DE102011087434B4

DE102011087434B4 - Schaltung und drei Verfahren zum Treiben eines Schalters

Info

Publication number: DE102011087434B4
Application number: DE102011087434.8A
Authority: DE
Inventors: Dieter Draxelmayr; Karl Norling
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2010-11-30
Filing date: 2011-11-30
Publication date: 2021-02-04
Anticipated expiration: 2031-12-01
Also published as: US20130293268A1; CN104753319B; CN102480217A; CN102480217B; CN104767360A; CN104767360B; DE102011087434A1; US20120133397A1; CN104753319A; US8754675B2; US8487664B2

Abstract

Schaltung zum Treiben eines Schalters, der ein selbstleitendes Bauelement (234) aufweist, welches mit einem Schalttransistor (236) über einen gemeinsamen Knoten gekoppelt ist, wobei die Schaltung aufweist:eine Treiberschaltung (204) die aufweist:einen ersten Ausgang, der dazu ausgebildet ist, mit einem Gate des selbstleitenden Bauelements verbunden zu werden,einen zweiten Ausgang, der dazu ausgebildet ist, mit einem Gate des Schalttransistors verbunden zu werden,einen ersten Leistungsversorgungsknoten (P1), undeinen Vorspannungs-Eingang (JFS), der dazu ausgebildet ist, mit dem gemeinsamen Knoten verbunden zu werden, und wobei die Treiberschaltung (204) während dem Starten der Schaltung über den Vorspannungs-Eingang (JFS) Leistung erhält.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf elektronische Schaltungen, insbesondere auf eine Anordnung und ein Verfahren zum Treiben eines Schalters.
Leistungsversorgungssysteme (engl.: power supply systems) sind in vielen elektronischen Anwendungen vorhanden, von Computern bis zu Automobilen. Im Allgemeinen werden Spannungen in einem Leistungsversorgungssystem mittels einer DC-DC-, einer DC-AC-, und/oder AC-DC-Wandlung erzeugt, indem ein Schalter betätigt wird, an den eine Induktivität oder ein Transformator angeschlossen ist. In manchen Leistungsversorgungssystemen sind Kombinationen von Schaltern in einer Brückenschaltung angeordnet, wie z. B. einer Halbbrücke, einer Vollbrücke, oder einer Mehrphasenbrücke. Wenn von der Leistungsversorgung sehr hohe Spannungen erzeugt werden, ist es vorteilhaft Schalter zu nutzen, die zugleich eine hohe Durchbruchspannung und einen niedrigen Einschaltwiderstand haben, wie z. B. Sperrschicht-Feldeffekttransistoren (JFETs). Die hohe Durchbruchspannung eines JFET erlaubt einen zuverlässigen Betrieb, auch mit Ausgangsspannungen von mehreren hundert oder sogar über tausend Volt. Der niedrige Einschaltwiderstand von JFET-Bausteinen erlaubt einen effizienten Betrieb des Leistungsversorgungssystems.
JFET-Bausteine haben die Eigenschaft, dass sie selbstleitende, oder „normally on“-Bauelemente sind, was bedeutet, dass die Bauelemente Strom leiten, wenn die Gate-Source-Spannung des JFET bei ungefähr Null Volt liegt. Eine solche Eigenschaft bereitet Probleme, da die Schalttransistoren als Kurzschlüsse auftreten bevor das Leistungsversorgungssystem komplett vorgespannt ist, was zur Folge hat, dass beim Starten der Leistungsversorgung hohe Ströme verursacht werden. In einigen Hochleistungs-JFET-Bausteinen, welche zum Schalten von Leistungsversorgungen verwendet werden, kann diese so genannte Pinch-Off-Spannung um die -15 Volt betragen. Aus diesem Grund wird diese negative Spannung bereits erzeugt, bevor die Leistungsversorgung den vollen Betrieb beginnt und der JFET noch komplett ausgeschaltet sein kann.
In einigen Leistungsversorgungen werden durch das Verwenden von Transformatoren beim Start Vorspannungen gebildet. Die Verwendung von Transformatoren ist jedoch teuer. In anderen Leistungsversorgungen werden Spannungen beim Start durch die Verwendung von Bootstrapping-Methoden erzeugt, bei welchen die Energie von Vermittlungsknoten in der Leistungsversorgungsschaltung genutzt wird um Kondensatoren zu laden, welche eine lokale Leistungsversorgung für die Schalttransistoren darstellen. Wenn JFETs zum Einsatz kommen, sind solche Bootstrapping-Methoden jedoch schwer anzuwenden. Wenn zum Beispiel die interne Versorgungsspannung des Leistungsversorgungssystems beim Start niedrig ist, könnten die JFET-Schalter nicht funktionieren, weil die Spannung, die benötigt wird um ein Ein- und Ausschalten des JFET zu ermöglichen, noch nicht aufgebaut wurde. Wenn die JFET-Schalter nicht schalten, können die internen Versorgungsspannungen, die benötigt werden um den Schalter zu betätigen, nicht gebildet werden.
Die US 2008 / 0 197 908 A1 zeigt in 10A eine Schaltung, die eine Reihenschaltung eines MOSFET und eines MESFET und die eine Treiberschaltung mit einem ersten Treiber für den MESFET und einem zweiten Treiber für den MOSFET aufweist. Ein Kondensator zur Versorgung des ersten Treibers ist zwischen einen Anschluss für eine Versorgungsspannung und einen dem MOSFET und dem MESFET gemeinsamen Knoten geschaltet.
Gemäß einer Ausgestaltung weist eine Schaltung zum Treiben eines Schalters mit einer Treiberschaltung auf. Die Treiberschaltung weist einen ersten Ausgang, einen zweiten Ausgang, einen ersten Leistungsversorgungsknoten und einen Vorspannungs-Eingang auf, wobei der erste Ausgang dazu ausgebildet ist, mit dem Gate eines JFET verbunden zu werden, der zweite Ausgang dazu ausgebildet ist, mit dem Gate eines MOSFET verbunden zu werden und der Vorspannungs-Eingang dazu ausgebildet ist, mit dem gemeinsamen Knoten verbunden zu werden. Der zu treibende Schalter weist einen JFET auf, welcher über einen gemeinsamen Knoten mit einem MOSFET verbunden ist.
Durch die vorangehende Darstellung wurden die Eigenschaften einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ziemlich breit dargestellt, damit die folgende, detaillierte Beschreibung der Erfindung besser verstanden werden kann. Weitere Eigenschaften und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung, welche den Gegenstand der Ansprüche der Erfindung bilden, werden im Folgenden beschrieben. Die beschriebene Idee und die spezifischen Ausgestaltungen können dabei leicht als eine Basis zum Modifizieren oder Entwerfen von weiteren Strukturen oder Prozessen zum Ausführen derselben Zwecke der vorliegenden Erfindung genutzt werden.
Für ein umfassenderes Verständnis der vorliegenden Erfindung und deren Vorteilen, wird nun auf die folgende Beschreibung, in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen, Bezug genommen, wobei:

1a-1b erfindungsgemäße Ausgestaltungen von Leistungsversorgungssystemen veranschaulichen;
2 eine Ausgestaltung eines Schaltertreibersystems veranschaulicht;
3a-3c Schaltpläne einer Ausgestaltung eines Treibers veranschaulichen;
4a-4c ein Zeitdiagramm und Schaltbilder einer Ausgestaltung einer Schalter-Kontrollschaltung veranschaulichen;
5 eine weitere Ausgestaltung eines Schaltertreibersystems darstellt;
6 eine Ausgestaltung einer Treiberschaltung darstellt;
7a-7b eine Ausgestaltung eines Leistungsversorgungssystems darstellt, welche Ausgestaltungen einer Treiberschaltung verwendet;
8 eine Ausgestaltung eines Diagramms von Wellenformen einer Ausgestaltung einer Treiberschaltung darstellt.

Gleiche Bezugszeichen und Symbole in den verschiedenen Figuren beziehen sich, soweit nicht anders angegeben, auf gleiche Elemente. Die Figuren sollen die relevanten Aspekte der Ausführungsformen klar darstellen, und sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeichnet.
Der Aufbau und die Funktion verschiedener Ausführungsformen werden im Folgenden detailliert erörtert. Die vorliegende Erfindung liefert jedoch viele geeignete erfinderische Ideen, die in einer großen Vielfalt spezifischer Zusammenhänge verkörpert sein können. Die diskutierten spezifischen Ausführungsformen sind lediglich Beispiele von verschiedener Art und Weise die Erfindung zu fertigen und zu benutzen, und limitieren nicht den Umfang der Erfindung.
Die vorliegende Erfindung wird mit Bezug auf verschiedene Ausführungsformen von Schaltertreibern in Schaltnetzteilen beschrieben. Ausführungsformen der Erfindung können ebenfalls in Schaltertreibern in anderen elektronischen Anwendungen Verwendung finden, wie z. B. Solarumrichter, Telekommunikation, Server und unterbrechungsfreie Leistu ngsversorgu ngen.
1a zeigt ein Leistungsversorgungssystem 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Eingangsspannung Vin wird über einer Halbbrückenschaltung 101 angelegt, welche einen High-Side-Schalter 106 und einen Low-Side-Schalter 108 aufweist. In einer Ausführungsform wird jeder Schalter 106 und 108 aus einem JFET und einem MOSFET, welche in Serie geschaltet sind, gebildet. Alternativ können auch andere Schalterkonfigurationen genutzt werden. Während des Betriebs des Leistungsversorgungssystems steuert der High-Side-Treiber 102 den High-Side-Schalter 106 und der Low-Side-Treiber 104 den Low-Side-Schalter 108. In einer Ausführungsform werden der High-Side-Schalter 106 und der Low-Side-Schalter 108 abwechselnd angesteuert, so dass zu jedem Zeitpunkt immer nur ein Schalter leitend ist. In einigen Ausführungsformen wird die Ausgangsspannung Vout entsprechend der Einschaltdauer der leitenden Zustände des High-Side-Schalters 106 und des Low-Side-Schalters 108 und gemäß dem Windungsverhältnis des Transformators T1 gesteuert.
Der Ausgang N1 der Halbbrückenschaltung 101 ist mit der ersten Wicklung des Transformators T1 verbunden. Die zweite Wicklung des Transformators T1 ist mit den Gleichrichtdioden D4A und D4B verbunden. Die Gleichrichtdioden D4A und D4B richten den Ausgang der zweiten Wicklung des Transformators T1 gleich, der Kondensator C5 filtert die gleichgerichteten Ausgangssignale der Dioden D4A und D4B. In einer Ausführungsform wird die Ausgangsspannung Vout vom Isolierungs-/Controllerblock 112 gemessen, welcher Eingangssignale für den High-Side-Treiber 102 und den Low-Side-Treiber 104 generiert. In einer Ausführungsform bildet der Isolierungs-/Controllerblock eine elektrische Isolation zwischen der ersten und der zweiten Seite des Transformators T1. Dafür können zum Beispiel Isolationsschaltungen wie beispielsweise Optoisolatoren, Transformatoren und andere bekannte Bauteile die zur Isolation geeignet sind zum Einsatz kommen. In einer Ausführungsform kann der Isolierungs-/Controllerblock derart konfiguriert werden, dass eine vorgegebene Ausgangsspannung Vout ausgegeben wird.
In einer Ausführungsform wird dem High-Side-Treiber 102 über die Anschlüsse G und P Strom zugeführt, wobei der Anschluss G mit dem Ausgang N1 der Halbbrückenschaltung 101 verbunden ist und der Anschluss P über den Knoten 122 mit dem Kondensator C1 und der Diode D1 verbunden ist. Wenn der Knoten N1 einen Spannungsübergang in positiver Richtung erfährt, wird der Knoten 122 solange hoch getrieben, bis die Diode D1 bei Vin - V_S1 + V_DS1 vorwärts leitend wird, wobei V_DS1 die Sperrspannung der Diode D1 und V_S1 die Spannung der Leistungsversorgung 110 ist. Wenn am Knoten N1 die Spannung Vin anliegt, liegt am Kondensator C1 eine Spannung von ungefähr V_S1 - V_DS an. Wenn der Knoten N1 beginnt einen Spannungsübergang in negativer Richtung zu erfahren wird die Diode D1 rückwärts leitend und eine Spannung von ungefähr V_S1 - V_DS1 wird am Kondensator C1 aufrecht erhalten. In einigen Ausführungsformen klingt die Spannung über dem Kondensator C1 ab, je nach der Größe des Kondensators C1 und des Stromes der von dem Treiber 102 verbraucht wird. In einer Ausführungsform wird die Spannung V_S1 derart gewählt, dass sie mindestens ausreichend ist den JFET im High-Side-Schalter 106 auszuschalten. In Ausführungsformen, in welchen der High-Side-Schalter einen JFET enthält, wird die Spannung V_S1 derart gewählt, dass sie mindestens größer ist als die Größenordnung der Pinch-Off-Spannung des JFET. Dies kann beispielsweise zwischen ungefähr 10 Volt und ungefähr 15 Volt sein. In anderen Ausführungsformen können andere Werte gewählt werden, je nach Anwendung, deren Anforderungen und den Merkmalen der einzelnen im Schaltkreis verwendeten Bausteine (Bauelemente).
Bei einer Ausführungsform wird dem Low-Side-Treiber 104 über den Anschluss G und den Anschluss P Strom zugeführt, wobei Anschluss G mit Ground (Masse) 120 verbunden ist und Anschluss P mit dem Kondensator C2 und der Diode D3 verbunden ist. Wenn der Knoten N1 einen Spannungsübergang in positiver Richtung erfährt, erhöht sich die Spannung am Knoten 128 solange, bis die Diode D2 bei einer Spannung von Vin - V_S1 + V_DS2 vorwärtsleitend wird, wobei V_DS2 die Sperrspannung der Diode D2 ist. Wenn am Knoten N1 eine Spannung Vin anliegt, liegt am Kondensator C3 eine Spannung von ungefähr V_S1 - V_DS2 an. Wenn der Knoten N1 beginnt einen Spannungsübergang in negativer Richtung zu erfahren, wird die Diode D2 rückwärtsleitend und eine Spannung von ungefähr V_S1 - V_DS2 wird über dem Kondensator C3 aufrecht erhalten. Der Knoten 128 folgt dem Knoten N1, während dieser seine Spannungsauslenkung in negativer Richtung fortsetzt. Wenn die Spannung am Knoten N1 bei Ground 120 angelangt ist, liegt am Knoten 128 ungefähr eine Spannung von V_DS2- V_S1 an, und der Kondensator C2 lädt sich auf eine Spannung von ungefähr V_DS3+ V_DS2 - V_S1 auf, wenn der Effekt des Entladens des Kondensators C2 und eine kapazitive Ladungsteilung zwischen den Kondensatoren C2 und C3 vernachlässigt wird, wobei V_DS3 die Sperrspannung der Diode D3 ist. In manchen Ausführungsformen klingt die Spannung über dem Kondensator C2 ab, je nach der Größe des Kondensators C2 und des Stromes der vom Treiber 104 verbraucht wird. Während die Spannung über C2 abklingt, wird jedoch dem Kondensator C2 über die Diode D3 mehr Ladung zugeführt, so dass die Spannung über den Anschlüssen P und G des Treibers 104 auf einem ausreichenden Niveau gehalten wird, um den JFET im Low-Side-Schalter 108 zu betreiben.
Bei einer Ausführungsform liegen die Werte für C1, C2 und C3 jeweils zwischen ungefähr 10 µF und ungefähr 100 µF, und V_S1 liegt zwischen ungefähr 20 V und ungefähr 30 V. In einer Ausführungsform ist Vin ungefähr 400 V und Vout ist ungefähr 12 V, 48 V oder 400 V. Bei alternativen Ausführungsformen können abhängig von der spezifischen Anwendung und ihrer Spezifikationen andere Komponenten- und Spannungswerte verwendet werden.
Die in 1 a dargestellte Schaltung ist ein Beispiel dafür, wie die erfindungsgemäße Idee auf ein Leistungsversorgungssystem angewendet werden kann. In alternativen Ausführungsformen können andere Topologien von Leistungsversorgungssystemen als die in 1a gezeigte zum Einsatz kommen. 1 b zeigt zum Beispiel eine alternative Ausführungsform eines Leistungsversorgungssystems 140, welches dem Leistungsversorgungssystem 100 aus 1a ähnlich ist, mit dem Unterschied, dass der Kondensator C3 und die Diode D2 fehlen und die Diode D3 zwischen die Knoten 125 und 122 geschaltet ist. Die Ausführungsform in 1b verwendet somit weniger Komponenten als die Ausführungsform in 1a.
Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können auf Konverter, wie z. B. Abwärtswandler, Aufwärtswandler und Buck-Boost-Wandler angewendet werden, wobei sich dies nicht auf diese Wandler beschränkt. Alternative Ausführungsformen von Leistungsversorgungstopologien können auch Leistungsversorgungen enthalten, welche Induktivitäten statt Transformatoren oder sowohl Induktivitäten als auch Transformatoren nutzen.
2 stellt den Low-Side Teil einer Halbbrücken-Schaltung und die damit verbundenen Treiberschaltungen gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Der Low-Side-Schalter wird hier aus einem n-Kanal JFET 234 und einem PMOS Baustein 236 gebildet und wird vom Treiber 204 angesteuert. Alternativ können anstatt dem PMOS Baustein 236 auch andere Baustein-Typen, wie zum Beispiel NMOS Bausteine, in Serie zu dem JFET 234 geschaltet werden. Während dem Normalbetrieb des Leistungsversorgungssystems ist der PMOS Baustein 236 dauerhaft eingeschaltet, während der JFET 234 an- und ausgeschaltet wird, wodurch der Kondensator C2 geladen wird, wie bereits in der Beschreibung von 1a beschrieben. Mittels dem Signal Data werden dem Treiber 204 die Schaltsignale zugeführt.
Während dem Start ist der PMOS 236 ausgeschaltet wenn der Knoten 224 nicht genügend negative Spannung besitzt, um den JFET 234 auszuschalten. Durch das Ausschalten des PMOS 236 wird das Auftreten eines Kurzschlusses in der Halbbrücken-Schaltung beim Start vermieden. Unter der Annahme, dass der Knoten N1 beim Start eine ausreichend hohe Spannung besitzt, zum Beispiel höher als 20V, und das Gate des JFET 234 über den Knoten 216 mit Ground 240 verbunden ist, entspricht die Spannung am Knoten 210 der Pinch-Off-Spannung des JFET 234. In einer Ausführungsform beträgt diese Spannung 15V, jedoch kann diese Spannung in anderen Ausführungsformen davon abweichen, je nach den spezifischen Merkmalen des JFETs 234. Dabei wird die Pinch-Off-Spannung im Kondensator C2 gespeichert, welcher dem Treiber 204 eine ausreichende Spannung liefert, um die interne Logik des Treibers 204 zu betreiben. In einer Ausführungsform ist die Diode D10 zwischen das Gate des JFET 234 und Ground 240 geschaltet, um zu verhindern, dass der JFET 234 eine Spannung aufweist, welche deutlich über Ground 240 liegt.
In einer Ausführungsform schaltet der Treiber sowohl den PMOS Baustein als auch den JFET 234 ein und aus, wenn die Spannung am Kondensator C2 eine erste festgelegte Schwelle übersteigt. Diese Schwelle kann beispielsweise bei 8V liegen. Dabei werden beide Bausteine ein- und ausgeschaltet, wenn die Möglichkeit besteht, dass der JFET 234 nicht komplett ausgeschaltet werden kann, während die interne Leistungsversorgung niedrig ist. In einigen Ausgestaltungen schaltet der Treiber den PMOS Baustein und den JFET 234 beide ein und aus, wenn die Spannung an einem intern regulierten Knoten eine Spannungsschwelle übersteigt. Während die Halbbrücke beginnt ein- und auszuschalten, wird die Spannung am Knoten 227 über den Kondensator C3 und die Diode D3 immer weiter unter Ground 240 gedrückt. Wenn die Spannung am Knoten 227 ausreichend weit unter Ground 240 liegt, zum Beispiel bei ungefähr -18V, wird der PMOS Baustein 236 dauerhaft eingeschaltet und der Betrieb geht in einen Normalbetrieb über. In einer Ausführungsform wird die Versorgungsschwelle, bei der der PMOS Baustein 236 dauerhaft eingeschaltet wird, durch die Pinch-Off-Spannung des JFET 234 und einer zusätzlichen Spanne zu beispielsweise 18V bestimmt, um einen zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten.
In einigen Ausführungsformen ist es effizienter nicht den JFET 234 und den PMOS 236 zu schalten, sondern den PMOS Baustein 236 eingeschaltet zu lassen und nur den JFET 234 zu schalten, weil der Treiber 204 die Gate-Kapazität des PMOS Bausteins 236 laden und entladen muss. In einigen Ausführungsbeispielen wird der PMOS Baustein 236 sehr groß gewählt, um den Serienwiderstand des JFET 234 zu reduzieren. Die Gate-Source-Kapazität des PMOS Bausteins 236 kann deshalb sehr hoch sein. Wenn jedoch beide Bausteine während dem Starten geschaltet werden, können beide Bausteine sicher betrieben werden, ohne in manchen Ausführungsformen einen Kurzschluss hervorrufen zu können. Sobald die volle negative Leistungsversorgungsspannung am Knoten 227 anliegt, erlaubt jedoch der dauerhafte Ein-Zustand des PMOS 236 einen effizienteren Betrieb, da der JFET Baustein eine niedrigere Eingangs-Kapazität bei gegebener Treiberleistung hat als der PMOS Baustein 236. In weiteren Ausführungsformen können am Low-Side-Treiber angewendete Konzepte auch am High-Side-Treiber angewendet werden.
3a zeigt den Schaltplan einer Ausführungsform der Treiberschaltung 300. In einer Ausführungsform kann die Treiberschaltung 300 für die Treiberblöcke der 1 und 2 verwendet werden. In der Treiberschaltung 300 treibt der Controller 306 den JFET Gate-Treiber 304 und den MOSFET Gate-Treiber 302. Der Controller 306 legt die zeitliche Steuerung der Treibersignale an die Treiber 302 und 304 in Abhängigkeit eines Betriebszustandes fest. In einem ersten Betriebszustand zum Beispiel, wenn die Anordnung startet, ist das Gate des MOSFET gesperrt indem es auf ein hohes Potential getrieben wird. Ein Schalten des Gates des JFET ist ebenfalls gesperrt, indem der JFET auf eine niedrige Spannung getrieben wird. In einem zweiten Betriebszustand, während die Leistungsversorgung lädt, werden die Gates des MOSFET und des JFET, in Abhängigkeit eines Eingangssignals Din, beide ein- und ausgeschaltet. In einem dritten Betriebszustand, welcher dem Normalbetrieb entspricht, ist das Gate des MOSFET dauerhaft eingeschaltet. In einer Ausführungsform nutzt der Power-Control-Block 308 den Eingang JFS als positive Versorgung und den Knoten P1 als negative Versorgung. In einigen Ausführungsformen weist der Power-Control-Block 308 einen lokalen Spannungsregler sowie Komparatoren auf, die dazu verwendet werden den Betriebszustand zu bestimmen. In der Ausführungsform, die in 3a gezeigt ist, gibt der Power-Control-Block 308 ein Signal MODE an den Controller 306 aus. In einigen Ausführungsformen kann das Signal MODE ein digitales Signal sein, welches aus einem oder mehreren Bits besteht. In alternativen Ausführungsformen können Power-Control, Mode-Control und Signal-Control unterschiedlich realisiert und gegliedert werden.
3b zeigt die Ausführungsform eines Schaltplanes des Power-Control-Blocks 308 in welchem der Referenzspannungsgenerator 322 die zwei Spannungen REF1 und REF2 generiert. In einer Ausführungsform ist REF1 ungefähr 8V und REF2 ungefähr 18V, wobei in anderen Ausführungsformen auch andere Spannungen verwendet werden können. Die Komparatoren 324 und 326 vergleichen die Spannungen REF1 und REF 2 mit dem Knoten JFS. Die Ergebnisse dieser Vergleiche werden vom Mode-Logic-Block 328 verarbeitet, welcher das Signal MODE ausgibt, welches einen Betriebszustand anzeigt. In alternativen Ausführungsformen können andere Schaltungen zum Einsatz kommen. Anstatt die Spannung JFS direkt zu verwenden kann zum Beispiel ein verringerter Wert von JFS mit niedrigeren Referenzspannungen verglichen werden. In einer Ausführungsform zum Beispiel, wird JFS mittels eines Spannungsteilers um den Faktor 10 verringert und mit 0,8V und 1,8V verglichen. In einer derartigen Niedrigspannungs-Anordnung können Niedrigspannungs-Bauteile (Niedrigspannungs-Bauelemente) verwendet und Sättigungseffekte vermieden werden.
3c zeigt eine weitere Ausführungsform des Power-Control-Blocks 309. Der Power-Control-Block 309 ist dem Power-Control-Block 308 aus 3b ähnlich, weist aber zusätzlich den Spannungsregler 330 auf, der die geregelte Spannung P2 erzeugt aus welcher die Referenzspannungen REF1 und REF2 abgeleitet werden können. In einigen Ausführungsformen kann die geregelte Spannung P2 dazu verwendet werden, um die Schaltertreiber und/oder andere Schaltungsteile, die mit den Schaltertreibern in Verbindung stehen, zu versorgen. In einigen Ausführungsformen wird der Spannungsregler 330 dazu verwendet, die Schaltertreiber und zugehörige Schaltungen zu versorgen, während die primäre Leistungsversorgung P1 dazu verwendet wird, die Referenzspannungen REF1 und REF2 mittels des Blocks 322, wie er in 3b dargestellt ist, zu generieren.
In einer Ausführungsform, werden die Gates des JFET und des MOSFET beide angesteuert, zum Beispiel derart, dass der JFET eingeschaltet wird, nachdem der MOSFET eingeschaltet wurde, und der MOSFET ausgeschaltet wird, nachdem der JFET ausgeschaltet wurde. Dies kann beispielsweise im zweiten Betriebszustand der Fall sein, wenn die Versorgung lädt nachdem das Leistungsversorgungssystem gestartet wurde. In einer Ausgestaltung nimmt der MOSFET die Pinch-Off-Spannung des JFET auf, wodurch ein Niederspannungs-MOSFET verwendet werden kann, wenn der JFET ein Hochspannungs-Bauteil ist. Indem sichergestellt wird, dass der MOSFET eingeschaltet ist wenn der JFET eingeschaltet ist, wird dementsprechend der Ausfall von Bauteilen und die mögliche Zerstörung des MOSFET-Bauteils verhindert. 4a zeigt ein Zeitdiagram des Controllers 306 und der Treiber 302 und 304 der 3a, für welche ein PMOS-Baustein verwendet wird. Das Gate des JFET wird hier auf High getrieben, also der JFET eingeschaltet, nachdem das Gate des PMOS zum Zeitpunkt 402 auf Low gegangen ist, der PMOS also ausgeschaltet wurde. In ähnlicher Weise wird das Gate des PMOS auf High getrieben, nachdem das Gate des JFET zum Zeitpunkt 404 auf Low gegangen ist. In Ausführungsbeispielen, in denen der MOSFET-Baustein durch Verwendung eines NMOS-Bauteils realisiert wird, ist die Richtung des PMOS-Gate Signals invertiert.
4b zeigt einen Schaltplan, der zumindest einen Teil des Controllers 306 gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung darstellt. Das Signal Din steuert das UND-Gatter 406 direkt, und das UND-Gatter 408 über den Inverter 410 an. Der Ausgang des UND-Gatters 406 treibt den Treiber/Sensor 412 und den JFET-Gate Treiber 304 ( 3) und der Ausgang des UND-Gatters 408 treibt den Treiber/Sensor 414 und den MOSFET Treiber 302 (3). Der Ausgang C des Treiber/Sensor 412 wird dem UND-Gatter 408 zugeführt und der Ausgang C des Treiber/Sensor 414 wird dem UND-Gatter 406 zugeführt. In einer Ausführungsform geht der Knoten C des Treiber/Sensor 412 nicht auf Low, bis das Gate des JFET auf Low gegangen ist. Ähnlich dazu geht der Knoten C des Treiber/Sensor 414 nicht auf High, bis das Gate des MOSFET auf Low gegangen ist. Effektiv geht der Knoten C auf High, wenn der Treiber/Sensor erkennt, dass der zugehörige Knoten am Eingang B auf Low gegangen ist. Indem eine Rückmeldung von den eigentlichen Knoten, welche die Gates treiben, erfolgt, wird verhindert, dass der JFET leitet wenn der MOSFET ausgeschaltet ist.
4c zeigt ein Ausführungsbeispiel des Treiber/Sensor-Blocks 412, welcher in 4b dargestellt ist. Der Treiber/Sensor ist mit seinem Eingang A über einen Inverter mit dem PMOS Baustein 428 gekoppelt. Der PMOS Baustein ist zwischen VDD und den Eingang eines Latches 430, welches aus den Back-to-Back Invertern 422 und 424 gebildet wird, geschaltet. Die Gate-Rückführung ist über den NMOS Baustein 421 ebenfalls an das Latch gekoppelt. In einer Ausführungsform ist das NMOS Bauteil ein Hochvolt-Baustein, auch wenn der NMOS Baustein 421 ebenfalls als Niederspannungs-Baustein ausgebildet sein kann. In einigen Ausführungsformen ist ein Puffer 434 zwischen die Knoten A und B geschaltet. Während des Betriebs, wenn der Knoten 432 am Gate des PMOS Bausteins 428 angesteuert wird, wird der Eingang des Latches vom Eingang B angesteuert, was dem Treibersignal des PMOS oder JFET entspricht. In einigen Ausführungsformen kann der PMOS Baustein 428 weggelassen werden wenn der Knoten B den Eingang 430 über den NMOS Baustein 421 auf High treiben kann. Die Verwendung des PMOS Bausteins 428 hilft jedoch dabei, einen fehlerfreien Ruhezustand zu erreichen. In einer Ausführungsform enthält der Inverter 424 einen schwachen PMOS und/oder NMOS Baustein damit die Komponenten 421 und 428 den Ausgang des Inverters 424 überschreiben können. In einigen Ausführungsformen enthält der Inverter 422 auch einen schwachen PMOS und/oder NMOS Baustein, um eine Cross-Conduction während des Schaltens zu minimieren. In einer solchen Ausführungsform kann auf den Inverter 422 eine weitere Pufferschaltung folgen (nicht gezeigt).
Die in den 4b und 4c gezeigten Schaltungen stellen lediglich beispielhafte Ausführungsformen dar. In alternativen Ausführungsformen können auch andere Schaltungen und andere Logik verwendet werden, als die in 4b gezeigte Schaltung.
5 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Systems 500 um eine Halbbrücken-Schaltung 501 anzusteuern. Ein High-Side-Schalter, welcher aus einem JFET 506 und einem PMOS Baustein 508 gebildet wird, wird von einem High-Side-Treiber 502 angesteuert und ein Low-Side-Schalter, welcher aus einem JFET 510 und einem PMOS 512 gebildet wird, wird von einem Low-Side-Treiber 504 angesteuert. Der Betrieb der Treiber 502 und 504 ist ähnlich zu dem Betrieb des Treibers 204, wie in 2 gezeigt, und zum Betrieb der Treiber 102 und 104, wie in 1 a gezeigt. Jeder Treiber 502, 504hat jedoch zwei Leistungsversorgungs-Anschlüsse P1 und P2 und jeder Schalter hat einen JFET und einen MOSFET. In einer Ausführungsform wird der LeistungsversorgungsAnschluss P1 dazu verwendet, um dem Treiber eine Primärversorgung zur Verfügung zu stellen und der Leistungsversorgungsanschluss P2 wird dazu verwendet, um dem Treiber eine geregelte Versorgung zur Verfügung zu stellen. In einer Ausführungsform wird die geregelte Versorgung durch die Primärversorgung mittels eines Spannungsreglers im Block 308 aus 3a erzeugt. In einer Ausführungsform arbeitet der Leistungsversorgungs-Anschluss P2 zwischen ungefähr -18V und ungefähr -19V, und der Leistungsversorgungs-Anschluss P1 arbeitet ungefähr zwischen -24V und -26V. In alternativen Ausführungsformen können andere Spannungsbereiche und/oder zusätzliche Versorgungs-Anschlüsse verwendet werden.
In einer Ausführungsform wird die Versorgung P1 des High-Side-Treibers 502 über die Diode D1 versorgt. Die Versorgung P2 wird über einen internen Regelkreis versorgt und ist vom Knoten 520 durch den Kondensator C1 getrennt. In ähnlicher Weise wird die Versorgung P1 des Low-Side-Treibers 504 über C3 und D3 versorgt. Die Versorgung P2 wird über einen internen Regelkreis versorgt und ist vom Knoten 522 durch den Kondensator C2 getrennt. In einigen Ausführungsformen kann der Power-Control-Block 309, wie er in 3c gezeigt ist, verwendet werden. Die Widerstände R1 und R2 begrenzen die Stromspitzen, welche sonst die Dioden insbesondere beim Start beschädigen oder zerstören könnten. Die Dioden D5, D6, D7 und D8 sind während dem Normalbetrieb rückwärtsleitend, werden aber vorwärtsleitend, wenn die Leistungsversorgungsknoten P1 und P2 eine Spannung aufweisen, welche größer ist als die des Ground-Knotens des Treibers, um die Treiberschaltung vor Latch-Up, Zusammenbruch und Überspannungszuständen zu schützen. Die Dioden D5, D6, D7 und D8 stellen zudem einen Ladepfad für die Kondensatoren C1, C2, C8 und C9 während dem Start dar, wenn keine Bootstrap-Spannung verfügbar ist.
6 zeigt eine Treiberschaltung 600 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Treiberschaltung 600 hat einen Niederspannungs-Bereich 601, welcher mit einem Hochspannungs-Bereich 603 über den Coreless Transformer 620 verbunden ist. In alternativen Ausgestaltungen kann der Niederspannungs-Bereich 601 mittels eines Optokopplers mit dem Hochspannungs-Bereich verbunden sein. Der Niederspannungs-Bereich 601 empfängt Daten des Treibers über den Pin IN, welcher über einen Puffer 622, eine Eingangslogik 604 und einen Transformer-Treiber 606 mit dem Coreless Transformer 620 verbunden ist. In einer Ausführungsform empfängt der Niederspannungsbereich 601 zusätzlich ein Enable-Signal am Pin EN, welcher über den Puffer 624 mit der Eingangslogik 604 verbunden ist. Die Schaltung 602 zum Abschalten bei Unterspannung (engl. Undervoltage Lockout UVLO) schaltet den Ausgang des Eingangslogik-Blocks 604 ab, wenn die Versorgungsspannung VCC1 unter eine minimale Betriebsspannung fällt. In einigen Ausführungsformen beträgt VCC1 ungefähr 5V, in alternativen Ausführungsformen können jedoch auch andere Versorgungsspannungen verwendet werden. In einer Ausführungsform wird das Enable-Signal EN dazu verwendet, um die Treiberschaltung 600 zu aktivieren. In einer Ausführungsform wird die Treiberschaltung 600 mit einer Vielzahl an Bauteilen in einem einzigen Package realisiert, wie bei der so genannten Systemin-Package (SIP) Methode. In einer Ausführungsform befindet sich der Niederspannungs-Bereich abgesondert auf einer ersten integrierten Schaltung (Integrated Circuit IC) und der Hochspannungs-Bereich 603 auf einer zweiten integrierten Schaltung. Der Coreless Transformer 620 ist auf dem ersten oder dem zweiten IC angeordnet. Alternativ kann die Treiberschaltung 600 als integrierte Schaltung oder in verschiedenen Packages realisiert sein.
Der Hochspannungs-Bereich 603 enthält einen Empfänger des Coreless Transformers 608, eine Treiberlogik 614, einen JFET Treiber 616 und einen MOSFET Treiber 618. Der Linearregler 612 stellt eine geregelte Spannung VREG über die Leistungsversorgungseingänge VCC2 und VEE2 zur Verfügung. In einer Ausführungsform sind eine Diode 628 und ein Widerstand 623 mit dem Eingang CLJFG gekoppelt um zu vermeiden, dass das Gate des angesteuerten JFET eine Spannung aufnimmt, welche signifikant über dem Drain-Potential des angesteuerten MOSFET liegt. Die ULVO-Schaltung 610 stellt die Leistungsversorgung für den Logik-Block 614, so dass der Logik-Block 614 abhängig von der Versorgung einen Betriebszustand einnehmen kann. In einer Ausführungsform wird das Bootstrap-Enable Signal BSEN dazu verwendet, um Ausführungsformen von Betriebszuständen zu erlauben. In anderen Ausführungsformen kann das Signal BSEN fehlen.
7a zeigt eine Ausführungsform einer Leistungsversorgung 700 in Vollbrücken-Anordnung, für welche verschiedene Ausführungsformen von Treibern 702, 704, 706 und 708 verwendet werden. Der High-Side-Treiber 702 ist mit dem JFET 710 und dem MOSFET 718 verbunden und der High-Side-Treiber 704 ist mit dem JFET 712 und dem MOSFET 720 verbunden. Der Low-Side-Treiber 706 ist mit dem JFET 714 und dem MOSFET 722 verbunden und der Low-Side-Treiber 708 ist mit dem JFET 716 und dem MOSFET 724 verbunden. In einer Ausführungsform werden eine Last, welche durch eine Induktivität 750 dargestellt wird und/oder eine Last, die mit den Anschlüssen der Induktivität verbunden ist mit Strom versorgt. Der Transformator 726 lädt die Knoten PM25V und PM25VH, um an den Anschlüssen VEE2 der Treiber 702, 704, 706 und 708 eine negative Versorgung zur Verfügung zu stellen. In einer Ausführungsform werden die Knoten PM25V und PM25VH auf ungefähr -25V, bezogen auf die Primärversorgung 730 und Ground 752, geladen. Alternativ können die Knoten PM25V und PM25VH auch auf andere Spannungen geladen werden. In einer Ausführungsform wird der zweite Betriebszustand, in welchem der JFET und der MOSFET beide geschaltet werden, nicht eingenommen, wenn die Pins VEE2 der Treiber 706 und 708 Strom vom Knoten PM25V erhalten. Die Primärversorgung 730 arbeitet bei ungefähr 800V. In anderen Ausführungsformen können jedoch auch andere Spannungen verwendet werden. Die Signale I1, I2, I3 und I4 steuern das Schalten der Leistungsversorgungstreiber 702, 704, 706 und 708.
7b zeigt die Ausführungsform einer Leistungsversorgung in Vollbrücken-Anordnung, in welcher die Versorgungs-Pins VEE2 der Low-Side-Treiber 706 und 708 Strom nicht über eine zweite Wicklung des Transformators 726 (7a) beziehen, sondern durch Verwenden von Bootstrapping-Verfahren. Der Transformator 770 stellt hier Strom für den Knoten PM25VH zur Verfügung. Der Vorteil einer solchen Ausführungsform liegt unter anderem in der Einsparung von Kosten, durch Verwendung eines kostengünstigeren Transformators.
In einer alternativen Ausführungsform in Bezug auf die High-Side-Treiber 702 und 704, kann der Knoten PM25VH als Versorgung sowohl für die Hochspannungs- als auch für die Niederspannungs-Schaltung in den Treibern verwendet werden, wenn die Schaltung zwischen den Knoten VCC1 und GND1 in den Treibern 25V standhalten kann und wenn die positive Versorgung der Eingänge I1 bis I4 des Controller-Steuersystems mit Vin (Knoten 730) verbunden sind. In einer solchen Ausführungsform ist eine Diode zwischen die Versorgungen geschaltet. Dadurch kann eine gemeinsame Versorgung für den Controller und den High-Side Schaltertreiber mit einer Bootstrap-Diode dazwischen verwendet werden. In Bezug auf die Low-Side-Treiber 706 und 708 kann ein ähnliches Konzept angewendet werden, wenn der Controller zu Ground statt zu den High-Side Referenzknoten referenziert wird. In einer solchen Ausführungsform ist es nicht notwendig eine Diode zwischen die Versorgungen zu schalten. Dadurch kann eine gemeinsame Versorgung für den Controller und die Low-Side Schaltertreiber verwendet werden.
8 zeigt in einem vorwärtsleitend die Wellenformen, welche den Betrieb einer Ausführungsform eines Leistungsversorgungstreibers darstellen. Während dem Zeitabschnitt 802 läuft die Hochspannungs-Systemversorgung HV hoch und versorgt VEE2, VREG und JFDrv. Die Knoten werden dabei auf VCC2 bezogen. Während dem Zeitabschnitt 802 wird das Signal JFDrv verringert und das Treibersignal MDvr verringert sich nicht, wodurch der angesteuerte MOSFET ausgeschaltet bleibt. Während dem Zeitabschnitt 804 werden MDvr und JFDrv hin- und hergeschaltet, wie in Bezug auf andere Ausführungen der vorliegenden Erfindung bereits beschrieben. Des Weiteren werden die Hilfs-Versorgung VCC1 und/oder der Knoten PM25VH, welche mit dem Knoten VEE2 (7b) gekoppelt sind, vollständig aktiviert.
Sobald VREG seine volle regulierte Spannung erreicht hat und die Schwelle V_VREGon überschreitet, beginnt der Treiber im Normalbetrieb 806 zu arbeiten. In diesem Betriebszustand ist das Signal MDrv low in Bezug auf VCC2, während JFDrv weiterhin hin- und herschaltet. Dies entspricht einem Betriebszustand, in welchem der MOSFET eingeschaltet bleibt, während der JFET weiterhin schaltet. Während dem Betriebszustand 806 geht I_BSEN auf high, wobei I BSEN der Ausgangs-Pin der Treiberschaltung ist, welcher anzeigt, dass der Normalbetrieb 806 aktiv ist. In einigen Ausführungsformen wird I_BSEN als bidirektionaler Pin implementiert, welcher eine Spannung aufnehmen kann, wenn er als Eingang verwendet wird und einen Strom erzeugen kann, wenn er als Ausgang verwendet wird.
Wenn die regulierte Spannung VREG die Schwelle V_VREGoff überschreitet, wird wiederum der Betriebszustand 804 eingenommen und die Signale MDrv und JFDrv gemeinsam hin- und hergeschaltet. In einigen Ausführungsformen überschreitet VREG die Schwelle V_VRE-_Goff wenn VEE2 absinkt, woraus ein Energieverlust an VREG resultiert. Dies kann beispielsweise ebenfalls aus einem Abbruch der Leistungsversorgung 110 (1a) resultieren. In einigen Ausführungsformen wird eine Hysterese erzeugt, indem die Schwelle V_VREGon anders gewählt wird als die Schwelle V_VREGoff, um ein exzessives Hin- und Herschalten zwischen den Betriebszuständen zu vermeiden.
In einer Ausführungsform können der High-Side-Treiber und der Low-Side-Treiber auf dem selben IC implementiert werden. Alternativ können die beiden Treiber auch auf getrennten ICs implementiert werden. In einigen Ausführungsformen kann sich die Halbbrücken-Schaltung ebenfalls auf dem selben IC wie die beiden Treiber, oder wie einer der beiden Treiber, befinden.
In alternativen Ausführungsformen können Ausführungsformen von Treibersystemen auch dazu verwendet werden, um andere Arten von Schaltungen anzusteuern, wie zum Beispiel Vollbrücken-Schalter und Motoren.
Gemäß einer Ausführungsform weist eine Schaltung zum Treiben eines Schalters eine Treiberschaltung auf. Die Treiberschaltung weist einen ersten Ausgang, einen zweiten Ausgang, einen ersten Leistungsversorgungsknoten und einen Vorspannungs-Eingang auf, wobei der erste Ausgang dazu ausgebildet ist, mit einem Gate des JFET verbunden zu werden, der zweite Ausgang dazu ausgebildet ist, mit einem Gate des MOSFET verbunden zu werden und der Vorspannungs-Eingang dazu ausgebildet ist, mit dem gemeinsamen Knoten verbunden zu werden. Der zu treibende Schalter weist einen JFET auf, welcher über einen gemeinsamen Knoten mit einem MOSFET verbunden ist. Bei einigen Ausführungsformen wird die Schaltung auf einem IC integriert. Bei einigen Ausführungsformen weist der JFET einen Hochvolt-JFET auf und der MOSFET weist einen Niederspannungs-MOSFET auf.
Bei einer Ausführungsform ist die Treiberschaltung dazu ausgebildet, unter Verwendung eines Kondensators und eines ersten Netzwerkes betrieben zu werden, wobei der Kondensator zwischen den ersten Leistungsversorgungsknoten und den ersten Ausgang des JFET geschaltet ist, und das erste Netzwerk zwischen den ersten Leistungsversorgungsknoten und einen zweiten Ausgang des JFET geschaltet ist. Bei einer Ausführungsform weist das erste Netzwerk eine Diode und einen zweiten Kondensator auf, welche in Serie zueinander geschaltet sind. Bei einigen Ausführungsformen erhält die Treiberschaltung während des Starts der Schaltung Leistung vom Vorspannungs-Eingang.
Bei einer Ausführungsform hält die Treiberschaltung den MOSFET im ausgeschalteten Zustand, wenn eine Referenzversorgungsspannung unterhalb einer ersten Schwellenspannung liegt. Die Treiberschaltung treibt sowohl den MOSFET als auch den JFET, wenn die Referenzversorgungsspannung zwischen einer ersten und einer zweiten Schwellenspannung liegt, und hält den MOSFET in einem eingeschalteten Zustand, wenn die Referenzversorgungsspannung größer als die zweite Schwellenspannung ist. Bei einer Ausführungsform treibt die Treiberschaltung den MOSFET und den JFET derart, dass sie den MOSFET einschaltet, bevor sie den JFET einschaltet, und dass sie den JFET ausschaltet, bevor sie den MOSFET ausschaltet. Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Referenzversorgungsspannung proportional zu einer Spannung einer internen Leistungsversorgung. Alternativ kann die Referenzversorgungsspannung auch proportional zu einer Spannung des Vorspannungs-Eingangs sein.
Bei einer Ausführungsform weist die Schaltung weiterhin einen Referenzspannungs-Generator, einen ersten Komparator, und einen zweiten Komparator auf, wobei der Referenzspannungs-Generator die erste und die zweite Schwellenspannung erzeugt, der erste Komparator einen ersten und einen zweiten Eingang aufweist, wobei am ersten Eingang die Referenzversorgungsspannung und am zweiten Eingang die erste Schwellenspannung anliegt, und der zweite Komparator einen ersten und einen zweiten Eingang aufweist, wobei am ersten Eingang die Referenzversorgungsspannung und am zweiten Eingang die zweite Schwellenspannung anliegt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist ein Schaltertreiber einen ersten Schaltertreiber-Ausgang, einen zweiten, Schaltertreiber-Ausgangeinen ersten Leistungsversorgungsknoten und einen Vorspannungs-Eingang auf, wobei der erste Schaltertreiber-Ausgang dazu ausgebildet ist, mit einem Gate eines JFET-Bauteils verbunden zu werden, der zweite Schaltertreiber-Ausgang dazu ausgebildet ist, mit einem Gate eines MOSFET-Bauteils verbunden zu werden und der Vorspannungs-Eingang dazu ausgebildet ist, mit einem ersten Ausgangsknoten des JFET-Bauteils und einem ersten Ausgangsknoten des MOSFET-Bauteils verbunden zu werden. Bei einer Ausführungsform weist ein Verfahren zum Betreiben des Schaltertreibers das Schalten des ersten Schaltertreiber-Ausgangs während des Starts auf, wobei das Schalten des ersten Schaltertreiber-Ausgangs während dem Start das Treiben des Schaltertreibers unter Verwendung des Vorspannungs-Eingangs als einen Versorgungsknoten umfasst.
Bei einer Ausführungsform umfasst das Verfahren zum Betreiben des Schaltertreibers zudem das Schalten sowohl des ersten Schaltertreiber-Ausgangs, als auch des zweiten Schaltertreiber-Ausgangs, wenn Versorgungsknoten des Schaltertreibers aus einem anfänglichen Startzustand hochfahren, und das Halten des zweiten Schaltertreiber-Ausgangs in einem Zustand, welcher dazu ausgebildet ist, das MOSFET-Bauteil eingeschaltet zu lassen, während der erste Schaltertreiber-Ausgang ein- und ausgeschaltet wird, nachdem die Versorgungsknoten des Schaltertreibers bis zu einem vollen Betriebszustand geladen sind. Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren das Halten des zweiten Schaltertreiber-Ausgangs in einem Zustand, welcher dazu ausgebildet ist, das MOSFET-Bauteil während einer Inbetriebnahme des Schaltertreibers ausgeschaltet zu lassen. Bei einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren weiterhin das Schalten sowohl des ersten Schaltertreiber-Ausgangs als auch des zweiten Schaltertreiber-Ausgangs, wenn eine Referenzversorgungsspannung zwischen einer ersten und einer zweiten Schwellenspannung liegt. Des weiteren kann das Verfahren das Halten des zweiten Schaltertreiber-Ausgangs in einem Zustand umfassen, wobei der Zustand dazu ausgebildet ist, das MOSFET-Bauteil eingeschaltet zu lassen während der erste Schaltertreiber-Ausgang ein- und ausgeschaltet wird, wenn die Referenzversorgungsspannung größer ist als eine erste Schwellenspannung.
Bei einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren das Halten des zweiten Schaltertreiber-Ausgangs in einem Zustand, welcher dazu ausgebildet ist das MOSFET-Bauteil ausgeschaltet zu lassen, wenn die Referenzversorgungsspannung unterhalb der ersten Schwellenspannung liegt.
Bei einer Ausführungsform umfasst das gemeinsame Schalten des ersten und des zweiten Schaltertreiber-Ausgangs das Aktivieren des zweiten Schaltertreiber-Ausgangs zum Einschalten des MOSFET-Bauteils, vor dem Aktivieren des ersten Schaltertreiber-Ausgangs zum Einschalten des JFET-Bauteils und das Deaktivieren des ersten Schaltertreiber-Ausgangs zum Ausschalten des JFET-Bauteils, vor dem Deaktivieren des zweiten Schaltertreiber-Ausgangs zum Ausschalten des MOSFET-Bauteils.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist ein Schaltertreiber einen ersten und einen zweiten Ausgang auf, wobei der erste Ausgang dazu ausgebildet ist, mit einem Gate eines JFET verbunden zu werden und der zweite Ausgang dazu ausgebildet ist, mit einem Gate eines MOSFET verbunden zu werden, welcher in Serie zu dem JFET geschaltet ist. Bei einer Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum Betreiben eines Schaltertreibers das Schalten des ersten Ausgangs wie auch des zweiten Ausgangs, wenn ein Versorgungsknoten des Schaltertreibers aus einem anfänglichen Anlaufzustand hochfährt, und das Halten des zweiten Ausgangs in einem Zustand, welcher dazu ausgebildet ist, den MOSFET eingeschaltet zu lassen, während der erste Ausgang ein- und ausgeschaltet wird nachdem der Versorgungsknoten des Schaltertreibers bis zu einem vollen Betriebszustand geladen wurde. Das Verfahren umfasst weiterhin das Halten des zweiten Ausgangs in einem Zustand, welcher dazu ausgebildet ist, den MOSFET bei einer Inbetriebnahme des Schaltertreibers ausgeschaltet zu lassen. Bei einer Ausführungsform umfasst das Verfahren das Treiben des JFET mit dem ersten Ausgang und das Treiben des MOSFET mit dem zweiten Ausgang.
Bei einer Ausführungsform umfasst das Verfahren weiterhin das Feststellen, ob der Versorgungsknoten des Schaltertreibers aus einem anfänglichen Startzustand hochfährt, das Feststellen, ob der Versorgungsknoten des Schaltertreibers bis zu einem vollen Betriebszustand geladen ist, und das Feststellen, ob sich der Schaltertreiber in einem Zustand der Inbetriebnahme befindet.
Bei einer Ausführungsform weist das Feststellen, ob der Versorgungsknoten des Schaltertreibers aus einem anfänglichen Startzustand hochfährt, das Feststellen, ob eine Referenzversorgungsspannung sich innerhalb eines ersten Spannungsbereichs befindet auf. Bei einigen Ausführungsformen weist das Feststellen, ob der Versorgungsknoten des Schaltertreibers bis zu einem vollen Betriebszustand geladen ist, das Feststellen, ob sich die Referenzversorgungsspannung innerhalb eines zweiten Spannungsbereiches befindet auf, und das Feststellen, ob sich der Schaltertreiber in einem Zustand der Inbetriebnahme befindet, weist das Feststellen auf, ob die Referenzversorgungsspannung sich innerhalb eines dritten Spannungsbereichs befindet.
Bei einer Ausführungsform umfasst das Verfahren weiterhin das Schalten des ersten Ausgangs während dem Start, wobei das Schalten das Betreiben des Schaltertreibers unter Nutzung eines Vorspannungs-Eingangs als Leistungsversorgung umfasst, wobei der Vorspannungs-Eingang dazu ausgebildet ist, mit einem gemeinsamen Knoten zwischen dem JFET und dem MOSFET verbunden zu werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist eine Schaltung zum Treiben einer Halbbrücke eine Vielzahl an Schaltern auf, welche einen JFET in Serie zu einem MOSFET aufweisen. Bei einer Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum Betreiben der Schaltung zum Treiben der Halbbrücke das Betreiben der Schaltung in einem ersten Modus, wenn ein Leistungsversorgungsknoten der Schaltung eine Spannung unterhalb einer ersten Schwelle aufweist. Bei einer Ausführungsform weist das betreiben der Schaltung in einem ersten Modus das Ausgeschaltet-Lassen des MOSFET auf, sowie das Laden des Leistungsversorgungsknotens der Schaltung mittels des Drains des JFET. Bei einer Ausführungsform umfasst das Verfahren zudem das Betreiben der Schaltung in einem zweiten Modus, wenn der Leistungsversorgungsknoten der Schaltung eine Spannung oberhalb der ersten und unterhalb einer zweiten Schwelle aufweist. Das Betreiben der Schaltung im zweiten Modus umfasst das Schalten des MOSFET und des JFET. Das Verfahren umfasst zudem das Betreiben der Schaltung in einem dritten Modus, wenn der Leistungsversorgungsknoten der Schaltung eine Spannung aufweist, welcher größer ist als die zweite Schwelle. Bei einer Ausführungsform umfasst das Betreiben der Schaltung im dritten Modus das Eingeschaltet-Lassen des MOSFET und das Schalten des JFET.
Bei einer Ausführungsform umfasst das Betreiben der Schaltung im zweiten Modus ferner das Einschalten des MOSFET, bevor der JFET eingeschaltet wird, und das Ausschalten des JFET, bevor der MOSFET ausgeschaltet wird. Bei einigen Ausführungsformen wird die Halbbrücke in einer Leistungsversorgungsschaltung betrieben. Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst das Betreiben der Schaltung in einem ersten Modus zudem das Anlegen eines Referenzpotentials an ein Gate des JFET.
Ein Vorteil der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung liegt unter anderem in der Möglichkeit einen Low-Side-Treiber ohne die Verwendung zusätzlicher Transformatoren vorzuspannen, indem Ladung von einem Ausgang einer Halbbrücken-Schaltung gepumpt wird.
Es wurden verschiedene Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung und deren Vorteile im Detail beschrieben, jedoch sind auch noch weitere Veränderungen, Abänderungen und Verwendungen möglich, ohne vom Wesen und Geist des Erfindungsgedankens abzuweichen, wie er in den beigefügten Ansprüchen dargestellt ist. So können zum Beispiel viele der oben beschriebenen Merkmale und Funktionen durch Software, Hardware oder Firmware, oder einer Kombination hiervon umgesetzt werden.
Darüber hinaus ist es nicht beabsichtigt, dass die vorliegende Anmeldung auf die einzelnen beschriebenen Ausgestaltungen der in der Beschreibung dargestellten Prozesse, Vorrichtungen, Fertigungs-Methoden und Beschaffenheiten der Gegenstände, Mittel, Methoden und Schritte beschränkt wird. Wie ohne weiteres erkennbar ist, können Prozesse, Vorrichtungen, Fertigungs-Methoden und Beschaffenheiten von Gegenständen, Mitteln, Methoden und Schritten, welche derzeit bekannt sind oder noch entwickelt werden und welche im Wesentlichen die gleichen Funktionen erfüllen oder im Wesentlichen die gleichen Ergebnisse erzielen wie die vorliegenden Ausgestaltungen, ebenfalls gemäß der vorliegenden Erfindung Verwendung finden. Dementsprechend sollen die beigefügten Ansprüche solche Prozesse, Vorrichtungen, Fertigungs-Methoden und Beschaffenheiten von Gegenständen, Mitteln, Methoden und Schritten ebenfalls mit einschließen.

Claims

Schaltung zum Treiben eines Schalters, der ein selbstleitendes Bauelement (234) aufweist, welches mit einem Schalttransistor (236) über einen gemeinsamen Knoten gekoppelt ist, wobei die Schaltung aufweist: eine Treiberschaltung (204) die aufweist: einen ersten Ausgang, der dazu ausgebildet ist, mit einem Gate des selbstleitenden Bauelements verbunden zu werden, einen zweiten Ausgang, der dazu ausgebildet ist, mit einem Gate des Schalttransistors verbunden zu werden, einen ersten Leistungsversorgungsknoten (P1), und einen Vorspannungs-Eingang (JFS), der dazu ausgebildet ist, mit dem gemeinsamen Knoten verbunden zu werden, und wobei die Treiberschaltung (204) während dem Starten der Schaltung über den Vorspannungs-Eingang (JFS) Leistung erhält.
Schaltung nach Anspruch 1, bei der das selbstleitende Bauelement (234) ein JFET ist und der Schalttransistor (236) ein MOSFET ist.
Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, bei der sich die Schaltung auf einem IC befindet.
Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Treiberschaltung (204) dazu ausgebildet ist betrieben zu werden mit: einem Kondensator (C2), der zwischen den ersten Leistungsversorgungsknoten und einen ersten Ausgang des selbstleitenden Bauelements (234) geschaltet ist; und einem ersten Netzwerk, welches zwischen den ersten Leistungsversorgungsknoten und einen zweiten Ausgang des selbstleitenden Bauelements geschaltet ist, wobei das erste Netzwerk eine Diode (D3) und einen zweiten Kondensator (C3) aufweist, die in Reihe geschaltet sind.
Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Treiberschaltung (204) den Schalttransistor (236) ausgeschaltet lässt, wenn eine Referenzversorgungsspannung unterhalb einer ersten Schwellenspannung (REF1) liegt; die Treiberschaltung sowohl den Schalttransistor (236) als auch das selbstleitende Bauelement (234) treibt, wenn die Referenzversorgungsspannung zwischen der ersten und einer zweiten Schwellenspannung (REF1, REF2) liegt; und die Treiberschaltung (204) den Schalttransistor (236) eingeschaltet lässt, wenn die Referenzversorgungsspannung oberhalb der zweiten Schwellenspannung (REF2) liegt.
Schaltung nach Anspruch 5, bei der die Referenzversorgungsspannung proportional zu einer Spannung einer internen Leistungsversorgungsquelle ist.
Schaltung nach Anspruch 5 oder 6, die weiterhin aufweist: einen Referenzspannungs-Generator (322), der die erste und die zweite Schwellenspannung (REF1, REF2) generiert; einen ersten Komparator (324), bei dem an einem ersten Eingang die Referenzversorgungsspannung und an einem zweiten Eingang die erste Schwellenspannung (REF1) anliegt; und einen zweiten Komparator, bei dem an einem ersten Eingang die Referenzversorgungsspannung und an einem zweiten Eingang die zweite Schwellenspannung (REF2) anliegt.
Schaltung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei der die Referenzversorgungsspannung proportional zu einer Spannung des Vorspannungs-Eingang ist.
Schaltung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, bei der die Treiberschaltung den Schalttransistor (236) und das selbstleitende Bauelement (234) treibt, indem sie den Schalttransistor (236) einschaltet, bevor sie das selbstleitende Bauelement (234) einschaltet und das selbstleitende Bauelement (234) ausschaltet, bevor sie den Schalttransistor (236) ausschaltet.
Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der das selbstleitende Bauelement (234) einen Hochvolt-JFET und der Schalttransistor einen Niederspannungs-MOSFET aufweist.
Verfahren zum Betreiben eines Schaltertreibers (204), der einen ersten Schaltertreiber-Ausgang, einen zweiten Schaltertreiber-Ausgang, einen ersten Leistungsversorgungsknoten (P1) und einen Vorspannungs-Eingang (JFS) aufweist, wobei der erste Schaltertreiber-Ausgang dazu ausgebildet ist, mit einem Gate eines selbstleitenden Bauelements (234) verbunden zu werden, der zweite Schaltertreiber-Ausgang dazu ausgebildet ist, mit einem Gate eines Schalttransistors (236) verbunden zu werden und der Vorspannungs-Eingang (JFS) dazu ausgebildet ist, mit einem ersten Ausgangsknoten des selbstleitenden Bauelements (234) und mit einem ersten Ausgangsknoten des Schalttransistors (236) verbunden zu werden, wobei das Verfahren aufweist: Schalten des ersten Schaltertreiber-Ausgangs während dem Start, wobei das Schalten des ersten Schaltertreiber-Ausgangs während dem Start das Treiben des Schaltertreibers unter Verwendung des Vorspannungs-Eingangs (JFS) als Versorgungsknoten umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11, das weiterhin aufweist: Schalten des ersten Schaltertreiber-Ausgangs und des zweiten Schaltertreiber-Ausgangs, wenn Versorgungsknoten des Schaltertreibers aus einem anfänglichen Startzustand hochfahren; und Halten des zweiten Schaltertreiber-Ausgangs in einem Zustand, der dazu ausgebildet ist, den Schalttransistor (236) eingeschaltet zu lassen, während der erste Schaltertreiber-Ausgang ein- und ausgeschaltet wird, nachdem die Versorgungsknoten des Schaltertreibers (204) bis zu einem vollen Betriebszustand aufgeladen sind.
Verfahren nach Anspruch 12, das weiterhin aufweist: Halten des zweiten Schaltertreiber-Ausgangs in einem Zustand, der dazu ausgebildet ist, den Schalttransistor (236) während einer Inbetriebnahme des Schaltertreibers (204) ausgeschaltet zu lassen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, das weiterhin aufweist: Schalten sowohl des ersten als auch des zweiten Schaltertreiber-Ausgangs, wenn eine Referenzversorgungsspannung zwischen einer ersten Schwellenspannung (REF1) und einer zweiten Schwellenspannung (REF2) liegt; und Halten des zweiten Schaltertreiber-Ausgangs in einem Zustand, der dazu ausgebildet ist, den Schalttransistor (236) eingeschaltet zu lassen, während der erste Schaltertreiber-Ausgang ein- und ausgeschaltet wird, wenn die Referenzversorgungsspannung größer ist als die zweite Schwellenspannung (REF2).
Verfahren nach Anspruch 14, das weiterhin aufweist: Halten des zweiten Schaltertreiber-Ausgangs in einem Zustand, der dazu ausgebildet ist, den Schalttransistor (236) ausgeschaltet zu lassen, wenn die Referenzversorgungsspannung unterhalb der ersten Schwellenspannung (REF1) liegt.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, bei dem das gemeinsame Schalten des ersten Schaltertreiber-Ausgangs und des zweiten Schaltertreiber-Ausgangs aufweist: Aktivieren des zweiten Schaltertreiber-Ausgangs um den Schalttransistor (236) einzuschalten, bevor der erste Schaltertreiber-Ausgang aktiviert wird, um das selbstleitende Bauelement (234) einzuschalten; und Deaktivieren des ersten Schaltertreiber-Ausgangs um das selbstleitende Bauelement (234) auszuschalten, bevor der zweite Schaltertreiber-Ausgang deaktiviert wird, um den Schalttransistor (236) auszuschalten.
Verfahren zum Betreiben eines Schaltertreibers (204) der einen ersten und einen zweiten Ausgang aufweist, wobei der erste Ausgang dazu ausgebildet ist, mit einem Gate eines selbstleitenden Bauelements (234) verbunden zu werden und der zweite Ausgang dazu ausgebildet ist, mit einem Gate eines Schalttransistors (236), der in Serie zu dem selbstleitenden Bauelement (234) geschaltet ist, verbunden zu werden, wobei das Verfahren aufweist: Schalten des ersten und des zweiten Ausgangs, wenn ein Versorgungsknoten des Schaltertreibers aus einem anfänglichen Startzustand hochfährt; Halten des zweiten Ausgangs in einem Zustand, welcher dazu ausgebildet ist, den Schalttransistor (236) eingeschaltet zu lassen während der erste Ausgang ein- und ausgeschaltet wird, nachdem der Versorgungsknoten des Schaltertreibers bis zu einem vollen Betriebszustand geladen ist; und Halten des zweiten Ausgangs in einem Zustand, welcher dazu ausgebildet ist, den Schalttransistor (236) während der Inbetriebnahme des Schaltertreibers (204) ausgeschaltet zu lassen.
Verfahren nach Anspruch 17, das weiterhin aufweist: Feststellen, ob der Versorgungsknoten des Schaltertreibers (204) aus einem anfänglichen Startzustand hochfährt; Feststellen, ob der Versorgungsknoten des Schaltertreibers (204) bis zu einem vollen Betriebszustand aufgeladen ist; Feststellen, ob sich der Schaltertreiber in einem Zustand der Inbetriebnahme befindet.
Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, bei dem das Feststellen, ob der Versorgungsknoten des Schaltertreibers (204) aus einem anfänglichen Startzustand hochfährt, das Feststellen, ob sich eine Referenzversorgungsspannung innerhalb eines ersten Spannungsbereiches befindet, aufweist; das Feststellen, ob der Versorgungsknoten des Schaltertreibers (204) bis zu einem vollen Betriebszustand aufgeladen ist, das Feststellen, ob sich die Referenzversorgungsspannung innerhalb eines zweiten Spannungsbereiches befindet, aufweist; und das Feststellen, ob sich der Schaltertreiber (204) in einem Zustand der Inbetriebnahme befindet, das Feststellen, ob sich die Referenzversorgungsspannung innerhalb eines dritten Spannungsbereiches befindet, aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, das weiterhin das Treiben des selbstleitenden Bauelements (234) über den ersten Ausgang und das Treiben des Schalttransistors (236) über den zweiten Ausgang aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 20, das weiterhin ein Schalten des ersten Ausgangs während dem Start aufweist, wobei das Schalten des ersten Ausgangs während dem Start das Treiben des Schaltertreibers (204) durch Verwendung eines Vorspannungs-Eingangs (JFE) als eine Leistungsversorgung aufweist, wobei der Vorspannungs-Eingang (JFE) dazu ausgebildet ist, mit einem gemeinsamen Knoten zwischen dem selbstleitenden Bauelement (234) und dem Schalttransistor (236) verbunden zu werden.
Verfahren zum Betreiben einer Schaltung zum Treiben einer Halbbrücke, die eine Vielzahl von Schaltern aufweist, die ein selbstleitendes Bauelement (234) in Serie zu einem Schalttransistor (236) aufweisen, wobei das Verfahren aufweist: Betreiben der Schaltung in einem ersten Modus, wenn ein Leistungsversorgungsknoten der Schaltung eine Spannung aufweist, die geringer ist als eine erste Schwelle, wobei das Betreiben der Schaltung in dem ersten Modus aufweist: Ausgeschaltet-Lassen des Schalttransistors (236), Laden des Leistungsversorgungsknotens der Schaltung mittels eines Drains des selbstleitenden Bauelements (234); Betreiben der Schaltung in einem zweiten Modus, wenn der Leistungsversorgungsknoten der Schaltung eine Spannung aufweist, die größer als die erste Schwelle und kleiner als eine zweite Schwelle ist, wobei das Betreiben der Schaltung im zweiten Modus aufweist: Schalten des Schalttransistors (236) und des selbstleitenden Bauelements (234); und Betreiben der Schaltung in einem dritten Modus, wenn der Leistungsversorgungsknoten der Schaltung eine Spannung aufweist, die größer ist als die zweite Schwelle, wobei das Betreiben der Schaltung im dritten Modus das Eingeschaltet-Lassen des Schalttransistors (236) und das Schalten des selbstleitenden Bauelements (234) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 22, bei dem das Betreiben der Schaltung im zweiten Modus weiterhin das Einschalten des Schalttransistors (236) vor dem Einschalten des selbstleitenden Bauelements (234) und das Ausschalten des selbstleitenden Bauelements (234) vor dem Ausschalten des Schalttransistors (236) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, bei dem die Halbbrücke in einer Leistungsversorgungsschaltung betrieben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 24, bei dem das Betreiben der Schaltung in einem ersten Zustand weiterhin das Anlegen eines Referenzpotentials an ein Gate des selbstleitenden Bauelements (234) aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 25 bei dem das selbstleitende Bauelement (234) ein JFET ist und der Schalttransistor (236) ein MOSFET ist.