CN107887895A - 检测装置、检测方法和检测系统 - Google Patents

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Abstract

本公开内容涉及一种检测方法、检测装置及检测系统。检测装置包括阈值生成电路和过功率确定电路。阈值生成电路被配置成基于邻近功率晶体管的温度传感器的输出和功率晶体管中的最大功率耗散来产生阈值。过功率确定电路被配置成基于阈值和开关电压来确定功率晶体管的过功率状态。在功率晶体管的源极与漏极或集电极与发射极之间检测开关电压。

Description

检测装置、检测方法和检测系统
技术领域
本发明总体上涉及栅极驱动器，并且在特定实施例中涉及用于过电流状态检测器的系统和方法。
背景技术
通常，用于电力发电机、电动机、电源等的逆变器使用高电压功率半导体开关。电力发电机和电源可以包括诸如太阳能电池板、风力涡轮机和不间断电源(UPS)这样的装置。功率半导体开关可以包括诸如双极结型晶体管(BJT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)等这样的器件。这些功率开关可能会经历诸如过电流、过电压或超温条件的过载条件。
检测过电流条件使得诸如集成电路(IC)装置这样的低电压装置能够使得功率开关免于过电流条件。一种用于检测过电流条件的技术涉及直接测量例如具有半桥的开关网络的输出电流。用于检测过电流条件的另一种技术涉及在开关中实现快速去饱和或饱和检测。在电流过载期间，当开关退出饱和时，BJT或IGBT的集电极-发射极电压VCE会迅速增大。退出饱和的BJT或IGBT有时可以被称为处于“去饱和”。同样，当开关退出线性工作区域时，MOSFET的漏极-源极电压VDS会迅速增大。退出线性区域的MOSFET有时可以被称为处于“饱和”。测量VCE或VDS是用来确定开关是否已经进入去饱和以及电流过载的间接且快速的方式。然而，用于电力发电机和电源的半导体开关可能会在高电压下工作，使得VCE或VDS可能太大而不能用IC直接测量。
发明内容
根据本发明的优选实施例，一种装置包括阈值生成电路和过功率确定电路。阈值生成电路被配置成基于邻近功率晶体管的温度传感器的输出和功率晶体管中的最大功率耗散来产生阈值。过功率确定电路被配置成基于阈值和开关电压来确定功率晶体管的过功率状态。在功率晶体管的源极与漏极或集电极与发射极之间检测开关电压。
附图说明
为了更完整地理解本发明及其优点，现在参考下面结合附图进行的描述，在附图中：
图1A和图1B是去饱和检测器的电路图；
图2是电力系统的框图；
图3至图7是去饱和检测系统的框图；以及
图8是去饱和检测方法的流程图。
具体实施方式
以下详细讨论本公开的实施例的实现和使用。然而，应当理解，本文公开的构思可以在各种不同的特定环境中体现，并且本文讨论的特定实施例仅仅是说明性的而不用于限制权利要求的范围。此外，应当理解，可以在不脱离由所附权利要求限定的本公开的精神和范围的情况下做出各种变化、替换和改变。
根据各种实施例，提供了用于限制半导体功率开关中的过功率条件的技术。如本文所使用的，在不参考任何特定类型的开关的情况下所使用的术语(去)饱和是指双极型晶体管(例如BJT或IGBT)处于去饱和或者场效应晶体管(例如MOSFET)处于饱和。除了其他参数，功率开关的过功率条件也可以通过确定功率开关中的过电流条件来检测。特别地，IC被配置成间接地测量功率开关的集电极-发射极电压VCE或漏极-源极电压VDS。间接地测量功率开关的集电极-发射极电压VCE或漏极-源极电压VDS是因为它可能会经历例如高达约1000V的大电压摆幅。IGBT的集电极-发射极电压VCE与集电极电流IC的比率随着结的温度漂移。这种漂移会导致不准确的(去)饱和检测，从而导致误报并导致逆变器不稳定。此外，不准确的(去)饱和检测可能导致漏报，从而导致IGBT在过电流状态期间保持导通，这可能通过电气过应力而损坏IGBT或降低IGBT的可靠性。这种漂移可能会增加开关的故障率，从而由于电应力或热应力而降低可靠性。各种实施例将一个或多个温度传感器与用于半导体功率开关的驱动器系统整合，并且改变指示开关(去)饱和的VCE或VDS的阈值(有时称为“(去)饱和阈值”)。根据测量的温度来改变(去)饱和阈值。
半导体功率开关在加载或过载时快速关断可能导致开关损坏和/或导致不期望的电路工作。软切换(例如逐渐切换)可以允许在部分负载或全负载下切断半导体功率开关。硬切换或突然切换仅在某些负载下是安全的。例如，如果在集电极电流超过标称量的两倍时突然切换某些开关，则这些开关可能会被损坏或不正确地工作。由于可能耦接至开关的串联电感，当开关被关断时，能量可能积聚并导致开关的过电压。
某些类型的开关，例如碳化硅(SiC)MOSFET，可以具有较小的饱和检测阈值，该阈值随着温度变化漂移更多。例如，一些IGBT可以具有大约9V的去饱和检测阈值，但是一些SiC MOSFET可以具有小于2V的饱和检测阈值。具有较低(去)饱和检测阈值的器件会受到电源电压和/或输出电流中的扰动的更严重影响，并且因此会更快地进入突然关断不安全的工作区域。另外，较低阈值器件的温度系数与较高阈值器件相似。因此，较低阈值器件会受到温度变化的更严重影响。在一些实施例中，可以在针对温度变化调节(去)饱和阈值之后对(去)饱和阈值进行补偿。调节(去)饱和阈值以维持特定的工作条件可以使开关中的短路损耗保持恒定。针对较高温度过补偿(去)饱和阈值可以进一步降低在这些温度下的短路损耗，并且防止开关超过工作条件的使硬切换不安全的量。这可以减小开关结经历的最大温度，从而降低器件中的应力。
尽管在根据温度传感器调节BJT或IGBT的去饱和阈值的背景下介绍了所示的实施例，但是应当理解，本文介绍的技术可以应用于其它功率开关。例如，也可以测量MOSFET的端子两端的电压，并且可以调节MOSFET的饱和阈值。此外，可以使用多于一个的环境传感器和/或多于一种类型的环境传感器。
图1A是根据一个实施例的去饱和检测器系统100的电路图，该去饱和检测器系统100可以是功率逆变器的一部分。去饱和检测器系统100包括功率开关102、检测器接口电路104、温度传感器106和栅极驱动器108。
功率开关102是诸如BJT、IGBT或MOSFET的半导体功率开关。当功率开关102是BJT或IGBT时，功率开关102的集电极-发射极电压VCE在功率开关102进入去饱和的过载条件期间会增大。当功率开关102是MOSFET时，功率开关102的漏极-源极电压VDS在功率开关102进入饱和的过载条件期间会增大。在功率开关102是MOSFET的实施例中，功率开关102可以是SiC MOSFET。功率开关102的集电极-发射极电压VCE可以具有高达约1000V的电压摆幅。
检测器接口电路104耦接至功率开关102并且间接测量功率开关102的集电极-发射极电压VCE或漏极-源极电压VDS。检测器接口电路104包括串联的高电压二极管110和保护电阻器112，并且耦接至功率开关102的集电极或漏极。高电压二极管110在正向方向上具有电压降VD。保护电阻器112具有电阻Rprot。在一些实施例中，电阻Rprot约为1kΩ。尽管图1A示出了耦接至功率开关102的高电压二极管110的阴极，但是应当理解，高电压二极管110和保护电阻器112可以被交换，使得保护电阻器112耦接至功率开关102而高电压二极管110的阳极耦接至栅极驱动器108。
温度传感器106测量去饱和检测器系统100中的各种温度，使得可以调节去饱和阈值。如下文所讨论的，温度传感器106可以测量去饱和检测器系统100中的一个或若干个器件的温度，并且可以测量环境温度或器件结温度。
栅极驱动器108产生提供给功率开关102的栅极的高电流和/或高电压驱动输出。驱动输出可以是根据逻辑电平信号(如微控制器的输出)而产生的较大信号。例如，所产生的驱动输出可以具有高达约+/-15V的电压和高达约10A的电流。在一些实施例中，栅极驱动器108是专用集成电路(ASIC)，其包括电平移位器或隔离电路以及放大器(未示出)。在这样的实施例中，栅极驱动器108可以根据低功率信号产生较高电平的驱动信号。栅极驱动器108具有源极电压VCC端子、去饱和检测电压VDESAT端子和接地端子，并且包括测量接口114、MOSFET保护装置116和电流源118。在一些实施例中，栅极驱动器108还可以包括在去饱和检测电压VDESAT端子与接地端子GND之间的滤波器(未示出)，其可以用于防止噪声和尖峰引起去饱和检测误报。滤波器可以包括电容器。
测量接口114包括比较器和传感器接口(未示出)。检测器接口电路104耦接至比较器，并且温度传感器106耦接至传感器接口。当功率开关102导通时，比较器将VCE或VDS与去饱和阈值进行比较，以确定功率开关102是否处于去饱和。测量接口114将温度传感器106与栅极驱动器108和其它器件对接。
MOSFET保护装置116位于栅极驱动器108的去饱和检测电压VDESAT端子与接地之间，并且保护测量接口114。当功率开关102的驱动输出被禁用时，启用MOSFET保护装置116(例如，栅极被驱动至有源区域)，从而将检测电压VDESAT端子钳位到GND。启用MOSFET保护装置116可以防止存在于功率开关102的集电极或漏极的任何电压通过高电压二极管110和保护电阻器112被传送至检测电压VDESAT端子。通过在功率开关102被禁用(例如在去饱和检测之后)启用MOSFET保护装置116，栅极驱动器108也可以被保护以免受浪涌的影响。
电流源118由源极电压VCC供电，并且迫使偏置电流Im从去饱和检测电压VDESAT端子通过保护电阻器112和高电压二极管110而流至功率开关102的集电极或漏极。可以在导通功率开关102并且测量功率开关102的集电极或漏极电压时提供偏置电流Im。当提供偏置电流Im时，高电压二极管110保护栅极驱动器108不受功率开关102的集电极或漏极处的潜在高电压的影响。驱动偏置电流Im导致高电压二极管110两端的电压降，从而保护栅极驱动器108免受高电压的影响。可以根据下式将高电压二极管110两端的电压降VD与功率开关102的集电极-发射极电压VCE相关联：
VDESAT＝Im*Rprot+VD+VCE。 (1)由于偏置电流Im、电阻Rprot和电压降VD是已知值，因此栅极驱动器108测量去饱和检测电压VDESAT并且计算集电极-发射极电压VCE。然后可以将集电极-发射极电压VCE与利用阈值生成电路产生的去饱和阈值进行比较(下面讨论)。
去饱和检测器系统100中的各种部件的行为可能会在较高温度下漂移，从而影响等式(1)中的一些变量。例如，在较高的温度下，电流源118可能不能准确地产生偏置电流Im，并且栅极驱动器108可能不能准确地测量去饱和检测电压VDESAT。高电压二极管110和半导体功率开关102在较高温度下也表现不同。
高电压二极管110的电压降VD随着温度升高而降低，从而降低了由栅极驱动器108针对给定的集电极-发射极电压VCE测量的去饱和检测电压VDESAT。可以减小去饱和阈值以补偿降低的电压降VD。电压降VD的温度系数随着所使用的二极管类型而变化，并且可以在约-1mV/℃至约-7mV/℃之间。在一些实施例中，多于一个的高电压二极管110可以通过串联放置来使用。在这样的实施例中，温度系数被乘以所使用的二极管的数量。高电压二极管110可能不会由于工作而发热，但是会受到功率开关102附近的环境温度的影响。
功率开关102的集电极-发射极电压VCE随着给定负载的温度而增大。可能需要更高的去饱和阈值来补偿集电极-发射极电压VCE的增加。温度系数随着所使用的半导体开关的类型而变化。功率开关102由于工作而发热，并且进一步受到功率开关102附近的环境温度的影响。另外，功率开关102的驱动结随着开关频率增大而发热。
可以根据温度系数和去饱和检测器系统100中的各个部件的温度变化来调节去饱和阈值。在一些实施例中，在调节去饱和阈值时考虑高电压二极管110、保护电阻器112和功率开关102的温度和温度系数。换句话说，去饱和阈值VTH可以基于作为整体的系统行为——而不是孤立考虑的任何特定部件的温度——来被确定。例如，当确定去饱和阈值时，可以考虑去饱和检测器系统100中的器件布置和温度的分布。可以根据下式来确定去饱和阈值：
VTH＝Im*Rprot+[VD+TCD*TD]+[VCE,SAT+TCSAT*TSWITCH]， (2)其中，TCD是高电压二极管110的正向电压的温度系数，TD是二极管的温度，VCE,SAT是功率开关102的饱和电压，TCSAT是功率开关102的饱和电压的温度系数，并且TSWITCH是开关的温度。在使用多于一个的高电压二极管的实施例中，项[VD+TCD*TD]可以乘以高电压二极管的数量。
尽管在以上未示出，但是应当理解，也可以补偿其他部件。例如，如果电流源具有使得偏置电流Im变化的显著温度系数，则也可以调节高电压二极管110的电压降VD。此外，可以不调节其他部件。例如，保护电阻器112可以是具有不随温度显著变化的低温度系数的电阻器。
可以将去饱和阈值VTH计算成使得其在部件的特定工作条件下被超过。在一些实施例中，去饱和阈值VTH使得其在功率开关102超过特定的集电极电流IC时被超过。在一些实施例中，去饱和阈值VTH被确定为使得其在功率开关102中的功率耗散超过特定值时被超过。可以将去饱和阈值VTH选择成使得可以实现任何工作条件。如上所述，可以进一步补偿去饱和阈值VTH。例如，去饱和阈值VTH可以被确定为使得其在功率开关102处于较低电流或功率耗散时被超过。当部件处于比预定温度(例如室温)高的温度时，可以实现较低的电流或功率耗散。
在一些实施例中，可以通过确定系统的温度系数并且测量系统中的温度来估计去饱和阈值。系统的温度系数可以通过对系统中部件的温度系数求和来被计算。温度可以是例如环境温度。例如，可以根据下式来计算对去饱和阈值的调节：
TCsystem*(Tmeasured－Toffset)， (3)其中，TCsystem是系统的温度系数，Tmeasured是测量的温度，以及Toffset是偏移温度，其是具有温度系数TCsystem的组合器件的假想温度。
图1B是根据一个实施例的去饱和检测器系统150的电路图，该去饱和检测器系统可以是功率逆变器的一部分。除了检测器接口电路104被不同地配置以外，去饱和检测器系统150类似于去饱和检测器系统100。检测器接口电路104的不同配置提供了用于保护栅极驱动器108的替代技术。特别地，用电阻器120替代高电压二极管110，低电压二极管122耦接至栅极驱动器108的电源(例如，源极电压VCC)，并且去除电流源118。
当去饱和检测器系统150的功率开关102处于关断状态时，MOSFET保护装置116被激活以将测量接口114中的比较器的输入钳位至0V。同时，取决于负载电流流动的方向，功率开关102的集电极-发射极电压VCE可以处于稍微负的电压电位，或者可以处于高电压电位，例如约800V。取决于电阻器112与120之间的比率以及集电极-发射极电压VCE，低电压二极管122可以被正向偏置或反向偏置。电阻器112和120的电阻可以很高，使得电阻器112和120在关断状态下不消耗过多功率。如果集电极-发射极电压VCE在关断状态下为高，则当功率开关102导通时，集电极-发射极电压VCE将下降至饱和电压VCE,SAT。当功率开关102导通时(或稍后)，MOSFET保护装置116被关断以释放比较器输入钳位。
比较器输入端与功率开关102的集电极或源极之间的电阻器112和120的串联电阻可以很高。由于这种高电阻，去饱和检测电压VDESAT节点处的任何电容或寄生电容可以减慢去饱和检测的反应时间。它也可以滤除干扰。当发生去饱和时，集电极-发射极电压VCE增大至比比较器的阈值更高的电平，并且功率开关102被禁用。
在去饱和期间，集电极-发射极电压VCE电压可能会超过栅极驱动器108的电源电压(例如，源极电压VCC)。如果发生这种情况，则低电压二极管122和电阻器120可以保护栅极驱动器108免受功率开关102的集电极处的潜在破坏性电压电平的影响。低电压二极管122将电阻器112与120之间的节点钳位到下述电压，该电压是源极电压VCC和低电压二极管122的正向阈值电压之和。电流将从功率开关102的集电极流过电阻器120和低压二极管122。
图2是电力系统200的框图。电力系统200包括电力发电机202、逆变器204、驱动器206、负载208和控制器210。电力发电机202是产生直流DC信号的装置，例如太阳能电池板、电源插头或风力涡轮机。尽管被示出为单个块，但是应当理解，电力发电机202可以包括许多装置，例如风力发电场中的多个风力涡轮机。逆变器204从电力发电机202接收DC信号并且产生交流AC信号。在一些实施例中，逆变器204可以是诸如中性点钳位(NPC)逆变器的多分支装置。驱动器206产生提供给逆变器204中的功率开关的栅极的驱动输出。负载208由AC信号供电，并且可以指示较大的配电网。控制器210根据从电力发电机202、逆变器204和驱动器206接收的反馈来控制驱动器206。
根据各种实施例，驱动器206感测逆变器204中的功率开关的去饱和，并且可以关断逆变器204和/或向其他系统通知故障。在图2所示的实施例中，驱动器206向控制器210通知逆变器故障，但可以通知其他操作者或系统。驱动器206估计各种温度，例如驱动器206和/或逆变器204中的器件的温度或环境温度，并且根据温度来调节逆变器204的去饱和阈值。
图3是去饱和检测系统300的框图。去饱和检测系统300包括功率开关102、检测器接口电路104、温度传感器106和栅极驱动器108。尽管去饱和检测系统300中的不同器件被示为单独的块，但是应当理解，它们中的一些可以被形成在相同的微加工管芯(die)上，并且它们中的一些或全部可以位于相同的衬底上。此外，在一些实施例中，去饱和检测系统300中的器件被热沉(heat sink)(未示出)覆盖。
温度传感器106暴露于周围环境。因此，温度传感器106测量去饱和检测系统300的全局环境温度，其受去饱和检测系统300中的多个器件的影响。在一些实施例中，温度传感器106测量逆变器的环境温度，去饱和检测系统300是该逆变器的一部分。
栅极驱动器108包括总线302、外部接口304、主控制单元306、存储器308、比较器310和数字至模拟转换器(DAC)312。栅极驱动器108中的器件可以(或可以不)在总线302上互连。外部接口304连接至总线302，并且为外部装置提供数字接口以与去饱和检测系统300交互。例如，外部接口304可以向与去饱和检测系统300整合的系统发送指示过电流状态或器件故障的通知。外部接口304可以与例如微控制器、微处理器、数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)、数字逻辑器件、专用集成电路(ASIC)等进行通信。
主控制单元306控制栅极驱动器108。主控制单元306包括用于执行启动序列、控制功率模式、优化和测试栅极驱动器108的功能单元和/或电路。主控制单元306可以包括控制状态机，该控制状态机与比较器310对接并且控制功率开关102。根据实施例，主控制单元306通过根据从温度传感器106读取的值调节去饱和阈值，来控制过电流检测的灵敏度。主控制器单元306可以是微控制器、微处理器、DSP、数字逻辑器件、ASIC等。
存储器308存储由主控制单元306或外部系统使用的值。根据一些实施例，存储器308存储根据读取的一个或多个温度值而确定的系数。主控制单元306使用这些系数来调节去饱和阈值。存储器308可以是易失性存储器，例如随机存取存储器(RAM)，或者可以是非易失性存储器，例如闪速存储器。
栅极驱动器108还产生提供至功率开关102的栅极的高电流和/或高电压驱动输出。栅极驱动器108还可以包括电平移位器和放大器(未示出)。诸如电平移位器的一些部件可能暴露于功率开关102的总源极电压，其在一些实施例中可以大于或等于约1200V。电平移位器和放大器可以是例如外部接口304的一部分。在去饱和检测系统300是功率逆变器的一部分的实施例中，可以根据由主控制单元306经由外部接口304接收的针对期望输出波形的命令来切换驱动输出。栅极驱动器108可以用正弦波调制产生输出信号，其中以比功率逆变器的输出信号高的速率切换功率开关102。例如，可以以约4kHz至约20kHz之间的速率来切换功率开关102。
比较器310(有时称为过电流检测器)将来自检测器接口电路104的测量的集电极-发射极电压VCE与由DAC 312提供的阈值进行比较。如以上所讨论的，高的集电极-发射极电压VCE指示功率开关102正在经历过电流。当集电极-发射极电压VCE超过阈值时，比较器310输出指示过电流状态的信号。主控制单元306然后可以关断功率开关102。在一些实施例中，主控制单元306经由外部接口304向另一系统通知过电流。应当理解，在一些实施例中，可以使用其他过电流检测器。比较器310还包括MOSFET保护装置116，当功率开关102关断时，MOSFET保护装置116可以被导通以将比较器310钳位到GND。比较器310还可以包括产生偏置电流Im的源。
DAC 312(有时称为阈值生成电路)产生指示去饱和阈值的模拟信号。用于去饱和阈值的数字值由主控制单元306确定。主控制单元306根据存储器308中的系数来调节由DAC312提供的值。例如，当环境温度高时，主控制单元306可以提高阈值。在一些实施例中，主控制单元306可以补偿去饱和阈值的调节，以防止功率开关102在工作期间逐渐变热。例如，主控制单元306可以将去饱和阈值的温度系数设置为小于功率开关102和高电压二极管110的组合温度系数的值。补偿去饱和阈值可以避免功率开关102的过电流能力的逐渐退化。应当理解，在一些实施例中，可以使用其他阈值生成电路。
尽管图3所示的去饱和检测系统300是数字系统，但是应当理解，可以使用其他类型的系统来产生和调节去饱和阈值。例如，在一些实施例中，主控制单元306可以是调节去饱和阈值的模拟电路。在这样的实施例中，系统可以不包括DAC 312或存储器308，并且器件可以以不同的方式耦接。例如，在主控制单元306与比较器310之间可以存在直接的模拟连接。
图4是去饱和检测系统400的框图。除了用模拟至数字转换器(ADC)402替代比较器310和DAC 312以外，去饱和检测系统400类似于去饱和检测系统300。替代向比较器310提供参考信号，主控制单元306利用ADC 402对检测器接口电路104的输出进行采样，以确定集电极-发射极电压VCE。主控制单元306然后将采样值与去饱和阈值进行比较，以确定功率开关102是否处于去饱和。因此，主控制单元306和ADC 402的组合形成阈值生成电路和过电流检测器。
图5是去饱和检测系统500的框图。除了温度传感器106位于栅极驱动器108附近或位于栅极驱动器108中以外，去饱和检测系统500类似于去饱和检测系统300。温度传感器106可以测量栅极驱动器108附近的局部环境温度，或者可以直接测量栅极驱动器108中的器件的结温度。当栅极驱动器108中的环境温度增大时，主控制单元306可以增大提供给比较器310的去饱和阈值。
图6是去饱和检测系统600的框图。除了温度传感器106位于检测器接口电路104附近或者位于检测器接口电路104中以外，去饱和检测系统600类似于去饱和检测系统300。温度传感器106可以测量检测器接口电路104中的高电压二极管附近的局部环境温度，或者可以直接测量高电压二极管110的结温度。当检测器接口电路104附近的温度或检测器接口电路104中的温度增大时，主控制单元306可以减小提供给比较器310的去饱和阈值。
图7是去饱和检测系统700的框图。除了温度传感器106位于功率开关102附近或位于功率开关102中以外，去饱和检测系统700类似于去饱和检测系统300。温度传感器106可以测量功率开关102附近的局部环境温度，可以直接测量功率开关102的结温度，或者可以测量功率开关102的基板的温度。当功率开关102附近的温度或功率开关102中的温度增大时，主控制单元306可以增大提供给比较器310的去饱和阈值。
图8是去饱和检测方法800的流程图。去饱和检测方法800指示在去饱和检测系统中进行的操作。在一些实施例中，去饱和检测系统仅在驱动器输出高时——例如启用功率开关时——执行去饱和检测方法800中的操作。
从电力系统中的一个或更多个温度传感器读取一个或多个值(步骤802)。温度传感器可以测量环境温度或特定器件结温。使用校正系数和一个或多个温度值来调节去饱和阈值(步骤804)。校正系数可以是存储在查找表中的值。可以根据下式、用校正系数来计算去饱和阈值：
VTH＝CTH*T－O， (3)其中，CTH是校正系数，T是一个或多个温度值中的一个，以及O是偏移值。在一些实施例中，可以用较高阶方程(例如使用两个校正系数并考虑二阶效应的方程)更准确地计算去饱和阈值。可以将新的去饱和阈值输出至例如DAC。使用去饱和检测器测量功率开关的集电极-发射极电压VCE，并且将VCE与去饱和阈值进行比较(步骤806)。如果集电极-发射极电压VCE超过去饱和阈值(步骤808)，则功率开关处于过电流状态。功率开关被关断并且可选地通知外部系统(步骤810)。如果集电极-发射极电压VCE不超过去饱和阈值(步骤808)，则去饱和检测方法800从步骤802开始重复。
本发明的优选实施例的优点是功率开关大小减小且可靠性增加。通常，使用较大的半导体开关和导体会增加过载鲁棒性。电气保护开关免受过电流状态的影响可以排除对较大开关的需要，从而减小装置成本和大。此外，通过提高过电流检测的准确度，可以保护具有较低去饱和检测阈值的功率开关。
根据本发明的一个优选实施例，一种装置包括阈值生成电路和过功率确定电路。阈值生成电路被配置成基于邻近功率晶体管的温度传感器的输出和功率晶体管中的最大功率耗散来产生阈值。过功率确定电路被配置成基于阈值和开关电压来确定功率晶体管的过功率状态。在功率晶体管的源极与漏极或集电极与发射极之间检测开关电压。
在一些实施例中，过功率确定电路包括比较器，比较器被配置成将阈值与开关电压进行比较。在一些实施例中，装置还包括存储器。存储器被配置成存储将阈值与温度传感器的输出相关联的系数，阈值生成电路还被配置成基于存储在存储器中的系数来调节阈值。在一些实施例中，过功率确定电路包括比较器，比较器被配置成耦接至检测器接口电路，比较器测量开关电压，检测器接口电路包括保护电阻器和二极管，保护电阻器和二极管串联耦接，并且过功率确定电路还包括电流源。电流源被配置成提供通过保护电阻器和二极管的偏置电流。在一些实施例中，功率晶体管是双极结型晶体管(BJT)，并且根据VDESAT＝Im*Rprot+VD+VCE来产生指示BJT的过功率状态的电压，其中Rprot是保护电阻器的电阻，VD是二极管的正向电压，Im是偏置电流，以及VCE是开关电压。在一些实施例中，功率晶体管是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。在一些实施例中，阈值生成电路被配置成测量过功率确定电路、二极管和功率晶体管中的至少一个的温度，并且阈值生成电路还被配置成根据测量的温度产生阈值。在一些实施例中，阈值生成电路还被配置成根据过功率确定电路、二极管和功率晶体管中的至少一个的组合温度系数产生阈值。在一些实施例中，阈值生成电路被配置成根据功率晶体管的最大电流输出产生阈值。在一些实施例中，阈值生成电路被配置成根据功率晶体管中的最大功率耗散产生阈值。在一些实施例中，温度传感器位于与二极管相同的半导体管芯上。在一些实施例中，温度传感器位于与功率晶体管相同的半导体管芯上。在一些实施例中，温度传感器位于与过功率确定电路相同的半导体管芯上。
根据本发明的一个优选实施例，一种系统包括功率晶体管、检测器接口电路、温度传感器和驱动器。检测器接口电路被配置成耦接至功率晶体管。检测器接口电路还被配置成检测功率晶体管的源极与漏极或集电极与发射极之间的开关电压。温度传感器被配置成测量系统的温度。驱动器被配置成耦接至功率晶体管、检测器接口电路和温度传感器。驱动器包括参考生成电路和过功率确定电路。参考生成电路被配置成根据系统的测量温度和功率晶体管中的最大功率耗散产生参考信号。过功率确定电路被配置成将所检测的开关电压与所产生的参考信号进行比较。过功率确定电路还被配置成基于比较结果来确定功率晶体管的过功率状态。
在一些实施例中，温度传感器邻近过功率确定电路、检测器接口电路中的二极管和功率晶体管中的至少一个，并且由温度传感器测量的系统的温度是过功率确定电路、二极管和功率晶体管中的至少一个的温度。在一些实施例中，参考生成电路还被配置成根据过功率确定电路、二极管和功率晶体管中的至少一个的组合温度系数产生参考信号。在一些实施例中，参考生成电路被配置成根据功率晶体管的最大电流输出产生参考信号。在一些实施例中，参考生成电路被配置成根据功率晶体管中的最大功率耗散产生参考信号。在一些实施例中，系统还包括控制电路。控制电路被配置成响应于过功率确定电路确定功率晶体管的过功率状态来禁用功率晶体管。在一些实施例中，控制电路还被配置成响应于被过功率确定电路通知而通知另一系统。
根据本发明的一个优选实施例，一种方法包括从温度传感器接收包括功率晶体管的系统的一个或更多个温度值。该方法还包括根据所接收的系统的一个或更多个温度值来产生去饱和阈值。该方法还包括将功率晶体管的集电极-发射极电压或源极-漏极电压与所产生的去饱和阈值进行比较。该方法还包括响应于集电极-发射极电压或源极-漏极电压超过去饱和阈值来禁用功率晶体管。
在一些实施例中，该方法还包括响应于禁用功率晶体管来通知系统。在一些实施例中，根据系统的一个或更多个温度值产生去饱和阈值包括访问校正系数，以及根据校正系数和所接收的系统的一个或更多个温度值来产生去饱和阈值。
虽然已经参照说明性实施例描述了本发明，但是本说明书并不旨在被解释为限制性的。参照说明书，对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对于本领域技术人员来说是显而易见的。因此，所附权利要求涵盖任何这样的修改或实施例。

Claims (19)

1.一种检测装置，包括：
阈值生成电路，其被配置成基于邻近功率晶体管的温度传感器的输出和所述功率晶体管中的最大功率耗散来产生阈值；以及
过功率确定电路，其被配置成基于所述阈值以及在所述功率晶体管的源极与漏极之间或集电极与发射极之间检测到的开关电压，来确定所述功率晶体管的过功率状态。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述过功率确定电路包括：
比较器，其被配置成将所述阈值与所述开关电压进行比较。
3.根据权利要求1所述的装置，还包括：
存储器，其被配置成存储将所述阈值与所述温度传感器的输出相关联的系数，所述阈值生成电路还被配置成基于存储在所述存储器中的系数来调节所述阈值。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述过功率确定电路包括：
比较器，其被配置成耦接至检测器接口电路，所述比较器测量所述开关电压，所述检测器接口电路包括保护电阻器和二极管，所述保护电阻器和所述二极管串联耦接；以及
电流源，其被配置成提供通过所述保护电阻器和所述二极管的偏置电流。
5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述功率晶体管是双极结型晶体管BJT，并且根据下式来产生指示所述BJT的过功率状态的电压：
VDESAT＝Im*Rprot+VD+VCE
其中，Rprot是所述保护电阻器的电阻，VD是所述二极管的正向电压，Im是所述偏置电流，以及VCE是所述开关电压。
6.根据权利要求4所述的装置，其中，所述功率晶体管是金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET。
7.根据权利要求4所述的装置，其中，所述阈值生成电路被配置成测量所述过功率确定电路、所述二极管和所述功率晶体管中的至少一个的温度，以及所述阈值生成电路还被配置成根据所测量的温度来产生所述阈值。
8.根据权利要求7所述的装置，其中，所述阈值生成电路还被配置成根据所述过功率确定电路、所述二极管和所述功率晶体管中的至少一个的组合温度系数来产生所述阈值。
9.根据权利要求4所述的装置，其中，所述温度传感器位于与所述二极管相同的半导体管芯上。
10.根据权利要求4所述的装置，其中，所述温度传感器位于与所述功率晶体管相同的半导体管芯上。
11.根据权利要求4所述的装置，其中，所述温度传感器位于与所述过功率确定电路相同的半导体管芯上。
12.一种检测系统，包括：
功率晶体管；
检测器接口电路，其被配置成耦接至所述功率晶体管，并且检测所述功率晶体管的源极与漏极或者集电极与发射极之间的开关电压；
温度传感器，其被配置成测量所述系统的温度；以及
驱动器，其被配置成耦接至所述功率晶体管、所述检测器接口电路和所述温度传感器，所述驱动器包括：
参考生成电路，其被配置成根据所述系统的测量温度以及所述功率晶体管中的最大功率耗散来产生参考信号；以及
过功率确定电路，其被配置成将检测的开关电压与所产生的参考信号进行比较，并且根据比较结果来确定所述功率晶体管的过功率状态。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述温度传感器邻近所述过功率确定电路、所述检测器接口电路中的二极管和所述功率晶体管中的至少一个，并且由所述温度传感器测量的所述系统的温度是所述过功率确定电路、所述二极管和所述功率晶体管中的至少一个的温度。
14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述参考生成电路还被配置成根据所述过功率确定电路、所述二极管和所述功率晶体管中的至少一个的组合温度系数来产生所述参考信号。
15.根据权利要求12所述的系统，还包括控制电路，所述控制电路被配置成响应于所述过功率确定电路确定所述功率晶体管的过功率状态来禁用所述功率晶体管。
16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述控制电路还被配置成响应于被所述过功率确定电路通知而通知另一系统。
17.一种检测方法，包括：
从温度传感器接收包括功率晶体管的系统的温度的一个或更多个值；
根据所接收的所述系统的温度的一个或更多个值来产生去饱和阈值；
将所述功率晶体管的集电极-发射极电压或源极-漏极电压与所产生的去饱和阈值进行比较；以及
响应于所述集电极-发射极电压或所述源极-漏极电压超过所述去饱和阈值来禁用所述功率晶体管。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括：
响应于禁用所述功率晶体管而通知所述系统。
19.根据权利要求17所述的方法，其中，根据所述系统的温度的一个或更多个值来产生所述去饱和阈值包括：
访问校正系数；以及
根据所述校正系数和所接收的所述系统的温度的一个或更多个值来产生所述去饱和阈值。
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