通信系统、栅极驱动器系统和用于栅极驱动器通信的方法与流程

1.本发明一般地涉及电子学领域，并且具体地涉及用于隔离式栅极驱动器通信的封装中的隔离阻挡通信系统。


背景技术：

2.高电压(hv)栅极驱动器电路可以包括用于驱动低侧晶体管开关的低电压(lv)栅极驱动器和用于驱动高侧晶体管开关的hv栅极驱动器。lv栅极驱动器被布置在低电压域中，而hv栅极驱动器被布置在高电压域中。实际上，栅极驱动器还包括端接区，该端接区将高电压域与低电压域隔离并且可以被称为隔离端接区。因此，端接区在两个电压域之间提供高电压隔离阻挡。
3.通常，hv栅极驱动器从位于低电压域中的电路系统接收控制信号以及可能的其他通信信号。因此，这些信号从低电压域通过端接区传输到高电压域。发光二极管(led)光电耦合器可以用于将信号从低电压域传输到高电压域。具体地，调制电流通过位于低电压域中的led传输。电流的幅度基于要传输的数据被调制。然后，led基于调制电流将调制光作为通信信号传输。接收器，包括光电晶体管或解调器，位于高电压域中以用于接收光调制的通信信号。因此，led光耦合器通过使用光在两个隔离电路之间传输电信号。
4.led光耦合器仿真器也可以被用于在两个隔离电路之间传输信号。led光耦合器仿真器不包括led，而是替代地“仿真”光耦合器led的输入行为。然而，这些解决方案仍在开发中。


技术实现要素：

5.一个或更多个实施方式提供一种通信系统，该通信系统包括：电源发生器，其被配置成根据数据传输来生成调制电源；发光二极管(led)仿真器，其包括耦接至电源发生器的仿真器输入端以及被配置成输出感测电压的仿真器输出端，其中，仿真器输入端被配置成接收根据调制电源得到的正向电流，其中，led仿真器被配置成将正向电流转换为感测电压；电压比较器，其包括耦接至仿真器输出端的比较器输入端并且包括比较器输出端，其中，电压比较器被配置成接收感测电压并基于通信电压阈值将感测电压转换为调制输出信号，其中，电压比较器在感测电压等于或大于通信电压阈值的第一条件下生成具有第一值的调制输出信号，并且在感测电压小于通信电压阈值的第二条件下生成具有第二值的调制输出信号；以及发送器，其耦接至比较器输出端，并且被配置成接收调制输出信号并基于该调制输出信号根据数据传输生成通信信号。
6.一个或更多个实施方式还提供一种栅极驱动器系统，该栅极驱动器系统包括：第一区，其在第一电压域中操作；第二区，其在低于第一电压域的第二电压域中操作；端接区，其将第一区与第二区电隔离；栅极驱动器，其被布置在第一区中并且被配置成驱动晶体管；以及通信系统，其被配置成跨端接区传输通信信号。通信系统包括：电源发生器，其被配置成根据数据传输来生成调制电源；发光二极管(led)仿真器，其包括耦接至电源发生器的仿
真器输入端以及被配置成输出感测电压的仿真器输出端，其中，仿真器输入端被配置成接收根据调制电源得到的正向电流，其中，led仿真器被配置成将正向电流转换为感测电压；电压比较器，其包括耦接至仿真器输出端的比较器输入端并且包括比较器输出端，其中，电压比较器被配置成接收感测电压并基于通信电压阈值将感测电压转换为调制输出信号，其中，电压比较器在感测电压等于或大于通信电压阈值的第一条件下生成具有第一值的调制输出信号，并且在感测电压小于通信电压阈值的第二条件下生成具有第二值的调制输出信号；发送器，其耦接至比较器输出端，并且被配置成接收调制输出信号并基于该调制输出信号根据数据传输生成通信信号；以及接收器，其被配置成接收通信信号并对通信信号进行解调。
7.一个或更多个实施方式还提供一种栅极驱动器通信的方法，该方法包括：根据数据传输生成调制电源以产生正向电流；向发光二极管(led)仿真器的仿真器输入端提供正向电流；由led仿真器将正向电流转换为在led仿真器的仿真器输出端处生成的感测电压；由电压比较器基于通信电压阈值将感测电压转换为调制输出信号，其中，在感测电压等于或大于通信电压阈值的第一条件下，调制输出信号具有第一值，并且在感测电压小于通信电压阈值的第二条件，调制输出信号具有第二值；以及由发送器基于调制输出信号根据数据传输生成通信信号。
附图说明
8.在本文中参照附图描述实施方式。
9.图1是示出根据一个或更多个实施方式的功率半导体装置的控制致动器的示意性框图；
10.图2是根据一个或更多个实施方式的功率模块的示意性框图；
11.图3示出根据一个或更多个实施方式的在用于隔离式栅极驱动器通信的栅极驱动器封装中实现的无芯变压器(ct)通信系统；以及
12.图4示出根据一个或更多个实施方式的通信协议的各种信号图。
具体实施方式
13.在下文中，阐述细节以提供对示例性实施方式的更透彻的说明。然而，对于本领域技术人员来说明显的是，可以在没有这些特定细节的情况下实践实施方式。在其他实例中，为了避免使实施方式模糊，公知的结构和装置以框图形式或以示意图示出而不是详细示出。另外，除非另外特别指出，否则下文描述的不同实施方式的特征可以彼此组合。
14.此外，在下面的描述中，等效或相似的元件或者具有等效或相似的功能的元件用等效或相似的附图标记来表示。由于在附图中相同或功能等效的元件被给予相同的附图标记，因此可以省略对设置有相同附图标记的元件的重复描述。因此，对具有相同或相似附图标记的元件提供的描述是可以相互交换的。
15.在这方面，方向性术语例如“顶部”、“底部”、“下方”、“上方”、“前面”、“后面”、“背面”、“前部”、“尾部”等可以参照所描述的附图的取向来使用。因为实施方式的部件可以以多个不同的取向定位，所以方向性术语用于说明的目的。应当理解，在不脱离权利要求所限定的范围的情况下，可以利用其他实施方式并且可以进行结构或逻辑改变。因此，下面的详
细描述不应当被理解为限制性的意义。权利要求中使用的方向性术语可以帮助定义一个元件与另一元件或特征的空间或位置关系，而不限于特定取向。
16.应当理解，当元件被称为“连接”或“耦接”至另一元件时，其可以直接连接或耦接至另一元件或者可以存在中间元件。相比之下，当元件被称为“直接连接”或“直接耦接”至另一元件时，不存在中间元件。用于描述元件之间的关系的其他词应当以同样的方式解释(例如，“在
……
之间”与“直接在
……
之间”、“相邻”与“直接相邻”等)。
17.在本文描述的或附图中示出的实施方式中，任何直接的电连接或耦接——即没有另外的中间元件的任何连接或耦接——也可以通过间接的连接或耦接——即具有一个或更多个另外的中间元件的连接或耦接——来实现，反之亦然，只要基本上保持连接或耦接的通用目的例如发送某种信号或发送某种信息即可。来自不同实施方式的特征可以被组合以形成另外的实施方式。例如，除非相反地指出，否则关于实施方式之一描述的变化或修改也可以适用于其他实施方式。
18.在不脱离本文描述的实施方式的方面的情况下，术语“基本上”和“大约”在本文中可以用于解释在工业上被认为是可接受的小的制造公差(例如，在5％内)。例如，具有近似电阻值的电阻器实际上可以具有在该近似电阻值的5％内的电阻。
19.在本公开内容中，包括诸如“第一”、“第二”等的序数的表达可以修改各种元件。然而，这样的元件不受以上表达的限制。例如，以上表达不限制元件的次序和/或重要性。以上表达仅用于将元件与其他元件区分开的目的。例如，第一框和第二框指示不同的框，但是第一框和第二框两者均为框。例如，在不脱离本公开内容的范围的情况下，第一元件可以被称为第二元件，并且类似地，第二元件也可以被称为第一元件。
20.本公开内容的一个或更多个方面可以实现为非暂态计算机可读记录介质，该非暂态计算机可读记录介质在其上记录了实施用于指令处理器执行方法/算法的方法/算法的程序。因此，非暂态计算机可读记录介质可以具有存储在其上的电可读控制信号，该电可读控制信号与可编程计算机系统协作(或能够协作)，使得执行各个方法/算法。非暂态计算机可读记录介质可以是例如cd
‑
rom、dvd、蓝光盘、ram、rom、prom、eprom、eeprom、flash存储器或电子存储器装置。
21.本公开内容的元件中的每一个可以通过在存储器上实现专用硬件或软件程序来配置，该专用硬件或软件程序控制处理器执行部件中的任何部件或其组合的功能。部件中的任何部件可以实现为从诸如硬盘或半导体存储器装置的记录介质读取并执行软件程序的中央处理单元(cpu)或其他处理器。例如，指令可以由一个或更多个处理器——例如一个或更多个cpu、数字信号处理器(dsp)、通用微处理器、专用集成电路(asic)、现场可编程逻辑阵列(fpga)、可编程逻辑控制器(plc)或其他等效的集成或分立逻辑单元系统——来执行。
22.因此，如本文所使用的术语“处理器”是指前述结构中的任何结构或适合于实现本文所描述的技术的任何其他结构。包括硬件的控制器还可以执行本公开内容的技术中的一种或更多种。包括一个或更多个处理器的控制器可以使用电信号和数字算法来执行其接收、分析和控制功能，该功能还可以包括校正功能。这样的硬件、软件和固件可以在同一装置内或在分开的装置内实现，以支持本公开内容中描述的各种技术。
23.在机动车辆、消费和工业应用中，现代装置的许多功能例如转换电能和驱动电机
或电动机均依赖于功率半导体装置。例如，仅举几例，绝缘栅双极晶体管(igbt)、金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)和二极管已经用于包括但不限于电源和功率转换器中的开关的各种应用。
24.功率半导体装置通常包括被配置成沿装置的两个负载端子结构或负载电极(例如，源极/发射极和漏极/集电极)之间的负载电流路径传导负载电流的半导体结构。此外，负载电流路径可以借助于有时被称为栅电极的控制电极来控制。例如，在从例如驱动器单元接收到对应的控制信号时，控制电极可以将功率半导体装置设置为导电状态和阻断状态之一。控制信号可以是具有受控值的电压信号或电流信号。
25.功率晶体管(也被称为功率开关或晶体管开关)是可以用于驱动负载电流的功率半导体装置。例如，通过激活和去激活igbt的栅极端子来使igbt导通或关断。跨栅极与发射极施加正输入电压信号将使装置保持在其“导通”状态，而使输入栅极信号为零或略微为负将导致其“关断”。存在用于使功率晶体管导通和关断的导通过程和关断过程。
26.在导通过程期间，栅极驱动器集成电路(ic)可以用于向功率晶体管的栅极提供(供应)栅极电流(即，导通电流)，以将栅极充电至用于使装置导通的足够电压。特别地，电流io 是用于在导通瞬变期间使功率晶体管的栅极升压(即，充电)的栅极驱动器输出电流。因此，电流io 用于导通功率晶体管。
27.相比之下，在关断过程期间，栅极驱动器ic用于从功率晶体管的栅极汲取(吸收)栅极电流(即，关断电流)，以使栅极充分放电以用于关断装置。电流io
‑
是用于在关断瞬变期间使功率晶体管的栅极放电的栅极驱动器输出电流。因此，io
‑
用于关断功率晶体管。
28.根据脉冲宽度调制(pwm)方案，可以从栅极驱动器ic输出电压脉冲作为控制信号。因此，在用于控制功率晶体管的pwm周期期间，可以在导通电压电平与关断电压电平之间切换控制信号。这转而对栅极电压进行充电和放电以分别导通和关断功率晶体管。
29.特别地，功率晶体管的栅极是容性负载，并且在发起切换事件时，将导通电流(即，栅极拉电流)和关断电流(即，栅极灌电流)指定为初始电流。在关断事件期间，在少量时间(与pwm周期相比较小)之后，栅极电流减小并且在栅极达到0v时达到零值。在导通事件期间，在少量时间(与pwm周期相比较小)之后，栅极电流减小并且在栅极达到高侧供电水平时达到零值。
30.晶体管可以包括绝缘栅双极晶体管(igbt)和金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)(例如，si mosfet或sic mosfet)。尽管在下面的实施方式中可以将igbt用作示例，但是应当认识到，可以用mosfet来替换igbt，并且反之亦然。在这种情况下，在本文描述的示例中的任一示例中，当用mosfet替换igbt时，可以用mosfet的漏极替换igbt的集电极，可以用mosfet的源极替换igbt的发射极，并且可以用mosfet的漏极
‑
源极电压vds替换igbt的集电极
‑
发射极电压vce。因此，可以以mosfet模块替换任何igbt模块，反之亦然。
31.本说明书中描述的特定实施方式涉及但不限于可以在功率转换器或电源内使用的功率半导体装置。因此，在实施方式中，功率半导体装置可以被配置成承载要提供给负载的负载电流和/或分别由电源提供的负载电流。例如，半导体装置可以包括诸如单片集成二极管单元和/或单片集成晶体管单元的一个或更多个功率半导体单元。这样的二极管单元和/或这样的晶体管单元可以集成在功率半导体模块中。
32.包括适当连接以形成半桥的晶体管的功率半导体装置通常用于电力电子领域。例
如，半桥可以用于驱动电机或开关模式电源。
33.例如，多相逆变器被配置成通过提供多相负载(例如，三相电机)来提供多相功率。例如，三相功率涉及三个对称的正弦波，它们彼此之间异相120电角度。在对称的三相电源系统中，三个导体各自承载相对于公共参考具有相同频率和电压幅度但具有三分之一周期的相位差的交流(ac)。由于相位差，任何导体上的电压在其他导体之一之后的三分之一周期和在其余导体之前的三分之一周期处达到其峰值。该相位延迟为平衡的线性负载提供恒定的功率传送。这还使得可以在电机中产生旋转磁场。
34.在馈送平衡且线性的负载的三相系统中，三个导体的瞬时电流之和为零。换句话说，每个导体中的电流在幅度上与另外两个导体中的电流之和相等，但符号相反。任何相导体中的电流的返回路径是另外两个相导体。瞬时电流产生电流空间矢量。
35.三相逆变器包括三个逆变器支路，针对三相中的每一相具有一个逆变器支路，并且每个逆变器支路彼此并联连接至直流(dc)电压源。每个逆变器支路包括一对功率晶体管，该对功率晶体管例如以半桥配置布置以用于将dc转换为ac。换句话说，每个逆变器支路包括串联连接的两个互补晶体管(即，高侧晶体管和低侧晶体管)，并且它们彼此互补地导通和关断以用于驱动相负载。
36.图1是示出根据一个或更多个实施方式的功率半导体装置的控制致动器100的示意性框图。在该示例中，控制致动器100是用于控制和驱动电机的电机控制致动器。然而，将理解的是，控制致动器100可以控制和/或驱动其他类型的负载。因此，图1示出了控制致动器的一种使用的非限制性示例，其中电机是一种可能的负载类型。
37.控制致动器100包括功率逆变器1和逆变器控制单元2。逆变器控制单元2表现为控制单元(例如，电机控制单元)，并且因此也可以被称为控制器或控制ic(例如，电机控制器或电机控制ic)。控制单元可以是单片ic，或者可以被分成两个或更多个ic上的微控制器和栅极驱动器。
38.在该示例中，控制致动器10还耦接至包括u、v和w三个相的三相电机m。功率逆变器1是三相电流发生器，其被配置成通过供应三相电流来提供三相功率以用于驱动电机m。还将理解的是，功率逆变器1和逆变器控制单元2可以被放置在相同的电路板上或者被放置在单独的电路板上。
39.幅度的偏差与相位的偏差两者都可能引起电机m的功率损失和扭矩损失。因此，控制致动器100可以被配置成实时监测和控制被供应至电机m的电流的幅度和相位，以确保基于反馈控制回路来保持适当的电流平衡。开环电机控制单元也存在并且可以实现。
40.功率逆变器1包括以互补对布置的六个晶体管模块3u 、3u
‑
、3v 、3v
‑
、3w 和3w
‑
(统称为晶体管模块3)的开关阵列。每个互补对构成一个向三相电机m供应相电流的一个逆变器支路。因此，每个逆变器支路均包括上(高侧)晶体管模块3和下(低侧)晶体管模块3。每个晶体管模块可以包括一个晶体管并且还可以包括二极管(未示出)。因此，每个逆变器支路包括上晶体管(即，高侧开关)和下晶体管(即，低侧开关)。负载电流路径u、v、和w从位于互补晶体管之间的每个逆变器支路的输出(即，每个半电桥的输出)延伸，并且被配置成耦接至诸如电机m的负载。功率逆变器1耦接至dc电源4(例如，电池或二极管桥式整流器)并耦接至逆变器控制单元2。
41.在该示例中，逆变器控制单元2包括用于控制开关阵列的电机控制电路和栅极驱
动器电路。在一些示例中，逆变器控制单元2可以是单片的，其中电机控制电路和栅极驱动器电路被集成到单个管芯上。在其他示例中，电机控制电路和栅极驱动器电路可以被划分为单独的ic。“单片式”栅极驱动器是单个硅芯片上的栅极驱动器，并且还可以通过特定的高电压(hv)技术制成。此外，栅极驱动器ic可以被集成在功率逆变器1上以形成功率模块。
42.控制器ic实时地执行控制致动器100的控制功能。在驱动电机时，控制功能是电机控制功能，可以包括控制永磁电机或感应电机，并且可以被配置为不需要转子位置感测的无传感器控制、被配置为具有霍尔传感器和/或编码器装置的基于传感器的控制、或者被配置为基于传感器的控制(例如，在较低的转子速度下使用)和无传感器控制(例如，在较高的转子速度下使用)两者的组合。
43.例如，逆变器控制单元2包括控制器和驱动器单元5，控制器和驱动器单元5包括作为控制器ic的微控制器单元(mcu)和用于生成用于控制每个晶体管模块3的晶体管的驱动器信号的栅极驱动器ic。因此，负载电流路径u、v和w可以由控制器和驱动器单元5借助于控制晶体管3的控制电极(即，栅电极)来控制。例如，在从微控制器接收到控制信号时，栅极驱动器ic可以将对应的晶体管设置为导电状态(即，导通状态)或阻断状态(即，关断状态)之一。
44.栅极驱动器ic可以被配置成从mcu接收包括功率晶体管控制信号的指令，并且根据接收到的指令和控制信号将相应的晶体管3导通或关断。例如，在相应的晶体管3的导通过程期间，栅极驱动器ic可以用于向相应的晶体管3的栅极提供(供应)栅极电流以便对栅极进行充电。相比之下，在关断过程期间，栅极驱动器ic可以用于从晶体管3的栅极汲取(吸收)栅极电流以便使栅极放电。
45.逆变器控制单元2或控制器和驱动器单元5本身可以包括用于实现pwm方案的pwm控制器、adc、dsp和/或时钟源(即，定时器或计数器)，所述pwm方案用于控制每个晶体管的状态并且最终控制在相应的负载电流路径u、v和w上提供的每个相电流。
46.特别地，控制器和驱动器单元5中的微控制器可以使用电机控制算法，例如场定向控制(foc)算法，以针对输出至多相负载例如多相电机的每个相电流实时地提供电流控制。例如，在foc期间，应当测量电机相电流，使得能够实时地确定准确的转子位置。为了实现对电机相电流的确定，mcu 5可以采用使用单分路电流感测的算法(例如，空间矢量调制(svm)，也被称为空间矢量脉冲宽度调制(svpwm))。
47.此外，控制功率逆变器1中的开关3(即，晶体管)，使得同一逆变器支路中的两个开关在任何时候都不会同时导通，否则dc电源将被短路。这个要求可以通过根据电机控制算法对逆变器支路中的开关3进行互补操作来满足。
48.图2是根据一个或更多个实施方式的功率模块200的示意性框图。功率模块200包括单相驱动级10(即，逆变器支路)和电耦接至单相驱动级10的栅极驱动器系统20。然而，可以通过增加另外的逆变器支路将单相驱动级扩展至多相驱动状态。单相驱动级10和栅极驱动器系统20两者均被集成到单个封装(未示出)中。因此，功率模块200被封装为单个装置。
49.单相驱动级10包括被控制用于向负载(未示出)的一个相供应负载电流i
load
的低侧晶体管11和高侧晶体管12。还示出了耦接至其各自的功率晶体管11和12的续流二极管d1和d2。
50.栅极驱动器系统20是高电压(hv)栅极驱动器系统，其包括用于驱动低侧晶体管开
关11的低侧(ls)栅极驱动器21和用于驱动高侧晶体管开关12的高侧(hs)栅极驱动器22。如稍后将说明的，ls栅极驱动器21和hs栅极驱动器22位于栅极驱动器系统20的不同电压域中。
51.栅极驱动器21和22两者均基于从微控制器单元(mcu)接收的数字pwm信号lin和hin来执行其各自的功率晶体管11和12的栅极驱动。pwm信号是在栅极驱动器20的pwm逻辑单元35处从mcu接收的控制信号。pwm逻辑单元35从mcu接收lin信号和hin信号，并确保存在为防止桥直通而实现的最小的死区时间。最终，相应的pwm控制信号被传递至相应的低侧栅极驱动器21和高侧栅极驱动器22，其中，pwm信号hin被发送至高侧栅极驱动器22。在此之后，低侧栅极驱动器21和高侧栅极驱动器22执行栅极驱动。
52.栅极驱动器21和22两者分别包括单独的预驱动器电路系统26和27以及缓冲器33和34。预驱动器电路系统26和27被配置成接收pwm信号，并且基于该pwm信号来控制用于生成电流io 的相应的第一电流源(例如，拉fet)的导通/关断状态。另外地，预驱动器电路系统26和27被配置成接收pwm信号，并且基于该pwm信号来控制用于生成电流io
‑
的相应的第二电流源(例如，灌fet)的导通/关断状态。相应的电流源被设置在缓冲器33和34中。因此，缓冲器33和34可以各自包括用于针对其各自的功率晶体管11和12生成导通电流io 和关断电流io
‑
的一对互补fet。预驱动器电路系统26和27中的每一个还可以命令各自的缓冲器33或34使用一定的电流能力。
53.低侧栅极驱动器21被布置在由中电压域或低电压域限定的低侧区中，而高侧栅极驱动器22被布置在由高电压域限定的高侧区中。实际上，栅极驱动器系统20还包括端接区44，端接区44将不同的电压域彼此隔离并且可以被称为隔离端接区。因此，端接区在两个或更多个电压域之间提供电压隔离阻挡。
54.栅极驱动器系统20可以被配置成从mcu接收pwm控制信号，并且根据接收到的pwm控制信号将相应的晶体管11和12导通或关断。例如，在相应的晶体管11或12的导通过程期间，栅极驱动器20可以用于向相应的晶体管11/12的栅极提供(供应)栅极电流io 以便对栅极进行充电。相比之下，在关断过程期间，栅极驱动器20可以用于从晶体管11/12的栅极汲取(吸收)栅极电流以便使栅极放电。
55.因此，mcu电耦接至栅极驱动器系统20以用于在其之间传输信息信号以及控制信号hin和lin，并且栅极驱动器系统20电耦接至逆变器支路10以用于驱动其功率晶体管。
56.具体地，mcu被配置成生成分别用于控制晶体管11和12的pwm控制信号lin和hin并且将这些控制信号传输至lv域43。例如，栅极驱动器系统20被配置成从mcu接收指令，以使用pwm控制信号来驱动与电压vs连接的负载相(即，逆变器支路)。这些pwm控制信号由栅极驱动器系统20在lv域43处(即，输入引脚hin和lin处)接收，并经由适当的逻辑单元(例如，pwm逻辑单元35)传递至对应的预驱动器电路系统26和27。缓冲器33和34被配置成接收pwm控制信号并且经由栅极驱动器系统20的输出端子ho和lo驱动对应的功率晶体管11和12。
57.在图2所示的该示例中，存在四个区，包括由hv域41限定的高侧区、由中电压域(mv)域42或中压域限定的低侧区、由lv域43限定的低电压区以及端接区44。lv域43是包括低电压装置的区，mv域42是包括中电压装置的区，并且hv域41是包括高电压装置的区。例如，低电压装置可以被供应0v至5v，中电压装置可以被供应0v至30v，并且高电压装置可以被供应100v以上(例如，120v至160v)。电压域不限于这些电压范围，而是旨在提供一个实现
的示例。然而，不同电压等级处电压域电平不同的一般原理保持不变。
58.端接区44由不同电压域之间的虚线表示。端接区44将不同的电压域彼此隔离。因此，端接区44在不同电压域之间提供电压隔离阻挡。端接区44可以是单体连续区，或者可以包括用于将各种电压域分开的两个或更多个区。
59.栅极驱动器系统20可以是具有三个单独电压岛的多管芯栅极驱动器。在这种情况下，区41、区42和区43中的每个区是单独的管芯或ic。端接区44在ic 41、ic 42和ic 43之间提供电流隔离以电隔离管芯。
60.如将在图3中进一步描述的，lv域43经由分别由成对的发送器(tx)线圈60tx和61tx以及接收器(rx)线圈60rx和61rx指示的变压器60和变压器61，将来自pwm逻辑单元35的信息提供给位于其他电压域41和42中的栅极驱动器22和21。这样，变压器60被配置成将电信号(例如，pwm控制信号)从pwm逻辑单元35传输到栅极驱动器22(即，从第一电压域到第二电压域)。另外地，变压器61被配置成将电信号(例如，pwm控制信号)从pwm逻辑单元35传输到栅极驱动器21(即，从第一电压域到第三电压域)。
61.尽管图2示出了包括三个管芯的多管芯解决方案，但是应当理解，也可以使用两个管芯。在这种情况下，mv域42和lv域43的各个组件可以被组合到同一电压域(例如，lv域)中，使得它们被集成在单个管芯上。剩余的管芯可以包括如图2所示的hv域41。因此，在两个现有电压域(例如，lv域43和hv域41)之间传输仅需要变压器60。
62.虽然图2示出了包括三个隔离的电压域的示例，但是一些实施方式可以具有其中mv域42与lv域43之间不存在隔离的配置。换句话说，可以不存图2中示出的mv域42与lv域43之间的端接区44的部分。在这种情况下，为了将hv域41与其他电压域42和43隔离，端接区44保留在hv域41与其他电压域42和43之间。
63.另外，一些实施方式可以具有其中lv域43完全布置在mv域42内的配置。在这种情况下，为了将lv域43与mv域42隔离，lv域43可以是完全被端接区44包围的电压岛。另外，为了将hv域41与mv域42隔离，端接区44保留在hv域41与mv电压域42之间。因此，lv域43与mv域42隔离，并且hv域41与mv域42隔离。当然，lv域43和hv域41也通过两个单独的端接区44彼此隔离。
64.可替选地，将理解的是，四个区41至44可以单片地构建在单个集成电路中。在单片解决方案中，如图2中类似地示出的，管芯内的端接区用于隔离不同的电压域。此处，如图2中类似地示出的，变压器60和61可以用于在不同的电压域之间传输电信号。
65.在任一情况下，vb指高侧浮动电源电压；vs指高侧浮动地电压；vdd或vcc指低侧和逻辑固定电源电压；vss或vee指低侧地电压；ho指高侧浮动输出电压；lo指低侧输出电压；dc 指dc链路正极；dc
‑
指dc链路负极；并且hin和lin指从mcu接收的逻辑输入电压(即，控制信号)。
66.在一个示例中，栅极驱动器系统20可以以最大工作范围为30v的浮动电源在130v的共模下工作。在该示例中，vb以160v的最大值工作，vs以130v的最大值工作，vcc以30v工作，并且vss以0v工作。特别地，在晶体管12导通(并且晶体管11关断)时，vs等于dc ，并且在晶体管11导通(并且晶体管12关断)时，vs等于dc
‑
。在两种情况下，由于自举电容器24，vb保持在高于vs大致30v。因此，在dc 等于共模电压为130v的情况下，向vcc供电的低侧(外部)电源电压可以被设置为30v，并且高侧电源电压vb可以以160v的最大电压工作。dc
‑
连接至
地/vss，但不是必须的。
67.在另一示例中，栅极驱动器系统20可以以最大工作范围为35v的浮动电源在1500v的共模下工作。在该示例中，vb以1535v的最大值工作，vs以1500v的最大值工作，vcc以35v工作，并且vss以0v工作。特别地，在晶体管12导通(并且晶体管11关断)时，vs等于dc ，并且在晶体管11导通(并且晶体管12关断)时，vs等于dc
‑
。在两种情况下，由于自举电容器24，vb保持在高于vs大致35v。因此，在dc 等于共模电压为1500v的情况下，向vcc供电的低侧(外部)电源电压可以被设置为35v，并且高侧电源电压vb可以以1535v的最大电压工作。dc
‑
连接至地/vss，但不是必须的。
68.将理解的是，浮动电源的共模电压和最大工作范围是可配置的，并且可以被设置为在上述两个示例中提供的不同电压，包括共模电压在130v至1500v之间、小于30v或大于1500v。
69.以上提及的电压被设置成使得高侧电压域相比于低侧电压域在更高的电压或功率域中工作。另外，中电压或功率域被设置在hv域与lv域之间的中间级别。
70.hv域41包括预驱动器电路系统27、缓冲器34和耦接至vs和vb的mv esd装置51。
71.lv域43包括pwm逻辑单元35和将通信信号传输至其他电压域的发送器电路。
72.mv域42包括预驱动器电路26和缓冲器33。mv域42还包括由vss和vcc供电的电源管理单元(pmu)37。pmu 37是管理和调节功率功能的微控制器。对于启动器，pmu 37将中电源电压(即，vcc)转换为低被供应至lv域43的低电源电压(例如，5v)。特别地，pmu 37将该低电源电压供应至pwm逻辑单元35。pwm逻辑单元35使用低电源电压来执行其功能。其次，pmu 37被配置成监测故障并且在事件发生的情况下关断对pwm逻辑单元35的供电。通过关断对pwm逻辑单元35的供电，pwm逻辑单元35被禁用并且高侧晶体管12被关断。
73.其他实施方式变成在电压域之间进行通信并且跨端接区44在其间传输电信号。图3示出根据一个或更多个实施方式的在用于隔离式栅极驱动器通信的栅极驱动器封装中实现的无芯变压器(ct)通信系统300。ct传输系统300包括电源发生器vtx、led仿真器电路70、电压比较器电路80、可选的电平转换器91、电源提取器92、ct发送器93和ct接收器94。ct发送器93耦接至tx线圈60tx或61tx之一以传输ct信号(例如，pwm控制信号)，并且ct接收器94耦接至rx线圈60rx或61rx之一以接收ct信号。可以针对穿过两个电压域的每个通信路径提供ct传输系统300。因此，在图2中，可以提供两个ct通信系统300。
74.在本示例中，电源发生器vtx是对其电源进行调制以生成正向电流if和正向电压vf的电压发生器。然而，对其电源输出进行调制的电流发生器也可以被用作电源发生器vtx以生成正向电流if和正向电压vf。由于电源发生器vtx用于生成电压信号和/或电流信号，因此它也可以被称为信号发生器。
75.电源发生器vtx、led仿真器电路70、电压比较器电路80、可选的电平转换器91、电源提取器92和ct发送器93被布置在lv域43中并且可以被并入pwm逻辑单元35中。ct接收器94跨端接区44布置在不同的电压域中以例如接收相应的pwm控制信号。另外地或可替选地，ct接收器94可以被布置在lv域43中并且ct发送器93可以被布置在hv域41中以将反馈信息传输至pwm逻辑单元35。另外地或可替选地，ct接收器94可以被布置在mv域42中并且ct发送器93可以被布置在hv域41中以将反馈信息传输至pmu 37。
76.led仿真器电路70旨在代替光耦合器特有的电流调制光通信。具体地，led仿真器
电路70是仿真led光耦合器的led特性的电流提取电路。
77.电压比较器电路80接收led仿真器电路70的输出vsense并将vsense转换为调制输出信号vmod。调制信号vmod用于触发(启用)或禁用由ct发送器93生成的载波。作为结果，调制输出信号vmod是用于ct发送器93的开/关键控的通信控制信号。
78.特别地，ct发送器93生成通信信号，该通信信号包括二进制1和二进制0的数据位。例如，通信信号可以是pwm控制信号。通过传输固定幅度载波和固定频率达t秒的位持续时间来表示二进制符号1。如果信号值为1，则将发射载波信号；否则，将发射信号值0。因此，基于电压比较器电路80的调制输出信号vmod来启用载波，这取决于在led仿真器电路70的输出端处提供的感测电压vsense的值，led仿真器电路70的输出端耦接至电压比较器电路80的输入端。载波可以是正弦载波或包括脉冲的矩形信号。
79.因此，ct发送器93可以是开/关键控(例如，幅移键控(ask))发送器，其中，经调制的导通脉冲借助于ct接收器电路94经由电感耦合(例如，经由变压器)传输至次级芯片。ct接收器94可以是开/关键控解调器。次级芯片可以是由hv域41或mv域42限定的管芯。
80.如上所述，ct传输系统300包括根据要发射的数据生成经调制的电源电压的电源发生器vtx，例如电压振荡器。电阻器rtx提供至led仿真器电路70的电路径。正向电流if基于经调制的电源电压和电阻器rtx的值以及其他电阻而产生。
81.led仿真器电路70包括阳极节点z1，阳极节点z1仿真led的存在正向电压vf(即，阳极电压)的阳极。这样，阳极节点z1可以被称为正向电压节点或输入节点。正向电压vf是由作为正向电流if的电流注入而产生的阳极电压。类似地，led仿真器电路70包括阴极节点z2，阴极节点z2仿真led的存在阴极电压的阴极。这样，阴极节点z2可以被称为输出节点或感测节点。
82.led仿真器电路70还包括在正向电压节点与阴极节点z2之间串联连接的电阻器r0和感测电阻器r2。特别地，电阻器r0耦接在节点z1与z3之间，并且电阻器r1耦接在节点z3与z2之间。
83.有源分路调节(shunt
‑
regulated)钳位电路与电阻器r0并联连接。有源分路调节钳位电路包括在节点z1与z3之间串联连接的四个二极管d0、d1、d2和d3的二极管链以及电阻器r1。有源分路调节钳位电路还包括钳位晶体管ncl，钳位晶体管ncl也与电阻器r0并联耦接(即，在节点z1与z3之间)。例如，钳位晶体管ncl可以是其漏极端子连接至节点z1、其源极端子连接至节点z3并且其栅极端子连接至节点z4的n沟道mosfet，节点z4连接在二极管链的最后一对——二极管d2与d3——之间(即，连接至二极管d2的阴极和二极管d3的阳极)。
84.最后，led仿真器电路70包括二极管d
esd
，二极管d
esd
以反向偏置布置的方式连接至节点z1和z2，以提供针对静电放电(esd)的保护。
85.在约1ma的正向电流if下，电阻器r0用于仿真所仿真的光耦合器led的正向电压。例如，可以将rtx、r0和r2的电阻选择约为970欧姆，其中，在该示例中，r0和r2的总和约为700欧姆。因此，当电压vtx为1.0v时，(阳极节点z1处的)正向电压vf约为0.7v，并且通过电阻器r0和r2的正向电流if约为1ma。二极管链d0至d3保持关断状态，因为没有足够的电压来正向偏置所有四个二极管。此处，仅出于说明的目的假设二极管d0至d3每个均具有0.65v的正向电压。因此，需要约2.6v的正向电压vf来正向偏置所有四个二极管d0至d3，并使二极管
电流idiode流过二极管链d0至d3。
86.当需要二进制1数据位时，电压发生器vtx增加其输出电压以增加流入节点z1的正向电压vf。相反，当需要二进制0数据位时，电压发生器vtx减小其输出电压以减小流入节点z1的正向电压vf。
87.当需要二进制1数据位时，正向电压vf增加。当正向电压vf约为2.6v时，二极管链的所有四个二极管d0至d3均被正向偏置、钳位晶体管ncl被导通并且固定幅度载波经由电压比较器电路80触发。随着电压发生器vtx继续将其电源电压增加至其峰值电平，二极管链d0至d3保持正向偏置，但是由所增加的电源电压生成的过量电流iclamp流经钳位晶体管ncl以便取决于电阻器r1的值而将正向电压钳位到约2.6v(即，正向偏置二极管链d0至d3所需的电压加上电阻器r1两端的电压降)。换句话说，可以通过改变电阻器r1的电阻来调整被钳位的正向电压。例如，取决于电阻器r1的值，正向电压可以被钳位成在2.6v至3.1v之间的值。
88.通过对正向电压vf进行钳位，钳位晶体管ncl防止正向电压vf增加至可能损坏led仿真器电路70(例如，二极管d0至d3)和/或电压比较器电路80的电平，这是因为许多部件由正向电压vf供电。因此，钳位晶体管ncl通过将正向电压vf限制在安全的工作电平来起到保护电路的作用。
89.作为结果，二极管链d0至d3的正向偏置阈值是用于触发固定幅度载波的正向电压阈值。当正向电压vf至少满足该正向偏置阈值时，电流if0、电流idiode和电流iclamp在节点z3处相加作为流经感测电阻器r2的总电流isum。
90.还应注意的是，当正向电压vf小于该正向偏置阈值时，由于其他并联支路被禁用，所以总电流isum等于流经电阻器r0的电流if0。在这种情况下，根据欧姆定律，正向电压vf与正向电流if成比例地变化。
91.因此，感测电阻器r2两端的电压降(感测电压vs)基于总电流isum而变化，并且该总电流基于由电压发生器vtx驱动的电源而变化。在任一情况下，总电流isum等于正向电流if。因此，这两个电流可以互换使用。
92.通过感测电压vs，总电流isum被电压比较器电路80用于触发所仿真的光发射。如上所述，在正向电流if由于传输二进制1数据位的通信需要而增加时，正向电压vf被包括钳位晶体管ncl、二极管链d0至d3和电阻器r1的有源分路调节钳位电路钳位。超过阈值电流值的额外电流传递经过有源分路调节钳位电路。
93.当正向电流if小于用于所仿真的光发射的阈值电流值时，节点z4处的电压不足以将钳位晶体管ncl导通。因此，当正向电流if小于阈值电流值时，基本上所有电流都传递经过电阻器r0。在这种情况下，总的总电流isum等于初始正向电流if0，并且总电流isum流经产生电压降(感测电压)vsense的感测电阻器r2。电压降vsense代表总电流isum，其也可以被称为信令电流。
94.当正向电流if达到用于所仿真的光发射的阈值电流值时(即，当正向电压vf等于正向电压阈值时)，有源分路调节钳位电路通过将正向电压vf钳位至二极管链d0至d3的约四个二极管电压降4vd加上电阻器r1的电压降来起到分路调节器的作用。
95.因此，对于满足或超过阈值电流值的宽范围的正向电流if，二极管链d0至d3两端(以及节点z1与z3之间)的电压实际上将保持稳定。另外地，节点z4处的对钳位晶体管ncl的
栅极进行控制的电压足以将钳位晶体管ncl导通并保持其处于激活模式。节点z4的电压也被钳位至固定值。电压比较器电路80是用于对调制信号vmod进行动态电压比较和动态实时调制的自偏置δvgs比较器(即，dvgs比较器或δvgs比较器)。借助于感测电阻器r2，电压比较器电路80将信令电流(isum)转换为电压决策(voltage decision)。信令电流被用于经由电压比较器80向ct发送器93发信号：是否为通信信号生成载波。
96.特别地，电压比较器电路80连续监测代表信令电流(isum)的感测电压vsense，并将感测电压vsense转换为调制信号vmod。例如，当感测电压vsense满足或超过通信电压阈值(对应于阈值电流值)时，电压比较器电路80生成具有触发固定幅度载波的第一值的调制信号vmod。相比之下，当感测电压vsense小于通信电压阈值时，电压比较器电路80生成具有禁用固定幅度载波的第二值的调制信号vmod。
97.本质上，电压比较器电路80连续地将感测电压vsense与通信电压阈值进行比较，并且基于比较结果对调制输出信号vmod进行调制。上述比较通过基于在电压比较器电路80的输入端处接收的感测电压vsense而将晶体管装置导通或关断的级联效应来完成。
98.电压比较器电路80包括低通滤波器(lpf)，该lpf包括两个电阻器r
lpf1
和r
lpf2
，电阻器r
lpf1
和r
lpf2
跨感测电阻r2耦接(即，各自分别耦接至感测电阻器r2的不同端子)，因此被配置成从led仿真器电路70提取感测电压vsense。lpf还包括电容器c
lpf
。lpf被配置成将噪声从由电压发生器vtx引起的信令电流或感测电压vsense中去除。
99.电压比较器电路80还包括m：1电流镜，其中，m是大于零的整数。电流镜包括晶体管n0、n1和p0以及产生相等电流的自偏置电流源ibias1、ibias2和ibias3。晶体管n0和n1是n沟道mosfet，并且p0是p沟道mosfet。晶体管p0还是电压比较器电路80的输出晶体管，其基于感测电压vsense对调制输出信号vmod进行调制。
100.如果信令电流(isum)小于阈值电流值，则感测电压vsense小于通信电压阈值，并且电压比较器电路80的调制输出信号vmod被拉低至近似为零(即，逻辑低)。特别地，当感测电压vsense小于通信电压阈值时，晶体管n0的源极端子为低，从而导致晶体管n1被关断。
101.特别地，晶体管n0具有其自身的vgs，该vgs＝vds由ibias1提供，并且晶体管n1的vgs由ibias2限定。相应地，如果ibias1等于ibias2，则由于增益因子m，n1的vgs＞n0的vgs。因此，在感测电压vsense低(即，小于通信阈值)的情况下，当ibias＝ibias1＝ibias2时，n0的vgs将不足以将晶体管n1驱动至导通。因此，晶体管n1被关断。
102.当晶体管n1被关断时，输出晶体管p0的栅极被电流源ibias2拉高至正向电压vf，从而将输出晶体管p0关断。当输出晶体管p0关断时，调制输出信号vmod被电流源ibias3拉低。
103.当调制输出信号vmod处于低状态时，针对通信信号禁用固定幅度载波，并且由ct发送器93发射通信信号，其中信号值为零。ct接收器94被配置成接收通信信号并将t秒的位持续时间期间的零信号值解释为二进制符号0。
104.相反，如果信令电流(isum)等于或大于阈值电流值，则感测电压vsense等于或大于通信电压阈值，并且电压比较器电路80的调制输出信号vmod被拉高至正向电压vf(即，逻辑高)。具体地，当感测电压vsense等于或大于通信电压阈值时，晶体管n0的源极端子为高(即，高于通信阈值)。由于晶体管n0的vgs由ibias1限定，比信令电流isum小得多，因此感测电压vsense的增加将使晶体管n0的漏极端子和栅极端子处的电压因电流源ibias1而增加，
从而导致晶体管n1的栅极端子为高并且晶体管n1导通。当晶体管n1导通时，输出晶体管p0的栅极被拉低，从而将输出晶体管p0导通。当输出晶体管p0导通时，调制输出信号vmod被拉高至正向电压vf。
105.当调制输出信号vmod处于高状态时，固定幅度载波被启用。在固定幅度载波被启用的情况下，ct发送器93被配置成为发射的通信信号生成固定幅度载波。ct接收器94被配置成接收通信信号并将在t秒的位持续时间期间的固定幅度载波解译为二进制符号1。
106.发送器线圈60tx、61tx耦接至ct发送器93的输出端，并且被配置成发射通信信号。发送器线圈60tx、61tx包括正端子ctp、负端子ctn以及基准或中点端子ctm。
107.类似地，接收器线圈60rx、61rx耦接至ct接收器94的输入端，并且被配置成经由电感耦合接收通信信号。
108.电源提取器92被配置成从节点z1分接或提取正向电压vf，以便经由电源线92a和92b向ct发送器93供应电力。电源线92a可以耦接至正端子ctp并且电源线92b可以耦接至负端子ctn。
109.在一些情况下，ct发送器93需要比由正向电压vf供应的电压高的电压。在这种情况下，电源提取器92可以将正向电压vf转换为一个或更多个较高电力信号(例如，转换为较高的电压或较高的电流等效值(current equivalent))。
110.另外，在ct发送器93需要比由正向电压vf供应的电压高的电压的情况下，提供可选的电平转换器91以便将调制输出信号vmod电平转换或转换为可以由ct发送器93处理的较高电压等效信号。
111.作为一个示例，电源提取器92是具有预偏置和快速建立时间的电荷泵和环形振荡器。环形振荡器生成时钟信号，该时钟信号经由信号线92c传输以生成开/关键控载波。也就是说，ct发送器93使用时钟信号来生成载波。电荷泵可以使输入电压(即，正向电压vf)近似于加倍，并用于向ct发送器93的线圈电源提供较大幅度。然而，(在没有电荷泵的情况下)电源提取器92的设计可以更简单并且可以由ct发送器93严格确定为负载。
112.图4示出根据一个或更多个实施方式的通信协议的各种信号图。顶部信号图示出了电压vf和vtx的相对于彼此的示例。正向电压vf被有源分路调节钳位电路限制(钳位)至固定正向电压。
113.中间信号图示出了与电压vf和vtx相关的正向电流if。基于vtx的峰值电压，正向电流if达到最大正向电流ifmax。随着正向电流if增大或减小，它会穿过阈值电流值i
th
‑
com
(即，通信阈值)。如果正向电流if满足或超过阈值电流值i
th
‑
com
，则ct发送器93针对通信信号scomm触发(启用)载波。如果正向电流if小于阈值电流值i
th
‑
com
，则ct发送器93针对通信信号scomm禁用载波。
114.该底部信号图示出了由ct发送器93根据以上描述的调制输出信号vmod而生成的通信信号scomm。对调制输出信号vmod的调制基于中间信号图中所示的阈值交点而进行。如可以看出的，载波基于正向电流if和阈值电流值i
th
‑
com
而被启用。感测电压vsense基于正向电流if而被调制。载波具有周期t
carrier
，周期t
carrier
是由电源提取器92提供的时钟信号的振荡器频率fosc的倒数。
115.鉴于以上内容，可以实现以下优点。由于led仿真器电路70和电压比较器电路80的快速响应时间，可以使用较高的开关频率。可以通过使用ct通信系统来实现较高的共模瞬
变抗扰度(cmti)。电压比较器电路80对通信电压阈值的确定更快并且更准确。可以将电源提取器92的复杂性降低至针对直接链接至ct通信发送器93的ask系统的载波的中央偏置产生和振荡器，并且可以降低ask t系统的复杂性。
116.虽然已经公开了各种实施方式，但是对于本领域技术人员将明显的是，可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出将实现本文所公开的构思的一些优点的各种改变和修改。例如，虽然上述实施方式针对使用无芯变压器(即，电感耦合传输)的发送器，但是变压器60和61可以与不同类型的发送器交换，包括使用电容耦合来传输电容的电容发送器。因此，可以使用其他发送器类型，并且对于本领域的技术人员来说明显的是，可以适当地替换执行相同或相似功能的其他部件。应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以利用其他实施方式并进行结构或逻辑上的改变。应当提及，参照特定附图说明的特征可以与其他附图的特征组合，即使在没有明确提及的那些附图中也是如此。对总的发明构思的这样的修改旨在由所附权利要求及其合法等效内容覆盖。
117.此外，所附权利要求由此被并入详细描述中，其中每个权利要求可以独立地作为单独的示例实施方式。虽然每个权利要求可以独立地作为单独的示例实施方式，但是应当注意，尽管从属权利要求可以在权利要求中指与一个或更多个其他权利要求的特定组合，但是其他示例实施方式也可以包括从属权利要求与每个其他从属权利要求或独立权利要求的主题的组合。除非说明不旨在提出特定组合，否则本文提出了这样的组合。此外，旨在还将权利要求的特征包括在任何其他独立权利要求中，即使该权利要求不直接从属于独立权利要求也是如此。
118.还应当注意，说明书或权利要求中公开的方法可以由具有用于执行这些方法的相应动作中的每一个的装置的装置来实现。例如，本公开内容中描述的技术可以至少部分地以硬件、软件、固件或其任何组合——包括非暂态计算机可读记录介质上的计算机程序、计算系统和集成电路的任何组合——来实现。例如，所描述的技术的各个方面可以在一个或更多个处理器内实现，该一个或更多个处理器包括一个或更多个微处理器、dsp、asic或任何其他等效的集成或分立逻辑单元系统、以及这样的部件的任何组合。
119.此外，应当理解，说明书或权利要求中公开的多个动作或功能的公开可以不被解释为在特定的顺序内。因此，除非这样的动作或功能由于技术原因是不可互换的，否则多个动作或功能的公开不会将这些动作或功能限制为特定的顺序。此外，在一些实施方式中，单个动作可以包括或可以被分解成多个子动作。除非明确排除，否则可以包括这样的子动作并且这样的子动作可以是该单个动作的公开内容的一部分。