DE102013022386B3

DE102013022386B3 - Kaskodeschaltung und Verfahren zum Betreiben derselben

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Publication number: DE102013022386B3
Application number: DE102013022386.5A
Authority: DE
Inventors: Mladen Ivankovic
Original assignee: Infineon Technologies Austria AG
Current assignee: Infineon Technologies Austria AG
Priority date: 2012-01-31
Filing date: 2013-01-30
Publication date: 2020-06-10
Anticipated expiration: 2033-01-31
Also published as: US20140118057A1; CN103227569B; CN103227569A; DE102013201562B4; US20130194026A1; US8653881B2; DE102013201562A1; US9281813B2

Abstract

Kaskodeschalter, der aufweist:einen ersten Leistungstransistor (Q2), der dazu ausgebildet ist, an eine Last (P1) gekoppelt zu werden; undeinen zweiten Leistungstransistor (Q1), der in Reihe zu dem ersten Leistungstransistor (Q2) gekoppelt ist, so dass der zweite Leistungstransistor (Q1) zwischen Masse und dem ersten Leistungstransistor (Q2) angeordnet ist,wobei der zweite Leistungstransistor (Q1) dazu ausgebildet ist, als Reaktion auf eine an ein Gate des zweiten Leistungstransistor (Q1) gekoppelte Impulsquelle (V1) ein- und auszuschalten,wobei der erste Leistungstransistor (Q2) dazu ausgebildet ist, als Reaktion auf die selbe Impulsquelle (V1) wie der zweite Leistungstransistor (Q1) oder eine an ein Gate des ersten Leistungstransistors (Q2) gekoppelte Gleichspannungsquelle (V4) einzuschalten,wobei der Kaskodeschalter weiterhin eine Gleichrichterdiode (D4) aufweist, die die Impulsquelle oder Gleichspannungsquelle an das Gate des ersten Leistungstransistors (Q2) koppelt, undwobei der Kaskodeschalter dazu ausgebildet ist, einen durch die Last fließenden Strom zu schalten.

Description

Die vorliegende Anmeldung betrifft Schalter, insbesondere Kaskodeschalter.
Kaskodeschalter sind üblicherweise mit zwei oder mehr MOSFETs (metal oxide semiconductor field effect transistors) oder IGBTs (insulated gate bipolar transsistors) ausgebildet, die in Reihe geschaltet sind. Beispielsweise ist in einem Zwei-Transistor-Kaskodeschalter ein Transistor an die Last gekoppelt und der zweite Transistor ist in Reihe zwischen den ersten Transistor und Masse geschaltet. Die Transistoren werden ein- und ausgeschaltet, um die Last wie gefordert oder gewünscht zu schalten. Die Lastspannung verteilt sich über alle in Reihe geschalteten Leistungstransistoren, die in dem Kaskodeschalter vorhanden sind. Zum Schalten einer Last mit 1000V, oder mehr, können beispielsweise zwei auf 800V ausgelegte MOSFETs in Reihe geschaltet werden.
Ein häufiges Thema bei Kaskodeschaltern ist, wie der High-Side-MOSFET oder -IGBT, das heißt, der am nächsten an die Last gekoppelte Transistor, anzusteuern ist. Bei herkömmlichen Ansätzen wird eine Hochspannungsquelle, wie beispielsweise eine Zenerdiode, die in Reihe zu einem Widerstand geschaltet ist, dazu verwendet, den High-Side-Transistor einzuschalten, und der durch den High-Side-Transistor fließende Strom wird dazu verwendet, den Transistor passiv auszuschalten. Der Low-Side-Transistor, das heißt, der am nächsten an Masse gekoppelte Transistor, wird durch eine getaktete Niederspannungsquelle ein- und ausgeschaltet. Der Nachteil dieses Ansatzes ist, dass das passive Ausschalten des High-Side-Transistors in hohem Maße abhängig ist von dem Laststrom, und während dem Ausschalten des High-Side-Transistors entstehen hohe Verluste in dem Spannungsbegrenzer des Low-Side-Transistors.
Die DE 10 2009 045 052 A1 beschreibt eine Schaltung mit einer Oszillatorschaltung, wobei die Oszillatorschaltung dazu ausgebildet ist, eine getaktete Ausgangsspannung zur Verfügung zu stellen. Die Oszillatorschaltung umfasst eine Halbbrücke mit einem High-Side-Schalter, einem Low-Side-Schalter und einem Ausgang, an dem die getaktete Ausgangsspannung zur Verfügung steht, und eine Ansteuerschaltung. Die Ansteuerschaltung ist dazu ausgebildet, den High-Side-Schalter und den Low-Side-Schalter abwechselnd leitend anzusteuern.
Die CN 2015 09153 U beschreibt einen Sperrwandler mit einem in Reihe zu einer Primärwicklung eines Transformators geschalteten Kaskodeschalter. Der Kaskodeschalter umfasst einen ersten und einen zweiten MOSFET, die in Reihe geschaltet sind, wobei der erste MOSFET zwischen die Primärwicklung und den zweiten MOSFET geschaltet ist und der zweite MOSFET zwischen den ersten MOSFET und Masse geschaltet ist. Der zweite MOSFET wird durch eine Impulsquelle leitend oder sperrend angesteuert. Zwischen ein Gate des ersten MOSFET und Masse ist eine Gleichspannungsquelle geschaltet, so dass der erste MOSFET abhängig von dem zweiten MOSFET leitet oder sperrt.
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine verbesserte Kaskodeschaltung und ein Verfahren zum Betreiben einer Kaskodeschaltung zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch Kaskodeschaltungen gemäß der Ansprüche 1 und 12 und durch Verfahren gemäß der Ansprüche 19 und 24 gelöst.
Hierin beschrieben sind Ausführungsbeispiele, bei denen eine Niederspannungsquelle dazu verwendet wird, einen High-Side-Transistor eines Kaskodeschalters einzuschalten. Andere hierin beschriebene Ausführungsbeispiele benutzen eine lokale Treiberstufe, um den High-Side-Transistor des Kaskodeschalters unabhängig von dem Laststrom aktiv auszuschalten. Verschiedene dieser Ausführungsbeispiele können wie hierin beschrieben miteinander kombiniert werden, um einen Kaskodeschalter zu erhalten, bei dem eine Niederspannungsquelle dazu verwendet wird, den High-Side-Transistor des Schalters einzuschalten, und der High-Side-Transistor unabhängig von einem Laststrom aktiv ausgeschaltet wird. Andere hierin beschriebene Ausführungsbeispiele ermöglichen eine Rückgewinnung eines Teils der zum Ausschalten des High-Side-Transistors verwendeten Ausschaltenergie, einen Avalancheschutz (engl.: avalanche protection) und verlustloses Schalten.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel einer Schaltung umfasst die Schaltung einen High-Side-Schalter, einen Low-Side-Schalter, eine Diode, einen Transformator mit einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung und einen an einen ersten Anschluss der Primärwicklung angeschlossenen Eingang. Der High-Side-Schalter weist ein Source, ein an eine Ansteuerquelle angeschlossenes Gate und ein an einen zweiten Anschluss der Primärwicklung angeschlossenes Drain auf. Von dem Low-Side-Schalter ist ein Source an Masse angeschlossen, ein Gate an eine Ansteuerquelle angeschlossen und ein Drain an das Source des High-Side-Schalters angeschlossen. Die Diode ist zwischen das Gate des High-Side-Schalters und den ersten Anschluss der Primärwicklung geschaltet. Die Diode bildet eine Stromschleife mit der Primärwicklung und dem High-Side-Schalter, um Strom zirkulieren zu lassen, wenn der Low-Side-Schalter ausgeschaltet ist, bis der High-Side-Schalter ausschaltet.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Schalten einer Last umfasst das Verfahren: das Ansteuern eines an einen ersten Anschluss einer Primärwicklung eines Transformators angeschlossenen Last, wobei der Transformator eine an die Last angeschlossene Sekundärwicklung aufweist; das Ein- und Ausschalten eines Low-Side-Schalters, der ein Drain, ein an Masse angeschlossenes Source, ein an eine Ansteuerquelle angeschlossenes Gate aufweist; Ein- und Ausschalten eines High-Side-Schalters, der ein an einen zweiten Anschluss der Primärwicklung angeschlossenes Drain, ein an das Drain des Low-Side-Schalters angeschlossenes Source und ein an eine Ansteuerquelle angeschlossenes Gate aufweist; und Zirkulieren eines Stroms in einer Schleife, die durch die Primärwicklung, den High-Side-Schalter und eine zwischen das Gate und den High-Side-Schalter geschaltete Diode und den ersten Anschluss der Primärwicklung aufweist, wenn der Low-Side-Schalter ausgeschaltet ist und der High-Side-Schalter ausschaltet.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel einer Schaltung umfasst die Schaltung einen Transformator mit einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung, einen an einen ersten Anschluss der Primärwicklung angeschlossenen Eingang, einen High-Side-Schalter mit einem Source, einem an eine Ansteuerquelle angeschlossenen Gate und ein an einen zweiten Anschluss der Primärwicklung angeschlossenes Drain, und einen Low-Side-Schalter mit einem an Masse angeschlossenen Source, einem an eine Ansteuerquelle angeschlossenen Gate und einem an das Source des High-Side-Schalters angeschlossenen Drain. Eine Diode ist zwischen das Gate des High-Side-Schalters und den ersten Anschluss der Primärwicklung geschaltet. Die Diode ist dazu ausgebildet, Strom in einer Schleife mit der Primärwicklung und dem High-Side-Schalter während dem Ausschalten des High-Side-Schalters zu zirkulieren und den Strom an die Sekundärwicklung über ein Magnetfeld in dem Transformator zu übertragen, wenn die Primärwicklung abgekoppelt ist, nachdem der High-Side-Schalter ausgeschaltet ist.
Fachleute werden nach Lesen der nachfolgenden detaillierten Beschreibung und nach Durchsicht der beigefügten Zeichnungen zusätzliche Merkmale und Vorteile erkennen.
Die Elemente der Zeichnung sind nicht notwendiger Weise maßstabsgerecht. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen entsprechende gleiche Teile. Die Merkmale der verschiedenen dargestellten Ausführungsbeispiele können miteinander kombiniert werden, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen. Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen dargestellt und sind in der nachfolgenden Beschreibung genau beschrieben.

1 veranschaulicht ein Blockdiagramm einer Schaltung mit einer Last und einem Kaskodeschalter, der an die Last gekoppelt ist, wobei der Kaskodeschalter einen High-Side-Leistungstransistor mit einem Eingang für eine Niederspannungsquelle aufweist.
2 veranschaulicht ein Blockdiagramm einer Schaltung mit einer Last, einem an die Last gekoppelten Kaskodeschalter und einer Anordnung zum aktiven Ausschalten eines High-Side-Transistors des Kaskodeschalters unabhängig von einem Laststrom.
3 veranschaulicht ein Blockdiagramm einer Schaltung mit einer Last und einem an die Last gekoppelten Kaskodeschalter, wobei der Kaskodeschalter einen High-Side-Leistungstransistor und einen Low-Side-Leistungstransistor aufweist, die an den selben Eingang für die Niederspannungsquelle gekoppelt sind.
4 veranschaulicht ein Blockdiagramm einer Schaltung mit einer Last und einem an die Last gekoppelten Kaskodeschalter, wobei der Kaskodeschalter einen High-Side-Leistungstransistor und einen Low-Side-Leistungstransistor aufweist, die an verschiedene Eingänge für Niederspannungsquellen gekoppelt sind.
5 veranschaulicht ein Blockdiagramm einer Schaltung mit einer Last, einem an die Last gekoppelten Kaskodeschalter und einer Energierückgewin nungsanord n u ng.
6 veranschaulicht ein Blockdiagramm einer Schaltung mit einer Last, einem an die Last gekoppelten Kaskodeschalter und einem Bipolartransistor zum aktivem Ausschalten eines High-Side-Transistors des Kaskodeschalters unabhängig von einem Laststrom.
7 veranschaulicht ein Blockdiagramm einer Schaltung mit einer Last, einem an die Last gekoppelten Kaskodeschalter und einem Bipolartransistor zum aktiven Ausschalten mehrerer Leistungstransistoren des Kaskodeschalters unabhängig von einem Laststrom.
8 veranschaulicht ein Blockdiagramm einer Schaltung mit einer Last, einem an die Last gekoppelten Kaskodeschalter und einer Spannungsbegrenzungsschaltung für den Kaskodeschalter.
9 veranschaulicht eine Blockdiagramm einer Schaltung, die eine Last und einen an die Last gekoppelten Kaskodeschalter aufweist und die ein verlustloses Schalten bietet.
10 veranschaulicht ein Blockdiagramm einer Halbbrücken-Sperrwandlerschaltung (engl.: half bridge flyback circuit).
11 veranschaulicht ein Blockdiagramm einer Halbbrücken-Sperrwandlerschaltung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
12 veranschaulicht ein Blockdiagramm einer Halbbrücken-Durchflusswandlerschaltung (engl.: half bridge forward converter circuit).
13 veranschaulicht ein Blockdiagramm einer Halbbrücken-Durchflusswandlerschaltung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.

1 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel eines Kaskodeschalters 100, der an eine Last 110 gekoppelt ist. Die Last 110 ist weiterhin an eine Eingangsquelle 120 geschaltet. Der Kaskodeschalter 100 schaltet die Last und umfasst einen ersten Leistungstransistor 102, der an die Last 110 gekoppelt ist, und einen zweiten Leistungstransistor 104, der in Reihe zu dem ersten Leistungstransistor 102 gekoppelt ist, so dass der zweite Leistungstransistor 104 zwischen Masse und dem ersten Leistungstransistor 102 ist. Bei einem Ausführungsbeispiel sind die kaskodierten Transistoren 102, 104 Leistungs-MOSFETs. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel sind die kaskodierten Transistoren 102, 104 IGBTs. In jedem Fall schaltet der zweite Leistungstransistor 104 (der nachfolgend auch als Low-Side-Transistor oder -Schalter bezeichnet wird) als Reaktion auf eine an das Gate des Low-Side-Transistors 104 gekoppelte Impuls-Niederspannungsquelle 130 ein und aus.
Der erste Leistungstransistor 102, der hier auch als der High-Side-Transistor oder -Schalter bezeichnet wird, schaltet als Reaktion auf die selbe Impulsquelle wie der zweite Leistungstransistor oder auf eine an das Gate des High-Side-Transistors 102 gekoppelte Gleichspannungsquelle 130 ein und aus. Im ersten Fall werden beide Transistoren 102, 104 der Kaskodeschaltung 100 durch die selbe Impulsquelle angesteuert, die beispielsweise durch eine Steuerschaltung bereitgestellt wird. Im zweiten Fall wird der Low-Side-Transistor 104 durch die Impulsquelle angesteuert und der High-Side-Transistor 102 wird durch eine Versorgungsgleichspannung angesteuert, die beispielsweise ebenfalls durch die Steuerschaltung bereitgestellt wird. Das zweite Szenario, bei dem der High-Side-Transistor 102 durch eine Versorgungsgleichspannung angesteuert wird, kann für Hochspannungsanwendungen, beispielsweise 1000V und höher, günstiger sein. In jedem Fall wird bei diesem Ausführungsbeispiel keine Hochspannungsquelle verwendet, um den High-Side-Transistor 102 einzuschalten. Stattdessen wird sowohl für den High-Side- als auch den Low-Side-Transistor 102, 104 der Kaskodeschaltung 100 eine Niedervoltansteuerung beim Einschalten verwendet.
2 veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel, einer Kaskodeschaltung 200, die an eine Last gekoppelt ist. Die Kaskodeschaltung 200 besitzt dieselbe Reihenanordnung von Leistungstransistoren 102, 104 wie in 1, allerdings ist der High-Side-Transistor 102 an eine lokale Treiberstufe 202 gekoppelt, die den High-Side-Transistor 102 unabhängig von einem Laststrom aktiv ausschaltet. Die High-Side- und Low-Side-Leistungstransistoren 102, 104 können jeweils eine Niederspannungs-Eingangsquelle 130 aufweisen, wie zuvor anhand von 1 beschrieben, oder der High-Side-Transistor 102 kann stattdessen alternativ eine Hochspannungs-Eingangsquelle aufweisen. Der High-Side-Transistor 102 wird aktiv unabhängig von einem Laststrom durch die lokale Treiberstufe 202 ausgeschaltet. Die in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiele können miteinander kombiniert werden, um einen Kaskodeschalter zu erhalten, bei dem eine Niederspannungsquelle dazu verwendet wird, den High-Side-Transistor 102 einzuschalten, und der High-Side-Transistor 102 unabhängig von dem Laststrom ebenfalls aktiv ausgeschaltet wird.
3 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel eines Kaskodeschalters 300, der an eine Last gekoppelt ist. Die Last ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel ein Transformator, der eine Primärwicklung (P1) und eine Sekundärwicklung (S1) aufweist. Die Primärwicklung P1 ist an eine Eingangsquelle V2 angeschlossen, und die Sekundärwicklung S1 ist an eine Last, die durch eine Spannung V3 repräsentiert ist, über eine Gleichrichterdiode D3 angeschlossen. Der Kaskodeschalter 300 umfasst einen High-Side-MOSFET Q2, der an die Primärwicklung P1 gekoppelt ist, und einen Low-Side-MOSFET Q2, der in Reihe zwischen Masse und den High-Side-MOSFET Q1 gekoppelt ist. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist das Gate des Low-Side-MOSFET Q1 über einen Widerstand R1 an eine Impuls-Niederspannungsquelle V1 gekoppelt. Das Gate des High-Side-MOSFET Q2 ist über einen Widerstand R2 und eine Gleichrichterdiode D4 an dieselbe Impuls-Niederspannungsquelle V1 gekoppelt wie der Low-Side-MOSFET Q1. Die Kathode der Gleichrichterdiode D4 ist an den Widerstand R2 angeschlossen und die Anode ist an die Impulsquelle V1 angeschlossen. Die Leistungstransistoren Q1 und Q2 des Kaskodeschalters 300 werden bei diesem Ausführungsbeispiel durch dieselbe Impuls-Niederspannungsquelle V1 angesteuert.
Der Kaskodeschalter 300, der in 3 dargestellt ist, umfasst weiterhin eine Diode D2, die als Spannungsbegrenzer funktioniert, zum Halten der Gate-Source-Spannung (Vgs) des High-Side-MOSFET Q2 unterhalb eines sicheren Pegels, beispielsweise 20V. Üblicherweise ist die Amplitude der Impuls-Niederspannungsquelle V1 niedriger als dieser sichere Pegel (20V bei diesem Beispiel) und die Spannungsbegrenzer-Diode D2 ist aus Sicherheitsgründen vorhanden. Das Gate des High-Side-MOSFET Q2 ist ebenfalls an die Anode der Gleichrichterdiode D5 gekoppelt, deren Kathode an die Kathode der Transienten-Spannungsunterdrückungsdiode (engl.: transient voltage suppression diode, TVS-Diode) D1 angeschlossen ist. Die Anode der TVS-Diode D1 ist an Masse angeschlossen. Die TVS-Diode D1 funktioniert als Hochspannungs-Zenerdiode.
Während dem Einschalten des Kaskodeschalters 300 schaltet die Impulsquelle V1 den Low-Side-MOSFET Q1 ein und die Gleichrichterdiode D4 beginnt zu leiten. Im leitenden Zustand lädt die Gleichrichterdiode D4 die Eingangskapazität des High-Side-MOSFET Q2 über den Widerstand R2, wodurch der High-Side-MOSFET Q2 eingeschaltet wird.
Während dem Ausschalten des Kaskodeschalters 300 schaltet die Impulsquelle V1 den Low-Side-MOSFET Q1 aus, was wiederum dazu führt, dass die Drain-Source-Spannung Vds von Q1 anzusteigen beginnt. Wenn Vds des MOSFET Q1 eine Schwellenspannung der TVS-Diode D1 erreicht, beginnt die Gleichrichterdiode D5 zu leiten und der Laststrom wechselt von dem Low-Side-MOSFET Q1 zu der TVS-Diode D1. Der Laststrom geht durch den Gate-Source-Kondensator Cgs des High-Side-MOSFET Q2, wodurch Cgs entladen wird. Der High-Side-MOSFET Q2 schaltet aus, wenn Cgs entladen ist. Damit hängt das Ausschalten des High-Side-MOSFET Q2 bei diesem Ausführungsbeispiel vom Laststrom ab. Wenn Vgs die Vorwärtsspannung (-Vfs) der Spannungsbegrenzer-Diode D2 erreicht, wechselt der Strom von Cgs zu der Diode D2. Der Strom fließt durch die Spannungsbegrenzer-Diode D2 bis der High-Side-MOSFET Q2 vollständig ausschaltet.
4 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel eines Kaskodeschalters 400, das ähnlich dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist, der Low-Side-MOSFET Q2 wird allerdings durch die Impulsquelle V1 angesteuert und der High-Side-MOSFET Q1 wird durch eine Gleichspannungsquelle V4 angesteuert. Das in Figur dargestellte Ausführungsbeispiel kann daher für Hochspannungsanwendungen, beispielsweise 1000V und höher, günstiger sein.
Als nächstes werden zusätzliche Ausführungsbeispiele eines Kaskodeschalters beschrieben. Zur Erleichterung der Darstellung sind die High-Side- und Low-Side-Transistoren des Kaskodeschalters so dargestellt, dass sie in jedem dieser Ausführungsbeispiele an dieselbe Niederspannungs-Impulsquelle angeschlossen sind. Allerdings können die High-Side- und Low-Side-Transistoren an unterschiedliche Eingangsquellen angeschlossen sein, wie oben beschrieben ist.
5 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel eines Kaskodeschalters 500, das ähnlich den in 3 dargestellten ist, allerdings ist die Kathode der Gleichrichterdiode D5 an eine Energierückgewinnungsschaltung 510 anstelle einer TVS-Diode gekoppelt. Die Energierückgewinnungsschaltung 510 umfasst Kondensatoren C1 und C2, und Gleichrichterdioden D1, D10 und D11. Die Energierückgewinnungsschaltung 510 speichert Energie aus dem Ausschalten des Laststroms durch die Kaskode-Leistungstransistoren Q1 und Q2 und verwendet die gespeicherte Energie wieder, um die Last während eines nachfolgenden Schaltzyklus der Leistungstransistoren Q1 und Q2 zu versorgen. Die in 5 dargestellte Schaltung umfasst außerdem einen Vollwellengleichrichter (engl.: full wave rectifier) 520, der die Dioden D6, D7, D8 and D9 aufweist, zum Gleichrichten einer Eingangswechselspannungsquelle V2 in Richtung der Last.
Während dem Einschalten des Kaskodeschalters 500 schaltet die Impulsquelle V1 den Low-Side-MOSFET Q1 ein und die Gleichrichterdiode D4 beginnt zu leiten, wodurch die Eingangskapazität des High-Side-MOSFET Q2 über den Widerstand R2 geladen wird. Der High-Side-MOSFET Q2 schaltet als Reaktion hierauf ein. Die Spannungsbegrenzer-Diode D2 hält Vgs des High-Side-MOSFET Q2 unterhalb eines sicheren Pegels, wie hierin zuvor beschrieben wurde.
Während dem Ausschalten des Kaskodeschalters 500 schaltet die Impulsquelle V1 den Low-Side-MOSFET Q1 aus und Vgs von Q1 beginnt entsprechend anzusteigen. Wenn Vds des Low-Side-MOSFET Q1 die Hälfte der Busspannung (d. h. die Hälfte der Spannung über C1, D10, C2 oder, in anderen Worten, die gleichgerichtete Eingangsspannung) erreicht, beginnt die Gleichrichterdiode D5 zu leiten und der Laststrom wechselt von dem Low-Side-MOSFET Q1 zu dem Eingangskondensator C1 der Energierückgewinnungsschaltung 510. Der Laststrom fließt auch durch Cgs des High-Side-MOSFET Q2. Wenn Cgs des High-Side-MOSFET Q2 als Reaktion auf den Laststrom entladen ist, schaltet der High-Side-MOSFET Q2 aus. Wenn Vgs des High-Side-MOSFET Q2 -Vf der Spannungsbegrenzer-Diode erreicht wechselt der Strom von Cgs zu der Spannungsbegrenzer-Diode D2. Der Strom fließt durch D2 bis der High-Side-MOSFET Q2 vollständig ausschaltet. Anstatt die Energie in der TVS-Diode zu dissipieren, wie dies bei den in den 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispielen erfolgt, wird die Energie in dem Kondensator C1 der Energierückgewinnungsschaltung 510 gehalten und wird im nächsten Schaltzyklus der Kaskodeschaltung 500 wieder verwendet, um die Effizienz zu verbessern. Die Dioden D1, D10, D11 bilden zusammen mit den Kondensatoren C1 und C2 eine passive Faktorkorrekturschaltung (engl.: passive factor correction circuit), die einen Teil der Schaltenergie zurück gewinnt.
6 veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Kaskodeschaltung 600, das ähnlich dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist, allerdings ist ein zusätzliches Bauelement vorhanden, dass an das Gate des High-Side-MOSFET Q2 gekoppelt ist und das den High-Side-MOSFET Q2 unabhängig von einem Laststrom aktiv ausschaltet. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist das Bauelement ein Bipolar-Sperrschichttransistor (bipolar junction transistor, BJT) Q3 mit einer Basis, die an einen Knoten zwischen der Kathode der Gleichrichterdiode D4 und der Anode der Gleichrichterdiode D2 gekoppelt ist, einem Emitter, der an das Gate des High-Side-MOSFET Q2 an einem Knoten zwischen der Kathode der Gleichrichterdiode D2 und dem Widerstand R2 gekoppelt ist, und einem Kollektor, der an einen Knoten zwischen der Reihenschaltung der High-Side- und Low-Side-MOSFETs Q1 und Q2 gekoppelt ist. Ein Widerstand R3 ist an die Basis und den Kollektor des BJT Q3 gekoppelt.
Während dem Einschalten des Kaskodeschalters 600 schaltet die Impulsquelle V1 den Low-Side-MOSFET Q1 ein und die Gleichrichterdioden D2 und D4 beginnen zu leiten und laden die Eingangskapazität des High-Side-MOSFET Q2 über den Widerstand R2. Der High-Side-MOSFET Q2 schaltet als Reaktion hierauf ein. Der BJT Q3 ist aus, da die Basis-Emitter-Spannung (Vbe) von Q3 negativ ist.
Während dem Ausschalten des Kaskodeschalters 600 schaltet die Impulsquelle V1 den Low-Side-MOSFET Q2 aus und Vds von Q1 beginnt anzusteigen. Dies wiederum bewirkt, dass die Dioden D2 und D4 in Sperrrichtung gepolt werden und der BJT-Transistor Q3 leitet und Cgs des High-Side-MOSFET Q2 entlädt, wodurch Q2 ausgeschaltet wird. Die Spannung an beiden MOSFETs Q1 und Q2 steigt gleichzeitig an. Der Ausschaltzeitpunkt des High-Side-MOSFET Q2 ist nicht abhängig von dem Laststrom bei diesem Ausführungsbeispiel, d. h., dass dennoch eine geringe Abhängigkeit des Ausschaltzeitpunktes von dem Laststrom vorhanden sein kann, wie beispielsweise im Fall eines einzelnen MOSFET. Die Schaltungstopologie führt nicht zu einer zusätzlichen Abhängigkeit des Ausschaltzeitpunkts vom Laststrom.
7 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel eines Kaskodeschalters 700, das ähnlich dem in 6 dargestellten Ausführungsbeispiel ist, allerdings ist ein zusätzlicher Leistungstransistor Q4 in Reihe zu den ersten und zweiten Leistungstransistoren Q1 und Q2 geschaltet, so dass eine an die Last angelegte Spannung über alle in Reihe geschalteten Leistungstransistoren verteilt wird. Ein zusätzlicher BJT Q5 ist in derselben Konfiguration vorhanden wie der BJT Q3 zum aktiven Ausschalten des Leistungstransistors Q4 unabhängig von dem Laststrom. Genauer, der BJT Q5 besitzt eine Basis, die an einen Knoten zwischen der Kathode der Gleichrichterdiode D4 und der Anode der Gleichrichterdiode D1 gekoppelt ist, einen Emitter, der an das Gate des Leistungstransistors Q4 an einem Knoten zwischen der Kathode der Gleichrichterdiode D1 und dem Widerstand R4 gekoppelt ist, und einen Kollektor, der an einem Knoten zwischen der Reihenschaltung der Leistungstransistoren Q4 und Q2 gekoppelt ist. Der Widerstand R5 ist zwischen die Basis und den Kollektor des BJT Q5 gekoppelt.
Während dem Einschalten des Kaskodeschalters 700 schaltet die Impulsquelle V1 den MOSFET Q1 ein und die Gleichrichterdioden D5 und D2 beginnen zu leiten und die Eingangskapazität des Leistungstransistors Q2 über den Widerstand R2 zu laden. Als Reaktion hierauf schaltet der Transistor Q2 ein. Der BJT-Transistor Q3 ist aus, da Vbe von Q3 negativ ist. Die Gleichrichterdioden D4 und D1 beginnen ebenfalls zu leiten und die Eingangskapazität des Leistungstransistors Q4 über den Widerstand R4 zu laden, und als Reaktion hierauf schaltet Q4 ein. Der BJT-Transistor Q5 ist ebenfalls aus, da Vbe von Q5 negativ ist.
Während dem Ausschalten des Kaskodeschalters 700 schaltet die Impulsquelle V1 den MOSFET Q1 aus und Vds von Q1 beginnt anzusteigen. Dies wiederum bewirkt, dass die Dioden D2 und D5 in Sperrrichtung gepolt werden und dass der BJT-Transistor Q3 leitet und Cgs des MOSFET Q2 entlädt. Als Reaktion hierauf schaltet der Transistor Q2 aus. In ähnlicher Weise werden die Gleichrichterdioden D1 und D4 in Sperrrichtung gepolt und der BJT-Transistor Q5 leitet und entlädt Cgs von MOSFET Q4, und Q4 schaltet aus. Die Spannung steigt bei allen drei MOSFETs Q1, Q2 und Q4 gleichzeitig an. Wie bei dem in 6 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Ausschaltzeitpunkt der MOSFETs Q1, Q2 und Q4 bei diesem Ausführungsbeispiel nicht vom Laststrom abhängig, d. h., dass dennoch eine geringe Abhängigkeit des Einschaltzeitpunkts vom Laststrom vorhanden sein kann, wie beispielsweise bei einem einzelnen Transistor. Auch diese Schaltungstopologie führt nicht zu einer zusätzlichen Abhängigkeit des Ausschaltzeitpunktes vom Laststrom.
Während dem Ausschalten und auf Grund von Bauelementtoleranzen kann einer der in dem Kaskodeschalter vorhandenen Leistungstransistoren eine maximale Spannung vor dem/den anderen erreichen. Dieser Transistor geht in einen Avalanche-Betrieb über, bis der andere Leistungstransistor ausschaltet. Die Dauer des Avalanche ist sehr kurz, beispielsweise weniger als 20ns, und die in dem Leistungstransistor dissipierte Avalanche-Energie ist üblicherweise sicher unterhalb der Avalanche-Energie des Transistors. Wenn der Leistungstransistor allerdings keine Avalanche-Fähigkeit besitzt, kann eine Spannungsbegrenzer eingefügt werden.
8 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel eines Kaskodeschalters 800, das ähnlich dem in 6 dargestellten Ausführungsbeispiel ist, wobei eine Spannungsbegrenzungsschaltung hinzugefügt ist. Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel umfasst ein erster Spannungsbegrenzer eine Gleichrichterdiode D6 und eine TVS-Diode D1, die parallel zu dem MOSFET Q2 geschaltet sind. Die TVS-Dioden D1 und D8 funktionieren als Hochspannungs-Zenerdioden, um den MOSFET Q1 bzw. Q2 zu schützen. Die ersten und zweiten Spannungsbegrenzer schützen die MOSFETs Q1 und Q2 durch Verhindern oder wenigstens Minimieren von Avalanche-Bedingungen. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist eine Gleichrichterdiode D5 anstelle der Dioden D6, D1, D7 und D8 vorgesehen. Die Gleichrichterdiode D5 umfasst eine Kathode, die an die Lastquelle V2 gekoppelt ist, und eine Anode, die an das Source des Low-Side-MOSFET Q1 gekoppelt ist, und schützt Q1 vor Avalanche-Bedingungen. In diesem Fall übernimmt der MOSFET Q1 die Eingangsspannung und der High-Side-MOSFET Q2 übernimmt eine von dem Transformator reflektierte Spannung und die durch Leckinduktivitäten (engl.: leakage inductances) bewirkten Spitzen.
An dem zuvor beschriebenen Kaskodeschaltern können weitere Verbesserungen vorgenommen werden. Ein verlustloses Schalten kann beispielsweise dadurch sichergestellt werden, dass die von dem Transformator reflektierte Spannung gleich der Last-Eingangsschaltung ist und dass der Kaskodeschalter eingeschaltet wird, wenn die Spannung gleich oder nahezu Null ist.
9 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel eines Kaskodeschalters 9, das ähnlich dem in 6 gezeigten Ausführungsbeispiel ist. Verglichen mit 6 besitzt der in 9 gezeigte Kaskodeschalter 900 einen zusätzlichen Kondensator C1 der parallel zu den in Reihe geschalteten Leistungs-MOSFETs Q1 und Q2 gekoppelt ist, und einen Widerstand R4, der eine Impulsspannungsquelle V1 an die Anode einer Gleichrichterdiode D4 koppelt. Der Widerstand R4 ermöglicht ein asymmetrisches Schalten des Kaskodeschalters 900, d. h. unterschiedliche Einschalt- und Ausschaltperioden. Wenn die MOSFETs Q1 und Q2 ausschalten wechselt der Strom von den MOSFETs Q1 und Q2 zu dem Kondensator C1. Der Laststrom lädt den Kondensator C1, und es gibt keine Verluste in dem Kaskodeschalter 900, da der Kondensator C1 durch den Laststrom geladen wird, bis die Spannung einen bestimmten Wert erreicht, wenn die Sekundärdiode D3 beginnt zu leiten. Wenn die gesamte Energie aus dem Transformator (P1/S1) an die Sekundärwicklung S1 abgegeben wurde, hört die Diode D3 auf, zu leiten, und die Energie beginnt zwischen der Schalterkapazität (MOSFETs +C1) und den Transformatorinduktivitäten zu oszillieren. Wenn die Spannung an dem Kaskodeschalter 900 Null erreicht, schaltet der Schalter 900 ein und die in dem Kondensator C1 gespeicherte Ausschaltenergie wird an die Last-Eingangsquelle entladen.
10 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer Halbbrücken-Sperrwandlerschaltung, das ähnlich dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist, allerdings ist die Diode D5 zwischen das Gate des High-Side-Schalters Q2 und den an die Eingangsquelle V2 angeschlossenen Anschluss der Primärwicklung P1 geschaltet. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel bietet die Diode D5 eine Stromzirkulationsschleife mit der Primärwicklung P1 und dem High-Side-Schalter Q2 während dem Ausschalten des High-Side-Schalters Q2.
Im Detail: Der High-Side-Schalter Q2 besitzt ein Source, ein Gate, das über den Widerstand R2 und die Diode D4 an eine gepulste Ansteuerquelle V2 angeschlossen ist, und ein Drain, das an einen zweiten Anschluss der Primärwicklung P1 angeschlossen ist. Der Low-Side-Schalter Q1 besitzt ein Source, das an Masse angeschlossen ist, ein Gate, das an die gepulste Ansteuerquelle V1 über den Widerstand R2 angeschlossen ist, und ein Drain, das an das Source des High-Side-Schalters Q2 angeschlossen ist. Die Anode der Diode D5 ist an das Gate des High-Side-Schalters Q2 angeschlossen, und die Kathode der Diode D5 ist an den Eingangsanschluss der Primärwicklung P1 angeschlossen.
Die Diode D5, die Primärwicklung P1 und der High-Side-Schalter Q2 bilden eine Stromschleife, wenn der Low-Side-Schalter Q1 ausgeschaltet ist und der High-Side-Schalter Q2 im Prozess des Ausschaltens ist. Der in dieser Schleife zirkulierende Strom wird an die Sekundärwicklung S1 des Transformators übertragen, nachdem der High-Side-Schalter Q2 ausgeschaltet ist, wodurch die Energie erhalten und die Effizienz der Schaltung erhöht wird. Hierzu ist die Anode der Diode D3 an einen Anschluss der Sekundärwicklung S1 angeschlossen und die Kathode der Diode D3 ist an die Last angeschlossen. Die Last ist in 10 durch die Spannung V3 repräsentiert. Die Diode D5 überträgt Strom von der Schleife an die Sekundärwicklung S1 über das Magnetfeld in dem Transformator, wenn die Primärwicklung P1 abgekoppelt ist, nachdem der High-Side-Schalter ausgeschaltet ist und die Diode D3 in Flussrichtung gepolt ist. Die Diode D3 wird in Flussrichtung gepolt, wenn der High-Side-Schalter Q2 ausschaltet. Der High-Side-Schalter Q2 schaltet aus und die Diode D3 wird in Flussrichtung gepolt, wenn der in der Schleife fließende Strom die Gate-Source-Kapazität (C_GS ) des High-Side-Schalters Q2 entlädt.
Der Strom in der durch die Diode D5, die Primärwicklung D1 und den High-Side-Schalter Q2 gebildeten Schleife geht durch die Gate-Source-Kapazität C_GS des High-Side-Schalters Q2. Die Stromschleife ist vorhanden, wenn die Diode D5 in Flussrichtung gepolt ist und der High-Side-Schalter Q2 ausschaltet. Die Diode D5 wird in Flussrichtung gepolt, wenn die Drain-Source-Spannung (V_DS ) des High-Side-Schalters Q2 über einen Spannungspegel an dem Halbbrückeneingang (V2) ansteigt. Die Drain-Source-Spannung V_DS des High-Side-Schalters Q2 steigt über den Spannungspegel am Eingang nach einer Zeitdauer an, nach der der Low-Side-Schalter Q1 beginnt auszuschalten. Der Low-Side-Schalter Q1 beginnt auszuschalten, wenn die gepulste Quelle V1 deaktiviert ist. Dies wiederum bewirkt, dass die Drain-Source-Spannung V_DS des Low-Side-Schalters Q1 anzusteigen beginnt. Wenn V_DS des Low-Side-Schalters Q1 die Eingangsspannung V2 erreicht, beginnt die Diode D5 zu leiten und der Laststrom wechselt von dem Low-Side-Schalter Q1 zu der Diode D5. Energie wird in der durch die Diode D5, die Primärwicklung P1 und den High-Side-Schalter Q2 gebildeten Stromschleife erhalten, wenn die Diode D5 leitet und C_GS des High-Side-Schalters Q2 entlädt.
Die Spannungsbegrenzer-Diode D2 hält die Stromschleife aufrecht, nachdem C_GS des High-Side-Schalters Q2 vollständig entladen ist und Q2 ausschaltet. Das Ausschalten des High-Side-Schalters Q2 ist abhängig von dem Laststrom bei diesem Ausführungsbeispiel. Wenn die Gate-Source-Spannung (V_GS ) des High-Side-Schalters Q2 die Flussspannung der Spannungsbegrenzer-Diode D2 erreicht, wechselt der Strom von C_GS des High-Side-Schalters Q2 zu der Diode D2. Strom fließt durch die Spannungsbegrenzer-Diode D2 bis der High-Side-Schalter Q2 vollständig ausschaltet. Wenn der High-Side-Schalter Q2 ausschaltet, steigt die Drain-Source-Spannung (V_GS ) von Q2 an, bis die Spannung an der Sekundärwicklung S1 gleich V3 wird und die Diode D3 zu leiten beginnt, wodurch Energie von der Primärseite des Transformators zu der Sekundärseite übertragen wird.
11 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer Halbbrücken-Sperrwandlerschaltung, das ähnlich dem in 10 dargestellten Ausführungsbeispiel ist, allerdings sind das Gate des High-Side-Schalters Q2 und das Gate des Low-Side-Schalters Q1 an unterschiedliche Ansteuerquellen angeschlossen. Bei dem in 10 dargestellten Ausführungsbeispiel sind beide Schalter-Gates an dieselbe Ansteuerquelle V1 für eine gepulste Spannung angeschlossen. Insbesondere ist der High-Side-Schalter Q2 über den Widerstand R2 und die Diode D4 an die Ansteuerquelle V1 für die gepulste Spannung angeschlossen, und der Low-Side-Schalter Q2 ist über den Widerstand R1 an die Ansteuerquelle V1 für die gepulste Spannung angeschlossen. Auf diese Weise sind die Gates beider Schalter Q1, Q2 über den selben Pin zugänglich, d. h. den Pin, der für die Ansteuerquelle V1 für die gepulste Spannung vorgesehen ist.
Im Gegensatz dazu zeigt 11, dass das Gate des High-Side-Schalters Q2 und das Gate des Low-Side-Schalters Q1 an unterschiedliche Ansteuerquellen angeschlossen sind. Insbesondere ist das Gate des High-Side-Schalters Q2 an eine Gleichspannungs-Ansteuerquelle V4 über den Widerstand R2 und die Diode D4 angeschlossen. Die Gleichspannungs-Ansteuerquelle V4 kann eine interne V_CC-Versorgung für die Schaltung sein, wodurch das Gate des High-Side-Schalters Q2 nicht extern zugänglich ist. Das Gate des Low-Side-Schalters ist an die Ansteuerquelle V1 für die gepulste Spannung über den Widerstand R2 angeschossen. Die Quelle V2 für die gepulste Spannung ist eine externe Quelle, für die ein Pin vorgesehen ist, wodurch das Gate des Low-Side-Schalters Q2 über diesen Pin extern zugänglich ist. Der Low-Side-Schalter Q2 kann beispielsweise auf einem von dem Chip (engl.: die) des High-Side-Schalters Q2 getrennten Halbleiterchip vorgesehen sein. In diesem Fall ist das Gate des Low-Side-Schalters Q1 über den Pin extern zugänglich, der für den Eingang der Ansteuerquelle für die gepulste Spannung verwendet wird. Das Gate des High-Side-Schalters Q2 wird bei diesem Ausführungsbeispiel durch eine interne Gleichspannungsversorgungsspannung V4 versorgt und ist daher nicht extern über einen Pin zugänglich.
12 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer Halbbrücken-Durchflusswandlerschaltung. Die Halbbrücken-Durchflusswanderschaltung leitet Energie direkt an den Ausgang des Durchflusswandlers durch den Transformator während einer leitenden Phase des Schalters. Während des Einschaltens der Halbbrücke, d.h. Q1 und Q2 leiten, gibt es zwei parallele Prozesse. Bei einem Prozess ist die Diode D7 direkt vorgespannt (leitend) und Strom fließt von der Eingangsspannungsquelle V2 über den Transformator (die Primärwicklung P1 und Sekundärwicklung S2 sind aktiv) und die Spule L1 an die Last, die durch die Parallelanordnung des Widerstands R3 und des Kondensators C1 repräsentiert ist. Im zweiten Prozess sind die Primärseite des Transformators der Eingangsspannungsquelle V2 ausgesetzt. Während der Einschaltdauer steigt der Magnetisierungsstrom von Null auf einen Wert Im an.
Während dem Ausschalten, wenn Q1 und Q2 ausschalten, tritt der folgende Prozess auf. Das Impulsquellenausgangssignal wird Null, was bewirkt, dass der Low-Side-Schalter Q21 ausschaltet. Dies wiederum bewirkt, dass die Drain-Source-Spannung (Vds) von Q1 ansteigt. Wenn Vds von Q1 einen bestimmten Pegel des Eingangsspannungssignals erreicht, teilt sich der Strom in zwei Teile auf: Einen Laststrompfad (der durch L1 geht) und einen Magnetisierungsstrompfad (der durch D5 geht).
Im Laststrompfad wird die Diode D7 in Sperrrichtung gepolt und schaltet schließlich ab. Diese wiederum bewirkt, dass die Diode D6 zu leiten beginnt und den Spulenstrom L1 weiterhin führt. In dem Magnetisierungsstrompfad beginnt die Diode D5 zu leiten und der Magnetisierungsstrom entlädt die Gate-Source-Kapazität (C_GS ) des High-Side-Schalters Q2, wodurch Q2 ausschaltet. Wenn der High-Side-Schalter Q2 aus ist, steigt die Spannung auf den Pegel der Eingangsspannung V2 an (beispielsweise, wenn die Anzahl der Wicklungen von P1 und S1 die selben sind, oder V2*Ns1/Np1), dann beginnt die Diode D3 zu leiten und führt Magnetisierungsstrom zurück an die Eingangsspannungsquelle V2.
13 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer Halbbrücken-Durchflusswandlerschaltung, das ähnlich dem in 12 dargestellten Ausführungsbeispiel ist, allerdings sind das Gate des High-Side-Schalters Q2 und das Gate des Low-Side-Schalters Q1 an unterschiedliche Ansteuerquellen V4, V1 angeschlossen, wie zuvor beschrieben wurde, beispielsweise anhand von 11.
Selbstverständlich können Merkmale der verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden, sofern nichts anders angegeben ist.

Claims

Kaskodeschalter, der aufweist: einen ersten Leistungstransistor (Q2), der dazu ausgebildet ist, an eine Last (P1) gekoppelt zu werden; und einen zweiten Leistungstransistor (Q1), der in Reihe zu dem ersten Leistungstransistor (Q2) gekoppelt ist, so dass der zweite Leistungstransistor (Q1) zwischen Masse und dem ersten Leistungstransistor (Q2) angeordnet ist, wobei der zweite Leistungstransistor (Q1) dazu ausgebildet ist, als Reaktion auf eine an ein Gate des zweiten Leistungstransistor (Q1) gekoppelte Impulsquelle (V1) ein- und auszuschalten, wobei der erste Leistungstransistor (Q2) dazu ausgebildet ist, als Reaktion auf die selbe Impulsquelle (V1) wie der zweite Leistungstransistor (Q1) oder eine an ein Gate des ersten Leistungstransistors (Q2) gekoppelte Gleichspannungsquelle (V4) einzuschalten, wobei der Kaskodeschalter weiterhin eine Gleichrichterdiode (D4) aufweist, die die Impulsquelle oder Gleichspannungsquelle an das Gate des ersten Leistungstransistors (Q2) koppelt, und wobei der Kaskodeschalter dazu ausgebildet ist, einen durch die Last fließenden Strom zu schalten.
Kaskodeschalter nach Anspruch 1, bei dem die ersten und zweiten Leistungstransistoren (Q1, Q2) MOSFETs sind.
Kaskodeschalter nach Anspruch 1, bei dem die ersten und zweiten Leistungstransistoren (Q1, Q2) IGBTs sind.
Kaskodeschalter nach Anspruch 1, der weiterhin eine Energierückgewinnungsschaltung (510) aufweist, die dazu ausgebildet ist, Energie von der Last während des Ausschaltens der ersten und zweiten Leistungstransistoren (Q1, Q2) zu speichern und die gespeicherte Energie während eines nachfolgenden Schaltzyklus der ersten und zweiten Leistungstransistoren (Q1, Q2) zum Versorgen der Last wieder zu verwenden.
Kaskodeschalter nach Anspruch 1, der weiterhin ein Bauelement (Q3) aufweist, das an das Gate des ersten Leistungstransistors (Q2) gekoppelt ist und das dazu ausgebildet ist, den ersten Leistungstransistor (Q2) unabhängig vom Laststrom aktiv auszuschalten.
Kaskodeschalter nach Anspruch 5, der weiterhin eine Gleichrichterdiode (D4) aufweist, die die Impulsquelle oder die Gleichspannungsquelle an das Gate des ersten Leistungstransistors koppelt (Q2), und bei dem das Bauelement (Q3) ein Bipolar-Sperrschichttransistor ist, der eine an eine Kathode der Gleichrichterdiode (D4) gekoppelte Basis, einen an das Gate des ersten Leistungstransistors (Q2) gekoppelten Emitter und einen an einen Knoten zwischen der Reihenschaltung der ersten und zweiten Leistungstransistoren (Q1, Q2) gekoppelten Kollektor aufweist.
Kaskodeschalter nach Anspruch 6, bei dem die Gleichrichterdiode (D4) dazu ausgebildet ist, als Reaktion auf ein Ausschalten der Impulsquelle oder der Gleichspannungsquelle in Sperrrichtung gepolt zu werden, der Bipolar-Sperrschichttransistor (Q3) dazu ausgebildet ist, einen Strom zu leiten, wenn die Gleichrichterdiode (D4) rückwärts gepolt ist, und der erste Leistungstransistor (Q2) dazu ausgebildet ist, als Reaktion darauf, dass der Bipolar-Sperrschichttransistor (Q3) Strom leitet, auszuschalten.
Kaskodeschalter nach Anspruch 5, der weiterhin aufweist: einen zusätzlichen Leistungstransistor (Q4), der in Reihe zwischen die ersten und zweiten Leistungstransistoren (Q1, Q2) gekoppelt ist, so dass eine an die Last (P1) angelegte Spannung über alle der in Reihe geschalteten Leistungstransistoren (Q1, Q2, Q4) verteilt ist; und ein zusätzliches Bauelement (Q5), das an ein Gate des zusätzlichen Leistungstransistors (Q4) gekoppelt ist und dazu ausgebildet ist, den zusätzlichen Leistungstransistor (Q4) unabhängig von dem Laststrom aktiv auszuschalten.
Kaskodeschalter nach Anspruch 1, der weiterhin aufweist: einen ersten Spannungsbegrenzer (D7, D8), der parallel zu dem ersten Leistungstransistor (Q2) gekoppelt ist und dazu ausgebildet ist, die Spannung über dem ersten Leistungstransistor (Q2) zu begrenzen; und einen zweiten Spannungsbegrenzer (D6, D1), der parallel zu dem zweiten Leistungstransistor (Q1) gekoppelt ist und dazu ausgebildet ist, die Spannung über dem zweiten Leistungstransistor (Q1) zu begrenzen.
Kaskodeschalter nach Anspruch 1, der weiterhin eine Gleichrichterdiode (D5) aufweist, die eine an eine Eingangsquelle der Last gekoppelte Kathode und eine an Masse gekoppelte Anode aufweist.
Kaskodeschalter nach Anspruch 1, der weiterhin einen Kondensator aufweist, der dazu ausgebildet ist, sich über den Laststrom zu laden, wenn die ersten und zweiten Leistungstransistoren ausgeschaltet sind, und sich als Reaktion auf ein nachfolgendes Einschalten der ersten und zweiten Leistungstransistoren an eine Eingangsquelle der Last zu entladen.
Kaskodeschalter, der aufweist: einen ersten Leistungstransistor (Q2), der dazu ausgebildet ist, an eine Last (P1) gekoppelt zu werden; einen zweiten Leistungstransistor (Q1) in Reihe zu dem ersten Leistungstransistor (Q2) derart, dass der zweite Leistungstransistor (Q1) zwischen Masse und dem ersten Leistungstransistor (Q2) angeordnet ist; und ein Bauelement (Q3), das an ein Gate des ersten Leistungstransistors (Q2) gekoppelt ist und dazu ausgebildet ist, den ersten Leistungstransistor (Q2) unabhängig von dem Laststrom aktiv auszuschalten.
Kaskodeschalter nach Anspruch 12, bei dem das Bauelement (Q3) ein Bipolar-Sperrschichttransistor ist.
Kaskodeschalter nach Anspruch 12, bei dem das Bauelement (Q3) dazu ausgebildet ist, Strom zu leiten, wenn eine an das Gate des ersten Leistungstransistors (Q2) gekoppelte Quelle ausgeschaltet ist, und der erste Leistungstransistor (Q2) dazu ausgebildet ist, als Reaktion darauf, dass das Bauelement (Q3) Strom leitet, auszuschalten.
Kaskodeschalter nach Anspruch 12, der weiterhin aufweist: einen zusätzlichen Leistungstransistor (Q4), der in Reihe zwischen die ersten und zweiten Leistungstransistoren (Q1, Q2) gekoppelt ist, so dass eine an die Last angelegte Spannung über alle der in Reihe geschalteten Leistungstransistoren (Q1, Q2, Q4) verteilt ist; und ein zusätzliches Bauelement (Q5), das an ein Gate des zusätzlichen Leistungstransistors (Q4) gekoppelt ist und dazu ausgebildet ist, den zusätzlichen Leistungstransistor (Q4) unabhängig von dem Laststrom aktiv auszuschalten.
Kaskodeschalter nach Anspruch 12, der weiterhin aufweist: einen ersten Spannungsbegrenzer (D7, D8), der parallel zu dem ersten Leistungstransistor (Q2) gekoppelt ist und dazu ausgebildet ist, die Spannung über dem ersten Leistungstransistor (Q2) zu begrenzen; und einen zweiten Spannungsbegrenzer (D1, D6), der parallel zu dem zweiten Leistungstransistor (Q1) gekoppelt ist und dazu ausgebildet ist, die Spannung über dem zweiten Leistungstransistor (Q1) zu begrenzen.
Kaskodeschalter nach Anspruch 12, der weiterhin eine Gleichrichterdiode (D5) aufweist, die eine an eine Eingangsquelle der Last gekoppelte Kathode und eine an Masse gekoppelte Anode aufweist.
Kaskodeschalter nach Anspruch 12, der weiterhin einen Kondensator aufweist, der dazu ausgebildet ist, sich über den Laststrom zu laden, wenn die ersten und zweiten Leistungstransistoren ausgeschaltet sind, und sich an eine Eingangsquelle der Last als Reaktion auf das nachfolgende Ausschalten der ersten und zweiten Leistungstransistoren zu entladen.
Verfahren zum Schalten eines durch eine Last (P1) fließenden Stroms über einen Kaskodeschalter (300), der einen an die Last gekoppelten ersten Leistungstransistor (Q2) und einen in Reihe zwischen Masse und den ersten Leistungstransistor (Q2) gekoppelten zweiten Leistungstransistor (Q1) aufweist, wobei das Verfahren aufweist: Ein- und Ausschalten des zweiten Leistungstransistors (Q1) des Kaskodeschalters (300) über eine Impulsquelle (V1), die an ein Gate des zweiten Leistungstransistors gekoppelt ist; und Einschalten des ersten Leistungstransistors (Q2) des Kaskodeschalters (300) über dieselbe Impulsquelle (V1) wie den zweiten Leistungstransistor (Q1) oder über eine Gleichspannungsquelle (V4), die an ein Gate des ersten Leistungstransistors (Q2) gekoppelt ist, wobei der Kaskodeschalter weiterhin eine Gleichrichterdiode (D4) aufweist, die die Impulsquelle oder Gleichspannungsquelle an das Gate des ersten Leistungstransistors (Q2) koppelt.
Verfahren nach Anspruch 19, das weiterhin aufweist: Speichern der Energie von der Last während des Ausschaltens der ersten und zweiten Leistungstransistoren (Q1, Q2); und Wiederverwenden der gespeicherten Energie, um die Last während eines nachfolgenden Schaltzyklus der ersten und zweiten Leistungstransistoren (Q1, Q2) zu versorgen.
Verfahren nach Anspruch 19, das weiterhin aufweist: aktives Ausschalten des ersten Leistungstransistors (Q2) unabhängig von dem Laststrom.
Verfahren nach Anspruch 19, das weiterhin aufweist: Begrenzen der Spannung über dem ersten Leistungstransistor (Q2), um einen Lawinendurchbruch in dem ersten Leistungstransistor (Q2) zu verhindern; und Begrenzen der Spannung über dem zweiten Leistungstransistor (Q1), um einen Lawinendurchbruch in dem zweiten Leistungstransistor (Q1) zu verhindern.
Verfahren nach Anspruch 19, das weiterhin aufweist: Laden eines Kondensators durch den Laststrom, wenn die ersten und zweiten Leistungstransistoren ausgeschaltet sind; und Entladen des Kondensators an eine Eingangsquelle der Last als Reaktion auf ein nachfolgendes Einschalten der ersten und zweiten Leistungstransistoren.
Verfahren zum Schalten eines durch eine Last (P1) fließenden Stroms durch einen Kaskodeschalter, der aufweist: einen an die Last gekoppelten ersten Leistungstransistor (Q2) und einen in Reihe zwischen Masse und den ersten Leistungstransistor (Q2) gekoppelten zweiten Leistungstransistor (Q1) aufweist; und ein Bauelement (Q3), das an ein Gate des ersten Leistungstransistors (Q2) gekoppelt ist und dazu ausgebildet ist, den ersten Leistungstransistor (Q2) unabhängig von dem Laststrom aktiv auszuschalten, wobei das Verfahren aufweist: Einschalten der ersten und zweiten Leistungstransistoren (Q1, Q2) des Kaskodeschalters; und Ausschalten der ersten und zweiten Leistungstransistoren (Q1, Q2) des Kaskodeschalters unabhängig von dem Laststrom.