DE102012015787B3

DE102012015787B3 - Gepulster Gate-Treiber

Info

Publication number: DE102012015787B3
Application number: DE201210015787
Authority: DE
Inventors: Alfred Hesener
Original assignee: Fairchild Semiconductor Corp
Current assignee: Fairchild Semiconductor Corp
Priority date: 2012-08-08
Filing date: 2012-08-08
Publication date: 2013-12-12
Anticipated expiration: 2032-08-09
Also published as: US20140043076A1; CN203416236U; US8810293B2; KR20140020212A; CN103580661A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Gate-Treiber zum Ansteuern eines Gates eines Schalters und ein System zum Schalten einer Hochleistungslast, das den Gate-Treiber umfasst. Der Gate-Treiber umfasst einen Steuereingang, der dafür ausgelegt ist, ein Steuersignal zu empfangen, und einen Ausgang, der dafür ausgelegt ist, ein verstärktes Ausgangssignal bereitzustellen, das zum Ansteuern des Schalters dem Gate des Schalters zuzuführen ist. Der Gate-Treiber umfasst ferner eine Steuereinrichtung, die zwischen dem Steuereingang und dem Ausgang angeschlossen ist, wobei die Steuereinrichtung dafür ausgelegt ist, eine adaptive Impulsfolge zu erzeugen, die abhängig von einer Charakteristik des Steuersignals variiert. Dies ermöglicht es dem Schalter, bei verschiedenen Zwischenpegeln angesteuert zu werden (proportionale Ansteuerung), und ermöglicht es, die Gate-Ansteuerbedingungen im Falle von anormalen Systemzuständen durch Variieren des Steuereingangssignals anzupassen. Das adaptive Ansprechen auf das Steuereingangssignal ermöglicht es außerdem, die Anstiegsgeschwindigkeit des Schalters zu variieren, ohne eine der Schaltungskomponenten austauschen zu müssen, die den Gate-Treiber bilden, wodurch eine vollständig adaptive Zeitsteuerung des Schalters ermöglicht wird. Des Weiteren führt die Abgabe des Gate-Stroms, da der Gate-Strom adaptiv bereitgestellt wird, zu einer relativ geringen Verlustleistung.

Description

Technisches Gebiet
Die Vorrichtung und das System, die hierin beschrieben sind, betreffen gepulste Gate-Treiber zum Ansteuern des Gates eines Schalters, insbesondere eines bei Hochleistungsanwendungen verwendeten Schalters.
Hintergrund
Gate-Treiber werden dazu verwendet, Schalter anzusteuern, die bei Hochleistungsanwendungen, wie etwa Leistungs-MOSFETs, IGBTs und Bipolartransistoren (BJTs), verwendet werden.
Ein Gate-Treiber ist im Wesentlichen ein Leistungsverstärker, der einen Niedrigleistungseingang von einer integrierten Steuerschaltung (controller integrated circuit) akzeptiert und eine geeignete Hochleistungs-Gate-Ansteuerung für einen Leistungsschalter erzeugt.
Das Patentdokument US 6,326,819 B1 offenbart einen solchen Gate-Treiber, der einen Strompuffer mit zwei Schaltern zum Steuern des Flusses elektrischen Stroms von einer positiven bzw. negativen Energiequelle zum Gate eines IGBT verwendet. Eine Steuerschaltung zum Steuern der Schalter zwischen einem EIN- und einem AUS-Zustand ist vorgesehen.
Das Patentdokument US 6,275,093 B1 offenbart eine IGBT-Gate-Treiberschaltung, die Einrichtungen zum Ermitteln umfasst, ob die Kollektor-Emitter-Spannung eines eingeschalteten IGBT über einen voreingestellten Pegel steigt, wodurch ein Störzustand, wie etwa ein Kurzschluss, angezeigt wird. Eine analoge Schaltung ist vorgesehen, die dafür ausgelegt ist, einen derartigen Anstieg der Kollektor-Emitter-Spannung zu erfassen und durch Abschalten des IGBT in zwei Schritten darauf zu reagieren. Zunächst wird die Gate-Spannung auf einen Pegel gesenkt, der noch über der Schwellen-(Einschalt-)Spannung des IGBT liegt, um den durch den IGBT fließenden Strom zu verringern. Dann wird die Gate-Spannung allmählich reduziert bis der IGBT vollständig ausgeschaltet ist.
Eine ähnliche Schaltung ist in dem Patentdokument US 5,559,656 offenbart, das eine Gate-Treiberschaltung beschreibt, die verhindert, dass Schaltspannungsübergänge einen IGBT während eines Abschaltvorgangs, der in Antwort auf einen Kurzschluss ausgeführt wird, beschädigen. Eine analoge Schaltung ist offenbart, die dafür ausgelegt ist, die Abfallrate der Gate-Spannung des IGBT zu verringern, wenn ein Kurzschlusszustand erfasst wird.
Die Veröffentlichungsschrift der Patentanmeldung US 2008/0290911 A1 offenbart einen Gate-Treiber, der dafür ausgelegt ist, einen Leistungs-MOSFET zwischen einem voll eingeschalteten Zustand und einem Schwachstromzustand umzuschalten, anstatt den MOSFET zwischen einem voll eingeschalteten und einem voll ausgeschalteten Zustand umzuschalten. Eine Rückkopplungsschaltung kann dazu verwendet werden, sicherzustellen, dass der Stromwert im Leistungs-MOSFET in seinem Schwachstromzustand korrekt ist.
Die Veröffentlichungsschrift der Patentanmeldung US 2007/0200613 A1 offenbart einen Gate-Treiber, der umfasst: eine Ansteuerschaltung, die ein Ansteuersignal an die Gate-Elektrode einer Leistungshalbleiterschalteinrichtung anlegt, und eine Messeinheit zum Messen eines Fließstroms der Leistungshalbleiterschalteinrichtung. Die Ansteuerschaltung ist dafür ausgelegt, die Gate-Spannung basierend auf einem erfassten Wert des durch die Leistungshalbleiterschalteinrichtung fließenden Stroms einzustellen.
Schließlich offenbart die Veröffentlichungsschrift der Patentanmeldung US 2008/0012622 A1 einen Gate-Treiber für einen Leistungsschalter, der den Leistungsschalter durch Steuern der Gate-Spannung des Schalters ein- und ausschalten kann. Insbesondere kann, in einer ersten Periode, die Gate-Spannung des Schalters auf einen ersten Pegel angesteuert werden, um zu bewirken, dass der Schalter schließt. In einer zweiten Periode wird die Gate-Spannung des Schalters von der Spannungsquelle abgekoppelt, die Gate-Spannung bleibt aber ausreichend hoch damit der Schalter geschlossen bleibt. In einer dritten Periode wird das Gate des Schalters an Masse angeschlossen, wodurch die Gate-Spannung niedergezogen wird und bewirkt, dass der Schalter öffnet. Der Gate-Treiber umfasst ein Treiberlogikmodul, das eine Pulsbreitengenerator-Steuerung und einen Pulsbreitengenerator umfasst. Der Pulsbreitengenerator bewirkt, dass die oben beschriebene erste, zweite und dritte Periode nacheinander wiederholt werden, wodurch der Schalter in Intervallen, die invers mit der Frequenz des Pulses in Beziehung stehen, wiederholt geschlossen und geöffnet wird. Der Gate-Treiber kann ferner eine Rückkopplungsschleife umfassen, die mit dem Treiberlogikmodul gekoppelt ist, um so die Dauer der Periode einzustellen, während der der Schalter geöffnet oder geschlossen wird.
Das Dokument US 5,689,394 A beschreibt Gate-Spannungsmodulation für Transistorfehlerzustände. Ein Controller kann einem Gate-Treiber ein Steuersignal bereitstellen und das Steuersignal nach Empfangen eines Komparatorsignals von dem Gate-Treiber modulieren, um eine Leistungsanwendung sukzessive auszuschalten. In einer Ausführungsform umfasst der Controller eine Logikvorrichtung, die An- bzw. Ausschaltsignale senden kann, und ein Steuersignal wird während der ”an” Intervalle gesendet. Falls sich die Spannung zwischen den Ausgangsanschlüssen der Leistungsanwendung während eines Steuersignalintervalls einem Sättigungsniveau nähert, umfasst der Controller einen Pulsbreitenmodulator, der das an den Gate-Treiber gesendete Steuersignal modulieren kann. Die Spannung kann durch Einstellen einer geeigneten Pulsbreitenmodulation für das An/Ausschalten der Spannung am Gate-Treiber gesteuert werden.
Aus dem Dokument DE 20 2010 015 965 U1 ist ein Treiber für einen Leistungshalbleiterschalter bekannt. Der Treiber weist einen Schaltausgang zum Anschluss eines Schalteingangs eines Leistungshalbleiterschalters auf. Ferner weist der Treiber einen Logikeingang für ein logisches Schaltsignal sowie einen das logische Schaltsignal in ein Leistungssignal konvertierenden Konverter auf. Das Leistungssignal ist ein pulsweitenmoduliertes Signal mit einem vorgebbaren Tastverhältnis und wird dem Schaltausgang, ausgehend vom Konverter, über eine Induktivität zugeführt. Das Tastverhältnis des Leistungssignals kann dabei veränderbar sein. Bei Variation des Tastverhältnisses während des Schaltvorgangs kann eine spezifische Lade-Entladekurve für den jeweils angeschlossenen Leistungshalbleiter oder sogar für einzelne Schaltvorgänge eingestellt werden. Optional kann der Konverter einen Speicher enthalten, in dem das Tastverhältnis oder mehrere Werte für dieses ablegbar sind. Der Speicher ist programmierbar, sodass zum Beispiel nach Auslieferung des Treibers an einen Endkunden von diesem beliebig einstellbare bzw. programmierbare Tastverhältnisse einprogrammierbar sind. Dabei sind feste Tastverhältnisse vorgegeben, die gegebenenfalls umgeschaltet werden können.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Gate-Treiber haben einige Beschränkungen oder Nachteile. Die Anstiegsgeschwindigkeit (manchmal auch als ”Einschaltgeschwindigkeit” oder ”Ausschaltgeschwindigkeit” bezeichnet) des Schalters kann während des Betriebs nicht adaptiv verändert werden. Das heißt, eine adaptive Zeitsteuerung des Schalters ist nicht möglich.
Viele bekannte Gate-Treiber setzen auf Widerstandsnetzwerke, um die Abgabe des Gate-Stroms zu steuern, was zu einer hohen Verlustleistung während der Abgabe des Gate-Stroms führt.
Derartige Treiber können nicht leicht dafür ausgelegt werden, den Gate-Strom oder Basisstrom des Schalters in Antwort auf veränderte Parameter (Temperatur, Lastschwankungen, anormale Betriebsbedingungen) oder im Falle von anormalen Systemzuständen (z. B. Kurzschlüsse) zu steuern.
Ferner ist eine flexible Einstellung einer bestimmten Anstiegsgeschwindigkeit des Schalters beziehungsweise die effiziente Umsetzung einer praktisch unbegrenzten Anzahl von Anstiegsmustern mit den im Stand der Technik beschriebenen Mitteln nicht möglich.
Zusammenfassung
Es ist ein Gate-Treiber offenbart, der zumindest eines der Probleme des oben beschriebenen Standes der Technik in Angriff nimmt. Darüber hinaus ist ein System zum Schalten einer Hochleistungslast offenbart, das sich zumindest eines der Probleme des oben beschriebenen Standes der Technik annimmt.
Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Gate-Treiber zum Ansteuern eines Gates eines Schalters vorgesehen. Der Gate-Treiber umfasst einen Steuereingang, der dafür ausgelegt ist, ein Steuersignal zu empfangen, und einen Ausgang, der dafür ausgelegt ist, ein verstärktes Ausgangssignal bereitzustellen, das zum Ansteuern des Schalters dem Gate des Schalters zuzuführen ist. Der Gate-Treiber umfasst ferner eine Steuereinrichtung, die zwischen dem Steuereingang und dem Ausgang angeschlossen ist, wobei die Steuereinrichtung dafür ausgelegt ist, eine adaptive Impulsfolge zu erzeugen, die abhängig von einer Charakteristik des Steuersignals variiert.
Dies ermöglicht es dem Gate-Treiber gemäß dem ersten Aspekt, den Schalter nicht nur in bestimmten vordefinierten Zuständen, einschließlich EIN und AUS, anzusteuern, sondern auch eine proportionale Ansteuerung des Schalters bei verschiedenen Zwischenpegeln auszuführen. Des Weiteren führt die Abgabe des Gate-Stroms, da der Gate-Strom von der durch die Steuereinrichtung erzeugten adaptiven Impulsfolge abhängig ist, zu einer relativ geringen Verlustleistung. Darüber hinaus kann der Gate-Treiber gemäß dem ersten Aspekt leicht dafür ausgelegt werden, im Falle von anormalen Systemzuständen die Gate-Ansteuerbedingungen durch Anpassen des Steuereingangssignals zu ändern.
Gemäß dem ersten Aspekt kann die Steuereinrichtung des Gate-Treibers dafür ausgelegt sein, die adaptive Impulsfolge gemäß der Charakteristik des Steuersignals zu variieren, um eine Anstiegsgeschwindigkeit des Schalters einzustellen. Dies ermöglicht es, die Anstiegsgeschwindigkeit des Schalters zu variieren, ohne eine der Schaltungskomponenten austauschen zu müssen, die den Gate-Treiber bilden. Mit diesem Merkmal ist es möglich, eine praktisch unbegrenzte Anzahl an Anstiegsmustern umzusetzen, wobei jedes Anstiegsmuster einem spezifischen Steuersignal entspricht, wodurch eine vollständig adaptive Zeitsteuerung des Schalters ermöglicht wird.
Der Gate-Treiber gemäß dem ersten Aspekt kann ferner einen Rückkopplungseingang umfassen, der dafür ausgelegt ist, ein Rückkopplungssignal zu empfangen. In diesem Fall empfängt die Steuereinrichtung das Rückkopplungssignal und variiert die adaptive Impulsfolge abhängig zumindest zum Teil von einer Charakteristik des Rückkopplungssignals. Die Steuereinrichtung kann dafür ausgelegt sein, die adaptive Impulsfolge gemäß einer Charakteristik des Rückkopplungssignals zu variieren, um so die Sättigung des Schalters zu steuern oder eine proportionale Ansteuerung des Schalters zu ermöglichen. Wenn das Rückkopplungssignal eine Temperatur des Schalters repräsentiert, kann die Steuereinrichtung dafür ausgelegt sein, die adaptive Impulsfolge gemäß der Temperatur des Schalters zu variieren, um den Schalter im Falle eines Überstroms auszuschalten.
Gemäß dem ersten Aspekt kann die Steuereinrichtung dafür ausgelegt sein, die adaptive Impulsfolge durch Anpassen eines Tastverhältnisses der Impulsfolge oder durch Anpassen einer Impulszahl der Impulsfolge zu variieren. Die adaptive Steuerung des Schalters als solche kann durch Variieren der Impulsfolge implementiert werden, ohne eine der analogen Schaltungskomponenten verändern oder austauschen zu müssen.
Gemäß dem ersten Aspekt kann die Steuereinrichtung einen adaptiven Impulsgeber umfassen. Der Gate-Treiber gemäß dem ersten Aspekt kann ferner einen Verstärker umfassen. Wenn ein adaptiver Impulsgeber und/oder ein Verstärker bereitgestellt sind, können diese Komponenten in einer beliebigen Reihenfolge in Relation zueinander bereitgestellt werden. Im Besonderen kann die Steuereinrichtung dafür ausgelegt sein, eine nicht verstärkte Impulsfolge zu erzeugen, in welchem Fall der Verstärker die nicht verstärkte Impulsfolge empfängt und das verstärkte Ausgangssignal erzeugt. Alternativ kann der Verstärker dafür ausgelegt sein, ein verstärktes Signal zu erzeugen, in welchem Fall die Steuereinrichtung das verstärkte Signal empfängt und die adaptive Impulsfolge erzeugt, die das verstärkte Ausgangssignal bildet.
Gemäß einem zweiten Aspekt ist ein System zum Schalten einer Hochleistungslast vorgesehen. Das System umfasst: einen Schalter, der ein Gate, einen mit der Hochleistungslast verbundenen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss umfasst, und einen Gate-Treiber zum Ansteuern des Gate des Schalters. Der Gate-Treiber ist derselbe Gate-Treiber, der oben als erster Aspekt beschrieben ist.
Dieses System ermöglicht es dem Schalter, nicht nur in bestimmten vordefinierten Zuständen, wie etwa EIN oder AUS, sondern auch bei verschiedenen Zwischenpegeln angesteuert zu werden (proportionale Ansteuerung). Des Weiteren führt die Abgabe des Gate-Stroms, da der Gate-Strom gemäß der von der Steuereinrichtung erzeugten Impulsfolge adaptiv bereitgestellt wird, zu einer relativ geringen Verlustleistung. Darüber hinaus kann dieses System leicht dafür ausgelegt werden, bei anormalen Systemzuständen durch Variieren des Steuereingangssignals die Gate-Ansteuerbedingungen zu verändern. Das adaptive Ansprechen auf das Steuereingangssignal ermöglicht es außerdem, die Anstiegsgeschwindigkeit des Schalters zu variieren, ohne eine der Schaltungskomponenten austauschen zu müssen, die den Gate-Treiber bilden. Es ist daher möglich, eine praktisch unbegrenzte Anzahl an Anstiegsmustern zu implementieren, wobei jedes Anstiegsmuster einem spezifischen Steuersignal entspricht, wodurch eine vollständig adaptive Zeitsteuerung des Schalters ermöglicht wird.
Gemäß dem zweiten Aspekt kann der Schalter dafür ausgelegt sein, in Antwort auf das Ausgangssignal des Gate-Treibers einen Gate-Strom vom ersten Anschluss zum zweiten Anschluss zu leiten, wobei das Rückkopplungssignal in diesem Fall den Gate-Strom des Schalters repräsentieren kann. Insbesondere kann das System ferner einen Stromsensor umfassen, der dafür ausgelegt ist, als Rückkopplungssignal eine Messung des Gate-Stroms des Schalters bereitzustellen. Dies ermöglicht eine Ausführung einer proportionalen Ansteuerung des Schalters, insbesondere wenn der Schalter ein Bipolartransistor (BJT) ist. Dieses Merkmal ermöglicht außerdem eine Ermittlung eines Überstroms, so dass der Gate-Treiber den Schalter sicher ausschalten kann bevor der Überstrom zu einer Beschädigung der Schaltung führt.
Alternativ kann, gemäß dem zweiten Aspekt, das Rückkopplungssignal eine Temperatur des Schalters repräsentieren. In diesem Fall kann das System einen Temperatursensor umfassen, der dafür ausgelegt ist, als Rückkopplungssignal eine Messung der Temperatur des Schalters bereitzustellen. Dieses Merkmal ermöglicht eine Ermittlung eines Überstroms, so dass der Gate-Treiber den Schalter sicher ausschalten kann bevor der Überstrom zu einer Beschädigung der Schaltung führt.
Bei einer anderen Alternative kann, gemäß dem zweiten Aspekt, das Rückkopplungssignal eine Spannung am zweiten Anschluss des Schalters, eine Spannung am Gate des Schalters oder ein Verhältnis einer Spannung am ersten Anschluss zu einer Spannung am zweiten Anschluss des Schalters repräsentieren. Dies ermöglicht eine Implementierung verschiedener Anstiegsgeschwindigkeiten des Schalters. Es ermöglicht außerdem eine Realisierung einer proportionalen Ansteuerung, insbesondere wenn der Schalter ein Bipolartransistor (BJT) ist. Darüber hinaus ermöglicht dieses Merkmal eine Ermittlung eines Überstroms, so dass der Gate-Treiber den Schalter sicher ausschalten kann bevor der Überstrom zu einer Beschädigung der Schaltung führt.
Bei jedem der obigen Aspekte können in der Gate-Ansteuerschleife vorhandene Induktivitäten dazu verwendet werden, den durch das Gate des Schalters fließenden Strom zu steuern und zu formen. Insbesondere wenn der Schalter ein MOSFET ist, werden die durch den Gate-Treiber an seinem Ausgang erzeugten Impulse durch die Gate-Kapazität des MOSFET integriert. Wenn der Schalter ein Bipolartransistor ist, kann ein Induktor im Basisweg des Transistors angeordnet werden, um den Basisstrom zu glätten.
Gemäß jedem der obigen Aspekte kann der Schalter ein Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) oder ein Leistungs-MOSFET, ein Isolierschicht-Feldeffekttransistor (IGBT – Insulated-Gate Bipolar Transistor), ein bipolarer Sperrschichttransistor (BJT – Bipolar Junction Transistor), der auch einfach als Bipolartransistor bezeichnet wird, ein siliziumgesteuerter Gleichrichter (SCR – Silicon Controlled Rectifier), der alternativ auch als Thyristor bezeichnet wird, ein Ausschaltthyristor (GTO – Gate Turn-Off thyristor), ein IGC-(Integrated Gate-Commutated) Thyristor oder ein beliebiger anderer Halbleiterleistungsschalter sein, der mit einer Spannung oder einem Strom gesteuert wird, die/der im Vergleich zum Hauptstrom im Leistungsschalter klein ist.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Bevorzugte Ausführungsformen werden nun unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigt:
1 eine schematische Darstellung eines Systems zum Schalten einer Hochleistungslast;
2 eine schematische Darstellung eines Gate-Treibers gemäß einer ersten Ausführungsform;
3 ein Zeitdiagramm eines Ausgangssignals eines Gate-Treibers gemäß dem Stand der Technik;
4 ein Zeitdiagramm eines Ausgangssignals des Gate-Treibers gemäß der ersten Ausführungsform;
5 eine schematische Darstellung einer möglichen Ausführung des in 1 gezeigten Systems mit einem Bipolartransistor als Schalter;
6 ein Zeitdiagramm, das dem in 5 gezeigten System entspricht und in dem der Ein- und Ausschaltbetrieb des Bipolartransistors dargestellt ist;
7 ein Zeitdiagramm, das einem System ähnlich dem in 5 gezeigten entspricht, wobei der Schalter anstelle eines Bipolartransistors ein MOSFET ist; dieses Diagramm stellt den Ein- und Ausschaltbetrieb des MOSFET dar;
8 eine schematische Darstellung, die eine Modifikation des in 1 gezeigten Systems veranschaulicht;
9 eine schematische Darstellung eines Gate-Treibers gemäß einer zweiten Ausführungsform;
10 eine schematische Darstellung eines alternativen Systems zum Schalten einer Hochleistungslast, das den Gate-Treiber gemäß der zweiten Ausführungsform umfasst;
11 ein Zeitdiagramm, das eine Funktion darstellt, die durch den Gate-Treiber gemäß der zweiten Ausführungsform ausgeführt werden kann;
12 eine schematische Darstellung einer weiteren möglichen Ausführung eines Systems, das den Gate-Treiber gemäß der zweiten Ausführungsform und einen Bipolartransistor als Schalter umfasst; und
13 ein Zeitdiagramm, das dem in 12 gezeigten System entspricht und eine weitere Funktion darstellt, die durch den Gate-Treiber gemäß der zweiten Ausführungsform ausgeführt werden kann.
Genaue Beschreibung
1 zeigt ein System zum Schalten einer Hochleistungslast 30. Die Last 30 wird über den Schalter 20 geschaltet, der einen Laststrom I_C führt. Der Schalter 20 kann auch als Schaltelement oder Leistungsschalter bezeichnet werden. Ein erster Anschluss des Schalters 20 ist mit der Last 30 verbunden und ein zweiter Anschluss des Schalters 20 ist an Masse angeschlossen. Das Gate des Schalters 20 wird durch einen Gate-Treiber 10 angesteuert, der ein Steuersignal V_IN von einer externen Steuereinrichtung empfängt und ein verstärktes Ausgangssignal V_D erzeugt. Der Gate-Treiber 10 ist außerdem an eine Energiequelle V_CC und an Masse angeschlossen.
2 zeigt eine erste Ausführungsform des in 1 dargestellten Gate-Treibers 10. Der Gate-Treiber 10 umfasst einen Steuereingang 12, der das Steuersignal V_IN empfängt. Das Steuersignal V_IN wird einer Steuereinrichtung 40 zugeführt, die eine Impulsfolge erzeugt, welche abhängig von einer Charakteristik des Steuersignals V_IN variiert. Die Steuereinrichtung 40 kann das Steuersignal V_IN digital verarbeiten oder die Steuereinrichtung 40 kann dafür ausgelegt sein, analoge Informationen im Steuersignal V_IN zu verarbeiten.
In jedem Fall umfasst die Steuereinrichtung 40 einen adaptiven Impulsgeber 42, der basierend auf dem Steuersignal V_IN adaptiv eine Hochfrequenz-Impulsfolge generiert. Im Besonderen umfasst die vom adaptiven Impulsgeber 42 generierte Hochfrequenz-Impulsfolge eine Folge einzelner Impulse.
Abhängig vom Steuersignal V_IN kann das Tastverhältnis der einzelnen Impulse der Hochfrequenz-Impulsfolge von 0% bis 100% variieren. Wenn das Tastverhältnis bei 0% liegt, entspricht die Impulsfolge einer ”niedrigen” Spannung. Wenn das Tastverhältnis bei 100% liegt, entspricht die Impulsfolge einer konstanten, hohen Spannung. Bei einem Tastverhältnis irgendwo zwischen 0% und 100% haben die eine Impulsfolge bildenden einzelnen Impulse eine Pulsbreite, alternativ auch als Dauer bezeichnet, in der das Signal für einen Teil jeder Periode, die dem Tastverhältnis entspricht, ausgedrückt als Bruchteil dieser Periode, hoch ist.
Die einzelnen Impulse in einer vom adaptiven Impulsgeber 42 erzeugten einzelnen Impulsfolge können alle dieselbe Pulsbreite haben; alternativ kann die Dauer der Impulse in einer einzelnen Impulsfolge variieren. Darüber hinaus kann die Impulszahl einer vom adaptiven Impulsgeber 42 erzeugten Impulsfolge abhängig vom Steuersignal V_IN variiert werden, um eine genauere Steuerung des Leistungsschalters 20 zu ermöglichen. Eine solche genauere Steuerung kann beispielsweise ein Anpassen der Anstiegsgeschwindigkeit des Schalters 20 oder das Definieren von Schwankungen der Schaltgeschwindigkeit umfassen, um die Systemrobustheit zu verbessern und elektromagnetische Interferenzen (EMI) zu reduzieren.
Der Ausgang der Steuereinrichtung 40 ist mit einem Verstärker 44 verbunden, der die adaptive Hochfrequenz-Impulsfolge empfängt, ein verstärktes Ausgangssignal V_D erzeugt und dieses einem Ausgang 16 des Gate-Treibers 10 zuführt. Der in 2 gezeigte Verstärker 44 ist an V_CC und Masse angeschlossen; eine bipolare Spannungsversorgung (die einen positiven Anschluss V+ und einen negativen Anschluss V– umfasst) ist ebenfalls möglich.
Wie in 3 gezeigt, stellen Gate-Treiber gemäß dem Stand der Technik ein verstärktes Ausgangssignal V_D bereit, das aus einem einzelnen Impuls oder einer Rechteckwelle 50 besteht. Wenn das Ausgangssignal V_D hoch ist, wird der Schalter 20 eingeschaltet, so dass ein Laststrom I_C durch den Schalter 20 fließt. Wenn das Ausgangssignal V_D niedrig ist, wird der Schalter 20 ausgeschaltet, so dass kein Strom durch den Schalter 20 fließt.
4 zeigt ein Beispiel eines verstärkten Ausgangssignals V_D, das durch einen hierin bereitgestellten Gate-Treiber erzeugt wird. Das verstärkte Ausgangssignal V_D umfasst eine adaptive Impulsfolge 52, die eine Folge von mindestens zwei einzelnen Impulsen 54 umfasst. Basierend auf der durch den adaptiven Impulsgeber 42 erzeugten Impulsfolge kann das verstärkte Ausgangssignal V_D eine Anzahl variabler Impulse 54 enthalten; alternativ können die Impulse 54 ein veränderliches Tastverhältnis haben, das vom Steuersignal V_IN abhängig ist.
5 zeigt eine mögliche Ausführung des in 1 gezeigten Systems, die einen Bipolartransistor als Schalter 20 enthält. Ein ähnliches System könnte jedoch anstelle eines Bipolartransistors mit einem MOSFET als Schalter 20 ausgeführt werden.
Wie in 5 gezeigt, kann, wenn der Schalter 20 ein Bipolartransistor ist, ein Induktor L₁ im Basisweg des Bipolartransistors 20 vorgesehen werden, um den Basisstrom I_B zu glätten, der durch ein verstärktes Ausgangssignal V_D bereitgestellt wird. Ein solcher Induktor L₁ kann einen ordnungsgemäßen Betrieb sicherstellen und/oder eine Störfestigkeit gegenüber Komponenten- und Aufbauschwankungen vorsehen. Wenn der Schalter 20 ein MOSFET ist, ist ein solcher Induktor nicht erforderlich; parasitäre Induktivitäten können jedoch in jedem Fall im Gate-Weg vorhanden sein.
Bei dem in 5 gezeigten System umfasst der Gate-Treiber 10 einen Takt CLK 45, einen adaptiven Inkrementierer INC 46, eine Nachschlagetabelle LUT (Look-Up Table) 48 und einen spannungsgesteuerten Oszillator OSC 42. Wahlweise kann der Gate-Treiber 10 ferner einen Digital-Analog-Wandler D/A 49 umfassen.
Das Taktsignal CLK 45 kann von einer externen Zeitsteuereinrichtung eingegeben oder als Modul in der Steuereinrichtung 10 bereitgestellt werden. In jedem Fall erzeugt das Taktsignal einen Impuls mit einer Frequenz, die der gewünschten Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators OSC 42 entspricht, oder mit einem Vielfachen dieser Frequenz.
Wenn das Steuersignal V_IN hoch wird, erzeugt der adaptive Inkrementierer INC 46 eine Zahlenfolge, und zwar in Intervallen, die der Periode des spannungsgesteuerten Oszillators OSC 42 entsprechen. Die durch den adaptiven Inkrementierer INC 46 erzeugten Werte ermöglichen eine Einstellung einer bestimmten Anstiegsgeschwindigkeit des Schalters 20. Wenn es beispielsweise erwünscht ist, den Schalter über eine Periode von zwei Schwingungen des spannungsgesteuerten Oszillators OSC 42 einzuschalten, den Schalter 20 dann in einem EIN-Zustand zu halten und anschließend in Antwort darauf, dass das Steuersignal V_IN niedrig wird, den Schalter 20 sofort auszuschalten, könnte der adaptive Inkrementierer INC 46 die in Tabelle 1 gezeigte Zahlenfolge erzeugen.

Taktimpulsintervall 0 1 2 3 4 ... n n + 1

V_IN 0 1 1 1 1 1 1 0

INC 0 1 2 3 3 3 3 0

Tabelle 1: Werte des INC zum Erzeugen einer beispielhaften gewünschten Anstiegsgeschwindigkeit
Bei dem in Tabelle 1 gezeigten Beispiel, beginnt der adaptive Inkrementierer, wenn das Steuersignal V_IN hoch wird, seinen Ausgang bei jedem Taktimpulsintervall zu inkrementieren bis die Zahl erreicht ist, bei der der Schalter 20 in einem stationären EIN-Zustand gehalten werden sollte (in diesem Beispiel: 3). Ab dann hört der adaptive Inkrementierer auf, zu inkrementieren und wiederholt vielmehr denselben Ausgangswert (in diesem Fall: 3), der dazu verwendet wird, einen stationären EIN-Zustand zu bezeichnen. Wenn das Steuersignal V_IN niedrig wird, kehrt der Ausgang des adaptiven Inkrementierers INC 46 zu null zurück.
Allgemeiner ausgedrückt, wenn es erwünscht ist, die Anstiegsgeschwindigkeit des Schalters 20 zu steuern, um den Schalter 20 über eine Periode von einer, drei, vier, fünf oder mehr Schwingungen des spannungsgesteuerten Oszillators OSC 42 einzuschalten, kann der adaptive Inkrementierer INC 46 so ausgeführt werden, dass er seinen Ausgang nach der gewünschten Inkrementzahl anhält. Des Weiteren kann, wenn es erwünscht ist, die Ausschalt-Anstiegsgeschwindigkeit des Schalters 20 zu steuern, der adaptive Inkrementierer INC 46 so ausgeführt werden, dass er, in Antwort darauf, dass das Steuersignal V_IN niedrig wird, für die Anzahl der Perioden, über die der Schalter 20 auszuschalten ist, weiter inkrementiert.
Das von dem adaptiven Inkrementierer INC 46 erzeugte Signal wird der Nachschlagetabelle LUT 48 zugeführt, die einen Wert erzeugt, der von dem Digital-Analog-Wandler (D/A) 49 in ein analoges Signal umgesetzt wird, und in den spannungsgesteuerten Oszillator OSC 42 eingegeben wird. Die Nachschlagetabelle LUT 48 ordnet die durch den adaptiven Inkrementierer INC 46 erzeugten Zahlen (indirekt) Werten zu, die das Tastverhältnis des Ausgangssignals V_D repräsentieren, um so die Anstiegsgeschwindigkeit des Schalters 20 zu steuern. Bei dem in 1 gezeigten Beispiel könnte eine entsprechende Nachschlagetabelle LUT 48 Eingangs- und Ausgangswerte wie in Tabelle 2 gezeigt zuordnen.

LUT-Eingang 1 2 3

LUT-Ausgang 4 4 2

Tabelle 2: Beispielhafte Nachschlagetabelle LUT 48
Basierend auf dem von der Nachschlagetabelle LUT 48 ausgegebenen Wert erzeugt der spannungsgesteuerte Oszillator OSC 42 einen Impuls mit einer Periode, die durch CLK 45 bestimmt wird, und einem Tastverhältnis, das durch die Amplitude des Signals vom D/A-Wandler 49 bestimmt wird.
Obgleich der Oszillator OSC 42 bei dem in 5 gezeigten Beispiel als spannungsgesteuerter Oszillator beschrieben ist, kann jede beliebige andere Art von adaptivem Impulsgeber, wie etwa ein Pulsbreitenmodulator, als Oszillator OSC 42 verwendet werden. Bei den Ausführungen, die einen Oszillator umfassen, der dafür ausgelegt ist, einen digitalen Eingang zu akzeptieren, kann auf den D/A-Wandler 49 verzichtet werden.
Tabelle 3 zeigt ein Beispiel eines Verhältnisses zwischen den Ausgangswerten der Nachschlagetabelle LUT 48 und dem Tastverhältnis des vom Oszillator OSC 42 ausgegebenen Impulses.

LUT-Ausgang 0 1 2 3 4 5

OSC-Ausgangstastverhältnis 0% 20% 40% 60% 80% 100%

Tabelle 3: Beispielhaftes Verhältnis zwischen LUT- und OSC-Werten
Bei dem in Tabelle 3 gezeigten Beispiel sind die Ausgangswerte 0 bis 5 der Nachschlagetabelle proportional zu einem Oszillator OSC-Tastverhältnis zwischen 0% und 100%. Die Nachschlagetabelle LUT 48 kann jedoch so ausgeführt sein, dass weniger oder mehr als sechs Werte ausgegeben werden, abhängig davon, wie fein die Abstufung des Tastverhältnisses des Oszillators OSC sein muss. Des Weiteren müssen die Ausgangswerte der Nachschlagetabelle LUT 48 nicht alle OSC-Tastverhältnisausgänge von 0% bis 100% umfassen, sondern könnten einen beliebigen Teilbereich der Oszillatorwerte umfassen, wie etwa einen Bereich von 10% bis 100%, einen Bereich von 0% bis 85% oder einen Bereich von 3% bis 68%.
Der adaptive Inkrementierer INC 46 und die Nachschlagetabelle LUT 48 sind bevorzugt digital ausgeführt, entweder separat oder als kombinierte Komponente. Sie sind ferner bevorzugt derart ausgeführt, dass sie programmierbar sind, so dass die Einschalt-Anstiegsgeschwindigkeit und Ausschalt-Anstiegsgeschwindigkeit des Schalters 20 durch Umprogrammieren der vom adaptiven Inkrementierer INC 46 und der Nachschlagetabelle LUT 48 erzeugten Werte eingestellt werden können.
Spezifischer können, bei einer Ausführung, der INC 46 und die Nachschlagetabelle LUT 48 mit einem Speicher verbunden sein, der in der Steuereinheit 10 oder extern der Steuereinheit 10 angeordnet ist, wobei der Speicher einen oder mehrere Datensätze enthält, die bestimmten Schaltertypen (wie etwa BJTs, MOSFETs, IGBTs, etc.) oder bestimmten gewünschten Anstiegsgeschwindigkeitsmustern für einen oder mehrere Schaltertypen entsprechen. Bei dieser Ausführung können der INC 46 und die Nachschlagetabelle LUT 48 dafür ausgelegt sein, den geeigneten Datensatz basierend auf einem Signaleingang über V_IN oder basierend auf der Stellung eines manuellen Schalters der Gate-Steuereinrichtung 10 oder mit Hilfe von mit der Gate-Steuereinrichtung 10 verbundenen I/O-Modulen auszuwählen und zu laden. Auf diese Weise können der INC 46 und die Nachschlagetabelle LUT 48 in der Gate-Steuereinrichtung 10 dazu verwendet werden, verschiedene Typen von Schaltern 20 bei verschiedenen, wählbaren Anstiegsgeschwindigkeiten zu steuern.
6 zeigt ein Zeitdiagramm, das darstellt, wie der Bipolartransistor 20 durch das in 5 gezeigte System angesteuert werden kann, um eine gewünschte Einschalt-Anstiegsgeschwindigkeit zu erreichen. Die in diesem Beispiel verwendeten Parameter wurden nur zu Zwecken der Veranschaulichung gewählt und sind in keiner Weise als einschränkend zu verstehen.
Bei diesem Beispiel wird das Steuersignal V_IN für eine Periode von 4 μs, die in 6(a) als T_ON bezeichnet ist, hoch gehalten. Des Weiteren beträgt die Taktfrequenz 100 kHz, was dazu führt, dass die Impulszahl in der Impulsfolge 10 beträgt. Schließlich beträgt V_CC 5 V, die Basis-Emitter-Spannung V_BE 2,5 V und der Induktor L₁ weist eine Induktivität von 3,6 μH auf.
Der Spitzenbasisstrom I_BP des Transistors 20 und der stationäre Basisstrom I_BS des Transistors 20 sind von der Art des verwendeten Bipolartransistors abhängig und können vom Laststrom und der Stromverstärkung abgeleitet werden, die in der Transistorspezifikation angegeben sind. Bei diesem Beispiel wird davon ausgegangen, dass der Spitzenbasisstrom I_BP 0,5 A und der stationäre Basisstrom I_BS 0,125 A beträgt.
Das in 6(a) gezeigte Steuersignal V_IN gibt an, wann der Bipolartransistor 20 einzuschalten ist. Angenommen, dass es erwünscht ist, den Spitzenbasisstrom I_BP in zwei Impulsen (0,8 μs) zu erreichen, kann das Gate-Treibertastverhältnis D_GD wie folgt berechnet werden: (V_CC – V_BE) = L₁·I_B/(T_ON·2·D_GD)
Die obige Formel gibt an, dass das erforderliche Tastverhältnis D_GD des Gate-Treibers 10 bei 90% liegt. Für die restlichen Impulse ist es erwünscht, den Basisstrom I_B auf dem stationären Basisstrom I_BS zu halten. Wird wiederum die obige Formel angewandt, wird das erforderlich Tastverhältnis D_GD von 45% erhalten.
Tabelle 4 stellt eine Zusammenfassung der Impulszahl, des vom adaptiven Inkrementierer INC 46 erzeugten Werts, des Ausgangs der Nachschlagetabelle LUT 48 und des Tastverhältnisses jedes Impulses bei diesem Beispiel bereit. Bei diesem Beispiel arbeiten der adaptive Inkrementierer INC 46 und die Nachschlagetabelle LUT 48 wie vorstehend in Tabelle 1 bzw. Tabelle 2 gezeigt.

Impuls 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

INC 1 2 3 3 3 3 3 3 3 3

LUT 4 4 2 2 2 2 2 2 2 2

OSC-Tastverhältnis 90% 90% 45% 45% 45% 45% 45% 45% 45% 45%

Tabelle: Werte gemäß dem in Fig. 6 gezeigten Beispiel
Wie in 6(b) gezeigt, inkrementiert der adaptive Inkrementierer INC 46 bis 3, um eine Definition der Nachschlagetabellenwerte für die ersten zwei Anfahrschwingungsperioden und eine Definition eines separaten Nachschlagetabellenwerts für die dritte und weitere (stationäre) Schwingungsperioden zu ermöglichen. Um die gewünschte Anstiegsgeschwindigkeit für die ersten zwei Impulse zu erreichen, erzeugt die Nachschlagetabelle LUT 48 einen Ausgang von 4, wie in 6(c) gezeigt, der einem 90%igen Tastverhältnis des Ausgangs des Oszillators OSC 42 entspricht, wie in 6(d) gezeigt. Folglich erreicht der Basisstrom I_B, wie in 6(e) gezeigt, den Spitzenbasisstrom I_PB nach zwei Impulsen oder 0,8 μs.
Um für die restlichen Impulse den gewünschten Basisstrom zu erreichen, erzeugt die die Nachschlagetabelle LUT 48 einen Ausgang von 2, wie in 6(c) gezeigt, der einem 45%igen Tastverhältnis des Ausgangs des Oszillators OSC 42 entspricht, wie in 6(d) gezeigt. Folglich wird der Basisstrom I_B, wie in 6(e) gezeigt, für den Rest der Periode T_ON auf dem stationären Basisstrom I_BS gehalten.
Obgleich das in 6 gezeigte Beispiel darauf gerichtet ist, beim Einschalten des Bipolartransistors 20 eine bestimmte Anstiegsgeschwindigkeit zu erreichen, kann der Gate-Treiber 10 analog so betrieben werden, dass beim Ausschalten des Transistors 20 eine einstellbare Abfallgeschwindigkeit bereitgestellt wird. Im Besonderen kann das Ausschalten eines Leistungstransistors zu erheblichen Spannungsspitzen in der Vorrichtung führen, wenn parasitäre Induktivitäten im System vorhanden sind. Die Ausschaltgeschwindigkeit des Transistors 20 kann eingestellt werden, um derartige Spannungsspitzen durch Variieren des Tastverhältnisses der vom Oszillator OSC 42 ausgegebenen Impulsfolge zu vermeiden.
Bezug nehmend nochmals auf 5 sei darauf hingewiesen, dass dieselbe Konfiguration zum Ansteuern eines MOSFET-Schalters 20 anstelle des Bipolartransistorschalters 20, der schematisch in 5 dargestellt ist, verwendet werden könnte. Wenn das System gemäß 5 jedoch mit einem MOSFET als Schalter 20 ausgeführt ist, muss der Gate-Treiber 10 entsprechend ausgeführt sein, um ein Ausgangssignal V_D bereitzustellen, das dafür ausgelegt ist, das gewünschte Verhalten des MOSFET-Schalters 20 zu erzeugen.
7 zeigt ein Zeitdiagramm, das zeigt, wie ein MOSFET-Schalter 20 durch das in 5 gezeigte System angesteuert werden kann, um eine gewünschte Anstiegsgeschwindigkeit zu erreichen. Die bei diesem Beispiel verwendeten Parameter wurden nur zu Zwecken der Veranschaulichung gewählt und sind in keiner Weise als einschränkend zu verstehen.
Bei diesem Beispiel inkrementiert der adaptive Inkrementierer INC 46 bis 3, da nach den ersten zwei Impulsen ein stationärer Betrieb erreicht wird, und wiederholt dann diesen Ausgangswert für die Dauer von T_ON. Des Weiteren inkrementiert der INC 46 gemäß diesem Beispiel für weitere zwei Werte, wenn das Steuereingangssignal V_IN niedrig wird, um eine Definition der Ausschalt-Anstiegsgeschwindigkeit für den Schalter 20 zu ermöglichen. Das Verhalten des INC 46 ist nachfolgend in Tabelle 5 zusammengefasst.

Taktimpulsintervall 0 1 2 3 4 ... n n + 1 n + 2 n + 3

V_IN 0 1 1 1 1 1 0 0 0

INC 0 1 2 3 3 3 4 5 0

Tabelle 5: Werte des INC bei dem in Fig. 7 gezeigten Beispiel
Angenommen, der Schalter 20 ist ein 300 V/90 A-N-MOSFET mit einer Schwellenspannung V_TH = 2,5 V, dann sind bei LUT = 1 zwei ”kurze” Impulse erforderlich, um den MOSFET auf einen sehr kleinen Strom I_C vorzumagnetisieren. Die Nachschlagetabelle LUT 48 aus diesem Beispiel hat fünf Werte, die nachfolgend in Tabelle 6 zusammengefasst sind, um so zwei Anfahrperiodentastverhältnisse, ein stationäres Tastverhältnis und zwei Ausschaltperiodentastverhältnisse zu definieren.

LUT-Eingang 1 2 3 4 5

LUT-Ausgang 1 1 4 1 1

Tabelle 6: Nachschlagetabelle LUT 48 bei dem in Fig. 7 gezeigten Beispiel
Der Oszillator OSC gemäß diesem Beispiel arbeitet wie vorstehend in Tabelle 3 gezeigt, d. h. ein Eingangswert von 1 entspricht einem Tastverhältnis D_GD = 20% des Oszillators OSC 42 und ein Eingangswert von 4 entspricht D_GD = 80% des Oszillators OSC 42.
Wie in dem vorherigen Beispiel wird das Steuersignal V_IN für eine Periode von 4 μs, die in 7(a) als T_ON bezeichnet ist, hoch gehalten. Des Weiteren beträgt die Taktfrequenz 100 kHz, was dazu führt, dass die Impulszahl in der Impulsfolge 24 beträgt. (Es wird darauf hingewiesen, dass die mittleren Impulse zur Vereinfachung der Zeichnung nicht dargestellt sind!) Schließlich beträgt V_CC 12 V und der Induktor L₁ weist eine Induktivität von 1 μH auf.
Wie in 7(b) gezeigt, inkrementiert der INC 46 zu Beginn von T_ON bis 3 und wiederholt diesen Wert dann bis zum Ende von T_ON. Schließlich inkrementiert der INC 46 für weitere zwei Schwingungsperioden bevor er zu 0 zurückkehrt. Die Ausgangswerte des INC 46 werden durch die Nachschlagetabelle LUT 48 abgestimmt, wie in 7(c) gezeigt, um das in 7(d) gezeigte Tastverhältnis des Oszillators OSC 42 zu erzeugen. Der in 7(e) gezeigte Anstieg des Stroms I_C stellt die Anstiegsgeschwindigkeit des Schalters 20 dar. Verschiedene Startimpulse von D_GD = 40%, 60% oder 80% könnten gewählt werden, um die Anstiegsgeschwindigkeit, die auch als Drain-Stromanstiegszeit bezeichnet wird, des MOSFET 20 einzustellen.
Das Tastverhältnis der in 6(d) oder 7(d) gezeigten Impulsfolge kann ebenfalls eingestellt werden, um eine(n) definierte(n) Drain-Spannungsanstiegszeit, Gate-Strom oder Gate-Spannungsanstiegszeit des Schalters 20 zu erreichen.
Wie in 8 gezeigt, umfasst eine alternative Ausführungsform des Systems zum Schalten einer in Bezug auf 1 beschriebenen Hochleistungslast einen Gate-Treiber 10 mit einem Differenzausgang V_DH, V_DL. Ein derartiger Differenzausgang kann dazu verwendet werden, den zum Auf- oder Entladen des Gate des Schalters 20 erforderlichen Strom zu steuern, und zwar unabhängig von parasitären Induktivitäten im Leistungsweg oder anderen Faktoren, die die Schaltgeschwindigkeit beeinträchtigen, um einen kontrollierteren Schaltzyklus zu erreichen. 8 zeigt verschiedene parasitäre Effekte, die parasitäre Gate-Induktivität L_G, parasitäre Gate-Drain-Kapazität C_GD, parasitäre Gate-Source-Kapazität C_GS, parasitäre Drain-Source-Induktivität L_DS und parasitäre Source-Induktivität L_S umfassen.
Obgleich 8 einen differenziellen Gate-Treiber mit einer Versorgungsspannung V_CC zeigt, wäre auch eine alternative Ausführungsform eines differenziellen Gate-Treibers mit einer bipolaren Versorgung (d. h. mit einem positiven Anschluss V+ und einem negativen Anschluss V–) möglich.
Eine zweite Ausführungsform des Gate-Treibers 10 ist in 9 gezeigt. Wie der Gate-Treiber der ersten Ausführungsform, umfasst der Gate-Treiber 10 gemäß 9 einen Steuereingang 12, der ein Steuersignal V_IN empfängt und es einer Steuereinrichtung 40 mit einem adaptiven Impulsgeber 42 zuführt. Wie bei der ersten Ausführungsform umfasst der Gate-Treiber 10 ferner einen Verstärker 44 und einen Ausgang 16, der ein verstärktes Ausgangssignal V_D bereitstellt. Der Gate-Treiber 10 der zweiten Ausführungsform umfasst ferner einen Rückkopplungseingang 14, der ein Rückkopplungssignal 70 empfängt und es der Steuereinrichtung 40 zuführt.
Die Bereitstellung eines solchen Rückkopplungssignals 70 ermöglicht es dem Gate-Treiber 10 die adaptive Impulsfolge 52 mit einer variablen Pulsbreite zu erzeugen, die durch externe Faktoren, wie etwa Temperatur, Ausgangsstrom oder Drain-/Kollektor-Spannung des Schalters 20, bestimmt wird. Ein Variieren der Pulsbreite ermöglicht daher eine adaptive Steuerung des durch das Gate des Schalters 20 fließenden Stroms.
Gemäß einem Aspekt der zweiten Ausführungsform kann der Schalter 20 ein Bipolartransistor (BJT) sein, wie etwa ein SiC-Bipolartransistor hergestellt von TranSiC oder ein beliebiger anderer Bipolartransistor eines anderen Herstellers. Der Effektivausgangsstrom des Schalters 20 kann als Rückkopplungssignal 70 bereitgestellt werden, wobei in Antwort darauf, die adaptive Impulsfolge des Ausgangssignals V_D variiert wird, um die proportionale Ansteuerung und/oder Sättigungssteuerung des BJT zu implementieren.
Des Weiteren können, gemäß der zweiten Ausführungsform, in der Gate-Ansteuerschleife vorhandene Induktivitäten dazu verwendet werden, den durch das Gate des Schalters 20 fließenden Strom zu steuern und zu formen. Parasitäre Induktivitäten, die durch den Aufbau der Gate-Treiberkomponenten verursacht werden und/oder parasitäre Induktivitäten im Emitter- oder Source-Weg des Schalters können bei der Bestimmung der Pulsbreite des Ausgangssignals V_D berücksichtigt werden, so dass das Ausgangssignal V_D eine genaue Steuerung des durch den Schalter 20 fließenden Stroms bereitstellt.
Bei der in 9 gezeigten Ausführungsform gibt das Steuersignal V_IN bevorzugt Auskunft darüber, ob der Schalter 20 in einem EIN-Zustand oder AUS-Zustand zu halten ist und/oder über eine gewünschte Anstiegsgeschwindigkeit des Schalters 20, während das Rückkopplungssignal 70 einige Parameter bezüglich des Betriebs des Schalters 20 repräsentiert, wie etwa einen Laststrom I_C durch den Schalter 20, eine erfasste Anstiegsgeschwindigkeit des Schalters 20, eine Spannung über zwei Anschlüssen des Schalters 20, eine Spannung über dem Gate und einem Anschluss des Schalters 20 oder eine Temperatur des Schalters 20.
10 zeigt ein mögliches System, das einen Gate-Treiber 10 gemäß der zweiten Ausführungsform umfasst, wobei das Rückkopplungssignal 70 durch Verbinden des ersten Anschlusses V_CE des Schalters 20 über eine Diode D₁ mit dem Rückkopplungseingang 14 des Gate-Treibers 10 bereitgestellt wird. Der Betrieb dieses Systems zur Implementierung einer proportionalen Ansteuerung ist in 11 gezeigt.
Wie in 11(a) gezeigt, ist der Schalter 20 aus, wenn das Steuersignal V_IN niedrig ist, wobei das Ausgangssignal V_D ebenfalls niedrig gehalten wird. Insbesondere kann der Schalter 20 ein Bipolartransistor (BJT) sein. Gemäß dieser Ausführungsform wird das Steuersignal V_IN hoch, wenn der Schalter 20 eingeschaltet werden soll. Dies bewirkt, dass der Laststrom I_C durch den Schalter 20 fließt, wie in 11(b) gezeigt. Im Falle eines unerwünschten Stromanstiegs 66 zeigt das in 11(c) gezeigte Rückkopplungssignal V_F eine erhöhte Kollektorspannung 76 an. Dies bewirkt, dass der Gate-Treiber 10 breitere Impulse 56 erzeugt, wie in 11(d) gezeigt, um den Laststrom I_C zu stabilisieren. Dementsprechend führt jede Abnahme des Kollektorstroms 68 zu einer verringerten Kollektorspannung 78, was dadurch kompensiert wird, dass der Gate-Treiber 10 schmälere Impulse 58 erzeugt, um den Laststrom I_C zu stabilisieren. Auf diese Weise kann eine proportionale Ansteuerung des Schalters 20 implementiert werden, was die Effizienz und Robustheit des Systems verbessert.
12 zeigt ein weiteres mögliches System, das einen Gate-Treiber 10 gemäß der zweiten Ausführungsform umfasst. Dieses System umfasst einen Strommesswiderstand R₁, der zwischen dem zweiten Anschluss des Schalters 20 und Masse angeschlossen ist. Die Spannung über dem Strommesswiderstand R₁ wird als Rückkopplungsspannung V_F dem Gate-Treiber 10 zugeführt. Dies ermöglicht es dem Gate-Treiber 10, den Strom I_C durch den Schalter 20 in Abhängigkeit der Rückkopplungsspannung V_F und des Werts des Strommesswiderstands R₁ einfach zu bestimmen.
Der in 12 gezeigte Gate-Treiber 10 zeigt eine mögliche Ausführung des Gate-Treibers 10 gemäß der zweiten Ausführungsform. Gemäß dieser Ausführung umfasst die Steuereinrichtung 40 eine Nachschlagetabelle LUT, einen Takt CLK, eine Abtast-Halte-Einheit S/H, einen Addierer, einen Komparator COMP und einen Pulsbreitenmodulator PWM. Die Steuereinrichtung 40 kann wahlweise ferner einen Leseverstärker T umfassen. Diese Komponenten können als analoge Schaltungskomponenten bereitgestellt werden; alternativ kann die Steuereinrichtung 40 als digitale Logik (z. B. als Mikroprozessor) ausgeführt werden und die Eingangssignale V_IN und V_F digitalisieren bevor diese Signale in Funktionsblöcken, die den in 12 gezeigten Komponenten entsprechen, verarbeitet werden.
Gemäß dieser Ausführung wird das Steuersignal V_IN der Nachschlagetabelle LUT zugeführt, die Ausgangswerte in Intervallen erzeugt, welche durch den Takt CLK bestimmt werden. Der Takt CLK wird auch als Zeitsteuereingang für den Abtast-Halte-Block S/H verwendet, der die Rückkopplungsspannung V_F in durch den Takt CLK bestimmten Intervallen abtastet.
Der Ausgang der Abtast-Halte-Einheit S/H kann wahlweise dem Leseverstärker T zugeführt werden, der an die abgetastete Rückkopplungsspannung V_F eine vordefinierte Verstärkung anlegt. Der Ausgang des Leseverstärkers T wird zu dem von der Nachschlagetabelle LUT erzeugten Signal addiert, um den Eingang des Pulsbreitenmodulators PWM zu bilden. Wenn die erforderliche Verstärkung der abgetasteten Rückkopplungsspannung V_F gleich 1 ist, kann auf den Leseverstärker T verzichtet werden.
Bei der in 12 gezeigten Ausführung des Gate-Treibers 10 wird die Rückkopplungsspannung V_F auch einem Komparator COMP zugeführt, der dazu verwendet wird, die PWM-Generation zu deaktivieren, wenn die Spannung über dem Messwiderstand R₁ einen bestimmten Schwellenwert übersteigt. Demgemäß wird der Ausgang des Komparators COMP dem Pulsbreitenmodulator PWM 42 als Steuersignal zugeführt. Bei alternativen Ausführungsformen kann der PWM in Form eines anderen Typs von adaptivem Impulsgeber, wie etwa einem spannungsgesteuerten Oszillator, ausgeführt werden.
Schließlich wird der Ausgang des PWM 42 dem Verstärker 44 zugeführt. Der Betrieb dieses Systems zur Implementierung einer veränderlichen Pulsbreite in Antwort auf einen Überstrom ist in 13 dargestellt.
Wie in 13(a) gezeigt, wird das Steuersignal V_IN für eine Periode, die als T_ON bezeichnet ist, hoch gehalten. In Antwort darauf generiert die Nachschlagetabelle LUT in durch CLK bestimmten Intervallen die in 13(b) gezeigten Werte. Basierend auf den von der Nachschlagetabelle LUT generierten Werten, generiert die Gate-Steuereinrichtung 10 ein gepulstes Ausgangssignal V_D, wie in 13(c) gezeigt, um den Schalter 20 mit einer gewünschten Anstiegsgeschwindigkeit einzuschalten, wie vorstehend in dem Zeitdiagramm gemäß 6 gezeigt.
Zunächst, d. h. zu Beginn der Periode T_ON vor dem Zeitpunkt t₁, wird der durch den Schalter 20 fließende Kollektorstrom I_C auf einem konstanten Pegel gehalten, wie in 13(d) gezeigt. Während dieser Zeit kann der Schalter 20 vollständig eingeschaltet sein (d. h. Sättigungsbetrieb) oder der Schalter 20 kann proportional angesteuert werden, beispielsweise mit einem Pegel, der der Amplitude des Steuersignals V_IN entspricht.
Zum Zeitpunkt t₁ steigt der Kollektorstrom I_C, wie in 13(d) gezeigt, aufgrund eines externen Effekts, wie etwa eines Kurzschlusses, der sich durch die Last 30 entwickelt. Der Kollektorstromanstieg wird über die Abtast-Halte-Einheit S/H erfasst und (wahlweise) durch den Leseverstärker T verstärkt bevor er zusätzlich dem Pulsbreitenmodulator PWM als Eingang zugeführt wird. Der Pulsbreitenmodulator PWM reagiert durch Erhöhen des Tastverhältnisses seiner Ausgangspulse, wodurch das Tastverhältnis des Ausgangssignals V_D erhöht wird. Dies bewirkt, dass, in einem Versuch den Kollektorstrom I_C wieder auf den gewünschten Pegel zu senken, der Basisstrom des Schalters 20 ansteigt.
Zum Zeitpunkt t₂ bewirkt ein weiterer externer Effekt (wie etwa eine weitere Entwicklung eines Kurzschlusses durch die Last 30), dass der Kollektorstrom I_C weiter ansteigt, wie in 13(d) gezeigt, und einen unsicheren Wert erreicht. Dies wird über die Rückkopplungsspannung V_F erfasst und der Komparator COMP deaktiviert unverzüglich den Pulsbreitenmodulator PWM, so dass das Ausgangssignal V_D des Gate-Treibers 10 niedergezogen und der Schalter 20 ausgeschaltet wird. Obgleich die Nachschlagetabelle LUT weiter positive Werte für den Rest der Periode T_ON erzeugt, bleibt der Gate-Treiber 10 durch den Komparator COMP deaktiviert, so dass der Schalter 20 aus bleibt. Auf diese Weise wird der Gate-Treiber 10 dafür ausgelegt, den Schalter 20 im Falle eines Überstroms sicher auszuschalten.
Gemäß jeder der obigen Ausführungsformen kann die Anstiegsgeschwindigkeit des Schalters 20 durch die Amplitude des Steuersignals V_IN oder durch einen digital codierten Befehl, der einen Teil des Steuersignals V_IN bildet, gesteuert werden. Im Falle einer digital codierten Anstiegsgeschwindigkeit kann das Steuersignal V_IN der Steuereinrichtung 40 zugeführt werden, die das Signal decodiert und den adaptiven Impulsgeber 42 entsprechend steuert, um so die gewünschte Anstiegsgeschwindigkeit zu generieren.
In ähnlicher Weise kann bei der zweiten Ausführungsform eine proportionale Ansteuerung des Schalters 20 durch die Amplitude des Steuersignals V_IN oder durch einen digital codierten Befehl, der einen Teil des Steuersignals V_IN bildet, in Antwort auf den Wert des Rückkopplungssignals 70 gesteuert werden. Im Falle eines digital codierten proportionalen Ansteuersignals kann das Steuersignal V_IN der Steuereinrichtung 40 zugeführt werden, die das Signal decodiert und den adaptiven Impulsgeber 42 entsprechend steuert, um den Schalter 20 auf den gewünschten Pegel anzusteuern.
Es versteht sich, dass an den hierin beschriebenen Ausführungsformen verschiedene Abwandlungen durchgeführt werden können, ohne von dem beanspruchten Gegenstand abzuweichen.
Bezugszeichenliste

10: Gate-Treiber
12: Steuereingang
14: Rückkopplungseingang
16: Ausgang
20: Schalter
30: Last
40: Steuereinrichtung
42: adaptiver Impulsgeber
44: Verstärker
45: Takt
46: adaptiver Inkrementierer
48: Nachschlagetabelle
49: D/A-Wandler
50: Rechteckwelle
52: Impulsfolge
54: Impulse
56: breitere Impulse
58: schmälere Impulse
66: zunehmender Kollektorstrom
68: abnehmender Kollektorstrom
70: Rückkopplungssteuersignal
76: erhöhte Kollektorspannung
78: verringerte Kollektorspannung

Claims

Gate-Treiber (10) zum Ansteuern eines Gates eines Schalters (20), wobei der Gate-Treiber (10) umfasst: – einen Steuereingang (12), der dafür ausgelegt ist, ein Steuersignal (V_IN) zu empfangen, und – einen Ausgang (16), der dafür ausgelegt ist, ein verstärktes Ausgangssignal (V_D) bereitzustellen, das zum Ansteuern des Schalters dem Gate des Schalters (20) zuzuführen ist; – wobei der Gate-Treiber ferner eine Steuereinrichtung (40) mit einem adaptiven Inkrementierer (46) und einer Nachschlagetabelle (48) umfasst, wobei die Steuereinrichtung (40) zwischen dem Steuereingang (12) und dem Ausgang (16) angeschlossen ist und dafür ausgelegt ist, eine adaptive Impulsfolge (52) zu erzeugen, die abhängig von einer Charakteristik des Steuersignals (V_IN) variiert, wobei der adaptive Inkrementierer (46) dafür ausgelegt ist, eine Zahlenfolge zu erzeugen, deren Werte eine Einstellung einer Anstiegsgeschwindigkeit des Schalters (20) ermöglichen, und wobei die Nachschlagetabelle (48) dafür ausgelegt ist, die Zahlenfolge zugeführt zu bekommen und den durch den adaptiven Inkrementierer (46) erzeugten Werten der Zahlenfolge Werte zuzuordnen, die ein Tastverhältnis des Ausgangssignals (V_D) repräsentieren, um so die Anstiegsgeschwindigkeit des Schalters (20) zu steuern.
Gate-Treiber nach Anspruch 1, der ferner einen Rückkopplungseingang (14) umfasst, der dafür ausgelegt ist, ein Rückkopplungssignal (70) zu empfangen, wobei die Steuereinrichtung (40) ferner dafür ausgelegt ist, das Rückkopplungssignal (70) zu empfangen und die adaptive Impulsfolge (52) abhängig zumindest zum Teil von einer Charakteristik des Rückkopplungssignals (70) zu variieren.
Gate-Treiber nach Anspruch 2, wobei die Steuereinrichtung (40) dafür ausgelegt ist, die adaptive Impulsfolge (52) gemäß einer Charakteristik des Rückkopplungssignals (70) zu variieren, um die Sättigung des Schalters (20) zu steuern oder eine proportionale Ansteuerung des Schalters (20) zu ermöglichen, – oder – wobei das Rückkopplungssignal (70) eine Temperatur des Schalters (20) repräsentiert, und wobei die Steuereinrichtung (40) dafür ausgelegt ist, die adaptive Impulsfolge (52) gemäß der Temperatur des Schalters (20) zu variieren, um den Schalter (20) im Falle eines Überstroms auszuschalten.
Gate-Treiber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung (40) dafür ausgelegt ist, die adaptive Impulsfolge (52) durch Anpassen des Tastverhältnisses der Impulsfolge und/oder durch Anpassen einer Impulszahl der Impulsfolge zu variieren.
Gate-Treiber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Gate-Treiber (10) ferner einen Verstärker (44) umfasst und/oder wobei die Steuereinrichtung (40) einen adaptiven Impulsgeber (42) umfasst.
Gate-Treiber nach Anspruch 5, wobei die Steuereinrichtung (40) dafür ausgelegt ist, eine nicht verstärkte Impulsfolge zu erzeugen, und der Verstärker (44) dafür ausgelegt ist, die nicht verstärkte Impulsfolge zu empfangen und das verstärkte Ausgangssignal (V_D) zu erzeugen, oder wobei der Verstärker (44) dafür ausgelegt ist, ein verstärktes Signal zu erzeugen, und die Steuereinrichtung (40) dafür ausgelegt ist, das verstärkte Signal zu empfangen und die adaptive Impulsfolge (52) zu erzeugen, die das verstärkte Ausgangssignal (V_D) bildet.
System zum Schalten einer Hochleistungslast (30), das umfasst: – einen Schalter (20), der ein Gate, einen mit der Hochleistungslast (30) verbundenen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss umfasst, und – einen Gate-Treiber (10) zum Ansteuern des Gates des Schalters (20), wobei der Gate-Treiber (10) umfasst: – einen Steuereingang (12), der dafür ausgelegt ist, ein Steuersignal (V_IN) zu empfangen, und – einen Ausgang (16), der dafür ausgelegt ist, zum Ansteuern des Schalters ein verstärktes Ausgangssignal (V_D) dem Gate des Schalters (20) zuzuführen, – wobei der Gate-Treiber ferner eine Steuereinrichtung (40) mit einem adaptiven Inkrementierer (46) und einer Nachschlagetabelle (48) umfasst, wobei die Steuereinrichtung (40) zwischen dem Steuereingang (12) und dem Ausgang (16) angeschlossen ist und dafür ausgelegt ist, eine adaptive Impulsfolge (52) zu erzeugen, die abhängig von einer Charakteristik des Steuersignals (V_IN) variiert, wobei der adaptive Inkrementierer (46) dafür ausgelegt ist, eine Zahlenfolge zu erzeugen, deren Werte eine Einstellung einer Anstiegsgeschwindigkeit des Schalters (20) ermöglichen, und wobei die Nachschlagetabelle (48) dafür ausgelegt ist, die Zahlenfolge zugeführt zu bekommen und den durch den adaptiven Inkrementierer (46) erzeugten Werten der Zahlenfolge Werte zuzuordnen, die das Tastverhältnis des Ausgangssignals (V_D) repräsentieren, um so die Anstiegsgeschwindigkeit des Schalters (20) zu steuern.
System nach Anspruch 7, wobei der Gate-Treiber (10) ferner einen Rückkopplungseingang (14) umfasst, der dafür ausgelegt ist, ein Rückkopplungssignal (70) zu empfangen, und wobei die Steuereinrichtung (40) ferner dafür ausgelegt ist, das Rückkopplungssignal (70) zu empfangen und die adaptive Impulsfolge (52) abhängig zumindest zum Teil von einer Charakteristik des Rückkopplungssignals (70) zu variieren.
System nach Anspruch 8, wobei der Schalter (20) dafür ausgelegt ist, in Antwort auf das Ausgangssignal (V_D) des Gate-Treibers (10) einen Gate-Strom (I_C) vom ersten Anschluss zum zweiten Anschluss zu leiten, und das System ferner einen Stromsensor umfasst, der dafür ausgelegt ist, als Rückkopplungssignal (70) eine Messung des Gate-Stroms (I_C) des Schalters (20) bereitzustellen.
System nach Anspruch 8, wobei das Rückkopplungssignal (70) eine Temperatur des Schalters (20), eine Spannung am zweiten Anschluss des Schalters (20) oder eine Spannung am Gate des Schalters (20) repräsentiert, oder wobei das Rückkopplungssignal (70) als Verhältnis einer Spannung am ersten Anschluss zu einer Spannung am zweiten Anschluss des Schalters (20) berechnet wird.