CN110166032B - 使用脉冲操作对栅极驱动器进行短路保护 - Google Patents

使用脉冲操作对栅极驱动器进行短路保护 Download PDF

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Abstract

一种保护栅极驱动器电路的方法包括：接收用于激励栅极驱动器电路的栅极驱动器输出的输入信号；确定在栅极驱动器输出处存在异常操作状况；在一时间段内持续地激励栅极驱动器输出；以及在上述时间段已经过去之后，进入用于激励栅极驱动器输出的脉冲操作模式。

Description

使用脉冲操作对栅极驱动器进行短路保护
技术领域
本发明总体涉及使用脉冲操作对栅极驱动器进行短路保护的系统和方法。
背景技术
栅极驱动器通常是功率放大器，并且还可以包括附加电路，附加电路接受来自相关控制器IC的低功率输入信号、并且产生用于高功率晶体管(例如IGBT或者功率MOSFET)的栅极的高电流驱动输入信号。有时IGBT或者功率MOSFET晶体管可能遇到过电流或者过电压的情况，如果这种情况不能被解决，则可能会导致晶体管过热并且最终损坏晶体管。在这些过电流或者过电压操作状况期间，栅极驱动器本身也可能被损坏。
发明内容
根据实施例，一种保护栅极驱动器电路的方法包括：接收用于激励栅极驱动器电路的栅极驱动器输出的输入信号；确定在栅极驱动器输出处存在异常操作状况；在定义的时间段内持续地激励栅极驱动器输出；以及在定义的时间段已经过去之后，进入用于激励栅极驱动器输出的脉冲操作模式。
附图说明
为了更完整地理解本发明及其优点，现在结合附图参考以下描述，其中：
图1是根据实施例的包括IGBT功率模块和栅极驱动器电路的电力系统的示意图；
图2是与图1的栅极驱动器电路相关的时序图；
图3是图1的栅极驱动器电路的更详细的示意图；以及
图4是根据实施例的对栅极驱动器进行操作的方法的流程图。
具体实施方式
图1示出了电力系统100，其包括集成电路栅极驱动器102以及受驱动的功率开关，受驱动的功率开关在实施例中被示出作为IGBT功率模块104。栅极驱动器102包括三个高电流输出级，但是仅需要一个这样的输出级并且可以使用特定应用所需的任何数目。输出级106在TON引脚处被驱动到正电源电压VCC2，输出级106包括放大器部分和监测部分，下面将进一步详细说明。输出级108在CLAMP引脚处被驱动到负电源电压VEE2，输出级108也包括放大器部分和监测部分，下面将进一步详细说明。输出级110在TOFF引脚处被驱动到负电源电压VEE2，输出级110也包括放大器部分和监测部分，下面将进一步详细说明。栅极驱动器102还包括正电源引脚VCC2、负电源引脚VEE2以及接地引脚VGND2。栅极驱动器102也可以与用于电力系统100的其它控制功能(未示出)集成在一起，例如数字和模拟的输入和输出控制引脚以及对应的数字和模拟控制电路。
在实施例中，IGBT功率模块104包括IGBT晶体管和反并联二极管。也可以使用其它类型的功率晶体管，例如MOSFET和SiC(碳化硅)晶体管。功率模块104可以被集成或由分立元件组成。栅极驱动器102的TON引脚通过RON电阻器被耦合到IGBT功率模块104的栅极，栅极驱动器102的CLAMP引脚被直接耦合到IGBT功率模块104的栅极，并且栅极驱动器102的TOFF引脚通过ROFF电阻器被耦合到IGBT功率模块104的栅极。
用于FET/IGBT/SiC功率模块(诸如IGBT功率模块104)的下一代集成栅极驱动器可以具有用于控制功率模块的ON/OFF(通/断)状态的多个高电流输出。这些功率模块104将会在栅极驱动器102的输出上施加高电容负载。栅极驱动器102的输出通常可以提供或吸收高达10安培的电流。在正常操作中，这些电容负载的充电和放电仅需几百纳秒，导致峰值电流仅持续这么短的时段。在异常状况(例如由于外部金属桥导致的印刷电路板(PCB)上的短路，例如螺丝刀掉落)中，最大电流可能在整个短路期间流动，从而导致栅极驱动器损坏。在安全关键应用(例如车辆电机逆变器)中，放弃对功率模块104的控制是危险的，即必须避免栅极驱动器102的自毁，并且应该达到目标ON/OFF状态。
因此，后续描述主要涉及对栅极驱动器102本身的保护，而非主要涉及保护功率模块104免受过电流。对功率模块104的保护通常通过去饱和(DESAT)和/或过电流保护(OCP)信号以及伴随电路来完成，并且这里不再进一步说明。
输出级的最大电流是针对栅极驱动器102中的所有栅极驱动器定义的。通常，外部电阻器被用来调节功率模块104的ON/OFF切换的转换速率。如果短路确实发生在电力系统100中的电阻器位置之外，这些外部电阻器也会限制电流。在实施例中，栅极驱动器102监测它自身的输出级的电流，如下面进一步详细解释的，因此对于解决在对应的栅极驱动器输出引脚之外的任何地方出现的任何短路状况是有效的。
热关断有时可以用于栅极驱动器102的过温状况，但是温度上升速率通常太慢而不能防止在输出处短路的情况下的自毁。
检测在栅极驱动器102的输出处的短路状况并且触发向三态操作状况的释放可以防止栅极驱动器102的自毁，但是永久地释放对功率模块104的控制。
根据实施例，栅极驱动器102监测它的输出的短路(高电流)事件。栅极驱动器测量这些短路事件的时长。如果短路事件超过定义的时间，则栅极驱动器被切换到脉冲操作模式。例如，脉冲操作模式可以通过在三态操作模式和具有宽松占空比的有源驱动操作模式之间切换来实现。只要短路事件继续，脉冲操作模式就继续。
重要的是要注意仔细地选择定义的时间段来防止损坏驱动器电路102的输出级。换句话说，由于驱动器电路102的输出级106、108或者110的初始升温在定义的时间段期间发生，必须以如下方式选择定时，即在最大电流导致对应的破坏性温度之前，使输出级理想地处于三态。脉冲操作的占空比也要被仔细地选择。脉冲操作以安全占空比运行，该安全占空比被选择为防止进一步过热。换句话说，相对低的占空比将防止进一步过热，但是相对高的占空比可能无法防止进一步升温。定义的时间段和安全占空比可以变化并且基于特定应用的模拟来被选择。
栅极驱动器电路的实施例的一个优点在于，即使在短路情况下，栅极驱动器102也保护它自己免受破坏。栅极驱动器102自动地尝试重新获得对输出信号的控制，并且不需要来自与栅极驱动器电路102相关联的微处理器的动作。一旦短路事件被消除，栅极驱动器102就可以继续其正常操作。
现在转向图2，在时序图部分202、204和206中示出了三种操作模式。
时序图部分202示出了其中不存在短路状况的正常操作状况。从驻留在栅极驱动器电路102上的微处理器接收INP输入信号(最好参见图3，并且将在下面进一步详细描述)。INP输入信号示出了在数字逻辑高和低状态之间切换的正常输入信号。还示出了在TON引脚处的对应的电压输出V(TON/TOFF)，它镜像了INP信号。还示出了对应的电流输出I(TON)，其包括在输出电压信号的正向的边沿处的电流脉冲。电流脉冲是由IGBT功率开关104的栅极输入的电容性质引起的。
时序图部分204示出了在一个完整的导通阶段期间的短路事件。在定义的时间期间，输出电压被限制为与短路状况相关的小值，但是输出电流在整个定义的时间内处于完全最大值。在脉冲操作模式期间，示出了两个小电压脉冲，并且示出了两个最大电流脉冲。在随后的时间段中，IGBT 104通过例如TOFF引脚的动作而关断。在所示的示例中，短路状况随后被消除，并且一旦TON引脚试图导通IGBT104，就示出正常电压阶跃和对应的最大电流脉冲。
时序图部分206示出了在导通阶段期间的间歇性短路。在定义的时间期间，输出电压被限制为与短路状况相关的小值，但是输出电流在整个定义的时间内处于完全最大值。在脉冲操作模式期间，仅示出了一个小电压脉冲，并且示出了两个最大电流脉冲。针对第一电压脉冲保持短路状况。在第一电压脉冲之后，短路状况被消除并且自动地重新获得对IGBT 104的控制。因此，示出了具有相关联的最大电流脉冲的第二正常电压脉冲。在随后的时间段中，IGBT 104通过例如TOFF引脚的动作而关断。在所示的示例中，短路状况已经被消除，并且一旦TON引脚试图导通IGBT 104，就示出了正常的电压阶跃和对应的最大电流脉冲。
在实施例中，用于栅极驱动器电路102的保护方案可以施加于栅极驱动器(TON/TOFF/CLAMP)的任何高电流输出。对于低有效输出可以反转波形。
参考图3，示出了用于实现栅极驱动器保护电路和方法的实施例的进一步细节。输出级106被示出为具有输出驱动器部分106A以及感测部分106B，输出驱动器部分106A耦合到TON引脚，感测部分106B具有耦合到TON引脚的输入。在图3的示例中，栅极驱动器电路102包括诸如微处理器的数字电路或者包括耦合到计数器118的状态机114的其它数字电路112。状态机114包括驱动器电路102是否处于脉冲操作模式的当前信息。与门116接收INP输入信号以及状态机114的输出，该INP输入信号可以由栅极驱动器电路102上或者栅极驱动器电路102之外的另一个微处理器产生。与门116的输出控制输出级106A。感测部分106B具有耦合到输出级106A的输出的输入和耦合到状态机114的输入的输出。
可以通过利用分流电阻器(或类似已知的电流感测电路或方法)感测输出级106A的输出电流、监测输出的电压变化的转换速率、或者监测输出电压在定义的时间内达到定义的电平，来实现感测部分106B。虽然示出了输出引脚TON，但也可以使用其它引脚CLAMP和TOFF。实施例可以仅使用一个这样的引脚或者全部三个引脚。
短路发生的持续时间可以由数字计数器118测量，或者可以被实现为将测量的时间与模拟延迟时间进行比较的模拟电路。计数器118用于在测量的持续时间高于给定阈值(表示最坏情况下的驱动器升温)的情况下，切换到脉冲操作模式(交错三态+有源驱动)，并且只要输出导通并且仍然检测到短路就保持脉冲操作模式(如前所述，防止热自毁)。整个数字逻辑电路112可以部分地由等效的模拟逻辑(例如，在实施例中可以使用RC延迟代替计数器)替换。
在图4中示出了根据实施例的在过电流状况持续时间内将栅极驱动器切换到脉冲操作模式的方法的流程图。流程图400从步骤402开始，其中“导通电压”被施加到栅极驱动器电路的输出引脚，该栅极驱动器电路的输出引脚被耦合到诸如IGBT模块的功率开关，并且如前所述监测或感测输出引脚。判定块406确定是否存在短路状况？如果否，则在步骤416处进行正常操作。如果存在短路状况，则在步骤408处继续“导通电压”。判定块410确定继续的“导通电压”是否超过预定时限。如果否，则继续“导通电压”。如果超过预定时限，则在步骤412进入脉冲操作模式。判定块414确定是否已经消除了短路状况。如果否，则继续脉冲操作模式。如果已经消除了短路状况，则由于图3中所示的实施例电路，在步骤416自动进入正常操作。
虽然已经参考说明性实施例描述了本发明，但是该描述并不旨在以限制意义来解释。参考说明书，本领域技术人员将清楚说明性实施例的各种修改和组合以及本发明的其它实施例。因此，所附权利要求旨在涵盖任何这样的修改或实施例。

Claims (20)

1.一种保护栅极驱动器电路的方法，包括：
接收用于激励所述栅极驱动器电路的栅极驱动器输出的输入信号；
确定在所述栅极驱动器输出处存在异常操作状况；
在定义的时间段内持续地激励所述栅极驱动器输出；以及
在所述定义的时间段已经过去之后，进入用于激励所述栅极驱动器输出的脉冲操作模式。
2.根据权利要求1所述的方法，其中激励所述栅极驱动器输出包括：在所述栅极驱动器电路的引脚处利用电压阶跃来驱动所述栅极驱动器输出。
3.根据权利要求1所述的方法，其中确定在所述栅极驱动器输出处存在异常操作状况包括：测量在所述栅极驱动器输出处的操作特性并且确定所述所测量的操作特性与预期的正常电压不同。
4.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：响应于所述输入信号的变化，对所述栅极驱动器输出进行三态控制。
5.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：一旦检测到所述异常操作状况被消除，就终止所述脉冲操作模式。
6.根据权利要求5所述的方法，进一步包括：响应于持续地接收用于激励栅极驱动器输出的所述输入信号，持续地激励所述栅极驱动器输出。
7.根据权利要求5所述的方法，进一步包括：响应于所述输入信号的变化，对所述栅极驱动器输出进行三态控制。
8.根据权利要求1所述的方法，进一步包括将所述栅极驱动器输出耦合到开关。
9.一种栅极驱动器电路，包括：
输入引脚，被配置为接收输入信号；
栅极驱动器，耦合到栅极驱动器输出引脚；
逻辑电路，耦合在所述输入引脚和所述栅极驱动器之间；以及
感测电路，耦合在所述栅极驱动器输出引脚和所述逻辑电路之间，
其中所述栅极驱动器电路被配置为检测在所述栅极驱动器输出引脚处的异常操作状况，在定义的时间段内提供连续操作模式，以及在所述定义的时间段已经过去之后提供脉冲操作模式。
10.根据权利要求9所述的栅极驱动器电路，其中所述栅极驱动器输出引脚包括导通引脚、钳位引脚或者关断引脚中的至少一个。
11.根据权利要求9所述的栅极驱动器电路，其中所述逻辑电路包括耦合到计数器的状态机。
12.根据权利要求9所述的栅极驱动器电路，其中所述感测电路包括缓冲放大器。
13.根据权利要求9所述的栅极驱动器电路，其中所述感测电路被配置为感测在所述栅极驱动器输出引脚处的操作特性。
14.根据权利要求9所述的栅极驱动器电路，其中所述栅极驱动器电路被配置为：在定义的时间段内提供正电压连续操作模式，并且在所述定义的时间段已经过去之后提供正电压脉冲操作模式。
15.根据权利要求9所述的栅极驱动器电路，其中所述栅极驱动器电路被配置为：在定义的时间段内提供负或零电压连续操作模式，并且在所述定义的时间段已经过去之后提供负或零电压脉冲操作模式。
16.根据权利要求9所述的栅极驱动器电路，其中所述栅极驱动器电路被配置为响应于所述输入信号的变化而提供三态操作模式。
17.一种栅极驱动器电路，包括：
输入引脚，被配置为接收输入信号；
第一栅极驱动器，耦合在所述输入引脚和第一栅极驱动器输出引脚之间；
其中所述栅极驱动器电路被配置为检测在相应的栅极驱动器输出引脚处的异常状况，在定义的时间段内提供连续操作模式，以及在所述定义时间段已经过去之后提供脉冲操作模式。
18.根据权利要求17所述的栅极驱动器电路，其中所述第一栅极驱动器输出引脚包括被配置用于驱动正电压的导通引脚。
19.根据权利要求17所述的栅极驱动器电路，进一步包括耦合在所述输入引脚和第二栅极驱动器输出引脚之间的第二栅极驱动器，并且其中所述第二栅极驱动器输出引脚包括被配置用于驱动负电压的钳位引脚。
20.根据权利要求17所述的栅极驱动器电路，进一步包括耦合在所述输入引脚和第三栅极驱动器输出引脚之间的第三栅极驱动器，并且其中所述第三栅极驱动器输出引脚包括被配置用于驱动负电压的关断引脚。
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