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CN111435148B - 门级触发去饱和消隐 - Google Patents

门级触发去饱和消隐 Download PDF

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CN111435148B
CN111435148B CN202010024922.1A CN202010024922A CN111435148B CN 111435148 B CN111435148 B CN 111435148B CN 202010024922 A CN202010024922 A CN 202010024922A CN 111435148 B CN111435148 B CN 111435148B
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Abstract

本公开涉及门级触发去饱和消隐。例如，一种操作耦合至功率开关的功率开关驱动器电路的方法包括：通过功率开关驱动器电路的控制器，向功率开关的控制端子产生第一驱动信号以接通功率开关；通过功率开关驱动器电路的第一比较器，将功率开关的控制端子处的第一电压与第一预定阈值进行比较；以及在检测到第一电压高于第一预定阈值之后的预定时间段开始监控功率开关的去饱和状态，其中监控去饱和状态包括监控功率开关的负载路径端子处的第二电压。

Description

门级触发去饱和消隐
技术领域
本公开总体上涉及电子电路和系统，并且具体涉及功率系统中用于去饱和检测的电路和方法。
背景技术
功率系统可包括功率控制电路、与功率控制电路耦合并被功率控制电路控制的多个功率开关(例如，金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、碳化硅(SiC)MOSFET、或绝缘栅双极晶体管(IGBT))以及与功率开关耦合并由功率开关驱动的负载(例如，电机)。
功率控制电路可包括功率管理电路、驱动器电路、控制逻辑、诊断逻辑或其他电路。功率管理电路可用于生成和/或调节电源电压。控制逻辑可包括监控和控制功率系统的操作的微控制器。电机驱动器可具有控制器，其生成用于为电机的不同相位的功率开关产生驱动信号脉宽调制(PWM)信号。
功率控制电路可在半导体衬底上实施为集成电路(IC)芯片，诸如功率控制IC(也可称为栅极驱动器、栅极驱动器电路、功率开关驱动器电路或栅极驱动器IC)。由于栅极驱动器IC的小占用面积和能量效率，栅极驱动器IC被广泛用于不同行业(例如，消费电子、工业控制、医疗设备、航空和汽车)的各种应用和产品。
发明内容
根据本发明的一个实施例，一种操作耦合至功率开关的功率开关驱动器电路的方法包括：通过功率开关驱动器电路的控制器向控制功率开关的控制端子产生第一驱动信号以接通功率开关；通过功率开关驱动器电路的第一比较器将功率开关的控制端子处的第一电压与第一预定阈值进行比较；以及在检测到第一电压高于第一预定阈值之后的预定时间段，开始监控功率开关的去饱和状态，其中监控去饱和状态包括监控功率开关的负载路径端子处的第二电压。
根据本发明的一个实施例，一种功率开关驱动器电路包括：驱动器电路，被配置为耦合至功率开关的控制端子并驱动功率开关；以及去饱和监测电路，耦合至驱动器电路，去饱和检测电路包括第一比较器和定时器，第一比较器被配置为将第一参考电压与功率开关的控制端子处的第一电压进行比较，定时器耦合至第一比较器并被配置为当第一比较器检测到第一电压高于第一参考电压时开始对预定时间段进行计数，其中去饱和检测电路被配置为检测功率开关的去饱和状态，其中去饱和检测电路还被配置为在定时器完成对预定时间段的计数之前被禁用，并且在定时器完成对预定时间段的计数之后被启用。
根据本发明的一个实施例，一种栅极驱动器集成电路包括：驱动器电路，具有被配置为耦合至功率开关的控制端子的输出端子；第一比较器，具有被配置为耦合至功率开关的控制端子的第一输入端子以及耦合至被配置为接收第一参考电压的第一参考电压节点的第二输入端子；定时器，耦合至第一比较器的输出端子，并且被配置为当功率开关的控制端子处的电压高于第一参考电压时对预定持续时间进行计数；第二比较器，具有耦合至被配置为接收第二参考电压的第二参考电压节点的第一输入端子以及被配置为耦合至功率开关的负载路径端子的第二输入端子；以及箝位电路，耦合至第二比较器的第二输入端子。
附图说明
为了更全面地了解本发明及其优点，现结合附图参考以下说明，其中：
图1示出了一个实施例中的功率系统的框图；
图2是一个实施例中的栅极驱动器IC的框图；
图3示出了一个实施例中的功率系统中的功率开关的漏极-源极电压和栅极-源极电压的响应；
图4示出了一个实施例中的驱动器电路的示意图；
图5示出了一个实施例中的在使用图4的去饱和检测电路的去饱和检测处理期间的功率系统中的各种信号的响应；
图6示出了另一实施例中的在使用图4的去饱和检测电路的去饱和检测处理期间的功率系统中的各种信号的响应；以及
图7是一些实施例中的操作耦合至功率开关的栅极驱动器电路的方法的流程图。
除非另有说明，否则不同附图中的相应数字和符号一般指相应的部分。绘制这些附图是为了清楚地说明所公开实施例的相关方面，并且不一定按比例绘制。
具体实施方式
下面详细讨论本公开实施例的制造和使用。然而，应当理解，本发明提供了许多可在各种特定上下文中具体化的可应用发明概念。所讨论的具体实施例仅仅是说明制造和使用本发明的具体方法，并且不限制本发明的范围。
本发明将在特定上下文中参考实施例进行描述，即，具有去饱和检测电路的栅极驱动器电路和操作具有去饱和检测电路的栅极驱动器电路的方法。
在本发明的实施例中，通过在功率开关的栅极-源极电压VDS上升到高于预定阈值VBLANC之后以预定持续时间tBLANC开启定时器，自动地针对不同负载状态调整去饱和检测电路的去饱和消隐时间(blanking time)。在一些实施例中，预定持续时间tBLANC和预定阈值VBLANC具有保持不变的固定值，而不管负载状态如何。在定时器超期之后，监控功率开关的负载路径端子处的电压。当功率开关的负载路径端子处的电压高于预定阈值VDESAT时，去饱和检测电路检测去饱和状态。
图1示出了一个实施例中的功率系统100的框图。具体地，图1示出了功率系统100用于控制三相电机111的示例应用。例如，功率系统100可用于操作汽车中的电子动力转向系统或动力制动系统。三相电机应用仅仅是一个非限制性示例，因为除了所示的电机应用之外，本文公开的实施例系统和方法还可以应用于其他应用。此外，本领域的普通技术人员应理解，在图1的功率系统100内可存在其他连接和其他功能块。为了清楚，在图1中并未示出功率系统100的所有特性。
如图1所示，功率系统100包括栅极驱动器IC 107、功率开关(例如，高压侧开关TH1、TH2和TH3以及低压侧开关TL1、TL2和TL3)和三相电机111。栅极驱动器IC 107可由具有电压V1(例如，12V)的第一电源供电，而功率开关可由具有电压V2(例如，48V)的第二电源供电。为了便于讨论，TH的符号可用于统一表示高压侧功率开关TH1、TH2和TH3，以及TL的符号可用于统一表示低压侧功率开关TL1、TL2和TL3。此外，THx的符号可用于表示高压侧功率开关之一(例如，TH1、TH2或TH3)，以及TLx的符号可用于表示低压侧功率开关之一(例如，TL1、TL2或TL3)。在所示实施例中，每一高压侧功率开关THx和对应的低压侧功率开关TLx形成功率系统100的半桥。
图1进一步示出了附加特征，诸如位置传感器113(用于感测三相电机111的转子位置)、收发器101和数据总线103(例如，本地互连网络(LIN)总线)。栅极驱动器IC 107可例如经由电流隔离设备105(例如，变压器或电容性电流设备)与收发器101通信，并且收发器101可经由数据总线103与另一设备通信。下面参照图2讨论栅极驱动器IC 107的细节。
图2示出了可在图1的功率系统100中使用的实施例栅极驱动器IC 107的框图。栅极驱动器IC 107可包括多个模块，诸如电源模块108、控制器102和预驱动器电路110。图2中所示的示例是说明性的，而不是限制性的；具有其它结构的其它栅极驱动器IC也可用于功率系统100。
参考图2，栅极驱动器IC 107的电源模块108可以是用于为预驱动器电路110生成和/或调节电源电压的功率管理电路。控制器102可以是微处理器、中央处理单元(CPU)、专用集成电路(ASIC)等。在一些实施例中，控制器102基于来自预驱动器电路110的电流感测块的反馈，经由脉宽调制(PWM)信号PWM_H和PWM_L提供电机控制。控制器102还可以操作为通信接口(例如，串行外围接口(SPI))的总线主机。
预驱动器电路110内部具有多个逻辑块，诸如包括通信接口171(例如，SPI总线接口)、输入控制逻辑173和诊断逻辑175的数字核心块170。反馈块179(诸如，电流感测块)从三相电极111通过预驱动器电路110提供反馈信息并返回控制器102。配置寄存器177将配置设置存储在预驱动器电路110中。数字核心块170为三相中的每一相产生两个PWM信号(用于高压侧和低压侧功率开关)，总共通过三个半桥驱动器提供六个PWM开关信号，其中每个半桥驱动器具有两个驱动器电路180(例如，180H和180L)，诸如高压侧驱动器电路180H和低压侧驱动器电路180L。每个驱动器电路180的输出(例如，栅极控制信号，诸如栅极控制电压)经由数据路径127发送给相应的输出端口126，用于控制对应的功率开关(例如，图1中的高压侧功率开关THx或低压侧功率开关TLx)(参见图1)。每个数据路径127可包括数字核心块170和功率开关TH/TL之间的多条导电路径(例如，铜线)，这些导电路径可将控制信号(例如，栅极驱动信号)从数字核心块170传送到功率开关，并且还可以从功率开关TH/TL到数字核心块170传送状态信息(例如，功率开关TH/TL的栅极电压、漏极电压和源极电压)。
功率开关TH/TL可以是任何合适的开关，诸如场效应晶体管(FET)(例如，MOSFET)、SiC MOSFET、绝缘栅双极晶体管(IGBT)等。本文的讨论可使用MOSFET作为功率开关TH/TL的示例，并且应理解，可以使用任何合适的功率开关。此外，本文的讨论可将功率开关的控制端子称为栅极，并且可将每个功率开关的两个负载路径端子称为漏极和源极，应理解，诸如“栅极”、“漏极”和“源极”的术语应该相应地针对所使用不同类型的功率开关来解释。例如，如果IGBT用作功率开关，则本文讨论中的“栅极”、“漏极”和“源极”可分别被解释为IGBT的“基极”、“集电极”和“发射极”。
图3示出了一个实施例中的在接通处理期间和短路事件期间的功率开关的漏极-源极电压和栅极-源极电压的响应。功率开关可以是图1中的任何功率开关TH/TL。在不丧失一般性的情况下，本文参考图3的讨论将功率开关称为低压侧开关TLx。图3有助于理解去饱和检测的挑战和本公开实施例的优点。
参考图3，在时间t0之前，功率开关TLx处于OFF状态，功率开关TLx的栅极-源极电压VGS为低(例如，0伏)，并且功率开关的漏极-源极电压VDS为高(例如，400伏)。在时间t0处，功率开关TLx从控制器102接收栅极控制电压并开始接通。因此，在接通处理期间，栅极-源极电压VGS开始增加，而漏极-源极电压VDS开始降低。在时间t1处，栅极-源极电压VGS达到米勒电压Vmiller并对功率开关TLx的米勒电容充电，并且栅极-源极电压VGS在一段时间内稳定，然后继续上升。在时间t2处，功率开关TLx完全接通并进入ON状态(也称为饱和状态)。在ON状态下，栅极-源极电压VGS稳定在高值(例如，15伏)，并且漏极-源极电压VDS达到低值Vsat(例如，1伏)。图3进一步示出了漏极-源极电压VDS在时间t3处的尖峰(也称为噪声尖峰、瞬态干扰或随机噪声)，该尖峰可由功率系统100中的随机扰动引起。
在时间t4处，在耦合至低压侧功率开关TLx的对应高压侧功率开关THx中存在电短路，例如在相同的半桥驱动器中。因此，由于短路，流过低压侧功率开关TLx的负载路径端子的电流从ON状态中的正常值(例如，800A)增加到2000A。因此，低压侧功率开关TLx的漏极-源极电压VDS从ON状态期间的正常电压值Vsat(例如，1V)增加到高电压值(例如，大于20V)。
去饱和检测电路通过监控漏极-源极电压VDS并检测处于ON状态的漏极-源极电压VDS的高值来检测短路状态。例如，漏极-源极电压VDS可与预定阈值VDESAT进行比较，预定阈值VDESAT高于漏极-源极电压VDS在ON状态下的期望值Vsat。如果漏极-源极电压VDS在ON状态下升高到阈值VDESAT以上，则去饱和检测电路可指示检测到故障状态(例如，短路状态)。通过去饱和检测电路检测短路状态也可以称为去饱和状态的检测。
为了避免假警报，当漏极-源极电压VDS仍然为高(例如，高于预定阈值VDESAT)时，可以在功率开关的OFF状态期间以及接通处理期间(例如，在时间t0和时间t2之间)禁用(例如，断开)去饱和检测电路。在OFF状态期间和接通处理期间对去饱和检测电路的抑制(例如，禁用)被称为去饱和消隐。除了去饱和消隐，还可执行漏极-源极电压VDS的测量值的附加处理(诸如滤波，例如，低通滤波)，以滤除漏极-源极电压VDS中的随机噪声。在没有滤波来平滑(例如，平均)漏极-源极电压VDS中的随机尖峰的情况下，可导致去饱和状态的错误检测。例如，如果滤波未正确执行，则时间t3处的漏极-源极电压VDS中的随机噪声可引起假警报。抑制漏极-源极电压VDS中的噪声的处理(例如，滤波)称为去饱和滤波。图3进一步示出了在时间t5处功率开关开始断开，例如通过控制器102响应于去饱和状态的检测。
图4示出了一个实施例中的具有内置去饱和检测电路的驱动器电路180的示意图。具体地，图4示出了用于驱动功率开关TH/TL的驱动器电路181和围绕驱动器电路181构建的去饱和检测电路。应注意，为了说明饱和检测电路的操作，图4进一步示出了连接至驱动器电路180但不是其一部分的电气部件。具体地，在一些实施例中，图4中的虚线框211内的电气部件形成具有内置去饱和检测电路的驱动器电路180。作为栅极驱动器IC 107的一部分，驱动器电路180具有多个输入/输出引脚，诸如DESAT引脚、PWM_OUT引脚、GATE引脚、GND引脚和PWM_IN引脚。在一些实施例中，图4的驱动器电路180被三次用作图2中的高侧驱动器电路180H，并且被三次用作低侧驱动器电路180L。
图4示出了驱动器电路180外的一些电气部件，诸如具有经由电阻器205电耦合至驱动器电路181的控制端子204(例如，栅极)的功率开关201。在图4的示例中，功率开关201可以是低压侧功率开关TLx。功率开关201的控制端子204耦合至GATE引脚。功率开关201的第一负载路径端子S(例如，源极)耦合至具有参考电压(例如，电气接地)的参考电压节点209，并且功率开关201的第二负载路径端子D(例如，漏极)耦合至节点207，节点207耦合至相应的高压侧功率开关THx(图4中未示出，参见图1)。图4进一步示出了耦合在节点207和DESAT引脚之间的二极管203以及耦合在DESAT引脚和参考电压节点(例如，电气接地)之间的电容器CDESAT。尽管在图4中电容器CDESAT被示为驱动器电路180的外部部件，但在其它实施例中，其可以实施为驱动器电路180的内部部件(由此是驱动器电路180的一部分)。在图4中，作为非限制性示例，DESAT引脚处的电压被包括电流源IDESAT和电容器CDESAT的滤波电路滤波。在其它实施例中，在比较器195之后(例如，在比较器195的输出处)执行DESAT引脚处的电压的滤波而不使用电容器。
应注意，在图4中，功率开关201的第一负载路径端子S(例如，源极)耦合至电气接地。因此，为了简单，在下面关于去饱和检测的讨论中，漏极-源极电压VDS和栅极-源极电压VGS可分别称为功率开关201的漏极电压和栅极电压。本领域技术人员应理解，在功率开关201(例如，高压侧功率开关)的第一负载路径端子S未耦合至电气接地的实施例中，下面在去饱和检测的上下文中讨论的漏极电压和源极电压应解释为相对于功率开关201的源极电压的漏极电压和栅极电压。
在图4的示例中，除驱动器电路181外，去饱和检测电路包括虚线框211内所示的所有电气部件。如图4所示，去饱和检测电路包括第一比较器183。第一比较器183的输入端子经由GATE引脚耦合至功率开关201的控制端子204(例如，栅极)，并且第一比较器183的另一输入端子耦合至具有预定参考电压VBLANC的参考电压节点185。
在所示实施例中，参考电压VBLANC用作用于启动定时器187的触发电平(例如，电压触发电平)并具有固定值。具体地，第一比较器183被配置为将功率开关201的控制端子204处的电压与预定参考电压VBLANC进行比较。当功率开关201的控制端子204处的电压升高到高于(例如，大于)预定参考电压VBLANC时，例如在接通处理期间，第一比较器183的输出改变(例如，变为逻辑高)以反映这样的事件。预定参考电压VBLANC可被选择为例如电气接地和米勒电压Vmiller之间的值。例如，米勒电压Vmiller可以在约5V和约6V之间，并且预定参考电压VBLANC可约为2V。应注意，在所示实施例中，参考电压VBLANC的固定值用于由功率开关驱动的不同外部负载。换句话说，无论外部负载如何，参考电压VBLANC的值都保持不变。下面参考图5和图6讨论使用参考电压VBLANC的固定值的优点。
仍然参考图4，第一比较器183的输出端子186耦合至定时器187的输入端子，并且可用作启动定时器187的使能信号。例如，定时器187可实施为抽头延迟线或计数器。在一些实施例中，当第一比较器183检测到功率开关201的控制端子204处的电压大于预定参考电压VBLANC时，定时器187被配置为对预定时间段tBLANC进行计数。预定时间段tBLANC可以在约200ns和约5μs之间，诸如约500ns。在所示实施例中，无论由功率开关驱动的外部负载如何，预定时间段tBLANC使用固定值。下面参照图5和图6讨论为预定时间段tBLANC使用固定值的优点。
定时器187的输出端子耦合至逻辑门189的输入端子，并且逻辑门189的输出端子耦合至箝位电路192。逻辑门189的另一输入端子190耦合至逻辑门199(例如，AND门)的输出。在所示实施例中，逻辑门189是NAND门，并且箝位电路192包括晶体管191和电流源193。晶体管191的栅极耦合至逻辑栅极189的输出端子，晶体管191的源极耦合至参考电压节点(例如，电气接地)，以及晶体管191的漏极耦合至第二比较器195的输入端子196。第二比较器195的输入端子196还经由DESAT引脚和二极管203耦合至功率开关201的第二负载路径端子D(例如，漏极)。第二比较器195的另一输入端子耦合至具有预定参考电压VDESAT的参考电压节点197，预定参考电压VDESAT用于检测去饱和状态(例如，功率开关的电短路)，其细节在下文中讨论。在所示实施例中，第二比较器195被配置为将预定参考电压VDESAT与输入端子196处的电压进行比较，并且如果输入端子196处的电压高于预定参考电压VDESAT，则输出逻辑低值。第二比较器195的输出端子耦合至逻辑门199(例如，AND门)的输入端子。逻辑门199的另一输入端子经由PWM_IN引脚耦合至来自控制器102的栅极控制信号(例如，PWM_H或PWM_L)。逻辑门199的输出端子耦合至驱动器电路181以控制驱动器电路181。
现在描述图4中的去饱和检测电路的操作。在图4的示例中，定时器187具有逻辑低值的初始输出(例如，在启动之后或者在功率系统100的复位之后)，并且最初被停止(例如，未启用)。功率开关201最初被断开，因此节点207处的电压为高(例如，约400V)。如下面更详细地讨论的，当功率开关201处于OFF状态时，通过箝位电路192将DESAT引脚处的电压箝制到低电压(例如，电气接地)，并且二极管203被反向偏置并保护DESAT引脚不受节点207处的高电压的影响。
在接通处理期间，当第一比较器183检测到功率开关201的控制端子204处的电压大于预定参考电压VBLANC时，第一比较器183的输出变高，这使能(例如，启动)定时器187。响应于此，定时器187开始对预定时间段tBLANC进行计数，并且在定时器187超期(例如，预定时间段tBLANC已经过去)之后，在定时器187的输出处输出逻辑高值。
应注意，在定时器187超期之前，定时器187的输出是逻辑低，这使得逻辑门189(例如，NAND门)的输出处为逻辑高值。逻辑门189的输出处的逻辑高值导通晶体管191。导通晶体管191将第二比较器195的输入端子196处的电压箝制为低电压(例如，电气接地)，因此第二比较器195的输出为逻辑高，这使得PWM_IN引脚处的栅极控制信号(例如，PWM栅极控制信号)通过逻辑门199来控制驱动器电路181。应注意，将输入端子196处的电压箝制到电气接地有效地断开(例如，禁用)去饱和检测。因此，在定时器187超期之前或者当PWM_IN引脚处的PWM控制电压为低时，去饱和检测被禁用。在图4的示例中，作为非限制性示例，使用箝位电路192来禁用去饱和检测。在其它实施例中，通过禁用比较器195的输出并由此不使用晶体管191来实现去饱和检测的禁用。
仍然参考图4，在定时器187超期之后，定时器187的输出变高，这使得逻辑门189的输出为逻辑低值，因为在接通处理期间PWM_IN引脚处的PWM控制电压为高。逻辑门189的输出处的逻辑低值截止晶体管191。因此，输入端子196处的电压不再箝位到电气接地，相反现在基本等于(例如，是二极管的压降)功率开关201的第二负载路径端子(例如，漏极)处的电压。例如，当功率开关201接通时，其漏极电压(例如，节点207处的电压)约为1V，而DESAT引脚(或输入端子196)处的电压约为1.7V。第二比较器195监控输入端子196处的电压，并且在输入端子196处的电压大于预定阈值VDESAT时输出逻辑低值以指示去饱和状态(例如，电短路)的检测。例如，当功率开关201具有电短路时，节点207处的电压可上升到高值(例如，约100V)，因此二极管203被反向偏置，并且电流源IDESAT对电容器CDESAT充电，使得DESAT引脚处的电压可上升到例如22V的电压。一旦检测到去饱和状态，第二比较器195的输出处的逻辑低值关闭逻辑门199，从而断开驱动器电路181。在一些实施例中，第二比较器195的输出可由控制器102监控。如果检测到去饱和状态，则可以通过控制器102启动安全程序以防止损坏功率开关和/或功率系统100。安全程序可包括一系列动作，例如断开栅极驱动器IC 107、断开功率开关TH/TL和/或将功率开关TH/TL与具有电压V2的第二电源隔离(参见图1)。
如上所讨论的，第二比较器195的输入端子196处的电压可具有尖峰(例如，随机噪声)，这会导致去饱和状态的错误检测。耦合至第二比较器195的输入端子196的电容器CDESAT可用作输入端子196处的电压的低通滤波器，因为高频分量(例如，尖峰)通过电容器CDESAT朝向电气接地放电。在一些实施例中，由电容器CDESAT形成的等效低通滤波器的去饱和滤波时间tfilt通过电容器CDESAT的电容来确定。因此，可以选择电容器CDESAT的电容来实现例如200ns和1000ns之间的目标去饱和滤波时间tfilt。在一些实施例中，调整去饱和滤波时间tfilt以适应功率开关的不同安全时间要求(例如，对于SiC功率开关的较小去饱和滤波时间tfilt和对于IGBT功率开关的较大去饱和滤波时间tfilt)。
图5示出了一个实施例中的在使用图4的去饱和电路的去饱和检测处理期间的功率系统100中的各种信号的响应。在图5中，信号401示出了来自控制器102的PWM栅极控制信号(例如，在图4的PWM_IN引脚处)。例如，信号401的上升沿指示控制器102正在发送栅极控制信号以接通功率开关201。信号402示出了在其传播到图4中的PWM_OUT引脚之后的PWM栅极控制信号。信号403和信号404分别示出了功率开关201的栅极-源极电压VGS和漏极-源极电压VDS。图3讨论了栅源电压VGS和漏极-源极电压VDS的细节，因此这里不再重复。信号405示出第二比较器195的输入端子196处的电压。应注意，在图3、图5和图6中，诸如T1、T2、T3、T4和T5的时间标签用于表示附图内的不同时间瞬间。一幅图中的相同时间标签不是必须对应于不同附图中的相同时间标签。
如图5所示，PWM控制信号的上升沿到达时间t0。然而，直到时间t1，当栅极-源极电压VGS上升到预定阈值VBLANC以上时，定时器187才被启用。定时器187在时间t2处完成对预定时间段tBLANC的时段的计数。在时间t2禁用箝位电路192，从而允许第二比较器195开始监控输入端子196处的电压，其基本等于功率开关201的第二负载路径端子D(例如，漏极)处的电压的平滑(例如，滤波)版本。图5示出时间t2和时间t3之间的信号405中的小电压尖峰，这是由于电容器CDESAT在导通处理期间对漏极-源极电压VDS的滤波效果。然而，小电压尖峰低于阈值VDESAT，因此不会导致错误报警。在时间t4处，发生短路情况，并且漏极-源极电压VDS增加。在时间t5处，第二比较器195的输入端子196处的电压上升到阈值VDESAT以上，这使得第二比较器195的输出变为(例如)逻辑低值，以指示故障状态的检测。
应注意，所公开的去饱和检测电路不是在PWM栅极控制信号的上升沿(例如，时间t0)处启动定时器187，而是在栅极-源极电压VGS上升到预定阈值VBLANC以上时(例如，t1)处启动定时器187。这具有针对不同应用或不同外部负载自动调整定时器187的启动时间的效果，因为栅极-源极电压VGS的上升率取决于各种因素，诸如电路板设计、由功率开关驱动的外部负载的类型以及外部负载的参数。
为了示出定时器187的启动时间的自动调整，图6示出了图5所示各种信号的响应，但具有不同的外部负载。具体地，具有不同外部负载的各种信号的响应以虚线示出，并用与图5中的信号402、403、404和405对应的数字402’、403’、404’和405’标记。为了进行比较，图5中的信号402、403、404和405也绘制在图6中。信号403’示出了具有不同负载的功率开关的栅极-源极电压VDS的上升慢于信号403。因此，定时器187的启动时间自动延迟到时间ta(而不是图5中的时间t1)。类似地，定时器187的停止时间被延迟到时间tb。
定时器187的启动时间的自动调整允许在去饱和检测电路中使用固定的预定阈值VBLANC和固定的预定持续时间tBLANC，而不引起诸如增加的假警报率的性能问题。应注意，第一比较器183通过监控功率开关201的控制端子204处的电压而不是PWM_OUT引脚处的电压来使启动时间的自动调整的优势最大化，因为控制端子204处的电压更接近外部负载并且更受外部负载状态的影响。
为了了解本公开的去饱和检测电路和方法的优点，考虑以下两种参考方法。第一参考方法使用PWM栅极控制信号的上升沿来启动定时器187，并且具有固定消隐时间tBLANC’。然而，为了覆盖不同的负载状态并避免在接通处理期间的错误报警，第一参考方法可要求非常长的tBLANC’时间，这可能会减慢去饱和检测电路的反应时间，并且可能无法检测PWM栅极控制信号的上升沿附近发生的去饱和状态。
第二参考方法仍然使用PWM栅极控制信号的上升沿来启动定时器187，但是预定阈值VBLANC和/或预定持续时间tBLANC可编程以处理不同的负载状态。然而，使预定阈值VBLANC和/或预定持续时间tBLANC可编程增加了栅极驱动器IC的复杂性，并且可能要求更多的输入/输出引脚来适应可编程性。这不仅增加了栅极驱动器IC的面积/成本，而且增加了软件开发的负担，因为软件开发人员需要为不同的负载状态或系统配置确定可编程tBLANC和VBLANC的值。对于诸如汽车应用的任务关键应用，具有不同tBLANC和VBLANC值的软件的每个版本可能需要经过认证处理来认证，因此具有可编程tBLANC和VBLANC可能是栅极驱动器IC软件开发的巨大负担。
所公开的去饱和电路和方法的一些实施例允许相同的固定预定阈值VBLUC和预定持续时间TBRANC用于不同的应用，由此降低了系统复杂性和栅极驱动器IC的引脚数，从而降低了栅极驱动器IC的成本。应注意，在用于在断开事件之后用于箝位IGBT的米勒电容器(主动米勒箝位)的许多驱动器IC中已经可用的GATE引脚(参见图4)现在被用于感测功率开关201的栅极电压，由此不需要额外的GATE引脚来用于去饱和检测电路。另外，如果阈值VBLANC被设置为与主动米勒箝位的触发电压相同的电压，则第一比较器183可与用于主动米勒箝位的比较器共享，因此不需要额外的比较器用于去饱和检测电路。此外，由于阈值VBLANC和持续时间tBLANC的值是固定的，因此软件开发工作(例如，用于栅极驱动器IC)大大简化。
对所公开实施例的变型是可能的，并且完全包括在本公开的范围内。例如，图4中的逻辑门(例如，199、189)可以用逻辑门的其他组合改变，以实现相同的控制目的。作为另一示例，箝位电路192可以不同的方式来实施，但实现相同的功能，诸如在去饱和消隐时间期间将第二比较器195的输入端子196处的电压箝位到电气接地，并且在去饱和消隐时间过去之后被禁用。
图7示出了根据一些实施例的操作耦合至功率开关的栅极驱动器电路的方法1000的流程图。应当理解，图7所示的实施例方法仅仅是许多可能的实施例方法的示例。本领域普通技术人员可意识到许多变化、替代和修改。例如，可以添加、去除、替换、重新布置和重复图7所示的各种步骤。
参考图7，在步骤1010中，功率开关驱动器电路的控制器向功率开关的控制端子产生第一驱动信号以接通功率开关。在步骤1020中，功率开关驱动器电路的第一比较器将功率开关的控制端子处的第一电压与第一预定阈值进行比较。在步骤1030中，在检测到第一电压高于第一预定阈值之后的预定时间段开始监控功率开关的去饱和状态，其中监控去饱和状态包括监控功率开关的负载路径端子处的第二电压。
这里总结本发明的示例性实施例。其他实施例也可以从本文提交的说明书和权利要求的整体中理解。
示例1.在一个实施例中，一种操作耦合至功率开关的功率开关驱动器电路的方法，该方法包括：通过功率开关驱动器电路的控制器向功率开关的控制端子产生第一驱动信号以接通功率开关；通过功率开关驱动器电路的第一比较器将功率开关的控制端子处的第一电压与第一预定阈值进行比较；以及在检测到第一电压高于第一预定阈值之后的预定时间段开始监控功率开关的去饱和状态，其中监控去饱和状态包括监控功率开关的负载路径端子处的第二电压。
示例2.根据示例1的方法，其中监控功率开关的负载路径端子处的第二电压包括：通过功率开关驱动器电路的第二比较器，将负载路径端子处的第二电压与第二预定阈值进行比较。
示例3.根据示例2的方法，还包括：响应于检测到负载路径端子处的第二电压高于第二预定阈值，断开功率开关。
示例4.根据示例2的方法，还包括：响应于检测到负载路径端子处的第二电压高于第二预定阈值，由功率开关驱动器电路的第二比较器输出指示故障状态的信号。
示例5.根据示例4的方法，还包括：在输出指示故障状态的信号之后，启动安全程序以防止损坏功率开关。
示例6.根据示例2的方法，其中通过功率开关驱动器电路的第二比较器将负载路径端子处的第二电压与第二预定阈值进行比较包括：将第二比较器的第一输入端子耦合至具有第二预定阈值的参考电压；以及将第二比较器的第二输入端子耦合至功率开关的负载路径端子。
示例7.根据示例6的方法，还包括：在经过预定时间段之前，将第二比较器的第二输入端子处的电压箝位到电气接地。
示例8.根据示例7的方法，其中通过功率开关驱动器电路的第二比较器将负载路径端子处的第二电压与第二预定阈值进行比较还包括：使用电容器对第二电压进行滤波，其中去饱和检测滤波时间基于电容器的电容。
示例9.根据示例7的方法，还包括：使用电流源向第二比较器的第二输入端子提供电流。
示例10.根据示例1的方法，其中第一预定阈值具有用于由功率开关驱动的不同外部负载的第一固定值。
示例11.根据示例10的方法，其中预定时间段具有用于由功率开关驱动的不同外部负载的第二固定值。
示例12.在一个实施例中，一种功率开关驱动器电路包括：驱动器电路，被配置为耦合至功率开关的控制端子并驱动功率开关；以及去饱和检测电路，耦合至驱动器电路，去饱和检测电路包括第一比较器和定时器，第一比较器被配置为将第一参考电压与功率开关的控制端子处的第一电压进行比较，定时器耦合至第一比较器并被配置为当第一比较器检测到第一电压高于第一参考电压时开始对预定时间段进行计数，其中去饱和检测电路被配置为检测功率开关的去饱和状态，其中去饱和检测电路还被被配置为在定时器完成对预定时间段的计数之前被禁用，并且在定时器完成对预定时间段的计数之后被启用。
示例13.根据示例12的功率开关驱动器电路，其中去饱和检测电路还包括：第二比较器，被配置为将第二参考电压与第二比较器的第一输入端子处的第二电压进行比较；以及箝位电路，耦合至第二比较器的第一输入端子并且被配置为在定时器完成对预定时间段的计数之前将第二比较器的第一输入端子处的第二电压箝位到低于第二参考电压的第三参考电压，其中定时器还被配置为在定时器完成对预定时间段的计数之后禁用箝位电路，使得第二比较器的第一输入端子处的第二电压基本等于功率开关的负载路径端子处的电压。
示例14.根据示例13的功率开关驱动器电路，其中第二比较器被配置为检测功率开关的负载路径端子处的电压高于第二参考电压。
示例15.根据示例14的功率开关驱动器电路，其中驱动器电路被配置为当第二比较器检测到功率开关的负载路径端子处的电压高于第二参考电压时被禁用。
示例16.根据示例14的功率开关驱动器电路，还包括逻辑门，其中逻辑门的第一输入端子耦合至第二比较器的输出端子，逻辑门的第二输入端子耦合至功率开关驱动器电路的控制器，以及逻辑门的输出端子耦合至驱动器电路。
示例17.根据示例13的功率开关驱动器电路，其中箝位电路包括：晶体管，晶体管的栅极耦合至定时器，晶体管的第一负载路径端子耦合至第二比较器的第一输入端子，并且晶体管的第二负载路径端子耦合至被配置为接收第三参考电压的第三参考电压节点；以及电流源，耦合至第二比较器的第一输入端子。
示例18.根据示例13的功率开关驱动器电路，还包括：二极管，耦合在第二比较器的第一输入端子和功率开关的负载路径端子之间；以及电容器，耦合在第二比较器的第一输入端子和被配置为接收第三参考电压的第三参考电压节点之间。
示例19.根据示例12的功率开关驱动器电路，其中对于连接至功率开关的不同类型的外部负载，第一参考电压和预定时间段是恒定的。
示例20.在一个实施例中，一种栅极驱动器集成电路包括：驱动器电路，具有被配置为耦合至功率开关的控制端子的输出端子；第一比较器，具有被配置为耦合至功率开关的控制端子的第一输入端子以及耦合至被配置为接收第一参考电压的第一参考电压节点的第二输入端子；定时器，耦合至第一比较器的输出端子并且被配置为当功率开关的控制端子处的电压高于第一参考电压时对预定持续时间进行计数；第二比较器，具有耦合至被配置为接收第二参考电压的第二参考电压节点的第一输入端子以及被配置为耦合至功率开关的负载路径端子的第二输入端子；以及箝位电路，耦合至第二比较器的第二输入端子。
示例21.根据示例20的栅极驱动器集成电路，其中箝位电路包括：晶体管，耦合在第二比较器的第二输入端子和被配置为接收低于第二参考电压的第三参考电压节点之间，其中晶体管的栅极耦合至定时器的输出端子；以及电流源，耦合至第二比较器的第二输入端子。
示例22.根据示例21的栅极驱动器集成电路，其中第二比较器的第二输入端子被配置为通过二极管和电容器耦合至功率开关的负载路径端子，其中二极管被配置为耦合在第二比较器的第二输入端子和功率开关的负载路径端子之间，并且电容器被配置为耦合在第二比较器的第二输入端子和第三参考电压节点之间。
虽然本发明已经参考示例性实施例进行了描述，但是本说明书并不用于限制。本领域技术人员在参考本说明书的基础上应理解，说明性实施例以及本发明的其他实施例的各种修改和组合。因此，所附权利要求包含任何这种修改或实施例。

Claims (22)

1.一种操作耦合至功率开关的功率开关驱动器电路的方法，所述方法包括：
通过所述功率开关驱动器电路的控制器向所述功率开关的控制端子产生第一驱动信号以接通所述功率开关；
通过所述功率开关驱动器电路的第一比较器将所述功率开关的所述控制端子处的第一电压与第一预定阈值进行比较；以及
在检测到所述第一电压高于所述第一预定阈值之后的预定时间段开始监控所述功率开关的去饱和状态，其中监控所述去饱和状态包括监控所述功率开关的负载路径端子处的第二电压。
2.根据权利要求1所述的方法，其中监控所述功率开关的所述负载路径端子处的所述第二电压包括：通过所述功率开关驱动器电路的第二比较器，将所述负载路径端子处的所述第二电压与第二预定阈值进行比较。
3.根据权利要求2所述的方法，还包括：
响应于检测到所述负载路径端子处的所述第二电压高于所述第二预定阈值，断开所述功率开关。
4.根据权利要求2所述的方法，还包括：
响应于检测到所述负载路径端子处的所述第二电压高于所述第二预定阈值，由所述功率开关驱动器电路的所述第二比较器输出指示故障状态的信号。
5.根据权利要求4所述的方法，还包括：在输出指示所述故障状态的所述信号之后，启动安全程序以防止损坏所述功率开关。
6.根据权利要求2所述的方法，其中通过所述功率开关驱动器电路的所述第二比较器将所述负载路径端子处的所述第二电压与所述第二预定阈值进行比较包括：
将所述第二比较器的第一输入端子耦合至具有所述第二预定阈值的参考电压；以及
将所述第二比较器的第二输入端子耦合至所述功率开关的所述负载路径端子。
7.根据权利要求6所述的方法，还包括：
在经过所述预定时间段之前，将所述第二比较器的所述第二输入端子处的电压箝位到电气接地。
8.根据权利要求7所述的方法，其中通过所述功率开关驱动器电路的所述第二比较器将所述负载路径端子处的所述第二电压与所述第二预定阈值进行比较还包括：
使用电容器对所述第二电压进行滤波，其中去饱和检测滤波时间基于所述电容器的电容。
9.根据权利要求7所述的方法，还包括：
使用电流源向所述第二比较器的所述第二输入端子提供电流。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一预定阈值具有用于由所述功率开关驱动的不同外部负载的第一固定值。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述预定时间段具有用于由所述功率开关驱动的所述不同外部负载的第二固定值。
12.一种功率开关驱动器电路，包括：
驱动器电路，被配置为耦合至功率开关的控制端子并驱动所述功率开关；以及
去饱和检测电路，耦合至所述驱动器电路，所述去饱和检测电路包括：
第一比较器，被配置为将第一参考电压与所述功率开关的所述控制端子处的第一电压进行比较；和
定时器，耦合至所述第一比较器并被配置为当所述第一比较器检测到所述第一电压高于所述第一参考电压时开始对预定时间段进行计数，
其中所述去饱和检测电路被配置为检测所述功率开关的去饱和状态，其中所述去饱和检测电路还被配置为在所述定时器完成对所述预定时间段的计数之前被禁用，并且在所述定时器完成对所述预定时间段的计数之后被启用。
13.根据权利要求12所述的功率开关驱动器电路，其中所述去饱和检测电路还包括：
第二比较器，被配置为将第二参考电压与所述第二比较器的第一输入端子处的第二电压进行比较；以及
箝位电路，耦合至所述第二比较器的所述第一输入端子，并且被配置为在所述定时器完成对所述预定时间段的计数之前将所述第二比较器的所述第一输入端子处的所述第二电压箝位到低于所述第二参考电压的第三参考电压，
其中所述定时器还被配置为在所述定时器完成对所述预定时间段的计数之后禁用所述箝位电路，使得所述第二比较器的所述第一输入端子处的所述第二电压基本等于所述功率开关的负载路径端子处的电压。
14.根据权利要求13所述的功率开关驱动器电路，其中所述第二比较器被配置为检测所述功率开关的所述负载路径端子处的电压高于所述第二参考电压。
15.根据权利要求14所述的功率开关驱动器电路，其中所述驱动器电路被配置为当所述第二比较器检测到所述功率开关的所述负载路径端子处的电压高于所述第二参考电压时被禁用。
16.根据权利要求14所述的功率开关驱动器电路，还包括逻辑门，其中所述逻辑门的第一输入端子耦合至所述第二比较器的输出端子，所述逻辑门的第二输入端子耦合至所述功率开关驱动器电路的控制器，以及所述逻辑门的输出端子耦合至所述驱动器电路。
17.根据权利要求13所述的功率开关驱动器电路，其中所述箝位电路包括：
晶体管，所述晶体管的栅极耦合至所述定时器，所述晶体管的第一负载路径端子耦合至所述第二比较器的所述第一输入端子，并且所述晶体管的第二负载路径端子耦合至被配置为接收所述第三参考电压的第三参考电压节点；以及
电流源，耦合至所述第二比较器的所述第一输入端子。
18.根据权利要求13所述的功率开关驱动器电路，还包括：
二极管，耦合在所述第二比较器的所述第一输入端子和所述功率开关的所述负载路径端子之间；以及
电容器，耦合在所述第二比较器的所述第一输入端子和被配置为接收所述第三参考电压的第三参考电压节点之间。
19.根据权利要求12所述的功率开关驱动器电路，其中对于连接至所述功率开关的不同类型的外部负载，所述第一参考电压和所述预定时间段是恒定的。
20.一种栅极驱动器集成电路，包括：
驱动器电路，具有被配置为耦合至功率开关的控制端子的输出端子；
第一比较器，具有被配置为耦合至所述功率开关的所述控制端子的第一输入端子以及耦合至被配置为接收第一参考电压的第一参考电压节点的第二输入端子；
定时器，耦合至所述第一比较器的输出端子并且被配置为当所述功率开关的所述控制端子处的电压高于所述第一参考电压时对预定持续时间进行计数；
第二比较器，具有耦合至被配置为接收第二参考电压的第二参考电压节点的第一输入端子以及被配置为耦合至所述功率开关的负载路径端子的第二输入端子；以及
箝位电路，耦合至所述第二比较器的所述第二输入端子。
21.根据权利要求20所述的栅极驱动器集成电路，其中所述箝位电路包括：
晶体管，耦合在所述第二比较器的所述第二输入端子和第三参考电压节点之间，所述第三参考电压节点被配置为接收低于所述第二参考电压的第三参考电压，其中所述晶体管的栅极耦合至所述定时器的输出端子；以及
电流源，耦合至所述第二比较器的所述第二输入端子。
22.根据权利要求21所述的栅极驱动器集成电路，其中所述第二比较器的所述第二输入端子被配置为通过二极管和电容器耦合至所述功率开关的所述负载路径端子，其中所述二极管被配置为耦合在所述第二比较器的所述第二输入端子和所述功率开关的所述负载路径端子之间，并且所述电容器被配置为耦合在所述第二比较器的所述第二输入端子和所述第三参考电压节点之间。
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