被配置为检测故障的电路及检测故障的方法技术

本申请涉及被配置为检测故障的电路及检测故障的方法。本发明专利技术公开了一种用于检测影响功率晶体管的故障的电路，该电路包括调节电路、第一故障状态电路和故障信令电路。该功率晶体管分别通过输入信号的断言和取消断言来导通和关断。该调节电路从功率晶体管的栅极电压产生经调节的栅极电压信号。当该经调节的栅极电压信号在该输入信号的断言之后的第一间隔期间大于第一故障参考电压时，该第一故障状态电路断言第一故障指示。该故障信令电路响应于该第一故障指示被断言来断言故障信号，并且响应于该输入信号被取消断言来取消断言该故障信号。障信号。障信号。

【技术实现步骤摘要】
被配置为检测故障的电路及检测故障的方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本专利技术要求于2020年3月23日提交的美国申请号16/826881的优先权，该申请以引用方式并入本文以用于所有目的。


[0003]本专利技术涉及用于保护绝缘栅双极晶体管(IGBT)或功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)免受故障诸如短路故障、硬切换故障和/或欠载故障的电路和方法。

技术介绍

[0004]用于功率控制和/或功率转换的设备(下文称为功率控制设备)可使用功率晶体管。可以通过以预定间隔导通或关断此类功率晶体管来实现功率控制或转换，诸如通过使用脉宽调制(PWM)、脉频调制(PFM)等。应选择功率晶体管，以便不仅在正常条件下而且在过载条件下可靠地处理电路电流。然而，功率晶体管在诸如过流(OC)故障、硬开关故障(HSF)或欠载故障(FUL)等故障状况下可能受到非常高的浪涌电流的影响。
[0005]当过量的电流流过功率晶体管时，发生OC故障。当功率控制设备中的另一功率晶体管或续流二极管在功率晶体管导通的情况下短路时，可能发生HSF。当功率控制设备向其提供功率的负载中发生短路时，可能发生FUL。
[0006]尤其是在功率晶体管为绝缘栅双极晶体管(IGBT)的情况下，而且对于功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的情况下，当发生严重故障状况时，比功率晶体管的额定水平高许多倍的电流可能流过该功率晶体管。因此，为了防止此类故障电流造成的功率晶体管的高功率损耗和损坏，必须快速(诸如在几微秒内)执行适当的故障检测和校正。
[0007]用于驱动IGBT和/或MOSFET的驱动器IC可支持对故障情况的检测和响应。但是这些故障检测和响应功能可能需要使用附加信号输入和附加部件。此外，用于检测故障的电路可引起时间延迟和附加的功率损耗，并且可使得难以确定与特定IGBT或MOSFET一起使用的适当栅极电阻器。
[0008]因此，期望一种IGBT/MOSFET驱动器，该IGBT/MOSFET驱动器能够在没有附加部件并且没有浪费功率的情况下快速检测故障状况并对故障状况作出响应。

技术实现思路

[0009]本公开涉及用于功率晶体管的故障检测和故障处理，并且具体地涉及用于使用功率IGBT或功率MOSFET的栅极信号的电压来感测故障状况的电路和方法。
[0010]实施方案包括一种被配置为检测故障的电路，该电路包括：调节电路，该调节电路被配置为根据功率晶体管的栅极电压来产生经调节的栅极电压信号；第一故障状态电路，该第一故障状态电路被配置为当该经调节的栅极电压信号在从输入信号的断言开始的第一间隔期间大于第一故障参考电压时通过断言第一故障指示来产生该第一故障指示；以及故障信令电路，该故障信令电路被配置为通过响应于该第一故障指示被断言而断言故障信
号并且通过响应于该输入信号被取消断言而取消断言该故障信号来产生该故障信号。输入信号的断言指示功率晶体管将被导通，并且输入信号的取消断言指示功率晶体管将被关断。
[0011]在一个实施方案中，该电路包括第二故障状态电路，该第二故障状态电路被配置为当经调节的栅极电压信号大于第二故障参考电压时通过断言第二故障指示来产生该第二故障指示。该第二故障参考电压大于该第一故障参考电压。
[0012]在一个实施方案中，故障信令电路可被配置为通过响应于该第二故障指示被断言而断言该故障信号来产生该故障信号。
[0013]在一个实施方案中，该第二故障参考电压对应于该经调节的栅极电压信号的一个值，该值大于当该功率晶体管的该栅极电压等于正常操作期间存在于该功率晶体管的栅极上的最大栅极电压时的该经调节的栅极电压信号的值。
[0014]在一个实施方案中，该第一故障参考电压大于与该功率晶体管的米勒电压相对应的该经调节的栅极电压信号的值，并且该第一间隔的持续时间对应于当在正常操作下在该功率晶体管的栅极电压中发生米勒平台时该输入信号的断言之后的时间。
[0015]在一个实施方案中，该调节电路通过对指示该栅极电压的栅极电压信号进行分压并且对该分压的结果进行低通滤波来产生该经调节的栅极电压信号。
[0016]实施方案包括一种检测故障的方法，该方法包括：接收用于控制功率晶体管的栅极电压的输入信号；接收对应于该栅极电压的栅极电压信号；使用该栅极电压信号生成经调节的栅极电压信号；执行该经调节的栅极电压信号与第一故障参考电压的第一比较；响应于该第一比较而断言故障信号，该第一比较指示在从该输入信号的断言开始并且具有预定持续时间的时间段内该经调节的栅极电压信号大于该第一故障参考电压；以及响应于该输入信号被取消断言来取消断言该故障信号。
[0017]在一个实施方案中，该第一故障参考电压的值大于与等于该功率晶体管的米勒电压的栅极电压相对应的该经调节的栅极电压信号的值，并且该时间段的持续时间对应于在正常操作期间该输入信号的断言与米勒平台的预期结束之间的间隔。
[0018]在一个实施方案中，该方法包括：执行经调节的栅极电压信号与第二故障参考电压的第二比较；以及响应于该第二比较来断言该故障信号，该第二比较指示该经调节的栅极电压信号大于该第二故障参考电压。
[0019]在一个实施方案中，该第二故障参考电压大于与在正常操作期间等于存在于该功率晶体管的栅极上的最大栅极电压的栅极电压对应的该经调节的栅极电压信号的值。
[0020]在一个实施方案中，该方法包括：响应于该故障信号的断言，执行该功率晶体管的栅极电压钳位、该功率晶体管的软关断或该两者。
附图说明
[0021]在附图中，所有独立视图以及以下详细描述中类似的附图标号表示相同或功能相似的元件，并且这些附图标号结合到说明书中并且形成说明书的一部分，用于进一步说明包括受权利要求书保护的专利技术的概念的实施方案并且解释那些实施方案的各种原理和优点。
[0022]图1示出了根据控制绝缘栅双极晶体管(IGBT)的实施方案的驱动电路。
[0023]图2示出了在正常操作条件下导通的IGBT的电压和电流。
[0024]图3示出了IGBT或MOSFET的转移特性。
[0025]图4示出了根据一个实施方案的栅极电压状态分析逻辑电路。
[0026]图5示出了根据一个实施方案的栅极电压信号调节电路。
[0027]图6示出了根据一个实施方案的过流和硬开关故障状态电路。
[0028]图7示出了在发生过流故障或硬开关故障时IGBT在导通期间的栅极电压。
[0029]图8示出了根据一个实施方案的欠载故障状态电路。
[0030]图9示出了在发生欠载故障时IGBT的栅极电压。
[0031]图10示出了根据一个实施方案的故障状态电路。
[0032]图11示出了在一个实施方案中使用的栅极电压钳位和软关断驱动电路。
[0033]图12示出了在发生过流故障或硬开关故障时的实施方案的操作。
[0034]图13示出了在发生欠载故障时的实施方案的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种被配置为检测故障的电路，所述电路包括：调节电路，所述调节电路被配置为根据功率晶体管的栅极电压产生经调节的栅极电压信号；第一故障状态电路，所述第一故障状态电路被配置为：当在从输入信号的断言开始的第一间隔期间所述经调节的栅极电压信号大于第一故障参考电压时，通过断言第一故障指示来产生所述第一故障指示；和故障信令电路，所述故障信令电路被配置为：通过响应于所述第一故障指示被断言而断言故障信号以及响应于所述输入信号被取消断言而取消断言所述故障信号，来产生所述故障信号，其中所述输入信号的断言指示所述功率晶体管将被导通，并且所述输入信号的取消断言指示所述功率晶体管将被关断。2.根据权利要求1所述的电路，还包括：第二故障状态电路，所述第二故障状态电路被配置为：当所述经调节的栅极电压信号大于第二故障参考电压时，通过断言第二故障指示来产生所述第二故障指示，所述第二故障参考电压大于所述第一故障参考电压，其中所述故障信令电路被配置为：通过响应于所述第二故障指示被断言而断言所述故障信号，来产生所述故障信号。3.根据权利要求2所述的电路，其中，所述第二故障参考电压对应于所述经调节的栅极电压信号的值，所述经调节的栅极电压信号的值大于当所述功率晶体管的所述栅极电压等于正常操作期间存在于所述功率晶体管的所述栅极上的最大栅极电压时的所述经调节的栅极电压信号的值。4.根据权利要求1至3中任一项所述的电路，其中，所述第一故障参考电压大于与所述功率晶体管的米勒电压相对应的所述经调节的栅极电压信号的值，并且其中，所述第一间隔的持续时间对应于当在正常操作下在所述功率晶体管的所述栅极电压中发生米勒平台时，所述输入信号的所述断言之后的时间。5...

【专利技术属性】
技术研发人员：权泰成，
申请(专利权)人：半导体元件工业有限责任公司，
类型：发明
国别省市：