CN104578734A - 改进型栅极钳位 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种改进型栅极钳位电路，包括：开关；耦合至开关的可切换钳位元件；以及被配置用于至少部分基于驱动器控制信号来控制开关的驱动器。驱动器进一步被配置用于启用或禁用可切换钳位元件。可切换钳位元件被配置用于，当可切换钳位元件被驱动器启用时，并且当跨开关的电压或在开关处的电流满足用于启动可切换钳位元件的阈值时，将跨开关的电压钳位。

Description

改进型栅极钳位

技术领域

本公开涉及用于开关的栅极钳位技术。

背景技术

一些电路可以使用功率变换器将来自电源的输入电压或电流变换(例如，升压(boost)或降压(buck))为经调整的输出电压或电流，用于为部件、电路或其它电气装置提供电力。基于开关的功率变换器可以使用一个或多个开关和一种或多种信号调制技术来调整输出。杂散电感是一种与功率变换器相关联的寄生效应。功率变换器的布线、功率变换器的连接、功率变换器的电气部件的几何布置、功率变换器的电流路径的长度、以及功率变换器的去耦合电容器的位置等，均可以引起杂散电感。功率变换器的电流路径的电流电平变化可以导致基于寄生或杂散电感的寄生电压脉冲。寄生电压脉冲的幅度可以由杂散电感的大小以及电流随时间变化的梯度(di/dt)限定。寄生电压脉冲增加了正常运行电压，两者之和可能会超过开关的容许电压(例如，额定电压)并且可能会毁坏开关。而且，寄生电压脉冲可能会在功率变换器的其余部分以及相关联的系统中引入基于电磁干扰(EMI)的噪声，并且/或者可能会使测量值或者普通功率变换器和/或系统的行为讹误。例如，寄生效应和杂散电感可以在功率变换器的一个或多个开关处引起过电流、过电压、或者其它类型的故障，尤其是当开关在开关的接通状态下运行与在开关的断开状态下运行之间转换时(例如，当开关接通或断开时)。

一些功率变换器可以包括用于限制寄生效应和杂散电感的特性或特征。虽然寄生效应和杂散电感可以被限制和降低，但是一些寄生效应和杂散电感的存在是不可避免的。此外，一些功率变换器可以使用固定跨接在功率变换器的一个或多个部件的钳位元件，来使这些部件免于被由寄生效应和杂散电感诱发的、在功率变换器的故障模式期间可能会发生或正发生的、潜在的或实际的过电流、过电压或者其它故障条件(failure condition)所损坏。然而，使用固定钳位元件可能会减小功率变换器的运行电压并且/或者会降低功率变换器系统的总效率。

发明内容

总体而言，描述了技术和电路，用于选择性地将在功率变换器的开关处的电压和/或电流钳位，以避免即将发生的或实际的故障条件(例如，过电压和/或过电流)损坏开关。功率变换器(例如，降压或升压变换器、逆变器等)可以包括至少一个开关，并且可以使用信号调制技术来使开关接通和/或断开，以将输入电压变换为经调整的输出电压和/或电流。

功率变换器可以进一步包括可切换钳位元件，用于将跨开关的电压和/或电流钳位，以防止电压和/或电流达到可以损坏开关的电平。当功率变换器检测到的跨开关的电压指示有实际的或可能的故障条件的风险时，功率变换器“启用(enable)”可切换钳位元件(例如，接通可切换钳位元件，并且使可切换钳位元件在接通状态下运行)。通过启用可切换钳位元件，在满足可切换钳位元件的阈值或其它启动准则的情况下，功率变换器配置可切换钳位元件，以产生通过可切换钳位元件的额外的电流路径，以便从开关转移走由故障条件引起的过剩电流。当跨开关的电压没有指示有实际的或可能的故障条件的风险时，功率变换器“禁用(disable)”可切换钳位元件(例如，断开可切换钳位元件)。通过禁用可切换钳位元件，即使满足可切换钳位元件的阈值或其它启动准则，功率变换器也配置可切换钳位元件，以防止产生通过可切换钳位元件的额外的电流路径。

在一个示例中，本公开涉及一种电路，其包括开关、耦合至开关的可切换钳位元件、以及被配置用于至少部分基于驱动器控制信号来控制开关的驱动器。驱动器进一步被配置用于启用或禁用可切换钳位元件。可切换钳位元件被配置为，当可切换钳位元件被驱动器启用时，并且当跨开关的电压或在开关处的电流满足用于启动可切换钳位元件的阈值时，将跨开关的电压钳位。

在另一示例中，本公开涉及一种方法，其包括，通过被配置用于控制开关的驱动器，至少部分基于跨开关的电压或在开关处的电流，来控制耦合至开关的可切换钳位元件；其中可切换钳位元件被配置为，当可切换钳位元件被驱动器启用时，并且当跨开关的电压或在开关处的电流满足用于启动可切换钳位元件的阈值时，将跨开关的电压钳位。

在另一示例中，本公开涉及一种电路，其包括用于至少部分基于跨开关的电压或在开关处的电流来控制耦合至开关的可切换钳位元件的装置；其中可切换钳位元件被配置为，当可切换钳位元件被驱动器启用时，并且当跨开关的电压或在开关处的电流满足用于启动可切换钳位元件的阈值时，将跨开关的电压钳位。

将在下面的附图和说明中阐明一个或多个示例的细节。本发明的其它特征、目的和优点将由说明和附图以及由权利要求书而变得更加显而易见。

附图说明

图1是图示了根据本公开的一个或多个方面的用于变换来自电源的功率的示例系统的框图。

图2是图示了图1所示的示例系统的功率变换器的一个示例的框图。

图3是图示了根据本公开的一个或多个方面的包括改进型栅极钳位的示例变换器单元的电路图。

图4是图示了根据本公开的一个或多个方面的包括用于提供改进型栅极钳位的升压器的另一示例变换器单元的电路图。

图5是图示了图3所示的示例变换器单元和图4所示的另一示例变换器单元的示例驱动器的框图。

图6是图示了根据本公开的一个或多个方面的示例功率变换器的示例操作的流程图。

图7是图示了本公开的一个或多个方面的各种时序特性的时序图。

具体实施方式

在一些应用中，功率变换器(以下称为“变换器”)可以将来自电源的输入电压变换(例如，通过升压或者降压)为，用于装置(例如，负载)的经调整的输出电压或电流。功率变换器可以具有包括一个或多个开关(例如，MOS功率开关晶体管、基于氮化镓(GaN)的开关或者其它类型的开关装置)的半桥。例如，半桥可以包括在切换节点处耦合至的低侧开关的高侧开关。通过利用调制技术来控制半桥的开关，变换器可以调整在半桥的切换节点处的电流或电压的量。半桥的开关的这种调制可以根据脉冲宽度调制(PWM)、脉冲密度调制(PDM)、或者其它适当的调制技术来进行。

由于在开关处的杂散电感电平的作用，当开关接通或者断开时，在开关周期内在开关处可能会发生故障条件(例如，超出半桥的部件的额定电压或额定电流的电压尖峰或电流尖峰)。例如，功率变换器可能容易受到引起跨开关的过电流和/或过电压尖峰的一定量的电气噪声或辐射的影响。过电流、过电压或者其它类型的故障条件可以在开关处产生超过开关的运行额定值的并且可能会损坏开关的电流和/或电压电平。在一些情况下，考虑到可能的过电流、过电压或其它故障条件，在功率变换器中使用具有更高运行容差的开关。具有更高运行容差的开关可能会使电路的成本提高。

一些功率变换器可以包括这样的特性，用于最大程度地减小由于在开关处的杂散电感的作用而产生的EMI和噪声，从而限制过电流、过电压或其它故障条件的频率和/或强度，以防止在开关处的电压或电流超出开关的运行额定值。例如，一些功率变换器可以包括额外的屏蔽，以最大程度地减少在开关处的外部电辐射和噪声的量。虽然一些功率变换器可以被设计和/或被操作用于最大程度地减少EMI和噪声，但是几乎永远不能将在功率变换器的开关处的EMI和噪声完全消除或限制到零电平。

一些功率变换器可以包括所谓的“固定钳位元件”或者“固定钳位器”(例如，齐纳二极管、瞬态电压抑制(TVS)二极管、雪崩二极管、或者可以用作“钳位器”以抑制电压和/或电流的其它电气电路和/或部件)，其跨开关设置，并且被配置用于抑制在开关处的电压和/或电流尖峰并且被配置用于避免由在开关处的故障条件引起的潜在的损坏。例如，一些功率变换器可以包括跨开关设置的并且被配置以作为固定钳位元件的齐纳二极管。当在开关处的并且跨固定钳位元件的电压满足固定钳位元件的阈值或其它启动准则时(例如，当在开关处的电压超过了齐纳二极管的击穿电压时)，通过固定钳位元件创建电流路径。电流路径通过固定钳位元件转移走过剩电流，并且使开关免受过电压的影响。由固定钳位元件创建的额外电流路径，使得将跨开关的电压限制或钳位于，保持于或者低于固定钳位元件的阈值(例如，齐纳二极管的击穿电压)的电平。换言之，固定钳位元件限制了在开关处的电压，使其不超过固定钳位元件的阈值和开关的最大电压。

贯穿本公开，术语“钳位元件”和“钳位器”用于描述用于抑制或将电压和/或电流钳位的任何电气装置、部件或电路。术语“固定钳位器”和“固定钳位元件”的使用是指不能被“禁用”或“断开”的钳位器和钳位元件。例如，在钳位器或钳位元件被固定时，如果跨固定钳位元件或固定钳位器的电压满足了固定钳位元件的阈值或其它启动准则，则无法禁用固定钳位器或固定钳位元件，以及无法阻止固定钳位器或固定钳位元件形成通过固定钳位器或固定钳位元件的电流路径。换言之，采用固定钳位器或固定钳位元件，如果满足了阈值或其它启动准则，则总是能够通过固定钳位器或固定钳位元件形成电流路径。

下面将对各种类型的可切换钳位元件进行描述，并且所描述的电路和技术广泛适用于这些类型的可切换钳位元件中的每一类型。例如，一种类型的可切换钳位元件是“常启用(normally-enabled)”(例如，“常通”)类型的可切换钳位元件。常启用或常通类型的可切换钳位元件指的是，即使驱动器不正在控制可切换钳位元件以及/或者驱动器未被供电也能将跨开关的电压钳位的可切换钳位元件。如果连接了驱动器，那么驱动器可以控制可切换钳位元件以禁用可切换钳位元件；否则，启用常启用或常通类型可切换钳位元件。在一些示例中，常通类型的可切换钳位元件可以模型化为与钳位器串联的常通晶体管(例如，耗尽型MOS晶体管)。

例如，第二种类型的可切换钳位元件是“常禁用”(例如，“常断”)类型的可切换钳位元件。常禁用或常断类型的可切换钳位元件指的是这样的可切换钳位元件，其不能将跨开关的电压钳位，除非驱动器不正在控制可切换钳位元件并且/或者驱动器被供电以便启用可切换钳位元件。如果连接了驱动器，那么驱动器可以控制可切换钳位元件以启用可切换钳位元件；否则，禁用常禁用或常断类型可切换钳位元件。在一些示例中，常断类型的可切换钳位元件可以被模型化为与钳位器串联的常断晶体管(例如，增强型MOS晶体管)。

通过使用仅依赖阈值(例如，击穿电压)或其它启动准则来使开关免受故障条件影响的固定钳位元件，固定钳位元件可以限制功率变换器，使其不在超过固定钳位元件的阈值或其它启动准则的更高的工作电压下运行。换言之，一些使用固定钳位元件的功率变换器的最大工作电压可以基于固定钳位元件的阈值或其它启动准则，而不是基于功率变换器的开关的实际电压额定值。为此，固定钳位元件可以防止一些功率变换器在固定钳位元件的容差窗口之外运行，即使受固定钳位元件保护的开关可能具有指示开关可以在超过该容差窗口的更高工作电压下运行的电压额定值。

可以通过减慢开关速度(更低的di/dt)或者通过降低正常运行电压，来减小由于杂散电感引入的寄生电压脉冲的影响而在开关处发生过电压的风险。减慢开关速度和降低正常运行电压两者都可能对功率变换器的总效率有负面影响。更慢的开关速度可能会导致更多的开关损耗，这是因为增加了开关在接通状态与断开状态(反之亦然)之间的转换时间的长度。降低正常运行电压可能会导致用于实现相同额定功率的电流的需求量增加。这可能会导致更多的传导损失，也可能会导致支持更高电流需求量的更昂贵的部件。

在一些功率变换器中，上述由于使用固定钳位元件而产生的缺点(例如，使工作电压降低等)，可以通过使用更高电压等级的固定钳位元件(例如，本质上具有更高阈值、更高击穿电压、或其它增强的启动准则的固定钳位元件)来克服。例如，一些功率变换器可以使用具有更高电压等级的固定钳位元件，该元件的击穿电压所在的电压电平与固定钳位元件所保护的开关的电压额定值相同。但是，和更高电压等级的开关一样，更高电压等级的固定钳位元件可能必然会增加功率变换器的成本和大小。

大体而言，如果功率变换器确定在开关处可能会发生或者正在发生故障条件，那么本公开的电路和技术可以使功率变换器能够选择性地启用或接通“可切换钳位元件”，以保护功率变换器的开关免受在开关处的故障条件的影响。一旦被启用，可切换钳位元件就被配置用于，如果满足了可切换钳位元件的阈值或其它启动准则，那么创建通过可切换钳位元件的电流路径。

通过启用的或接通的可切换钳位元件创建的电流路径可以在发生故障条件(例如，在开关处的过电压或过电流)期间将电流从开关转移走，从而防止开关被故障条件损坏。然而，通过启用的或接通的可切换钳位元件创建的电流路径也可以防止开关在超过了可切换钳位元件的阈值或其它启动准则的工作电压电平下运行。

为了允许开关在更高工作电压(例如，超过了可切换钳位元件的阈值或其它启动准则的电压电平)下运行，如果功率变换器确定在开关处不太可能会发生故障条件，那么功率变换器可以选择性地禁用或断开可切换钳位元件。通过禁用或者断开可切换钳位元件，即使满足了可切换钳位元件的阈值或其它启动准则，也会防止可切换钳位元件创建通过可切换钳位元件的过剩电流路径。通过禁用可切换钳位元件并且防止通过可切换钳位元件来创建过剩电流路径，功率变换器可以在，比当可切换钳位元件被启用时开关被限制在的运行工作电压更高的工作电压电平(例如，超过了可切换钳位元件的阈值或其它启动准则的电压电平)下，操作开关。

不像一些其它功率变换器一样使用一个或多个固定钳位元件，根据本文所描述的电路和技术的功率变换器使用一个或多个可切换钳位元件。这些可切换钳位元件可以在开关处发生故障条件的情况下选择性地被启用或接通以使开关免受故障条件的影响，并且还可以当在开关处的电压指示出不太可能会发生故障条件时选择性地被断开或禁用。由于可选择钳位元件不是永久地启用或接通的，所以在功率变换器的开关处的故障条件不一定被约束至钳位元件的击穿电压。功率变换器可以在增加了的工作电压(例如，超过了可切换钳位元件的击穿电压的电压)下运行，并且与使用固定钳位元件的一些其它功率变换器相比，可以以更高的效率和更小的切换损失来运行。此外，功率变换器可以通过使用(相对于一些传统技术而言)额定(例如，电压和/或电流)更低且/或容差更低的开关来消除可能的过电流和/或过电压条件，从而有助于减少功率变换器的实施成本。

贯穿本公开，术语“故障条件”用于描述能够损坏功率变换器的开关的实际电压和/或电流尖峰以及指示即将发生的故障条件的电压和/或电流电平两者，或者用于描述实际故障条件的电平能够达到的电压或电流电平。故障条件可以对应于超出开关的电压或电流额定值的电压或电流尖峰，但并不一定被约束至钳位元件的阈值或其它启动准则(例如，击穿电压)。

图1图示了根据本公开的一个或多个方面的用于变换来自电源的功率的示例系统的框图。虽然图1示出了系统1具有三个独立的不同部件，如图所示的电源2、功率变换器6和装置4，但是系统1也可以包括额外的或更少的部件。例如，电源2、功率变换器6和装置4可以是三个单独的部件，或者可以代表提供系统1的功能的一个或多个部件的组合，如本文所描述。

系统1包括为系统1提供电能(即，功率)的电源2。存在众多电源2的示例，并且这些示例可以包括但不限于电网、发电机、功率变压器、电池、太阳能电池板、风车、再生制动系统、水力发电机、或者能够为系统1提供电能的任何其它电力设备。

系统1包括功率变换器6，该功率变换器6用作基于开关的功率变换器，将电源2提供的电能变换为可为装置4可用形式的电力。功率变换器6的示例可以包括各种类型的电源、电池充电器、微处理器电源或其它集成电路的电源等。

系统1包括接收由功率变换器6变换的电力(例如，电压、电流等)的装置4，并且在一些示例中，装置4使用该电力来执行功能。存在众多装置4的示例，并且这些示例可以包括但不限于计算装置及其相关部件，诸如微处理器、电气部件、电路、笔记本计算机、台式计算机、平板计算机、移动电话、电池、扬声器、照明单元、汽车/船只/航空/火车相关的部件、电机、变压器、或者用于接收来自功率变换器的电压或电流形式的电力的任何其它类型的电气装置和/或电路。

电源2通过链路8提供第一电压，而装置4可以通过链路10接收由功率变换器6变换的第二电压。链路8和10代表能够将电力从一个位置传导到另一位置的任何介质。链路8和10的示例包括但不限于物理的和/或无线的电力传送介质，诸如电线、电迹线、导电气管(conductive gas tube)、双绞线等。链路10在功率变换器6与装置4之间提供电耦合，而链路8在电源2与功率变换器6之间提供电耦合。装置4电耦合至功率变换器6，该功率变换器6电耦合至电源2。

在系统1的示例中，电源2生成的电压可以被调整和/或变换为适合装置4使用的形式。例如，在链路8处，电源2可以输出，并且功率变换器6可以接收，在第一电压电平下的功率。在第一电压电平下的功率可能不适合为装置4提供电力。例如，装置4可能要求在不同于与电源2提供的功率相关联的第一电压电平的第二电压电平(例如，更高或更低)下的功率。功率变换器6可以将在第一电压电平下的功率变换为装置4所要求的并且适用于装置4的在第二电压电平下的功率。在链路10处，功率变换器6可以输出，并且装置4可以接收，在第二电压电平下的功率。装置4可以使用在第二电压电平下的功率来执行功能(例如，为微处理器供电)。

图2图示了图1所示的示例系统的功率变换器的一个示例的框图。特别地，图2示出了图1中的系统1的功率变换器6的更加详细的示例性视图、以及分别由链路8和10提供的在电源2与装置4之间的电连接。

图中示出了功率变换器6具有两个电气部件：控制器单元12和变换器单元14。功率变换器6用于将经由链路8接收到的功率变换为，功率变换器6在链路10上输出的不同形式和/或幅度的功率。功率变换器6可以包括比图2中所图示的电气部件更多或更少的电气部件。例如，在一些示例中，控制器单元12和变换器单元14是单个的半导体裸片、电气部件或者电路；而在其它示例中，两个以上的裸片、部件和/或电路为功率变换器6提供了控制器单元12和变换器单元14的功能。

变换器单元14代表功率变换器6的基于开关的功率变换元件，该功率变换元件将在耦合至链路8的输入端口处接收到的功率变换为不同形式的功率，并且在耦合至链路10的输出端口处提供经变换的不同形式的功率。下面将对变换器单元14进行更详细地描述，然而大体而言，变换器单元14可以在耦合至链路8的连接(例如，输入端口)处接收在第一电压电平下的功率。变换器单元14可以至少部分基于在第一电压电平下的功率，来在耦合至链路10的不同连接(例如，输出端口)处传输在第二电压电平下的功率。变换器单元14可以经由链路16接收来自控制器单元12的驱动器信号或驱动命令，诸如脉冲宽度调制(PWM)信号、脉冲密度调制(PDM)信号或者根据一些其它适当的调制技术来控制变换器单元4的任何其它信号。变换器单元14可以使用驱动器控制信号或驱动命令信号来控制变换器单元14在链路10处输出的功率的形式和幅度。变换器单元14包括驱动器电路或单元，用于将在链路16处的驱动器控制信号的电压和电流电平调节至，使开关被设置至其接通状态或断开状态所需的电压和电流电平。

变换器单元14可以包括一个或多个开关、栅极驱动器、半桥电路、H桥电路、输入滤波器、输出滤波器、或其组合，以便基于在链路8处接收到的功率输入和在链路16处接收到的驱动器信号来在链路10处提供功率输出。变换器单元14可以包括被设置在变换器单元14内的用于在链路10处提供功率输出的、一个或多个开关装置、电容器、电阻器、晶体管、变压器、电感器、钳位元件、和/或其它电气部件或电路。

例如，变换器单元14可以包括与功率变换器6的输入端口并联设置的半桥，该半桥包括在切换节点处耦合至第二开关(例如，低侧开关)的第一开关(例如，高侧开关)。驱动器可以耦合至半桥的第一开关并且可以被配置用于基于驱动器控制信号(例如，PWM、PDM等)控制第一开关。此外，变换器单元14可以包括耦合至第一开关的一个或多个可切换钳位元件，用于当驱动器使得可切换钳位元件被启用或在可切换钳位元件的接通状态下运行时，并且当满足可切换钳位元件的阈值或其它启动准则时，将跨第一开关的电压钳位。下面将相对于其它附图对可切换钳位元件进行更详细地描述。在一些示例中，变换器单元14的驱动器可以基于在第一开关处检测到的向控制器指示在第一开关处将要发生或者正在发生故障条件的电压电平和/或电流电平，来控制(例如，启用/禁用或接通/断开)可切换钳位元件。在其它示例中，在第一开关处检测到即将发生的或实际的故障条件的情况下，控制器单元12或变换器单元14的另一电路可以控制(例如，启用/禁用或接通/断开)可切换钳位元件。

功率变换器6的控制器单元12可以经由链路16向变换器单元14提供驱动器控制信号或驱动命令，以便控制变换器单元14在链路10处输出的功率的形式和幅度。例如，控制器单元12可以基于在链路8和/或链路10处的功率输入的电压电平，来生成PWM信号或者与其它一些合适的调制技术相关联的其它信号。在其它示例中，控制器单元12可以基于在链路8和/或链路10处检测到的功率输入的电压电平，来生成PDM信号或者与其它一些合适的调制技术相关联的其它信号。换言之，控制器单元12可以向功率变换器6提供驱动器控制信号，用于调制(例如，控制)变换器单元14的半桥的开关的开关模式，以使变换器单元14在链路10处输出，具有至少基于在链路8和/或链路10处的功率输入的电压电平而被调制的电压电平的功率。

例如，控制器单元12可以通过链路16提供PWM信号，该PWM信号使得变换器单元14的驱动器使得开关在接通状态下运行与在断开状态下运行之间转换(例如，接通开关或断开开关)。响应于在链路8处的功率输入的电压电平，控制器单元12可以变更PWM信号的占空比，以调节驱动器使开关的状态发生变化的时间点。通过变更驱动器控制信号的占空比，控制器单元12可以改变变换器单元14在链路10处提供的功率输出的形式或幅度(例如，改变功率输出的电压电平)。

在其它示例中，控制器单元12可以通过链路16提供PDM信号，该PDM信号使得变换器单元14的驱动器使得半桥的开关在接通状态下运行与在断开状态下运行之间转换。响应于在链路8处的功率输入的电压电平，控制器单元12可以变更PDM信号的平均值，以调节驱动器使得开关的状态发生变化的频率。通过变更PDM信号的平均值，控制器单元12可以改变变换器单元14在链路10处提供的功率输出的形式或幅度(例如，改变功率输出的电压电平)。

控制器单元12可以包括模拟和/或数字的硬件、软件、固件或其组合的任何适当布置，以执行归因于本文所描述的控制器单元12的技术。例如，控制器单元12可以包括任何一个或多个微处理器、信号处理器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、或者任何其它等效的集成的、数字的、模拟的或分立的逻辑电路及其这类部件的任何组合。当控制器单元12包括软件或固件时，控制器单元12进一步包括用于储存以及执行该软件或固件的硬件，诸如一个或多个处理器或者处理单元。大体而言，处理单元可以包括一个或多个微处理器、信号处理器、ASIC、FPGA、或者任何其它等效的集成的、数字的、模拟的或分立的逻辑电路、及其这类部件的任何组合。虽然图2中未示出，但是控制器单元12也可以包括被配置用于储存数据的存储器。存储器可以包括任何易失性或非易失性介质，诸如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、非易失性RAM(NRAM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)、闪速存储器等。在一些示例中，存储器可以外接至控制器单元12和/或功率变换器6，例如可以外接至其中容纳了控制器单元12和/或功率变换器6的封装。

图3是图示了根据本公开的一个或多个方面的包括改进型栅极钳位的示例变换器单元的电路图。例如，图3示出了变换器单元14A，该变换器单元14A代表图2的功率变换器6的变换器单元14的更详细的示例性视图。下面将结合图1的系统1和图2的功率变换器6对图3进行描述。

变换器单元14A包括端口18、端口20、半桥26、可切换钳位元件28和驱动器40。半桥26包括在切换节点52处耦合至的开关32的开关30。半桥26与端口18并联设置，其中开关30的第一端子耦合至节点50而且开关32的第二端子耦合至节点54。图3图示了半桥26具有，将基于在半桥26处接收到的电气噪声或其它辐射来杂散电感模型化的杂散电感器22和24。在半桥26处的杂散电感可以在半桥26处引起过电流、过电压或者其它类型的故障条件，特别是当(如下面所描述的)变换器单元14A使得开关30和32在接通状态下运行与在断开状态下运行之间转换(例如，接通或断开)时。在一些示例中，可以在端口20处放置一个滤波器(例如，输出滤波器)并且可以在端口18处放置不同的滤波器(例如，输入滤波器)，以减小杂散电感。为了便于描述，在图3中未示出这些输入和/或输出滤波器。

下面将结合用作降压变换器的变换器单元14A对图3进行描述，该降压或降低电压(step-down)变换器用于将功率输入变换为具有低于功率输入的电压电平的电压电平的功率输出。在一些示例中，变换器单元14A可以是用于将功率输入变换为具有高于功率输入的电压电平的电压电平的功率输出的升压变换器。

例如，用作降压或降低电压变换器的变换器单元14A可以在端口18(例如，输入端口)处接收通过链路8传输的在输入电压电平下的功率输入，并且在端口20(例如，输出端口)处通过链路10提供在低于输入电压电平的输出电压电平下的功率输出。在一些示例中，用作升压或升高电压(step-up)变换器时，端口18可以耦合至链路10，而端口20可以耦合至链路8，而且变换器单元14A可以在端口20(例如，输入端口)处接收在输入电压电平下的功率输入，并且在端口18(例如，输出端口)处提供在高于输入电压电平的输出电压电平下的功率输出。

端口18包括对应于变换器单元14A的节点50和54的两个端子。端口20包括对应于节点54和半桥26的切换节点52的两个端子。虽然图中未示出，但是端口18和20可以包括用于过滤由变换器单元14A接收和传输的功率输入和/或功率输出的一个或多个滤波器。例如，当变换器单元14A用作降低电压变换器时，输出滤波器(例如，电感器和电容器)可以被设置在切换节点52与端口20的端子之间；而当变换器单元14A用作升高电压变换器时，输出滤波器可以被设置在节点50与端口18的端子之间。变换器单元14A可以使用调制技术(例如，PWM、PDM或者其它适当的调制技术)，来在切换节点52处提供，具有基于在端口18处越过半桥26接收到的以及在端口20处接收到的功率输入的输入电压电平的输出电压电平和/或输出电流电平的功率输出。

开关30可以包括半桥26的高侧开关，而开关32可以包括半桥26的低侧开关。存在很多开关30和开关32的示例，并且这些开关可以是任何类型的开关装置，其中当这些开关装置被设置在半桥配置中时，这些开关装置适用于在切换节点52处将功率输入的电压电平降低电压或升高电压(例如，降压或升压)至功率输出的输出电压电平。例如，开关30和开关32的一些示例可以包括基于硅(Si)的开关装置、基于氮化镓(GaN)的开关装置、和/或基于碳化硅(SiC)的开关装置、基于GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)的开关装置、基于金属氧化物半导体(MOS)的开关装置、基于场效应晶体管(FET)的开关装置、基于N型MOSFET的开关装置、基于P型MOSFET的开关装置、二极管、HEMT FET(GaN)、JFET(SiC，常通)、IGBT开关装置、或者任何其它类型的功率开关晶体管、开关元件、或开关装置。

驱动器40包括用于控制开关30和可切换钳位元件28的栅极驱动器。在其它示例中，图中未示出，控制器单元12可以通过链路16发送信号，该信号允许控制器单元12直接控制可切换钳位元件28。在一些示例中，例如，当开关32是可控制的开关装置而非二极管时，变换器单元14A包括用于控制开关32的额外的驱动器。驱动器40可以包括除图3所图示的连接之外的额外的连接。例如，驱动器40可以包括至电位或电流源的连接以及至局部参考电位的连接。

在图3的示例中，驱动器40耦合至开关30，从而使得驱动器40通过链路60产生的输出可以使得开关30在接通状态下运行与在断开状态下运行之间转换。换言之，通过经由链路60输出信号，驱动器可以使得开关30“接通”或“断开”。驱动器40被配置用于至少部分基于通过链路16接收到的驱动器控制信号来控制(例如，接通或断开)开关30。例如，功率变换器6的控制器单元12可以通过链路16发送驱动器控制信号，以使得变换器单元14A调制开关30和/或开关32。基于通过链路16接收到的驱动器控制信号，驱动器40可以在链路60处产生输出，该输出使得开关30在开关30的接通状态下运行与在开关30的断开状态下运行之间转换，以便调制在切换节点52处的功率输出的电压电平。

如图3所示，驱动器40耦合至可切换钳位元件28，从而使得由驱动器40通过链路64产生的输出可以启用可切换钳位元件28，从而使得可切换钳位元件28在接通状态下运行与在断开状态下运行之间转换(例如，接通或断开)。换言之，驱动器40可以通过经由链路64输出信号，来启用可切换钳位元件28并且使得可切换钳位元件28“接通”。同样地，驱动器40可以通过经由链路64输出不同的信号，来禁用可切换钳位元件28并且使可切换钳位元件28“断开”。

驱动器40被配置用于至少部分基于由驱动器40在开关30处检测到的电压电平和/或电流电平来控制可切换钳位元件28(例如，启用或禁用可切换钳位元件28)。例如，驱动器40可以通过链路62接收指示跨开关30的电压电平和/或在开关30处的电流的信息。至少部分基于检测到的跨开关30的电压电平和/或在开关30处的电流，驱动器40可以启用可切换钳位元件28并且使可切换钳位元件28从在断开状态下运行转换为在接通状态下运行，或者禁用可切换钳位元件28并且使可切换钳位元件28从在接通状态下运行转换为在断开状态下运行。

可切换钳位元件28耦合至开关30，以便在可切换钳位元件28被驱动器40启用时，并且在满足可切换钳位元件28的阈值或其它启动准则时将跨开关30的电压钳位。当可切换钳位元件28被驱动器40禁用时，即使满足可切换钳位元件28的阈值或其它启动准则，也防止可切换钳位元件28将跨开关30的电压钳位。

例如，可切换钳位元件28可以包括开关34和钳位器36。虽然钳位器36在图中示出为齐纳二极管，但是钳位器36可以包括瞬时电压抑制二极管、雪崩二极管、或者可以用作钳位器以抑制跨开关30的电压和/或电流的其它电气电路和/或部件。钳位器36可以具有依赖于钳位器26的阈值或其它启动准则的特性或特征，如果被满足，那么使得通过钳位器36形成电流路径。例如，如果跨钳位器36的电压电平大于等于与钳位器36相关联的击穿电压，那么可以通过钳位器36形成电流路径；否则，如果跨钳位器36的电压电平小于击穿电压，那么电流路径可能不存在。

为了控制可切换钳位元件28，驱动器40可以通过链路64输出一个或多个信号或命令以使可切换钳位元件28的开关34在接通状态下运行与在断开状态下运行之间转换。当驱动器40使开关34在接通状态下运行时，驱动器40启用可切换钳位元件28。一旦被启用，如果当在开关30处的电压电平达到钳位器36的击穿电压时，那么可以通过链路66以及通过钳位器36和开关34形成电流路径，以防止在开关30处的电压超过钳位器36的击穿电压。当驱动器40使开关34在断开状态下运行时，驱动器40禁用可切换钳位元件28。一旦被禁用，防止通过链路66以及通过钳位器36和开关34形成电流路径，即使在开关30处的电压电平达到或者超过钳位器36的击穿电压。换言之，通过禁用可切换钳位元件28，驱动器40使得通过可切换钳位元件28形成了开路，由此配置开关30在可能超过钳位器36的击穿电压的工作电压下运行。

随着电源2通过链路8施加电力，功率变换器6可以在输入端口18处接收功率输入。驱动器40可以经由链路16从用于控制开关30的控制器单元12接收驱动器控制信号(例如，根据一种或多种调制技术)。控制器单元12可以向驱动器40提供驱动器控制信号，以根据功率变换器6使用的调制技术来使开关30和/或开关32循环并且使半桥26的开关30和/或开关32在接通状态下运行与在断开状态下运行之间转换，以便在输出端口20处产生具有基于在输入端口18处的功率输入的电压电平的电压和/或电流电平的功率输出。驱动器40可以至少部分地基于驱动器控制信号来控制半桥26的开关30。驱动器40可以使开关30在开关30的接通状态下运行与在开关30的断开状态下运行之间转换(例如，接通或断开)，以在切换节点52处产生具有基于在输出端口18处的功率输入的电压电平的电压电平的功率输出。

驱动器40可以周期性地和/或连续地确定在开关30处是否存在故障条件或者将要发生故障条件(例如，基于在开关30处的电压电平和/或电流电平)并且相应地控制可切换钳位元件28。换言之，驱动器40可以在检测到向驱动器40指示在开关30处正在发生或将要发生故障条件(例如，过电流、过电压等)的跨开关30的电压和/或在开关30处的电流之后，启用或者“接通”可切换钳位元件28。通过启用或接通可切换钳位元件28，驱动器40将可切换钳位元件28配置为，在满足可切换钳位元件28的阈值或其它启动准则的情况下，提供电流路径以保护开关30。同样地，驱动器40可以在检测到向启动器40指示在开关30处没有发生或不太可能会发生故障条件(例如，过电流、过电压等)的跨开关30的电压和/或在开关30处的电流之后，禁用可切换钳位元件28。通过禁用或断开可切换钳位元件28，即使在满足可切换钳位元件28的阈值或其它启动准则的情况下，驱动器40将可切换钳位元件28被配置为防止通过可切换钳位元件28形成电流路径。

驱动器40可以通过经由链路64发送控制命令，来控制(例如，启用或禁用)可切换钳位元件28。如果驱动器40基于跨开关30的电压或在开关30处的电流，检测到在开关30处正在发生或将要发生故障条件，那么驱动器40可以通过经由链路64发送命令或信号来启用或接通可切换钳位元件28，以使可切换钳位元件28保持在接通状态下运行或者从在断开状态下运行转换为开始在接通状态下运行。否则，如果驱动器40基于在开关30处的电压或在开关30处的电流没有检测到在开关30处正在发生或将要发生故障条件，那么驱动器40可以通过经由链路60发送命令或信号，来禁用或断开可切换钳位元件28，以使可切换钳位元件28保持在断开状态下运行或者从接通状态下运行转换为开始在断开状态下运行。

驱动器40可以基于在开关30处的电压或电流电平是否满足阈值来检测在开关30处的故障条件。如果电压或电流电平满足特定阈值，那么驱动器40可以确定在开关30处正在发生故障条件、在开关30处可能会发生故障条件、或者在开关30处不大可能会发生故障条件。换言之，驱动器40可以确定在开关30处的电压或电流是否在能够损坏开关30的电平下或者可以达到能够损坏开关30的电平，或者在开关30处的电压或电流是否在指示系统中可容忍的噪声或有意的电压或电压尖峰的电平下。

例如，驱动器40可以检测在链路62处的电压/电流电平。驱动器40可以将该电压/电流电平与阈值进行比较。该阈值可以对应于在开关30的运行电压/电流窗口或容差范围内的电压电平。电压/电流电平与阈值的比较可以向驱动器40指示：如果电压/电流电平在开关的运行电压/电流窗口或容差范围的最大或上限的不可接受量内，那么在开关处即将发生故障条件。在一些示例中，电压/电流电平与阈值的比较可以向驱动器40指示：如果例如在开关处的电压/电流电平超过了开关的运行电压/电流窗口或容差的最大值或上限，那么正在发生实际的故障条件。在一些示例中，电压/电流电平与阈值的比较可以向驱动器40指示：如果例如在开关处的电压/电流电平为零或接近零或者接近开关的运行电压/电流窗口或容差的最小值或下限，那么不太可能会发生故障条件。

在一些示例中，驱动器40(或者控制器单元12)基于跨开关30的电压或在开关30处的电流，可能确定与故障条件相关联的可能性(likelihood)不满足概率阈值；并且驱动器40(或响应于来自控制器单元12的命令的驱动器40)响应于与故障条件相关联的可能性不满足概率阈值的确定，来禁用可切换钳位元件28。换言之，基于上面描述的在链路62处的电压/电流电平与阈值之间的比较，驱动器40或控制器单元12可以确定与在开关30处的电压/电流相关联的概率(例如，经由查表或计算)。驱动器40或控制器单元12可以确定，在开关30处正在发生、将要发生、或者不太可能会发生故障条件的量化可能性。响应于并且基于在开关30处确定的故障条件的可能性，驱动器40或控制器12可以控制可切换钳位元件28。

在一些示例中，驱动器40可以使用其它方式而不仅仅依赖于在开关30处的电压/电流，来确定在开关30处是否正在发生、可能发生、或者不太可能会发生故障条件。例如，驱动器40可以使用调制(例如、PWM、PDM等)时序分析技术或者与反馈信号有关的反应时间分析技术来检查潜在的故障条件。

在一些示例中，驱动器40可以确定应用至开关30的调制时序(例如基于通过链路62测得的开关30的运行特性或者通过链路16接收到的驱动器控制信号的特性)。基于该调制时序，驱动器40可以确定在开关30处是否可能存在故障条件，以便确定是否启用或禁用可切换钳位元件28。

在一些示例中，驱动器40可以响应于通过链路16接收到的特定(调制)驱动器控制信号，来确定与开关30相关联的反应时间(例如，接通或断开开关30的速度)。基于与开关30相关联的反应时间，驱动器40可以确定在开关30处是否可能存在故障条件，以确定是否启用或禁用可切换钳位元件28。

在一些示例中，驱动器40可以由通过链路16接收到的驱动器控制信号，进一步检测调制模式的转换，并且基于该调制模式确定是否启用或禁用可切换钳位元件28以保护开关30。例如，驱动器40可以响应于从一种PWM开关模式变为另一种PWM信开关模式的检测，来启用或禁用可切换钳位元件28。PWM模式的转换并不一定指示与开关30相关联的PWM模式正在转换，但是可以指示不同开关的PWM模式正在转换并且可能会在开关30处引起故障条件。

在一些示例中，控制器单元12可以通过链路16向驱动器40发送命令或信号，以使驱动器40基于由控制器单元12维护的功率变换器6的各种运行和/或配置参数来启用或禁用可切换钳位元件28。换言之，控制器单元12可以根据功率变换器6的不同运行模式或设定点来启用或禁用可切换钳位元件28。例如，通过经由用于配置驱动器40的配置装置(例如，链路16和驱动器40的其它逻辑)来转移配置数据，控制器单元12可以使驱动器40启用或禁用可切换钳位元件28。

在一些示例中，开关30的最大运行电压/电流额定值可以超过钳位器36的击穿电压。不像一些使用固定钳位元件来防止跨开关的电压超出固定钳位元件的击穿电压的功率变换器，驱动器40可以确定跨开关30的电压和/或在开关30处的电流是否满足用于指示是否可能存在实际故障条件(例如，有效故障条件)的阈值，或者用于指示在不久的将来是否可能发生故障条件的阈值。如果电压仅仅是超过了钳位器36的击穿电压但不满足用于指示故障条件的阈值，那么驱动器40可以禁用可切换钳位元件28以使开关30在超过钳位器36的击穿电压但不超过开关30的电压额定值的工作电压下运行。换言之，驱动器40可以启用或禁用可切换钳位元件28以使开关30在这样的工作电压下运行，该工作电压在可能超过可切换钳位元件28的钳位器36的击穿电压的工作电压范围内。

在一些示例中，负载(例如，装置4)可以耦合至端口20(例如，输出端口)以在切换节点52处接收功率输出。在一些示例中，变换器14A可以包括H桥，该H桥包括在输出端口20处耦合至第二半桥的半桥26。第二半桥可以包括在第二半桥的切换节点处耦合至低侧开关的高侧开关。端口20(例如，输出端口)的第一端子可以耦合至半桥26的切换节点52，而端口20的第二端子可以耦合至第二半桥的切换节点。换言之，变换器单元14A可以驱动由两个半桥(即，变换器单元14A的半桥26和另一半桥)组成的H桥。

在一些示例中，可切换钳位元件由功率变换器的每一个驱动器控制。例如，在半桥处，功率变换器可以具有控制半桥的高侧开关和半桥的低侧开关的各自的驱动器。功率变换器可以进一步包括在半桥的每个开关处的各自的可切换钳位元件，其中功率变换器的每个各自驱动器控制各自的可切换钳位元件。换言之，高侧驱动器可以控制高侧开关以及用于保护高侧开关的高侧可切换钳位元件。同样地，低侧驱动器可以控制低侧开关以及用于保护高侧开关的低侧可切换钳位元件。

不像一些功率变换器一样使用一个或多个固定钳位元件，功率变换器6包括一个或多个可切换钳位元件。驱动器可以选择性地接通或启用可切换钳位元件以使半桥免受在半桥处即将发生或实际的故障条件的影响，并且可以在半桥处不太可能会发生故障条件时选择性地断开或禁用可切换钳位元件。不像使用一个或多个固定钳位元件的一些其它功率变换器一样，该一个或多个可选择钳位元件不是被永久启用或接通的，因此在半桥处的故障条件不一定约束于钳位器的击穿电压。如果功率变换器确定不太可能会发生故障条件，那么功率变换器可以禁用可切换钳位元件；通过使用被禁用的可切换钳位元件，可以使半桥的开关在增加了的工作电压(例如，超过了可切换钳位元件的击穿电压的电压)下运行，从而与使用固定钳位元件的其它功率变换器相比，提高了效率并且减少了切换损失。

图4图示了根据本公开的一个或多个方面的包括用于提供改进型栅极钳位的升压器的另一示例变换器单元的电路图。例如，图4示出了变换器单元14B，该变换器单元14B代表图2的功率变换器6的变换器单元14的更详细的示例性视图。下面将结合图1的系统1和图2的功率变换器6对图4进行描述。

除了图3的变换器单元14A中包括的部件以及相对于图3的变换器单元14A所描述的部件之外，变换器单元14B还包括驱动器80、升压器82、以及链路70和72。例如，如果驱动器80分为两个部分，一个低电流部分和一个高电流部分，那么就可能需要升压器82。将驱动器80分为两个或更多个部分可能是必要的，尤其是对于控制具有高栅极电流需求量的开关、以及改进驱动器80的散热来说。在一个实施中，低电流部分40和高电流部分(或升压器)82可以是两个不同的单元。在另一种实施方式中，驱动器80可以包含升压器级，并且可选地还包括可切换钳位元件。

升压器82被设置在驱动器40与开关30之间，用于下沉(sink)或驱动来自驱动器40的一个或多个输出，该升压器82可以通过链路64和/或链路60接收足够控制可切换钳位元件28和开关30的电流。如在关于钳位器36和部分升压器82的图4中示出的虚线矩形所图示的，可切换钳位元件28的部分可以位于升压器82内(例如，在其内部)。虽然钳位器36在图中示出是升压器82的外部部件，但是钳位器36也可以位于升压器82内，从而使得可切换钳位元件28的所有部件均位于升压器82内。

升压器82被配置用于，至少部分地基于来自驱动器40的该一个或多个输出中的至少一个输出，来启用或禁用可切换钳位元件28，以使可切换钳位元件28在可切换钳位元件28的断开状态下运行与在可切换钳位元件28的接通状态下运行之间转换。来自驱动器40的一个或多个输出中的至少一个输出可以基于跨开关30的电压或在开关30处的电流。例如，当驱动器40基于经由链路62所做的电压测量在开关30处检测到实际故障条件时，升压器82可以通过链路64从驱动器40接收输出。通过链路64从驱动器40接收的输出，可以使升压器82基于跨开关30的电压或在开关30处的电流来启用或禁用可切换钳位元件28。

升压器82可以包括作为可切换钳位元件28的一部分的用于启用或禁用可切换钳位元件28的内部开关。升压器82可以被配置用于，使内部开关基于由驱动器40检测到的跨开关30的电压或在开关30处的电流，在内部开关的断开状态下运行与在内部开关的接通状态下运行之间转换(例如，接通或断开)。例如。基于通过链路64从驱动器40接收到的一个或多个命令或信号来启用或禁用可切换钳位元件28，升压器82可以使升压器82的内部开关接通，并且从而启用可切换钳位元件28，以便在满足钳位器36的阈值或其它启动准则的情况下提供通过链路66、通过钳位器36、和通过链路68的电流路径。相反，升压器82可以接收来自驱动器40的输出以禁用可切换钳位元件28，该输出使升压器82使得升压器82的内部开关在该内部开关的断开状态下运行，以便即使是在满足钳位器36的阈值或其它启动准则的情况下，也防止形成通过链路66、通过钳位器36、和通过链路68的电流路径。

驱动器80可以通过链路16接收来自控制器单元12的驱动器控制信号，以使开关32在接通状态下运行与在断开状态下运行之间转换，以便调制在切换节点52处的输出。例如，驱动器80可以通过链路72输出电压或电流，该电压或电流基于通过链路16接收到的驱动器控制信号使开关32接通或断开。

在一些示例中，变换器单元14B可以包括耦合至开关32的第二可切换钳位元件(例如，除了可切换钳位元件28之外)，用于当第二可切换钳位元件被启用时，并且当满足可切换钳位元件的阈值或其它启动准则时，将跨开关32的电压钳位。驱动器80可以控制(例如，接通或断开)开关32，并且控制(例如，启用或禁用)第二可切换钳位元件。驱动器80可以被配置用于，至少部分地基于通过链路16接收到的驱动器控制信号来控制开关32。驱动器80可以进一步被配置用于，至少部分地基于跨开关32的电压或在开关32处的电流(例如，基于由驱动器80在链路63处接收到的信息)来控制第二可切换钳位元件。

图5是图示了图3所示的变换器单元14A和图4所示的变换器单元14B的驱动器40的框图。下面将结合图1的系统1和图2的功率变换器6对图5进行描述。下面将结合图3的变换器单元14A和(如图所指示)图4的变换器单元14B对图5进行进一步描述。

图5的驱动器40包括驱动器输出信号单元90和感测单元92，而且在感测单元92内，驱动器40包括过电流保护单元94(以下称为“OPC单元94”)和过电压保护单元98(以下称为“OVP单元98”)。驱动器40可以包括比图5的示例中示出的部件更多或更少的部件。例如，驱动器40可以包括其它部件、电路或元件，用于基于驱动器控制信号来控制开关30，以及用于基于跨开关30的电压或在开关30处的电流来控制可切换钳位元件28。

驱动器40耦合至链路16，用于在驱动器输出信号单元90处接收来自控制器单元12的驱动器控制信号。驱动器40可以通过链路60来驱动电流或电压，以基于经由链路16接收到的驱动器控制信号使开关30接通或断开(例如，在开关30的接通状态下运行与在开关30的断开状态下运行之间转换)。在一些示例中，诸如在图3的变换器单元14A的示例中，链路60可以将驱动器40直接耦合至开关30，用于使开关30的运行状态发生改变。在一些示例中，诸如在图4的变换器单元14B的示例中，链路60可以将驱动器40耦合至变换器单元14B的升压器82，以使升压器82经由在链路70处的电流或电压来改变开关30的运行状态。

在一些示例中，除了通过链路16接收驱动器控制信号之外，驱动器40还可以接收来自控制器单元12的命令或信号；该命令或信号指示，控制器单元12是否在半桥26处(例如，基于控制器单元12在链路8和/或链路10处检测到的电压或电流)检测到实际的或将要发生的故障条件，或者在一些情况下，该命令或信号可以指示，由控制器单元12做出的用于启用或禁用可切换钳位元件28的确定。基于经由链路16接收到的指示故障条件的命令或信号，驱动器输出信号单元90可以通过链路64驱动命令或信号，以启用或禁用可切换钳位元件28并且使可切换钳位元件28在接通状态或断开状态下运行。换言之，驱动器40可以经由链路16直接从控制单元12接收信息(例如，启用或禁用可切换钳位元件28的指令、关于在开关30处的电流或电压的信息等)，而且基于直接从控制器单元12接收到的信息，驱动器40的驱动器输出信号单元90可以通过链路64发送命令或信号，以启用或禁用可切换钳位元件28。

驱动器40的感测单元92可以基于由驱动器40在开关30处经由链路62检测到的电压和/或电流，来检测在半桥26处是否存在或可能会发生或不太可能会发生故障条件。感测单元92可以向驱动器输出信号单元90提供故障条件或无故障条件的指示，以使驱动器输出信号单元90通过经由链路64输出命令来启用可切换钳位元件28，以使可切换钳位元件28接通，或者通过链路64输出命令来禁用可切换钳位元件28，以使可切换钳位元件28断开。

感测单元92包括OCP单元94和OVP单元98。OCP单元94为驱动器40提供过电流检测功能。OCP单元94可以基于通过链路62接收到的信息来检测在开关30处的过电流条件。例如，OCP单元94可以接收关于在开关30处的电流信息，并且确定该电流满足(例如，超过)电流阈值，该电流阈值对应于开关30能够处理的最大电流额定值、或者在开关30能够处理的最大电流额定值的容差范围内。OCP单元94可以响应于在开关30处检测到过电流条件，来向驱动器输出信号单元90发送信息，以使驱动器40启用(例如，接通)可切换钳位元件28，以保护开关30免受过电流条件的影响。

OVP单元98为驱动器40提供过电压检测功能。OVP单元98可以接收关于跨开关30的电压信息，并且确定该电压满足(例如，超过)电压阈值，该电压阈值对应于(或接近最大的)开关30能够处理的电压额定值。例如，OVP单元98可以确定开关30的电压并且确定该电压是否超过开关30的电压额定值、或者在开关30的电压额定值的容差范围内。OVP单元98可以响应于在开关30处检测到过电压条件，向驱动器输出信号单元90发送信息，以使驱动器40启用(例如，接通)可切换钳位元件28，以保护开关30免受过电压条件的影响。

基于由OCP单元94和OVP单元98提供的、指示在半桥26的开关30处存在故障条件或不存在故障条件的信息，驱动器40的驱动器输出信号单元90可以通过链路64发送命令或信号来控制可切换钳位元件28。驱动器40可以基于跨开关30的电压和OVP单元98是否检测到过电压条件，来控制可切换钳位元件28。驱动器40可以基于在开关30处的电流和OCP单元94是否检测到过电流条件，来控制可切换钳位元件28。

图6图示了根据本公开的一个或多个方面的示例功率变换器的示例操作的流程图。下面将结合图1的系统1、图2的功率变换器6和图3的变换器单元14A对图6进行描述。

驱动器可以接收用于控制开关的驱动器控制信号(100)。例如，驱动器40可以通过链路16接收来自控制器单元12的驱动器控制信号，用于根据PWM、PDM或者其它适当的调制技术来调制开关30，以便基于在端口18处的功率输入的电压电平在切换节点52处产生具有特定电压或电流电平的功率输出。

驱动器可以至少部分地基于驱动器控制信号来控制开关(110)。例如，根据驱动器控制信号，驱动器40可以通过链路60发送一个或多个命令，该一个或多个命令直接使(或通过升压器间接使)开关30在接通状态下运行与在断开状态下运行之间转换。

驱动器可以检测跨开关的电压或在开关处的电流(120)。例如，驱动器40可以通过链路62接收指示在开关30处的电流或跨开关30的电压的信息。驱动器40可以将通过链路62接收到的信息与阈值进行比较，以确定在半桥26处是否存在故障条件(例如，过电流、过电压等)、或者在半桥26处是否可能会发生故障条件。

驱动器可以至少部分地基于跨开关的电压或在开关处的电流，来控制耦合至开关的可切换钳位元件(130)。例如，驱动器40可以确定，电压或电流满足指示在半桥26处正在发生或可能会发生故障条件的阈值。如果满足可切换钳位元件28的阈值或其它启动准则，那么驱动器40可以通过链路64发送命令，以启用可切换钳位元件28，以及驱动器40可以创建通过可切换钳位元件28的电流路径来配置可切换钳位元件28，以保护开关30免受故障条件的影响。否则，驱动器40可以确定电压和电流都不满足指示在半桥26处正在发生或可能会发生故障条件的阈值。驱动器40可以通过链路64发送命令，以禁用可切换钳位元件28，并且将可切换钳位元件28配置用于防止通过可切换钳位元件28形成电流路径，即使是在满足可切换钳位元件28的阈值或其它启动准则的情况下。通过禁用可切换钳位元件28，功率变换器6可以使开关30在更高工作电压(例如，可以超过可切换钳位元件28的钳位器36的击穿电压的电压)下运行。

图7是图示了本公开的一个或多个方面的示例时序图的流程图。下面将结合图1的系统、图2的功率变换器6和图3的变换器单元14A对图7进行描述。图7的曲线图260示出了根据调制技术由驱动器40通过链路60生成的用于控制开关30的信号(例如，PWM信号)。图7的曲线图264示出了由驱动器40通过链路64生成的用于控制(例如、启用或禁用)可切换钳位元件28(例如，开关34)的信号。

图7示出了，在时刻t₀与时刻t₁之间，驱动器40在确定在开关30处没有检测到故障条件之后、或者在确定在开关30处不太可能会发生故障条件之后，通过链路64输出“禁用”可切换钳位元件的信号。随着可切换钳位元件28被禁用，即使在开关30处的电压和/或电流电平满足了钳位器36的阈值或启动准则的情况下，也会防止通过钳位器36形成电流路径。

在时刻t₁，驱动器40可以检测到在开关30处正在发生或可能会发生故障条件(例如，基于由驱动器40或控制器单元12感测到的跨链路62的电压和/或电流的测量)。响应于对故障条件或将要发生的故障条件的检测，驱动器40可以通过经由链路64输出启用信号，来启用可切换钳位元件28，以使可切换钳位元件28的开关34在接通状态下运行。随着可切换钳位元件28被接通或“启用”，如果满足了钳位器36的阈值或其它启动准则，那么可以通过可切换钳位元件28的钳位器36形成电流路径。例如，在时刻t2，在开关30处的电压可以超过钳位器36的击穿电压，并且直到在时刻t3处将在开关30处的电压降低到低于钳位器36的击穿电压，钳位器36形成通过可切换钳位元件28的电流路径以从开关30中转移走过剩电流。在一些示例中，在时刻t2与时刻t3之间的时间量(例如，“启动”窗口)可以为驱动器40提供足以安全断开开关30(例如，并且防止故障条件损坏开关30)的时间。在一些示例中，在检测到故障条件之后，控制器单元12和/或驱动器40在检测到故障条件时可以将驱动器控制信号保持(例如，停止调制PWM)在当前状态下，进而避免对开关30造成的任何损坏。

第一条：一种电路，其包括：开关；耦合至开关的可切换钳位元件；以及驱动器，该驱动器被配置用于至少部分地基于驱动器控制信号来控制开关，该驱动器进一步被配置用于启用或禁用可切换钳位元件，以及其中该可切换钳位元件被配置为，当可切换钳位元件被驱动器启用时，并且当跨开关的电压或在开关处的电流满足用于启动可切换钳位元件的阈值时，将跨开关的电压钳位。

第二条：如第一条所述的电路，其中可切换钳位元件被配置为，当可切换钳位元件被禁用时，避免将跨开关的电压钳位。

第三条：如第一条至第二条中任一条所述的电路，其中可切换钳位元件被配置为，当可切换钳位元件被禁用时，如果跨开关的电压或在开关处的电流满足用于启动可切换钳位元件的阈值，避免将跨开关的电压钳位。

第四条：如第一条至第三条中任一条所描述的电路，其中用于启动可切换钳位元件的阈值对应于与可选择钳位元件相关联的击穿电压或击穿电流。

第五条：如第一条至第四条中任一条所描述的电路，其中开关是第一开关，以及其中可切换钳位元件包括第二开关和钳位器。

第六条：如第五条所述的电路，其中钳位器包括齐纳二极管、瞬态电压抑制二极管和雪崩二极管中的至少一个。

第七条：如第五条至第六条中任一条所描述的电路，其中驱动器被配置用于，通过至少使第二开关在第二开关的接通状态下运行来启用可切换钳位元件，以及其中驱动器被配置用于，通过至少使第二开关在第二开关的断开状态下运行来禁用可切换钳位元件。

第八条：如第一条至第七条中任一条所描述的电路，其中驱动器进一步被配置用于，至少部分地基于跨开关的电压或在开关处的电流，来启用或禁用可切换钳位元件。

第九条：如第一条至第八条中任一条所描述的电路，其中驱动器进一步被配置用于接收钳位控制信号，驱动器进一步被配置用于基于钳位控制信号来启用或禁用可切换钳位元件。

第十条：如第一条至第九条中任一条所描述的电路，其中开关包括基于氮化镓的开关装置。

第十一条：如第一条至第十条中任一条所描述的电路，其中开关是第一开关，其中可切换钳位元件是第一可切换钳位元件，其中跨第一开关的电压是第一电压，其中在第一开关处的电流是第一电流，其中阈值是第一阈值，以及其中驱动器是第一驱动器，电路进一步包括：包括第一开关的半桥，第一开关在半桥的切换节点处耦合至第二开关；耦合至第二开关的第二可切换钳位元件；以及第二驱动器，第二驱动器被配置用于至少部分地基于驱动器控制信号来控制第二开关，第二驱动器进一步被配置用于启用或禁用第二可切换钳位元件，以及其中第二可切换钳位元件被配置用于，当第二可切换钳位元件被第二驱动器启用时，并且当跨开关的第二电压和在开关处的第二电流满足用于启动第二可切换钳位元件的第二阈值时，将跨第二开关的第二电压钳位。

第十二条：如第十一条所述的电路，其中第二驱动器进一步被配置用于，至少部分地基于跨第二开关的第二电压或在第二开关处的第二电流，来启用或禁用第二可切换钳位元件。

第十三条：如第十一条至第十二条中任一条所描述的电路，其中驱动器控制信号是第一驱动器控制信号，以及其中第二驱动器进一步被配置用于至少部分地基于由第二驱动器接收到的第二驱动器控制信号来控制第二开关。

第十四条：如第一条至第十三条中任一条所描述的电路，其中可切换钳位元件包括常启用类型，并且被配置为，当跨开关的电压或在开关处的电流满足阈值并且驱动器被禁用时，将跨开关的电压钳位。

第十五条：如第一条至第十四条中任一条所描述的电路，其中可切换钳位元件包括常禁用类型，并且被配置为，当驱动器被禁用时，避免将跨开关的电压钳位。

第十六条：一种方法，其包括：通过被配置用于控制开关的驱动器，至少部分地基于跨开关的电压或在开关处的电流来控制耦合至开关的可切换钳位元件，其中可切换钳位元件被配置用于，当可切换钳位元件被驱动器启用时，并且当跨开关的电压或在开关处的电流满足用于启动可切换钳位元件的阈值时，将跨开关的电压钳位。

第十七条：如第十六条所述的方法，进一步包括：通过驱动器检测跨开关的电压或在开关处的电流，其中驱动器被配置用于，至少部分地基于检测到的跨开关的电压或检测到的在开关处的电流，来控制耦合至开关的可切换钳位元件。

第十八条：如第十六条至第十七条中任一条所描述的方法，其进一步包括：通过驱动器，基于跨开关的电压或在开关处的电流来检测在开关处的故障条件；以及通过驱动器，响应于检测在开关处的即将发生的或实际的故障条件来启用可切换钳位元件。

第十九条：如第十六条至第十八条中任一条所描述的方法，其进一步包括：通过驱动器，接收来自控制器的信息，其中驱动器至少部分地基于从控制器接收到的信息来控制耦合至开关的可切换钳位元件，其中从控制器接收到的信息包括关于在第一开关处检测到的故障条件的指示、以及关于来自控制器的用于启用或禁用可切换钳位元件的指令的指示中的至少一种。

第二十条：一种电路，其包括：用于至少部分地基于跨开关的电压或在开关处的电流来控制耦合至开关的可切换钳位元件的装置，其中可切换钳位元件被配置用于，当可切换钳位元件被驱动器启用时，并且当跨开关的电压或在开关处的电流满足用于启动可切换钳位元件的阈值时，将跨开关的电压钳位。

本公开的技术可以在多种装置或设备中实施，这些装置或设备包括集成电路(IC)或IC组(例如，芯片集)。本公开中描述的各种部件、模块或单元的重点放在被配置用于执行本公开的技术的装置的功能方面，并不一定要求通过不同的硬件单元来实现。相反，如上面所描述的，各种单元可以组合在硬件单元中，或者由包括如上面所描述的一个或多个处理器的可交互操作硬件单元集合，结合合适的软件和/或固件提供。

上面已经描述了各种示例。这些示例和其它示例均落入以下权利要求书的范围内。

Claims (20)

1.一种电路，包括：

开关；

可切换钳位元件，耦合至所述开关；以及

驱动器，被配置用于至少部分基于驱动器控制信号来控制所述开关，所述驱动器进一步被配置用于启用或禁用所述可切换钳位元件，以及

其中所述可切换钳位元件被配置用于，当所述可切换钳位元件被所述驱动器启用时，并且当跨所述开关的电压或在所述开关处的电流满足用于启动所述可切换钳位元件的阈值时，将跨所述开关的所述电压钳位。

2.根据权利要求1所述的电路，其中所述可切换钳位元件被配置为，当所述可切换钳位元件被禁用时，避免将跨所述开关的所述电压钳位。

3.根据权利要求1所述的电路，其中所述可切换钳位元件被配置为，当所述可切换钳位元件被禁用时，如果跨所述开关的所述电压或在所述开关处的所述电流满足用于启动所述可切换钳位元件的所述阈值，避免将跨所述开关的所述电压钳位。

4.根据权利要求1所述的电路，其中用于启动所述可切换钳位元件的所述阈值对应于与可选择的所述钳位元件相关联的击穿电压或击穿电流。

5.根据权利要求1所述的电流，其中所述开关是第一开关，以及其中所述可切换钳位元件包括第二开关和钳位器。

6.根据权利要求5所述的电路，其中所述钳位器包括齐纳二极管、瞬态电压抑制二极管、和雪崩二极管中的至少一种。

7.根据权利要求5所述的电路，其中所述驱动器被配置用于，通过至少使得所述第二开关在所述第二开关的接通状态下运行来启用所述可切换钳位元件，以及其中所述驱动器被配置用于，通过至少使得所述第二开关在所述第二开关的断开状态下运行来禁用所述可切换钳位元件。

8.根据权利要求1所述的电路，其中所述驱动器进一步被配置用于，至少部分基于跨所述开关的电压或在所述开关处的电流，来启用或禁用所述可切换钳位元件。

9.根据权利要求1所述的电路，其中所述驱动器进一步被配置用于接收钳位控制信号，所述驱动器进一步被配置用于基于所述钳位控制信号来启用或禁用所述可切换钳位元件。

10.根据权利要求1所述的电路，其中所述开关包括基于氮化镓的开关装置。

11.根据权利要求1所述的电路，其中所述开关是第一开关，其中所述可切换钳位元件是第一可切换钳位元件，其中跨所述第一开关的所述电压是第一电压，其中在所述第一开关处的所述电流是第一电流，其中所述阈值是第一阈值，以及其中所述驱动器是第一驱动器，所述电路进一步包括：

半桥，包括在所述半桥的切换节点处耦合至第二开关的所述第一开关；

第二可切换钳位元件，耦合至所述第二开关；以及

第二驱动器，被配置用于至少部分基于所述驱动器控制信号来控制所述第二开关，所述第二驱动器进一步被配置用于启用或禁用所述第二可切换钳位元件，以及

其中所述第二可切换钳位元件被配置用于，当所述第二可切换钳位元件被所述第二驱动器启用时，并且当跨所述开关的所述第二电压或在所述开关处的第二电流满足用于启动所述第二可切换钳位元件的第二阈值时，将跨所述第二开关的第二电压钳位。

12.根据权利要求11所述的电路，其中所述第二驱动器进一步被配置用于，至少部分基于跨所述第二开关的所述第二电压或在所述第二开关处的所述第二电流，来启用或禁用所述第二可切换钳位元件。

13.根据权利要求11所述的电路，其中所述驱动器控制信号是第一驱动器控制信号，以及其中所述第二驱动器进一步被配置用于至少部分基于由所述第二驱动器接收到的第二驱动器控制信号来控制所述第二开关。

14.根据权利要求1所述的电路，其中所述可切换钳位元件包括常启用类型，并且被配置为，当跨所述开关的所述电压或在所述开关处的所述电流满足所述阈值并且所述驱动器被禁用时，将跨所述开关的所述电压钳位。

15.根据权利要求1所述的电路，其中所述可切换钳位元件包括常禁用类型，并且被配置为，当所述驱动器被禁用时，避免将跨所述开关的所述电压钳位。

16.一种方法，包括：

通过被配置用于控制开关的驱动器，至少部分基于跨所述开关的电压或在所述开关处的电流来控制耦合至所述开关的可切换钳位元件，其中所述可切换钳位元件被配置用于，当所述可切换钳位元件被所述驱动器启用时，并且当跨所述开关的所述电压或在所述开关处的所述电流满足用于启动所述可切换钳位元件的阈值时，将跨所述开关的所述电压钳位。

17.根据权利要求16所述的方法，进一步包括：

通过所述驱动器，检测跨所述开关的所述电压或在所述开关处的所述电流，其中所述驱动器被配置用于，至少部分地基于跨所述开关的被检测到的所述电压或跨所述开关的被检测到的所述电流，来控制耦合至所述开关的所述可切换钳位元件。

18.根据权利要求16所述的方法，进一步包括：

通过所述驱动器，基于跨所述开关的所述电压或在所述开关处的所述电流来检测在所述开关处的故障条件；以及

通过所述驱动器，响应于检测在所述开关处的即将发生的或实际的所述故障条件来启用所述可切换钳位元件。

19.根据权利要求16所述的方法，进一步包括：

通过所述驱动器，接收来自控制器的信息，其中所述驱动器至少部分地基于从所述控制器接收到的所述信息来控制耦合至所述开关的所述可切换钳位元件，其中从所述控制器接收到的所述信息包括关于在所述第一开关处检测到的故障条件的指示、以及关于来自所述控制器的用于启用或禁用所述可切换钳位元件的指令的指示中的至少一种。

20.一种电路，包括：

用于至少部分基于跨所述开关的电压或在所述开关处的电流来控制耦合至开关的可切换钳位元件的装置，其中所述可切换钳位元件被配置用于，当所述可切换钳位元件被所述驱动器启用时，并且当跨所述开关的所述电压或在所述开关处的所述电流满足用于启动所述可切换钳位元件的阈值时，将跨所述开关的所述电压钳位。