具有脉冲计时模式故障检测和自适应安全运行区运行模式的MOSFET驱动器制造技术

公开了一种用于开关模式功率转换器的安全运行区(SOA)自适应的栅极驱动器。响应于检测到故障状况，SOA自适应的栅极驱动器可以通过限制施加到功率MOSFET的栅极的电压或者通过限制注入到功率MOSFET的栅极的电流来限制功率转换器的功率晶体管(例如功率MOSFET)中的峰值电流。受限的栅极电压或电流可以使SOA边界与漏极电压和电流(VD和ID)的关断轨迹之间的余量增加，以确保开关模式功率转换器在故障状况期间的安全运行。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的交叉引用本申请要求于2014年6月10日提交的第14/301,234号美国专利申请的优先权，该申请的全部内容通过引用方式纳入本文。专利技术背景1.
本公开文本大体上涉及开关模式电源，更具体地，涉及用于开关模式电源的具有短路保护的控制器。2.相关技术常规的壁装电源插座通常传送高压交流(ac)功率，该高压交流功率需要被转换为直流(dc)功率后再用于向许多电子装置供电。开关模式功率转换器由于它们的高效率、小尺寸、轻重量和安全保护特征而通常用于将高压交流功率转换成稳压直流功率。这些转换器包括功率开关，可以使用各种开关控制技术(诸如脉冲宽度调制(PWM)、脉冲频率调制(PFM)、脉冲跳跃和/或开关控制)使所述功率开关导通和关断以调节转换器的输出。功率晶体管(例如功率MOSFET)可以基于它们的结构设计和尺寸而具有针对导通状态电流和关断状态电压的预定容差。开关的伏特/安培(VI)容差的边界(例如包络)组合限定了开关的安全运行区(SOA)，超过该安全运行区，开关可能发生损坏。因此，用于使电源开关的控制器通常出于保护开关和调节输出的目的测量电压和电流。然而，实际装置的限制和特性可能使得在所有条件下均保护开关是不切实际的(如果不是不可能的话)。例如，反激转换器中寄生电感和电容的存在可能会导致在开关事件期间同时向开关施加高电压和电流。具体地，由于变压器的漏电感中的能量存储，在关断期间可能在MOSFET功率晶体管中产生振荡电压尖峰。另外，当变压器初级绕组的电压改变时(例如从正输入电压Vin改变为负反射输出电压-Vor)，寄生/杂散电容可能在导通期间产生相当大的电流尖峰。为了掩蔽正常运行期间的导通电流尖峰，一些转换器可能会引入前沿消隐时间，在该前沿消隐时间期间，掩蔽对开关电流的测量以避免错误地指示过量电流。虽然可以在正常运行期间将功率MOSFET的VI轨迹有效地保持在SOA内，但是在某些瞬变和故障状况下(例如，在启动时或在输出短路期间)，消隐时间的使用可能会阻碍或阻止这样的保持。因此，转换器的导通和关断VI轨迹可能会超过功率MOSFET的SOA包络，并引起装置的破坏性损坏。在输出电压降低的情况下(例如，在输出处的部分或完全短路期间、在过载状况期间或在启动期间)，响应于开关中的过量电流的传统技术可能无法防止电流在开关周期中超过期望水平。这是因为前沿消隐时间和电流限制延迟时间使开关具有最小导通时间，而低输出电压使控制器要求开关的最小关断时间。为了克服与直接测量开关电流的技术相关联的问题，第7,593,245号美国专利描述了测量开关导通时间的持续时间以检测短导通时间脉冲。这样的短脉冲(以及功率开关的相应短传导时间)被当作开关中的过量电流的指示。例如，在一个示例中，可以测量开关的传导时间而非开关中的电流，以识别不可控地增加的电流。响应于检测到一个或多个短传导时间，可以将延迟插入到下一开关周期中，从而有效地延长开关的关断时间，以允许电流在开关的下一导通时间之前减小到安全值。响应于在启动期间或在过载条件状况下检测到过量开关电流，可以降低驱动信号的频率。附图说明参照以下附图描述了本专利技术的非限制性和非穷举性的实施方案，其中，除非另有说明，否则相同的附图标记在各个视图中指代相同的部件。图1A示出了根据一些实施例的一个示例功率转换器。图1B示出了说明功率开关的漏极电压和漏极电流的示例电压和电流波形。图1C示出了图1B中的示例电压和电流波形的放大视图。图1D为说明在正常运行期间和在故障状况情况下的关断轨迹和SOA边界的示例VI图。图2A为说明在不同栅极电压下的漏极电压-电流特性的示例图。图2B为说明在低漏极电压下的漏极电压-电流特性的放大视图的示例曲线图。图3A示出了用于检测故障状况并启用功率转换器的SOA运行模式的示例脉冲计时模式。图3B示出了图3A的示例脉冲计时模式的放大视图。图3C示出了图3B的示例性脉冲计时模式的放大视图。图4A示出了在正常运行期间和在SOA运行模式下开关在导通时的示例栅极电压上升特性。图4B示出了触发SOA运行模式的启用的第一漏极电流脉冲的示例漏极电流脉冲波形，以及在SOA运行模式下生成的第二减小的驱动电流脉冲的示例漏极电流脉冲波形。图4C示出了与图4B的漏极电流脉冲相关联的示例漏极电压脉冲波形。图4D示出了图4C的示例漏极电压脉冲波形的放大视图。图5A示出了实现栅极驱动器电压控制的示例SOA自适应的栅极驱动器的简化电路框图。图5B示出了实现栅极驱动器电流控制的示例SOA自适应的栅极驱动器的另一简化电路框图。图6A示出了图5A中的SOA自适应的栅极驱动器的一种示例实现方式的详细电路图。图6B示出了图5B中的SOA自适应的栅极驱动器的一种示例实现方式的详细电路图。图7A示出了图5A、图5B、图6A和图6B的SOA自适应的栅极驱动器在正常运行期间的漏极电流和相关联控制信号的示例波形。图7B示出了图5A、图5B、图6A和图6B的SOA自适应的栅极驱动器在故障状况期间的漏极电流和相关联控制信号的示例波形。具体实施方式在下面的描述中阐述了许多具体细节以便提供透彻的理解。然而，本领域的普通技术人员将明了不必需采用这些具体细节。公开了针对被设计成将开关模式功率转换器维持在SOA的自适应的栅极驱动器的一些实施例。响应于检测到故障状况，SOA自适应的栅极驱动器可以通过限制施加到功率开关的栅极的电压或通过限制注入到功率开关的栅极中的电流来限制功率转换器的功率MOSFET中的峰值电流。受限的栅极电压或电流可以使SOA边界与漏极电压和电流(VD/ID)的关断轨迹之间的余量增加，以确保功率转换器在故障状况期间的安全运行。这可以允许使用在全栅极电压具有降低的击穿电压额定值和增加的饱和电流的MOSFET功率晶体管。另外，这可以允许优化功率MOSFET设计和减小特定Rdson，从而减小功率MOSFET的面积并降低成本。图1A示出了被耦合成在滤波电容器CF108的两端接收输入电压VIN102的一个示例反激转换器100。转换器100大体上包括开关元件130(耦合到地101)、控制器139以及能量传递元件T1120，该能量传递元件具有绕在同一芯上的初级绕组122(N1匝)以及一个或多个次级绕组124(N2匝)和辅助绕组126(N3匝)。转换器100还可以包括箝位电路110，该箝位电路耦合在初级绕组122上，以吸收由于能量传递元件T1120的漏电感能量而可能在关断期间出现在开关元件130上的高电压应力。可以由控制器139响应于反馈信号FB136使用切换脉冲135或其它驱动信号对开关元件130进行控制。切换脉冲135或其它驱动信号是基于输出电压Vout138、表示开关电流131的开关电流感测信号132和/或一个或多个其它控制信号137生成的。开关元件130的受控开关使得从转换器100的输入传递能量，以提供稳定输出电压Vout138。图1A还示出了可以用作开关元件130的示例功率MOSFET140。功率MOSFET140可以包括漏极端子143、源极端子145以及栅极端子144。还示出了功率MOSFET140的漏极电压VD142和漏极电流ID141。图1B示出了在正常运行期间漏极电压VD142和漏极电流ID141在开关循环TS本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种装置，包括：用于开关模式功率转换器控制器的自适应的栅极驱动器，所述自适应驱动器被配置为在正常运行条件范围内用第一栅极驱动脉冲驱动开关模式功率转换器的功率晶体管，所述第一栅极驱动脉冲每一个均允许通过所述功率晶体管的饱和区漏极电流在故障状况期间超过所述功率晶体管的安全运行区，所述自适应的栅极驱动器包括：输入，所述输入被耦合以接收指示故障状况的信号；以及控制逻辑，所述控制逻辑被耦合以通过调整所述功率晶体管的驱动使得用减小强度的第二栅极驱动脉冲驱动所述功率晶体管来对所述故障状况的指示做出响应；所述第二栅极驱动脉冲具有下述项中的至少一个：比所述第一栅极驱动脉冲低的电压，和比所述第一栅极驱动脉冲低的电流；使得通过所述功率晶体管的饱和区漏极电流保持在功率开关的安全运行区内。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.06.10 US 14/301,2341.一种装置，包括：用于开关模式功率转换器控制器的自适应的栅极驱动器，所述自适应驱动器被配置为在正常运行条件范围内用第一栅极驱动脉冲驱动开关模式功率转换器的功率晶体管，所述第一栅极驱动脉冲每一个均允许通过所述功率晶体管的饱和区漏极电流在故障状况期间超过所述功率晶体管的安全运行区，所述自适应的栅极驱动器包括：输入，所述输入被耦合以接收指示故障状况的信号；以及控制逻辑，所述控制逻辑被耦合以通过调整所述功率晶体管的驱动使得用减小强度的第二栅极驱动脉冲驱动所述功率晶体管来对所述故障状况的指示做出响应；所述第二栅极驱动脉冲具有下述项中的至少一个：比所述第一栅极驱动脉冲低的电压，和比所述第一栅极驱动脉冲低的电流；使得通过所述功率晶体管的饱和区漏极电流保持在功率开关的安全运行区内。2.根据权利要求1所述的装置，其中，在所述功率晶体管导通后，在消隐时间窗口后限定SOA时间窗口，其中，在所述消隐时间窗口期间，不能检测到用以触发所述故障状况的高振幅漏极电流脉冲，以及其中，超过所述开关模式功率转换器的电流限制的任何高振幅漏极电流脉冲在所述SOA时间窗口期间指示故障状况，并且在所述SOA时间窗口结束时改变故障检测信号的状态以将所述栅极驱动器从正常运行模式转变为SOA运行模式，所述正常运行模式具有正常的稳定计时模式和正常的全强度第一栅极驱动脉冲，所述SOA运行模式具有SOA计时模式和减小强度的第二栅极驱动脉冲。3.根据权利要求2所述的装置，其中：所述自适应的栅极驱动器被耦合以在所述正常运行条件范围内，在所述正常的稳定计时模式下用全强度栅极电压和电流驱动所述功率晶体管；所述装置还包括：循环延迟电路，所述循环延迟电路被耦合以接收指示所述故障状况的信号，并且，响应于所述故障状况的指示，在下一栅极驱动脉冲之前延长所述功率晶体管的关断时间，以在所述SOA计时模式下用所述第二栅极驱动脉冲驱动所述功率晶体管。4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述控制逻辑被耦合到第一电压源和第二电压源，所述第二电压源具有的值小于所述第一电压源的值，并且其中，控制逻辑电路能够运行以使用所述第一电压源输出所述第一栅极驱动脉冲以及使用所述第二电压源输出所述第二栅极驱动脉冲。5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述自适应的栅极驱动器包括：第一开关，所述第一开关耦合到所述第一电压源；第二开关，所述第二开关耦合到所述第二电压源；以及第三开关，其中，所述第三开关耦合在接地参考电平与所述第一和第二开关之间。6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述控制逻辑被耦合以输出用以控制所述第一开关的第一选通信号，并且被耦合以输出用以控制所述第二开关的第二选通信号，并且其中，当所述控制逻辑运行在所述正常运行模式下时，所述控制逻辑能够运行以使用所述第一选通信号使所述第一开关导通并且使用所述第二选通信号使所述第二开关关断，并且其中，当所述控制逻辑电路响应于故障状况检测运行在所述SOA运行模式下时，所述控制逻辑电路能够运行以使用所述第一选通信号使所述第一开关关断并且使用所述第二选通信号使所述第二开关导通。7.根据权利要求6所述的装置，还包括：下一循环延迟电路，所述下一循环延迟电路被耦合以向所述控制逻辑电路输出SOA模式改变信号；非重叠时钟电路，所述非重叠时钟电路被耦合以输出第三选通信号至所述控制逻辑以及输出第四选通信号，其中所述控制逻辑能够运行以基于所述SOA模式改变信号和所述第三选通信号在所述正常运行模式下或所述SOA运行模式下运行；以及反相器，所述反相器被耦合以接收所述第四选通信号并被耦合以输出用以控制所述第三开关的第五选通信号。8.根据权利要求7所述的装置，其中，所述下一循环延迟电路被耦合以接收时钟信号和故障检测信号，其中，所述下一循环延迟电路被配置成响应于所述故障检测信号在所述时钟信号的下...

【专利技术属性】
技术研发人员：亚瑟·B·奥德尔，列夫·伦德，苏吉特·班纳吉，
申请(专利权)人：电力集成公司，
类型：发明
国别省市：美国;US