CN103795381B - 用于半导体开关器件的保护电路和栅极驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了用于半导体开关器件的保护电路和栅极驱动电路。所述用于半导体开关器件的保护电路包括：过电流确定单元，根据栅极信号运行以便确定流过控制负载电流的半导体开关器件的负载电流是否为过电流，负载开路确定单元，基于来自检测负载电流的电流检测单元的检测值确定负载是否为开路，以及错误检测单元，当确定过电流流动和负载为开路时而同时栅极信号处于半导体开关器件的导通电平时，产生故障信号。

Description

用于半导体开关器件的保护电路和栅极驱动电路

相关申请的交叉引用

本申请要求于2012年10月26日提交到韩国专利局的韩国专利申请第10-2012-0119889号的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。

技术领域

本发明涉及半导体功率开关电路中的用于半导体开关器件的保护电路和栅极驱动电路，在半导体开关器件的驱动期间，能够执行过电流保护功能和负载开路感测功能（load open sensing function）。

背景技术

通常，半导体功率开关电路可包括向诸如电机的负载提供驱动信号的多个半导体开关器件。在这种情况中，半导体开关可由高侧开关器件和低侧开关器件构成。所述开关器件可由IGBT或MOSFET构成。

需要栅极驱动电路来驱动半导体功率开关电路，并且栅极驱动电路接收输入信号以产生具有能够运行开关器件的电平的栅极信号。

然而，由于比额定电流高的过电流可在开关器件中流动，因此半导体功率开关电路需要过电流保护功能，以保护器件免于受到由于过电流而导致的损害。

此外，当负载开路时，检测信号处于低状态，从而使得半导体功率开关电路可能错误地运行而持续驱动开关器件。因此，为了防止这一点，半导体功率开关电路需要负载开路检测功能。

以下相关技术文件涉及一种用于检测负载电路的断开和/或过载电流的装置，并且披露了一种执行过电流保护功能的技术，但是没有披露一种在半导体开关器件的驱动过程中同时执行过电流保护功能和负载开路检测功能的技术。

[相关技术文件]

韩国专利公开第10-2009-21071号

发明内容

本发明的一个方面提供了用于半导体开关器件的保护电路和栅极驱动电路，能够在半导体开关器件的驱动期间执行过电流保护功能和负载开路检测功能。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于半导体开关器件的保护电路，包括：过电流确定单元，根据栅极信号运行以确定流过控制负载电流的半导体开关器件的负载电流是否为过电流；负载开路确定单元，基于来自检测负载电流的电流检测单元的检测值来确定负载是否为开路；以及错误检测单元，当确定有过电流流动并且负载开路而同时栅极信号处于半导体开关器件的导通电平时，产生故障信号。

根据本发明的另一个方面，提供了一种用于半导体开关器件的栅极驱动电路，包括：栅极信号发生单元，向半导体开关器件提供栅极信号以用来控制电流；过电流确定单元，确定流过半导体开关器件的负载电流是否为过电流；负载开路确定单元，基于来自检测负载电流的电流检测单元的检测值来确定负载是否为开路；错误检测单元，当确定过电流流动并且负载开路而同时栅极信号处于半导体开关器件的导通电平时，产生故障信号；以及保护控制单元，根据故障信号停止栅极驱动单元的运行。

所述过电流确定单元可将来自过电流检测单元的检测值与预设过电流参考值进行对比，以在检测值等于或大于过电流参考值时确定存在过电流。

所述过电流确定单元可包括第一比较器，具有从过电流检测单元接收检测值的非反相输入端、接收预设过电流参考值的反相输入端以及将检测值与过电流参考值进行比较以根据比较结果提供过电流确定信号的输出端。

所述负载开路确定单元可将来自电流检测单元的检测值与预设负载开路参考值进行比较以在检测值等于或小于负载开路参考值时确定负载为开路。

所述负载开路确定单元可包括第二比较器，具有从电流检测单元接收检测值的反相输入端、接收预设负载开路参考值的非反相输入端以及将检测值与负载开路参考值进行比较以根据比较结果提供负载开路确定信号的输出端。

用于半导体开关器件的所述保护电路或栅极驱动电路可进一步包括电平转换器，对栅极信号进行电平转换并且向错误检测单元提供电平转换的栅极信号。

用于半导体开关器件的保护电路或栅极驱动电路进一步包括：第一滤波器单元，设置在电平转换器与错误检测单元之间以去除包含在来自电平转换器的信号中的噪声；第二滤波器单元，设置在过电流确定单元与错误检测单元之间以去除包含在来自过电流确定单元的信号中的噪声；以及第三滤波器，设置在负载开路确定单元与错误检测单元之间以去除来自负载开路电流确定单元的信号中的噪声。

所述错误检测单元可包括：第一逻辑门，对来自第一滤波器单元的信号和来自第二滤波器单元的信号执行“与”运算；第二逻辑门，对来自第一滤波器单元的信号和来自第三滤波器单元的信号执行“与”运算；以及第三逻辑门，对来自第一逻辑门的输出信号和来自第二逻辑门的输出信号执行“或”运算。

所述错误检测单元可包括：反相器，对来自第一滤波器单元的信号进行反相；第一开关，设置在第二滤波器的输出端与地之间，根据来自反相器的输出信号运行；第二开关，设置在第三滤波器单元的输出端与地之间，根据来自反相器的输出信号运行；以及逻辑门，对来自第二滤波器单元的输出端的信号和来自第三滤波器的输出端的信号执行“或”运算。

附图说明

从以下结合附图的详细描述，可更清晰地理解本发明的上述和其他方面、特性以及其他优点，其中：

图1为根据本发明实施方式的用于半导体开关器件的栅极驱动电路的框图；

图2为根据本发明实施方式的用于半导体开关器件的栅极驱动电路的详细框图；

图3为根据本发明实施方式的电平转换器（level shifter）和第一、第二以及第三滤波器单元的框图；

图4为示出根据本发明实施方式的错误检测单元（error detection unit）的第一实施例的框图；

图5为示出根据本发明实施方式的错误检测单元的第二实施例的框图；以及

图6为根据本发明实施方式的主信号的时序图。

具体实施方式

在下文中，将参考附图详细描述本发明的实施方式。然而，本发明可多种不同的形式来实施，且不应被解释为受到本文所述的实施方式的限制。

而是，提供了这些实施方式，从而使得本披露透彻和完整，并且将向那些本领域的技术人员充分传达本发明的范围。

图1为根据本发明实施方式的用于半导体开关器件的栅极驱动电路的框图，并且图2为根据本发明实施方式的用于半导体开关器件的栅极驱动电路的详细框图。

参考图1和图2，根据本发明实施方式的用于半导体开关器件的保护电路包括过电流确定单元200、负载开路确定单元300、错误检测单元400，以及保护控制单元500，从而保护半导体开关器件50，以用来控制连接在电源端Vdd与地之间的负载10中流动的负载电流Idr。

此外，根据本发明实施方式的用于半导体开关器件的栅极驱动电路可包括栅极信号发生单元100、过电流确定单元200、负载开路确定单元300、错误检测单元400，以及保护控制单元500，以驱动半导体开关器件50。

在这种配置中，半导体开关器件50可由IGBT或MOSFET构成。

栅极信号发生单元100可向半导体开关器件50提供栅极信号SG1，以用来控制负载10的负载电流。

在这种情况中，栅极信号发生单元100可将输入信号Sin的电平转换成适合驱动半导体开关器件50的电平，以产生具有根据来自保护控制单元500的控制信号SC进行控制的导通周期的栅极信号SG1。

过电流确定单元200可基于来自检测流过半导体开关器件50的负载电流Idr的电流检测单元80的检测值Vd确定是否存在过电流。当过电流在负载10中流动时，对应于负载电流Idr的检测值Vd大于作为过电流判定标准的电压。在这种情况中，过电流确定单元200可提供过具有预设特定电平（例如，高电平）的过电流确定信号Sover。

此处，电流检测单元80可以电压电平检测负载电流Idr，从而使得检测值Vd可为电压电平。

负载开路确定单元300可基于来自电流检测单元80的检测值Vd确定负载是否开路。例如，当负载开路时，几乎没有电流流动，因此检测值Vd基本为0V。在这种情况中，负载开路确定单元300可提供包括预设特定电平（例如，高电平）的负载开路确定信号Sopen。

在半导体开关器件50的导通电平期间，当栅极信号SG1被确定为过电流或负载开路时，错误检测单元400可产生故障信号SF。

同样地，错误检测单元400仅在半导体开关器件50的导通电平期间确定过电流或负载开路，从而使得仅在半导体开关器件50的驱动期间可以确定过电流或负载开路。因此，当半导体开关器件50未被驱动时，不执行过电流或负载开路的确定，从而使得当半导体开关器件50未被驱动时，不执行过电流或负载开路的不正确的确定。

在这种情况中，当已确定过电流流动或负载开路时，故障信号SF可包括预设特定电平（例如，高电平）。

此外，保护控制单元500可根据故障信号SF停止栅极驱动单元100的运行。即，保护控制单元500可根据故障信号SF向栅极驱动单元100提供包括预设特定电平的控制信号SC，以停止栅极信号发生单元100的运行。

参考图1和2，过电流确定单元200可将来自电流检测单元80的检测值Vd与预设过电流参考值Vref1进行比较，当检测值Vd为过电流参考值Vref1或更大值时，确定存在过电流。

负载开路确定单元300可将来自电流检测单元80的检测值Vd与预设负载开路参考值Vref2进行比较，当检测值Vd为负载开路电流参考值Vref2或更小值时，确定负载为开路。

作为一个实施例，电流检测单元80可包括检测负载电流Idr的检测电阻器（senseresistor）81，以及对通过检测电路81获得的检测值进行滤波的RC滤波器单元82。电流检测单元80可由检测电流的电路构成，并且本发明的实施方式并不限于该实施例。

作为一个实施例，过电流确定单元200可包括第一比较器COM1，并且第一比较器COM1通过非反相输入端从电流检测单元80接收检测值Vd，并且经过反相输入端接收预设过电流参考值Vref1，以将检测值Vd与过电流参考值Vref1进行比较，以基于比较值经过输出端输出过电流确定信号Sover。

在这种情况中，当检测值Vd为过电流参考值Vref1或更大值时，过电流确定信号Sover变为高电平信号，并且当检测值Vd小于过电流参考值Vref1时，过电流确定信号变为低电平信号。

作为一个实施例，负载开路确定单元300可包括第二比较器COM2，并且第二比较器COM2通过反相输入端从电流检测单元80接收检测值Vd，并且经过非反相输入端接收负载开路参考值Vref2，以将检测值Vd与负载开路参考值Vref2进行比较，并且基于比较值通过输出端输出负载开路确定信号Sopen。

在这种情况中，当检测值Vd小于负载开路参考值Vref2时，负载开路确定信号Sopen变为高电平信号，并且当检测值Vd为负载开路参考值Vref2或更大值时，负载开路确定信号变为低电平信号。

同时，作为一个实施例，栅极信号发生单元100可包括比较单元110、噪声滤波器120、驱动逻辑单元130、放大单元140以及开关电路单元150。栅极信号发生单元100可由产生栅极信号的电路构成，并且本发明的实施方式并不限于该实施例。

比较单元110可将输入信号Sin与预设值进行比较，以输出高电平信号和低电平信号。

噪声滤波器单元120可去除包含在比较器单元110提供的信号中的噪声。

驱动逻辑单元130可响应于来自噪声滤波器120的信号，产生具有根据来自保护控制单元500的控制信号SC进行控制的导通周期的信号。

放大单元140可将来自驱动逻辑单元130的信号放大至预设增益。

此外，开关电路单元150可包括两个具有堆叠结构的开关以根据来自放大单元140的信号交替地执行彼此开关，以产生具有适合于驱动半导体开关器件50的电平的栅极信号SG1。

图3为根据本发明实施方式的电平转换器和第一、第二、第三滤波器单元的框图。

参考图3，根据本发明实施方式的用于半导体开关器件的保护电路和栅极驱动电路可进一步包括电平转换器610、第一滤波器单元620、第二滤波器单元630以及第三滤波器单元640。

电平转换器610可将栅极信号SG1的电平进行转换，并且将电平转换的栅极信号SG1提供至第一滤波器单元620。

第一滤波器单元620可设置在电平转换器610与错误检测单元400之间，以去除包含在来自电平转换器610的信号中的噪声，并且向错误检测单元400提供已去除噪声的栅极信号SG11。

第二滤波器单元630可设置在过电流确定单元200与错误检测单元400之间，以去除包含在过电流确定单元200的过电流确定信号Sover中的噪声，并且向错误检测单元400提供已去除噪声的过电流确定信号Sover1。

此外，第三滤波器单元640可设置在负载开路确定单元300与错误检测单元400之间，以去除包含在负载开路确定单元300的负载开路确定信号Sopen中的噪声，并且向错误检测单元400提供已去除噪声的负载开路确定信号Sopen1。

将参考图4和图5来描述错误检测单元400的实施例。并且图4和图5示出了错误检测单元400的实施例，并且本发明的实施方式并不限于此。

图4为示出了根据本发明实施方式的错误检测单元的第一实施例的框图。

参考图4，错误检测单元400可包括第一逻辑门411、第二逻辑门412以及第三逻辑门413。

第一逻辑门411对来自第一滤波器单元620的栅极信号SG11和来自第二滤波器单元630的过电流确定信号Sover1执行“与”运算。例如，当栅极信号SG1具有高电平并且过电流确定信号Sover1具有高电平时，第一逻辑门411输出高电平信号。

第二逻辑门对来自第一滤波器单元620的信号SG11和来自第三滤波器单元640的信号Sopen1执行“与”运算。例如，当栅极信号SG11具有高电平并且负载开路确定信号Sopen1具有高电平时，第二逻辑门412输出高电平信号。

此外，第三逻辑门412对来自第一逻辑门411的输出信号和来自第二逻辑门412的输出信号执行“或”运算。例如，当来自第一逻辑门411的输出信号和过电流确定信号Sover1中的至少一个具有高电平时，第三逻辑门413输出高电平信号。

图5为示出了根据本发明实施方式的错误检测单元的第二实施例的框图。

参考图5，错误检测单元400可包括反相器421、第一开关422、第二开关423以及逻辑门424。

反相器421将来自第一滤波器单元620的栅极信号SG11进行反相，以便提供电平反相信号。例如，当栅极信号SG11具有高电平时，反相器421将高电平反相为低电平，并且当栅极信号SG11具有低电平时，反相器421将低电平反相为高电平。

第一开关422设置在第二滤波器单元630的输出端与地之间，并且根据来自反相器421的输出信号运行。第二开关423设置在第三滤波器单元640的输出端与地之间，并且根据来自反相器421的输出信号运行。例如，当栅极信号SG11具有高电平时，第一开关422和第二开关423处于导通状态，并且因此第二滤波器单元630和第三滤波器单元640分别通过第一开关422和第二开关423接地。与此不同的是，当栅极信号SG11具有低电平时，第一开关422和第二开关423处于断开状态。

此外，逻辑门424对来自第二滤波器单元630的输出端的信号和来自第三滤波器单元640的输出端的信号执行“或”运算，以提供故障信号SF。例如，当来自第二滤波器单元630的输出端的信号和来自第三滤波器单元640的输出端的信号中的至少一个具有高电平时，逻辑门424可提供高电平故障信号SF，这是因为当栅极信号SG11具有高电平时，第一和第二开关422和423处于断开状态。

图6为根据本发明实施方式的主信号的时序图。

在图6中，Sin为输入至栅极信号发生单元100的输入信号，其为重复高电平和低电平交替重复的脉冲信号。

SG1为由栅极信号发生单元100提供的栅极信号，其与输入信号Sin同步，并且其高电平周期可以在过电流出现时基于过电流Idr来控制。

Idr为在负载10中流动的负载电流，其与栅极信号SG1同步地流动，并对应于由电流检测单元80检测的目标信号。

例如，当过电流在负载10中流动而同时栅极信号SG1具有半导体开关器件50的导通电平时，负载电流量Idr将为过电流确定参考值或更大值，并且当负载10开路时，将负载电流Idr设置为负载开路参考值或更小值。

Vd为从电流检测单元80提供的检测值，并且对应于与负载电流Idr对应的电压电平（Vd=Idr/R，R为电流检测单元的检测电阻）。

例如，在常规状态的情况下，当栅极信号SG1具有半导体开关器件50的导通电平时，检测值Vd可具有过电流参考值Vref1与负载参考值Vref2之间的值，在过电流的情况下，检测值Vd可具有过电流参考值Vref1或更大值，而在负载开路情况中，检测值Vd可具有负载参考值Vref2或更小值。

Sover（或Sover1）为从过电流确定单元200提供的过电流确定信号Sover，并且在过电流出现时具有高电平。

Sopen（或Sopen1）为从负载开路确定单元300提供的负载开路确定信号，并且在负载开路时具有高电平。

SG11与栅极信号SG1同步，并且为从电平转换器610提供的栅极信号。

SF为从错误检测单元400提供的故障信号，并且在出现过电流或负载开路时具有高电平。

如上所述，根据本发明的实施方式，用于半导体开关器件的栅极驱动电路在半导体开关器件的驱动过程中可以执行过电流保护功能和负载开路检测功能。

此外，根据本发明的实施方式，可避免由于噪声而导致的误检测的错误，并且可通过确定半导体开关器件是否使用栅极信号驱动并且仅当驱动半导体开关器件时检测过电流或负载开路来精确地检测半导体开关器件的负载是否开路。

尽管已经结合实施方式对本发明进行了描述，但是对于本领域的技术人员显而易见的是，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可进行修改和变形。

Claims (14)

1.一种用于半导体开关器件的保护电路，包括：

过电流确定单元，根据栅极信号运行以确定流过控制负载电流的半导体开关器件的所述负载电流是否为过电流；

负载开路确定单元，基于来自检测所述负载电流的电流检测单元的检测值确定负载是否为开路；

错误检测单元，当确定所述过电流流动或所述负载为开路而同时所述栅极信号处于所述半导体开关器件的导通电平时，产生故障信号；

电平转换器，对所述栅极信号的电平进行转换，并且向所述错误检测单元提供电平转换的栅极信号；

第一滤波器单元，设置在所述电平转换器与所述错误检测单元之间，以去除包含在来自所述电平转换器的信号中的噪声；

第二滤波器单元，设置在所述过电流确定单元与所述错误检测单元之间，以去除包含在来自所述过电流确定单元的信号中的噪声；以及

第三滤波器单元，设置在所述负载开路确定单元与所述错误检测单元之间，以去除包含在来自所述负载开路电流确定单元的信号中的噪声。

2.根据权利要求1所述的用于半导体开关器件的保护电路，其中，所述过电流确定单元将来自所述电流检测单元的所述检测值与预设过电流参考值进行比较，以在所述检测值等于或大于所述过电流参考值时确定存在所述过电流。

3.根据权利要求1所述的用于半导体开关器件的保护电路，其中，所述过电流确定单元包括第一比较器，所述第一比较器具有从所述电流检测单元接收所述检测值的非反相输入端、接收预设过电流参考值的反相输入端以及将所述检测值与所述过电流参考值进行比较以根据比较结果提供过电流确定信号的输出端。

4.根据权利要求1所述的用于半导体开关器件的保护电路，其中，所述负载开路确定单元将来自所述电流检测单元的所述检测值与预设负载开路参考值进行比较，以在所述检测值等于或小于所述负载开路参考值时确定所述负载为开路。

5.根据权利要求1所述的用于半导体开关器件的保护电路，其中，所述负载开路确定单元包括第二比较器，所述第二比较器具有从所述电流检测单元接收所述检测值的反相输入端、接收预设负载开路参考值的非反相输入端以及将所述检测值与所述负载开路参考值进行比较，以根据比较结果提供负载开路确定信号的输出端。

6.根据权利要求1所述的用于半导体开关器件的保护电路，其中，所述错误检测单元包括：

第一逻辑门，对来自所述第一滤波器单元的信号和来自所述第二滤波器单元的信号执行“与”运算；

第二逻辑门，对来自所述第一滤波器单元的信号和来自所述第三滤波器单元的信号执行“与”运算；以及

第三逻辑门，对来自所述第一逻辑门的输出信号和来自所述第二逻辑门的输出信号执行“或”运算。

7.根据权利要求1所述的用于半导体开关器件的保护电路，其中，所述错误检测单元包括：

反相器，对来自所述第一滤波器单元的信号进行反相；

第一开关，设置在所述第二滤波器单元的输出端与地之间，以根据来自所述反相器的输出信号而运行；

第二开关，设置在所述第三滤波器单元的输出端与地之间，以根据来自所述反相器的所述输出信号而运行；以及

逻辑门，对来自所述第二滤波器单元的所述输出端的信号和来自所述第三滤波器单元的所述输出端的信号执行“或”运算。

8.一种用于半导体开关器件的栅极驱动电路，包括：

栅极信号发生单元，向所述半导体开关器件提供栅极信号，以用来控制负载电流；

过电流确定单元，确定流过所述半导体开关器件的负载电流是否为过电流；

负载开路确定单元，基于来自检测所述负载电流的电流检测单元的检测值确定负载是否为开路；

错误检测单元，当确定所述过电流流动或负载为开路而同时所述栅极信号处于所述半导体开关器件的导通电平时，产生故障信号；

保护控制单元，根据所述故障信号停止所述栅极信号发生单元的运行；

电平转换器，对所述栅极信号的电平进行转换，并且向所述错误检测单元提供电平转换的栅极信号；

第一滤波器，设置在所述电平转换器与所述错误检测单元之间，以去除包含在来自所述电平转换器的信号中的噪声；

第二滤波器单元，设置在所述过电流确定单元与所述错误检测单元之间，以去除包含在来自所述过电流确定单元的信号中的噪声；以及

第三滤波器单元，设置在所述负载开路确定单元与所述错误检测单元之间，以去除包含在来自所述负载开路电流确定单元的信号中的噪声。

9.根据权利要求8所述的用于半导体开关器件的栅极驱动电路，其中，所述过电流确定单元将来自所述电流检测单元的所述检测值与预设过电流参考值进行比较，以在所述检测值等于或大于所述过电流参考值时，确定存在所述过电流。

10.根据权利要求8所述的用于半导体开关器件的栅极驱动电路，其中，所述过电流确定单元包括第一比较器，所述第一比较器具有从所述电流检测单元接收所述检测值的非反相输入端、接收预设过电流参考值的反相输入端以及将所述检测值与所述过电流参考值进行比较以根据比较结果提供过电流确定信号的输出端。

11.根据权利要求8所述的用于半导体开关器件的栅极驱动电路，其中，所述负载开路确定单元将来自所述电流检测单元的所述检测值与预设负载开路参考值进行比较，以在所述检测值等于或小于所述负载开路参考值时，确定负载为开路。

12.根据权利要求8所述的用于半导体开关器件的栅极驱动电路，其中，所述负载开路确定单元包括第二比较器，所述第二比较器具有从所述电流检测单元接收所述检测值的反相输入端、接收预设负载开路参考值的非反相输入端以及将所述检测值与所述负载开路参考值进行比较以根据比较结果提供负载开路确定信号的输出端。

13.根据权利要求8所述的用于半导体开关器件的栅极驱动电路，其中所述错误检测单元包括：

第一逻辑门，对来自所述第一滤波器单元的信号和来自所述第二滤波器单元的信号执行“与”运算；

第二逻辑门，对来自所述第一滤波器单元的信号和来自所述第三滤波器单元的信号执行“与”运算；以及

第三逻辑门，对来自所述第一逻辑门的输出信号和来自所述第二逻辑门的输出信号执行“或”运算。

14.根据权利要求8所述的用于半导体开关器件的栅极驱动电路，其中所述错误检测单元包括：

反相器，对来自所述第一滤波器单元的信号进行反相；

第一开关，设置在所述第二滤波器单元的输出端与地之间，以根据所述反相器的输出信号而运行；

第二开关，设置在所述第三滤波器单元的输出端与地之间，以根据所述反相器的所述输出信号而运行；以及

逻辑门，对来自所述第二滤波器单元的所述输出端的信号和来自所述第三滤波器单元的所述输出端的信号执行“或”运算。