本发明总体上涉及电子电路，以及在特定实施方式中，涉及具有集成式主动保护的晶体管。
背景技术：
晶体管器件被广泛用作各种不同应用(例如工业、机动车辆或消费者应用)中的电子开关。这些应用可以包括电力转换、电机驱动、感应加热或照明应用等等。在许多这些应用中，驱动器基于pwm(脉宽调制)信号来导通和关断晶体管器件。该pwm信号的频率可以取决于应用的类型和/或相应应用的工作状态。例如，在可以使用晶体管器件来驱动加热电阻器的加热应用中，pwm信号的频率可以为几十hz；在可以使用晶体管器件来驱动诸如发光二极管(led)的灯的照明应用中，pwm信号的频率可以是几百赫兹；在可以使用晶体管器件来驱动电磁阀的机动车辆应用中，pwm信号的频率可以为几千赫(khz)；在可以使用晶体管器件来驱动有刷dc电机的电机驱动应用中，pwm信号的频率可以是几十khz；以及在可以使用晶体管器件来驱动感性负载(扼流器)的电力转换应用中，pwm信号的频率可以为几十khz至几百khz。
晶体管器件可以用不同的技术来实现。由于每种晶体管技术通常在不同的性能指标、尺寸和成本之间提供不同的折衷，因此对晶体管类型的选择会是重要的。例如，绝缘栅双极型晶体管(igbt)通常针对高的效率和开关进行优化。igbt通常还能够在非常高的电压下工作，击穿电压可以达到1kv、1.2kv或更高。
诸如igbt的技术可以适用于诸如感应加热(ih)炊具的应用。ih炊具非常受欢迎，部分原因是其高能效。为了实现高能效，由于软开关损耗和较低的emi频谱，ih炊具可以使用谐振转换器拓扑结构。
技术实现要素：
根据一个实施方式，一种操作晶体管的方法包括：基于控制信号来导通和关断晶体管；监测晶体管的集电极节点的电压；检测晶体管的集电极节点的电压是否大于第一阈值；并且在检测到所述晶体管的集电极节点的电压大于第一阈值之后，将跨晶体管的负载路径的电压调节至第一目标电压。
附图说明
为了更全面地理解本发明及其优点，现在参考以下结合附图进行的描述，在附图中：
图1示出了根据本发明的实施方式的示例性ih炊具系统；
图2a示出了根据本发明的实施方式的ih炊具子系统中的受保护的igbt；
图2b示出了根据本发明的实施方式的保护驱动器的高级视图；
图2c示出了根据本发明的实施方式的具有限流器电路的图的保护驱动器；
图2d示出了根据本发明的实施方式的ih炊具子系统的波形；
图2e和图2f示出了根据本发明的实施方式的具有两个不同ac输入电压的跨igbt202的负载路径的vce和电流的波形；
图2g示出了根据本发明的实施方式的具有过电压保护电路的图的保护驱动器；
图2h示出了根据本发明的实施方式的在过电压状况期间igbt的vce、跨igbt的负载路径的电流以及igbt的栅极的电压；
图2i示出了根据本发明的实施方式的具有诊断电路的图的受保护的igbt；
图2j示出了根据本发明的实施方式的具有电压范围和故障类型的表；
图2k示出了操作igbt晶体管的实施方式方法的流程图；
图3示出了根据本发明的另一实施方式的具有限流器电路的图的保护驱动器；
图4示出了根据本发明的另一实施方式的具有过电压保护电路的图的保护驱动器；
图5a示出了根据本发明的又一实施方式的具有过电压保护电路541的图的保护驱动器；
图5b示出了根据本发明的实施方式的在过电压状况期间igbt的vce、跨igbt的负载路径的电流和igbt的栅极的电压；
图5c和图5d示出了操作过电压保护电路的实施方式方法的流程图；
图6示出了根据本发明的另一实施方式的ih炊具子系统中的受保护的igbt；
图7a示出了根据本发明的实施方式的ih炊具子系统中的保护驱动器；
图7b和图7c示出了根据本发明的实施方式的分别在从仿真烹饪表面的pcb设置移除烹饪容器之前和之后流过二极管的电流的单个脉冲波形；以及
图7d示出了根据本发明的另一实施方式的在从烹饪表面移除烹饪容器之前和之后流过二极管的电流的波形。
除非另外指出，否则不同附图中的相应数字和符号一般指代相应的部分。附图被绘制成清楚地示出优选实施方式的相关方面，并且不一定按比例绘制。为了更清楚地说明某些实施方式，指示相同结构、材料或处理步骤的变化的字母可以遵循图号。
具体实施方式
下面详细讨论当前优选实施方式的实现和使用。然而，应该理解的是，本发明提供了许多可以在各种各样的特定情况下实施的可应用的发明构思。所讨论的特定实施方式仅仅是说明形成和使用本发明的特定方式，而并不限制本发明的范围。
将关于特定背景下的优选实施方式、在各种实现方式和系统中具有集成式主动保护的igbt来描述本发明。本发明的实施方式可以与单端并联谐振拓扑结构的其他实现、其他类型的晶体管、替选实现以及其他系统(例如微波炉和电饭锅)一起使用。
在本发明的实施方式中，igbt与过电压保护电路、限流器电路和超温传感器集成。集成的温度传感器能够监测igbt的结温，而集成的限流器电路和过电压保护电路能够保护igbt免受过电流或过电压状况的损害。限流器电路可以在栅极驱动器环路中没有感测电阻器的情况下被实现。过电压保护电路可以通过具有在检测到过电压状况时调节跨igbt的负载路径的电压的调节回路来被实现。一些实施方式可以在检测到过电压状况之后将跨igbt的负载路径的电压调节至固定的目标电压。其他实施方式可以在检测到过电压状况之后动态地调节跨igbt的负载路径的电压。
ih炊具是通过提供通过感应线圈的ac电流来加热负载(通常为烹饪容器)的系统。感应线圈在烹饪容器中诱导出涡流，涡流导致烹饪容器升温。通常，烹饪容器使用从磁场产生涡流和热量的诸如铁的材料制成。ac电流的频率和占空比可以被调整和优化以在特定类型的材料上产生热量。ac电流的生成效率可以通过使用被调整到特定谐振频率的谐振回路(resonancetank)来被优化。
图1示出了根据本发明的实施方式的示例性ih炊具系统100。ih炊具系统100包括ac电源124、桥式整流器118、谐振回路105、负载144、igbt102、外部温度传感器110和112、栅极驱动器120、控制器126和134、电容器108以及用户界面142和140。谐振回路105包括谐振电感器106和谐振电容器104。控制器126包括模数转换器(adc)132、比较器块130、输出块128和保护控制块127。
在正常工作期间，桥式整流器118对由ac电源124提供的电压进行整流。当igbt102导通时，电流可从节点vrect+流过谐振电感器106并流过igbt102的负载路径。当igbt102关断时，流过谐振电感器106的电流流入谐振电容器104，直到流过谐振电感器106的电流达到零。当流过谐振电感器的电流达到零时，跨谐振电容器104的电压处于其周期内的最大值处。在流过谐振电感器的电流达到零之后，跨谐振电容器104的电压使得电流沿相反的方向流过谐振电感器106，从而使谐振电容器104放电。这样的电流可以给电容器108充电，并且可以通过igbt的二极管再循环，这可以降低跨igbt102的负载路径的电压。在跨igbt102的负载路径的电压降低至例如零伏特之后，可以利用零电压开关(zvs)来使igbt102导通，从而重复序列。
当节点vrect+的电压较高时，流过igbt102的负载路径的电流可以达到较高的峰值。当igbt102导通时流经igbt102的负载路径的电流的峰值可以确定当igbt102关断时谐振电容器104的峰值电压。因此，当igbt102导通时控制流过igbt102的负载路径的最大峰值电流也可以控制当igbt102关断时igbt102的最大集电极-发射极电压(vce)。将当igbt102导通时流过igbt102的峰值电流钳位在当igbt102关断时导致igbt102暴露于低于igbt102的击穿电压的vce的值，可以防止igbt102的损坏。保护控制块127可以通过使用adc132测量电阻器122的端子处的电压来监测流过igbt102的负载路径的电流，通过使用adc132来监测vrect+的电压，确定流过igbt102的峰值电流的安全最大值，并且如果超过峰值电流的安全最大值则关断igbt102。
可以控制到负载144的功率传输，例如以调节负载144的温度。传输至负载144的功率是基于节点vrect+的平均电压和流过igbt102的负载路径的平均电流。节点vrect+的电压可以基于ac电源124的电压而变化。控制器126可以通过例如将流过igbt102的负载路径的平均电流乘以节点vrect+的平均电压来计算所传输的功率，并且可以调整igbt102的导通时间以达到特定的功率传输水平。
控制器126可以被配置成将负载144的温度调节至特定的目标负载温度。例如，控制器126可以使用温度传感器110经由adc132来监测负载的温度，并且调整igbt102的导通时间以达到目标负载温度。或者，控制器126可以开环工作，以在不监测温度传感器110的情况下基于目标负载温度来调整igbt102导通的持续时间。控制器126可以经由栅极驱动器120利用输出块128来控制igbt102的状态。其他实现方式也是可行的。
控制器134可以经由用户界面140向用户提供信息，例如负载144的当前温度，并且可以经由用户界面142从用户接收信息，例如目标负载温度。目标负载温度可以被提供给控制器126，使得控制器126调节负载144的温度以达到目标负载温度。
通常，晶体管、特别是igbt可能会在发生过电流、过电压或超温状况时受到损坏。为了防止系统故障，ih炊具系统100可实现各种保护机制。例如，微控制器126可以被配置成监测外部温度传感器110和112，并且当分别在负载144或igbt102处达到危险温度时减小或停止功率传输。(未示出的)背对背齐纳二极管可以被放置在igbt102的基极与集电极端子之间，以钳位igbt102的基极与集电极端子之间的电压，从而在过电压状况期间钳位igbt102的vce。将igbt102的vce钳位至低于igbt102的击穿电压的电压可以防止igbt102的损坏。
igbt击穿电压倾向于具有正的热系数。换言之，igbt的结温越热，则击穿电压越高，并且因此可以容许的跨igbt102的负载路径的电压越高。因此，过电压保护电路可以被设计为基于igbt102的温度动态地改变钳位电压以优化系统性能。保护控制块127可以经由adc132测量igbt102的vce，并且可以在vce电压超过预定阈值时经由栅极驱动器120控制igbt102的栅极以调节vce电压。
可以使用外部控制器来实现控制器126。由于外部温度传感器可能不能够检测由于长热时间常数而导致的快速的内部温度变化，因此控制器126可以被配置为主动地限制功率传输以避免由于超温状况而引起的系统故障或igbt102的损坏。类似地，控制器126可以被配置为在检测到过电压状况时激活过电压钳位电路。控制器126还可以被配置成针对每个周期而限制流过igbt102的负载路径的峰值电流，以保护igbt102免受由于流过igbt102的负载路径的电流产生的过量电流或过高温度而造成的损坏。限制流过igbt102的电流也限制了流过谐振电感器106的电流，从而限制了当谐振电容器104完全充电时跨igbt102的负载路径的最大电压。
ac电源124被配置成向ih炊具系统100提供电力。ac电源可以提供230vrms和50hz的高线电力(high-linepower)，或者110vrms和60hz的低线电力(low-linepower)。也可以使用其他电压和频率。在各种实施方式中，ac电源124例如表示诸如功率逆变器之类的ac电压生成器，或者表示提供ac线电压的电网。
桥式整流器118被配置成对来自ac电源124的信号进行整流。桥式整流器118用四个二极管来实现。或者，可以使用同步整流。也可以使用本领域已知的任何其他整流机构。
温度传感器110和112是外部温度传感器，其被配置成监测温度并将监测的温度传送至外部电路，例如控制器。温度传感器110和112可以使用热敏电阻来实现。温度传感器112可以与igbt102集成在一起。其他实施方式也是可行的。
负载144是待加热的负载并且通常是烹饪容器。任何含有响应于感应加热的材料的负载都可以使用。
谐振回路105可以利用谐振电感器106和谐振电容器104来被实现。谐振电感器106可以利用感应线圈来被实现。或者，谐振电感器可以利用现有技术中已知的任何感应性元件来被实现。可以选择谐振电感器106的电感和谐振电容器104的电容，使得谐振回路105以特定频率谐振。可以对频率进行选择，使得从谐振电感器106到负载144的能量传输是高效的。由于容差，负载144的类型和布置以及寄生阻抗可能影响最佳频率，使谐振回路在最佳频率附近谐振就足以得到效率提升。例如，在展现在24khz频率处的至负载144的高效能量传输的系统中，谐振电容器104可以被选择为具有300nf的电容，并且谐振电感器106可以被选择为具有110μh的电感值。其他值也可以被使用。
输出块128被配置为经由栅极驱动器120来控制igbt102的栅极。输出块128可以用输入/输出(i/o)电路、脉宽调制(pwm)电路、数模转换器(dac)来实现或者用本领域已知的任何其他实现方式来被实现。
栅极驱动器120被配置成控制igbt102的栅极。栅极驱动器120可以以本领域已知的任何方式用开环实现方式来被实现。或者，栅极驱动器120可以用闭环实现方式来被实现，例如用电压调节器来被实现。在一些实施方式中，利用开环模式和闭环模式来实现栅极驱动器120，其中，模式可以基于igbt102的vce来选择。其他实现方式也是可行的。
用户界面140和142被配置成分别提供和接收来自用户的信息。用户界面142可以利用机械按钮或触摸界面来被实现。其他实现也是可行的。用户界面140可以是视觉显示器、扬声器、能够提供触觉反馈的装置、它们的组合或本领域已知的任何其他用户界面。
在本发明的一些实施方式中，igbt、限流器电路，过电压保护电路和温度传感器被集成在六引脚封装中。保护机构独立于外部控制器工作并且igbt可通过控制引脚进行控制，该控制其引脚还可以被用于与外部电路传送igbt的故障状态。
图2a示出了根据本发明的实施方式的ih炊具子系统200中的保护igbt216。ih炊具子系统200包括谐振回路205、保护igbt216、电阻器208和210、感测电阻器212和电容器204。保护igbt216包括igbt202、温度传感器214、诊断块219和保护驱动器218。
ih炊具子系统200可以通过连接至桥式整流器(未示出)的电源(未示出)接收电力，桥式整流器连接至端子220和226。在正常工作期间，控制器(未示出)可以以与参考ih炊具系统100描述的类似的方式通过控制信号224使igbt202导通和关断以使谐振回路205谐振。例如，外部的漏极开路驱动器(未示出)可以被用于从外部控制inn端子238，使得当外部的漏极开路驱动器将inn端子238拉低，igbt202导通，并且当外部的漏极开路驱动器关断时，inn端子238被内部地拉高并且igbt202关断。用于控制igbt202的其他实现也是可行的。
保护驱动器218可以控制igbt202的栅极以及可以保护igbt202免于损坏。保护驱动器218包括六个端子：c端子238连接至igbt202的集电极端子。e/com端子234连接至igbt202的发射极端子以及保护驱动器218的公共端子(com)217。inn端子238连接至保护驱动器218的inn端子215以及诊断块219并且可以接收控制信号以控制igbt202是导通还是关断并且可以提供具有诊断信息的信号。vcc端子240接收用于对受保护igbt216供电的电力。cs端子236用于监视流过igbt216的负载路径的电流。vdet端子232用于监测跨igbt202的负载路径的电压并且还可以用于监测igbt202的集电极端子与栅极端子之间的电压。一些实施方式可以实现具有更多端子的保护驱动器218。其他实施方式可以集成或去除保护驱动器218中的一些组件以实现更少的端子数。
保护驱动器218可以实现多个保护组件。例如，保护驱动器218可以包括限制流过igbt202的负载路径的最大电流的电流限制机构。保护驱动器218还可以包括过电压检测和保护，其可以限制跨igbt202的负载路径的电压。保护驱动器218还可以包括过温保护，其可以因过热而警告和/或关断igbt202或受保护igbt216。一些实施方式可以将受保护igbt216配置成低电力模式以避免由于过热而导致的损坏。
诊断块219被配置成将关于受保护igbt216的状态的诊断信息提供给外部电路，例如控制器。诊断信息可以包括是否发生故障，以及如果发生了故障那么发生了哪种故障。
诊断块219可以通过inn端子238与外部电路(未示出)通信。例如，当控制inn端子238的外部的漏极开路驱动器关断时，诊断块可以根据是否存在故障而将inn端子238的电压拉高至不同电压，并且如果存在故障，则根据存在哪种故障而将inn端子238的电压拉高至不同类型的电压。诊断块219可以以现有技术中已知的其他方式与外部电路通信，例如通过使用诸如i2c、spi或其他协议的通信协议。
受保护igbt216可以被集成在单个芯片中，例如六引脚封装。也可以使用不同数目的引脚。例如，受保护igbt216可以共享衬底并且可以被实现在单个半导体衬底上的单片集成电路中。受保护igbt216还可以被实现在包含一个或更多个半导体管芯的多芯片封装中。一些实施方式可以集成受保护igbt216的所有部件。其他实施方式可以集成部件中的仅一些部件，例如温度传感器214和igbt202。另外的其他实施方式可以集成谐振回路205以及外部电阻器和电容器。也可以集成提供控制信号224的控制器电路、耦接至端子220和226的桥式整流器以及其他部件。
温度传感器214被配置成监测igbt202的结温度。温度传感器214可以被实现在igbt202的相同衬底中并且可以被实现为二极管，该二极管被连接至监测流过二极管的电流并且将其与阈值或阈值组进行比较的电路。使温度传感器214被实现在igbt202的相同衬底中具有以下优点：由于温度传感器与igbt202之间存在少量热阻或不存在热阻，因此展现出快速响应时间。或者，温度传感器214可以被实现在封装内的不同衬底中，并且可以热耦接至igbt202。
如图2a中所示，igbt202是n型晶体管。在本发明的实施方式中，igbt202可以使用n型或p型的晶体管来实现，包括但不限于igbt、碳化硅(sic)结场效应晶体管(jfet)、氮化镓(gan)高电子迁移率晶体管(hemt)和电力金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)。对使用哪种晶体管的选择可以根据所设计的特定系统的规范、电流、电压和电力水平来做出并且可以对电路进行适当的调整以容纳特定装置类型。
本发明的一些实施方式的优点包括：通过将温度传感器214与保护驱动器218和igbt202集成，减少了对故障状况的响应时间，从而增加了系统的鲁棒性。另外的优点包括：集成解决方案可以有效地保护igbt202而不依赖于外部控制器，这可以简化系统设计并且降低系统成本。增加的集成解决方案可靠性还可以减少该领域中的故障。
图2b示出了根据本发明的实施方式的保护驱动器218的高级视图。保护驱动器218包括栅极驱动器244、电流限制器电路243、过电压保护电路241以及过温保护电路245。如图2b所示，保护驱动器218还包括vcc端子205、inn端子215、vdet端子213、gd端子209、cs端子207、temp端子211和com端子217。保护驱动器218的一些实施方式可以不展现用于端子205、207、209、211、213、215和217的物理端子。相反地，端子205、207、209、211、213、215和217可以为分立的节点。其他实施方式可以组合205、207、209、211、213、215和217端子或节点中的一些端子或节点。
图2c示出了根据本发明的实施方式的具有电流限制器电路243的图的保护驱动器218。电流限制器243包括参考电压生成器248、比较器243和逻辑门247。在正常工作期间，在电流限制器电路243经由感测电阻器212感测到流过igbt202的负载路径的电流时，控制信号224控制igbt202是导通还是关断。当流过igbt202的负载路径的电流超过预定阈值时，igbt202与控制信号224无关地被关断。例如，如图2c所示，比较器246被配置成在节点cs处的电压超过由参考电压生成器248产生的参考电压时改变状态。当比较器248的输出为高时，栅极驱动器244在inn端子为低时使igbt202导通并且在inn端子为高时使igbt202关断。当比较器248的输出为低时，igbt202与inn端子处的电压无关地被关断。
由com端子217提供保护驱动器218的共模电压或地参考。由于com端子217连接至igbt202的发射极节点并且由于在igbt202导通时流过igbt202的负载路径的电流朝向端子226从igbt的集电极流至igbt202的发射极，因此在节点cs处感测到的电压可以为负。因而在节点cs处感测到的电压可以被偏移一正电压(未示出)，然后比较器246将其与由参考电压生成器248生成的正阈值进行比较。例如，节点cs处的电压可以被加上2.5v的偏移电压并且与2v的参考进行比较。或者，参考电压生成器248可以通过使用例如外部的负参考或者负的电荷泵来生成负的参考电压。其他实现也是可行的。
如图2c所示，感测电阻器212在栅极驱动器回路的外部。换言之，栅极驱动器244产生作为连接到igbt202的发射极的com端子217的参考的gd端子209处的电压，从而直接控制igbt的栅极发射极电压vge。因而，栅极驱动器244可以与流过感测电阻器212的电流量无关地控制igbt202的vge，使得igbt202的开关更为有效。减少栅极驱动器回路的电阻还可以产生用于导通和关断igbt202的更快速的响应时间。
如图2c所示，逻辑门247是具有反相输入和非反相输入的and门并且比较器246是施密特触发器比较器。要理解，逻辑门247、比较器246和参考电压生成器248可以以现有技术已知的任何方式来实现。
图2d示出了根据本发明的实施方式的ih炊具子系统200的波形。曲线250示出也称为集电极发射极电压或vce的跨igbt202的负载路径的电压，曲线252示出了表示流过igbt202的负载路径的电流的cs端子207的电压，并且曲线254示出了表示控制信号224的inn端子215的电压。
如在曲线254和252以及250中可见，在正常工作期间，当inn端子215的电压为低时，由于igbt导通，因此igbt202的vce为低，并且电流流过igbt202的负载路径。当inn端子215的电压为高时，由于igbt202关断，因此电流停止流过igbt的负载路径，并且igbt202的vce基于谐振回路而增加和减少。
如图2d所示，在igbt202导通时流过igbt202的负载路径的电流的峰值电流越高，在igbt202关断时的igbt202的vce越高。因而，针对每个周期限制流过igbt202的负载路径的电流也可以限制igbt202的最大vce。
图2e和图2f示出了根据本发明的实施方式的通过具有两个不同ac输入电压的igbt202的负载路径的vce和电流的波形。曲线280示出了igbt202的vce，并且曲线282示出了穿过igbt202的负载路径的电流。图2e示出了具有230vrms的ac输入电压的波形。图2f示出了具有260vrms的ac输入电压的波形。如通过图2e和2f的曲线280所示，igbt202的最大vce由于针对每个周期的电流限制而与ac输入电压无关地都在1.07kv处。
图2g示出了根据本发明的实施方式的具有过电压保护电路241的图的保护驱动器218。过电压保护电路241包括参考电压生成器260、比例积分(pi)控制器266、比较器258、逆变器262和264以及开关270和272。在正常工作期间，开关272闭合，开关270打开，并且在过电压保护电路241通过监测vdet端子213的电压来监测igbt202的集电极节点的电压时，控制信号224控制igbt202导通还是关断。电阻器208和210对igbt202的集电极节点的电压进行下分压。由于电阻器210耦接在vdet端子213与com端子217之间，因此vedt端子213的电压也是igbt202的vce的测量值。
当igbt202的vce电压超过预定阈值时，开关270闭合，开关272打开并且pi控制器266控制igbt202的栅极以将电压调整至预定目标电压。通过调整igbt202的vce电压，一些电流流过igbt202的负载电流而不使谐振回路205完全放电。要理解，当过电压条件消失或者消耗了过电压条件产生的足够的过量能量时，pi控制器266可能不能将igbt202的vce向上调整至预定目标。然而，在这种情况下，可能不需要调整igbt202的vce，因为由于过电压条件而产生的损坏igbt202的风险已经减小或消除。
图2h示出了根据本发明的实施方式的在过电压条件期间的igbt202的vce、穿过igbt202的负载路径的电流以及igbt202的栅极的电压。曲线280示出了igbt202的vce，曲线282示出了穿过igbt202的负载路径的电流，并且曲线284示出了igbt202的栅极的电压。如图2h所示，即使在发生过电压的情况下，igbt202的栅极也是导通的以调整vce电压，从而钳位跨igbt202的负载路径的电压。如曲线282所示，电流在调整处理期间流过igbt202的负载路径。在图2h所示的过电压事件中的钳位处理期间所消耗的总能量大约为500mj。
图2i示出了根据本发明的实施方式的具有诊断电路219的图的受保护igbt216。诊断电路219包括电流源223和可编程参考电压生成器221。具有漏极开路配置的晶体管227的控制器225被连接至inn端子238以控制igbt202。当晶体管227导通时，inn端子238的电压为零伏或接近零伏，从而使igbt202导通。当晶体管227关断时，电流源223将inn端子238的电压拉高至由可编程参考电压221给出的电压。电流源的电流可以被选择成使得电流足够小以在晶体管227导通时由晶体管227克制(overpower)。
由可编程参考电压生成器221给出的电压可以取决于受保护igbt216中是否存在故障以及存在的故障的类型。例如，图2j示出了根据本发明的实施方式的具有电压范围和故障类型的表格。如图2j所示，外部电路可以将inn端子238的1.25v至1.75v范围内的的电压解释为无故障条件。类似地，外部电路可以将端子inn的2.5v至3.3v范围内的电压解释为过温警告，并且将端子inn的0.5v以下的电压解释为过电压检测或过温关断。可以使用其他电压并且可以经由inn端子238来传送不同类型的故障。
可编程参考电压生成器221可以根据图2j生成电压。可编程参考电压生成器221可以利用数字至模拟转换器(dac)来被实现，或者以现有技术中已知的任何其他方式来被实现。
电流源223可以通过电阻器来实现。其他实现也是可行的。
图2k示出了操作igbt晶体管的实施方式方法271的流程图。方法271可以被实现在ih炊具子系统200中，但是其也可以利用其他晶体管类型并且以现有技术中已知的其他方式被实现在其他应用中。随后的讨论假定如图2a-2j所示的ih炊具子系统200实现用于操作受保护igbt晶体管的方法271。
在步骤273期间，接收控制信号，例如控制信号224。在步骤275期间，确定控制信号是高还是低。每当控制信号从第一状态转换到第二状态时可以执行步骤275。或者，可以周期性地轮询步骤275。
当控制信号为低时，步骤287得以执行。在步骤287期间，例如igbt202的igbt导通。在步骤289期间，监测流过igbt202的负载路径的电流。可以通过使用诸如感测电阻器212的感测电阻器来监测电流。或者，可以使用其他电流监测技术，例如通过使用电流镜，电流转换器和霍尔传感器。在步骤279期间，将流过igbt的电流与参考进行比较。当流过igbt的电流的幅度比参考大时，执行步骤291。在步骤291期间，igbt关断。可以周期性地执行步骤279。或者，步骤279可以异步地检测过电流事件。
当控制信号为高时，步骤283得以执行。在步骤283期间，igbt关断。在步骤285期间，监测igbt的集电极节点处的电压。通过使用比较器和参考电压生成器——例如比较器258和参考电压生成器260——来监测电压。或者，可以使用其他电压监测技术，例如通过使用adc。在步骤281期间，将igbt的集电极节点的电压与参考进行比较。当igbt的集电极节点的电压比参考大时，执行步骤293。在步骤293期间，将igbt的vce调整成目标电压。可以周期性地执行步骤281。或者，步骤281可以异步地检测过电压条件。
可以与控制信号的状态无关地连续执行步骤297。在步骤297期间，监测igbt的温度。可以由温度传感器——例如温度传感器214——来感测igbt的温度。在步骤299期间，将igbt的温度与参考进行比较。当igbt的温度比参考大时，执行步骤295。在步骤295期间，igbt可以关断，系统可以被关闭或者被置于低功耗状态，或者可以执行任何其他机制以减少或防止温度增加至可能损坏igbt或其他系统部件的温度。可以周期性地执行步骤299。或者，步骤299可以异步地检测过温条件。
电流限制器电路的替选实现也是可行的。例如，图3示出了根据本发明的实施方式的具有电流限制器电路343的图的保护驱动器318。电流限制器电路343以与电流限制器电路243类似的方式工作并且可以被实现在也实现诸如过温和过电压保护电路的其他保护机制的系统中。然而，电流限制器电路343被实现成具有连接在com端子317与igbt202的发射极节点之间的感测电阻器212，而cs端子307连接至igbt202的发射极节点。其他实现也是可行的。
过电压保护电路的替选实现也是可行的。例如，图4示出了根据本发明的实施方式的具有过电压保护电路441的图的保护驱动器418。过电压保护电路441以与过电压保护电路241类似的方式工作并且可以被实现在也实现诸如过温和电流限制器保护电路的其他保护机制的系统中。然而，过电压保护电路441实现运算跨导放大器(ota)402而不是pi控制器266。其他实现也是可行的。
图5a示出了根据本发明的实施方式的具有过电压保护电路541的图的保护驱动器518。过电压保护电路541以与过电压保护电路241类似的方式工作，并且可以被实现在也实现诸如超温和限流器保护电路的其他保护机制的系统中。然而，过电压保护电路541实现动态参考电压生成器560而不是参考电压生成器260，并且包括能量计算块502。
动态参考电压生成器560可以动态地改变调节目标电压以提高系统的效率。例如，在检测到过电压状况诸如vce大于1.1kv时，动态参考电压生成器560可以产生第一参考电压，使得过电压保护电路541将电压vce调节至第一目标电压，诸如1.1kv。随着电流流过igbt202，igbt202升温，从而由于正热系数而增加了igbt202的击穿电压。一段时间之后，igbt202的击穿电压可以增加至例如1.3kv。此时，动态参考电压生成器560可以产生第二参考电压，使得过电压保护电路541将电压vce调节至第二目标电压，诸如1.3kv。通过增加igbt202的vce，更少的电流流过igbt202的负载路径，由此减小由电压钳位机制耗散的能量。
图5b示出了根据本发明的实施方式的在过电压状况期间的igbt202的vce、穿过igbt202的负载路径的电流以及igbt202的栅极电压。曲线580示出了igbt202的vce，曲线582示出了穿过igbt202的负载路径的电流，以及曲线584示出了igbt202的栅极电压。如图5b所示，即使在发生过电压的情况下，基于由动态参考电压生成器560生成的第一参考电压，igbt202也导通以将vce电压调节至1.1kv的第一目标电压，由此钳位跨igbt202的负载路径的电压。将vce电压调节至1.1kv之后的第一时间，由动态参考电压生成器560生成的参考电压增加，以将vce电压调节至1.4kv，由此减小igbt202的栅极电压。由于igbt202的击穿电压由于流过igbt202的负载路径的电流所产生的热量而增加，因此igbt202保持受保护。在图5b中示出的过电压事件中的钳位处理期间所耗散的总能量约为250mj，这是在如图2h所示当使用固定钳位电压时的类似过电压事件中所耗散的能量的大约一半。
可以使用用于改变目标钳位/调节电压的其他机制。例如，目标调节电压可能随着时间线性增加。一些实施方式可以根据特定igbt的击穿电压的先前表征行为来设定目标。其他实施方式可以基于主动监测igbt202的结温来动态地改变目标调节电压。其他实现也是可行的。
图5c示出了操作过电压保护电路的实施方式方法501的流程图。方法501可以在保护驱动器518中实现，但是也可以在其他过电压保护电路、其他应用中、用其他晶体管类型和本领域已知的其他方式来实现。接下来的讨论假设如图5a所示的保护驱动器518实现了操作过电压保护电路的方法501。
在步骤503期间，监测在igbt诸如igbt202的集电极节点处的电压。可以通过使用比较器和参考电压生成器——诸如比较器258和参考电压生成器560——来监测电压。或者，可以使用其他电压监测技术，诸如通过使用adc。在步骤505期间，将igbt的集电极节点的电压与参考进行比较。当igbt的集电极节点的电压大于参考时，执行步骤507。在步骤507期间，igbt的vce被调节至第一目标电压。在步骤509期间，经过了等待时间。在步骤511期间，igbt的vce被调节至第二目标电压。第二目标电压可以大于第一目标电压。使第二目标电压大于第一目标电压允许在钳位处理期间降低功率耗散，同时仍然保护igbt。
图5d示出了操作过电压保护电路的实施方式方法513的流程图。方法513可以在保护驱动器518中实现，但是还可以在其他过电压保护电路、其他应用中、用其他晶体管类型和本领域已知的其他方式来实现。接下来的讨论假设如图5a所示的保护驱动器518实现了操作过电压保护电路的方法513。
在步骤515期间，监测在igbt诸如igbt202的集电极节点处的电压。可以通过使用比较器和参考电压生成器——诸如比较器258和参考电压生成器560——来监测电压。或者，可以使用其他电压监测技术，诸如通过使用adc。在步骤517期间，将igbt的集电极节点的电压与参考进行比较。当igbt的集电极节点的电压大于参考时，执行步骤519。在步骤519期间，igbt的vce被动态地调节。例如，调节电压可以线性地增加以降低在钳位处理期间的功率耗散。一些实施方式可以通过例如使用能量计算块502来执行实时能量计算，并且基于所计算的能量来确定调节电压。其它实施方式可以根据任意曲线来改变调节电压。任意曲线例如可以通过表征在不同温度的igbt的击穿电压来获得。其他调节电压也是可行的。
图6示出了根据本发明的实施方式的ih炊具子系统600中的受保护的igbt616。受保护的igbt616以与受保护的igbt216类似的方式工作。然而，受保护的igbt616集成有电阻器608和610、感测电阻器612，并且还包括电源604以向保护驱动器618提供电力。因此，受保护的igbt616可以被集成在常规晶体管封装中，例如常规3引脚封装。
可以检测何时将诸如烹饪容器的负载从烹饪表面移除。例如，图7a示出了根据本发明的实施方式的ih炊具子系统700中的保护驱动器718。保护驱动器718以与保护驱动器218类似的方式工作。然而，保护驱动器718包括用于检测何时将负载144从烹饪表面移除的移除检测电路745。
检测已经将负载144从烹饪表面移除可以通过监测流过二极管750的电流isense来实现。在正常工作期间，流过二极管750的电流非常小或为零。例如，当负载144接近烹饪表面并且igbt202导通时，电流通常通过igbt202的负载路径流向地。当igbt202关断时，二极管750通常反向偏置，因此将呈现很小的电流或没有电流。当将负载144从烹饪表面移除时，负载不再接近谐振电感器206。当igbt202在将负载144从烹饪表面移除的情况下关断时，将会有很少的能量或者没有能量从谐振电感器206传输至负载144。因此，在将负载144从烹饪表面移除之前，电容器204可以被充电至与谐振电容器204的峰值电压相比更高的峰值电压。谐振电容器204的更高电压可能导致当对电容器708充电时流过谐振电感器206的电流高于将负载144从烹饪表面移除之前的电流。因此，二极管750可能由于将负载144从烹饪表面移除而被正向偏置，从而传导电流。
可以通过测量跨感测电阻器212的电压来感测流过二极管750的电流isense。比较器746可以被用于将在cs端子207处感测的电压与由参考电压生成器748生成的参考电压进行比较。比较器746有效地感测跨感测电阻器212两端的电压，这是因为比较器746参考com端子217。当感测电流高于第一阈值例如50a时，检测到负载移除事件。基于负载移除事件，igbt202可以被关断。在检测到移除事件时可以采取其他行动。
用于检测负载移除的阈值电流可以例如基于负载的大小、材料、传输至负载的电力量以及负载与谐振电感器之间的距离而变化。可以理解的是，阈值可以被调整为其他电流值，例如20a或100a。用于检测负载移除的阈值电流也可以被动态地调整。例如，当低电力被传输至负载144时可以使用较低的阈值电流。
图7b和图7c分别示出了根据本发明的实施方式的将烹饪容器从模拟烹饪表面的pcb设置移除之前和之后流过二极管750的电流的单个脉冲波形。特别地，图7b和图7c的波形涉及模拟烹饪表面的pcb设置以20khz的开关频率递送2.1kw的输出功率的实施方式。烹饪容器是不锈钢水壶。图7b和图7c的当前比例是每分度50a。曲线705示出了igbt202的vce展示。曲线709示出了流过二极管750的电流。曲线709和710分别示出了将烹饪容器从烹饪表面移除之前和之后二极管750的最大峰值电流。
如图7b和图7c所示，流过二极管750的峰值电流在移除烹饪容器之后大幅增加。例如，如曲线709所示，在移除烹饪容器之前流过二极管750的峰值电流达到大约20a。如曲线710所示，在移除烹饪容器之后流过二极管750的峰值电流达到大约90a。
图7d示出根据本发明的实施方式的在将烹饪容器从烹饪表面移除之前和之后流过二极管750的电流的缩小版本。特别地，图7b和图7c的波形涉及灶具系统以20khz的开关频率递送2.1kw的输出功率的实施方式。烹饪容器是不锈钢水壶。图7d的当前比例是每分度20a。如图7d所示，在时刻t0将烹饪容器从烹饪表面移除。此时，如曲线707所示，流过二极管750的峰值电流开始增加。
这里总结了本发明的示例实施方式。还可以根据所提交的说明书和权利要求书整体来理解其他实施方式。
示例1.一种操作晶体管的方法，包括：基于控制信号来导通和关断所述晶体管；监测所述晶体管的集电极节点的电压；检测所述晶体管的集电极节点的电压是否大于第一阈值；并且在检测到所述晶体管的集电极节点的电压大于所述第一阈值之后，将跨所述晶体管的负载路径的电压调节至第一目标电压。
示例2.根据示例1所述的方法，其中，调节跨所述晶体管的负载路径的电压包括：监测所述晶体管的集电极节点的电压；以及基于所监测的所述晶体管的集电极节点的电压来调整跨所述晶体管的负载路径的电压。
示例3.根据示例1或2之一所述的方法，其中，所述晶体管包括绝缘栅双极晶体管(igbt)。
示例4.根据示例1至3之一所述的方法，还包括：在检测到所述晶体管的集电极节点的电压大于所述第一阈值时的第一时段之后，将跨所述晶体管的负载路径的电压调节至第二目标电压。
示例5.根据示例1至4之一所述的方法，还包括：监测流过所述晶体管的负载路径的电流；并且当流过所述晶体管的负载路径的电流大于第二阈值时，关断所述晶体管。
示例6.根据示例1至5之一所述的方法，其中，导通和关断所述晶体管还包括：在控制端子处接收所述控制信号；当所述控制端子的电压低于第二阈值时，使所述晶体管导通；以及当所述控制端子浮置时，将所述控制端子拉高至第一电压。
示例7.根据示例1至6之一所述的方法，还包括：确定在所述晶体管中是否发生故障状况；并且基于是否发生了故障状况来确定所述第一电压。
示例8.根据示例1至7之一所述的方法，还包括：通过导通和关断所述晶体管来加热烹饪容器。
示例9.根据示例1至8之一所述的方法，还包括：监测流过跨所述晶体管的负载路径耦接的二极管的二极管电流；并且当所述二极管电流大于预定二极管电流阈值时检测移除事件。
示例10.一种包括保护驱动器的电路，包括：栅极驱动器，其被配置成耦接至晶体管并且被配置成基于控制信号来导通和关断所述晶体管；过电压检测电路，其被配置成监测所述晶体管的集电极节点的电压，检测所述晶体管的集电极节点的电压是否大于第一阈值；以及调节器电路，其被配置成在所述过电压检测电路检测到所述晶体管的集电极节点的电压大于所述第一阈值之后，将跨所述晶体管的负载路径的电压调节至第一目标电压。
示例11.根据示例10所述的电路，其中，所述调节器电路基于所监测的所述晶体管的所述集电极节点的电压来调节跨所述晶体管的所述负载路径的电压。
示例12.根据示例10或11之一所述的电路，还包括所述晶体管。
示例13.根据示例9至12之一所述的电路，其中，所述晶体管包括绝缘栅双极晶体管(igbt)。
示例14.根据示例9至13之一所述的电路，还包括耦接至所述晶体管的负载路径的感应线圈。
示例15.根据示例9至14之一所述的电路，其中，所述调节器电路还被配置成：在所述过电压检测电路检测到所述晶体管的集电极节点的电压大于所述第一阈值时的第一时段之后，将跨所述晶体管的负载路径的电压调节至第二目标电压。
示例16.根据示例9至15之一所述的电路，其中，所述第二目标电压高于所述第一目标电压。
示例17.根据示例9至16之一所述的电路，其中，所述保护驱动器还包括限流器电路，所述限流器电路被配置成当流过所述晶体管的负载路径的电流具有大于第二阈值的幅度时关断所述晶体管。
示例18.根据示例9至17之一所述的电路，其中，所述限流器电路包括比较器，所述比较器具有耦接至参考电压的第一输入和经由感测电阻器耦接至所述晶体管的发射极节点的第二输入；并且所述保护驱动器具有耦接至中间节点的公共参考节点，所述中间节点耦接在所述感测电阻器与所述晶体管的发射极节点之间。
示例19.根据示例9至17之一所述的电路，其中，所述限制器电路包括比较器，所述比较器具有耦接至正参考电压的第一输入和耦接至所述晶体管的发射极节点的第二输入；并且所述保护驱动器具有经由感测电阻器耦接至所述晶体管的发射极节点的公共参考节点。
示例20.一种集成电路，包括：绝缘栅双极型晶体管(igbt)；温度传感器；以及保护驱动器，其包括耦接至所述igbt的栅极的栅极驱动器，耦接至所述栅极驱动器的限流器电路以及耦接至所述igbt的栅极的过电压保护电路。
示例21.根据示例20所述的集成电路，其中，所述集成电路以6引脚封装进行封装。
示例22.根据示例20所述的集成电路，其中，所述集成电路以3引脚封装进行封装。
示例23.根据示例19至22之一所述的集成电路，还包括诊断电路，所述诊断电路被配置成：当所述igbt关断并且未检测到故障时，将第一电压施加至输入引脚，以及当所述igbt关断并且检测到故障时，将第二电压施加至所述输入引脚，其中，所述输入引脚耦接至所述栅极驱动器，所述第二电压不同于所述第一电压。
示例24.示例19至23之一所述的集成电路，其中，所述过电压保护电路包括：第一比较器，其具有耦接至第一参考电压的第一输入和耦接至所述igbt的集电极节点的第二输入；第一开关，其耦接在所述栅极驱动器的输出端与所述igbt的栅极之间；调节电路，其被配置成将所述集电极节点的电压调节至目标集电极电压并且其耦接在所述igbt的集电极节点与所述igbt的栅极之间；以及第二开关，其耦接在所述调节电路与所述igbt的栅极之间，其中，所述第一开关被配置成当所述第一比较器的输出处于第一状态时关断，以及所述第二开关被配置成当所述第一比较器的输出处于所述第一状态时导通。
示例25.根据示例19至24之一所述的集成电路，其中，所述调节电路包括比例积分(pi)控制器。
示例26.根据示例19至24之一所述的集成电路，其中，所述调节电路包括运算跨导放大器(ota)。
示例27.根据示例19至26之一所述的集成电路，其中，所述目标集电极电压基于由参考电压生成器产生的电压。
示例28.根据示例19至27之一所述的集成电路，其中，所述参考电压生成器在过电压状况被检测到时产生第一电压，并且在所述过电压状况被检测到时的第一时段之后产生第二电压。
示例29.根据示例19至28之一所述的集成电路，其中，所述第二电压高于所述第一电压。
示例30.根据示例19至29之一所述的集成电路，其中，所述限流器电路包括第二比较器，所述第二比较器具有耦接至第二参考电压的第一输入端、被配置成经由感测电阻器耦接至所述igbt的发射极节点的第二输入端以及耦接至所述栅极驱动器的输出端。
示例31.根据示例19至30之一所述的集成电路，还包括所述感测电阻器。
示例32.根据示例19至31之一所述的集成电路，其中，所述限流器电路包括：第一比较器，所述第一比较器被配置成感测流过所述igbt的负载路径的电流，所述第一比较器被配置成当所感测的电流大于预定阈值时关断所述igbt。
虽然已经参考说明性实施方式描述了本发明，但是本说明书不意在解释为限制意义。说明性实施方式的各种修改和组合以及本发明的其他实施方式在参考说明书后对本领域技术人员将是明显的。因此，所附权利要求意在涵盖任何这样的修改或实施方式。