具有放电控制的驱动器电路、对应的电子系统和交通工具的制作方法

本描述涉及用于高电压应用的栅极驱动器设备。具体地，本描述涉及用于对诸如电容器之类的高电压(hv)通电元件进行主动放电的技术，该电容器通常被称为直流(dc)链路电容器，简称为dc链路电容器。此类技术可以被应用于例如牵引反相器以及用于电动交通工具(ev)、混动交通工具(hev)和工业应用的dc/dc、dc/交流电(ac)和ac/dc转换器。更一般地，此类技术可以被应用于利用高电压通电元件以用于滤波或稳定目的的任何功率转换系统，和/或被应用于其中能量存储元件用于功能和/或安全目的的快速断电是理想特征的任何类型的装置。

背景技术：

1、高电压系统(例如，dc/dc转换器和牵引反相器)可以包括一个或多个能量存储元件，诸如一个或多个高电压dc链路电容器lc，如图1的电路图中所例示。电容器lc被布置在第一(例如，正)高电压轨hv+与第二(例如，负或地)高电压轨hv-之间，以使它们之间的电压vdc稳定。电容器lc可以具有高电容值(例如，1mf或更大)并且可以被充电到高电压(例如，800v或更大)。半桥电路(或多个半桥电路)可以被布置在高电压轨hv+与hv-之间，以经由在半桥电路的切换节点处生成的脉宽调制(pwm)信号来驱动相应的负载(例如，电动机的相位)。例如，图1图示了半桥电路，该半桥电路包括布置在轨hv+与切换节点lx之间的高侧功率开关q1、以及布置在切换节点lx与轨hv-之间的低侧功率开关q2。功率开关q1和q2可以包括功率晶体管，诸如碳化硅(sic)功率mosfet或绝缘栅双极晶体管(igbt)。功率开关q1和q2可以由(隔离的)栅极驱动器设备(图1中不可见)所产生的相应的控制信号来驱动，该栅极驱动器设备在低电压域(例如，被耦合到微控制器)与高电压域(在其中功率开关q1和q2被实现)之间提供电流隔离。

2、在此类系统中，出于安全目的，电容器lc可以在各种场景中被快速地放电，包括但不限于电机点火关闭、电源丢失(例如，12v)、控制器(例如，微控制器单元mcu)故障。例如，可能期望对电容器lc进行放电以使得电压vdc在不到1秒内下降至60v以下，以避免用户遭受电击危险和/或避免在由(多个)半桥电路驱动的电机处生成不需要的扭矩。

3、在各种应用中，期望在不使用额外放电电路的情况下实现dc链路主动放电功能，以便降低组件成本。这可以通过使用(例如，三相)反相器级执行放电功能来获得，即，通过在反相器的一个或多个“支路”(例如，驱动电机的相位的一个或多个半桥电路q1、q2)处故意地执行直通。因此，本文所讨论的直通放电技术可以在三相上被并行地实现，这因此可以在直通期间协作对dc链路电容器进行放电。故意地执行直通通常对应于硬系统故障，这因为可能的火灾危险而应该以其他方式避免：事实上，如果控制不当，则在直通期间的电流很容易在几百纳秒内达到几ka。在这方面，文献ep 3975402 a1公开了一种用于通过基于闭环架构执行反相器相位的直通来对dc链路电容器进行放电的电路。

4、鉴于系统供电电压(supply voltage)(例如，dc链路电压vdc)可能高达800v，并且安装在系统pcb上的电气组件可能具有非常低的电感值(例如，20nh的总电感)，直通电流的斜率可能高达40a/ns。已知的解决方案可能不够稳健，而无法承受如此高的电流值。另外，已知的解决方案的闭环方法引入了反应延迟，该反应延迟可能与将电流峰值限制在外部驱动器的安全操作区域(soa)以下的目标不兼容。另外，已知的解决方案可能缺乏软关闭过程(例如，两级关断、软关断、或混合的)，并且这可能导致关于外部功率驱动器的输出电压(例如，漏极-源极电压、集电极-发射极电压)的危险过冲，这进而可能导致设备击穿。

5、因此，在本领域中需要提供改进的驱动器电路，该驱动器电路对于经由受控的直通的dc链路主动放电更加鲁棒。

技术实现思路

1、一个或多个实施例的目的是有助于提供这种改进的驱动器电路。

2、根据一个或多个实施例，这样的目的可以由具有在所附的权利要求中阐述的特征的驱动器电路来实现。

3、一个或多个实施例可以涉及一种对应的电子系统。

4、一个或多个实施例可以涉及一种对应的交通工具。

5、权利要求是本文提供的关于实施例的技术教导的组成部分。

6、根据本描述的一方面，一种驱动器电路(例如，集成电路)包括高侧开关和低侧开关，高侧开关被耦合在第一供电电压节点与驱动器电路的第一输出引脚之间，低侧开关被耦合在驱动器电路的第二输出引脚与第二供电电压节点之间。第一输出引脚和第二输出引脚被配置为耦合到功率开关的控制端子，以向其提供控制信号(例如，放电信号)。例如，控制信号可以被用于使功率开关变得导电，并因此提供用于对(例如，并联)电耦合到功率开关的通电元件进行放电的放电路径。该驱动器电路还包括：高侧驱动电路，其由可编程电压供电并且被配置为驱动高侧开关；以及低侧驱动电路，其由固定电压供电并且被配置为驱动低侧开关。可编程电压生成器电路被配置为接收编程信号并且根据编程信号产生可编程电压。耦合到高侧驱动电路和低侧驱动电路的控制电路装置被配置为：接收输入命令信号；响应于输入命令信号的断言(例如，输入命令信号包括指示放电动作开始的上升沿)，断言驱动信号以激活高侧驱动电路，由此高侧开关被接通并且第一输出引脚处的电压被箝位(clamp)在可编程电压减去高侧开关的阈值电压，并且由此低侧开关被关断；以及响应于内部命令信号的断言之后的时间间隔的期满，解除断言驱动信号以激活低侧驱动电路，由此低侧开关被接通并且第二输出引脚被绑接(tie)到第二供电电压节点，并且由此高侧开关被关断。

7、利用上面公开的操作，用于功率开关的控制信号在驱动器电路的第一输出引脚和第二输出引脚处被产生。

8、因此，一个或多个实施例可以提供一种稳健的驱动器电路，该驱动器电路产生用于功率开关的控制信号，该控制信号可能够激活功率开关的受控直通，以对(例如并联)电耦合到功率开关的通电元件进行放电。

9、根据本描述的另一方面，一种电子系统(例如，被安装在印刷电路板pcb上)包括第一高电压轨和第二高电压轨、被耦合在第一高电压轨与第二高电压轨之间的稳定电容器、以及被耦合在第一高电压轨与第二高电压轨之间的半桥电路。该半桥电路包括布置在第一高电压轨与切换节点之间的高侧功率开关、以及布置在切换节点与第二高电压轨之间的低侧功率开关。该系统包括根据一个或多个实施例的驱动器电路：驱动器电路的第一输出引脚和第二输出引脚被耦合到高侧功率开关和低侧功率开关中的第一者的控制端子，以向其提供控制信号。在稳定电容器的放电阶段期间，高侧功率开关和低侧功率开关中的一者被强制进入稳定导电状态，并且高侧功率开关和低侧功率开关中的另一者接收来自驱动器电路的控制信号，以对稳定电容器进行放电。

10、根据本描述的另一方面，一种交通工具包括根据一个或多个实施例的电子系统。该交通工具还包括电动机，该电动机具有至少一个绕组，绕组被配置为由系统的半桥电路驱动。

技术特征：

1.一种驱动器电路，包括：

2.根据权利要求1所述的驱动器电路，其中所述高侧开关包括n型金属氧化物半导体晶体管，所述n型金属氧化物半导体晶体管具有漏极端子、源极端子以及栅极端子，所述漏极端子被耦合到所述第一供电电压节点，所述源极端子被耦合到所述驱动器电路的所述第一输出引脚，所述栅极端子被耦合到所述高侧驱动电路。

3.根据权利要求1所述的驱动器电路，其中所述可编程电压等于所述编程信号的模拟转换值。

4.根据权利要求1所述的驱动器电路，其中所述可编程电压生成器电路包括低压差电压调节器。

5.根据权利要求1所述的驱动器电路，其中所述控制电路装置包括逻辑电路，所述逻辑电路被配置为接收所述输入命令信号和内部命令信号，并且通过以下来产生所述驱动信号：

6.根据权利要求1所述的驱动器电路，其中所述控制电路装置包括逻辑电路，所述逻辑电路被配置为接收所述输入命令信号和内部命令信号，并且通过以下来产生所述驱动信号：

7.根据权利要求6所述的驱动器电路，还包括：

8.根据权利要求7所述的驱动器电路，其中所述时间间隔在0纳秒与70纳秒之间。

9.根据权利要求1所述的驱动器电路，其中所述低侧驱动电路包括：

10.根据权利要求9所述的驱动器电路，其中所述可编程电流的值能够经由串行外围设备接口spi命令来选择。

11.一种电子系统，包括：

12.根据权利要求11所述的电子系统，其中被强制进入所述稳定导电状态的所述功率开关是所述高侧功率开关，并且被耦合到所述驱动器电路的所述功率开关是所述低侧功率开关，并且其中所述低侧功率开关具有地端子，所述地端子被耦合到所述驱动器电路的地引脚。

13.根据权利要求11所述的电子系统，还包括低电压域和高电压域，其中所述驱动器电路与所述半桥电路一起被包括在所述高电压域中。

14.根据权利要求11所述的电子系统，其中所述高侧开关包括n型金属氧化物半导体晶体管，所述n型金属氧化物半导体晶体管具有漏极端子、源极端子以及栅极端子，所述漏极端子被耦合到所述第一供电电压节点，所述源极端子被耦合到所述驱动器电路的所述第一输出引脚，所述栅极端子被耦合到所述高侧驱动电路。

15.根据权利要求11所述的电子系统，其中所述可编程电压等于所述编程信号的模拟转换值。

16.根据权利要求11所述的电子系统，其中所述可编程电压生成器电路包括低压差电压调节器。

17.根据权利要求11所述的电子系统，其中所述控制电路装置包括逻辑电路，所述逻辑电路被配置为接收所述输入命令信号和内部命令信号，并且通过以下来产生所述驱动信号：

18.根据权利要求17所述的电子系统，其中所述驱动器电路还包括：

19.根据权利要求11所述的电子系统，其中所述低侧驱动电路包括：

20.一种交通工具，包括：

技术总结本公开涉及具有放电控制的驱动器电路、对应的电子系统和交通工具。驱动器电路包括分别耦合到可耦合到功率开关控制端子的第一输出引脚和第二输出引脚的高侧开关和低侧开关。分别由可编程电压和固定电压供电的高侧驱动电路和低侧驱动电路分别驱动高侧开关和低侧开关。电压生成器接收编程信号并产生可编程电压。耦合到高侧驱动电路和低侧驱动电路的控制电路装置接收指示放电动作的开始的输入命令信号，响应于输入命令信号，控制电路装置断言驱动信号以激活高侧驱动电路，接通高侧开关并将第一输出引脚箝位在可编程电压。响应于时间间隔期满，控制电路装置解除断言驱动信号以激活低侧驱动电路，接通低侧开关并将第二输出引脚绑接到第二供电电压节点。技术研发人员：V·德安格洛,S·坎纳瓦休欧罗受保护的技术使用者：意法半导体国际公司技术研发日：技术公布日：2024/9/12