CN116345867A - 用于功率器件栅极驱动器的负负载电流的过电流保护 - Google Patents

Abstract

本申请涉及功率器件栅极驱动器的负负载电流的过电流保护。提供了一种用于驱动半桥电路的方法，该半桥电路包括以互补方式开关的第一晶体管和第二晶体管。该方法包括在多个截止开关事件期间生成截止电流以控制第二晶体管的栅极电压；在第二晶体管转变到截止状态的第一截止开关事件期间测量第二晶体管的晶体管参数，其中晶体管参数指示在第一晶体管转变到导通状态的对应导通开关事件期间在第一晶体管处的振荡；以及针对第二截止开关事件激活截止电流的一部分，包括基于在第一截止开关事件期间测量的测量晶体管参数来调节第二截止开关的第二部分的间隔长度。

Description

用于功率器件栅极驱动器的负负载电流的过电流保护

背景技术

在开关模式电源(SMPS)中，故障保护可以用于防止负载过电流。如果在负载处或系统中的其他地方发生短路，负载电流可能会无限增加，并且损坏系统组件。因此，系统通常被设计为受保护以防止这样的事件。否则，可能会发生不受控制的温度升高和过电压应力，无论系统是否被破坏。

布置在半桥中的功率晶体管可以用于驱动负载，并且更具体地用于控制流向负载的正负载电流和从负载流出的负负载电流。在大多数情况下，负载电流在正向方向上流动，使得能量被输送到负载。在某些情况下，可能会出现负负载电流开始流动的情况。对于正负载电流流动，存在正过电流保护的一些概念，而对于负负载电流，几乎没有可用的负过电流保护方案。对于同时提供正过电流保护和负过电流保护的保护方案，提供了单独的保护电路，这导致更大的面积和更高的复杂性，从而导致更高的成本。

此外，电流负过电流保护方案通过以下策略来提供保护：通过使高侧和低侧晶体管两者都保持截止，来对通过高侧功率晶体管的体二极管的负负载电流进行重定向。该策略的缺点是，此时相当大的负负载电流(例如，-50A)流过体二极管高侧晶体管，其上具有一定电压降(例如，0.5V)，这导致高侧晶体管的体二极管中在一定时间段内的高功率耗散(例如，在本示例中，50A*0.5V＝25W)。这会对系统的热性能产生负面影响，导致过热，并且还会对系统组件的寿命产生负面影响，因为在寿命期间，重复的负负载电流事件可能会任意地经常发生。因此，由于系统的永久热应力，寿命可能受到限制。此外，由于低侧截止通常非常快，因此由于寄生电感，低侧漏极将经历较大的过电压。这种过电压随着电流的增加而增加，并且无限电流将产生尖峰，其将达到低侧击穿电压，并且将产生电气过应力。

因此，需要一种在负过电流保护期间减少功率损耗的改进的系统。此外，还需要一种能够提供正过电流保护和负过电流保护两者同时减少保护电路的面积和复杂性的系统。

发明内容

一个或多个实施例提供了一种被配置为驱动负载的栅极驱动器系统，该栅极驱动器系统被配置为驱动半桥电路，该半桥电路包括高侧晶体管和低侧晶体管。该栅极驱动器系统包括：被配置为基于至少一个控制信号驱动介于开关状态之间的高侧晶体管和低侧晶体管以控制负载电流的栅极驱动器电路，其中负载电流在朝向负载流动时为正负载电流，而在远离负载流动时为负负载电流；被配置为响应于检测到负负载过电流事件而调节至少一个控制信号的控制电路，其中控制电路被配置为监测负负载过电流事件，并且响应于负载电流小于负过电流阈值而检测负负载过电流事件，并且其中响应于检测到负负载过电流事件，控制电路被配置为使低侧晶体管截止并且使高侧晶体管导通，使得负负载电流流过高侧晶体管的栅极控制的导电沟道。

一个或多个实施例提供了一种驱动包括第一晶体管和第二晶体管的半桥电路的方法。该方法包括：基于至少一个控制信号驱动介于开关状态之间的高侧晶体管和低侧晶体管以控制负载电流，其中负载电流在朝向负载流动时为正负载电流，而在远离负载流动时为负负载电流；监测负负载过电流事件；响应于负载电流小于负过电流阈值，检测负负载过电流事件；以及响应于检测到负负载过电流事件而调节至少一个控制信号，包括响应于检测到负负载过电流事件，使低侧晶体管截止并且使高侧晶体管导通，使得负负载电流流过高侧晶体管的栅极控制的导电沟道。

附图说明

本文中参考附图描述实施例。

图1是根据一个或多个实施例的栅极驱动器系统的示意性框图；

图2是根据一个或多个实施例的在栅极驱动器系统中实现的过电流检测电路的示意图；以及

图3是根据一个或多个实施例的负正过电流保护方法的流程图。

具体实施方式

在下文中，阐述细节以提供对示例性实施例的更彻底的解释。然而，对于本领域技术人员来说很清楚的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践各实施例。在其他情况下，公知的结构和设备以框图形式或示意图而不是详细示出，以避免使实施例难以理解。此外，除非另有特别说明，否则下文描述的不同实施例的特征可以被彼此组合。

此外，在以下描述中，等效或类似要素(element)或者具有等效功能或类似功能的要素用等效或类似的附图标记表示。由于相同或在功能上等效的要素在附图中被赋予相同的附图标记，因此可以省略对具有相同附图标记的要素的重复描述。因此，为具有相同或类似附图标记的要素提供的描述是可以相互交换的。

在这方面，诸如“顶部”、“底部”、“下方”、“上方”、“前方”、“后方”、“后部”、“前导”、“尾部”等方向性术语可以参考所描述的图形的取向来使用。因为实施例的部分可以被定位在多个不同取向上，所以方向性术语是为了说明的目的而使用的。应当理解，在不脱离由权利要求书限定的范围的情况下，可以利用其他实施例并且可以进行结构或逻辑改变。因此，以下详细描述不应当局限于此。权利要求中使用的方向性术语可以帮助定义一个元件与另一元件或特征的空间或位置关系，而不限于特定取向。

可以理解，当一个元件被称为“连接”或“耦合”到另一元件时，它可以直接连接或耦合到另一元件，也可以存在中间元件。相反，当一个元件被称为“直接连接”或“直接耦合”到另一元件时，不存在中间元件。用于描述元件之间关系的其他词语应当以类似的方式解释(例如，“在……之间”与“直接在……之间”、“邻近”与“直接邻近”等)。

在本文所述或图中所示的实施例中，任何直接电连接或耦合(即，没有附加中间元件的任何连接或耦合)也可以通过间接连接或耦合来实现，即，通过一个或多个附加中间元件连接或耦合，或反之亦然，只要连接或耦合的一般目的(例如，传输某种信号或传输某种信息)基本上保持。来自不同实施例的特征可以组合以形成其他实施例。例如，除非是相对立的，否则关于实施例中的一个实施例而描述的变化或修改也可以适用于其他实施例。

本文中可以使用术语“基本上”和“近似”以说明在不偏离本文所述实施例的方面的情况下业界认为可接受的小制造公差(例如，在5％以内)。例如，具有近似电阻值的电阻器实际上可以具有在该近似电阻值5％以内的电阻。

在本公开中，包括诸如“第一”、“第二”等序数的表达可以修饰各种要素。然而，这些要素不受上述表达的限制。例如，上述表达不限制要素的顺序和/或重要性。上述表达仅用于将一个要素与其他要素区分开来。例如，第一框和第二框表示不同的框，尽管两者都是框。例如，第一要素可以称为第二要素，并且类似地，第二要素也可以称为第一要素，而不脱离本公开的范围。

本公开的一个或多个方面可以被实现为非暂态计算机可读记录介质，该介质具有记录在其上的程序，该程序实现方法/算法以指示处理器执行该方法/算法。因此，非暂态计算机可读记录介质可以具有存储在其上的电子可读控制信号，该信号与可编程计算机系统协作(或能够与其协作)，使得相应方法/算法被执行。非暂态计算机可读记录介质可以是例如CD-ROM、DVD、蓝光光盘、RAM、ROM、PROM、EPROM、EEPROM、闪存存储器或电子存储器设备。

本公开的每个要素可以通过存储器上的实现专用硬件或软件程序来配置，该专用硬件或软件程序控制处理器执行任何组件或其组合的功能。任何组件可以被实现为中央处理单元(CPU)或其他处理器，该处理器从诸如硬盘或半导体存储器设备等记录介质读取并且执行软件程序。例如，指令可以由一个或多个处理器执行，诸如一个或多个CPU、数字信号处理器(DSP)、通用微处理器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程逻辑阵列(FPGA)、可编程逻辑控制器(PLC)、或其他等效的集成或分立逻辑电路系统。

因此，本文中使用的术语“处理器”是指任何前述结构或适合于实现本文所述技术的任何其他结构。包括硬件的控制器也可以执行本公开的一种或多种技术。包括一个或多个处理器的控制器可以使用电信号和数字算法来执行其接收、分析和控制功能，这些功能还可以包括校正功能。这样的硬件、软件和固件可以在同一设备内或在单独的设备内实现，以支持本公开中描述的各种技术。

信号处理电路和/或信号调节电路可以以原始测量数据的形式从一个或多个组件接收一个或多个信号(即，测量信号)，并且可以从测量信号获取更多信息。如本文中使用的，信号调节是指以使信号满足下一阶段的要求以进行进一步处理来操纵模拟信号。信号调节可以包括从模拟到数字的转换(例如，经由模数转换器)、放大、滤波、转换、偏置、范围匹配、隔离、以及使信号适合于调节之后的处理所需要的任何其他过程。

汽车、消费者和工业应用中的现代设备的很多功能(诸如转换电能和驱动电动机或电机)依赖于功率半导体器件。例如，绝缘栅双极晶体管(IGBT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)和二极管等已经用于各种应用，包括但不限于电源、功率模块和功率转换器中的开关。

功率半导体器件通常包括半导体结构，该半导体结构被配置为沿着器件的两个负载端子结构或负载电极(例如，源极/发射极和漏极/集电极)之间的负载电流路径来传导负载电流。此外，负载电流路径可以通过控制电极(有时称为栅电极)来控制。例如，当从例如驱动器单元接收到对应控制信号时，控制电极可以将功率半导体器件设置为导通状态或阻断状态中的一种。控制信号可以是具有受控值的电压信号或电流信号。因此，晶体管的负载电流路径是栅极控制的导电沟道，其导电性由晶体管的栅极电压控制。

功率晶体管(也称为功率开关或晶体管开关)是一种功率半导体器件，其可以用于驱动负载电流。例如，IGBT可以通过激活和停用其栅极端子而被“导通”或“截止”。跨(across)栅极与发射极施加正输入电压信号将使器件保持在其“导通”状态，而使输入栅极信号为零或略为负将使其“截止”。存在用于使功率晶体管导通和截止的导通过程和截止过程。

在导通过程中，可以使用栅极驱动器集成电路(IC)向功率晶体管的栅极提供(源送)栅极电流(即，导通电流)，以便将栅极充电到足以使器件导通的电压。相反，在截止过程期间，栅极驱动器IC用于从功率晶体管的栅极汲取(吸收(sink))栅极电流(即，截止电流)，以便使栅极电压充分放电从而使器件充分截止。根据脉宽调制(PWM)方案，电压脉冲可以从栅极驱动器IC被输出作为控制信号。因此，控制信号可以在用于控制功率晶体管的PWM周期期间在导通电压电平与截止电压电平之间切换。这继而对栅极电压进行充电和放电，以分别使功率晶体管导通和截止。

为了以这种方式驱动负载，两个功率晶体管通常以半桥配置布置。高侧功率晶体管在导通时负责传导负载电流，以便在其互补功率晶体管截止时(即，低侧功率晶体管处于阻断模式)向负载源送负载电流。为了从负载吸收负载电流，两个晶体管的作用反转。这里，低侧功率晶体管在导通时负责传导负载电流，以便在其互补功率晶体管截止时(即，高侧功率晶体管处于阻断模式)从负载吸收负载电流。这两个功率晶体管通常被切换，使得这两者不同时导通。本说明书中描述的具体实施例涉及但不限于可以在功率转换器或电源内使用的功率半导体器件。半桥可以用于驱动电动机或开关模式电源。

晶体管可以包括绝缘栅双极晶体管(IGBT)和金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)(例如，Si MOSFET或SiC MOSFET)。应当理解，MOSFET可以代替IGBT，反之亦然。在这种情况下，在本文中描述的任何一个示例中，当用MOSFET代替IGBT时，MOSFET的漏极可以代替IGBT的集电极，MOSFET的源极可以代替IGBT的发射极，MOSFET的漏极源极电压VDS可以代替IGBT的集电极发射极电压VCE。因此，任何IGBT模块可以被MOSFET模块替代，反之亦然。

图1是根据一个或多个实施例的栅极驱动器系统100的示意性框图。栅极驱动器系统100包括半桥，该半桥包括高侧功率晶体管Q1和低侧功率晶体管Q2。栅极驱动器系统100还包括：栅极驱动器10，电耦合到功率晶体管Q1和Q2的栅极；控制器20，被配置为向栅极驱动器10提供至少一个PWM控制信号SPWM(栅极驱动器10使用该PWM控制信号来生成栅极驱动信号GH和GL)；以及负载电流传感器30，被配置为测量负载电流ILOAD并且生成与所测量的负载电流ILLOAD成比例的测量信号Imon。高侧功率晶体管Q1和低侧功率晶体管Q2被控制以向负载提供负载电流ILOAD。

功率晶体管Q1和Q2各自包括相应续流(freewheeling)体二极管BDQ1和BDQ2，续流体二极管BDQ1和BDQ2提供并联连接到其相应晶体管的栅极控制的导电路径的续流电流路径(即，反向漏极电流路径)。体二极管是晶体管结构固有的——它形成在连接在漏极与源极之间的体漏极p-n结中。

栅极驱动器系统100可以在开关模式电源(SMPS)中实现。在该示例中，电感器L和电容器C耦合在半桥的开关节点Vs与负载之间。这样的SMPS可以作为降压转换器进行操作，使得输出电压Vout小于输入电压Vin。栅极驱动器系统100被配置为将输入电压Vin转换为提供给负载的输出电压Vout。电感器L用作存储元件，并且电容器C用于稳定输出电压Vout。

正负载电流由箭头A示出，而负负载电流由箭头B标记。当高侧晶体管Q1导通(并且低侧晶体管Q2截止)时，开关节点Vs处的电压等于输入电压Vin，而当低侧晶体管Q2导通(并且高侧晶体管Q1截止)时，开关节点Vs处的电压等于接地电位或负电源轨电位。当Q1导通并且Q2截止时，这通常产生正负载电流，而当Q2导通并且Q1截止时，这通常产生负负载电流。然而，应当注意，电感器L反对(oppose)负载电流ILOAD的变化。因此，如果在负负载电流流动的同时高侧晶体管Q1导通，则负负载电流可以流过高侧晶体管Q1的栅极控制的导电沟道。如果在负负载电流流动的同时晶体管Q1和Q2都截止，则负负载电流可以流过高侧晶体管Q1的续流电流路径(即，流过体二极管BDQ1)。为了减少功率损耗，描述的实施例旨在避免上述情况中的后一种。

栅极驱动器10基于由控制器20(诸如微控制器)提供的至少一个控制信号SPWM执行功率晶体管Q1和Q2的栅极驱动。控制器20可以生成控制信号SPWM，栅极驱动器10使用该控制信号SPWM来得到驱动信号GH和GL。替代地，控制器20可以生成两个PWM控制信号，一个PWM控制信号用于由栅极驱动器10使用以得到驱动信号GH，另一个PWM控制信号用于由栅极驱动器10使用以得到驱动信号GL。特别地，栅极驱动器10可以使用至少一个控制信号SPWM来控制用于生成驱动信号GH和GL的正电流源和负电流源的开/关状态，驱动信号GH和GL作为对其相应功率晶体管Q1和Q2的栅极进行充电或放电的正电流或负电流。

负载电流传感器30是测量电路，其测量负载电流ILOAD并且生成与测量的负载电流ILOAD成比例的测量信号Imon(即，监测信号)。测量电路31或感测电路可以用于测量流过晶体管Q1的负载电流ILOAD并且提供感测信号33，而另一测量电路32或感测电路可以用于测量流过晶体管Q2的负载电流ILOAD并且提供感测信号34。测量电路31和32各自可以包括布置在每个晶体管的负载电流路径中的分流电阻器以及测量跨每个分流电阻器的电压降以生成测量信号Imon的电路。替代地，测量电路31和32可以包括模拟流过相应功率晶体管的负载电流的电流镜。替代地，可以经由漏极源极电压降感测来测量跨Q1和/或Q2的电压降。因此，存在各种方式来测量或感测负载电流ILOAD以生成测量信号Imon，并且实施例不限于任何特定测量方案。

在以下示例中，测量信号Imon是与测量的负载电流ILOAD成比例的电流信号。负载电流传感器30可以被配置为向控制器20提供测量信号Imon，控制器20可以使用测量信号Imon来调节一个或多个PWM控制信号SPWM并且更具体地调节功率晶体管Q1和Q2的导通/截止状态。

图2是根据一个或多个实施例的在栅极驱动器系统100中实现的过电流检测电路200的示意性框图。过电流检测电路200被插入在负载电流传感器30与控制器20之间。替代地，过电流检测电路200可以与控制器20集成。过电流检测电路200是单个集成电路，其被配置用于检测正过电流和负过电流两者。

附加于测量信号(即，监测信号)Imon，负载电流传感器30被配置为通过将测量信号Imon乘以预定因子α来生成两个附加测量信号I1和I2。在这种情况下，相同因子α用于生成测量信号I1和I2两者。因此，测量信号I1和I2彼此相等，并且提供相同测量值。然而，应当理解，不同的因子也可以用于生成测量信号I1和I2，并且因此可以具有不同的测量值。还应当理解，可以生成单个测量信号而不是两个测量信号，或者甚至可以使用测量信号Imon。与测量信号Imon一样，测量信号I1和I2是具有电流流动方向的电流信号，该电流流动方向在正时从负载电流传感器20流出，而在负时流入(即，被拉入)负载电流传感器30。因此，测量信号I1和I2可以朝向或远离过电流检测电路200流动。

过电流检测电路200包括电流反相电路40、电流比较器41、电流比较器42、提供负过电流阈值NOCth的电流源43、提供正过电流阈值POCth的电流源44、反相器45、包括开关S1、S2、S3和S4的开关网络。

通常，电流比较器能够比较两个正电流(即，流入反相和非反相端子的两个电流)、比较两个负电流(即，流出反相和非反向端子的两个电流)、或者将正电流或负电流与零电流进行比较。因此，电流比较器不能将负电流与正电流进行比较。当使用电流比较器42时，这一原理变得重要。每个电流比较器包括在其处存在测量信号的监测端子(反相端子或非反相端子中的第一端子)、在其处存在与预定阈值相对应的参考信号的参考端子(反相或非反相端子中的第二端子)、以及在此指示比较结果的输出端子。

电流比较器41被配置为反相比较器，因为参考阈值0A被提供给其非反相端子，并且测量信号I1在其反相端子处被提供。电流比较器41被配置为将测量信号I1的值与预定阈值0A进行比较，以生成指示负载电流是正负载电流还是负负载电流的比较器信号Out1。例如，由于测量信号I1与负载电流ILOAD成比例，当测量信号I1流入电流比较器41并且因此大于预定阈值0A时，它指示正负载电流。当测量信号I1流出电流比较器41(即，流入负载电流传感器30)并且因此小于预定阈值0A时，其指示负负载电流。当测量信号I1大于预定阈值0A时，比较器信号Out1为低，而当测量信号I1小于预定阈值0A时，比较器信号Out1为高。

比较器信号Out1用作控制信号，以控制过电流检测电路200的开关S1、S2、S3、S4的状态、以及控制器20中的开关S5的状态。开关S1和S2基于比较器信号Out1以互补方式操作。这表示，当一个开关断开时，另一开关闭合。同样，开关S3和S4基于比较器信号Out1和反相器45以互补方式操作。反相器45用于将去往开关S4的比较器信号Out2反相，使得开关S3和S4接收相对于彼此反相的控制信号。

当负载电流为正并且比较器信号Out1为低时，开关S1断开，开关S2闭合，开关S3断开，并且开关S4闭合。当负载电流为负并且比较器信号Out1为高时，开关S1闭合，开关S2断开，开关S3闭合，并且开关S4断开。

此外，比较器信号Out1用作控制信号，以控制控制器20中开关S5的状态。开关S5用于将控制器配置为正过电流保护模式或负过电流保护模式。

在正过电流保护模式期间，开关S5被配置为将电流比较器42的输出(即，比较器信号Out2)耦合到正过电流保护电路21，正过电流保护电路21监测正过电流事件。正过电流保护电路21可以响应于检测到正过电流事件而减小一个或多个PWM控制信号SPWM的占空比。当比较器信号Out1为低时，电流比较器42的输出连接到正过电流保护电路21，并且正过电流保护电路21监测用于指示正过电流事件的比较器信号Out2。正过电流保护电路21基于正过电流事件是否已经发生来向PWM控制信号发生器23提供控制信号，以控制(一个或多个)PWM控制信号SPWM。PWM控制信号发生器23相应地调节(一个或多个)PWM控制信号SPWM。

在负过电流保护模式期间，开关S5被配置为将电流比较器42的输出(即，比较器信号Out2)耦合到负过电流保护电路22，负过电流保护电路22监测负过电流事件。负过电流保护电路22响应于检测到负过电流事件而使高侧晶体管Q1导通并且使低侧晶体管Q2截止，使得负负载电流流过高侧晶体管Q1的栅极控制的导电沟道。当比较器信号Out1为高时，电流比较器42的输出连接到负过电流保护电路22，并且负过电流保护电路22监测用于指示负过电流事件的比较器信号Out2。负过电流保护电路22基于负过电流事件是否已经发生来向PWM控制信号发生器23提供控制信号，以控制(一个或多个)PWM控制信号SPWM。PWM控制信号发生器23相应地调节(一个或多个)PWM控制信号SPWM。

负过电流保护电路22被配置为响应于检测到负负载过电流事件而触发高侧晶体管Q1的导通。负过电流保护电路22还使低侧晶体管Q2截止，这可以与高侧晶体管Q1的导通同步地进行，或者正好在高侧晶体管Q1的导通之前进行(即，Q2可以在Q2截止之后的轻微延迟之后导通)。例如，负过电流保护电路22可以被配置为响应于检测到负负载过电流事件而立即触发低侧晶体管Q2的截止，并且还与Q2的截止同步地或者在轻微延迟之后使高侧晶体管导通。结果，负过电流保护电路22将负负载电流从流过低侧晶体管Q2的栅极控制的导电沟道重定向为流过高侧晶体管Q1的栅极控制的导电沟道。

如上所述，当负载电流为正并且比较器信号Out1为低时，开关S1断开，开关S2闭合，开关S3断开，并且开关S4闭合。由于开关S1断开并且开关S2闭合，具有正电流的测量信号I2被提供给电流比较器42的非反相输入。此外，电流源44连接到电流比较器42的反相输入。在这种情况下，两个正电流被输入到电流比较器42以进行比较。电流比较器42被配置为在正负载过电流保护期间将测量信号I2的值与阈值POCth进行比较，以生成指示负载电流是否大于正过电流阈值的比较器信号Out2。如果测量信号I2的值大于阈值POCth，则正过电流阈值事件已经发生，并且比较器信号Out2例如从低切换到高，以指示正过电流事件已经发生。因此，比较器信号Out2指示负载电流ILOAD是否大于正过电流阈值。

如上所述，当负载电流为负并且比较器信号Out1为高时，开关S1闭合，开关S2断开，开关S3闭合，并且开关S4断开。由于开关S1闭合并且开关S2断开，负测量信号I2从电流反相电路40的电流镜经由晶体管P1流入负载电流传感器30。电流反相电路40的电流镜包括耦合到电压源VDD的两个PMOS晶体管P1和P2。由负载电流传感器30通过晶体管P1下拉的测量信号I2的动作导致在电流镜的另一侧生成反相的测量电流I2’，反相的测量电流I2’通过晶体管P2从电压源VDD被下拉到电流比较器42的非反相端子。换言之，电流反相电路40将电流比较器42的非反相端子处的电流反相，否则在负负载电流的情况下，其将为负。在负负载电流的情况下，相对于电流比较器42的非反相端子，测量电流I2是负电流，并且反相的测量电流I2’是正电流。

反相的测量电流I2’是从电流镜流入电流比较器42的非反相端子的电流，其大小与测量信号I2成比例。测量信号I2和反相的测量电流I2’的大小可以相等，具体取决于晶体管P1和P2的大小变化(sizing)。电流反相电路40确保电流总是流入电流比较器42的非反相端子。同样，两个参考电流源43和44生成总是流入比较器42的反相端子的电流。

因此，使用电流比较器42的非反相端子作为参考点，可以说，测量电流I2和反相的测量电流I2’在相反方向上流动。电流比较器42的非反相端子处的方向变化允许反相的测量电流I2’与由电流源43生成的负参考电流NOCth进行比较，以检测负过电流事件。注意，如果由负载电流传感器30施加相同因子α，则反相的测量电流I2’的大小也可以等于测量信号I1的大小。

此外，电流源43连接到电流比较器42的反相输入。在这种情况下，两个正电流流入电流比较器42的输入端子以进行比较。电流比较器42被配置为在负负载过电流保护期间将测量信号I2’的值与阈值NOCth进行比较，以生成比较器信号Out2，比较器信号Out2指示负负载电流是否小于负过电流阈值(即，比负过电流阈值更负)(例如，测量信号I2’是否大于阈值NOCth)。当测量信号I2’超过阈值NOCth时，这表示，负负载电流已经变得比负过电流阈值更负，或者，换言之，负负载电流的大小大于负过电流阈值的大小。如果测量信号I2’的值大于阈值NOCth，则负过电流阈值事件已经发生，并且比较器信号Out2例如从低切换到高，以指示负过电流阈值事件已经发生。因此，比较器信号Out2指示负载电流ILOAD是否小于负过电流阈值。

在比较器信号Out1指示负载电流ILOAD为正负载电流的条件下，电流反相电路40的电流镜经由开关S1的断开被禁用，而在比较器信号Out1指示负载电流ILOAD为负负载电流的条件下，电流反相电路40的电流镜经由开关S1的闭合被启用。当被启用时，电流反相电路40的电流镜被配置为“接收”测量信号I2并且生成反相的测量信号I2’，该反相的测量信号I2’具有与测量信号I2相同的大小。当负载电流ILOAD为负负载电流时，电流比较器42被配置为将反相的测量信号I2’与阈值NOCth进行比较，以生成比较器信号Out2，比较器信号Out2指示负载电流ILOAD是否小于负过电流阈值。当负载电流ILOAD为正负载电流时，电流比较器42被配置为将测量信号I2与阈值POCth进行比较，以生成指示负载电流ILOAD是否大于正过电流阈值的比较器信号Out2。

电流比较器42包括被提供有测量信号I2或反相的测量信号I2’的第一比较器端子(例如，非反相端子)和被提供有阈值POCth或阈值NOCth的第二比较器端子(例如，反相端子)。电流反相电路40的电流镜被配置为使第一比较器端子处的电流的流反相。由于开关S1和S2的互补状态，当负载电流为正负载电流时，测量信号被配置为绕过电流反相电路，并且电流比较器42被配置为接收测量信号I2。然而，当负载电流为负负载电流时，电流反相电路40的电流镜被配置为将反相的测量信号I2’源送给电流比较器42。

注意，开关S3和S4、阈值电流源43和44、以及反相器45构成阈值电路，该阈值电路被配置为可切换地将POC阈值或NOC阈值提供给电流比较器42。POC阈值可以大于、等于或小于NOC阈值，具体取决于正过电流保护和负过电流保护的期望水平。特别地，阈值电路被配置为接收比较器信号Out1，在比较器信号Out1指示负载电流为负负载电流的条件下向电流比较器42提供NOC阈值，而在比较器信号Out1指示负载电流是正负载电流的条件下向电流比较器42提供POC阈值。

响应于基于Out2检测到负负载过电流事件，负过电流保护电路22被配置为在等于预定时间间隔的最大值的保护间隔期间，使低侧晶体管Q2截止并且使高侧晶体管Q1导通。

响应于检测到负负载过电流事件，负过电流保护电路22被配置为超控(override)PWM控制信号SPWM的输出，以在保护间隔期间使高侧晶体管导通。结果，PWM控制信号发生器23不输出PWM控制信号，而是输出使高侧晶体管Q1导通并且使低侧晶体管Q2截止的经修改控制信号。可以说，在这种情况下PWM控制信号被中断，并且经修改控制信号被提供给栅极驱动器10。然而，PWM控制信号发生器23继续在内部监测PWM控制信号SPWM。

此外，PWM控制信号发生器23被配置为监测PWM控制信号的转变沿(例如，下降沿或上升沿)，并且响应于检测到PWM信号的转变沿而恢复PWM控制信号SPWM，以控制高侧晶体管和低侧晶体管。也就是说，如果PWM控制信号SPWM的转变沿在预定时间间隔期间没有出现，则保护时段(protection period)等于预定时间间隔。在这种情况下，在经由PWM控制信号SPWM恢复正常操作之前，保护时段延长由预定时间间隔限定的最大时间量。另一方面，如果PWM控制信号发生器23在保护时段期间、并且因此在预定时间间隔过去(lapse of thepredetermined time interval)之前检测到PWM控制信号的转变沿，则PWM控制信号发生器23被配置为在其检测到PWM信号的转变沿的时刻终止保护时段。当保护时段终止时，PWM控制信号发生器23通过将PWM控制信号SPWM输出到栅极驱动器10来恢复PWM控制信号，以控制高侧晶体管和低侧晶体管。因此，在负过电流事件的保护时段期间发生的PWM控制信号的转变沿减小了保护时段的长度。

开关S1和S2、由P1和P2组成的电流镜、以及阈值电路(元件S3、S4、43、44和45)使得过电流检测电路200能够使用相同的比较器(即，比较器42)来执行正过电流保护和负过电流保护两者。这允许使硬件实现面积最小化。此外，通过对通过晶体管Q1的栅极控制的导电沟道的负负载电流进行重定向，可以在发生负过电流事件时减少功耗损失，同时保护栅极驱动器系统100。

图3是根据一个或多个实施例的负和正过电流保护方法300的流程图。在操作305处，将测量信号I1与为零(0A)的阈值进行比较，并且如果测量信号I1小于零(即，为负值)，则该方法进行到操作310。在操作310中，比较器信号Out1为高，使开关S1和S3闭合并且开关S2和S4断开，从而启用反相电流电路40的电流镜并且在比较器42处启用NOCth。在操作315中，将反相的测量电流I2’与NOCth进行比较。如果反相的测量电流I2’大于NOCth，同时PWM控制信号SPWM为低(操作315＝Y)，则使晶体管Q1导通并且使晶体管Q2截止(操作320)。否则，操作315重复(操作315＝N)。“同时PWM控制信号SPWM为低”的条件确保了Q2当前导通并且Q1当前截止，使得晶体管状态可以在操作320中被切换。

负过电流保护间隔tp也在操作320中开始，在负过电流保护间隔tp期间，Q1保持导通并且晶体管Q2保持截止(操作325＝Y)，直到负过电流保护时段终止(操作325＝N)。在操作325中，将负过电流保护间隔tp与最大预定时间间隔tmax(例如，200ns)进行比较，并且监测PWM控制信号的沿转变。例如，控制器20可以监测PWM控制信号的下降沿转变是否在最大预定时间间隔tmax期间发生。如果负过电流保护间隔tp变为等于最大预定时间间隔tmax，或者PWM控制信号的下降沿转变在负过电流保护间隔tp变为等于最大预定时间间隔tmax之前发生，则负过电流保护时段终止(操作325＝N)。此时，负过电流保护间隔tp停止，使晶体管Q1截止，使晶体管Q2导通，并且恢复(reinstate)PWM控制(操作330)。

替代地，在操作325中，可以通过观察电流I2来使用滞后。只要I2’大于NOCth-NOCth_hysteresis并且检测到“无PWM沿转变”，操作325就会重复(Y)。否则，该方法进行到操作330。

如果测量信号I1等于或大于零(即，为零或为正值)，则该方法进行到操作335。在操作335中，比较器信号Out1为低，使开关S1和S3断开并且开关S2和S4闭合，从而禁用反相电流电路40的电流镜并且在比较器42处启用POCth。在操作340处，将测量信号I2与POCth进行比较。如果测量信号I2大于POCth(操作340＝Y)，则检测到正过电流事件，并且减小PWM控制信号SPWM的占空比(操作345)。否则，继续针对(against)POCth监测测量信号I2(操作340＝N)。

一个或多个实施例提供了一种被配置为驱动负载的栅极驱动器系统，该栅极驱动器系统配置为驱动半桥电路，该半桥电路包括高侧晶体管和低侧晶体管。该栅极驱动器系统包括：被配置为基于至少一个控制信号驱动介于开关状态之间的高侧晶体管和低侧晶体管以控制负载电流的栅极驱动器电路，其中负载电流在朝向负载流动时为正负载电流，并且在远离负载流动时为负负载电流；被配置为生成与负载电流成比例的第一测量信号和第二测量信号的测量电路；被配置为将第一测量信号与第一阈值进行比较以生成指示负载电流是正负载电流还是负负载电流的第一比较器信号的第一比较器电路；被配置为生成第二比较器信号的第二比较器电路，当负载电流为负负载电流时，第二比较器信号指示负载电流是否小于负过电流阈值，并且当负载电流为正负载电流时，第二比较器信号指示负载电流是否大于正过电流阈值；以及电流反相电路，其在第一比较器信号指示负载电流为正负载电流的条件下被禁用，并且在第一比较器信号指示负载电流为负负载电流的条件下被启用，其中当被启用时，电流反相电路被配置为接收第二测量信号并且生成与测量信号大小相等但符号相反的反相的测量信号，其中当负载电流为负负载电流时，第二比较器电路被配置为将反相的测量信号与第二阈值进行比较，以生成指示负载电流是否小于负过电流阈值的第二比较器信号，并且其中当负载电流为正负载电流时，第二比较器电路被配置为将第二测量信号与第三阈值进行比较，以生成指示负载电流是否大于正过电流阈值的第二比较器信号。

虽然已经公开了各种实施例，但对于本领域技术人员来说很清楚的是，可以进行各种改变和修改，这些改变和修改将实现本文中公开的概念的一些优点而不脱离本发明的精神和范围。应当理解，可以利用其他实施例并且可以进行结构或逻辑改变而不脱离本发明的范围。应当提及的是，参考特定附图说明的特征可以与其他附图的特征相结合，即使在未明确提及的附图中也是如此。对一般发明概念的这种修改旨在由所附权利要求及其法律等价物覆盖。

此外，以下权利要求在此被并入具体实施方式中，其中每个权利要求可以独立作为单独的示例实施例。虽然每个权利要求可以独立作为单独的示例实施例，但应当注意，尽管从属权利要求在权利要求中可以引用与一个或多个其他权利要求的特定组合，但其他示例实施例也可以包括从属权利要求与每个其他从属或独立权利要求的主题的组合。除非声明不打算进行特定组合，否则本文中提出了这样的组合。此外，意图在于任何其他独立权利要求也包括权利要求的特征，即使该权利要求不直接依赖于该独立权利要求。

进一步需要注意，说明书或权利要求中公开的方法可以通过具有用于执行这些方法的相应动作中的每个的装置的设备来实现。例如，本公开中描述的技术可以至少部分以硬件、软件、固件或其任何组合来实现，包括计算系统、集成电路和非暂态计算机可读记录介质上的计算机程序的任何组合。例如，所描述的技术的各个方面可以在一个或多个处理器内实现，包括一个或多个微处理器、DSP、ASIC、或任何其他等效的集成或分立逻辑电路系统、以及这样的组件的任何组合。

此外，应当理解，说明书或权利要求中公开的多个动作或功能的公开不得被解释为在特定顺序内。因此，多个动作或功能的公开不会将这些动作或功能限于特定顺序，除非这样的动作或功能由于技术原因而不能互换。此外，在一些实施例中，单个动作可以包括或可以分解为多个子动作。除非明确排除，否则这样的子动作可以被包括作为该单个动作的公开的一部分。

Claims (27)

1.一种栅极驱动器系统，被配置为驱动负载，所述栅极驱动器系统被配置为驱动半桥电路，所述半桥电路包括高侧晶体管和低侧晶体管，所述栅极驱动器系统包括：

栅极驱动器电路，被配置为基于至少一个控制信号来驱动介于开关状态之间的所述高侧晶体管和所述低侧晶体管以控制负载电流，其中所述负载电流在朝向所述负载流动时为正负载电流，并且在远离所述负载流动时为负负载电流；

控制电路，被配置为响应于检测到负负载过电流事件而调节所述至少一个控制信号，

其中所述控制电路被配置为监测所述负负载过电流事件，并且响应于所述负载电流小于负过电流阈值而检测所述负负载过电流事件，以及

其中响应于检测到所述负负载过电流事件，所述控制电路被配置为使所述低侧晶体管截止并且使所述高侧晶体管导通，使得所述负负载电流流过所述高侧晶体管的栅极控制的导电沟道。

2.根据权利要求1所述的栅极驱动器系统，其中所述控制电路被配置为直接响应于检测到所述负负载过电流事件而触发所述高侧晶体管的导通。

3.根据权利要求1所述的栅极驱动器系统，其中响应于检测到所述负负载过电流事件，所述控制电路被配置为使所述低侧晶体管截止并且使所述高侧晶体管导通，使得所述负负载电流从流过所述低侧晶体管的栅极控制的导电沟道重定向为流过所述高侧晶体管的所述栅极控制的导电沟道。

4.根据权利要求1所述的栅极驱动器系统，其中所述高侧晶体管包括耦合到输入电压的负载路径端子，其中所述栅极驱动器系统被配置为将所述输入电压转换为提供给所述负载的输出电压。

5.根据权利要求1所述的栅极驱动器系统，还包括：

测量电路，被配置为生成与所述负载电流成比例的第一测量信号；以及

第一比较器电路，被配置为将所述第一测量信号的值与第一阈值进行比较，以生成指示所述负载电流是所述正负载电流还是所述负负载电流的第一比较器信号，

其中所述控制电路被配置为接收所述第一比较器信号，并且在所述第一比较器信号指示所述负载电流是所述负负载电流的条件下执行负负载过电流保护，

其中所述控制电路被配置为在所述负负载过电流保护期间监测所述负负载过电流事件。

6.根据权利要求5所述的栅极驱动器系统，其中所述控制电路被配置为在所述第一比较器信号指示所述负载电流是所述正负载电流的条件下执行正负载过电流保护，并且响应于检测到正负载过电流事件或所述负负载过电流事件而调节所述至少一个控制信号。

7.根据权利要求5所述的栅极驱动器系统，其中所述测量电路被配置为生成与所述负载电流成比例的第二测量信号，并且所述栅极驱动器系统还包括：

第二比较器电路，被配置为在所述负负载过电流保护期间将所述第二测量信号的值与第二阈值进行比较，以生成指示所述负载电流是否小于所述负过电流阈值的第二比较器信号。

8.根据权利要求7所述的栅极驱动器系统，其中所述第二比较器电路被配置为在正负载过电流保护期间将所述第二测量信号的值与第三阈值进行比较，以生成指示所述负载电流是否大于正过电流阈值的所述第二比较器信号。

9.根据权利要求8所述的栅极驱动器系统，还包括：

阈值电路，被配置为能够切换地将所述第二阈值或所述第三阈值提供给所述第二比较器电路，其中所述阈值电路被配置为接收所述第一比较器信号，在所述第一比较器信号指示所述负载电流是所述负负载电流的条件下将所述第二阈值提供给所述第二比较器电路，并且在所述第一比较器信号指示所述负载电流是所述正负载电流的条件下将所述第三阈值提供给所述第二比较器电路。

10.根据权利要求8所述的栅极驱动器系统，其中所述控制电路被配置为在所述第一比较器信号指示所述负载电流是所述正负载电流的条件下执行所述正负载过电流保护。

11.根据权利要求5所述的栅极驱动器系统，还包括：

第二比较器电路，被配置为在所述负负载过电流保护期间将所述第一测量信号的值与第二阈值进行比较，以生成指示所述负载电流是否小于所述负过电流阈值的第二比较器信号。

12.根据权利要求11所述的栅极驱动器系统，其中所述第二比较器电路被配置为在正负载过电流保护期间将所述第一测量信号的值与第三阈值进行比较，以生成指示所述负载电流是否大于正过电流阈值的所述第二比较器信号。

13.根据权利要求12所述的栅极驱动器系统，还包括：

阈值电路，被配置为能够切换地将所述第二阈值或所述第三阈值提供给所述第二比较器电路，其中所述阈值电路被配置为接收所述第一比较器信号，在所述第一比较器信号指示所述负载电流是所述负负载电流的条件下将所述第二阈值提供给所述第二比较器电路，并且在所述第一比较器信号指示所述负载电流是所述正负载电流的条件下将所述第三阈值提供给所述第二比较器电路。

14.根据权利要求12所述的栅极驱动器系统，其中所述控制电路被配置为在所述第一比较器信号指示所述负载电流是所述正负载电流的条件下执行所述正负载过电流保护。

15.根据权利要求1所述的栅极驱动器系统，其中响应于检测到所述负负载过电流事件，所述控制电路被配置为在保护间隔内使所述高侧晶体管导通，所述保护间隔等于预定时间间隔的最大值。

16.根据权利要求15所述的栅极驱动器系统，其中所述至少一个控制信号包括脉宽调制PWM信号，所述PWM信号被配置为控制所述高侧晶体管和所述低侧晶体管的所述开关状态，

其中响应于检测到所述负负载过电流事件，所述控制电路被配置为超控所述PWM信号的输出，以在所述保护间隔内使所述高侧晶体管导通。

17.根据权利要求16所述的栅极驱动器系统，其中所述控制电路被配置为监测所述PWM信号的转变沿，并且响应于检测到所述PWM信号的所述转变沿而恢复所述PWM信号以控制所述高侧晶体管和所述低侧晶体管。

18.根据权利要求16所述的栅极驱动器系统，其中：

如果所述PWM信号的所述转变沿在所述预定时间间隔期间未出现，则所述保护时段等于所述预定时间间隔，并且

如果所述控制电路在所述保护时段期间并且因此在所述预定时间间隔过去之前检测到所述PWM信号的所述转变沿，则所述控制电路被配置为在所述控制电路检测到所述PWM信号的所述转变沿的时刻终止所述保护时段。

19.根据权利要求1所述的栅极驱动器系统，还包括：

测量电路，被配置为生成与所述负载电流成比例的测量信号；

比较器电路，被配置为生成指示所述负载电流是否小于所述负过电流阈值的比较器信号；以及

电流反相电路，被配置为接收所述测量信号，并且相对于所述比较器电路的监测端子使所述测量信号的电流的流反相，以在所述监测端子处生成反相测量信号，

其中所述比较器电路被配置为将所述反相测量信号的值与第一阈值进行比较，以生成指示所述负载电流是否小于所述负过电流阈值的所述比较器信号，

其中所述控制电路被配置为接收所述比较器信号，并且基于所述比较器信号来监测所述负负载过电流事件。

20.根据权利要求19所述的栅极驱动器系统，其中：

所述电流反相电路包括电流镜、第一开关和第二开关，所述第一开关被配置为当所述负载电流为所述正负载电流时禁用所述电流镜，所述第二开关被配置为当所述负载电流为所述负负载电流时启用所述电流镜，

当所述负载电流为所述正负载电流时，所述第一开关被配置为闭合并且所述第二开关被配置为断开，使得所述测量信号流入所述比较器电路的所述监测端子，并且

当所述负载电流为所述负负载电流时，所述第一开关被配置为断开并且所述第二开关被配置为闭合，使得所述测量信号从所述电流镜中被拉出，从而生成流入所述比较器电路的所述监测端子的所述反相测量信号。

21.根据权利要求20所述的栅极驱动器系统，其中：

当所述负载电流为所述负负载电流时，所述比较器电路被配置为将所述反相测量信号与所述第一阈值进行比较，以生成指示所述负载电流是否小于所述负过电流阈值的所述比较器信号，以及

当所述负载电流为所述正负载电流时，所述比较器电路被配置为将所述测量信号与第二阈值进行比较，以生成指示所述负载电流是否大于正过电流阈值的所述比较器信号。

22.根据权利要求1所述的栅极驱动器系统，还包括：

测量电路，被配置为生成与所述负载电流成比例的第一测量信号和第二测量信号；

第一比较器电路，被配置为将所述第一测量信号与第一阈值进行比较，以生成指示所述负载电流是所述正负载电流还是所述负负载电流的第一比较器信号；

第二比较器电路，被配置为生成第二比较器信号，所述第二比较器信号在所述负载电流为所述负负载电流时指示所述负载电流是否小于所述负过电流阈值，并且在所述负载电流为所述正负载电流时指示所述负载电流是否大于正过电流阈值；以及

电流反相电路，在所述第一比较器信号指示所述负载电流为所述正负载电流的条件下被禁用，并且在所述第一比较器信号指示所述负载电流为所述负负载电流的条件下被启用，

其中当被启用时，所述电流反相电路被配置为相对于所述第二比较器电路的监测端子使所述第二测量信号的电流的流反相，以在所述监测端子处生成反相测量信号，

其中当所述负载电流为所述负负载电流时，所述第二比较器电路被配置为将所述反相测量信号与第二阈值进行比较，以生成指示所述负载电流是否小于所述负过电流阈值的所述第二比较器信号，以及

其中当所述负载电流为所述正负载电流时，所述第二比较器电路被配置为将所述第二测量信号与第三阈值进行比较，以生成指示所述负载电流是否大于所述正过电流阈值的所述第二比较器信号。

23.根据权利要求22所述的栅极驱动器系统，其中所述第二比较器电路包括：监测端子，在所述监测端子处存在所述第二测量信号或所述反相测量信号；以及参考端子，在所述参考端子处存在所述第二阈值或所述第三阈值，其中所述电流反相电路被配置为在所述监测端子处使电流的流反相。

24.根据权利要求22所述的栅极驱动器系统，其中当所述负载电流为所述正负载电流时，所述第二测量信号被配置为绕过所述电流反相电路，并且所述第二比较器电路被配置为接收所述第二测量信号。

25.根据权利要求22所述的栅极驱动器系统，其中当所述负载电流为所述负负载电流时，所述电流反相电路被配置为从所述第二测量信号生成所述反相测量信号，并且将所述反相测量信号提供给所述第二比较器电路。

26.根据权利要求22所述的栅极驱动器系统，其中所述第一比较器电路和所述第二比较器电路是电流比较器。

27.一种驱动半桥电路的方法，所述半桥电流包括第一晶体管和第二晶体管，所述方法包括：

基于至少一个控制信号驱动介于开关状态之间的高侧晶体管和低侧晶体管以控制负载电流，其中所述负载电流在朝向所述负载流动时为正负载电流，并且在远离所述负载流动时为负负载电流；

监测负负载过电流事件；

响应于所述负载电流小于负过电流阈值，检测所述负负载过电流事件；以及

响应于检测到所述负负载过电流事件而调节所述至少一个控制信号，包括响应于检测到所述负负载过电流事件，使所述低侧晶体管截止并且使所述高侧晶体管导通，使得所述负负载电流流过所述高侧晶体管的栅极控制的导电沟道。

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