CN109462323A - 用于共源共栅开关电源器件的过电压保护 - Google Patents

用于共源共栅开关电源器件的过电压保护 Download PDF

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Abstract

本发明的各个方面提出了一种功率半导体器件，耦合到流通负载电流的负载上，包括一个电源开关，其第一端耦合到负载上，以及一个控制器耦合到电源开关的控制端。控制器包括一个栅极驱动电路，用于在正常的开关操作中控制电源开关的控制端；一个过电压检测电路，用于检测在电源开关第一端发生的过电压情况；以及一个过电压保护电路，用于在检测到过电压时，控制电源开关的控制端。

Description

用于共源共栅开关电源器件的过电压保护
技术领域
本发明主要涉及半导体器件，更确切地说是用于功率半导体器件的过电压保护。
背景技术
微处理器和存储器件等集成电路包括多个金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)，提供基本的开关功能，用于配置逻辑门、数据存储、电源开关及其他器件。功率MOSFET典型应用于要求功率开关和功率放大的应用。
在一种应用中，反激变换器从交流或直流输入端产生直流输出，是一种利用功率MOSFET的简单的开关模式电源。图1表示一种传统的反激变换器。当 MOSFET开关S接通时，施加来自输入电源Vin的能量，电流流经初级绕组，激励变压器T。变压器T的初级端中的电流倾斜上升，正比于输入电源Vin。在此期间，输出二极管D反向偏置并断开。二极管D上的电压等于输出电压Vout加上反射的输入电源(即Vin*(N2/N1))。在MOSFET开关S接通期间，输出电容器C 提供负载电流I0。
当变压器T的初级端里储存的能量足够多时，MOSFET开关S断开，变压器 T中的能量转移到次极端，电流流经二极管D。二极管D正向偏置，在输出电容器C中再补充能量，并供给负载。变压器T次极端中的电流倾斜下降，正比于输出电压Vout。在此期间，初级端看成是一个开路。MOSFET开关S上的电压等于输入电源Vin加上反射的输出电压(即Vout*(N1/N2))。
反激变换器可以在不同模式下运行。在一个示例中，设计的反激变换器具有固定的开关频率，调制峰值电流，提供给负载。在另一个示例中，反激变换器可以在准谐振模式下(QR)运行，在第一个和最深的谐振谷值处切换。QR通过调节峰值电流和开关频率，传递最大的功率，在第一个谐振谷值处接通MOSFET开关，对于最小的接通损耗来说，VDS处于零处或零附近。
然而，当用于高输入电压(例如300V交流以上)时，QR模式中反激变换器的优势被削弱。这是由于较高的反激电压需要使用带有相对较高的击穿电压速率的MOSFET。使用击穿电压较高的MOSFET增加了成本，增大了MOSFET的漏源导通电阻(Rds-on)以及开关电容。在低负载和高线电压处，可以使用较低击穿的 MOSFET，但零电压开关性能受到损害，并且在满负载范围内没有实现。一种方法是使用一个共源共栅开关，使反射电压最大，并利用允许QR操作的MOSFET 电压电平。共源共栅开关通常具有两个或两个以上的电源晶体管(例如MOSFET) 串联。负载电压分布在所有串联的电源晶体管上。因此，使用共源共栅开关增大了总的击穿电压，不会增加成本或使MOSFET的性能明显下降。
对于电源器件(例如反激变压器中的开关)来说，过电压始终是一个极具挑战的难题。过电压包括来自寄生电容和变压器电感的电压尖峰、浪涌以及快速瞬变，经常在反激变压器正常运行和启动时发生。过电压可以导致电源晶体管的场故障。因此，在电源器件运行过程中，有必要识别故障情况(例如故障电流和故障电压)，以便启动合适的补救措施。
正是在这样的背景下，提出了本发明的实施例。
发明内容
本发明公开了一种耦合到可以流通负载电流的负载上的功率半导体器件，包括：一个具有第一端的电源开关，第一端耦合到负载上；以及一个耦合到电源开关的控制端上的控制器，其中控制器包括：a)一个栅极驱动电路，用于在正常的开关操作中控制电源开关的控制端；b)一个过电压检测电路，用于检测电源开关第一端处发生的过电压情况；以及c)一个过电压保护电路，用于在检测到过电压情况时，控制电源开关的控制端。
其中，过电压保护电路在发生过电压时，通过将电源开关的漏源电压钳位在低于电源开关受损电平的电平下提供过电压保护。
其中，具有第一电源晶体管的电源开关耦合到负载上，第二电源晶体管串联在第一电源晶体管和地之间，其中第一和第二电源晶体管构成一个共源共栅开关，用于切换通过负载的负载电流。
其中，栅极驱动电路包括一个第一栅极驱动器，耦合到第一电源晶体管的控制端，用于驱动第一电源晶体管，以及一个第二栅极驱动器，耦合到第二电源晶体管的控制端，用于驱动第二电源晶体管。
其中，第一栅极驱动器包括一个第一开关和一个第二开关，第二栅极驱动器包括一个第三开关和一个第四开关，其中第一和第二开关分别用于在正常的开关操作中实现第一电源晶体管所需的接通和断开开关操作，第三和第四开关分别用于在正常的开关操作中实现第二电源晶体管所需的接通和断开开关操作。
其中，过电压检测电路包括一个比较器形式的探测器，带有滞后限定设置电压和重置电压，用于控制第一电源晶体管的第一端处的电压，以便在发生过电压时保持在安全的电平下。
其中，控制器耦合到第一和第二电源晶体管的控制端，其中过电压保护电路耦合在栅极驱动电路和第二电源晶体管的控制端之间，用于在发生过电压时提供电源开关的控制，通过将第二电源晶体管的控制端处的电压钳位在第二电源晶体管的钳位电压下，并在一延迟的时段断开第二晶体管。
其中，控制器设置一时间控制设置，以控制第二电源晶体管断开的延迟时段。
其中，过电压保护电路包括一个第五开关和一个第一阻抗，耦合在电压源和第二电源晶体管的控制端之间，一个第二阻抗和一个第六开关耦合在第二晶体管的控制端和地之间，其中过电压保护电路设置允许第二电源晶体管的控制端处的电压软上升，并将其钳位在正比于第一和第二阻抗的电阻比值的第二电源晶体管的钳位电压电平上。
其中，控制端设置时间控制设置，以便设置延迟时段，在第五开关断开之后，断开第六开关。
其中，第一和第二电源晶体管都是MOSFET，第一电源晶体管具有高额定值。
其中，第一和第二电源晶体管都是MOSFET，具有低额定值。
其中，控制器耦合到第一和第二电源晶体管的控制端，其中过电压保护电路包括一个第一过电压保护电路，耦合在第一栅极驱动器和第一电源晶体管的控制端之间，以及一个第二过电压保护电路耦合在第二栅极驱动器和第二电源晶体管的控制端之间，其中过电压保护电路在过电压发生时提供电源开关的控制，通过利用第一过电压保护电路将第一电源晶体管的控制端处的电压钳位在第一电源晶体管的第一钳位电压下，利用第二过电压保护电路将第二电源晶体管的控制端处的电压钳位在第二电源晶体管的第二钳位电压下，在第一延迟时段断开第二电源晶体管，在第二延迟时段断开第一电源晶体管。
其中，控制器配置第一时间控制设置，以控制第二电源晶体管断开的第一延迟时段，配置第二时间控制设置以控制第一电源晶体管断开的第二延迟时段。
其中，第二过电压保护电路包括一个第五开关、一个第一阻抗、一个第二阻抗和一个第六开关，其中第一保护电路包括一个第七开关、一个第三二极管、一个第四阻抗和一个第八开关，其中第二过电压保护电路允许第二电源晶体管控制端处的电压软上升，并将其钳位在正比于第一和第二阻抗的电阻比值的第二电源晶体管的第二钳位电压电平，其中第一过电压保护电路允许第一电源晶体管控制端处的电压软上升，并将其钳位在正比于第三和第四阻抗的电阻比值的第一电源晶体管的第一钳位电压电平。
其中，控制器配置第一时间控制设置，以控制第五开关断开后，断开第六开关的第一延迟时段，以及配置第二时间控制设置，用于控制第七开关断开后的第八开关断开。
附图说明
阅读以下详细说明并参照附图之后，本发明的各个方面及优势将显而易见：
图1表示一种传统的反激变压器的电路图。
图2表示依据本发明的各个方面，电源变压器的结构图。
图3表示图2所示的共源共栅开关对应其漏极电流的漏源电压的信号波形。
图4表示依据本发明的各个方面，一种配置在电源开关中的控制器的电路图。
图5表示与图4所示的控制器运行有关的信号波形的时序图。
图6表示依据本发明的各个方面，一种配置在电源开关中的控制器的电路图。
图7表示与图6所示的控制器运行有关的信号波形的时序图。
具体实施方式
在以下详细说明中，参考附图，该附图构成了本发明的一部分，并且通过图示以实施本发明的特定实施例的方式示出。
本发明的各个方面提出了一种使用带有集成过电压保护的共源共栅开关的电源变压器。本发明的一个方面提出了一种用于共源共栅开关的过电压保护方法，通过软钳位低端开关的栅极电压，控制高端开关的击穿漏电流，以及软断开低端开关防止震荡。本发明的一个方面提出了一种用于共源共栅开关的过电压保护方法，通过软钳位低端和高端开关的栅极电压，控制导通电流，并且软断开低端和高端开关，防止震荡。
图2表示依据本发明的各个方面，一种电源变压器的电路结构图。电源变压器200包括一个共源共栅开关210，耦合到负载220上，以及一个控制器230，耦合到开关210上。
共源共栅开关210包括一个第一电源晶体管212，耦合到负载220上，以及一个第二电源晶体管214，串联在第一电源晶体管212和地之间。接通和断开电源晶体管212和214，以便切换所需的负载电流。本文中，第一晶体管212称为高端晶体管或高端开关，第二晶体管214称为低端晶体管或低端开关。在一个实施例中，电源晶体管212和214可以是功率MOSFET。在其他实施例中，电源晶体管212和214可以是绝缘栅双极晶体管(IGBT)。另外，上述类型的共源共栅开关可以用于其他需要较高承载电压的应用中，例如半桥结构和正向转换器拓扑结构。
共源共栅开关210耦合到负载220上。作为示例，但不作为局限，负载220 可以是一个具有初级线圈和次级线圈的变压器，通过类似于图1所示变压器T 的磁导率磁芯电磁耦合在一起。在这样的实施例中，通过一个输出二极管，变压器的初级线圈(图中没有表示出)连接到输入源上，次级线圈连接到负载上。高端开关212的漏极耦合到变压器的初级线圈上。
电源变压器200的控制器230用于提供所需开关操作(例如反激操作)的正常控制，并且在发生过电压时，提供栅极电压控制，接通和断开低端和高端开关 212和214。控制器230包括一个栅极驱动电路232、一个过电压保护电路234 以及一个过电压检测电路236。在一个实施例中，控制器230是一个QR控制器。控制器230中的栅极驱动电路232用于承载正常的反激操作。过电压检测电路 236用于检测故障的发生或过电压情况，例如在高端开关212的漏极，并通过过电压保护电路234激活过电压保护功能。
依据本发明所述的过电压保护设计使初级线圈电感电流中感应的能量在共源共栅开关210中消耗，开关210的漏源电容电压钳位在一个电平上，使其不会增大到共源共栅开关210的受损电平以上。漏源电容电压的效果与漏源电压一样。通过过电压检测电路236中的滞后带，将电平限定在设置和重置电压上。图 3表示共源共栅开关210对应其漏极电流的漏源电压的信号波形。在t1时刻，共源共栅开关210的漏源电压达到设置电压。开关210的漏极电流开始通过栅极控制缓慢增大。因此，初级电感电流的流动方向变化到开关210，其漏源电压钳位到特定电平。在t2时刻，开关210的漏极电流等于初级电感电流。开关的漏源电容(CDS)开始放电，因此其漏源电压开始下降。下降斜率取决于漏极电流和漏源电容的值。在t3时刻，开关210的漏源电压达到重置电平。在这时，漏极电流通过软栅极控制下降，以实现开关210的安全断开。如图3所示，在电流下降间隔时间内(即t3-t4时间内)，开关210的漏源电压降至重置电平以下。在t4 时刻，开关210断开，过电压保护结束。变压器的初级端储存的剩余能量转移到次级端，流至输出二极管，供给负载。控制器230的详细说明及其栅极电压控制将在下文结合图4-7详细介绍。
实施例1
图4表示依据本发明的一个方面，在电源开关中配置的控制器的电路图。图 5表示与图4所示控制器的操作有关的信号波形的时序图。在本实施例中，控制器400包括一个用于共源共栅开关的过电压保护，通过钳位低端开关404的栅极电压控制高端开关402的击穿漏电流，然后断开低端开关404。
控制器400耦合到高端开关402的栅极以及低端开关404的栅极上。在本实施例中，低端开关404可以是一个带有相对较低评级的功率MOSFET，高端开关 402可以是一个带有比低端开关404更高评级的功率MOSFET。在一个示例中，高端开关402可以是基于能够承受高达600伏的超级结晶体管。控制器400具有一个LS栅极驱动器B1，用于驱动低端开关404的栅极，以及一个HS栅极驱动器B3，用于驱动高端开关402的栅极。控制器400还有一个过电压保护电路B2，耦合在LS栅极驱动器B1和低端开关404的栅极之间。另外，控制器400包括一个过电压检测电路B5，用于检测高端开关402的漏极处是否发生故障。
LS栅极驱动器B1至少包括开关M1和M2，HS栅极驱动器B3包括开关M6 和M7。在一个实施例中，开关M1、M2、M6和M7都是MOSFET晶体管。在正常的反激操作中，LS栅极驱动器B1的开关M1和M2以及HS栅极驱动器B3的开关M6和M7都根据主输入信号VIN，接通和断开。确切地说，LS栅极驱动器 B1中的开关M1和第一阻抗Z1组合在一起，实现低端开关404所需的接通开关性能。另外，开关M2和第二阻抗Z2组合在一起，实现低端开关404的优化断开。与之类似，HS栅极驱动器B3中开关M6和第三阻抗Z7组合在一起，实现高端开关402所需的接通开关性能，开关M7和第四阻抗Z8组合在一起，实现高端开关402所需的优化断开。作为示例，但不作为局限，阻抗Z1、Z2、Z7和 Z8都作为电阻器或者电阻器和电容器的组合。
控制器400的过电压检测电路B5至少包括一个探测元件。在一个实施例中，探测元件是一个滞后过电压探测器件HOVD，这是一种由滞后带和快速响应时间表征的高增益比较器。探测器HOVD可以使用带隙参考电压(即设置和重置电压)，精确控制高端开关402漏极处的电压，在发生电压浪涌等故障时，稳定在安全的电平上。
过电压检测电路B5还包括一个带有时间控制设置T1的开关M5。时间控制设置T1和开关M5组合在一起，为整个PWM接通时间以及PWM从接通到断开的转换提供数字滤波，以避免过电压保护因噪声耦合而失效。另外，过电压检测电路B5中的第五阻抗Z6，在探测器HOVD和高端开关402的漏极之间，为开关 M5提供ESD保护，为探测器HOVD提供模拟滤波。第五阻抗Z6可以由电阻器或电阻器和电容器的组合提供。
一旦高端开关漏极处的电压高于故障电压的设置电平，探测器HOVD探测到过电压，传输信号，使开关M2失效(例如通过非门N1)，同时激活过电压保护电路B2。在这时，由于主输入信号VIN很低，因此开关M1断开。
过电压保护电路B2至少包括开关M3和M4。在一个实施例中，开关M3和 M4都是MOSFET。开关M3和M4在正常的反激操作中断开。当过电压保护电路 B2被过电压探测器B5激活时，开关M3和M4同时接通。开关M3和M4的组合以及阻抗Z3和Z4允许低端开关404的栅极电压的软上升超过其阈值电压。低端开关404最大的栅极电压由过电压保护电路B2(即开关M3和M4以及阻抗 Z3和Z4)保持或钳位在正比于阻抗Z3和Z4阻抗比的电压电平上(即 Z4/(Z3+Z4)*Vcc)。作为示例，但不作为局限，阻抗Z3和Z4可以是电阻器或电阻器和电容器的组合。在这时，低端开关404的漏极电流开始倾斜上升，使其漏极电压放电，直到高端开关402的漏源电压达到其击穿电压。当高端开关402 达到其击穿电压时，高端开关402产生漏电流，漏电流反之使高端开关402的漏极电压放电。过电压保护电路B2允许低端开关404的栅极电压软钳位(通过使用开关M3和M4以及阻抗Z3和Z4)，从而控制高端开关402的击穿漏电流。
然后，当过电压检测电路B5的探测器HOVD探测到高端开关402的漏极电压低于故障电压的重置电平时(或者当时间控制设置T3过期时，两者无论先后)，开关M3会失效。随着时间控制设置T2，开关M4保持接通一段固定的时间，提供低端开关404的软断开。在所示示例中，当时间控制T2过期时，低端开关404 断开，高端开关402在过电压发生时始终断开。根据本发明所述的控制器通过调节时间控制设置T2，可以控制闭锁电压的共享。当时间控制T2过期时，开关 M4断开，开关M2再次接通，为低端开关404的栅极提供有力的拉低。M3将通过ROV(而不是通过一次击发)接通和断开，其原因是ROV升高或降低超出OV 设置，OV重置的阈值所需的时间比一次击发时间要短。在M3上升边缘，M4保持接通一段额外的时间。当过电压发生时，OV_OUT降低，M3将接通，当OV_OUT 升高或者一次击发时，两者无论先后，在发生过电压时，M3将断开。因此，过电压保护时间结束，过电压保护电路B2失效。在这时，正常反激操作继续进行。
依据本发明的各个方面，低端开关404的栅极电压可以钳位，并且无需任何过冲现象就能精确控制，过冲现象可能发生在传统的稳压二极管钳位方法中。依据本发明的各个方面，控制器无需一个用于参考电压的额外的电压源，这时因为低端开关404的电压钳位由Z3和Z4的比值设置。控制器还可以提供栅极电压控制，可以不考虑因阻抗Z3和Z4相同的温度依赖而引起的温度变化。对于安全的断开，低端开关404所需的软断开，由开关M4和阻抗Z4的组合实现。因此，过电压保护电路可以与现有的栅极驱动电路方便地集成在一起。
实施例2
图6表示依据本发明的一个方面，在电源开关中配置的控制器的电路图。图 7表示与图6所示控制器的运行有关的信号波形的时序图。在本实施例中，控制器600包括一个用于共源共栅开关的过电压保护，提供软钳位低端和高端开关 604和602的栅极电压，控制低端和高端开关604和602的导通电流和软断开，以避免发生震荡。
控制器600耦合到高端开关602的栅极以及低端开关604的栅极上。在本实施例中，高端开关602和低端开关604可以是一个功率MOSFET，其额定击穿电压低于传统的不带过电压保护的设计。作为示例，高端开关602和低端开关604 可以具有相同的击穿电压，例如600V。控制器600具有一个LS栅极驱动器B1，用于驱动低端开关604的栅极，以及一个HS栅极驱动器B3用于驱动高端开关 602的栅极。控制器600还有一个LS过电压保护电路B2，耦合在LS栅极驱动器B1和低端开关604的栅极之间，HS过电压保护电路B4耦合在HS栅极驱动器B3和高端开关602的栅极之间。另外，控制器600包括一个过电压检测电路B5，用于检测高端开关602的漏极处是否发生故障。
LS栅极驱动器B1至少包括开关M1和M2，HS栅极驱动器B3包括开关M6 和M7。在一个实施例中，开关M1、M2、M6和M7都是MOSFET晶体管。在正常的反激操作中，LS栅极驱动器B1的开关M1和M2以及HS栅极驱动器B3的开关M6和M7都根据主输入信号VIN接通和断开。确切地说，LS栅极驱动器B1 中开关M1和阻抗Z1的组合用于实现低端开关604所需的软接通开关性能。另外，开关M2和阻抗Z2的组合用于实现低端开关604最优的断开。与之类似， HS栅极驱动器B3中开关M6和阻抗Z7的组合用于实现高端开关602所需的接通开关性能，开关M7和阻抗Z8的组合用于实现高端开关602最优的断开。在一个实施例中，阻抗Z1、Z2、Z7和Z8都是电阻器或电阻器和电容器的组合。
控制器600的过电压检测电路B5至少包括一个探测器。在一个实施例中，探测器是滞后过电压探测器件HOVD，它是一种带有滞后带和快速响应时间的高增益比较器。探测器HOVD可以使用带隙参考电压(即设置和重置电压)，以便在发生电压浪涌引起的故障时，精确地控制高端开关602漏极处的电压保持在安全的电平上。过电压检测电路B5还包括一个带有时间控制设置T1的开关M5。时间控制设置T1和开关M5组合在一起，为整个PWM接通时间以及PWM从接通到断开的转换提供数字滤波，以避免过电压保护因噪声耦合而失效。另外，过电压检测电路B5中的阻抗Z6，在探测器HOVD和高端开关402的漏极之间，为开关M5提供ESD保护，为探测器HOVD提供模拟滤波。
一旦高端开关漏极处的电压高于故障电压的设置电平，探测器HOVD探测到过电压，传输信号，使开关M2和M7失效，同时激活过电压保护电路B2和B4。在这时，由于主输入信号VIN很低，因此开关M1和M6断开。
过电压保护电路B2至少包括开关M3和M4。过电压保护电路B4至少包括开关M8和M9。在一个实施例中，开关M3、M4、M8和M9都是MOSFET晶体管。开关M3、M4、M8和M9在正常的反激操作中断开。当过电压保护电路B2 被过电压探测器B5激活时，开关M3和M4同时接通。开关M3和M4的组合以及阻抗Z3和Z4允许低端开关604的栅极电压的软上升超过其阈值电压。低端开关604最大的栅极电压由过电压保护电路B2(即开关M3和M4以及阻抗Z3和Z4)保持或钳位在正比于阻抗Z3和Z4阻抗比的电压电平上(即Z4/(Z3+Z4)*Vcc)。在一个实施例中，阻抗Z3和Z4是电阻器或电阻器和电容器的组合。
通过脉冲产生器、电平移动、信号处理器和逻辑开关，过电压探测器B5激活过电压保护电路B4。因此，开关M8和M9接通。开关M8和M9以及阻抗Z9 和Z10的组合允许高端开关602的栅极电压软上升超过其阈值电压。高端开关 604最大的栅极电压由过电压保护电路B4(即开关M8和M9以及阻抗Z9和Z10) 保持或钳位在正比于阻抗Z9和Z10电阻比值的电压电平上(即Z10/(Z9+Z10)*(VCC–VDIODE))。在一个实施例中，阻抗Z9和Z10是电阻器或电阻器和电容器的组合。
当低端和高端开关的栅极电压钳位时，低端和高端漏极电流开始上升，放电低端和高端漏极电压。过电压保护电路B2和B4允许低端开关604和高端开关 602的栅极电压软钳位(利用开关M3、M4、M8和M9以及阻抗Z3、Z4、Z9和 Z10)，从而控制HS开关602和LS开关604的导通电流。因为HS开关602和 LS开关604串联，其中电流较低者将占主导地位。
接着，当过电压检测电路B5的检测器HOVD检测到高端开关602的漏极电压低于故障电压的复位电平时，或者当时间控制设置T3到期时，以先发生者为准，开关M3和M8被停用。随着时间控制设置T2和T4，开关M4和M9分别保持固定时间的接通，以提供低端开关604和高端开关602的软关断。软关断可以防止栅极和线路振荡。根据本发明的控制器可以通过调整时间控制设置T2和 T4来控制阻塞电压的共享。当时间控制T2和T4过期时，开关M4和M9关断，开关M2和M7再次接通，以提供低端开关604和高端开关602的栅极的强拉低。 M3和M8将被断开ROV(不是一次击发)接通和断开，因为ROV升高或降低超出OV设置，OV重置的阈值所需的时间比一次击发时间要短。在M3上升沿M4 和M9保持额外的时间。过电压保护周期由此结束，过电压保护电路B2被停用。此时，正常的反激操作恢复。在过电压事件中，M3和M8将在OV_OUT变低时接通，当OV_OUT变高时或通过一次击发，无论哪个在过电压事件中最先出现时，M3和M8都将被断开。
依据本发明的各个方面，低端开关604的栅极电压和高端开关602可以钳位，并且无需任何过冲现象就能精确控制，在传统的稳压二极管钳位方法中会发生过冲现象。依据本发明的各个方面，控制器无需一个用于参考电压的额外的电压源，这时因为低端和高端开关604和602的电压钳位分别由Z3和Z4的比值以及Z9 和Z10的比值设置。控制器还可以提供栅极电压控制，可以不考虑因阻抗Z3、 Z4、Z9和Z10相同的温度依赖而引起的温度变化。对于安全的断开，低端开关 604和高端开关602所需的软断开，由开关M4和M9以及阻抗Z4和Z10的组合实现。因此，过电压保护电路可以与现有的栅极驱动电路方便地集成在一起。
尽管本发明关于某些较佳的版本已经做了详细的叙述，但是仍可能存在各种不同的修正、变化和等效情况。因此，本发明的范围不应由上述说明决定，与之相反，本发明的范围应参照所附的权利要求书及其全部等效内容。任何可选件(无论首选与否)，都可与其他任何可选件(无论首选与否)组合。在以下权利要求中，除非特别声明，否则不定冠词“一个”或“一种”都指下文内容中的一个或多个项目的数量。除非用“意思是”明确指出限定功能，否则所附的权利要求书并不应认为是意义-加-功能的局限。没有明确指出“意思是”执行特定功能的权利要求书中的任意内容，都不应认为是35USC§112,6中所述的“意思”或“步骤”。

Claims (16)

1.一种耦合到可以流通负载电流的负载上的功率半导体器件，
包括：
一个具有第一端的电源开关，第一端耦合到负载上；以及
一个耦合到电源开关的控制端上的控制器，其中控制器包括：
a.一个栅极驱动电路，用于在正常的开关操作中控制电源开关的控制端；
b.一个过电压检测电路，用于检测电源开关第一端处发生的过电压情况；以及
c.一个过电压保护电路，用于在检测到过电压情况时，控制电源开关的控制端。
2.如权利要求1所述的器件，其特征在于，过电压保护电路在发生过电压时，通过将电源开关的漏源电压钳位在低于电源开关受损电平的电平下提供过电压保护。
3.如权利要求1所述的器件，其特征在于，具有第一电源晶体管的电源开关耦合到负载上，第二电源晶体管串联在第一电源晶体管和地之间，其中第一和第二电源晶体管构成一个共源共栅开关，用于切换通过负载的负载电流。
4.如权利要求3所述的器件，其特征在于，栅极驱动电路包括一个第一栅极驱动器，耦合到第一电源晶体管的控制端，用于驱动第一电源晶体管，以及一个第二栅极驱动器，耦合到第二电源晶体管的控制端，用于驱动第二电源晶体管。
5.如权利要求4所述的器件，其特征在于，第一栅极驱动器包括一个第一开关和一个第二开关，第二栅极驱动器包括一个第三开关和一个第四开关，其中第一和第二开关分别用于在正常的开关操作中实现第一电源晶体管所需的接通和断开开关操作，第三和第四开关分别用于在正常的开关操作中实现第二电源晶体管所需的接通和断开开关操作。
6.如权利要求3所述的器件，其特征在于，过电压检测电路包括一个比较器形式的探测器，带有滞后限定设置电压和重置电压，用于控制第一电源晶体管的第一端处的电压，以便在发生过电压时保持在安全的电平下。
7.如权利要求3所述的器件，其特征在于，控制器耦合到第一和第二电源晶体管的控制端，其中过电压保护电路耦合在栅极驱动电路和第二电源晶体管的控制端之间，用于在发生过电压时提供电源开关的控制，通过将第二电源晶体管的控制端处的电压钳位在第二电源晶体管的钳位电压下，并在一延迟的时段断开第二晶体管。
8.如权利要求7所述的器件，其特征在于，控制器设置一时间控制设置，以控制第二电源晶体管断开的延迟时段。
9.如权利要求7所述的器件，其特征在于，过电压保护电路包括一个第五开关和一个第一阻抗，耦合在电压源和第二电源晶体管的控制端之间，一个第二阻抗和一个第六开关耦合在第二晶体管的控制端和地之间，其中过电压保护电路设置允许第二电源晶体管的控制端处的电压软上升，并将其钳位在正比于第一和第二阻抗的电阻比值的第二电源晶体管的钳位电压电平上。
10.如权利要求9所述的器件，其特征在于，控制端设置时间控制设置，以便设置延迟时段，在第五开关断开之后，断开第六开关。
11.如权利要求3所述的器件，其特征在于，第一和第二电源晶体管都是MOSFET，第一电源晶体管具有高额定值。
12.如权利要求3所述的器件，其特征在于，第一和第二电源晶体管都是MOSFET，具有低额定值。
13.如权利要求4所述的器件，其特征在于，控制器耦合到第一和第二电源晶体管的控制端，其中过电压保护电路包括一个第一过电压保护电路，耦合在第一栅极驱动器和第一电源晶体管的控制端之间，以及一个第二过电压保护电路耦合在第二栅极驱动器和第二电源晶体管的控制端之间，其中过电压保护电路在过电压发生时提供电源开关的控制，通过利用第一过电压保护电路将第一电源晶体管的控制端处的电压钳位在第一电源晶体管的第一钳位电压下，利用第二过电压保护电路将第二电源晶体管的控制端处的电压钳位在第二电源晶体管的第二钳位电压下，在第一延迟时段断开第二电源晶体管，在第二延迟时段断开第一电源晶体管。
14.如权利要求13所述的器件，其特征在于，控制器配置第一时间控制设置，以控制第二电源晶体管断开的第一延迟时段，配置第二时间控制设置以控制第一电源晶体管断开的第二延迟时段。
15.如权利要求13所述的器件，其特征在于，第二过电压保护电路包括一个第五开关、一个第一阻抗、一个第二阻抗和一个第六开关，其中第一保护电路包括一个第七开关、一个第三二极管、一个第四阻抗和一个第八开关，其中第二过电压保护电路允许第二电源晶体管控制端处的电压软上升，并将其钳位在正比于第一和第二阻抗的电阻比值的第二电源晶体管的第二钳位电压电平，其中第一过电压保护电路允许第一电源晶体管控制端处的电压软上升，并将其钳位在正比于第三和第四阻抗的电阻比值的第一电源晶体管的第一钳位电压电平。
16.如权利要求15所述的器件，其特征在于，控制器配置第一时间控制设置，以控制第五开关断开后，断开第六开关的第一延迟时段，以及配置第二时间控制设置，用于控制第七开关断开后的第八开关断开。
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