CN105720799A - 栅极驱动器启动的零电压开关的接通 - Google Patents

栅极驱动器启动的零电压开关的接通 Download PDF

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Abstract

本申请涉及栅极驱动器启动的零电压开关的接通，公开了用于监测过电流和零电压的设备、系统和方法。这些设备、系统和方法监测电子设备的输入/输出引脚以确定没有执行对电子设备的输入/输出引脚的过电流的监测的时间段并且将在没有执行对电子设备的输入/输出引脚的过电流的监测的时间段期间的第一输入电压与第一参考电压相比较以确定二极管何时传导电流，二极管跨设在被监测零电压状态的开关上，其中二极管传导电流表明开关处于零电压状态。

Description

栅极驱动器启动的零电压开关的接通
技术领域
本公开内容涉及零电压切换(ZVS)，并且更特别地涉及与零电压切换的控制相关联的技术和电路。
背景技术
在一些应用中，使用零电压切换(ZVS)来执行功率开关的接通。与传统的硬切换功率变换器相比，例如在功率变换器中使用ZVS可以增加效率。使用ZVS的功率变换器可以消除漏极电路切换损耗以及一些栅极电路切换损耗。使用ZVS的功率变换器还可以消除整流器反向恢复效应并且在一些情况下可以消除沟道导通损耗。
ZVS接通通常通过到与被接通的开关并联的二极管的电流换向来实现。在一些情况下，二极管中的电流的流动可以将跨开关的电压钳位为大致1V的值，其可以足够接近零从而被认为是过零点。在一些情况下，跨开关的电压可以是负的。在接通期间的近似零电压产生为零的接通损耗或者接近零的接通损耗，其结合关断损耗的减小产生非常低的切换损耗并且因此有可能实现高的操作频率。
发明内容
一般而言，描述可以确定跨开关的二极管何时导通的技术和电路。跨开关的二极管的导通可以用于确定零电压切换(ZVS)应当何时出现。
在一些示例中，本公开内容涉及一种监测过电流和零电压的方法，包括：监测电子设备的输入/输出引脚以确定没有执行对电子设备的输入/输出引脚的过电流的监测的时间段，并且将在没有执行对电子设备的输入/输出引脚的过电流的监测的时间段期间的第一输入电压与第一参考电压相比较以确定二极管何时传导电流，二极管跨被监测零电压状态的开关而定位，其中二极管传导电流表明开关处于零电压状态。
在一个示例中，本公开内容涉及一种电子设备，包括：用于监测电子设备的输入/输出引脚以确定没有执行对电子设备的输入/输出引脚的过电流的监测的时间段的电路；以及被配置成将在没有执行对电子设备的输入/输出引脚的过电流的监测的时间段期间的第一输入电压与第一参考电压相比较以确定二极管何时传导电流的第一比较器，二极管跨被监测零电压状态的开关而定位，其中二极管传导电流表明开关处于零电压状态。
在另一示例中，本公开内容涉及一种电子设备，包括：用于监测电子设备的输入/输出引脚以确定没有执行对所述电子设备的所述输入/输出引脚的过电流的监测的时间段的装置；以及用于将在没有执行对电子设备的输入/输出引脚的过电流的监测的时间段期间的第一输入电压与第一参考电压相比较以确定二极管何时传导电流的装置，二极管跨被监测零电压状态的开关而定位，其中二极管传导电流表明开关处于零电压状态。
下面在附图和描述中给出一个或多个示例的细节。本公开内容的其他特征、目的和优点根据描述和附图并且根据权利要求将很清楚。
附图说明
图1是图示根据本公开内容的一个或多个方面的一个示例的电路图。
图2是图示根据本公开内容的一个或多个方面的电路的示例电流函数的时序图。
图3是根据本公开内容的一个或多个方面的实现零电压切换(ZVS)接通和去饱和(DESAT)的系统的组合的框图和电路图。
图4是图示根据本公开内容的一个或多个方面的低侧驱动器的一个示例的框图。
图5是图示根据本公开内容的一个或多个方面的能够使用的低侧驱动器的另一示例的框图。
图6是图示根据本公开内容的一个或多个方面的监测过电流和零电压的示例方法的流程图。
具体实施方式
一般而言，描述可以在其中使用零电压切换(ZVS)来执行例如功率变换器中的功率开关的接通的应用中使用的技术和电路。如以上所描述的，ZVS接通通常可以使用与被接通的开关并联的二极管通过电流换向来实现。二极管中的电流的流动将跨开关的电压钳位为大致1V的值，其可以足够接近零从而被认为是过零点。在一些情况下，跨金属氧化物半导体(MOS)晶体管的电压可以是负电压。例如，在电流从连接到MOS晶体管的二极管的阳极向阴极流动时跨MOS晶体管的电压可以是负电压，其中二极管的阴极在MOS的漏极处并且二极管的阳极在MOS的源极处。出于这一应用的目的，可以使用ZVS来指代零电压切换和近似零电压切换二者，包括低的正电压和低的负电压。例如，如果二极管导通，则其上通常具有小的电压。对于硅二极管，这一电压通常可以是大约0.7伏特。在本公开内容中，ZVS可以被用于指代与一个或少量二极管压降相关的零电压切换和近似零电压切换二者。二极管压降的数目可以与跨针对ZVS而被监测的开关串联使用的二极管的数目直接相关。通常，在一些示例中，跨开关使用单个二极管。
因为功率(P)等于电流(I)乘以电压(V)(P＝IV)，所以在接通期间的零电压或近似零电压可以产生为零的接通损耗或者接近零的接通损耗。低的功率损耗结合关断损耗的减小可以产生非常低的切换损耗。在低的切换损耗的情况下，在一些情况下可以实现更高的操作频率。例如，更高的操作频率可以是有可能的，因为需要耗散更少功率，即因为用于每个接通-关断或关断-接通转变的热量对应于功率损耗而出现。
在本公开内容中所描述的系统和方法的一个实例中，可以使用现有的监测引脚来提供多个功能。例如，单个监测引脚可以具有包括一个或多个原始操作功能的增强的功能性以及以上提及的ZVS的另外的实现，以便重复使用现有的外部电路用于原始功能和附加功能。因此，减小了复杂性和面积消耗。
在使用ZVS技术的一些示例功率变换器设计中，接通时刻可以由控制器来掌控。控制器通常可以运行所讨论的功率变换器的模型。模型可以用于使用所测量的参数来计算开关定时。模型通常是计算密集型的并且结果对精确的部件值敏感。由于所有部件以某些容限来制造并且精确值可以更多或更少地受到变换器操作(例如操作参数)的影响，所以可能更难确保在所有操作条件下使用模型的最佳功率变换器操作。因此，系统可以有利地使用简化的控制器结合根据电路的操作状态来得到接通时刻的电路。
在另一示例中，根据本文中所描述的系统和方法，然而，例如由控制器来执行的计算可以是不必要的，因为可以使用其他电路来检测指示一个或多个零电压开关的切换应当何时出现的各种电路的状态。例如，可以使用确定二极管导通来根据ZVS条件确定一个或多个开关的切换应当何时出现。确定二极管导通以根据ZVS条件来判定何时接通开关可以减小控制器中所需要的计算，因为使用对应的电路的驱动器可以控制先前由控制器来执行的操作的方面。在一个示例中，可以在控制器外部执行根据ZVS条件来接通开关，而可以由控制器来执行关断。当控制器不需要执行确定何时接通开关的处理时，即因为在控制器外部进行何时接通开关的确定，所以控制器不需要具有描述应当何时接通开关的信息。描述应当何时接通开关的信息可以被称为开关的接通的分析描述。开关的接通的分析描述可以表征何时接通开关。使用本文中所描述的系统和方法来确定二极管导通可以简化或消除对于开关的接通的分析描述的需要，因为在一些示例中，几乎或者完全不需要用于确定何时根据ZVS接通开关的计算，因为可以在控制器外部进行确定。相反，可以关于可以指示应当何时根据ZVS条件来接通开关(例如如本文中所描述地通过确定电流何时流经二极管)的一个或多个电路部件的条件进行确定。例如，在一些情况下，可以监测二极管的导通情况以确定应当何时接通开关。可以使用电子设备的驱动器中的模拟电路来检测二极管的接通，如下面更详细地描述的。在一些示例中，可以监测二极管的导通情况以确定应当何时根据ZVS条件来接通开关并且可以使用微控制器来确定应当何时关断开关。可以基于时间和电流或电压来确定应当关断开关的时间。例如，可以在启动时和/或在被监测的电路上的负载很低的时间期间关断开关。在功率变换器操作中，可以在来自电感器的能量撤回能够用通过开关的电流来补偿时在某个负载处确定关断。关断可以基于特定电路来变化并且可以与输出功率相关。
如本文中所描述的，在本公开内容中所描述的系统和方法的一个示例中，可以使用现有的监测引脚来提供多个功能。例如，单个监测引脚可以具有包括一个或多个原始操作功能的增强的功能性以及以上提及的ZVS的另外的实现，以便重复使用现有的外部电路用于原始功能和附加功能二者。在一个示例中，可以使用设备上的相同的引脚并且重复使用其中一些或全部电路提供原始操作功能来监测二极管的过电流和导通条件。例如，本文中所描述的DESAT电路可以提供过电流保护(即原始操作功能)和ZVS条件的检测二者。可以使用二极管的导通条件来确定应当何时根据ZVS条件来接通开关。通常，可以在几乎或完全没有对电子设备外部的电路的变化的情况下来实现本文中所描述的系统和方法。在一些示例中，可以添加外部电容器或者可以改变外部电容器的电容值。
图1是图示根据本公开内容的一个或多个方面的一个示例的电路图。使用图1的示例电路来讨论ZVS电流换向。术语“电流换向”用于描述由一个部件承载的电流移动为由另一部件来承载的情况，例如通过二极管的电流被转移为流过开关的情况或者由开关承载的电流被转移为由二极管来承载的情况。例如，电流换向是其中当电压反转极性时由二极管传导的电流由开关来接管(反之亦然)的情况。可以认为图1中的图在四个不同的阶段——阶段1、阶段2、阶段3和阶段4——中起作用。初始，顶部开关STOP接通使得电流流过顶部开关STOP并且流过电感器L。在阶段1，顶部开关STOP可以关断，使得顶部开关STOP不再传导电流。通过电感器(在这种情况下为电感器L)的电流没有立刻减小为零。因此，在阶段2，可以向“阻尼器”电容器CS1和CS2并且通过电感器L来使电流换向。因此，在阶段2，电流从每个“阻尼器”电容器CS1和CS2并且通过电感器L来流动。跨顶部开关STOP的电压可以固定为“零”以实现低的关断损耗，并且在底部开关SBTM的接通之前对阻尼器电容器CS1充电并且对阻尼器电容器CS2放电。在阶段3，可以将电流换向到反向并联的二极管D2。因此，电流向上流动通过二极管D2并且通过电感器L。在阶段4，可以接通底部开关SBTM。因此，在阶段4，电流流动通过底部开关SBTM并且通过电感器L。
图2是图示根据本公开内容的一个或多个方面的电路的示例电流函数的时序图。图2图示电流函数和组合函数二者。标记为“电流函数”的顶部时序图200图示去饱和(DESAT)监测功能性。DESAT监测功能性监测过电流情况。在一些示例中，DESAT监测可以在功率器件接通之后立刻有效。当功率器件关断时，DESAT引脚可以通过内部MOSFET连接到接地，这提供对IC的保护以免受功率电路中出现的噪声和电压尖峰的影响。
参考图2中图示的顶部时序图200，说明DESAT放电信号。DESAT放电信号可以控制过电流监测何时有效。例如，当DESAT放电信号很低时，DESAT过电流监测将有效。当DESAT放电信号很高时，DESAT过电流监测将无效。输出波形和输入波形在有效的DESAT过电流监测期间有效。
如图2中的顶部时序图200所指示的，存在DESAT过电流监测无效的时间段。在这一时间段期间，当DESAT过电流监测无效时，没有使用DESAT引脚。因此，可以在这一时间期间使用DESAT引脚来执行另外的功能性，诸如DESATZVS检测。图2的底部时序图202标记为“组合功能性”并且图示DESAT过电流监测和DESATZVS检测的组合的示例。因此，根据本公开内容的一个或多个方面，可以实现DESAT过电流监测和DESATZVS检测的组合的功能性。可以将ZVS检测功能的激活与如图2中图示的输入信号组合，如下面参考图3描述的。因此，单个输入引脚(例如下面描述的图3的DESAT_pin)可以执行DESAT过电流监测和DESATZVS检测的组合的功能性。DESAT过电流监测和DESATZVS检测的组合的功能性可以向用户给出控制以切断开关的自动接通的另外的方法。例如，其还可以能够在DESAT过电流监测一旦变为无效时激活ZVS检测。另外地，在一些示例中，可以针对电路去激活来执行ZVS检测。例如，电路去激活可以由控制信号来控制，诸如可以由PWM生成器(例如图3中的PWM生成器312)或其他控制电路来控制的启用信号或切断信号。
如关于图2中的DESAT过电流监测和DESATZVS检测的组合的功能性所图示的，DESAT过电流监测可以具有有效时段和无效时段。在无效的DESAT过电流监测时间段期间，可以执行DESATZVS检测，如所图示的。因此，本文中所描述的DESAT电路可以提供过电流保护——即一般的DESAT电路功能性(即原始操作功能)——以及ZVS条件的检测二者，以根据ZVS条件来确定应当何时接通开关。
图3是根据本公开内容的一个或多个方面的实现ZVS接通和DESAT的系统的组合的框图和电路图。在图3的图示示例中，低侧驱动器电路300包括用于提供多个功能的监测引脚(DESAT)。例如，DESAT引脚可以提供过电流检测和ZVS条件检测以确定开关接通应当何时出现，即二极管D3何时导通。仍然可以在例如微控制器中计算在ZVS之后(即在根据ZVS条件接通开关之后)的开关的关断时间。
在图3的图示示例中，DESAT引脚具有增强的功能性，其包括原始操作功能以及以上提及的ZVS的另外的实现，以重复使用现有的外部电路用于这两个功能并且因此减小了复杂性和面积消耗。通常，在DESAT监测有效的时间期间，例如如图2中所图示的，当底部时序图202上的DESAT监测信号有效时，DESAT监测“有效”。当DESAT监测有效时，DESAT引脚可以用于DESAT监测。在DESAT监测无效的时间期间，例如如图2中所图示的，当底部时序图202上的DESAT监测信号无效时，DESAT监测“无效”。当DESAT监测无效时，DESAT引脚可以用于监测ZVS，如本文中所描述的。图3图示可以包括如本文中所描述的DESAT监测和ZVS二者的示例电路。在图3的示例中，DESAT监测可以在开关(晶体管302)接通时出现。在图3的示例中，当开关关断时，DESAT监测不出现并且ZVS可以出现。图2通常图示可以用于通过使用单个输入引脚实现两个功能性来实现DESAT监测和ZVS的概念的示例定时。图3图示通过使用单个输入引脚实现两个功能性来实现DESAT监测和ZVS的概念的一个具体示例。
图3的图示示例可以通过使用基于ZVS间隔来反应的栅极驱动器来简化ZVS的使用。这样的ZVS可以在需要时自动接通功率开关。这一方法简化了控制器，因为可以从真实的电路操作状态得到接通时刻。这一方法还可以对于部件容限以及由于温度变化和其他原因而引起的变化不敏感。
在一个示例中，可以修改现有的栅极驱动器DESAT电路。这一修改可以实现在基于ZVS的功率变换器中可以是理想的增强的栅极驱动器特征。在一些示例中，DESAT过电流监测功能性可以仅在输出“ON”状态期间有效并且在输出“OFF”期间驻留在放电状态而没有监测这一引脚处的电压电平。在一些示例中，ON状态是特定的开关接通并且在该特定的时间被监测的时间段，并且OFF状态是特定的开关关断并且在该特定的时间没有被监测的时间段。
在一些示例中，通过ZVS和DESAT的组合实现，可以不再使用放电状态，即图2中图示的第一信号，顶部时序图200。在没有使用DESAT放电信号的时间期间，DESAT监测信号可以有效，使得本文中所描述的监测电路可以用于监测DESAT引脚电压电平以检测在内部将产生输出的自动激活(接通)的零电压条件。
图3是根据本公开内容的一个或多个方面的实现ZVS接通和DESAT监测的系统的组合的框图和电路图。图3中图示的示例可以实现连续的DESAT信号评估并且可以修改处置DESAT信号的电路的功能。特别地，图3是图示与用于开关(例如下部开关、晶体管302)的本公开内容一致的示例功能性的图。因此，在图3的图示示例中，监测下部开关、晶体管302。然而，可以使用以相同或相似的方式耦合到上部开关、晶体管304的相同或相似的电路来监测上部开关、晶体管304。因此，应当理解，与低侧驱动器电路300相同或类似的电路可以连接到上部开关、晶体管304以便提供本文中关于上部开关所描述的功能性。在一些情况下，可以监测晶体管302和304二者。还应当理解，与低侧驱动器电路300相同或类似的电路可以结合上部开关、晶体管304使用以提供ZVS和过电流监测。与低侧驱动器电路300相同或类似的电路可以连接到可以被称为“高侧”的上部开关。当在高侧使用与低侧驱动器电路300相同或类似的电路时，即“高侧驱动器电路”，高侧驱动器电路可以补充低侧驱动器电路300，即高侧驱动器电路可以结合晶体管304来使用并且低侧驱动器300可以结合晶体管302来使用。在另一示例中，高侧驱动器电路可以取代低侧驱动器电路300来使用，即仅使用高侧驱动器电路，而没有低侧驱动器电路300。或者，如图3中所图示的，可以在没有高侧驱动器电路的情况下来使用低侧驱动器电路300。低侧驱动器电路300和高侧驱动器电路的选择取决于要提供哪个或哪些开关的ZVS和过电流监测。
在一些示例中，DESAT是到运算放大器306上的正的输入引脚的输入。参考电压Vref(在本示例中为6伏特)可以是到运算放大器306的负的输入的输入。因此，运算放大器306可以用于实现将DESAT引脚上的电压与6伏特的参考Vref相比较的比较器。如果DESAT低于6伏特，则DESAT_CMP(DESAT比较)为低。相反，如果DESAT高于6伏特，则DESAT_CMP为高。在图示示例中，如下面更详细地描述的，可以使用单个运算放大器306来执行可以用于确定过电流情况和ZVS二者的比较DESAT_CMP和参考电压。因此，可以通过以下方式来使用单个运算放大器用于两个比较：执行用于在第一时间间隔期间确定过电流情况的比较以及用于在第二时间间隔期间确定ZVS的比较。
在其他示例中，例如其他电路拓扑，可以使用多个运算放大器，例如一个运算放大器用于执行用以确定过电流情况的比较，一个运算放大器用于执行用以确定ZVS的比较。例如，可以在接通门限和过电流门限不同时使用多个运算放大器。因此，可以在一些示例中使用具有包括单独的运算放大器的单独的比较电路的并行电路。
现在参考使用单个运算放大器306的图3的示例，当下部开关导通时，电流可以从DESAT引脚流出，流过二极管D5并且流过下部开关到接地。在正常操作期间，例如在没有处于过电流情况下时，跨二极管D5和下部开关302的电压通常将小于6伏特。例如，跨二极管D5的电压可以是大约0.7伏特并且跨下部开关、晶体管302的电压可以是大约2伏特，在DESAT_pin处总共为大约2.7伏特，其小于6伏特。因此，DESAT_CMP将很低。
图3的电路可以监测通过下部开关的过电流情况。过电流可以是由于例如从上部开关、晶体管304、从电感器L或从上部开关、晶体管304和电感器L二者流过下部开关302的大量电流而引起的。在过电流情况下，跨下部开关302的电压将增加到例如12伏特、20伏特、200伏特或更高。在某个点处，电压将足够地增加使得二极管D5将关断。在二极管D5关断的情况下，来自电流源308的电流将对电容器C1充电。因此，DESAT引脚上的电压将增加。如果过电流情况继续，则DESAT引脚上的电压将增加直到其大于6伏特并且DESAT_CMP将是高电压并且下部开关302可以被禁用。
当下部开关302关断时，图3的电路可以用于ZVS以确定二极管D3何时导通。通常在二极管D3正向偏置(例如阳极320上为正电压并且阴极322上为负电压，使得电流从阳极320向阴极322流动)时认为二极管D3导通。在理想的二极管中，正向偏置的区域包括阳极320与阴极322之间任何大于0伏特的电压。在一些示例中，当阳极320与阴极322之间的电压在大约0.6伏特到0.7伏特时，可以认为硅二极管被正向偏置。当阳极320与阴极322之间的电压在0.2V到0.3V之间时，可以认为锗二极管被正向偏置。本发明的范围不受二极管类型的限制，并且可以使用其他类型的二极管(例如碳化硅二极管等)。
类似于图1中图示的示例，在图3中，最初在监测ZVS时，顶部开关、晶体管304可以“接通”使得电流流过顶部开关、晶体管304并且流过电感器L。假定DClink处的电压足够高以保持二极管D5关断，则可以通过电流源308来对电容器C1充电。
通过电感器的电流不能立刻变化，并且因此当顶部开关、晶体管304关断并且不再导通时，电流可以被换向到电容器C1并且通过电感器L。因此，可以使得电容器C1上的电荷通过二极管D5和电感器L被放电。对于将为零或接近零的跨底部开关的电压，可以先于底部开关、晶体管302的接通来对电容器C1放电。因此，可以将电流换向到电容器C1。接着，可以将电流换向到二极管D3。因此，电流向上流过二极管D3并且流过电感器L。当电流跨二极管D3流动时，跨底部开关302的电压将为零伏特或接近零伏特，因为跨导通的二极管的电压降通常可以为大约0.7伏特。0.7伏特的电压降可以足以接近零以被认为是过零点。因此，当电流可以跨二极管D3流动时，跨底部开关302的电压可以为零伏特或接近零伏特以实现低的关断损耗。底部开关、晶体管302然后可以以大致为零的电压开关(例如0.7伏特)来接通。当跨底部开关302的电压接近零伏特时，来自电流源308和/或电容器C1的电流可以流过二极管D5。在某个点，跨电容器C1的电压可以降至参考电压Vref以下，参考电压Vref可以是例如6伏特。当跨电容器C1的电压降至参考电压Vref以下时，可以表明ZVS条件，如下面更详细地讨论的。
下部开关302可以由控制电路310来控制。控制电路310可以用于确定过电流情况和ZVS情况。
用于控制电路310的一个可能的实现可以如下。DESAT引脚信号的处理可以类似于没有合并ZVS和DESAT监测二者的方法，但是可以使用用于ZVS的电路来取代仅提供DESAT监测功能性的示例中所使用的放电电路。可以进行这一操作以便实现对在功率开关的关断状态期间出现的反向并联二极管接通的检测。可以首先将DESAT引脚信号与参考门限相比较。如图3中所图示的，对于ZVS状态检测，可以使用相同的参考电压例如6V用于过电流检测。可以进一步通过逻辑电路来评估比较的结果，逻辑电路确定功率开关的状态并且进行必要的动作。逻辑电路的功能可以如下：
如图3中所图示的，PWM生成器312输出启用信号LI，其是控制电路310的输入。另外地，启用信号LO是通过栅极318处的阻抗(例如电阻、电感、电容或这些的某种组合)连接到晶体管302的栅极的控制电路310的输出。如果DESAT_CMP信号(即，使用运算放大器306的比较的结果)处于逻辑低状态并且启用信号LI处于逻辑高状态，则二极管D3导通并且启用信号LO可以使用ZVS设置为逻辑高状态，如下面更详细地描述的。如果DESAT_CMP为高并且LO为高，即下部开关、晶体管302被启用，则可以出现过电流情况，如以上所描述的，并且可能需要对所有输出的阻挡。
本文中所描述的电路可以用于生成用于ZVS接通的信号，并且来自PWM生成器的启用信号LI可以被延迟直到电流换向到反向并联的二极管D3。跨底部开关302的电压可以变为零并且DESAT引脚电压也可以变为零。仅在跨功率开关302的电压接近零时或者充分接近零以被认为是过零点时，控制下部开关302的延迟的启用信号LO过渡到高。延迟可以保持跨功率开关302的电压不为零或没有接近零时不会时常出现切换。PWM生成器312(控制器)可以请求开关首先接通(LI变为高)，但是开关仅在ZVS条件存在时接通(LO变为高)。LO信号的延迟可以通过一系列栅极、锁存器、触发器和其他电路。关于图4来讨论这样的电路的示例。
在过电流的情况下，例如，在出现短路之后，输出电流IL可以增加。过电流可以通过栅极驱动器(例如驱动LO信号的控制电路310)来检测。在一个示例中，可以立刻停止所有的栅极信号，例如LO，并且然后可以减小输出电流IL。本文中所描述的系统和方法可以保留DESAT电路的过电流检测功能，同时使得能够通过栅极驱动器来启动ZVS接通。
在一些示例中，可以使用同步整流。例如，可以使用MOSFET来代替二极管。可以在反向并联二极管导通的同时接通MOSFET以减小导通损耗。这在低电压应用中特别有效。电流到二极管的换向大部分是电路驱动的。同步整流在二极管开始导通时MOSFET就接通的情况下可以最有效。可以通过本文中所描述的系统和方法来提供在二极管开始导通的同时或者几乎同时接通MOSFET。
可以使用ZVS来执行本文中所描述的用于接通例如功率变换器中的功率开关的系统和方法，并且可以结合很多不同类型的功率变换器(例如H桥功率变换器、全桥DC-DC功率变换器、升压功率变换器、降压功率变换器和升压-降压功率变换器等)来使用这些系统和方法。
在图3的示例中，通过与连接到顶部开关、晶体管304的低侧驱动器电路300相同或相似的电路，可以使用二极管D4的导通来指示应当接通顶部开关。换言之，顶部开关的二极管D4可以起到与底部开关的二极管D3相同或相似的目的。二极管D6将电容器C1处的电压保持为低于VCC2。
一些示例可以监测调制器的电子设备的输入/输出引脚，以确定没有执行对电子设备的输入/输出引脚的过电流的监测的时间段。通常，电子设备上的输入/输出引脚可以是可以执行输入功能性和输出功能性的引脚。如本文中所使用的，输入/输出引脚可以是输入引脚、输出引脚或者可以执行输入功能性和输出功能性的引脚。
在图3的示例中，低侧驱动器电路300监测调制器(诸如脉冲宽度调制(PWM)生成器312)的输出引脚(LI)，以确定执行或没有执行对电子设备的输入/输出引脚的过电流的监测的时间段。通常，在一些示例中，仅在开关处于接通状态时监测过电流，例如LI为高并且LO为高。在另一示例中，可以使用另一调制器(诸如脉冲强度调制器(PDM)生成器)而非脉冲宽度调制(PWM)生成器312。通常，术语“输入/输出引脚”是指连接到能够执行输入功能性和输出功能性的电路的电子设备上的引脚。然而，如本文中所描述的，术语“输入/输出引脚”是指连接到电子设备中的输入电路的电子设备上的输入引脚、连接到电子设备中的输出电路的电子设备上的输出引脚、或者连接到电子设备中能够执行输入功能性和输出功能性的电路的电子设备上的引脚。
比较电路(诸如包括运算放大器306的比较电路)将在没有执行对例如通过晶体管302的过电流的监测的时间段期间的第一输入电压(例如DESAT_pin上的电压)与第一参考电压(例如Vref)相比较以确定跨开关(例如晶体管302)的二极管D3何时导通。如图3中所图示的，跨开关的二极管的一个示例是跨晶体管302的二极管D3。在图3的示例中，晶体管302是具有集电极314、发射极316和栅极318的N沟道绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。二极管D3包括阳极320和阴极322。二极管D3的阳极320连接到晶体管302的发射极316。二极管D3的阴极322连接到晶体管302的集电极314。因此，如本文中所定义的，二极管D3跨开关(例如晶体管302)。应当理解，可以使用其他配置。这些其他配置将通常取决于所使用的开关的类型。通常，二极管将被连接使得阳极连接到开关的电流承载端子中的一个并且阴极连接到开关的电流承载端子中的另一个。二极管将通常不连接到开关上的任何控制信号。跨开关的二极管D3的导通表明跨开关的零电压状态出现。零电压状态包括当跨开关为零或诸如0.7伏特的低电压时的状态。如本文中所描述的，当跨底部晶体管302的电压接近0伏特时，例如为0伏特、小的正电压或者负电压时，来自电流源308和/或电容器C1的电流可以流过二极管D5。在某个点处，跨电容器C1的电压可以降至参考电压(例如6V)以下，这可以表示ZVS条件，如本文中所描述的。
在图3的示例中，可以基于DESAT引脚处的输入电压与参考电压(例如Vref)的比较来接通开关(诸如晶体管302)。DESAT引脚处的输入电压与参考电压的比较可以在没有执行对于电子设备的输入/输出引脚的过电流的监测的时间段期间出现。可以在跨开关的二极管D3导通时接通开关(例如晶体管302)。如果跨开关的二极管导通，则跨开关的电压为低，例如硅二极管为0.7伏特。其在本申请中可以关于零电压切换被认为是零。因此，可以在跨开关的二极管导通时接通开关。
另外地，低侧驱动器电路300监测开关(例如晶体管302)上的启用信号(例如LI信号)以确定执行和/或没有执行对电子设备的输入/输出引脚的过电流的监测的时间段，例如晶体管302没有导通的时间段。晶体管302在使用例如LO(其是低侧驱动器电路300的输出信号)关断时没有导通。比较电路(诸如包括运算放大器306的比较电路)将在执行对电子设备的输入/输出引脚的过电流的监测的时间段的DESAT引脚处的输入电压与参考电压Vref相比较以确定电子设备的输入/输出引脚的过电流何时出现。虽然图3图示组合DESAT和ZVS功能性的单个情况，然而应当理解，可以通过跨每个要监测ZVS和DESAT(例如过电流情况)的开关添加相同或相似的电路来将DESAT和ZVS功能性应用于多个开关。
然而，在一些示例中，第一输入电压和第二输入电压可以是两个不同时间的单个引脚上的电压，例如在过电流监测期间或者在ZVS监测期间的DESAT_pin上的电压。因此，第一参考电压和第二参考电压可以是两个单独的电压参考。这两个单独的电压参考可以具有相同或不同的电压。然而，第一参考电压和第二参考电压可以是单个参考电压，例如Vref处的6V。
图4是图示根据本公开内容的一个或多个方面的图3的低侧驱动器电路300的一个示例400的框图。示例的第一状态可以具有下面的初始条件，可以请求开关(例如图3的晶体管302)的“关断状态”。开关初始可以处于“关断状态”。二极管(例如二极管D3)可以关断。VCE(VDS)可以是跨DClink电容器的电压。可以通过在图3的PWM生成器312的LI输出上输出逻辑“0”值来请求开关的关断状态。如果晶体管304接通，则跨开关(例如晶体管302)的电压可以是或接近VDS。VDS是跨DClink电容器的电压。假定晶体管304接通，则在第一状态下，当二极管D3反向偏置时(假定VDC为正)，跨开关(例如晶体管302)的二极管D3可以关断。
在第一状态下，假定VDC大于6伏特，参考电压与DESAT_PIN的比较产生从运算放大器306输出的逻辑“1”。因此，DESAT_CMP在第一状态期间可以是逻辑“1”。因此，当LI在第一状态下等于逻辑“0”的情况下，并且在DESAT_CMP的反向版本为逻辑“0”的情况下，AND门402的输出在第一状态下也将是逻辑“0”。因此，SR触发器404的“S”输入是逻辑“0”，并且SR触发器404的“R”输入是逻辑“1”，即LI的反向版本。因此，SR触发器404保持重置并且SR触发器404的输出将为逻辑“0”。AND门406的输出也将是逻辑“0”并且AND门408的输出LO将是逻辑“0”。在LO等于逻辑“0”的情况下，晶体管302的基极将为低并且因此开关(例如晶体管302)关断。
示例的第二状态可以具有下面的初始条件，可以请求开关的“接通状态”。开关初始可以处于“关断状态”。二极管可以关断。VCE(VDS)可以是跨DClink电容器的电压。在第二状态下，可以通过从图3的PWM生成器312的LI输出端输出逻辑“1”来请求开关的“接通状态”。如果晶体管304接通，则跨开关(例如晶体管302)的电压可以是或接近VDC。因此，假定晶体管304接通，当二极管D3反向偏置时(假定VDC为正)，在第二状态下，跨开关(例如晶体管302)的二极管可以关断。
在第二状态下，假定VDC大于6伏特，参考电压与DESAT_PIN的比较为逻辑“1”。因此，DESAT_CMP在第二状态期间可以是逻辑“1”。因此，在LI等于逻辑“1”的情况下，并且在DESAT_CMP的反向版本为逻辑“0”的情况下，AND门402的输出在第二状态下也将是逻辑“0”。因此，SR触发器404的“S”输入是逻辑“0”。在此，不同于第一状态，SR触发器404的“R”输入是逻辑“0”。因此，SR触发器404将保持上一值——逻辑“0”，并且SR触发器404的输出将为逻辑“0”。AND门406的输出将是逻辑“0”。AND门408的输出LO将是逻辑“0”，并且晶体管302的基极将继续为低，并且因此晶体管302关断。因此，可以初始被关断的开关(例如晶体管302)可以在第二状态期间被接通。
示例的第三状态可以具有下面的初始条件，可以请求开关的“接通状态”。开关初始可以处于“关断状态”。二极管可以接通。VCE(VDS)可以处于0伏特。在示例的第三状态下，可以通过从图3的PWM生成器312的LI输出端输出逻辑“1”来请求开关(例如晶体管302)的“接通状态”。当晶体管302接通，晶体管304关断并且电容器C1已经通过晶体管302放电时，跨开关(例如晶体管302)的电压可以是或接近零。因此，当二极管D3可以是大致1伏特时，跨开关的二极管(例如跨晶体管302的D3)的二极管可以接通。
在第三状态下，参考电压与DESAT_PIN的比较为逻辑“0”。因此，DESAT_CMP在第三状态下可以是逻辑“0”。因此，在LI等于逻辑“1”的情况下，并且在DESAT_CMP的反向版本为逻辑“1”的情况下，AND门402的输出在第三状态下也将是逻辑“1”。因此，SR触发器404的“S”输入是逻辑“1”，并且SR触发器404的“R”输入可以是逻辑“0”。因此，SR触发器404的输出可以是逻辑“1”。AND门406的输出将是逻辑“0”。AND门408的输出LO将是逻辑“1”。初始关断的晶体管302通过LO从逻辑“0”到逻辑“1”的转变而接通。
示例的第四状态可以具有下面的初始条件，可以请求开关的“关断状态”。开关初始可以初始地处于“接通状态”。二极管可以接通。VCE(VDS)可以处于0伏特。在第四状态下，可以通过从图3的PWM生成器312的LI输出端输出逻辑“0”来请求开关(例如图3的晶体管302)的“关断状态”。跨开关(例如晶体管302)的电压可以是或接近零。因此，当二极管D3可以是大致1伏特时，跨开关的二极管(例如跨晶体管302的D3)可以接通。
在第四状态下，参考电压与DESAT_PIN的比较为逻辑“0”。因此，DESAT_CMP在第四状态下可以是逻辑“0”。另外，在LI等于逻辑“0”的情况下，并且在DESAT_CMP的反向版本为逻辑“1”的情况下，AND门402的输出在第四状态下也将是逻辑“0”。因此，SR触发器404的“S”输入是逻辑“0”，并且SR触发器404的“R”输入可以是逻辑“1”。因此，SR触发器404的输出可以是逻辑“0”。AND门406的输出将是逻辑“0”。AND门408的输出LO将是逻辑“0”。初始接通晶体管302并通过从逻辑“1”到逻辑“0”的LO转变而关断。
示例的第五状态可以具有下面的初始条件，可以请求开关的“接通状态”。开关初始可以处于“接通状态”。二极管可以关断。VCE(VDS)可以是大于6伏特。在第五状态(其可以在过电流的情况下出现在第三状态之后，即状态3之后可以是第四状态或第五状态之一)下，可以请求开关(例如图3的晶体管302)的“接通状态”。可以通过从图3的PWM生成器312的LI输出端输出逻辑“1”来请求接通状态。跨开关(例如晶体管302)的电压可以大于6伏特，并且开关(晶体管302)接通，并且跨开关的二极管(例如二极管D3)可以关断。
在第五状态下，参考电压与DESAT_PIN的比较为逻辑“1”。因此，DESAT_CMP在第五状态下可以是逻辑“1”。另外，在LI等于逻辑“1”的情况下，并且在DESAT_CMP的反向版本为逻辑“0”的情况下，AND门402的输出在第五状态下也将是逻辑“0”。因此，SR触发器404将保持前一值——逻辑“1”，并且SR触发器404的输出将是逻辑“1”。AND门406的输出将是逻辑“1”。AND门408的输出LO将是逻辑“0”。晶体管302初始为接通并保持接通。
图5是图示根据本公开内容的一个或多个方面可以使用的图3的低侧驱动器电路300的另一示例500的框图。在图5的图示示例中，可以通过隔离信号传输电路502(例如缓冲器)来缓冲IN(例如从图3的PWM生成器312输入的LI)。如果DESAT引脚为低并且IN为高，则二极管D3(图3)可以导通并且LO可以通过ZVS检测504来接通，如以上所描述的。如果DESAT_pin为高并且LO为高，即下部开关(晶体管302)被启用，则可以出现过电流情况并且DESAT检测506可以检测过电流，如以上所描述的。在过电流情况下，可能需要对所有输出的阻挡。LO可以是DESAT检测和ZVS检测的经缓冲的输出。
其他实现可以继续使用现有的DESAT功能性并且使用类似于以上所提及的电路的另外的ZVS检测电路来扩展栅极驱动器设计。
图6是图示根据本公开内容的一个或多个方面的监测过电流和零电压的示例方法的流程图。在一个示例中，低侧驱动器电路300监测调制器的输出，诸如脉冲宽度调制(PWM)生成器312的输出，以确定执行和没有执行对电子设备的输入/输出引脚的过电流的监测的时间段(600)。
例如，在ZVS监测期间，比较电路(诸如包括运算放大器306的比较电路)将在没有执行对电子设备的输入/输出引脚的过电流的监测的时间段期间的第一输入电压与第一参考电压相比较以确定二极管何时传导电流，二极管跨设在被监测零电压状态的开关上，其中二极管传导电流表明开关处于零电压状态(602)。在一些示例中，可以将DESAT_pin与6Vref相比较。
在一些示例中，可以基于在没有执行对电子设备的输入/输出引脚的过电流的监测的时间段期间的第一输入电压与第一参考电压的比较来接通开关。可以在跨开关的二极管导通时接通开关。如果跨开关的二极管可以导通，则跨开关的电压为低，例如0.7伏特。这在本申请中可以被认为关于ZVS为零。因此，可以在跨开关的二极管导通时接通开关。
低侧驱动器电路300监测开关上的启用信号以确定执行用于电子设备的输入/输出引脚的过电流的监测的时间段(604)。
比较电路(诸如包括运算放大器306的比较电路)将在执行对电子设备的输入/输出引脚的过电流的监测的时间段期间的第二输入电压与第二参考电压相比较以确定电子设备的输入/输出引脚的过电流何时出现(606)。应当理解，第一输入电压和第二输入电压可以来自单独的输入，并且可以连接到单独的比较电路。
然而，在一些示例中，第一输入电压和第二输入电压可以是两个不同时间的单个引脚(例如DESAT_pin)上的电压。另外地，第一参考电压和第二参考电压可以是两个单独的参考电压。这两个单独的参考电压可以具有相同或不同的电压。然而，第一参考电压和第二参考电压可以是单个电压参考，例如Vref。
已经描述了各种示例。这些和其他示例在以下权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种监测过电流和零电压的方法，包括：
监测电子设备的输入/输出引脚，以确定没有执行对所述电子设备的所述输入/输出引脚的过电流的监测的时间段；以及
将在没有执行对所述电子设备的所述输入/输出引脚的过电流的监测的时间段期间的第一输入电压与第一参考电压相比较，以确定二极管何时传导电流，所述二极管跨设在被监测零电压状态的开关上，其中所述二极管传导电流表明所述开关处于所述零电压状态。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：
监测所述开关上的启用信号，以确定执行对所述电子设备的所述输入/输出引脚的过电流的监测的时间段；以及
将在执行对所述电子设备的所述输入/输出引脚的过电流的监测的时间段期间的第二输入电压与第二参考电压相比较，以确定所述电子设备的所述输入/输出引脚的过电流何时出现。
3.根据权利要求2所述的方法，还包括在所述输入/输出引脚的过电流出现时，禁用所述电子设备的所述输入/输出引脚。
4.根据权利要求2所述的方法，其中使用单个比较器来执行所述第一比较步骤和所述第二比较步骤。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述第一参考电压和所述第二参考电压包括单个参考电压，并且所述第一比较步骤和所述第二比较步骤中的每个都包括执行所述输入/输出引脚与所述单个参考电压的比较。
6.根据权利要求4所述的方法，其中监测所述调制器的输出以确定没有执行对所述电子设备的所述输入/输出引脚的过电流的监测的时间段包括监测所述调制器的LI输出。
7.根据权利要求4所述的方法，其中监测所述开关上的启用信号以确定执行对所述电子设备的所述输入/输出引脚的过电流的监测的时间段包括监测LO输出。
8.根据权利要求1所述的方法，还包括：基于在没有执行对所述电子设备的所述输入/输出引脚的过电流的监测的时间段期间的所述第一输入电压与所述第一参考电压的比较，以确定跨所述开关的所述二极管何时导通，来接通所述开关。
9.根据权利要求8所述的方法，其中当跨开关的所述二极管导通时接通所述开关。
10.根据权利要求1所述的方法，还包括确定应当在何时关断所述开关并且在那时关断所述开关。
11.一种电子设备，包括：
用于监测电子设备的输入/输出引脚以确定没有执行对所述电子设备的所述输入/输出引脚的过电流的监测的时间段的电路；以及
第一比较器，被配置成将在没有执行对所述电子设备的所述输入/输出引脚的过电流的监测的时间段期间的第一输入电压与第一参考电压相比较以确定二极管何时导通，所述二极管跨设在被监测零电压状态的开关上，其中所述二极管传导电流表明所述开关处于所述零电压状态。
12.根据权利要求11所述的电子设备，还包括：
用于监测所述开关上的启用信号以确定执行对所述电子设备的所述输入/输出引脚的过电流的监测的时间段的电路；以及
第二比较器，被配置成将在执行对所述电子设备的所述输入/输出引脚的过电流的监测的时间段期间的第二输入电压与第二参考电压相比较，以确定所述电子设备的所述输入/输出引脚的过电流何时出现。
13.根据权利要求12所述的电子设备，其中用于监测所述开关上的启用信号以确定执行对所述电子设备的所述输入/输出引脚的过电流的监测的时间段的电路还被配置成在所述输入/输出引脚的过电流出现时禁用所述电子设备的所述输入/输出引脚。
14.根据权利要求12所述的电子设备，其中所述第一比较器和所述第二比较器包括单个比较器。
15.根据权利要求14所述的电子设备，其中所述第一参考电压和所述第二参考电压包括单个参考电压，并且所述单个比较器将所述输入/输出引脚与所述单个参考电压相比较。
16.根据权利要求14所述的电子设备，其中用于监测所述调制器的输出以确定没有执行对所述电子设备的所述输入/输出引脚的过电流的监测的时间段的电路包括监测所述调制器的LI输出的电路。
17.根据权利要求14所述的电子设备，其中用于监测所述开关上的启用信号以确定执行对所述电子设备的所述输入/输出引脚的过电流的监测的时间段的电路包括监测LO输出的电路。
18.一种电子设备，包括：
用于监测电子设备的输入/输出引脚以确定没有执行对所述电子设备的所述输入/输出引脚的过电流的监测的时间段的装置；以及
用于将在没有执行对所述电子设备的所述输入/输出引脚的过电流的监测的时间段期间的第一输入电压与第一参考电压相比较以确定二极管何时传导电流的装置，所述二极管跨设在被监测零电压状态的开关上，其中所述二极管传导电流表明所述开关处于所述零电压状态。
19.根据权利要求18所述的电子设备，还包括：
用于监测所述开关上的启用信号以确定执行对所述电子设备的所述输入/输出引脚的过电流的监测的时间段的装置；以及
用于将在执行对所述电子设备的所述输入/输出引脚的过电流的监测的时间段期间的第二输入电压与第二参考电压相比较，以确定所述电子设备的所述输入/输出引脚的过电流何时出现的装置。
20.根据权利要求18所述的电子设备，其中用于将所述第一输入电压与所述第一参考电压相比较的装置和用于将所述第二输入电压与所述第二参考电压相比较的装置包括单个比较电路。
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