[发明专利]具有屏蔽涡旋电流的栅极线圈的逆变器开关用的功率模块

说明书

一种用于电动车辆驱动装置的逆变器，具有使用封装在主动冷却的功率模块中的功率晶体管的桥式配置。承载驱动晶体管的栅极信号的功率模块中的控制电极包括感应线圈以增加共源极电感而减少功率损失。每个逆变器功率模块包括具有限定功率回路的输出电极的一对晶体管芯片。具有感应线圈的承载相应的栅极信号的控制电极布置为与功率回路磁耦合。为了主动冷却，导热板位于芯片下方。磁阻器设置在导热板处。局部涡旋电流防止器设置在导热板上，对准感应线圈，以避免另外可能减少感应线圈与功率回路耦合的涡旋电流。

技术领域

本发明大体涉及逆变桥中的功率开关器件，并且更具体地，涉及使用具有增加共源极电感的结构的分立的功率开关电路的电动车辆的逆变器驱动系统。

背景技术

诸如混合动力电动车辆(hybrid electric vehicle，HEV)、插电式混合动力电动车辆(plug-in hybrid electric vehicle，PHEV)、和电池电动车辆(battery electricvehicle，BEV)的电动车辆使用逆变器驱动的电机来提供牵引力矩。典型的电驱动系统可以包括直流(direct-current，DC)电源(诸如电池组或燃料电池)，DC电源通过接触器开关连接到可变电压转换器(variable voltage converter，VVC)以调节主DC链路电容器两端的主母线电压。逆变器连接在主母线和牵引马达之间，以便将DC母线功率转换成连接到马达绕组的交流(alternating current，AC)电压以推动车辆。

逆变器包括与多个相脚以桥式配置连接的晶体管开关器件(例如绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor)，IGBT)。典型的配置包括由具有三个相脚的逆变器驱动的三相马达。电子控制器打开和关闭开关，以便于将来自母线的DC电压转换为对马达施加的AC电压。逆变器可以脉冲宽度调制DC链路电压，以便于传输近似的正弦电流输出，以所需的速度和扭矩来驱动马达。施加到IGBT栅极的脉冲宽度调制(Pulse WidthModulation，PWM)控制信号在必要时将IGBT打开和关闭，使得得到的电流符合所需的电流。

诸如IGBT或金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal Oxide SemiconductorField Effect Transistor，MOSFET)的半导体开关器件通过由驱动器电路提供的栅极信号在栅极端子处被驱动。对于IGBT，栅极信号施加在器件的栅极端子和发射极端子之间。在导通状态下，输出信号通过集电极端子和发射极端子之间的器件传导。器件电流在栅极回路和功率回路中流动。

共源极电感是指功率回路和栅极回路之间的电感耦合。共源极电感的输出(功率回路)部分中的电流以增强(例如加速)开关性能的方式改变栅极电压。如在序列号15/341,184、题为“Inverter Switching Devices with Common Source Inductance Layout toAvoid Shoot-Through(具有避免直通的共源极电感布局的逆变器开关器件)”、申请于2016年11月2日的同为待审的美国申请(并且该申请因此通过引用并入本文)中所公开的，由于在开关转换期间消耗(即丢失)的能量减少，因此可能需要减少的开关时间。栅极回路电感和/或功率回路电感的大小以及二者之间的相互耦合程度可以通过选择适当的布局和/或在PCB迹线中包括形成到晶体管栅极或发射极的导电路径的附加重叠线圈来操纵(例如增强)，以便于获得所需的共源极电感。

晶体管开关器件和相关部件(例如跨接每个晶体管的反向二极管)通常封装在功率模块中。称为转模功率模块(transfer-molded power module，TPM)的典型配置通过将晶体管芯片、二极管、和电互连件(例如引线框架)封装在包覆成型的塑料体中来实现一个或多个逆变器的相脚。功率模块可以附接到导热的散热板上以去除由晶体管产生的热量。为了更快速地除去更多的热量，可以使用“冷板”的主动冷却来代替散热板或与散热板共同使用。冷板通常包括循环冷却剂的内部通道。