CN104954002B - 功率开关的受控关断 - Google Patents

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Abstract

描述了一种功率电路，所述功率电路包括：开关，耦合到电阻——电容——电感性负载；和驱动器，耦合到开关。驱动器被配置为在功率电路内检测紧急事件。在功率电路内检测到紧急事件之后，驱动器被进一步配置为执行开关的受控紧急关断操作以在所检测到的紧急事件期间和关断操作期间最小化开关的最大温度。

Description

功率开关的受控关断
技术领域
本公开涉及用于控制断路开关的技术。
背景技术
感应能量可以在功率电路（例如，基于开关的电源、机动车应用等）中累积，该功率电路依赖于功率开关（诸如功率MOSFET（金属氧化物场效应晶体管）类型、基于半导体的开关器件）来控制电流到电阻——电容——电感性负载的流动。功率开关的关断可以使感应能量的累积停止并且允许在关断之前累积的感应能量。如果在电阻——电容——电感性负载处发生短路，则累积的感应能量可以开始耗散，这可以潜在地损坏或甚至损毁功率开关或功率电路的其它部分。
功率电路紧急事件（例如，过载事件、短路等）可以导致感应能量在功率电路中的最大累积以及随后的耗散。为了防止能量耗散和产生的热损坏在功率开关发生，一些功率电路可以包括横跨功率开关的漏极和栅极端子的“齐纳二极管栅极钳位电路”（简称为“齐纳钳位电路”）。在紧急事件期间，功率电路可以试图通过尽可能快地关断功率电路的开关来最小化作为紧急事件的结果累积的感应能量的量。当由齐纳钳位电路保护的功率开关在紧急事件期间被尽可能快地关断时，在齐纳钳位电路过渡到钳位操作的时段期间将发生功率开关的结温度的上升。如果温度超过功率开关的最大温度额定，则瞬间温度上升可能损坏并甚至损毁功率开关。
发明内容
一般地描述了用于在紧急关断操作期间控制功率开关的栅极放电以最小化紧急事件期间功率开关的最大结温度的技术和电路。功率电路可以包括功率开关，用于控制电流到电阻——电容——电感性负载的流动。功率开关的驱动器可以驱动栅极电流以对功率开关充电，例如，驱动功率开关接通和关断。在紧急事件期间（例如短路负载，过压等），功率电路可以断开功率开关以保护功率开关和负载。
在一些功率电路中，在紧急事件中，功率电路在开关处执行快速紧急关断操作以使开关的栅极电荷在尽可能短的时间量中放电。快速紧急关断可能导致开关的结温度的上升和/或可能需要使用钳位电路来处置在紧急事件之前在功率电路中累积的感应能量的耗散。为了消除对这种钳位电路的需要并且为了最小化开关的最大结温度，如这里描述的，功率开关的驱动器可以被配置为检测功率电路中的紧急事件。在检测到功率电路中的紧急事件之后，驱动器可以被配置为执行功率开关的受控紧急关断操作以最小化在紧急事件和关断操作期间功率开关的最大温度。
在一个示例中，本公开涉及一种方法，方法包括：由驱动器检测功率电路中的紧急事件，功率电路包括用于控制到电阻——电容——电感性负载的电流的开关。方法还包括响应于检测到的紧急事件由驱动器执行对开关的受控紧急关断操作。
在另一示例中，本公开涉及一种功率电路，该功率电路包括耦合到电感性负载的开关。功率开关还包括用于控制开关的驱动器，其中驱动器被配置为响应于在功率电路内检测到的紧急事件而执行对开关的受控紧急关断。
在另一示例中，本公开涉及一种功率电路，该功率电路包括耦合到电感性负载的开关和耦合到该开关的驱动器。驱动器包括：用于检测功率电路内紧急事件的装置和用于响应于检测到的紧急事件而执行对开关的受控紧急关断操作的装置。一个或多个示例的细节在附图和下面的描述中被阐述。根据描述和附图以及根据权利要求，本公开的其它特征、目标和优点将是显而易见的。
附图说明
图1是图示根据本公开的一个或多个方面的用于控制到电阻——电容——电感性负载的电流的示例性系统的框图。
图2是图示图1中示出的示例性系统的功率电路的一个示例的框图。
图3是图示根据本公开的一个或多个方面的图2中示出的功率电路的各个定时特性的定时图。
图4是图示图1中示出的示例性系统的功率电路的附加示例的框图。
图5是图示根据本公开的一个或多个方面的图4中示出的功率电路的各个定时特性的定时图。
图6和7是分别图示根据本公开的一个或多个方面的图4中示出的功率电路的示例性驱动器的框图。
图8是图示根据本公开的一个或多个方面的示例性驱动器的示例性操作的流程图。
图9是图示根据本公开的一个或多个方面的图6和7中示出的示例性驱动器的各个定时特性的定时图。
图10A和10B是图示根据本公开的一个或多个方面的图4中示出的功率电路的各个定时特性的定时图。
图11是图示根据本公开的一个或多个方面的图4中示出的功率电路的各个定时特性的定时图。
图12A和12B是图示根据本公开的一个或多个方面的图4中示出的功率电路的各个定时特性的定时图。
图13是图示图1中示出的示例性系统的功率电路的附加示例的框图。
图14是图示图1中示出的示例性系统的功率电路的附加示例的框图。
具体实施方式
功率MOSFET（金属氧化物场效应晶体管）是基于半导体的“功率开关”的一个示例，其可以在功率电路（例如基于开关的电源、机动车应用等）中被用于控制电流到电阻——电容——电感性负载（例如，继电器、电磁阀、电感性致动器、线束、LED模块、电机等）的流动。功率电路可以“接通”和“关断”一个或多个功率开关以控制穿过电阻——电容——电感性负载（例如，电机、光源、短路负载情况中的电线束等）的电流流动的方向。
在正常操作期间，当功率电路向电阻——电容——电感性负载供应电流时，可能发生使得感应能量在功率电路中累积的电流尖峰。紧急事件（例如，高电流尖峰、短路等）可以导致感应能量的最大累积和随后的耗散。在紧急事件期间，在功率电路中累积的感应能量的量可以超过功率电路在功率开关的关断期间能够一次安全耗散的能量的最大量。结果，能量的耗散可能引起功率电路各部分的过热和损坏。通过执行功率开关的“快速紧急关断”（这里还称为“快速紧急断路”），功率电路可以试图最小化在紧急事件期间在电路中积累的感应能量的量并且防止电路的部件被损坏。在试图尽可能快地“关断”功率开关方面，在快速紧急关断期间功率电路可以更快地使功率开关的栅极电荷放电（与本来将在正常操作中的电路相比）。
为了防止能量耗散和产生的热损坏在紧急事件期间在功率开关处发生，一些功率电路可以包括“齐纳二极管栅极钳位电路”（简称为“齐纳钳位电路”）。功率电路可以在功率开关的漏极和栅极之间布置齐纳钳位电路，以使得齐纳钳位电路两端的电压（“VCL”）等于功率开关的漏极和栅极之间的电压（“VDG”）。当VCL、VDG超过与齐纳钳位电路相关联的击穿电压时，齐纳钳位电路可以通过短路功率开关的漏极和栅极端子并且把电流传导离开功率开关的漏极来驱动功率开关进入钳位操作。换句话说，齐纳钳位电路可以限制功率开关的漏极和源极之间的节点电压以防止由过压状况引起的功率开关的不可控击穿。
如上面讨论的，为了耗散在负载短路或其它紧急事件期间累积的感应能量，功率电路可以通过尽可能快地对功率开关的栅极电荷进行放电来执行功率开关的“快速紧急关断”。不幸的是，当尽可能快地关断受齐纳钳位电路保护的功率开关时，随着齐纳钳位电路从非钳位操作过渡到钳位操作，可能发生功率开关的结温度的上升。齐纳钳位电路从非钳位过渡到钳位操作的时间在这里可以被称为“过渡时段”。齐纳钳位电路的过渡时段期间的瞬间温度上升可能损坏并且甚至损毁功率开关，尤其在温度的上升超过功率开关的最大温度额定的情况下。
根据本公开的技术和电路，为了耗散在紧急事件（例如电阻——电容——电感性负载短路）期间的感应能量，功率电路的断路单元可以执行“受控紧急关断”功率开关，该功率开关可以或可以不被齐纳钳位电路保护。通过执行“受控紧急关断”而不是“快速紧急关断”，断路单元可以最小化紧急事件期间的功率开关的结温度。在一些示例中，即使功率开关受齐纳钳位电路保护，技术和电路也可以提供不把齐纳钳位电路置于钳位操作中的功率开关的受控紧急关断，并且因此，防止功率开关的结温度的关联上升。此外，在一些示例中，技术和电路可以通过控制栅极电荷轨迹来提供功率开关的受控紧急关断，使得齐纳钳位电路可以不再必需保护功率开关免于由感应能量耗散引起的热毁坏。
图1是图示根据本公开的一个或多个方面的用于控制到负载6的电流的系统1的框图。图1示出系统1具有三个分离且不同的部件，该部件示出为电源2、功率电路4和电阻——电容——电感性6（简称为“负载6”），然而，系统1可以包括附加的或更少的部件。例如，电源2、功率电路4和负载6可以是三个个体部件或可以表示提供这里描述的系统1的功能的一个或多个部件的组合。
系统1包括电源2，电源2提供电功率给系统1。存在电源2的许多示例并且可以包括但不限于电网、发电机、变压器、电池、太阳能板、风车、再生制动系统、水力发电或风力发电机，或能够经由链路10给功率电路4供应电功率的任何其它形式的器件。
系统1包括功率电路4，功率电路4表示包括一个或多个功率开关类型的开关器件的电路，开关器件控制电流横跨链路12到负载6的流动。在一些示例中，功率电路4包括多个功率开关，例如，布置为h桥或半桥配置以控制电流到负载6的流动。在一些示例中，功率电路4可以操作为DC-DC、DC-AC或AC-DC转换器。在一些示例中，功率电路4可以是基于开关的功率转换器，其把由电源2提供的一个形式电能转换为不同的并可用的电能形式以用于给负载6供电。例如，功率电路4可以是升压转换器，其输出的功率具有比由升压转换器（例如，这种升压转换器的一个示例可以被称为增压转换器）接收的输入功率的电压水平更高的电压水平或者替代地可以包括降压转换器，降压转换器被配置为输出的功率具有比由降压转换器（例如，这种降压转换器的一个示例可以被称为减压转换器）接收的输入功率的电压水平更低的电压水平。在再其它示例中， 功率电路4可以是升压和降压转换器（例如减压——增压转换器），其能够使输出的功率具有比由升压和降压转换器接收的功率输入的电压水平更高或更低的电压水平。
系统1还包括负载6。负载6表示任何电阻——电容——电感性类型的负载，其能够接收从功率电路4输出的电流。在一些示例中，负载6在来自功率电路4的电流穿过滤波器（未示出）后接收该电流。在一些示例中，负载6使用来自功率电路4的电流来执行功能。负载6的许多示例存在并且可以包括但不限于继电器、电磁阀、电感性致动器、线束、LED模块、电机、计算器件和相关部件（诸如微处理器）、电部件、电路、膝上型计算机、桌面计算机、平板计算机、移动电话、电池充电器、扬声器、照明单元、机动车/船舶/航空空间/火车相关部件、电机、变压器或从功率转换器接收电压或电流的任何其它类型的电器件和/或电路。
电源2可以通过链路10向功率电路4供应电压或电流。负载6可以通过链路12从功率电路4接收电流。链路10和12表示能够从一个位置到另一位置传导电压和电流的任何媒介。链路10和12的示例包括但不限于物理和/或无线的电传输媒介，诸如电线、电迹线、导电气体管、双绞线、线束等。链路10和12中的每个都分别在电源2和功率电路4之间以及功率电路4和负载6之间提供电耦合。此外，链路12提供反馈环或电路以用于把与功率电路4的电流输出特性相关联的信息承载到功率电路4。例如，功率电路4的反馈控制（例如电流感测）电路可以检测在链路12处功率输出的电压或电流水平并且转换器4的驱动器/控制逻辑可以基于检测到的电压或电流水平来调整链路12处的功率输出以使得功率输出具有适合于在负载6所需要的电压或电流水平容限窗口内的不同电压或电流水平。
图2是图示图1中示出的系统1的功率电路4的一个示例的功率电路4A的框图。在图1的系统1的情境中在下面描述图2。
功率电路4A表示用于控制电流到负载6的流动的电路，负载6耦合到链路12。功率电路4A被示出为具有各种电部件，包括开关16、控制器单元18、驱动器20和钳位电路22。功率电路4A可以基于经由链路10接收的电压或电流水平来横跨链路12供应电流。与图2中图示的那些相比，功率电路4A可以包括附加或更少的电部件。例如，在一些示例中，开关16、控制器单元18、驱动器20和钳位电路22位于单个半导体管芯、电部件或电路上，而在其它示例中，多于两个管芯、部件和/或电路向功率电路4A提供开关16、控制器单元18、驱动器20和钳位电路22的功能。虽然仅示出了单个个体部件，但是功率电路4A可以包括一个或多个功率开关类型的开关和其它类型的开关器件、一个或多个栅极驱动器、一个或多个半桥电路、一个或多个H桥电路、一个或多个输入滤波器、一个或多个输出滤波器、一个或多个电容器、一个或多个电阻器、一个或多个晶体管、一个或多个变压器、一个或多个电感器、一个或多个钳位元件和/或被布置在功率电路4A内用于控制横跨链路12的电流流动的一个或多个其它电部件或电路。
功率电路4A在下面被更详细地描述；然而，通常，功率电路4A可以在线路10从电源2接收处于特定电压水平的功率并且在链路12向负载6输出处于特定电流水平的功率。功率电路4A可以依赖于控制单元18通过向驱动器20发出命令来控制开关16的操作，并且基于来自控制单元18的命令，驱动器20可以供应或禁止横跨链路14的栅极电荷以控制开关16的状态（例如接通状态、关断状态）。
在一些示例中，驱动器20可以包括“接通/关断”块，其控制在链路14的栅极电荷的充电和放电。例如，在驱动器20的接通/关断块内，两个或更多的电流镜可以向链路14递送或以其它方式应用充电和放电电流用于正常切换操作。
图2示出功率开关16（例如功率MOSFET（金属氧化物场效应晶体管）），其布置在功率电路4A内作为基于半导体的开关器件。开关16是基于半导体的开关的一个示例，其能够被功率电路4A用于控制电流到耦合到链路12的电感性负载（例如，继电器、电磁阀、电感性致动器、线束、LED模块、电机等）的流动。在一些示例中，开关16可以是功率MOSFET、绝缘栅双极晶体管（IGBT）或任何其它基于半导体的可控开关。
图2示出开关16的漏极、栅极和源极，分别被标记为“D”、“G”和“S”。开关16的漏极耦合到链路10，并且开关16的源极耦合到链路12。开关16被接通还是关断取决于横跨链路14移动到开关16的栅极的栅极电荷量。例如，在链路14的高栅极电荷可以使得开关16“接通”并且传导电流，而在链路14的低栅极电荷可以使得开关16“关断”，停止传导电流。
功率转换器6的控制器单元18可以向驱动器20提供驱动器控制信号或驱动命令，该驱动器控制信号或驱动命令使得驱动器20在链路14产生栅极电荷用于控制开关16的状态。例如，控制单元18可以基于在链路10的功率输入的电压水平或在链路12的功率输出的电流水平来生成脉宽调制（PWM）信号或与某种其它合适的调制技术相关联的其它信号。在其它示例中，控制单元18可以基于在链路10或在链路12检测到的功率输入的电压水平来生成脉冲密度调制（PDM）信号或与某种其它合适的调制技术相关联的其它信号。在任何事件中，驱动器20可以接收由控制器单元18输出的信号，并且响应于来自控制器单元18的信号，驱动器20可以产生驱动开关16（例如，使得开关16在接通状态中操作和关断状态中操作之间过渡，或换句话说，使得开关16打开或关闭）的栅极控制信号。换句话说，控制器单元18可以向驱动器20提供驱动器控制信号用于调制（例如控制）功率电路4A的开关16的切换模式以控制功率电路4A在链路12输出的电流水平。
控制器单元18可以包括模拟和/或数字硬件、软件、固件或其任何组合的任何合适的布置，以执行归于这里的控制器单元18的技术。例如，控制器单元18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）、或任何其它等同的集成、数字、模拟或分立逻辑电路、以及这些部件的任何组合。当控制器单元18包括软件或固件时，控制器单元18还包括数字和/或模拟硬件用于存储和执行软件或固件，诸如一个或多个处理器或处理单元。通常，处理单元可以包括一个或多个微处理器、信号处理器、ASIC、FPGA、或任何其它等同的集成、数字、模拟或分立逻辑电路、以及这些部件的任何组合。虽然图2中未示出，控制器单元18可以包括被配置为存储数据的存储器。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（NVRAM）、电可擦除可编程ROM（EEPROM）、闪存等。在一些示例中，存储器可以在控制器单元18和/或功率电路4A的外部，例如可以在一封装的外部，在该封装中容纳有控制器单元18和/或功率电路4A。
在操作中，功率电路4A的控制器单元18可以“接通”和“关断”开关16以控制在链路12从功率转换器4A传递出的电流方向和/或电流量。在正常操作期间，电噪声、电干扰、电短路和其它电气异常（例如归因于功率电路4A的操作环节的特性）可能在功率电路4A的各种部件的链路和连接内产生，其在负载6处引起感应能量的累积。例如，电流尖峰可以在开关16的漏极和源极之间发生，其引起感应能量在负载6处累积。控制器单元18可以检测电流尖峰和/或感应能量在负载6处的累积。控制器单元18可以使得驱动器20关断开关16以停止感应能量在负载6处的进一步累积并且留出时间用于已累积的感应能量从负载6作为热量耗散。
在正常操作期间，有时可能横跨负载6发生短路，或感应能量可以在功率电路4A中累积。如果能量已在短路之前在负载6处累积，或如果在功率电路4A中累积的感应能量的量多于负载6能够安全处置耗散的感应能量的量，则累积的感应能量将在功率电路4A的某个其它部分耗散。为了防止来自开关16的感应能量的耗散，功率电路4A包括钳位电路22。
钳位电路22被示出为基于齐纳二极管的钳位元件，其横跨开关16的漏极和栅极布置。钳位电路22在一些示例中可以是“双向”钳位电路，包括以相对方向定向的两个或更多的齐纳二极管，并且在一些示例中可以仅使用单个齐纳二极管。钳位电路22包括与齐纳二极管背靠背（例如以相对的方向）并串联布置的二极管以阻断从开关16的栅极到漏极的电流和/或阻断从开关16的漏极到栅极的电流。在一些示例中，可以使用钳位电路22的其它变型。例如，钳位电路22可以包括一个或多个齐纳二极管、一个或多个二极管、瞬态电压抑制二极管、雪崩二极管或可以被用作钳位电路来抑制横跨开关16的漏极和栅极端子的电压和/或电流的其它电路和/或部件。钳位电路22可以具有依赖于钳位电路22的阈值或其它激活准则的属性或特性，如果该属性或特性被满足，引起电流路径穿过钳位电路22形成。例如，如果钳位电路22两端的电压水平超过与钳位电路22相关联的击穿电压，则可以穿过钳位电路22形成电流路径，否则如果钳位电路22两端的电压保持小于钳位电路22的击穿电压，则可能不存在该电流路径。
钳位电路22被布置在功率电路4A内通常用于保护开关16免于潜在的热损坏，该热损坏是由于归于累积的感应能量的耗散的热量耗散。例如，图2示出钳位电路22布置在开关16的漏极和栅极之间，使得钳位电路22两端的电压（“VCL”）等于开关16的漏极和栅极之间的电压（“VDG”）。当VCL和VDG超过与钳位电路22相关联的击穿电压时，钳位电路22可以通过短路开关16的漏极和栅极并且把电流传导离开开关16的漏极来驱动开关16进入钳位操作。因此，当钳位电路22过渡到钳位操作时，钳位电路22将把电荷从开关16转移开，使得热量耗散能够在钳位电路22处发生并且不在开关16处发生。
虽然图2中未示出，但在一些示例中，功率电路4A可以包括外部续流二极管来处置感应能量的耗散（例如当在负载6处发生短路时）。外部续流二极管可以被配置为使得当在电路中发生短路时在电流的正常流动之外创建续流电流路径。例如，替代在开关16、线束（例如链路12）或功率电路的某个其它部分处累积能量和从其耗散能量，感应能量可以在由续流二极管创建的续流电流路径处累积并且从其耗散。
外部续流二极管对于功率电路（诸如功率电路4A）可能是不利的，由于至少三个原因：第一，外部续流二极管是额外部件并且能够增加功率电路的成本和复杂性。第二，外部续流二极管可以减小或减慢功率开关的切换速度（例如在功率开关的接通状态和功率开关的关断状态之间过渡的时间量），其由在电感性关闭期间的低二极管正向偏置电压引起。第三，在偶然的供电极性反转情况下，外部续流二极管可能在功率电路和/或电感性负载的供电中引起短路。为了防止反转极性，在功率电路的供电处可能需要附加反转极性保护装置，这可能增加设计和制造功率电路的复杂性和成本。
在一些示例中，替代依赖于钳位电路22，功率电路4A可以依赖于开关16的固有“体二极管”来耗散累积的感应能量。例如，开关16可以具有固有“体二极管”，在某些状况下，固有“体二极管”根据通常称为“雪崩效应”的机制来传导电流。当横跨开关16的漏极和源极的电压（简称为“VDS”）超过开关16的击穿电压（简称为“VBDS”，还称为电压阈值）时，功率开关的固有体二极管可以“击穿”并且通过体二极管传导电流（例如从开关16的漏极到开关16的源极）。在一些示例中，开关16的固有体二极管的雪崩击穿可以耗散少量的感应能量。然而，如果累积的感应能量的量超过开关16能够安全耗散的能量的最大量，将发生开关16的损坏和甚至毁坏。
图3是图示根据本公开的一个或多个方面的图2中示出的功率电路4A的各个定时特性的定时图。图3的曲线图30A-30D图示了在紧急事件（例如，负载6短路）期间在时间t0和t8之间的图2中所示的开关16的各部分的电压、电流和温度水平。曲线图30A示出在紧急事件期间开关16的漏极处的电流水平（“ID”），并且曲线图30B示出在紧急事件期间开关16的漏极和源极之间的电压水平（“VDS”）。曲线图30C示出在紧急事件期间开关16的栅极处的电流水平（“IG”），并且曲线图30D示出在紧急事件期间开关16的结温度（“Tj”）。
通常，紧急事件（例如，特别高的电流尖峰、短路、负载6两端短路等）可能在功率电路4A的正常操作期间的各个时间发生。这些紧急事件可以引起感应能量在功率电路4A内的大量累积，当被耗散时，其能够导致对功率电路4A的部件的灾难性热损坏。例如，在紧急事件期间，在功率电路4A中累积的感应能量的量可以超过功率电路4A一次能够安全耗散的能量的最大量。结果，能量的耗散可以使得功率电路4A的各部分过热和被损坏。
控制器单元18可以依赖于开关16的ID和/或开关16的VDS来确定紧急事件是否正在发生或将要发生。在一些示例中，如果控制器18确定紧急事件正在功率电路4A中发生，则功率电路4A的控制器单元18可以执行开关16的“快速紧急关断”（这里还称为“快速紧急断路”）。控制器单元18可以生成信号，该信号命令功率电路4A的驱动器20通过尽可能快或尽可能短时间量地耗散开关16的栅极电荷（“IG”）来执行开关16的快速紧急关断。例如，控制器单元18可以发出命令到驱动器20，该命令使得驱动器20立即尽可能快地在链路14把电流从开关16的栅极吸收和放电。
通过响应于在功率电路4A检测到紧急事件而执行开关16的快速紧急关断，控制器单元18可以最小化在紧急事件期间在功率电路4A中积累的感应能量的量并且可以进一步防止功率电路4A的部件被损坏。换句话说，通过执行快速紧急关断，控制器单元18可以停止紧急事件期间感应能量的进一步累积并且允许在紧急事件时间之前在功率电路4A中累积的感应能量从钳位电路22耗散（例如作为热量）。
例如，图3示出紧急事件可以在时间t0开始并且持续直到时间t8。在时间t1和t2之间，控制器18可以检测到开关16的ID的上升（由曲线图30A示出）和/或开关16的VDS的下降（由曲线图30B示出）并且基于ID的上升和/或VDS的下降，控制器18可以确定紧急事件正在功率电路4A处的发生。
曲线图30A和30D示出：在时间t2和t5之间，随着开关16的ID上升，开关16的Tj也可以增加。在t0之后的某个时间点，并且响应于控制器单元18确定紧急事件正在功率电路4A处发生，控制器单元18可以命令驱动器20执行开关16的快速紧急关断。控制器单元18可以命令驱动器20通过试图使开关16的IG为零来从链路14快速放电所有电流，以便尽可能快地“关断”开关16。例如，在时间t5和t6之间，由于驱动器20从链路14放电所有电流，曲线图30C示出开关16的IG的急速减小。
开关16的快速紧急关断可以快速停止感应能量进一步在功率电路4A中累积并且能够快速减小开关16的电流ID的量。例如，曲线图30A和30C在时间t5和t7之间示出在开关16的IG的放电之后开关16的ID的急速或大的负向减小。因为开关16的ID也对应于通过负载6的电流量（“IL”），所以开关16的ID的急速、负向减小对应于负载6的IL的等同的急速、负向减小。开关16的ID和负载6的IL的急速、负向减小（例如高dID/dt）将引起负载6两端的电压(“VL”)的急速、负向减小（例如高dVL/dt）。负载6的VL和/或负载6的IL的急速、负向减小可以导致钳位电路22的激活和把开关16驱动到钳位操作中。通过把开关16驱动到钳位操作中，钳位电路22可以快速减小开关16的VDS。例如，由于钳位电路22把开关16驱动到钳位操作中，时间t5和t7之间的曲线图30B示出了开关16的VDS的快速减小。
另外，由于钳位电路22把开关16驱动到钳位操作中，开关16的结温度（“Tj”）的上升能够在开关16的快速紧急关断期间和在钳位电路22过渡到钳位操作的时间发生。例如，曲线图30D在时间t6和t7之间当曲线图30B中示出的开关16的VDS的减小最急剧时示出开关16的Tj的大的上升。如果温度上升的最大温度超过开关16的最大温度额定，开关16的结温度Tj的瞬间上升可能损坏并且甚至损毁开关16。显著量的温度上升可以被认为是用于控制开关16的断路的测量人工伪像。
因此，虽然快速紧急关断（例如具有与由曲线图30A-30D示出的定时特性类似的定时特性的关断）可以导致在紧急事件期间感应能量从功率电路4A的更快速耗散，曲线图30D中示出的由快速紧急关断直接引起的结温度的上升可以导致不必要的热应力被施加在开关16上。由于开关16可能在快速紧急关断期间经历的潜在的大温度上升，功率电路4A可能需要开关16是更昂贵的功率开关类型的开关器件，其能够承受在紧急事件期间可能发生的更高的最大结温度。
图4是图示作为图1中示出的系统1的功率电路4的一个附加示例的功率电路4B的框图。图4在图1的系统1的情境中在下面被描述。
图4的功率电路4B包括开关16，其布置在链路10和12之间用于控制电流到负载6的流动。控制器单元18可以生成驱动器命令，该驱动器命令使得驱动器20接通和/或关断开关16。根据本公开的各个方面，驱动器20被示出为具有断路单元24和接通/关断单元26用于控制开关16。功率电路4B的钳位电路22被图示为功率电路4B的可选部件，用于防止开关16在紧急事件期间耗散感应能量。如下面描述的，根据本公开的各个方面，功率电路（诸如功率电路4B）可以不需要诸如钳位电路22的部件。
如图4中所示，驱动器20耦合到开关16的漏极、源极和栅极中的每一个并且能够从控制器单元18接收驱动器控制命令或信号。驱动器20的接通/关断单元26经由链路14提供栅极电荷（“IG”）给开关16以在正常操作期间控制开关16的接通和关断。替代在紧急事件期间使控制器单元18和驱动器20试图驱动开关16的快速紧急关断（并且可能冒损坏开关16和/或使开关16过渡到钳位操作的风险），驱动器20的断路单元24可以自动启动开关16的受控紧急关断操作以放电开关16的栅极电荷。在紧急事件期间开关16的受控紧急关断操作能够由断路单元24以这样的方式来执行以使得开关16的最大结温度最小化从而免于达到在一些快速紧急关断操作期间结温度达到的类似水平。
换句话说，替代在紧急事件期间执行快速紧急关断以尽可能快地（例如在尽可能最短的时间量中）吸收和/或放电开关16的栅极处的电流，驱动器20的断路单元24可以通过在两个时期或阶段中放电开关16的栅极处的电流来执行开关16的受控紧急关断。通过在两个时期或阶段中放电开关16的栅极处的电流，断路单元24可以防止开关16过渡到钳位操作（如果并且当功率电路4B包括诸如钳位电路22之类的钳位电路时）和/或防止开关16的结温度在紧急关断操作期间上升为如在快速紧急关断操作期间本来将上升的结温度一样高。
断路单元24和受控紧急关断的技术和电路在下面关于附加附图被更详细地描述。如果开关16受钳位电路22的保护，则驱动器20的断路单元24可以防止钳位电路22被驱动到钳位操作中，并且因此，可以防止开关16的结温度的关联上升。另外，因为断路单元24可以执行受控紧急关断操作，所以功率电路4B不需要钳位电路22保护开关16免于由紧急和非紧急事件两者期间的感应能量耗散引起的热毁坏。
断路单元24可以控制开关16的栅极放电以根据下面表1中所示的控制等式1和2来最小化受控紧急关断期间开关16的最大结温度Tj。
表1
等式1 最小化最大结温度 Tj
等式2 经受表示电热系统的非线性微分等式，包括针对栅极电荷的控制约束。
根据上面的控制等式，断路单元24可以把受控紧急关断期间开关16的栅极电荷的放电划分为两个阶段。在受控紧急关断的第一阶段期间，断路单元24可以使得开关16的栅极电荷尽可能快地并且在足够时间期间放电，该足够的时间允许与开关16相关联的退磁能量有机会耗散。然而，在受控紧急关断的第二阶段中，替代继续尽可能快地使开关16的栅极放电以完成开关16的受控紧急关断，断路单元24可以使得开关16的剩余栅极电荷以更慢的速率放电。该更慢的速率可以使得开关16的漏极电流ID在受控紧急关断期间与由某个其它功率电路执行的快速紧急关断相比被减小。开关16的减小的ID可以导致开关16的更低的VDS并且进一步导致开关16处更低的最大功率耗散。因此，断路单元24和开关16的受控紧急关断可以使得开关16的最大结温度减小。
图5是图示根据本公开的一个或多个方面的图4中示出的功率电路4B的各个定时特性的定时图。图5的曲线图40A-40D图示了在紧急事件（例如，负载6短路）期间在时间t0和t8之间的图4中所示的开关16的各部分的电压、电流和温度水平。曲线图40A示出在紧急事件期间开关16的漏极处的电流水平（“ID”），并且曲线图40B示出在紧急事件期间开关16的漏极和源极之间的电压水平（“VDS”）。曲线图40C示出在紧急事件期间开关16的栅极处的电流水平（“IG”），并且曲线图40D示出在紧急事件期间开关16的结温度（“Tj”）。
紧急事件可能在功率电路4B的正常操作期间随着控制器单元18提供驱动信号命令给驱动器20以控制开关16而在各个时间发生。这些紧急事件可以引起感应能量在功率电路4B内的大量累积，当被耗散时，其能够导致对功率电路4B的部件的灾难性热损坏。
驱动器20的断路单元24可以依赖于开关16的ID和/或开关16的VDS，独立于来自控制器单元18由驱动器20接收的任何驱动器控制信号来确定是否执行开关16的紧急关断。基于开关16的ID和/或开关16的VDS，断路单元24可以确定紧急事件是否开关16处正在发生或将要发生。断路单元24可以通过使得开关16的IG以如下方式放电来执行受控的紧急关断：在关断操作期间最小化开关16的TJ。
例如，图5示出紧急事件可以在时间t0开始并且持续直到时间t8。在t0之后的某个点，断路单元24可以确定在功率电路4B正在发生紧急事件（例如基于曲线图40A和40B中示出的开关16的ID和/或VDS）。代替执行开关16的快速紧急关断以从链路14尽可能快地放电电流，断路单元24可以响应于紧急事件而通过使得开关16的IG以最小化开关16的TJ的方式放电来启动开关16的受控紧急关断。
断路单元24可以使得在受控紧急关断期间开关16的IG的放电在两个时期或阶段中发生。在时间t5和t6之间，曲线图40C图示受控紧急关断的阶段1（“θ1”），断路单元24执行开关16的IG的“快速”放电，并且在受控紧急关断的阶段2（“θ2”），断路单元24执行开关16的IG的“慢速”放电（例如，阶段2的慢速放电速率的量值大于零但是小于阶段1的快速放电速率的量值）。
在一些示例中，断路单元24使得从受控紧急关断的阶段1（例如开关16的IG的快速放电）到受控紧急关断的阶段2（例如开关16的IG的慢速放电）的过渡在预定时间阈值之后发生。在其它示例中，断路单元24可以使得从受控紧急关断的阶段1到阶段2的过渡根据开关16的IG的预定电流断路电平滞后而发生。换句话说，在断路单元24确定开关16的ID的某部分（例如80%）已发生之后，断路单元24可以使得开关16的IG的放电从快速放电过渡到慢速放电。在再其它示例中，断路单元24可以比较开关16的VDS和最大电压阈值并且如果VDS超过最大电压阈值，则可以使得开关16的IG的放电在受控紧急关断期间从阶段1过渡到阶段2。
在任何事件中，正如开关16的快速紧急关断，开关16的受控紧急关断可以快速停止进一步的感应能量在功率电路4B中累积。作为开关16的受控紧急关断可以快速停止进一步的感应能量在功率电路4B中累积的证据，图5的曲线图40A示出在时间t5之后开关16的ID的急速减小。然而，曲线图40B示出开关16的ID在时间t5之后开始下降，开关16的VDS逐渐下降，使得防止负载6的VL的急速负向减小和/或负载6的IL的急速负向减小。与在快速紧急关断期间发生的开关16的ID和VDS的改变的快速速率相比，在受控紧急关断期间发生的开关16的ID和VDS的改变的中等速率防止开关16被驱动到钳位操作中。
曲线图40D示出在时间t6之后，在受控紧急关断期间，因为开关16被防止过渡到钳位操作中和/或开关16的ID和VDS的改变速率被控制，所以开关16的Tj示出减小的最大温度。在一些示例中，当与快速紧急关断期间的开关16的Tj（如图3的曲线图30D所示）相比较时，受控紧急关断期间的开关16的Tj可以被减小大约6.4%或24℃。另外，IL的减小的改变可以减轻供电阻抗上的电压降并且可以帮助在紧急断路期间使供电线路稳定。
图6和7是分别图示根据本公开的一个或多个方面的图4中示出的功率电路4B的驱动器20的示例的框图。图6和7在下面在图4的功率电路4B的情境中被描述。
如图6中所示的，驱动器20A可以耦合到功率开关（诸如开关16）的漏极、栅极和源极中的每一个。图6的驱动器20A包括接通/关断单元26A，其经由链路14耦合到断路单元24A。接通/关断单元26A和断路单元24A在功能上分别等同于图4中示出的接通/关断单元26和断路单元24。
接通/关断单元26A包括电流镜70和76，电流镜70和76分别通过开关72和74耦合到链路14。断路单元24A包括感测单元，其由感测MOSFET 50和分流电阻器52构成。断路单元24A还包括比较器54、缓冲器58、电流镜62和66、开关60和64以及链路68。电流镜62和66可以表示断路单元24A的不同级。例如，断路单元24A的第一级可以包括电流镜62和/或附加电流镜、运算放大器和类似物以在功率开关（诸如开关16）处执行栅极电流的快速放电。断路单元24A的第二级可以包括电流镜62和/或附加电流镜、运算放大器和类似物以在功率开关（诸如开关16）处执行栅极电流的慢速放电。断路单元24A可以可操作地耦合到开关16的栅极和功率电路4的链路14 以及开关16的漏极和源极中每一个。在一些示例中，与图6中示出的那些相比，断路单元24A可以包括附加的或更少的部件。
图6示出在开关74断开并且开关72闭合时接通/关断单元26A可以提供电流给开关16的栅极。在开关72断开并且开关74闭合时接通/关断单元26A可以放电来自开关16的栅极的电流。驱动器20A可以包括控制逻辑（未示出），该控制逻辑控制开关72和74的操作。电流镜70耦合到供电源（“VSUP”），当驱动开关16接通时，电源提供由接通/关断单元26A提供的电荷源。电流镜76耦合到开关16的源，该源在驱动开关16关断时提供由接通/关断单元26A从开关16的栅极放电的电荷吸收。在正常操作期间（例如当驱动器20A未检测到紧急事件时），驱动器20A的接通/关断单元26A可以在链路14提供开关16的IG来驱动开关16接通并且可以把开关16的IG从链路14放电以驱动开关16关断。
在图6的示例中，当接通/关断单元26A在开关16的正常切换操作期间可以对开关16的栅极充电或放电时，驱动器20A的断路单元24A在断路单元24A检测到紧急事件时可以执行开关16的受控紧急关断。断路单元24A的感测MOSFET 50和分流电阻器52的组合表示感测单元，其给断路单元24A提供负载电流（“IL”）感测能力。图6示出感测MOSFET 50的漏极、栅极源极端子被耦合到开关16的各端子以把开关16与感测MOSFET 50的操作状态同步。换句话说，通过把开关16和感测MOSFET 50的端子耦合，开关16和感测MOSFET 50可以同时操作在相同的“接通”或“关断”状态。当开关16和感测MOSFET 50均操作在接通状态时，断路单元24A可以通过确定分流电阻器52两端电压水平和分流电阻器52的电阻之间的比率来确定负载6的电流（“IL”）的量（例如从开关16流出的电流量）。断路单元24A可以基于感测单元处的电流水平（例如所确定的负载6处的IL）来确定在负载6或在功率电路4B的某个其它部分中是否正在发生紧急事件。如果断路单元24A确定紧急事件正在或将要在功率电路4B处发生，则驱动器20A的断路单元24A可以启动开关16的受控关断。
例如，图6的断路单元24A可以依赖于来自比较器54的在链路68处的输出来确定何时启动开关16的受控紧急关断。图6示出对比较器54的第一输入对应于分流电阻器52两端的电压并且对比较器54的第二输入对应于阈值电压（例如，分流电阻器52两端的最大电压，其指示紧急事件正在发生或将要发生）。在一些示例中，比较器54处的第一输入可以对应于负载6处的IL（例如分流电阻器52两端的电压和分流电阻器52的电阻之间的比率）并且比较器54处的第二输入可以对应于阈值电流（例如，通过分流电阻器52的最大电流，其指示紧急事件可能正在发生或将要发生）。
如果第一输入超过第二输入，则图6中示出的比较器54可以在链路68输出第一值，并且如果第一输入未超过第二输入，则所述比较器54可以在链路68输出第二值。断路单元24A基于来自比较器54的输出来确定何时启动开关16的受控紧急关断。例如，在一些示例中，断路单元24A可以在比较器54的输出指示分流电阻器52两端的电压超过电压阈值量时启动开关16的受控紧急关断，该电压阈值量等于断路单元24A的电流断路电平（例如开关16能够安全处置的最大电流的80%）。
不同于其中接通/关断单元26A可以代表驱动器20A对开关16的栅极电荷进行放电的正常关断操作，在紧急事件期间，图6中示出的断路单元24A可以通过执行具有两个阶段的受控紧急关断操作来代替驱动器20A接管从链路14的栅极电荷放电。断路单元24A可以通过以下方式来执行受控紧急关断的阶段1：使得用于放电开关16的栅极电荷的断路单元24A的第一级使用电流镜62和/或附加电流镜、运算放大器等来执行“快速放电”。断路单元24A可以通过以下方式来执行受控紧急关断的阶段2：使得用于放电开关16的栅极电荷的断路单元24A的第二级使用电流镜66和/或附加电流镜、运算放大器等来执行“慢速放电”。
例如，在图6的示例中，在受控紧急关断的开始处，驱动器20A的断路单元24A或某种其它驱动器控制逻辑可以使得接通/关断单元26A断开开关72和74两者以确保没有电流被接通/关断单元26A提供或放电。接下来，断路单元24A可以闭合开关60以开始开关16的受控紧急关断的阶段1（例如，像“快速紧急关断”，用于从开关16的栅极快速移除尽量多的电荷）从而引起负载6的快速退磁。在执行受控紧急关断操作的阶段1之后，断路单元24A可以通过断开开关60和闭合开关64来引起负载6的慢速退磁而过渡到受控紧急关断的阶段2。
由图6的断路单元24A进行的从受控紧急关断操作的阶段1到阶段2的过渡可以按照各种方式被触发。在一些示例中，断路单元24A可以在如由开关60和64之间的缓冲器58所示的预定时间（tFAST）之后过渡到受控紧急关断的阶段2。在一些示例中，断路单元24A可以根据预定电流断路电平滞后（例如，当利用感测MOSFET 50和分流电阻器52测量的IL达到与开关16相关联的电流断路的80%时）来从受控紧急关断操作的阶段1过渡到阶段2。在再其它示例中，如果驱动器20A的断路单元24A或某个其它逻辑块确定开关16两端的电压（例如VDS）超过最大电压阈值，则断路单元24A可以从受控紧急关断操作的阶段1过渡到阶段2。在任何事件中，在断路单元24A确定发生到受控紧急关断操作的阶段2的过渡之后，驱动器20A可以断开开关60并立即闭合开关64以使用电流镜66继续在链路14放电开关16的栅极电荷，从而执行慢速放电并且防止结温度在开关16上升。
这样，图6的断路单元24A可以防止开关16被驱动到积极过压钳位中。因此，当驱动器20A包括断路单元24A时钳位电路22可以被省略，并且可以减小功率电路4B的物理尺寸（例如面积）和/或成本。
图7的驱动器20B包括来自图4的驱动器20的、除了由图6的驱动器20A示出的那些之外的附加细节。例如，图7的驱动器20B可以是开关器件的集成部件，该开关器件如在功率电路（例如半桥电路）中那样被用作高侧开关。如图7中所示，驱动器20B包括经由链路14耦合到断路单元24B的接通/关断单元26B，其中断路单元24B被耦合到开关16的栅极和源极。接通/关断单元26B和断路单元24B在功能上分别等同于图4中示出的接通/关断单元26和断路单元24。
如图7中所示，驱动器20B的接通/关断单元26B包括电荷泵电路，其可以经由双极向接通/关断单元26B供应功率直到特定VDS并且否则在低VDS时将栅极电压泵送到比供电高的值。
图7还示出在接通/关断单元26B内，PMOS电流镜递送充电电流并且NMOS电流镜提供放电电流。像图6的驱动器20A那样，由图7的驱动器20B在下游（例如在负载6处）测量的负载电流经由断路单元24B的感测MOSFET和分流电阻器被测量。还类似于图6的驱动器20A，图7中示出的断路单元24B的比较器可以在与感测MOSFET相关联的分流电阻器上的电压降超过由VREF定义的电压阈值或限制时启动受控紧急关断操作。为了用于执行受控紧急关断的操作，在断开接通/关断单元26B的开关S1和S2两者之后，驱动器20B可以闭合断路单元24B的开关S4以使用断路单元24B的标记为IFAST的电流镜来放电栅极电荷（例如，为了最小化关断时间并开始负载6的快速退磁 ）。在定义的时间（tFAST）之后或在达到VDS限制之后，驱动器20B可以过渡到阶段2并断开断路单元24B的开关S4并且立即闭合断路单元24B的开关S3以继续利用标记为ISLOW的电流镜放电（例如，为了控制负载路径的电流和电压转换速率）。
图8是图示根据本公开的一个或多个方面的功率电路4B的驱动器20的示例性操作的流程图。图8在下面在图4的驱动器20和功率电路4B的情境下被描述。
图8示出功率电路4B的驱动器20可以检测紧急事件（100）。例如，驱动器20的断路单元24可以确定开关16的VDS和/或负载6的IL分别超过电压和/或电流阈值，并且可以确定紧急事件（例如过载）正在发生或将要发生。
在图8的示例中，驱动器20可以在检测到紧急事件正在发生或将要发生之后停止开关16的正常栅极充电和正常栅极放电（110）。例如，驱动器20的接通/关断单元26可以停止提供充电或放电电流到链路14，或换句话说，停止把开关16驱动到正常关断或接通状态。
图8示出在接通/关断单元26停止驱动开关16的栅极之后，断路单元24可以启动开关16的栅极的快速栅极放电（120）。例如，断路单元24可以开始受控紧急关断操作的阶段1并且使得开关16的栅极电荷快速放电（例如以-1mA）。
在图8的示例中，驱动器20可以在断路单元24确定驱动器20应过渡到受控紧急关断操作的阶段2时停止快速栅极放电。例如，断路单元24可以在如下情况下过渡到受控紧急关断的阶段2：在预定时间（例如4μs）之后、根据预定电流断路电平滞后（例如当利用感测MOSFET 50和分流电阻器52测量的IL达到与开关16相关联的电流断路的80%时）、和/或如果开关16两端的电压（例如VDS）超过最大电压阈值。
图8示出驱动器20可以通过启动开关16的慢速栅极放电（140）来完成开关16的受控紧急关断操作。例如，在断路单元24确定将发生到受控紧急关断操作的阶段2的过渡之后，驱动器20可以执行开关16的栅极的慢速放电并且使得开关16的栅极比在阶段1期间更慢地放电（例如以-20μA）以防止在开关16处的高结温度上升。这样，通过根据图8的步骤执行受控紧急关断操作，功率电路（诸如功率电路4B）可以避免把基于功率开关的开关器件驱动到钳位操作中并且可以消除依赖于齐纳钳位电路的需要。
图9是图示根据本公开的一个或多个方面的图6和7中示出的示例性驱动器的各个定时特性的定时图。图9示出在断路单元24在链路14执行电荷的受控紧急关断操作时开关16处的栅极电荷。例如，图9把受控紧急关断操作的阶段1示出为使得快速栅极放电（例如-1mA栅极电荷从开关16的栅极被放电）达接近4μs。图9进一步图示在4μs之后，断路单元24过渡到受控紧急关断操作的阶段2，在阶段2期间慢速栅极放电针对紧急事件的剩余部分发生（例如，-20μA栅极电荷从开关16的栅极被放电）。通过这个受控紧急关断操作，驱动器20使用断路单元24可以确保开关16的结温度保持在开关16的操作温度限制内并且进一步可以消除对横跨开关16的漏极和栅极的齐纳钳位电路的需要。
图10A和10B是图示根据本公开的一个或多个方面的图4中示出的功率电路4B的各个定时特性的定时图。图10A和10B示出根据所描述的电流和技术当快速紧急关断在紧急事件期间发生时或当受控紧急关断在紧急事件期间发生时开关16的电气特性和热特性的比较。
图10A示出在受控紧急关断操作期间开关16的结温度随时间的曲线图（TJ_C）和功率耗散随时间的曲线图（PD_C）以及旁边的在快速紧急关断操作期间开关16的结温度随时间的曲线图（TJ_F）和功率耗散随时间的曲线图（PD_F）。在受控紧急关断操作期间开关16的峰值结温度和峰值功率耗散小于在快速紧急关断操作期间开关16的峰值结温度和峰值功率耗散。
图10B示出在受控紧急关断操作期间开关16的VDS随时间的曲线图（VDS_C）和ID随时间的曲线图（ID_C）以及旁边的在快速紧急关断操作期间开关16的VDS随时间的曲线图（VDS_F）和ID随时间的曲线图（ID_F）。在受控紧急关断操作期间开关16的峰值VDS和峰值ID小于在快速紧急关断操作期间开关16的峰值VDS和峰值ID。
图11是图示根据本公开的一个或多个方面的图4中示出的功率电路4B的各个定时特性的定时图。图11示出在受控紧急关断操作期间开关16的结温度随时间的曲线图（TJ_C）和功率耗散随时间的曲线图（PD_C）以及旁边的在快速紧急关断操作期间开关16的结温度随时间的曲线图（TJ_F）和功率耗散随时间的曲线图（PD_F）。图11示出与快速紧急关断相比，受控紧急关断可以导致关于开关16的最大结温度的显著减小。图11中示出的最大结温度降低6.4%或24℃。
在许多应用中，不基于开关的RDSON而是通过开关的所需要的钳位能量来选择功率开关（诸如开关16）用于功率电路应用。图11示出通过执行受控紧急关断操作而不是快速紧急关断操作，功率电路可以能够使用具有更小面积的更便宜的功率开关，并且能够承受更低的最大结温度。
图12A和12B是图示根据本公开的一个或多个方面的图4中示出的功率电路4B的各个定时特性的定时图。图12A和12B的曲线图均在开关16失效之前以最大功率脉宽比较开关16的受控紧急关断行为和快速紧急关断行为。假设开关16的毁坏温度恒定，则断路温度可以被用于确定受控紧急关断行为和快速紧急关断行为的温度上升的差别。受控紧急关断导致显著更高的脉宽并且因此导致更高的最大断路温度。因此，在假定毁坏温度为550℃的情况下，最大结温度被减小5.5%或31℃。
图13是图示图1中示出的示例性系统的功率电路的附加示例的框图。图13示出功率电路4C包括控制器单元18、驱动器20、钳位电路22和开关16。在图13的示例中，链路10耦合到电池源和开关16的漏极。功率电路4C的输出耦合到链路12和负载6A，负载6A被示出为电感性负载的示例。图13进一步图示开关16内的体二极管以及续流二极管200的示例，用于保护负载6A免于在紧急事件期间的潜在短路。
图14是图示图1中示出的示例性系统的功率电路的附加示例的框图。图14示出功率电路4D包括控制器单元18、驱动器20C、和开关16。在图13的示例中，功率电路4D的输出耦合到链路12和负载6B，负载6B被示出为电感性负载的示例，该电感性负载被短路从而使得负载6B的R/L电缆充当负载6B的电感性负载元件。图14进一步图示：用于执行上面关于图4的接通/关断单元26和断路单元24描述的技术的接通/关断和/或断路逻辑可以被包括在驱动器20C中，作为栅极控制和电荷泵逻辑块的部分。
图15是图示用于对图7的驱动器20B进行建模和模拟的示例性模拟电路的电路图。换句话说，图15图示：模拟器电路，用于对图7的驱动器20B的接通/关断单元26B和断路单元24B进行建模和模拟；和热模型，用于模拟模拟器电路的电热行为。图15的电路模拟器用于确定最小的最大结温度。
条款1：一种方法，包括：由驱动器检测功率电路内的紧急事件，功率电路包括用于控制到电阻——电感——电容性负载的电流的开关；以及由驱动器响应于检测到的紧急事件来执行开关的受控紧急关断操作。
条款2：根据条款1的方法，其中响应于检测到的紧急事件来执行开关的受控紧急关断操作包括：由驱动器启动开关的快速栅极放电；由驱动器停止开关的快速栅极放电；以及在停止开关的快速栅极放电之后由驱动器启动开关的慢速栅极放电。
条款3：根据条款2的方法，其中在第一时间点启动开关的快速栅极放电，其中停止开关的快速栅极放电包括：由驱动器响应于确定从第一时间点开始已经过去预定时间而停止开关的快速栅极放电。
条款4：根据条款3的方法，其中至少部分地基于在受控紧急关断操作期间最小化开关的最大结温度来选择所述预定时间。
条款5：根据条款2-4中任一项的方法，其中停止开关的快速栅极放电包括：检测开关的电流输出；以及响应于确定开关的电流输出满足电流阈值而停止开关的快速栅极放电。
条款6：根据条款5的方法，其中电流阈值基于用于在受控紧急切换操作期间最小化开关的最大结温度的负载电流的电流断路电平滞后。
条款7：根据条款2-6中任一项的方法，其中停止开关的快速栅极放电包括：检测开关的电压水平；以及响应于确定开关的电压水平满足电压阈值而停止开关的快速栅极放电。
条款8：根据条款1-7中任一项的方法，还包括：避免在功率电路内无紧急事件期间由驱动器执行开关的受控紧急关断操作。
条款9：根据条款1-8中任一项的方法，还包括：在检测到的紧急事件之前由驱动器驱动开关处于开关的接通状态。
条款10：根据条款1-9中任一项的方法，其中当开关被驱动处于接通状态时检测紧急事件。
条款11：根据条款1-10中任一项的方法，还包括：在执行受控紧急关断操作之前由驱动器停止驱动或吸收与开关相关联的栅极电荷。
条款12：根据条款1-11中任一项的方法，其中开关包括半导体类型的功率开关。
条款13：根据条款1-12中任一项的方法，其中所述电路包括钳位电路，其中执行受控紧急关断操作包括由驱动器限制开关处的电压以防止钳位电路把开关驱动到钳位操作中。
条款14：根据条款1-3中任一项的方法，其中驱动器包括：断路单元，用于响应于检测到的紧急事件而至少执行开关的受控紧急关断操作。
条款15：一种功率电路，包括：开关，耦合到电阻——电容——电感性负载；和驱动器，用于控制开关，其中驱动器被配置为响应于在功率电路内检测到的紧急事件来执行开关的受控紧急关断。
条款16：根据条款15的功率电路，还包括：钳位电路，其中驱动器被进一步配置为限制开关处的电压以防止钳位电路把开关驱动到钳位操作中。
条款17：根据条款15-16中任一项的功率电路，其中驱动器进一步包括：第一级和第二级，其中驱动器被配置为通过至少使得第一级能够在开关处执行栅极电荷的快速放电并且在禁用第一电流镜之后使得第二级能够在开关处执行栅极电荷的慢速放电来执行开关的受控紧急关断。
条款18：根据条款17的功率电路，其中：第一级包括第一电流镜或第一运算放大器中的至少一个，并且第二级包括第二电流镜或第二运算放大器中的至少一个。
条款19：根据条款15-18中任一项的功率电路，其中驱动器还包括：感测单元，其中驱动器还被配置为基于感测单元处的电流水平来检测紧急事件。
条款20：一种功率电路包括：开关，耦合到电阻——电容——电感性负载；和驱动器，耦合到开关，其中驱动器包括：用于在功率电路中检测紧急事件的装置；和用于响应于检测到的紧急事件来执行开关的受控紧急关断操作的装置。
条款22：一种功率电路，包括用于执行条款1-14的方法中任一项的装置。
已经描述了各种示例。这些和其它示例在接下来权利要求的范围内。

Claims (16)

1.一种用于控制功率电路中的开关的方法，包括：
由驱动器检测所述功率电路内的紧急事件，所述功率电路包括用于控制到电阻——电感——电容性负载的电流的开关和钳位电路；以及
由驱动器响应于所述紧急事件通过将开关处的电压至少限制到如下值来执行开关的受控紧急关断操作：所述值防止钳位电路把开关驱动到钳位操作中并且防止开关的结温度的上升，其中响应于所述紧急事件来执行开关的受控紧急关断操作包括：
启动开关的快速栅极放电；
检测开关的电流输出；
响应于确定开关的电流输出满足电流阈值而停止开关的快速栅极放电；以及
在停止开关的快速栅极放电之后启动开关的慢速栅极放电。
2.根据权利要求1的方法，其中在第一时间点启动开关的快速栅极放电，其中停止开关的快速栅极放电包括：
由驱动器响应于确定从第一时间点开始已经过去预定时间而停止开关的快速栅极放电。
3.根据权利要求2的方法，其中至少部分地基于在受控紧急关断操作期间最小化开关的最大结温度来选择所述预定时间。
4.根据权利要求1的方法，其中电流阈值基于用于在受控紧急切换操作期间最小化开关的最大结温度的负载电流的电流断路电平滞后。
5.根据权利要求1的方法，其中停止开关的快速栅极放电包括：
检测开关的电压水平；以及
响应于确定开关的电压水平满足电压阈值而停止开关的快速栅极放电。
6.根据权利要求1的方法，还包括：
避免在功率电路内无紧急事件期间由驱动器执行开关的受控紧急关断操作。
7.根据权利要求1的方法，还包括：
在所述紧急事件之前由驱动器驱动开关处于开关的接通状态。
8.根据权利要求1的方法，其中当开关被驱动处于接通状态时检测紧急事件。
9.根据权利要求1的方法，还包括：
在执行受控紧急关断操作之前由驱动器停止驱动或吸收与开关相关联的栅极电荷。
10.根据权利要求1的方法，其中开关包括半导体类型的功率开关。
11.根据权利要求1的方法，其中驱动器包括：断路单元，用于响应于所述紧急事件而至少执行开关的受控紧急关断操作。
12.一种功率电路，包括：
开关，耦合到电阻——电容——电感性负载；
钳位电路；和
驱动器，用于控制开关，其中驱动器被配置为响应于在功率电路内检测到的紧急事件通过将开关处的电压至少限制到如下值来执行开关的受控紧急关断：所述值防止钳位电路把开关驱动到钳位操作中并且防止开关的结温度的上升，其中驱动器被配置为响应于所述紧急事件通过至少执行以下操作来执行开关的受控紧急关断操作：
启动开关的快速栅极放电；
检测开关的电流输出；
响应于确定开关的电流输出满足电流阈值而停止开关的快速栅极放电；以及
在停止开关的快速栅极放电之后启动开关的慢速栅极放电。
13.根据权利要求12的功率电路，其中驱动器进一步包括：
第一级和第二级，其中驱动器被配置为通过至少执行以下操作来执行开关的受控紧急关断：
使得第一级能够在开关处执行栅极电荷的快速放电；并且
在禁用第一级之后使得第二级能够在开关处执行栅极电荷的慢速放电。
14.根据权利要求13的功率电路，其中：
第一级包括第一电流镜或第一运算放大器中的至少一个，并且
第二级包括第二电流镜或第二运算放大器中的至少一个。
15.根据权利要求12的功率电路，其中驱动器还包括：
感测单元，其中驱动器还被配置为基于感测单元处的电流水平来检测紧急事件。
16.一种功率电路，包括：
开关，耦合到电阻——电容——电感性负载；
钳位电路；和
驱动器，耦合到开关，其中驱动器包括：
用于在功率电路中检测紧急事件的装置；和
用于响应于所述紧急事件通过将开关处的电压至少限制到如下值来执行开关的受控紧急关断操作的装置：所述值防止钳位电路把开关驱动到钳位操作中并且防止开关的结温度的上升，其中用于执行受控紧急关断操作的装置包括：
用于启动开关的快速栅极放电的装置；
用于检测开关的电流输出的装置；
用于响应于确定开关的电流输出满足电流阈值而停止开关的快速栅极放电的装置；以及
用于在停止开关的快速栅极放电之后启动开关的慢速栅极放电的装置。
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