第二 晶體管?？刂齐娐否罱拥侥孀兤髂K?？刂齐娐窐?gòu)造成將恒電壓應(yīng)用到第一晶體管的柵極 端子，所述恒電壓比第一晶體管的閾值電壓大?？刂齐娐愤€構(gòu)造成將控制電壓應(yīng)用到第二 晶體管的柵極端子?？刂齐妷撼跏嫉乇鹊诙w管的閾值電壓小，以及控制電路構(gòu)造成將 控制電壓逐漸增大到比所述閾值電壓大的電壓，使得逐漸啟動(dòng)第二晶體管并且通過(guò)所述晶 體管逐漸消耗由電容所存儲(chǔ)的能量。 提供一種用于使用耦接在第一電壓軌與第二電壓軌之間的逆變器相腳而使第一電壓軌與第二電壓軌之間的電勢(shì)放電的方法。逆變器相腳受柵極驅(qū)動(dòng)電路控制。所述方法 包括檢測(cè)放電條件以及響應(yīng)于所述放電條件將控制逆變器相腳的柵極驅(qū)動(dòng)電路設(shè)定到放 電模式，其中，所述電勢(shì)通過(guò)逆變器相腳逐漸消耗。 本發(fā)明內(nèi)容提供用于以簡(jiǎn)化形式介紹構(gòu)思的選擇，這些構(gòu)思在下面的詳細(xì)說(shuō)明中 將進(jìn)一步描述。本發(fā)明內(nèi)容不旨在辨識(shí)所要求保護(hù)主題的主要特征或必要特征，也不旨在 用作確定所要求保護(hù)主題的范圍的幫助。


通過(guò)參考詳細(xì)說(shuō)明和權(quán)利要求書并結(jié)合附圖可對(duì)本發(fā)明有更全面的理解，其中， 貫穿整個(gè)附圖，相似的參考標(biāo)號(hào)表示相似的元件。
圖1是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的適于在車輛中使用的示范性電氣系統(tǒng)的框圖；
圖2是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的放電系統(tǒng)的框圖； 圖3是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的適用于控制圖2的放電系統(tǒng)中的半導(dǎo)體裝置的示范性控 制電壓對(duì)時(shí)間的曲線圖； 圖4是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的適用于控制圖2的放電系統(tǒng)中的半導(dǎo)體裝置的示范性控 制電壓對(duì)時(shí)間的曲線圖；以及 圖5是與示范性實(shí)施例中的高電壓母線放電相關(guān)聯(lián)的母線電壓對(duì)時(shí)間的曲線圖。
具體實(shí)施例方式
下面的詳細(xì)說(shuō)明本質(zhì)上僅是說(shuō)明性的，并且不旨在限制本發(fā)明的實(shí)施例或這些實(shí) 施例的應(yīng)用和使用。雖然在此在車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的情形下討論本發(fā)明的實(shí)施例，但是本發(fā)明 可用于其他應(yīng)用中的替代實(shí)施方式。如在此使用的，詞語(yǔ)"示范性"意指"用作例子、舉例或 示例"。作為示范而在此描述的任何實(shí)施方式不必解釋為優(yōu)選的或優(yōu)于其他實(shí)施方式。此 外，本發(fā)明不旨在受到在前述技術(shù)領(lǐng)域、背景技術(shù)、發(fā)明內(nèi)容或下面的詳細(xì)說(shuō)明中所提出的 任何明示或默示理論的限制。 如在此使用的，"節(jié)點(diǎn)"意指任何內(nèi)部的或外部的參考點(diǎn)、連接點(diǎn)、結(jié)點(diǎn)、信號(hào)線、傳 導(dǎo)元件或類似物，在該節(jié)點(diǎn)處存在給定信號(hào)、邏輯電平、電壓、數(shù)據(jù)模式、電流或數(shù)量。此外， 可以通過(guò)一個(gè)物理元件實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或更多個(gè)節(jié)點(diǎn)(以及即使在共用模式下接收或輸出，兩個(gè) 或更多個(gè)信號(hào)也可多路復(fù)用、調(diào)制或以其他方式區(qū)別開)。 下面的描述指"耦接"在一起的元件或節(jié)點(diǎn)或零件。如在此所使用的，除非有相反 的明示陳述，"耦接"意指一個(gè)元件/節(jié)點(diǎn)/零件直接或間接地聯(lián)結(jié)到另一個(gè)元件/節(jié)點(diǎn)/ 零件(或直接或間接地與另一個(gè)元件/節(jié)點(diǎn)/零件通信)，并且不必是機(jī)械地聯(lián)結(jié)。因此， 雖然所示的示意圖描述元件的一個(gè)示范性布置，但是，額外的介入元件、裝置、零件或部件 可以出現(xiàn)在所描述的本發(fā)明的實(shí)施例中。此外，僅為了參考目的，某些術(shù)語(yǔ)也可使用在下面 的描述中，并且因此不意在限制。例如，涉及結(jié)構(gòu)的術(shù)語(yǔ)例如"第一"、"第二"和其他這類數(shù) 字術(shù)語(yǔ)并不意味著順序或次序，除非通過(guò)上下文清楚地表示。 簡(jiǎn)潔起見，與系統(tǒng)(和系統(tǒng)的各個(gè)操作部件)的信號(hào)處理、基于晶體管的開關(guān)控制 和其他功能方面有關(guān)的常規(guī)技術(shù)在此不再詳細(xì)描述。此外，在此包含的各種圖形中示出的 連接線意在表示各種元件之間的示范性功能關(guān)系和/或物理耦接。應(yīng)當(dāng)明白，很多替代或額外的功能關(guān)系或物理連接可出現(xiàn)在本發(fā)明的實(shí)施例中。 在此描述的技術(shù)和/或構(gòu)思總體涉及用于使在諸如電動(dòng)和混合動(dòng)力車輛驅(qū)動(dòng)系 統(tǒng)的電路、結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)中存在的高電壓放電的系統(tǒng)和方法。自動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的各種功能和特 征是公知的，因此簡(jiǎn)潔起見，許多常規(guī)方面在此僅簡(jiǎn)要地描述或完全省略而不提供公知的 細(xì)節(jié)。 圖1示出根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的適于在車輛中使用的電氣系統(tǒng)100。電氣系統(tǒng)100包 括、但不限于能量源102、逆變器模塊104、馬達(dá)106和控制器108。在控制器108的控制下， 逆變器模塊104給馬達(dá)106提供來(lái)自能量源102的交流電。在示范性實(shí)施例中，如將理解 到的，至少一個(gè)電容器110設(shè)置在能量源102與逆變器模塊104之間而用于捕獲電氣系統(tǒng) 100內(nèi)的能量。應(yīng)當(dāng)理解，圖1是電氣系統(tǒng)100的簡(jiǎn)化表示，而且圖1不旨在限制在此所述 的本發(fā)明。 在示范性實(shí)施例中，能量源102經(jīng)高電壓母線112耦接到逆變器模塊104和電容 器IIO。高電壓母線112可實(shí)現(xiàn)為一對(duì)導(dǎo)電元件，例如電線、電纜或匯流條。母線112的第 一導(dǎo)電元件對(duì)應(yīng)正參考電壓而第二導(dǎo)電元件對(duì)應(yīng)負(fù)參考電壓，其中正參考電壓與負(fù)參考電 壓之間的差被認(rèn)為是母線112的電壓。在各種實(shí)施例中，在電氣系統(tǒng)100的正常操作期間， 高電壓母線112具有范圍從300伏到500伏或更高的電壓。雖然在圖1中未示例出，但在 實(shí)際中，如在本領(lǐng)域中將理解的，在能量源102與高電壓母線112之間可耦接開關(guān)，繼而可 斷開開關(guān)以使能量源102去耦并且使得存儲(chǔ)在電容器110中和/或電氣系統(tǒng)100內(nèi)的高電 壓放電。 取決于實(shí)施例，能量源102可實(shí)現(xiàn)為蓄電池或蓄電池組、燃料電池或燃料電池組、 一個(gè)或多個(gè)電容器(例如超級(jí)電容器或電容器組)或其他合適的電壓源。雖然圖l描述了 單個(gè)能量源102，但在實(shí)際中，可以出現(xiàn)多個(gè)能量源。馬達(dá)106可實(shí)現(xiàn)為電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、牽 引馬達(dá)或本領(lǐng)域公知的其他合適馬達(dá)。馬達(dá)106可以是感應(yīng)馬達(dá)、永磁馬達(dá)或適于所希望 應(yīng)用的其他類型的馬達(dá)。 在示范性實(shí)施例中，逆變器模塊104包括至少一個(gè)相腳。如在下面圖2的情形下詳 細(xì)描述的，逆變器相腳包括一對(duì)開關(guān)和在開關(guān)與二極管組之間的輸出節(jié)點(diǎn)，每個(gè)開關(guān)具有 與開關(guān)關(guān)聯(lián)的續(xù)流二極管。應(yīng)當(dāng)理解，雖然在此在單個(gè)相腳的情形下描述逆變器模塊104， 但是在實(shí)際中，逆變器模塊104可包括任意數(shù)目的相腳。在示范性實(shí)施例中，逆變器相腳的 輸出節(jié)點(diǎn)耦接到馬達(dá)106的相，其中，如本領(lǐng)域通常所理解的，逆變器104構(gòu)造成將來(lái)自高 電壓母線112的直流電壓(例如，由能量源102提供的直流電壓)變換為為馬達(dá)106供應(yīng) 電的交流電壓。 在示范性實(shí)施例中，控制器108可操作地通信和/或電氣地耦接到逆變器104?？?制器108響應(yīng)于接收自車輛駕駛員或操作者的指令(例如，經(jīng)加速踏板)或者可替換地接 收自車輛內(nèi)的電子控制系統(tǒng)(未示出)的指令。如本領(lǐng)域中所理解的，控制器108將指令 提供給逆變器104以通過(guò)應(yīng)用開關(guān)的高頻脈沖寬度調(diào)制(P麗)控制逆變器相腳的輸出節(jié)點(diǎn) 處的輸出。取決于實(shí)施例，控制器108可實(shí)現(xiàn)為硬件、軟件、固件或其各種組合。
現(xiàn)在參考圖2，在示范性實(shí)施例中，適于在電氣系統(tǒng)100中使用的放電系統(tǒng)200包 括、但不限于具有一對(duì)電壓軌202、204的高電壓母線(例如，母線112)、逆變器相腳206和 控制電路208。例如至少一個(gè)電容元件210的電容可與逆變器相腳206并聯(lián)地電耦接在電壓軌202、204之間，使得在電壓軌202、204之間存在所存儲(chǔ)的電勢(shì)Vc。在示范性實(shí)施例中， 如下面更詳細(xì)地描述的，控制電路208構(gòu)造成響應(yīng)于放電條件使用逆變器相腳206使所存 儲(chǔ)的電勢(shì)放電。 在示范性實(shí)施例中，逆變器相腳206包括耦接在電壓軌202、204之間的一對(duì)半導(dǎo) 體裝置212、216和一對(duì)二極管214、218，并使得輸出節(jié)點(diǎn)220位于半導(dǎo)體裝置212、216之 間。第一半導(dǎo)體裝置212耦接到第一電壓軌202和輸出節(jié)點(diǎn)220。第一續(xù)流二極管214耦 接在第一電壓軌202和輸出節(jié)點(diǎn)220之間。在示范性實(shí)施例中，第一半導(dǎo)體裝置212與二 極管214反向并聯(lián)，意指它們電氣地并聯(lián)而具有反向的或逆向的極性。如本領(lǐng)域中將理解 的，反向并聯(lián)構(gòu)造允許雙向電流流動(dòng)而單向地阻止電壓。在這種構(gòu)造中，通過(guò)第一半導(dǎo)體 裝置212的電流方向與通過(guò)續(xù)流二極管214的容許電流的方向相反。第二半導(dǎo)體裝置216 耦接在輸出節(jié)點(diǎn)220(例如，第二半導(dǎo)體裝置216可耦接到第一半導(dǎo)體裝置212)和第二電 壓軌204之間。第二續(xù)流二極管218耦接在輸出節(jié)點(diǎn)220和第二電壓軌204之間，使得第 二半導(dǎo)體裝置216和續(xù)流二極管218反向并聯(lián)。在實(shí)際中，如本領(lǐng)域中將理解的，輸出節(jié)點(diǎn) 220可耦接到馬達(dá)(例如，馬達(dá)106)的繞組以利用逆變器相腳206驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的相。還應(yīng)當(dāng) 理解，雖然圖2描述了單個(gè)逆變器相腳206，但在實(shí)際中，可出現(xiàn)多個(gè)逆變器相腳。
在示范性實(shí)施例中，半導(dǎo)體裝置212、216實(shí)現(xiàn)為晶體管。優(yōu)選地，半導(dǎo)體裝置212、 216實(shí)現(xiàn)為絕緣柵雙極晶體管(I GBT)，但是在某些實(shí)施例中，半導(dǎo)體裝置212、216可實(shí)現(xiàn) 為場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)。圖2示出半導(dǎo)體裝置212、216和用于N溝道晶體管半導(dǎo)體裝置 212、216的二極管214、218的示范性構(gòu)造。清晰和解釋方便起見，在此將根據(jù)N溝道構(gòu)造描 述本發(fā)明，然而，在本領(lǐng)域中將理解，可以使用P溝道裝置以相似方式實(shí)施本發(fā)明。
在示范性實(shí)施例中，第一半導(dǎo)體裝置212是具有第一柵極端子222和相關(guān)聯(lián)的閾 值電壓vTH1的晶體管。當(dāng)應(yīng)用到第一柵極端子222的電壓超過(guò)閾值電壓vTH1時(shí)，第一半導(dǎo)體 裝置212允許電流流動(dòng)(S卩，開啟第一半導(dǎo)體裝置212)。類似地，第二半導(dǎo)體裝置216具有 第二柵極端子224和相關(guān)聯(lián)的閾值電壓v皿，其中當(dāng)應(yīng)用到第二柵極端子224的電壓超過(guò)閾 值電壓vTH2時(shí)，第二半導(dǎo)體裝置216允許電流流動(dòng)。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，半導(dǎo)體裝置212、216 是相同的晶體管裝置(例如，同一廠家和型號(hào))使得vTH1和vTH2大致相等。
在示范性實(shí)施例中，控制電路208包括耦接到相應(yīng)半導(dǎo)體裝置212、216的柵極端 子222、224的柵極驅(qū)動(dòng)電路226。如將理解的，控制電路208構(gòu)造成使用高頻脈沖寬度調(diào)制 (P麗)以交替啟動(dòng)(即，開啟)半導(dǎo)體裝置212、216從而在輸出節(jié)點(diǎn)220處產(chǎn)生交流電壓。 在這一點(diǎn)，柵極驅(qū)動(dòng)電路226可包括可選擇地且可控地耦接到相應(yīng)半導(dǎo)體裝置212、216的 柵極端子222、224的正常柵極驅(qū)動(dòng)電路228、230。雖然未示例出，但是，如本領(lǐng)域中將理解 的，正常柵極驅(qū)動(dòng)電路228、230可構(gòu)造成在其他裝置(例如，控制器108)的控制下應(yīng)用高 頻P麗。在示范性實(shí)施例中，正常柵極驅(qū)動(dòng)電路228、230經(jīng)轉(zhuǎn)換開關(guān)232、234耦接到柵極端 子222、224。在這種構(gòu)造中，當(dāng)轉(zhuǎn)換開關(guān)232、234處于使得正常柵極驅(qū)動(dòng)電路228、230耦接 到半導(dǎo)體裝置212、216的狀態(tài)時(shí)，柵極驅(qū)動(dòng)電路226可理解為處于正常操作模式中。
在示范性實(shí)施例中，控制電路208包括耦接到轉(zhuǎn)換開關(guān)232、234的控制器236。控 制器236構(gòu)造成檢測(cè)放電條件并響應(yīng)于該放電條件將柵極驅(qū)動(dòng)電路226設(shè)定為放電模式。 如在此使用的，放電條件應(yīng)當(dāng)理解為希望使可存儲(chǔ)在電氣系統(tǒng)內(nèi)的電壓(例如，Vc)放電以 防止遭受靜電放電或其他負(fù)作用的情形。例如，放電條件可以是接近含有高電壓部件的單元或室的企圖、車輛碰撞或事故、或者關(guān)掉容納有電氣系統(tǒng)的車輛。雖然未示例出，但是，控制器236可構(gòu)造成使用一個(gè)或多個(gè)傳感器檢測(cè)放電條件或者接收來(lái)自其他車輛模塊(例如電子控制單元)的表示放電條件的輸入信號(hào)。如下所述，在放電模式下，柵極驅(qū)動(dòng)電路226構(gòu)造成使用逆變器相腳206在特定的時(shí)期內(nèi)，在不損害半導(dǎo)體裝置212、216的情況下，將電壓軌202、204之間的電勢(shì)(即，Vc)逐漸消耗到安全水平。 在示范性實(shí)施例中，柵極驅(qū)動(dòng)電路226包括耦接到轉(zhuǎn)換開關(guān)232、234的放電柵極驅(qū)動(dòng)電路238、240?？刂破?36可構(gòu)造成通過(guò)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)232、234 (或改變轉(zhuǎn)換開關(guān)232、234的狀態(tài))將柵極驅(qū)動(dòng)電路226設(shè)定到放電模式以將放電柵極驅(qū)動(dòng)電路238、240耦接到相應(yīng)半導(dǎo)體裝置212、216的柵極端子222、224。在這種構(gòu)造中，當(dāng)轉(zhuǎn)換開關(guān)232、234處于使得放電柵極驅(qū)動(dòng)電路238、240耦接到半導(dǎo)體裝置212、216的狀態(tài)時(shí)，柵極驅(qū)動(dòng)電路226可理解為處于放電模式中。在示范性實(shí)施例中，第一放電柵極驅(qū)動(dòng)電路238構(gòu)造成啟動(dòng)第一半導(dǎo)體裝置212以及第二放電柵極驅(qū)動(dòng)電路240構(gòu)造成逐漸啟動(dòng)第二半導(dǎo)體裝置216，使得電壓軌202、204之間的電勢(shì)通過(guò)半導(dǎo)體裝置212、216被逐漸消耗。在替代和等價(jià)實(shí)施例中，第二放電柵極驅(qū)動(dòng)電路240可構(gòu)造成啟動(dòng)第二半導(dǎo)體裝置216以及第一放電柵極驅(qū)動(dòng)電路238構(gòu)造成逐漸啟動(dòng)第一半導(dǎo)體裝置212，使得電壓軌202、204之間的電勢(shì)通過(guò)半導(dǎo)體裝置212、216被逐漸消耗。 現(xiàn)在參考圖3、4和圖5，并繼續(xù)參考圖2，在示范性實(shí)施例中，控制器236構(gòu)造成響應(yīng)于在時(shí)刻t。處檢測(cè)到放電條件啟動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)232、234。第一放電柵極驅(qū)動(dòng)電路238構(gòu)造成將恒電壓應(yīng)用到第一半導(dǎo)體裝置212的柵極端子222，如圖3所示。對(duì)于半導(dǎo)體裝置212來(lái)說(shuō)，恒電壓比閾值電壓vTH1大，以使得半導(dǎo)體裝置能夠傳導(dǎo)電流(即，開啟)。優(yōu)選地，恒電壓僅稍微大于閾值電壓vTH1，以使得第一半導(dǎo)體裝置212操作在欠飽和(sub-saturation)模式下，該欠飽和模式可替代地稱為線性或歐姆模式。在該欠飽和模式下，在較大的柵極電壓時(shí)，第一半導(dǎo)體裝置212具有比其在飽和模式下將具有的電阻大的電阻。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，恒電壓超出閾值電壓的量大約為閾值電壓的2.5%-5%的范圍。例如，對(duì)于4伏的閾值電壓，恒電壓可以高于閾值0. 1到0. 2伏。隨著柵極電壓增大，半導(dǎo)體裝置212放出更多能量并且溫度增加，如本領(lǐng)域中將理解的。因此，恒電壓應(yīng)當(dāng)調(diào)節(jié)成滿足期望的放電時(shí)間，同時(shí)將半導(dǎo)體裝置212的溫度保持低至足以防止故障。 如圖4所示，在示范性實(shí)施例中，第二放電柵極驅(qū)動(dòng)電路240構(gòu)造成將控制電壓應(yīng)用到第二半導(dǎo)體裝置216的柵極端子224。在時(shí)刻t。處，控制電壓初始地比第二半導(dǎo)體裝置216的閾值電壓v，小，以使得第二半導(dǎo)體裝置216未被啟動(dòng)(g卩，其處于關(guān)斷)。第二放電柵極驅(qū)動(dòng)電路240構(gòu)造成逐漸增大控制電壓，以使得逐漸啟動(dòng)第二半導(dǎo)體裝置216并且通過(guò)半導(dǎo)體裝置212、216逐漸消耗所存儲(chǔ)的能量。在這一點(diǎn)上，第二放電柵極驅(qū)動(dòng)電路240將控制電壓在不遲于時(shí)刻t2逐漸增大到比閾值電壓vTH2大的電壓。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，在時(shí)刻t2之后第二放電柵極驅(qū)動(dòng)電路240維持恒控制電壓。如在此使用的，"逐漸啟動(dòng)"意指以漸增方式增大控制電壓，使得隨柵極電壓增大以及半導(dǎo)體裝置接近飽和，逐漸啟動(dòng)的半導(dǎo)體裝置通過(guò)逐漸允許所增加量的電流從源級(jí)流動(dòng)到漏極而響應(yīng)。 在示范性實(shí)施例中，電容元件210可實(shí)現(xiàn)為電容器(或電容器組)或車輛中耦接到電壓軌202、204(例如，高電壓母線112)的其他電氣負(fù)載。電容元件210存儲(chǔ)和/或保持電勢(shì)或電壓V"甚至在未連接到能量源時(shí)也是如此。
如圖5所示，在時(shí)刻^處，當(dāng)?shù)诙艠O端子224上的控制電壓越過(guò)閾值電壓v皿時(shí)，兩個(gè)電壓軌202、204之間的電勢(shì)(即，存儲(chǔ)在電容元件210中的能量)通過(guò)開啟的兩個(gè)半導(dǎo)體裝置212、216開始消耗。在電容元件210包括電容器或其他電容性負(fù)載的情況下，兩個(gè)電壓軌202、204之間的電壓Vc指數(shù)衰減。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，在時(shí)刻^到t2，隨控制電壓增大，第二半導(dǎo)體裝置216的電阻下降，使得圖5中所示的電壓放電曲線類似于具有可變電阻的RC電路，如本領(lǐng)域中將理解的。在示范性實(shí)施例中，控制器236構(gòu)造成檢測(cè)放電條件何時(shí)不再存在，并且通過(guò)切換轉(zhuǎn)換開關(guān)232、234將柵極驅(qū)動(dòng)電路226切換回到正常操作模式。 回到圖4，在示范性實(shí)施例中，第二放電柵極驅(qū)動(dòng)電路240如圖4中所示線性地(例如，斜坡函數(shù))增大控制電壓?？商鎿Q地，第二放電柵極驅(qū)動(dòng)電路240可對(duì)數(shù)地、二次方程式地、指數(shù)地或以適于具體放電系統(tǒng)的其他方式增大控制電壓。優(yōu)選地，第二放電柵極驅(qū)動(dòng)電路240構(gòu)造成使得控制電壓平滑地越過(guò)閾值電壓以防止通過(guò)半導(dǎo)體裝置212、216的潛在破壞性的立即放電。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，時(shí)刻t。處的初始控制電壓從閾值vTH2減去容許值來(lái)確定，以確保放電系統(tǒng)200的可靠操作。容許值可基于與半導(dǎo)體裝置216關(guān)聯(lián)的各種容許量而定。例如，容許值可基于裝置的廠家數(shù)據(jù)表中提供的閾值電壓范圍數(shù)據(jù)、操作溫度偏差和可能影響裝置性能的其他環(huán)境因素。相似地，時(shí)刻t2處的最終控制電壓可通過(guò)將容許值加到閾值v皿來(lái)確定。 在示范性實(shí)施例，恒電壓和控制電壓的電壓水平連同從t。到t2的時(shí)間周期被調(diào)節(jié)使得在特定時(shí)期內(nèi)所存儲(chǔ)的電勢(shì)被充分地消耗到期望水平。例如，在汽車應(yīng)用中，電壓軌202、204之間的電壓可以在300到400伏之間或者可能更高。在示范性實(shí)施例中，放電系統(tǒng)200構(gòu)造成在3秒內(nèi)將300到400伏的電壓放電到大約40伏或更低的較低水平。此外，應(yīng)當(dāng)理解，應(yīng)用到第一半導(dǎo)體裝置212的柵極端子222的電壓不必是恒定的，而且事實(shí)上，在一個(gè)或多個(gè)可替代實(shí)施例中，對(duì)于半導(dǎo)體裝置212、216兩者來(lái)說(shuō)可以使用相同的放電柵極函數(shù)。 雖然未示例出，但是控制電路208可包括額外的電路或功能以在故障情形期間保護(hù)放電系統(tǒng)200。例如，如果能量源連接成跨接電壓軌202、204，那么控制電路208可能夠檢測(cè)到故障從而放電并將零(或負(fù))電壓應(yīng)用到柵極端子222、224以防止半導(dǎo)體裝置212、216過(guò)熱。控制電路208可構(gòu)造成在試圖恢復(fù)高電壓母線放電之前等待一段時(shí)間。
根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，控制器236構(gòu)造成控制逆變器相腳206和/或柵極驅(qū)動(dòng)器226的正常操作，例如，通過(guò)提供信號(hào)以修正正常柵極驅(qū)動(dòng)電路228、230的P麗占空比，如本領(lǐng)域中理解的。在這點(diǎn)上，根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，控制器236可構(gòu)造成在不使用或不包括放電柵極電路238、240或轉(zhuǎn)換開關(guān)232、234的情況下使電壓軌202、204放電。例如，響應(yīng)于檢測(cè)到放電條件，控制器236可修正用于第一半導(dǎo)體裝置212的第一正常柵極驅(qū)動(dòng)電路228的占空比，使得第一半導(dǎo)體裝置212開啟(例如，通過(guò)應(yīng)用大至足以促使裝置操作在飽和模式下的恒電壓)。然后控制器236可修正第二正常柵極驅(qū)動(dòng)電路230的占空比，使得第二半導(dǎo)體裝置216在非常短的一段時(shí)間(例如，脈沖)重復(fù)地開啟。正常柵極驅(qū)動(dòng)電路230可在第二半導(dǎo)體裝置216的柵極端子224處重復(fù)地應(yīng)用具有有限持續(xù)時(shí)間的電壓脈沖，使得第二半導(dǎo)體裝置216不操作在飽和模式下。例如，正常柵極驅(qū)動(dòng)電路230可構(gòu)造成開啟或施加脈沖給第二半導(dǎo)體裝置216達(dá)大約500毫微秒到1微秒。因?yàn)闁艠O驅(qū)動(dòng)器226花費(fèi)有限量的時(shí)間達(dá)到裝置在飽和模式下操作所需的柵極電壓，所以如果放電脈沖的持續(xù)時(shí)間選擇為足夠短的時(shí)間周期，那么第二半導(dǎo)體裝置216操作在欠飽和模式(例如，在線性或歐姆區(qū)域)下使得第二半導(dǎo)體裝置216逐漸地消耗來(lái)自高電壓母線202、204的能量。
在本領(lǐng)域中將理解電壓脈沖的持續(xù)時(shí)間應(yīng)當(dāng)調(diào)節(jié)成在不損害半導(dǎo)體裝置216的情況下獲得期望的放電特性。然而，在某些實(shí)施例中，柵極驅(qū)動(dòng)器226可能已經(jīng)包括跨導(dǎo)或去飽和檢測(cè)電路，該電路在放電脈沖的寬度選擇得太大時(shí)可保護(hù)半導(dǎo)體裝置212、216。控制器236和/或正常柵極驅(qū)動(dòng)電路230可構(gòu)造成一旦母線202、204上的電壓充分放電到對(duì)于裝置212、216兩者來(lái)說(shuō)是安全的水平就開啟(例如，操作在飽和模型下)第二半導(dǎo)體裝置216以完成放電。 上述的系統(tǒng)和/或方法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是在不需要額外放電部件(例如放電電阻器或
繼電器)的情況下，放電系統(tǒng)允許高電壓母線放電。此外，放電系統(tǒng)可以以允許母線的快速
放電同時(shí)也使半導(dǎo)體裝置上的功率消耗或應(yīng)力最小化的方式來(lái)實(shí)施。額外地，上述的系統(tǒng)
和方法可使用在不同類型的汽車、不同交通工具(例如，船只和航空器)或總之其他電氣系
統(tǒng)中，因?yàn)樗鱿到y(tǒng)和方法可在高電壓母線需要可靠放電的任何情形下實(shí)施。 雖然在前面的詳細(xì)描述中已經(jīng)介紹了至少一個(gè)示范性實(shí)施例，但是應(yīng)當(dāng)理解存在
大量的變化。也應(yīng)當(dāng)理解在此描述的(一個(gè)或多個(gè))示范性實(shí)施例并不意在以任何方式限
制所要求保護(hù)的發(fā)明的范圍、適用性或構(gòu)造。相反，前面的詳細(xì)描述將為本領(lǐng)域技術(shù)人員提
供實(shí)施所描述的(一個(gè)或多個(gè))實(shí)施例的方便的路線圖。應(yīng)當(dāng)知道，在不偏離由權(quán)利要求
所限定的范圍(其包括在提交本發(fā)明申請(qǐng)時(shí)公知的等同范圍和可預(yù)見的等同范圍)的情況
下，在元件的功能和布置方面可以做出各種變化。
權(quán)利要求
一種用于第一電壓軌和第二電壓軌的放電系統(tǒng)，其中，電勢(shì)存在于所述第一電壓軌和所述第二電壓軌之間，所述放電系統(tǒng)包括耦接到所述第一電壓軌的第一半導(dǎo)體裝置；耦接在所述第一半導(dǎo)體裝置和所述第二電壓軌之間的第二半導(dǎo)體裝置；以及耦接到所述第一半導(dǎo)體裝置和所述第二半導(dǎo)體裝置的控制電路，所述控制電路構(gòu)造成響應(yīng)于放電條件啟動(dòng)所述第一半導(dǎo)體裝置；和響應(yīng)于所述放電條件逐漸啟動(dòng)所述第二半導(dǎo)體裝置，使得電勢(shì)通過(guò)所述第一半導(dǎo)體裝置和所述第二半導(dǎo)體裝置逐漸被消耗。
2. 如權(quán)利要求1所述的放電系統(tǒng)，其特征在于，所述控制電路包括耦接到所述第一半 導(dǎo)體裝置的柵極端子的第一柵極驅(qū)動(dòng)器，所述第一柵極驅(qū)動(dòng)器構(gòu)造成將恒電壓應(yīng)用到所述 柵極端子，其中，所述恒電壓比所述第一半導(dǎo)體裝置的閾值電壓大。
3. 如權(quán)利要求2所述的放電系統(tǒng)，其特征在于，所述控制電路包括 耦接到所述第一半導(dǎo)體裝置的第一轉(zhuǎn)換開關(guān)；以及耦接到所述第一轉(zhuǎn)換開關(guān)的控制器，所述控制器構(gòu)造成響應(yīng)于所述放電條件通過(guò)促動(dòng) 所述第一轉(zhuǎn)換開關(guān)來(lái)啟動(dòng)所述第一半導(dǎo)體裝置。
4. 如權(quán)利要求2所述的放電系統(tǒng)，其特征在于，所述恒電壓比所述第一半導(dǎo)體裝置的 飽和電壓小。
5. 如權(quán)利要求1所述的放電系統(tǒng)，其特征在于，所述控制電路包括耦接到所述第二半 導(dǎo)體裝置的柵極端子的第二柵極驅(qū)動(dòng)器，所述第二柵極驅(qū)動(dòng)器構(gòu)造成將控制電壓應(yīng)用到所 述柵極端子，其中，所述第二柵極驅(qū)動(dòng)器逐漸地改變?cè)诘谝浑妷汉偷诙妷褐g的控制電 壓，所述第一電壓比所述第二半導(dǎo)體裝置的閾值電壓小，以及所述第二電壓比閾值電壓大。
6. 如權(quán)利要求5所述的放電系統(tǒng)，其特征在于，所述控制電路包括 耦接到所述第二半導(dǎo)體裝置的第二轉(zhuǎn)換開關(guān)；以及耦接到所述第二轉(zhuǎn)換開關(guān)的控制器，所述控制器構(gòu)造成響應(yīng)于所述放電條件通過(guò)促動(dòng) 所述第二轉(zhuǎn)換開關(guān)來(lái)啟動(dòng)所述第二半導(dǎo)體裝置。
7. 如權(quán)利要求5所述的放電系統(tǒng)，其特征在于，所述第二柵極驅(qū)動(dòng)器構(gòu)造成將所述控 制電壓從所述第一 電壓線性地改變到所述第二電壓。
8. 如權(quán)利要求7所述的放電系統(tǒng)，其特征在于，所述第二柵極驅(qū)動(dòng)器在小于3秒的時(shí)間段上改變所述控制電壓。
9. 如權(quán)利要求5所述的放電系統(tǒng)，其特征在于，所述第二電壓小于所述第二半導(dǎo)體裝 置的飽和電壓。
10. 如權(quán)利要求1所述的放電系統(tǒng)，其特征在于，所述第一半導(dǎo)體裝置和所述第二半導(dǎo) 體裝置包括逆變器相腳。
11. 如權(quán)利要求1所述的放電系統(tǒng)，其特征在于，還包括耦接在所述第一電壓軌和所述 第二電壓軌之間的電容器，其中，所述電勢(shì)存儲(chǔ)在所述電容器中。
12. —種用于使用在車輛中的電氣系統(tǒng)，所述電氣系統(tǒng)包括 在第一電壓軌和第二電壓軌之間的電容，所述電容具有存儲(chǔ)的能量； 逆變器模塊，所述逆變器模塊具有相腳，其中所述相腳包括耦接到所述第一電壓軌的第一晶體管，所述第一晶體管具有第一柵極端子和第一閾值 電壓；以及耦接在所述第一晶體管和所述第二電壓軌之間的第二晶體管，所述第二晶體管具有第 二柵極端子和第二閾值電壓；以及耦接到所述逆變器模塊的控制電路，所述控制電路構(gòu)造成將恒電壓應(yīng)用到所述第一柵極端子，所述恒電壓比所述第一閾值電壓大；將控制電壓應(yīng)用到所述第二柵極端子，所述控制電壓初始地比所述第二閾值電壓??；以及將所述控制電壓逐漸增大到比所述第二閾值電壓大的電壓，使得逐漸啟動(dòng)所述第二晶 體管并且通過(guò)所述第一晶體管和所述第二晶體管逐漸消耗所存儲(chǔ)的能量。
13. 如權(quán)利要求12所述的電氣系統(tǒng)，其特征在于，所述控制電路構(gòu)造成線性地增大所 述控制電壓。
14. 如權(quán)利要求13所述的電氣系統(tǒng)，其特征在于，所述控制電路構(gòu)造成在小于3秒的時(shí) 間段上線性地增大所述控制電壓。
15. 如權(quán)利要求12所述的電氣系統(tǒng)，其特征在于，所述恒電壓比所述第一晶體管的飽 和電壓小。
16. —種用于使用耦接在第一電壓軌與第二電壓軌之間的逆變器相腳而使所述第一電 壓軌與所述第二電壓軌之間的電勢(shì)放電的方法，所述逆變器相腳受柵極驅(qū)動(dòng)電路控制，所 述方法包括檢測(cè)放電條件；以及響應(yīng)于檢測(cè)到所述放電條件將所述柵極驅(qū)動(dòng)電路設(shè)定到放電模式，其中，所述電勢(shì)通 過(guò)所述逆變器相腳逐漸消耗。
17. 如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，將所述柵極驅(qū)動(dòng)電路設(shè)定到所述放電模 式包括從所述逆變器相腳的正常操作模式切換到所述放電模式。
18. 如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，所述逆變器相腳包括耦接到所述第一電 壓軌的第一晶體管和耦接在所述第一晶體管和所述第二電壓軌之間的第二晶體管；其中， 將所述柵極驅(qū)動(dòng)電路設(shè)定到所述放電模式包括將第一電壓應(yīng)用到所述第一晶體管的柵極端子，所述第一電壓比所述第一晶體管的閾 值電壓??；以及將所述柵極端子處的電壓逐漸增大到第二電壓，所述第二電壓至少等于所述第一晶體 管的所述閾值電壓。
19. 如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于逐漸增大所述柵極端子處的電壓包括在一個(gè)時(shí)間段上將電壓從所述第一電壓線性地 增大到所述第二電壓；以及將所述柵極驅(qū)動(dòng)電路設(shè)定到所述放電模式包括將恒電壓應(yīng)用到所述第二晶體管的柵 極端子，所述恒電壓比所述第二晶體管的閾值電壓大。
20. 如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，所述逆變器相腳包括耦接到所述第一電 壓軌的第一晶體管和耦接在所述第一晶體管和所述第二電壓軌之間的第二晶體管；其中， 將所述柵極驅(qū)動(dòng)電路設(shè)定到所述放電模式包括將第一電壓應(yīng)用到所述第一晶體管的柵極端子，所述第一電壓比所述第一晶體管的閾 值電壓大；以及在所述第二晶體管的柵極端子處應(yīng)用電壓脈沖，所述電壓脈沖具有使得所述第二晶體 管不操作在飽和模式下以及所述電勢(shì)通過(guò)所述逆變器相腳逐漸消耗的持續(xù)時(shí)間。
全文摘要
提供用于使用半導(dǎo)體裝置使高電壓母線放電的系統(tǒng)和方法。一種用于第一電壓軌和第二電壓軌的放電系統(tǒng)包括耦接到第一電壓軌的第一半導(dǎo)體裝置和耦接在第一半導(dǎo)體裝置和第二電壓軌之間的第二半導(dǎo)體裝置。控制電路耦接到第一半導(dǎo)體裝置和所述第二半導(dǎo)體裝置。響應(yīng)于放電條件，控制電路構(gòu)造成啟動(dòng)第一半導(dǎo)體裝置和逐漸啟動(dòng)第二半導(dǎo)體裝置，使得第一電壓軌和第二電壓軌之間的電勢(shì)通過(guò)半導(dǎo)體裝置逐漸消耗。
文檔編號(hào)B60R16/02GK101728821SQ20091020729
公開日2010年6月9日 申請(qǐng)日期2009年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月23日
發(fā)明者C·P·亨策, G·R·伍迪, K·陳, S·賴澤 申請(qǐng)人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作公司