預驅動器短路保護的製作方法

2023-10-07 01:50:49 1

背景技術：

在許多應用中，電動機需要大電流(即，大於100a)以進行操作。在許多情況下，利用特殊功率場效應電晶體(fet)驅動這些大電流。利用柵極驅動器電路控制功率fet操作。柵極驅動器電路可以包括多個柵極驅動器，該多個柵極驅動器中的一個可以通過在驅動電流(即，上拉電流)下產生信號來驅動功率fet，以使功率fet接通。類似地，柵極驅動器可以將電流(以下拉電流)下拉以將功率fet斷開。以這種方式，柵極驅動器電路可以控制功率fet的操作。有時，在功率fet內或其物理布線中發生短路。在常規系統中，柵極驅動器被配置為一旦檢測到功率fet內的短路立即產生用於系統所有功率fet的下拉電流。該下拉電流被一致地提供到功率fet的柵極，直到所有功率fet被斷開。如果短路導致功率fet連接到電源且柵極驅動器電路響應於這些故障而繼續下拉功率fet的柵極，則驅動器電路將最終由於過大功率而燒毀，從而導致驅動器晶片的失效。

技術實現要素：

以上所指出問題在很大程度上由用於保護柵極驅動器電路免於短路的系統和方法解決。在一些實施例中，柵極驅動器電路包括比較器和柵極驅動器。比較器被配置為檢測第一功率場效應電晶體(fet)中的短路。柵極驅動器被配置為通過在第一驅動電流下產生第一信號(即，在第一驅動電流下產生「接通」或「斷開」信號)來驅動第一功率fet的柵極。響應於比較器檢測到在第一功率fet的任何端子之間的短路，柵極驅動器還被配置為在第一下拉電流下對第一功率fet的柵極進行脈衝。在脈衝結束之後，柵極驅動器還被配置為在第一保持電流下驅動第一功率fet的柵極。第一保持電流小於第一下拉電流。

另一例示性實施例為控制系統，該控制系統包括微控制器(mcu)、第一功率fet，以及耦合到mcu和第一功率fet的柵極驅動器電路。mcu被配置為實現控制系統的狀態改變。第一功率fet被配置為驅動電動機。柵極驅動器電路被配置為通過在驅動電流下產生第一信號來驅動第一功率fet的柵極。響應於第一功率fet中的短路，柵極驅動器電路還被配置為在第一下拉電流下脈衝第一信號。在脈衝結束之後，柵極驅動器電路還被配置為在第一保持電流下驅動第一功率fet的柵極。第一保持電流小於第一下拉電流。

另一例示性實施例為用於保護柵極驅動器電路免於短路的方法。該方法包括在驅動電流下驅動第一功率fet的柵極。該方法還包括檢測第一功率fet中的短路。響應於檢測到短路，該方法還包括在第一下拉電流下將第一信號脈衝到第一功率fet的柵極。響應於脈衝信號的結束，該方法包括在第一保持電流下驅動第一功率fet的柵極。

附圖說明

對於各種示例的詳細描述，現在將參考附圖，其中：

圖1示出根據各種實施例的控制系統的例示性方框圖；

圖2示出根據各種實施例的柵極驅動器電路和功率fet電路的例示性方框圖；

圖3示出根據各種實施例的功率fet的例示性信號對時間的曲線圖；以及

圖4示出根據各種實施例的用於保護柵極驅動器電路免於短路的方法的例示性流程圖。

符號和聲明

貫穿以下描述和權利要求使用某些術語指代特定系統組件。如本領域技術人員將理解的，公司可以通過不同的名稱指代組件。本文檔不打算區分名稱不同而非功能不同的組件。在下面的論述和權利要求中，術語「包含」和「包括」以開放式的方式使用，且因此應被解釋為意指「包括但不限於...」。另外，術語「耦合」或「耦接」旨在意指間接或直接連接。因此，如果第一設備耦合到第二設備，則該連接可以通過直接連接，或者通過經由其他設備和連接件的間接連接。「基於」的表述旨在意指「至少部分基於」。因此，如果x基於y，則x可以基於y以及任何數量的其他因素。

具體實施方式

以下論述涉及本發明的各種實施例。雖然這些實施例中的一個或更多個可為優選的，但是所公開的實施例不應被解釋為或以其他方式用於限制本公開(包括權利要求)的範圍。此外，本領域技術人員將理解，以下描述具有廣泛的應用，且任何實施例的論述僅意指是該實施例的範例，而不旨在暗示本公開(包括權利要求)的範圍限於該實施例。

在許多系統中，利用功率場效應電晶體(fet)驅動大電流以控制電動機。柵極驅動器通常控制這些功率fet的操作。柵極驅動器可以通過在驅動電流(即，上拉電流)下產生信號來驅動功率fet，以使功率fet接通。類似地，柵極驅動器可以將電流(以下拉電流)下拉以將功率fet斷開。以這種方式，柵極驅動器電路可以控制功率fet的操作。有時，在功率fet內發生短路。在常規系統中，柵極驅動器被配置為一旦檢測到功率fet內的短路立即產生用於系統的所有功率fet的下拉電流(有時約為1a)。該下拉電流被一致地提供到功率fet的柵極，直到所有的功率fet被斷開。然而，在某些情況下，功率fet中的一個功率fet的柵極可能短路到提供高電壓(例如，24v)的系統電源。因此，下拉電流可能不足以克服短路並且功率fet可保持接通。在常規系統中，當短路仍然存在時，但是即使不能克服短路，柵極驅動器仍繼續產生下拉電流以試圖將功率fet下拉。因此，當柵極驅動器連續地試圖汲取(sink)下拉電流(約1a)時，許多電子組件可能由於過多的熱積聚而被破壞。因此，希望設計安全系統，該安全系統在檢測到短路時能夠使功率fet下拉，但是如果短路不能克服，也不會破壞附加的電子組件。

根據所公開的原理，一旦在系統的功率fet中檢測到短路，則柵極驅動器可以被配置為脈衝下拉電流以快速下拉所有的功率fet。然而，脈衝僅在預定(有時是短暫的)時間段內提供下拉電流。因此，如果不能克服短路，則柵極驅動器不會無限期地試圖汲取下拉電流。一旦脈衝已經結束，柵極驅動器被配置為產生待提供至功率fet的柵極的更小(例如30ma)保持電流。這維持系統浮動，同時不產生可能破壞附加電子組件的過多的熱。此外，如果曾經克服短路，則該保持電流可以最終下拉(即，斷開)受影響的功率fet。因此，這些外部功率fet在需要時(即，在相位短路期間)被快速關停，同時避免由於過多的熱導致的損壞(由於柵極到電源的短路)。

圖1示出根據各種實施例的控制系統100的例示性方框圖。控制系統100可以包括電源單元(psu)102、功率fet電路104、微控制器(mcu)106、柵極驅動器電路108和電動機110。在一些實施例中，控制系統100被配置為控制電動機110的驅動。儘管圖1所描繪的控制系統100被配置為控制電動機110，但在另選實施例中，控制系統100可以被配置為控制包括任何類型的電路的任何類型的設備。

psu102可以是任何類型的電氣設備，該電氣設備被配置為在給定電壓(例如，24v)下產生電源124從而為控制系統100的其餘組件(即，功率fet電路104、mcu106、柵極驅動器電路108)提供電能以進行操作。psu102可以是包括dc電源、ac到dc電源、線性調節器、ac電源、切換式電源，不間斷電源(ups)、電池等的任何類型電源。

因為由psu102供應的電源可能太高而不能直接對一些組件供電，在一些實施例中，一個或更多個電壓調節器(未示出)被配置為接收由psu102供應的電力，並在恆定電壓下產生輸出信號以直接為控制系統100的其他組件(例如，可以集成在相同集成電路上的mcu106和柵極驅動器電路108)供電。這些一個或更多個電壓調節器可為低壓降(ldo)調節器、dc-dc降壓轉換器等。例如，電壓調節器可以接收由psu102在24v供應的電力並且產生輸出信號從而在穩定的5-6v下為系統100的其他組件供應電力。

mcu106可以被配置為實現控制系統100的設備的狀態改變。例如，mcu106可以被配置為通過實現用於柵極驅動器電路108的狀態改變而對控制系統100的整體操作進行控制。mcu106可為任何類型的微控制器或其他電氣處理設備，並且可以包括處理器核心、存儲器和可編程的輸入/輸出外圍設備。mcu106的存儲器可為以下形式：快閃記憶體、只讀存儲器、隨機存取存儲器或任何其他類型的存儲器或存儲器類型的組合。mcu106的組件可以被實現為在單個集成電路上的片上系統(soc)。在另選實施例中，可以跨多個集成電路實現mcu106。

柵極驅動器電路108可以被配置為響應於從mcu106接收的信號而驅動電動機110。換句話講，柵極驅動器電路108可以基於由mcu106施加的在柵極驅動電路108中的狀態改變來驅動電動機110。在一些實施例中，需要大電流(例如，數百安培)來驅動電動機100。因此，功率fet電路104(其在一些實施例中不在與mcu106和柵極驅動器電路108相同的集成電路上實現，而是實現在相同封裝(多晶片模塊)中)用於驅動電動機110。更具體地，柵極驅動器電路108可以被配置為通過在驅動電流下產生信號122而驅動功率fet電路104內的功率fet的柵極(例如，接通和斷開在功率fet電路104內的功率fet)。換句話講，柵極驅動器電路108可以利用電流產生信號122，該電流具有足以驅動功率fet電路104內的功率fet的柵極的大小。雖然示出為單個信號，但信號122可為多個信號。例如，柵極驅動器電路108可產生與功率fet電路104內的功率fet一樣多的驅動信號(例如，驅動六個功率fet的柵極的六個信號122)。

然後，功率fet電路104內的功率fet可以用電流驅動電動機110以通過產生信號126而操作電動機110。電動機110可為包括無刷dc電動機和更具體地為步進電動機的任何類型電動機。例如，電動機110可為三相無刷dc電動機。因為電動機110可為三相電動機，所以功率fet電路104可以產生三個信號126以驅動電動機110的每個相。在一些實施例中，控制系統100可以實現在汽車中。例如，控制系統100可以用於控制汽車的動力轉向。在其他實施例中，控制系統100可以實現在其他控制系統中。

圖2示出根據各種實施例的柵極驅動器電路108和功率fet電路104的例示性方框圖。柵極驅動器電路108可以包括柵極驅動器組202a-n和比較器電路204。功率fet電路104可以包括功率fet組206a-n。在柵極驅動器組202a和202n之間以及在功率fet組206a-n之間的省略號指示可以存在任何數量的柵極驅動器組202a-n和/或功率fet組206a-n，但為了清楚起見每組僅示出兩個。在一些實施例中，存在三個功率fet組206a-n，每個被配置為產生信號126以驅動電動機110的單個相。類似地，在一些實施例中，存在三個柵極驅動器組202a-n，每個被配置為驅動包括在單個功率fet組206a-n中的功率fet的柵極(例如，柵極驅動器組202a驅動在功率fet組206a中包括的功率fet的柵極，而柵極驅動器組202n驅動在功率fet組206n中包括的功率fet的柵極)。

每個功率fet組206a-n可以包括兩個功率fet(例如功率fet組206a內的功率fet208-210和功率fet組206n內的功率fet212-214)。此外，每個功率fet組206a-n的功率fet208-214可以布置成高壓側/低壓側配置。例如，功率fet208可為用於功率fet組206a的高壓側功率fet，而功率fet210為低壓側功率fet。類似地，功率fet212可為用於功率fet組206n的高壓側功率fet，而功率fet214為低壓側功率fet。每個高壓側功率fet(例如，功率fet208和212)可以從psu102接收電源124。功率fet208-214可以各自為fet，且更具體地可為n溝道金屬氧化物半導體場效應(nmos)電晶體。在另選實施例中，功率fet208-214可為任何類型電晶體，包括p溝道金屬氧化物半導體場效應(pmos)電晶體、p型結柵極場效應電晶體(pjfet)、n型結柵極場效應電晶體(njfet)和雙極結電晶體(bjt)(包括pnp和npn電晶體)。

每個柵極驅動器組202a-n可以包括兩個柵極驅動器(例如，柵極驅動器組202a內的柵極驅動器222-224和柵極驅動器組202n內的柵極驅動器226-228)。在一些實施例中，每個柵極驅動器222-228可以被配置為響應於來自mcu106的信號而驅動單個功率fet208-214。例如，柵極驅動器222可以被配置為驅動功率fet208，柵極驅動器224可以配置為驅動功率fet210，柵極驅動器226可以被配置為驅動功率fet212，而柵極驅動器228可以被配置為驅動功率fet214。除了驅動功率fet208-214的柵極之外，柵極驅動器222-228也可以驅動功率fet222-228的源極。例如，除了在驅動電流下產生信號122以驅動功率fet208的柵極之外，柵極驅動器222也可以產生信號以驅動功率fet208的源極。以這種方式，柵極驅動器電路108可以驅動功率fet電路104以驅動電動機110。

比較器電路204可為包括運算放大比較器的任何類型的比較器電路。比較器電路204可以被配置為檢測功率fet208-214內的短路，包括任何功率fet208-214的柵極到電源124的短路。更具體地，比較器電路204可以被配置為比較每個功率fet208-210的柵極到源極電壓和/或每個功率fet208-210的漏極到源極電壓。基於該比較，可以檢測短路。

為了保護系統100的組件，響應於比較器電路204檢測到在功率fet208-214中的任一個中的短路，柵極驅動器222-228可以被配置為在下拉電流下將信號122脈衝到柵極驅動器222-228的對應功率fet208-214。例如，如果比較器電路204檢測到功率fet208中的短路，則柵極驅動器222被配置為在下拉電流下(即，被配置為斷開功率fet208的電流)脈衝信號122。換句話講，柵極驅動器222被配置為在預定的時間量內在下拉電流(在一些實施例中為1a)下產生信號。在一些實施例中，比較器電路204可以將比較結果傳輸和/或發送到mcu106用於處理，並且mcu106可以傳輸信號，該信號指示柵極驅動器222在下拉電流下產生信號。響應於功率fet208中檢測到的短路，柵極驅動器224-226也可以在它們各自下拉電流下將信號122脈衝到它們各自的功率fet210-214。類似地，如果比較器電路204檢測到功率fet210中的短路，則柵極驅動器222可以被配置為在下拉電流下脈衝信號122，以試圖斷開功率fet208，並且其餘柵極驅動器224-228也可以被配置為在它們各自的下拉電流下將信號122脈衝到它們各自的功率fet210-214。在一些實施例中，功率fet208-214中的每個的下拉電流是相同的；然而，在另選實施例中，對於功率fet208-214中的一些或全部，用於功率fet208-214的下拉電流可為不同的。此外，用於功率fet208-214中的每個的下拉電流的大小和脈衝的持續時間可在mcu106中是可編程的。

因為電源124是相對高的電壓，所以當功率fet208-214中的任一個的短路為從柵極到電源時，下拉電流可能不克服電源。因此，即使在長時間接收下拉電流之後，具有柵極到電源短路的功率fet也可能不下拉並斷開。下拉電流施加到具有從柵極到電源短路的功率fet208-214的柵極歷時越長，由於過多的熱而破壞系統100的其他組件的可能性越高。如前所述，功率fet208-214中的每個的脈衝的持續時間可在mcu中可編程。該持續時間可以基於在系統100的其它組件開始失效之前可以將下拉電流施加到功率fet208-214中多長時間。

為了保護柵極驅動器電路108和mcu106，一旦由柵極驅動器222-228產生的脈衝已經結束(即，一旦將下拉電流提供至功率fet208-214的預定時間量截止)，柵極驅動器222-228可以產生保持電流，其作為信號122的部分被提供至功率fet208-214的柵極。例如，如果功率fet208的柵極對電源124短路，則將下拉電流脈衝到每個功率fet208-214。一旦脈衝結束，保持電流被提供至功率fet208-214的柵極中的每個。用於功率fet208-214中的每個的保持電流的大小可以小於並且在一些實施例中遠小於下拉電流的大小。例如，雖然下拉電流的大小可為1a，但是保持電流的大小可為30ma。在一些實施例中，用於功率fet208-214中的每個的保持電流相同；然而，在另選實施例中，對於功率fet208-214中的一些或全部，用於功率fet208-214的保持電流可為不同的。此外，保持電流的大小可以在mcu106中可編程，並且可以足夠低，使得當與在功率fet208-214中的一個中的對電源短路的柵極進行組合時，柵極驅動器電路108和/或mcu106不被破壞。當保持電流的大小小於下拉電流的大小時，如果短路被解決，其確實將足夠的電流提供到功率fet208-214中的任一個的柵極以下拉(即，斷開)功率fet(與如果利用下拉電流的大小相比，將功率fet下拉將需要更長時間)。

圖3示出根據各種實施例的功率fet的例示性信號對時間的曲線圖300。線302描繪從mcu106到柵極驅動器電路108的輸入信號，其用於產生驅動電流以接通和斷開功率fet208-214中的任一個。例如，線302為低(low)，直到當其變為高(high)的時間322，該high指示輸入信號請求功率fet208-214中的一個接通。在該示例中，假設輸入信號用於控制功率fet208，在時間322，柵極驅動器電路108可以在驅動電流下將信號122發送到功率fet208，從而接通功率fet208。在時間324，線302變為低，其指示輸入信號正在請求功率fet208斷開。這引起柵極驅動器電路108在下拉電流下將信號122發送到功率fet208，從而斷開功率fet208。在時間326，線302再次轉變成高，其指示輸入信號正在請求功率fet208中的一個接通，這引起柵極驅動器電路108在驅動電流下將信號122發送到功率fet208，從而接通功率fet208。

線304描繪(繼續前面示例)功率fet208的柵極到源極電壓。在時間322之前，功率fet208的柵極到源極電壓為0v。當線302在時間322轉變為高時，功率fet208的柵極到源極電壓斜升，因為功率fet208在驅動電流下接收信號122。在時間324，線302轉變為低，這引起功率fet208的下拉，使得柵極到源極電壓斜降到0v。當線302在時間326轉變為高時，功率fet208的柵極到源極電壓再次斜升。

線308描繪基於比較器204檢測到功率fet208-214中任一個的短路而可以由mcu106產生的故障信號。如圖3的示例所示，在時間328，如線308所示，故障信號變為高，其指示存在功率fet208-214中的一個中的短路。因此，在時間328，柵極驅動器222-228可以在下拉電流下產生脈衝，以快速斷開所有功率fet208-214。因此，線304示出功率fet208的柵極到源極電壓斜降到0v。此外，線308-310描繪由柵極驅動器222-228產生的電流設定。在時間328之前，系統100以正常條件設定操作。換句話講，柵極驅動器222-228在正常配置中在驅動電流和下拉電流下產生信號122。在時間328-330之間，柵極驅動器222-228在下拉電流下產生脈衝，以快速斷開所有功率fet208-214。然而，如果功率fet222-228中的任一個從柵極到電源短路，則即使在下拉電流下，該脈衝也可能不斷開該特定功率fet。因此，在時間330之後，柵極驅動器222-228在保持電流下產生信號122，以保護mcu106和柵極驅動器電路108免於過度、有害的熱積聚。

圖4示出根據各種實施例的用於保護柵極驅動器電路免於短路的方法400的例示性流程圖。雖然為了方便起見順序地描繪，但是可以按不同順序執行和/或並行執行所示的動作的至少一些。另外，一些實施例可以僅執行所示動作中的一些。在一些實施例中，方法400的操作中的至少一些以及本文描述的其它操作可以由mcu106、柵極驅動器電路108和/或功率fet電路104執行，並且由執行存儲在非暫時性計算機可讀存儲介質中的指令的處理器實現。

方法400在方框402中以驅動第一功率fet諸如功率fet208的柵極而開始。在一些實施例中，第一功率fet的柵極由柵極驅動器諸如柵極驅動器222在驅動電流下驅動。在方框402中，方法400以確定在第一功率fet中是否已檢測到短路而繼續。例如，比較器諸如比較器204可以用於比較功率fet208的柵極到源極電壓和/或功率fet208的漏極到源極電壓，以確定功率fet208中是否存在短路。如果在方框404中作出在第一功率fet中沒有檢測到短路的確定，則方法400在方框402中以驅動第一功率fet的柵極而繼續。

如果在方框404中作出在第一功率fet中已經檢測到短路的確定，則方法400在方框406和408中繼續。在方框406中，信號在第一下拉電流下脈衝到第一功率fet的柵極。例如，可以在下拉電流下在預定的、可編程的時間量內脈衝信號122，以下拉第一功率fet並將其斷開。類似地，在方框408中，信號在第二下拉電流下脈衝到第二功率fet諸如功率fet210的柵極。例如，信號122可以在下拉電流下在預定的、可編程的時間量內脈衝，以下拉第二功率fet並將其斷開。第一下拉電流和第二下拉電流可以大小相等。

方法400在方框410中以確定用於第一功率fet的脈衝是否已經結束而繼續。如果在方框410中作出脈衝尚未結束的確定，則方法400在方框406中以脈衝第一功率fet的柵極而繼續。然而，如果在方框410中作出脈衝已經結束的確定，則方法400在方框414中以在第一保持電流下驅動第一功率fet的柵極而繼續。

在方框412中，確定用於第二功率fet的脈衝是否已經結束。如果在方框412中作出脈衝尚未結束的確定，則方法400在方框408中以脈衝第二功率fet的柵極而繼續。然而，如果在方框412中作出脈衝已經結束的確定，則方法400在方框416中以在第二保持電流下驅動第二功率fet的柵極而繼續。第一保持電流和第二保持電流可以大小相等。

上述論述意在例示本發明的原理和各種實施例。一旦完全理解了上述公開內容，許多變化和修改對於本領域技術人員將變得明顯。本發明旨在將所附權利要求解釋為涵蓋所有此類變化和修改。