DE102015101975A1

DE102015101975A1 - Als elektronischer Schalter betreibbare elektronische Schaltung

Info

Publication number: DE102015101975A1
Application number: DE102015101975.2A
Authority: DE
Inventors: Franz Hirler; Anton Mauder; Joachim Weyers
Original assignee: Infineon Technologies Austria AG
Current assignee: Infineon Technologies Austria AG
Priority date: 2014-02-28
Filing date: 2015-02-11
Publication date: 2015-09-17
Also published as: CN104883170A; US20150249448A1

Abstract

Eine elektronische Schaltung enthält einen Eingangsknoten, der dazu ausgebildet ist, eine Eingangsspannung zu empfangen, und einen Lastpfad zwischen einem ersten Lastknoten und einem zweiten Lastknoten. Die elektronische Schaltung enthält ferner ein erstes Transistorbauelement und n zweite Transistorbauelemente mit n ≥ 1, wobei Lastpfade des ersten Transistorbauelements und der n zweiten Transistorbauelemente in Reihe geschaltet sind, wobei sie einen Lastpfad des elektronischen Bauelements bilden. Von dem ersten Transistorbauelement und den n zweiten Transistorbauelementen besitzt ein jedes einen Steuerknoten, der mit dem Eingangsknoten der elektronischen Schaltung gekoppelt ist, und jedes der n zweiten Transistorbauelemente besitzt einen Steuerknoten, der mit dem Lastpfad des elektronischen Schaltkreises gekoppelt ist.

Description

Diese Offenbarung betrifft allgemein eine elektronische Schaltung, und sie betrifft insbesondere eine elektronische Schaltung, die als elektronischer Schalter betrieben werden kann.
Elektronische Schalter werden weithin in verschiedenen Arten von elektronischen Schaltungen in Automotive-, Industrie-, Verbraucherelektronik oder Haushaltsanwendungen eingesetzt. Üblicherweise werden Leistungstransistoren wie beispielsweise Leistungs-MOSFETs (Metal Oxide Field-Effect Transistors) oder Leistungs-IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) als elektronische Schalter eingesetzt. Diese Leistungstransistoren sind mit unterschiedlichen Spannungssperrvermögen, beispielsweise Spannungssperrvermögen zwischen einigen 10 V und einigen 100 V, verfügbar. Das Spannungssperrvermögen hängt ab von der speziellen Ausgestaltung des Leistungstransistors. Das heißt, für jedes Spannungssperrvermögen ist eine spezielle Auslegung und ein zugehöriger Herstellungsprozess erforderlich. Ferner steigt der Einschaltwiderstand (welches der elektrische Widerstand des Leistungstransistors im eingeschalteten Zustand ist) mit dem Spannungssperrvermögen.
Eine Ausgestaltung betrifft eine elektronische Schaltung. Die elektronische Schaltung enthält einen Eingangsknoten, der dazu ausgebildet ist, eine Eingangsspannung zu empfangen, und einen Lastpfad zwischen einem ersten Lastknoten und einem zweiten Lastknoten. Die elektronische Schaltung enthält ferner ein erstes Transistorbauelement und n zweite Transistorbauelemente mit n≥1. Die Lastpfade des ersten Transistorbauelements und der n zweiten Transistorbauelemente sind in Reihe geschaltet und bilden dabei einen Lastpfad des elektronischen Bauelements. Von dem ersten Transistorbauelement und den n zweiten Transistorbauelementen besitzt ein jedes einen Steuerknoten, der mit dem Eingangsknoten der elektronischen Schaltung gekoppelt ist, und jedes der n zweiten Transistorbauelemente besitzt einen Steuerknoten, der mit dem Lastpfad des elektronischen Schaltkreises gekoppelt ist.
Beispiele werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen dienen dazu, bestimmte Prinzipien zu veranschaulichen, so dass nur die zum Verständnis dieser Prinzipien erforderlichen Aspekte gezeigt sind. Die Zeichnungen sind nicht maßstäblich. In den Zeichnungen bezeichnen dieselben Bezugszeichen gleiche Merkmale.
1 zeigt eine Ausgestaltung einer elektronischen Schaltung, die ein erstes Transistorbauelement und n (mit n = 4) zweite Transistorbauelemente aufweist.
Die 2A–2B zeigen zwei unterschiedliche Ausgestaltungen eines Spannungsbegrenzungselements bei der in 1 gezeigten elektronischen Schaltung.
3 zeigt eine Ausgestaltung einer elektronischen Schaltung, die ein erstes Transistorbauelement und nur ein (n=1) zweites Transistorbauelement enthält.
4 zeigt eine Modifikation der in 1 gezeigten elektronischen Schaltung.
5 zeigt eine weitere Ausgestaltung einer elektronischen Schaltung, die ein erstes Transistorbauelement und n zweite Transistorbauelemente enthält.
6 zeigt eine Ausgestaltung einer elektronischen Schaltung, die ein erstes Transistorbauelement enthält, n zweite Transistorbauelemente, sowie weitere Spannungsbegrenzungselemente, die zu Lastpfaden des ersten Transistorbauelements und der zweiten Transistorbauelemente parallel geschaltet sind.
7 zeigt eine Ausgestaltung eines Spannungsbegrenzungselements, das wenigstens eine Zenerdiode enthält.
8 zeigt eine Ausgestaltung eines Spannungsbegrenzungselements, das wenigstens einen Transistor enthält.
9 zeigt eine weitere Ausgestaltung einer elektronischen Schaltung, die ein erstes Transistorbauelement und n zweite Transistorbauelemente enthält.
10 zeigt eine weitere Ausgestaltung einer elektronischen Schaltung, die ein erstes Transistorbauelement und n zweite Transistorbauelemente enthält.
11 zeigt noch eine weitere Ausgestaltung einer elektronischen Schaltung, die ein erstes Transistorbauelement und n zweite Transistorbauelemente enthält.
In der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen. Die Zeichnungen bilden einen Teil der Beschreibung und zeigen anhand von bildlicher Darstellung spezielle Ausgestaltungen, mit denen die Erfindung umgesetzt werden kann. Es versteht sich, dass die Merkmale der verschiedenen hierin beschriebenen Ausgestaltungen miteinander kombiniert werden können, sofern nicht ausdrücklich etwas anderes erwähnt ist.
1 zeigt eine Ausgestaltung einer elektronischen Schaltung 10, die als elektronischer Schalter verwendet werden kann. Die elektronische Schaltung 10 enthält einen Steuerknoten 101, der dazu ausgebildet ist, eine Eingangsspannung Vin zu empfangen, sowie einen Lastpfad zwischen einem ersten Lastknoten 102 und einem zweiten Lastknoten 103. Ein erstes Transistorbauelement 1 und wenigstens ein zweites Transistorbauelement 2 ₁–2 _n sind mit ihren Lastpfaden zwischen den ersten Lastknoten 102 und den zweiten Lastknoten 103 in der elektronischen Schaltung 10 in Reihe geschaltet. Die Reihenschaltung mit den Lastpfaden des ersten Transistorbauelements 1 und des wenigstens einen zweiten Transistorbauelements 2 ₁–2 _n bilden den Lastpfad der elektronischen Schaltung 10.
Die in 1 gezeigte elektronische Schaltung 10 enthält n zweite Transistorbauelemente 2 ₁–2 _n mit n = 4. Allerdings handelt es sich hierbei lediglich um ein Beispiel. Die Anzahl der zweiten Transistorbauelemente 2 ₁–2 _n kann abhängig von der gewünschten Anwendung gewählt werden, in der die elektronische Schaltung 10 eingesetzt wird. Allgemein enthält die elektronische Schaltung 10 ein oder mehr zweite Transistorbauelemente 2 ₁–2 _n, das heißt, n ≥ 1.
In 1 weisen die einzelnen zweiten Transistorbauelemente 2 ₁–2 _n Knoten von diesen zweiten Transistorbauelementen 2 ₁–2 _n, Parameter von diesen zweiten Transistorbauelementen 2 ₁–2 _n, sowie mit diesen zweiten Transistorbauelementen 2 ₁–2 _n verbundene Bauelemente dieselben Bezugszeichen auf, die sich nur durch einen tiefgestellten Index unterscheiden, der bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel 1, 2, 3 oder n ist. Wenn sich im Folgenden eine Erläuterung auf jedes der zweiten Transistorbauelemente 2 ₁–2 _n bezieht oder wenn eine Unterscheidung zwischen den einzelnen zweiten Transistorbauelementen 2 ₁–2 _n nicht erforderlich ist, werden Bezugszeichen ohne tiefgestellten Index verwendet.
Das Transistorbauelement 1 weist einen ersten Lastknoten 12 und einen zweiten Lastknoten 13 auf, wobei der Lastpfad des ersten Transistorbauelements 1 ein elektrischer Pfad zwischen dem ersten Lastknoten 12 und dem zweiten Lastknoten 13 ist. Entsprechend enthält jedes der zweiten Transistorbauelemente 2 einen ersten Lastknoten 22 und einen zweiten Lastknoten 23, wobei der Lastpfad jedes zweiten Transistorbauelements 2 ein elektrischer Pfad zwischen dem ersten Lastknoten 22 und dem zweiten Lastknoten 23 ist. Ferner enthält das erste Transistorbauelement 1 einen Steuerknoten 11, und jedes der zweiten Transistorbauelemente 2 enthält einen Steuerknoten 21.
Gemäß einer Ausgestaltung handelt es sich bei jedem der zweiten Transistorbauelemente 2 um ein selbstsperrendes Transistorbauelement. Die Verwendung von selbstsperrenden Bauelementen anstelle von selbstleitenden Bauelementen kann in Bezug auf den Gesamt-Einschaltwiderstand der elektronischen Schaltung vorteilhaft sein. Bezug nehmend auf die nachfolgende Erläuterung entspricht der Gesamt-Einschaltwiderstand im Wesentlichen der Summe der Einschaltwiderstände der einzelnen ersten und zweiten Transistorbauelemente. Üblicherweise kann ein selbstsperrendes Bauelement mit einem niedrigeren Einschaltwiderstand implementiert werden als ein vergleichbares selbstleitendes Bauelement, das dasselbe Spannungssperrvermögen und dieselbe Chipgröße aufweist, wie das selbstsperrende Bauelement. Daher kann eine elektronische Schaltung mit einem gewünschten Spannungssperrvermögen und einer gewünschten Chipgröße mit einem geringeren Einschaltwiderstand implementiert werden, wenn selbstsperrende Bauelemente verwendet werden. Nichtsdestotrotz ist die elektronische Schaltung 10 nicht dahingehend beschränkt, dass sie mit selbstsperrenden Bauelementen implementiert werden muss. Stattdessen können das erste Transistorbauelement 1 und/oder die zweiten Transistorbauelemente 2 als selbstleitende Bauelemente implementiert werden. Dies wird nachfolgend ausführlicher erläutert.
Bei der in 1 gezeigten Ausgestaltung handelt es sich bei dem ersten Transistorbauelement 1 und jedem der zweiten Transistorbauelemente 2 um einen n-Kanal-Anreicherungs-MOSFET. Allerdings handelt es sich hierbei lediglich um ein Beispiel. Anstelle von n-Kanal-Anreicherungs-MOSFETs können andere Arten von selbstsperrenden MOSFETs oder IGBTs ebenso gut eingesetzt werden. Wenn das erste Transistorbauelement 1 und die zweiten Transistorbauelemente 2 als MOSFETs implementiert sind, sind die Steuerknoten 11, 21 dieser Transistorbauelemente 1, 2 Gateknoten, die ersten Lastknoten sind Sourceknoten, und die zweiten Lastknoten sind Drainknoten.
Bei der in 1 gezeigten Ausgestaltung sind die Lastpfade der zweiten Transistorbauelemente 2 ₁–2 _n derart in Reihe geschaltet, dass eines der zweiten Transistorbauelemente 2 ₁–2 _n wie beispielsweise das zweite Transistorbauelement 2 ₁ mit seinem ersten Lastknoten 22 ₁ mit dem zweiten Lastknoten 13 des ersten Transistorbauelements 1 verbunden ist, und dass jedes der anderen zweiten Transistorbauelemente, wie beispielsweise die Transistorbauelemente 2 ₂–2 _n mit ihren ersten Lastknoten 22 ₂–22 _n mit dem zweiten Lastknoten eines benachbarten zweiten Transistorbauelements der Reihenschaltung verbunden sind. Das heißt, der erste Lastknoten 22 ₂ des zweiten Transistorbauelements 2 ₂ ist mit dem zweiten Lastknoten 23 ₁ des zweiten Transistorbauelements 2 ₁ verbunden, der erste Lastknoten 22 ₃ des zweiten Transistorbauelements 2 ₃ ist mit dem zweiten Lastknoten 23 ₂ des zweiten Transistorbauelements 2 ₂ verbunden, und so weiter.
Gemäß einer Ausgestaltung ist der Lastpfad des ersten Transistorbauelements 1 zwischen den ersten Lastknoten 102 der elektronischen Schaltung 10 und der Reihenschaltung mit den zweiten Transistorbauelementen 2 ₁–2 _n geschaltet. Bei der in 1 gezeigten Ausgestaltung ist der erste Lastknoten 12 des ersten Transistorbauelements 1 mit dem ersten Lastknoten 102 der elektronischen Schaltung 10 verbunden und die Reihenschaltung mit den zweiten Transistorbauelementen 2 ₁–2 _n ist zwischen den zweiten Lastknoten 13 des ersten Transistorbauelements 1 und den zweiten Lastknoten 103 der elektronischen Schaltung 10 geschaltet. Der zweite Lastknoten von einem der zweiten Transistorbauelemente 2, nämlich der zweite Lastknoten 23 _n des zweiten Transistorbauelements 2 _n, ist mit dem zweiten Lastknoten 103 der elektronischen Schaltung 10 verbunden.
Bezug nehmend auf 1 ist das erste Transistorbauelement 1 mit seinem Steuerknoten 11 mit dem Eingangsknoten 101 der elektronischen Schaltung 10 verbunden, und jedes der zweiten Transistorbauelemente 2 ₁–2 _n ist mit seinem jeweiligen Steuerknoten 21 ₁–21 _n mit dem Eingangsknoten 101 der elektronischen Schaltung 10 gekoppelt. Insbesondere ist von dem ersten Transistorbauelement 1 und den zweiten Transistorbauelementen 2 ₁–2 _n jedes mit seinem jeweiligen Steuerknoten 11, 21 ₁–21 _n derart mit dem Eingangsknoten 101 der elektronischen Schaltung 10 gekoppelt, dass in einem eingeschalteten Zustand der elektronischen Schaltung 10 von dem ersten Transistorbauelement 1 und den zweiten Transistorbauelementen 2 ₁–2 _n ein jedes eine Steuerspannung basierend auf der an dem Eingangsknoten 101 empfangenen Eingangsspannung Vin erhält. Nachfolgend wird der Betrieb der elektronischen Schaltung 10 im eingeschalteten Zustand ausführlicher erläutert. Bei der in 1 gezeigten Ausgestaltung ist der Steuerknoten 11 des ersten Transistorbauelements 1 direkt mit dem Eingangsknoten 101 verbunden, und der Steuerknoten 21 eines jeden der zweiten Transistorbauelemente 2 ist über ein Gleichrichterelement 3 mit dem Eingangsknoten 101 verbunden. Die einzelnen Gleichrichterelemente 3 sind als Dioden implementiert, bei der in 1 gezeigten Ausgestaltung insbesondere als bipolare Dioden. Bei der in 1 gezeigten speziellen Ausgestaltung ist ein Anodenknoten (Anodenanschluss) einer jeden Diode 3 mit dem Eingangsknoten 101 verbunden, und ein Kathodenknoten (Kathodenanschluss) einer jeden Diode ist mit einem Steuerknoten des entsprechenden zweiten Transistorbauelements 2 verbunden.
Ferner ist der Steuerknoten 21 eines jeden der zweiten Transistorbauelemente 2 mit dem Lastpfad der elektronischen Schaltung 10 gekoppelt. Insbesondere ist der Steuerknoten 21 eines jeden zweiten Transistorbauelements 2 derart mit dem Lastpfad der elektronischen Schaltung 10 gekoppelt, dass in einem ausgeschalteten Zustand der elektronischen Schaltung 10 eine Steuerspannung VG2 eines jeden Transistorbauelements 2 durch eine Lastpfadnspannung VL1, VL2 von wenigstens einem anderen Transistorbauelement beeinflusst wird. Nachfolgend wird der Betrieb der elektronischen Schaltung im ausgeschalteten Zustand ausführlicher erläutert. Bei dem "wenigstens einen weiteren Transistorbauelement" handelt es sich entweder um das erste Transistorbauelement 1 oder um ein zweites Transistorbauelement 2, das verschieden ist von dem zweiten Transistorbauelement 2, das die Steuerspannung empfängt. Gemäß einer Ausgestaltung ist der Steuerknoten 21 eines jeden zweiten Transistorbauelements 2 über ein Spannungsbegrenzungselement 4 mit dem Lastpfad verbunden. Jedes dieser Spannungsbegrenzungselemente 4 kann, wie in 2A gezeigt ist, eine Zenerdiode 41 enthalten, oder es kann eine Vielzahl von in Reihe geschalteten Zenerdioden 41, 42, 4n enthalten, was in 2B gezeigt ist. Auch wenn die in 1 gezeigten Spannungsbegrenzungselemente 4 als einzelne Zenerdioden eingezeichnet sind, kann jedes dieser Spannungsbegrenzungselemente 4 zwei oder mehr in Reihe geschaltete Zenerdioden enthalten. Die Anzahl der in Reihe geschalteten Zenerdioden eines Spannungsbegrenzungselements 4 bestimmt die Durchbruchspannung des Spannungsbegrenzungselements 4. Dies wird nachfolgend ausführlicher erläutert.
Bei der in 1 gezeigten Ausgestaltung sind die Spannungsbegrenzungselemente 4 derart angeschlossen, dass das elektrische Potential am Steuerknoten 21 eines jeden zweiten Transistorbauelements 2 über das elektrische Potential am Schaltungsknoten des Lastpfad ansteigen kann, mit dem der Steuerknoten gekoppelt ist. Im Folgenden wird ein Spannungsbegrenzungselement 4, das mit dem Steuerknoten 21 eines zweiten Transistorbauelements verbunden ist, als zu dem zweiten Transistorbauelement gehörendes Spannungsbegrenzungselement bezeichnet. Jedes zu einem zweiten Transistorbauelement gehörende Spannungsbegrenzungselement 4 ist mit einem Schaltungsknoten des Lastpfades verbunden, der von den Lastknoten des zweiten Transistorbauelements 2, zu dem es gehört, beabstandet ist. Beispielsweise ist das zu dem zweiten Transistorbauelement 2 ₁ gehörende Spannungsbegrenzungselement 4 ₁ so mit dem ersten Lastknoten 12 des ersten Transistorbauelements 1 verbunden, dass der Lastpfad des ersten Transistorbauelements 1 zwischen dem Schaltungsknoten, mit dem das Spannungsbegrenzungselement 4 ₁ verbunden ist, und dem ersten Lastknoten 22 ₁ des zweiten Transistorbauelements 2 ₁ gelegen ist. Bei der in 1 gezeigten Ausgestaltung befindet sich jeweils der Lastpfad von einem Transistorbauelement zwischen dem Schaltungsknoten, mit dem ein Spannungsbegrenzungselement verbunden ist, und dem ersten Lastknoten 22 des zweiten Transistorbauelements, zu dem das Spannungsbegrenzungselement 4 gehört. Daher wird die Steuerspannung eines jeden zweiten Transistorbauelements 2 im ausgeschalteten Zustand der elektronischen Schaltung 10 durch eine Lastpfadspannung entweder des ersten Transistorbauelements 1 oder eines zweiten Transistorbauelements 2 und durch die Durchbruchspannung des zugehörigen Spannungsbegrenzungselements bestimmt. Dies wird nachfolgend ausführlicher erläutert.
Gemäß einer Ausgestaltung (in 1 anhand gepunkteter Linien dargestellt) weisen der erste Transistor 1 und jeder der zweiten Transistoren 2 ₁–2 _n einen individuellen Steuerwiderstand (Gatewiderstand) 7 ₀, 7 ₁–7 _n auf, der zwischen den zugehörigen Steuerknoten 11, 21 ₁–21 _n und den Eingangsknoten 101 geschaltet ist. Die individuellen Steuerwiderstände (Gatewiderstände) 7 ₀, 7 ₁–7 _n können so implementiert sein, dass sie im Wesentlichen denselben Widerstand aufweisen, oder sie können mit unterschiedlichen Widerständen implementiert sein.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung (in 1 anhand gestrichelter Linien dargestellt) können das erste Transistorbauelement 1 und die zweiten Transistorbauelemente 2 ₁–2 _n einen gemeinsamen Steuerwiderstand (Gatewiderstand) gemeinsam aufweisen. Der Widerstand 7 ist zwischen den Eingangsknoten 101 und die individuellen Gleichrichterelemente 3 ₁–3 _n geschaltet.
Gemäß noch einer anderen Ausgestaltung (anhand gestrichpunkteter Linien dargestellt) können sich zwei oder mehr zweite Transistoren 2 ₁–2 _n einen Steuerwiderstand (Gatewiderstand) 7 _I teilen. Bei dieser Ausgestaltung ist der Steuerwiderstand zwischen die eingangs-(101)-seitigen Knoten von zwei Gleichrichterelementen geschaltet. Bei der in 1 gezeigten Ausgestaltung ist der Steuerwiderstand 7 _I derart zwischen Gleichrichterelemente 3 ₁ und 3 ₂ geschaltet, dass sich die Transistorbauelemente 2 ₂–2 _n den Steuerwiderstand 7 _I teilen, während der Betrieb der anderen Transistorbauelemente (1 und 2 ₁) durch diesen Steuerwiderstand 7 _I nicht betroffen ist.
Das elektronische Bauelement 10 befindet sich im eingeschalteten Zustand, wenn sich das erste Transistorbauelement 1 und jedes der zweiten Transistorbauelemente 2 ₁–2 _n in einem eingeschalteten Zustand befinden. Bei den in 1 gezeigten MOSFETs handelt es sich um spannungsgesteuerte Bauelemente (Schalter), die sich im eingeschalteten Zustand befinden, wenn die betreffende Steuerspannung VG1, VG2₁–VG2_n über einer jeweiligen Schwellenspannung liegt. Bei den in 1 gezeigten MOSFETs ist die Steuerspannung die Spannung zwischen einem Steuerknoten (Gateknoten) 11, 21 ₁–21 _n und dem ersten Lastknoten (Sourceknoten) 12, 22 ₁–22 _n. Ein MOSFET besitzt zwischen dem Gateknoten und dem Sourceknoten eine interne Gate-Source-Kapazität. In 1 ist die Gate-Source-Kapazität eines jeden Transistorbauelements (MOSFETs) 2 als Kondensator dargestellt, der zwischen den Steuerknoten (Gateknoten) 21 und den ersten Lastknoten (Sourceknoten) geschaltet ist. Die Steuerspannung VG2 ist die Spannung über diesen Gate-Source-Kapazitäten. Das erste Transistorbauelement 1 weist ebenfalls eine interne Gate-Source-Kapazität auf. Allerdings ist diese Gate-Source-Kapazität in 1 nicht explizit dargestellt.
Das elektronische Bauelement befindet sich im eingeschalteten Zustand, wenn die Eingangsspannung Vin einen Spannungspegel aufweist, der hoch genug ist, um das erste Transistorbauelement 1 und jedes der zweiten Transistorbauelemente 2 ₁–2 _n einzuschalten. Im eingeschalteten Zustand der elektronischen Schaltung 10 korrespondiert die Steuerspannung VG1 des ersten Transistorbauelements 1 mit der Eingangsspannung Vin, so dass VG1 = Vin (1a).
Die Steuerspannung VG21 des direkt mit dem ersten Transistorbauelement 1 verbundenen zweiten Transistorbauelements 2 ₁ ist gegeben durch VG2₁ = Vin – VF3₁ – VL1 (1b), wobei VF31 die Vorwärtsspannung der zu dem zweiten Transistorbauelement 2 ₁ gehörenden Diode 3 ₁ und VL1 die Lastpfadspannung des ersten Transistorbauelements 1 im eingeschalteten Zustand ist. Die Steuerspannung eines jeden der anderen zweiten Transistorbauelemente 2 ₂–2 _n ist gegeben durch VG2_i = Vin – VF3_i – VL1 – Σ i-1 / k=1VL2_k (1c).
Im eingeschalteten Zustand hängt der Spannungspegel der Lastpfadspannung VL1, VL2₁–VL2_n des ersten Transistorbauelements 1 und eines jeden der zweiten Transistorbauelemente 2 vom speziellen Typ des Transistorbauelements ab, insbesondere von dem Spannungssperrvermögen des Transistorbauelements. Gemäß einer Ausgestaltung sind das erste Transistorbauelement 1 und jedes der zweiten Transistorbauelemente 2 so ausgewählt, dass sie ein Spannungssperrvermögen zwischen 10 V und 100 V aufweisen. In diesem Fall liegt der Spannungspegel der Lastpfadspannung VL1, VL2 im eingeschalteten Zustand typischerweise zwischen 0,03 V und 0,3 V. Gemäß einer Ausgestaltung sind die Spannungssperrvermögen der einzelnen zweiten Transistorbauelemente 2 im Wesentlichen gleich. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weisen die einzelnen zweiten Transistorbauelemente wechselseitig verschiedene Spannungssperrvermögen auf.
Die Vorwärtsspannung VF3 der Dioden 3 beträgt beispielsweise etwa 0,7 V. Die Schwellenspannung des ersten Transistorbauelements 1 und eines jeden der zweiten Transistorbauelemente 2 beträgt beispielsweise zwischen 0,5 V und 2 V. Allerdings ist der Spannungspegel der Steuerspannung (Gate-Source-Spannung), bei der das betreffende Transistorbauelement einen spezifizierten niedrigen Einschaltwiderstand erreicht (und deshalb einen niedrigen Spannungspegel der Lastpfadspannung) etwas höher und beträgt beispielsweise zwischen 5 V und 10 V. Bei einem Einschaltpegel der Einschaltspannung Vin, welches ein Spannungspegel der Eingangsspannung Vin ist, der die elektronische Schaltung 10 in den eingeschalteten Zustand steuert, kann leicht basierend auf den nachfolgend erläuterten Parametern berechnet werden. Dieser Einschaltpegel hängt insbesondere ab von der Anzahl von zweiten Transistorbauelementen 2 in der Reihenschaltung. Gemäß einer Ausgestaltung ist der Einschaltpegel der Eingangsspannung Vin insbesondere so gewählt, dass das zweite Transistorbauelement 2 _n, das mit dem zweiten Lastknoten 103 der elektronischen Schaltung 10 verbunden ist, eine Steuerspannung VG2_n erhält, die dieses Transistorbauelement 2 _n vollständig einschaltet. Abhängig von der Anzahl von zweiten Transistorbauelementen 2 kann der Einschaltpegel der Eingangsspannung Vin im Bereich zwischen 5 V und 20 V liegen. Daher kann eine herkömmliche Steuerschaltung zur Steuerung eines Leistungstransistors wie beispielsweise eines Leistungs-MOSFETs oder eines Leistungs-IGBTs verwendet werden, um die elektronische Schaltung 10 zu steuern.
In der Reihenschaltung mit dem ersten Transistorbauelement 1 und der Vielzahl von zweiten Transistorbauelementen 2 weist jedes der zweiten Transistorbauelemente 2 einen Abstand zu dem ersten Transistorbauelement 1 auf. Der Abstand zwischen einem zweiten Transistor 2 _i und dem ersten Transistor 1 kann durch die Anzahl i – 1 von zweiten Transistoren 2 definiert werden, die sich zwischen dem zweiten Transistor 2 _i und dem ersten Transistor 1 befinden. Beispielsweise ist der Abstand zwischen dem zweiten Transistor 2 ₁ und dem ersten Transistor 0, während der Abstand zwischen dem zweiten Transistor 2 _n und dem ersten Transistor 1 gleich n – 1 ist. Unter Berücksichtigung von Gleichung (1c) ist die Steuerspannung VG2 eines zweiten Transistors 2 umso geringer, je größer bei der Reihenschaltung der Abstand zwischen dem zweiten Transistor 2 und dem ersten Transistor 1 ist.
Gemäß einer Ausgestaltung sind die zweiten Transistoren 2 so ausgelegt, dass sie im Wesentlichen dieselben Bauelementparameter (d.h. Charakteristika) aufweisen, wie beispielsweise dieselben Einschaltwiderstände, dieselben Schwellenwerte, dasselbe Spannungssperrvermögen, etc. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung sind die zweiten Transistoren 2 so ausgelegt, dass sie unterschiedliche Bauelementparameter aufweisen, wie beispielsweise dass der Einschaltwiderstand eines zweiten Transistors 2 vom Abstand zum ersten Transistor abhängt. Insbesondere kann ein zweiter Transistor 2, der weiter vom ersten Transistor 1 beabstandet ist, mit einem geringeren Einschaltwiderstand implementiert sein als ein näher am ersten Transistor 1 befindlicher zweiter Transistor 2. Das heißt, der Einschaltwiderstand der einzelnen zweiten Transistoren verringert sich mit zunehmendem Abstand zum ersten Transistor 1. Ein geringerer Einschaltwiderstand eines zweiten Transistors, der weiter von dem ersten Transistor 1 beabstandet ist, kann helfen, eine geringere Steuerspannung VG2 dieses Transistors auszugleichen, wie dies Bezug nehmend auf Gleichung (1c) erläutert ist. Üblicherweise hängt der Einschaltwiderstand eines Transistors ab von der Chipgröße und der Anzahl parallel geschalteter Transistorzellen. Daher kann ein geringerer Einschaltwiderstand erreicht werden, indem die Chipgröße bzw. die Anzahl der Transistorzellen erhöht werden.
Gemäß einer Ausgestaltung sind die zweiten Transistoren 2 und der erste Transistor 1 so ausgelegt, dass sie im Wesentlichen dieselben Bauelementparameter, wie beispielsweise dieselben Einschaltwiderstände, dieselben Schwellenspannungen, dasselbe Spannungssperrvermögen, etc. aufweisen.
Im eingeschalteten Zustand der elektronischen Schaltung 10 sperren die einzelnen Spannungsbegrenzungselemente 4, so dass die Spannungspegel an den betreffenden Steuerknoten 21 über die Spannungspegel an den Schaltungsknoten des Lastpfades, an den das betreffende Spannungsbegrenzungselement 4 angeschlossen ist, ansteigen können. Das heißt, die Durchbruchspannung eines jeden Spannungsbegrenzungselements 4 ist höher als der Einschaltpegel der Eingangsspannung Vin.
Die elektronische Schaltung 10 schaltet vom eingeschalteten Zustand in den ausgeschalteten Zustand, wenn sich der Spannungspegel der Eingangsspannung Vin vom Einschaltpegel auf einen Ausschaltpegel ändert. Ein Ausschaltpegel der Eingangsspannung Vin ist der Spannungspegel, der das erste Transistorbauelement 1, welche die Eingangsspannung Vin als Steuerspannung VG1 direkt empfängt, abschaltet. Bei dem Ausschaltpegel der Eingangsspannung Vin handelt es sich um einen Spannungspegel unterhalb eines Schwellenwertspannungspegels des ersten Transistorbauelements 1.
Gemäß einer Ausgestaltung entspricht der Ausschaltpegel der Eingangsspannung Vin 0 V. Zum Zwecke der Erläuterung wird angenommen, dass der Lastpfad der elektronischen Schaltung 10 mit einer Last Z in Reihe geschaltet ist und dass die Reihenschaltung der Last Z und der elektronischen Schaltung 10 zwischen Versorgungsspannungsanschlüsse geschaltet ist. Bei der in 1 gezeigten Ausgestaltung ist die elektronische Schaltung 10 als Low-Side-Schalter angeschlossen. Das heißt, die elektronische Schaltung 10 ist zwischen eine Last Z und einen Anschluss mit einem negativen Versorgungspotential V1 bzw. ein Referenzpotential geschaltet. Allerdings handelt es sich hierbei lediglich um ein Beispiel. Die Funktionsweise der elektronischen Schaltung 10 ist dieselbe, wenn die elektronische Schaltung 10 als High-Side-Schalter angeschlossen ist, das heißt, wenn die elektronische Schaltung 10 zwischen die Last Z und den Anschluss für das positive Versorgungspotential V2 geschaltet ist. In jedem Fall ist die Eingangsspannung Vin die Spannung zwischen dem Eingangsknoten 101 und dem ersten Lastknoten 102 der elektronischen Schaltung 10.
Wenn das erste Transistorbauelement 1 ausschaltet, steigt der Spannungspegel der Lastpfadspannung VL1. Wenn der Spannungspegel der Lastpfadspannung VL1 anzusteigen beginnt, befindet sich das Transistorbauelement 2 ₁, das direkt mit dem ersten Transistorbauelement 1 verbunden ist, noch im eingeschalteten Zustand, da die Gate-Source-Kapazität nach wie vor geladen ist und die zugehörige Diode 3 ₁ verhindert, dass die Gate-Source-Kapazität entladen wird, wenn sich der Spannungspegel der Eingangsspannung Vin vom Einschaltpegel auf den Ausschaltpegel ändert. Wenn der Spannungspegel der Lastpfadspannung VL1 des ersten Transistorbauelements 1 derart ansteigt, dass die Lastpfadspannung VL1 plus die Steuerspannung VG21 des zweiten Transistorbauelements 2 ₁ die Durchbruchspannung (Begrenzungsspannung) des zu dem zweiten Transistorbauelement 2 ₁ gehörenden Spannungsbegrenzungselements 4 ₁ erreicht (VL1 + VG2₁ = VBR4₁, wobei VBR4₁ die Durchbruchspannung des Spannungsbegrenzungselements 4 ₁ ist), beginnt die Gate-Source-Kapazität des zweiten Transistorbauelements 2 ₁ entladen zu werden, so dass das zweite Transistorbauelement 2 ₁ auszuschalten beginnt. Dies bewirkt, dass der Spannungspegel der Lastpfadspannung VL2₁ des zweiten Transistorbauelements 2 ₁ ansteigt. Der Spannungspegel der Lastpfadspannung VL1 des ersten Transistorbauelements 1 kann immer noch ansteigen, bis das zweite Transistorbauelement 2 ₁ vollständig ausschaltet, was der Fall ist, wenn die Steuerspannung VG21 des zweiten Transistorbauelements 2 ₁ auf unter die Schwellenspannung des zweiten Transistorbauelements 2 ₁ abgefallen ist. Zu diesem Zeitpunkt entspricht der Spannungspegel VL1 des ersten Transistorbauelements 1 im Wesentlichen der Durchbruchspannung des Spannungsbegrenzungselements 4 ₁ (unter der Annahme, dass die Schwellenspannung des zweiten Transistorbauelements 2 ₁ wesentlich geringer ist als die Durchbruchspannung des Spannungsbegrenzungselements 4 ₁).
Auf dieselbe Weise, wie das erste Transistorbauelement 1 das zweite Transistorbauelement 2 ₁ abschaltet, wenn die Lastpfadspannung VL1 des ersten Transistorbauelements 1 ansteigt, schaltet das zweite Transistorbauelement 2 ₁ das zweite Transistorbauelement 2 ₂ ab, und so weiter. Das heißt, das Abschalten des ersten Transistorbauelements 1 startet eine Kettenreaktion, die die zweiten Transistorbauelemente 2 ₁, 2 ₂ und so weiter nacheinander ausschaltet. Im ausgeschalteten Zustand der elektronischen Schaltung ist nicht notwendigerweise jedes der zweiten Transistorbauelemente 2 ₁–2 _n ausgeschaltet. Wie viele der zweiten Transistorbauelemente 2 ₁–2 _n ausgeschaltet sind, hängt ab von der Versorgungsspannung zwischen den Versorgungspotentialen V1, V2 und den Durchbruchspannungen der einzelnen Spannungsbegrenzungselemente 4. Wenn beispielsweise die Versorgungsspannung geringer ist als die Summe der Durchbruchspannungen der Spannungsbegrenzungselemente 4 ₁–4 ₃, können nur das erste Transistorbauelement 1 und einige der zweiten Transistorbauelemente 2 ₁, 2 ₂ ausschalten.
Bei der in 1 gezeigten Ausgestaltung bestimmt das Spannungsbegrenzungselement 4 ₁ wesentlich den Spannungspegel der Lastpfadspannung VL1 im ausgeschalteten Zustand, das Spannungsbegrenzungselement 4 ₂ bestimmt wesentlich den Spannungspegel der Lastpfadspannung VL2₁ im ausgeschalteten Zustand, und so weiter. Gemäß einer Ausgestaltung ist die Durchbruchspannung eines jeden Spannungsbegrenzungselements 4 geringer als das Spannungssperrvermögen des Transistorbauelements 1, 2, dessen Lastpfadspannung es bestimmt.
Bei der in 1 gezeigten Ausgestaltung sind die Steuerknoten 21 der einzelnen zweiten Transistorbauelemente 2 derart mit dem Lastpfad der elektronischen Schaltung 10 gekoppelt, dass die Lastpfadspannung von nur einem Transistorbauelement die Steuerspannung jedes zweiten Transistorbauelements 2 im ausgeschalteten Zustand der elektronischen Schaltung 10 bestimmt. Allerdings handelt es sich hierbei lediglich um ein Beispiel. Gemäß einer anderen Ausgestaltung (nicht gezeigt) bestimmen die Lastpfadspannungen von zwei oder mehr Transistorbauelementen die Steuerspannung von einem zweiten Transistorbauelement. Beispielsweise kann das zu dem zweiten Transistorbauelement 2 ₂ gehörende Spannungsbegrenzungselement 4 ₂ an dem ersten Lastknoten 12 des ersten Transistorbauelements 1 angeschlossen sein anstelle an den ersten Lastknoten 22 ₁ des zweiten Transistorbauelements 2 ₁. In diesem Fall würde die Summe der Lastpfadspannungen VL1, VL21 des ersten Transistorbauelements 1 und des zweiten Transistorbauelements 2 ₁ die Steuerspannung VG2₂ des zweiten Transistorbauelements 2 ₂ im ausgeschalteten Zustand der elektronischen Schaltung 10 beeinflussen.
Das Gesamt-Spannungssperrvermögen der elektronischen Schaltung 10 ist durch die Summe der Spannungssperrvermögen des ersten Transistorbauelements 1 und der zweiten Transistorbauelemente 2 ₁–2 _n bestimmt. Daher kann die elektronische Schaltung 10 leicht an unterschiedliche Lastszenarien angepasst werden, indem einfach ein oder mehr zweite Transistorbauelemente 2, die zugehörigen Gleichrichterelemente 4 und Spannungsbegrenzungselemente 4 hinzugefügt werden, oder indem ein oder mehr der zweiten Transistorbauelemente 2, der zugehörigen Gleichrichterelemente 3 und Spannungsbegrenzungselemente 4 entfernt werden. Der Gesamt-Einschaltwiderstand der elektronischen Schaltung 10 ist gegeben durch die Summe der Einschaltwiderstände der Transistorbauelemente 1, 2 ₁–2 _n der Reihenschaltung.
3 zeigt eine Modifikation der elektronischen Schaltung 10 gemäß 1. Bei dem elektronischen Schaltkreis gemäß 3 gibt es lediglich ein zweites Transistorbauelement 2 ₁.
4 zeigt eine weitere Modifikation der in 1 gezeigten elektronischen Schaltung 10. Bei dieser elektronischen Schaltung 10 ist eine Reihenschaltung mit Gleichrichterelementen 3 ₁–3 _n vorhanden, die zwischen den Eingangsknoten 101 und den Steuerknoten 21 _n des zweiten Transistorbauelements 2 _n geschaltet ist, bei dem es sich um das zweite Transistorbauelement handelt, das direkt an den zweiten Lastknoten 103 angeschlossen ist. Dieses zweite Transistorbauelement 2 _n ist das zweite Transistorbauelement, das in dem Lastpfad der elektronischen Schaltung 10 am Weitesten von dem ersten Transistorbauelement beabstandet ist. Die Anzahl von Gleichrichterelementen 3 ₁–3 _n in der Reihenschaltung entspricht der Anzahl von zweiten Transistorbauelementen 2 ₁–2 _n. Diese Reihenschaltung mit Gleichrichterelementen 3 ₁–3 _n hat Abgriffe, wobei der Steuerknoten 21 eines jeden zweiten Transistorbauelements 2 an einen dieser Abgriffe angeschlossen ist. Daher ist das zweite Transistorbauelement 2 ₁, das sich am Nächsten an dem ersten Transistorbauelement 1 befindet, über ein erstes Gleichrichterelement 3 ₁ an den Eingangsknoten 101 angeschlossen, ein benachbartes zweites Transistorbauelement 2 ₂ ist über das Gleichrichterelement 3 ₁ und ein weiteres Gleichrichterelement 3 ₂ an den Eingangsknoten 101 angeschlossen, und so weiter. Der Steuerknoten 21 _n des zweiten Transistorbauelements 2 _n ist über die Gesamtreihenschaltung mit den Gleichrichterelementen 3 ₁–3 _n an den Eingangsknoten 101 angeschlossen.
Die Funktionsweise der in 4 gezeigten elektronischen Schaltung entspricht der Funktionsweise der in 1 gezeigten elektronischen Schaltung mit dem Unterschied, dass die Steuerknoten der zweiten Transistorbauelemente 2 ₂–2 _n bei der in 4 gezeigten elektronischen Schaltung über mehr als ein Gleichrichterelement an den Eingangsknoten 101 angeschlossen sind. Daher sind die Steuerspannungen der zweiten Transistorbauelemente 2 ₂–2 _n bei einem gegebenen Einschaltpegel der Eingangsspannung Vin geringfügig niedriger als die Steuerspannungen der entsprechenden Transistorbauelemente 2 ₂–2 _n bei der in 1 gezeigten elektronischen Schaltung 10. Bei der in 4 gezeigten elektronischen Schaltung 10 entspricht die Sperrspannung eines jeden Gleichrichterelements 3 ₁–3 _n im ausgeschalteten Zustand der elektronischen Schaltung 10 im Wesentlichen der Lastpfadspannung des zugehörigen zweiten Transistorbauelements 2 ₁–2 _n. Bei der in 1 gezeigten elektronischen Schaltung 10 steigt die Sperrspannung der einzelnen Gleichrichterelemente 3 ₁–3 _n mit sich verringerndem Abstand des zugehörigen zweiten Transistorbauelements 2 ₁–2 _n zum ersten Transistorbauelement 1 an. Beispielsweise weist das zu dem zweiten Transistorbauelement 2 _n gehörende Gleichrichterelement 3 _n im ausgeschalteten Zustand der elektronischen Schaltung 10 eine höhere Sperrspannung auf als das zu dem zweiten Transistorbauelement 2 ₃ gehörende Gleichrichterelement 3 ₃.
5 zeigt eine weitere Modifikation der in 1 gezeigten elektronischen Schaltung 10. Bei der in 5 gezeigten elektronischen Schaltung 10 ist der Steuerknoten (Gateknoten) 21 eines jeden zweiten Transistorbauelements über ein weiteres Gleichrichterelement 5 mit einem zugehörigen ersten Lastknoten (Sourceknoten) 22 gekoppelt. Bei der vorliegenden Ausgestaltung, bei der es sich bei den einzelnen Transistorbauelementen um n-Kanal-Transistorbauelemente handelt, ist ein Kathodenknoten des weiteren Gleichrichterelements 5 mit dem Steuerknoten 21 verbunden, und ein Anodenknoten des weiteren Gleichrichterelements 5 ist mit dem zweiten Lastknoten 22 verbunden. Diese weiteren Gleichrichterelemente 5 helfen zu verhindern, dass das elektrische Potential an dem Steuerknoten 21 signifikant unter das elektrische Potential an dem zweiten Lastknoten 22 abfällt, wenn sich die elektronische Schaltung 10 im ausgeschalteten Zustand befindet. Parasitäre Effekte wie beispielsweise Leckströme der Spannungsbegrenzungselemente 3 ₁–3 _n können bewirken, dass die Gate-Source-Kapazitäten im ausgeschalteten Zustand geladen oder entladen werden. Die weiteren Gleichrichterelemente 5 wirken diesen parasitären Effekten entgegen. Die weiteren Gleichrichterelemente 5 können als Bipolardioden implementiert werden (wie gezeigt), oder als Schottkydioden.
6 zeigt eine weitere Modifikation der in 1 gezeigten elektronischen Schaltung 10. Bei der in 6 gezeigten elektronischen Schaltung sind weitere Spannungsbegrenzungselemente 6 ₁–6 _n zu den Lastpfaden der einzelnen zweiten Transistorbauelemente 2 parallel geschaltet. Optional ist ein weiteres Gleichrichterelement 6 ₀ parallel zu dem Lastpfad des ersten Transistorbauelements geschaltet. Diese Spannungsbegrenzungselemente 6 ₁–6 _n bzw. 6 ₀ begrenzen die Spannung über den Lastpfaden derjenigen zweiten Transistoren 2 ₁–2 _n, die ausgeschaltet haben. Gemäß einer Ausgestaltung enthält jedes der Spannungsbegrenzungselemente 6 ₁–6 _n bzw. 6 ₀ zumindest eine Zenerdiode oder Avalanchediode.
Die in den 5 und 6 gezeigten weiteren Gleichrichterelemente 5 und die weiteren Spannungsbegrenzungselemente 6 können selbstverständlich in einer Schaltungstopologie implementiert sein, wie sie in 5 gezeigt ist, indem die einzelnen Steuerknoten 21 der zweiten Transistorbauelemente 2 mit Abgriffen einer Reihenschaltung mit den Gleichrichterelementen 3 ₁–3 _n verbunden sind.
Bei jeder der oben erläuterten Ausgestaltungen kann ein herkömmlicher Steuerschaltkreis (nicht gezeigt) verwendet werden, um die elektronische Schaltung 10 zu steuern (das heißt, die elektronische Schaltung 10 als elektronischen Schalter zu betreiben). Dieser Steuerschaltkreis ist dazu ausgebildet, entweder einen Einschaltpegel oder einen Ausschaltpegel der Eingangsspannung Vin zu erzeugen.
Obwohl in den oben erläuterten Zeichnungen jedes der Spannungsbegrenzungselemente 4 ₁–4 _n und 6 ₁–6 _n als Zenerdiode gezeichnet ist, wird darauf hingewiesen, dass diese Spannungsbegrenzungselemente 4 ₁–4 _n und 6 ₁–6 _n nicht auf die Implementierung mit einer Zenerdiode beschränkt sind. Abhängig von der gewünschten Begrenzungsspannung kann jedes der Spannungsbegrenzungselemente mehrere in Reihe geschaltete Zenerdioden oder Avalanchedioden aufweisen. 7 zeigt eine Ausgestaltung eines Spannungsbegrenzungselements 4, das m Zenerdioden 41, 42, 4m (mit m = 3) bei dieser Ausgestaltung) aufweist, die in Reihe geschaltet sind. Bei dieser Ausgestaltung entspricht die Begrenzungsspannung der Summe der Durchbruchspannungen der einzelnen Zenerdioden 41, 42, ,4m. Die Anzahl m hängt ab von der gewünschten Begrenzungsspannung. Anstatt von Zenerdioden können ebenso gut Avalanchedioden verwendet werden. Das in 7 gezeigte Spannungsbegrenzungselement 4 repräsentiert eines der vorangehend erläuterten Spannungsbegrenzungselemente 4 ₁–4 _n. Allerdings können die Spannungsbegrenzungselemente 6 ₁–6 _n auf dieselbe Weise implementiert werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung enthält das Spannungsbegrenzungselement 4 (das eines der vorangehend erläuterten Spannungsbegrenzungselemente 4 ₁–4 _n oder 6 ₁–6 _n repräsentiert) zumindest ein Transistorbauelement. Das zumindest eine Transistorbauelement enthält einen Steueranschluss und zwei Lastanschlüsse, und sein Steueranschluss ist mit einem der Lastanschlüsse verbunden. Gemäß einer in 8 gezeigten Ausgestaltung enthält das Spannungsbegrenzungselement zumindest einen MOSFET 41, 42, 4n, dessen Gateanschluss mit dessen Drainanschluss verbunden ist. Der zumindest eine MOSFET schaltet ein, wenn eine Lastpfadspannung (Drain-Source-Spannung) eine Schwellenspannung des MOSFETs erreicht. Daher bestimmt die Schwellenspannung des zumindest einen MOSFETs die Begrenzungsspannung des Spannungsbegrenzungselements. Wenn das Spannungsbegrenzungselement 4 zwei oder mehr in Reihe geschaltete MOSFETs enthält, entspricht die Begrenzungsspannung der Summe der Schwellenspannungen der einzelnen MOSFETs. Bei der in 8 gezeigten Ausgestaltung sind n = 3 MOSFETs in Reihe geschaltet. Allerdings handelt es sich hierbei lediglich um ein Beispiel. Die Anzahl n hängt ab von der gewünschten Begrenzungsspannung.
Das in 8 gezeigte Spannungsbegrenzungselement ist nicht auf eine Implementierung mit MOSFETs beschränkt, sondern es kann ebenso gut mit IGBTs oder JFETs (Junction Field-Effect Transistors) implementiert werden. Ferner kann das Spannungsbegrenzungselement mit n-Kanal-Transistoren (wie gezeigt) implementiert werden, oder mit p-Kanal-Transistoren. Allerdings muss, da p-Kanal-Transistoren eine negative Schwellenspannung aufweisen (im Gegensatz zu einer positiven Schwellenspannung bei einem n-Kanal-Transistor), die Polarität eines mit p-Kanal-Transistoren implementierten Spannungsbegrenzungselements im Vergleich zur Polarität eines mit n-Kanal-Transistoren implementierten Spannungsbegrenzungselements invertiert werden. Das heißt, ein mit n-Kanal-Transistoren implementiertes Spannungsbegrenzungselement kann derart angeschlossen werden, dass die zu begrenzende Spannung zwischen den Drain- und Sourceknoten von zumindest einem Transistor angelegt wird, während ein mit p-Kanal-Transistoren implementiertes Spannungsbegrenzungselement derart angeschlossen werden kann, dass die zu begrenzende Spannung zwischen dem Source- und Drainknoten von zumindest einem Transistor angelegt wird.
Wie oben erläutert ist die elektronische Schaltung 10 nicht auf die Implementierung mit selbstsperrenden Bauelementen beschränkt. 9 zeigt eine Ausgestaltung einer elektronischen Schaltung, bei der die zweiten Transistoren 2 als selbstleitende Bauelemente implementiert sind. Die in 9 gezeigte elektronische Schaltung basiert auf der in 1 gezeigten elektronischen Schaltung und sie unterscheidet sich von dieser in 2 gezeigten elektronischen Schaltung dadurch, dass die zweiten Transistoren 2 als selbstleitende Bauelemente implementiert sind. Bei der in 9 gezeigten Ausgestaltung sind diese zweiten Transistoren als selbstleitende MOSFETs (vom Verarmungstyp) gezeichnet. Allerdings handelt es sich hierbei lediglich um ein Beispiel. Andere Arten von selbstleitenden Bauelementen können ebenso gut verwendet werden. Jene anderen Arten enthalten, ohne hierauf beschränkt zu sein, JFETs (Junction Field-Effect Transistors), HEMTs (High Electron Mobility Transistors), oder dergleichen.
Lediglich zum Zwecke der Erläuterung wird angenommen, dass es sich bei den zweiten Transistoren 2 um selbstleitende n-Kanal-Bauelemente (wie beispielsweise n-Kanal-MOSFETs vom Verarmungstyp) handelt. Ferner wird angenommen, dass es sich bei dem ersten Transistor 1 um ein selbstsperrendes Bauelement handelt, wie beispielsweise um einen selbstsperrenden n-Kanal-MOSFET vom Anreicherungstyp, wie er vorangehend erläutert wurde. Ein jedes der selbstleitenden n-Kanal-Bauelemente 2 besitzt einen negativen Schwellenspannungspegel. Das heißt, jeder dieser zweiten Transistoren 2 ist leitend (befindet sich in einem eingeschalteten Zustand), wenn der Spannungspegel der betreffenden Steuerspannung (Gate-Source-Spannung) VG2 höher ist als der (negative) Schwellenspannungspegel, und sperrt (befindet sich in einem ausgeschalteten Zustand), wenn der Spannungspegel der betreffenden Steuerspannung (Gate-Source-Spannung) VG2 geringer ist als der (negative) Schwellenspannungspegel. Daher ist jeder dieser zweiten Transistoren 2 leitend, wenn die betreffende Steuerspannung VG2 Null ist.
Die Funktion der in 9 gezeigten elektronischen Schaltung entspricht der Funktion der in 1 gezeigten elektronischen Schaltung. Das heißt, die elektronische Schaltung 10 befindet sich in einem eingeschalteten Zustand, wenn die Eingangsspannung Vin einen Spannungspegel aufweist, der höher ist als die (positive) Schwellenspannung des ersten Transistors 1, um den ersten Transistor 1 einzuschalten. Die Steuerspannung VG21 des zweiten Transistors 2 ₁ und der anderen zweiten Transistoren 2 ₂–2 _n sind dann so wie in den Gleichungen (1b) und (1c) oben dargelegt. Insbesondere kann der Spannungspegel der Eingangsspannung Vin im eingeschalteten Zustand an den Spannungspegel des ersten Transistors 1 und den Spannungsabfall VL1 im eingeschalteten Zustand derart angepasst werden, dass die Steuerspannungen VG2 der zweiten Transistoren 2 positive Spannungen sind. Da jeder dieser zweiten Transistoren 2 bei einer zugehörigen Steuerspannung VG2 von Null oder darunter leitend ist, resultiert das Ansteuern der zweiten Transistoren 2 mit positiven Steuerspannungen VG2 in sehr geringen Einschaltwiderständen der einzelnen zweiten Transistoren 2 und damit der gesamten elektronischen Schaltung. Alles, was vorangehend im Hinblick auf den Einschaltpegel der Eingangsspannung Vin gesagt wurde, kann entsprechend auf den Einschaltpegel der in 9 gezeigten Eingangsspannung Vin übertragen werden.
Wenn der erste Transistor 1 durch Empfang einer Eingangsspannung Vin, die einen Spannungspegel unter der Schwellenspannung des ersten Transistors 1 aufweist, ausschaltet, und wenn eine positive Spannung zwischen den Lastanschlüssen 102, 103 vorliegt, steigt die Lastpfadspannung VL1 des ersten Transistors 1 an, bis der benachbarte zweite Transistor 2 ₁ ausschaltet. Dies entspricht dem, was vorangehend unter Bezugnahme auf 1 erläutert wurde, mit dem einzigen Unterschied, dass bei der in 9 gezeigten elektronischen Schaltung die Spannung VL1 ansteigt, bis die Steuerspannung VG21 einen negativen Spannungspegel erreicht, der der (negativen) Schwellenspannung des zweiten Transistors 2 ₁ entspricht. Wiederum gilt, dass VBR4₁ = VL1 + VG2₁, wobei VBR41 die Durchbruchspannung des Spannungsbegrenzungselements 4 ₁ ist. Wenn der zweite Transistor 2 ₁ ausschaltet, steigt seine Lastpfadspannung VL21 an, bis der benachbarte zweite Transistor 2 ₂ ausschaltet, und so weiter, wobei jeder der anderen zweiten Transistoren 2 ₂–2 _n ausschaltet, wenn ein Spannungspegel der zugehörigen Steuerspannung den betreffenden negativen Schwellenspannungspegel erreicht.
Gemäß einer Ausgestaltung (nicht gezeigt) handelt es sich nicht nur bei den zweiten Transistoren 2 um selbstleitende Bauelemente, wie dies in 9 gezeigt ist, sondern auch der erste Transistor 1 ist ein selbstleitendes Bauelement, das heißt, ein Bauelement, das einen negativen Schwellenspannungspegel aufweist. In diesem Fall kann die elektronische Schaltung 10 so betrieben werden, wie dies unter Bezugnahme auf die in 9 gezeigte Ausgestaltung erläutert wurde, mit dem Unterschied, dass der Ausschaltpegel der Eingangsspannung Vin ein negativer Spannungspegel ist, der geringer ist, als die negative Schwellenspannung des ersten Transistors 1. Der Einschaltpegel der Eingangsspannung Vin kann bei dieser Ausgestaltung ein positiver Spannungspegel sein.
10 zeigt eine Ausgestaltung einer elektronischen Schaltung 10, die auf der in 4 gezeigten elektronischen Schaltung basiert und die sich von der in 4 gezeigten elektronischen Schaltung dadurch unterscheidet, dass die zweiten Transistoren 2 als selbstleitende Bauelemente implementiert sind (obwohl diese zweiten Transistoren zum Zwecke der Erläuterung als MOSFETs vom Verarmungstyp dargestellt sind, können andere Arten von selbstleitenden Bauelementen ebenso gut eingesetzt werden). Die Funktion der in 10 gezeigten elektronischen Schaltung entspricht der Funktion der in 4 gezeigten elektronischen Schaltung mit dem Unterschied, dass im ausgeschalteten Zustand der elektronischen Schaltung 10 die zweiten Transistoren 2 ausschalten, wenn die betreffende Steuerspannung VG unter die betreffende negative Schwellenspannung abfällt (im Gegensatz zu einer positiven Schwellenspannung, bei der in 4 gezeigten elektronischen Schaltung). Wie die unter Bezugnahme auf 9 erläuterte Schaltung kann die in 10 gezeigte Schaltung derart modifiziert werden, dass sie als ersten Transistor 1 anstelle eines selbstsperrenden Bauelements ein selbstleitendes Bauelement enthält.
Bezug nehmend auf 4 können die Steuerspannungen VG der einzelnen zweiten Transistoren 2 davor geschützt werden, dass sie auf unter Null abfallen, indem weitere Gleichrichterelemente 5 wie beispielsweise bipolare oder Schottkydioden parallel zu den betreffenden Gate-Source-Kapazitäten geschaltet werden. Wenn jedoch die zweiten Transistoren 2 als selbstleitende Transistoren implementiert werden, wie dies unter Bezugnahme auf die 9 und 10 erläutert wurde, kann es erforderlich sein, dass die betreffende Steuerspannung VG2 unter den negativen Schwellenwertspannungspegel abfällt, um den betreffenden zweiten Transistor auszuschalten. Nichtsdestotrotz kann es gewünscht sein, dass die Steuerspannung VG2 nicht signifikant unter die negative Schwellenwertspannung abfällt.
11 zeigt eine Ausgestaltung einer elektronischen Schaltung, die auf der in 9 gezeigten elektronischen Schaltung basiert und die Clamping-Einheiten enthält, die verhindern, dass die Steuerspannungen VG2 signifikant unter die betreffende negative Schwellenwertspannung abfallen. Jede dieser Clamping-Einheiten ist parallel zu der Gate-Source-Kapazität des betreffenden zweiten Transistors 2 geschaltet und enthält das unter Bezugnahme auf 5 erläuterte weitere Gleichrichterelement 5, sowie ein Spannungsbegrenzungselement 8, das mit dem weiteren Gleichrichterelement 5 in Reihe geschaltet ist. Beispielsweise handelt es sich bei dem Spannungsbegrenzungselement 8 bei einer jeder dieser Clamping-Einheiten um eine Zenerdiode (oder eine Reihenschaltung mit Zenerdioden), die antiparallel (engl.: "back to back") zu der bipolaren oder Schottkydiode 5 geschaltet ist, die das weitere Gleichrichterelement 5 bildet. Bei dieser elektronischen Schaltung 10 kann jede Steuerspannung VG2 auf einen negativen Spannungspegel abfallen, der –(VBR9 + VF5) entspricht, wobei VF5 die Vorwärtsspannung der Diode 5 und VBR9 die Durchbruchspannung der in Reihe geschalteten Zenerdiode 9 ist.
Es wird darauf hingewiesen, dass die unter Bezugnahme auf eine spezielle Figur erläuterten Merkmale mit Merkmalen von anderen Figuren kombiniert werden können, selbst in den Fällen, in denen dies nicht ausdrücklich erwähnt wurde. Ferner können die Verfahren der Erfindung entweder sämtlich durch Softwareimplementierungen erzielt werden, die geeignete Prozessoranweisungen verwenden, oder durch Hybridimplementierungen, die eine Kombination von Hardwarelogik und Softwarelogik verwenden, um die gleichen Ergebnisse zu erzielen.

Claims

Elektronische Schaltung, die aufweist: einen Eingangsknoten, der dazu ausgebildet ist, eine Eingangsspannung zu empfangen, sowie einen Lastpfad zwischen einem ersten Lastknoten und einem zweiten Lastknoten; ein erstes Transistorbauelement, sowie n zweite Transistorbauelemente mit n ≥ 1, wobei Lastpfade des ersten Transistorbauelements der n zweiten Transistorbauelemente in Reihe geschaltet sind und dabei einen Lastpfad der elektronischen Schaltung bilden; wobei von dem ersten Transistorbauelement und den n zweiten Transistorbauelementen jedes einen Steuerknoten aufweist, der mit dem Eingangsknoten der elektronischen Schaltung gekoppelt ist, und wobei jedes der n zweiten Transistorbauelemente einen Steuerknoten aufweist, der mit dem Lastpfad der elektronischen Schaltung gekoppelt ist.
Elektronische Schaltung nach Anspruch 1, wobei von dem ersten Transistorbauelement und den n zweiten Transistorbauelementen jedes ein selbstsperrendes Transistorbauelement ist.
Elektronische Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, wobei von dem ersten Transistorbauelement und den n zweiten Transistorbauelementen jedes ein MOSFET oder ein IGBT ist.
Elektronische Schaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei bei jedem der n zweiten Transistorbauelemente der Steuerknoten mit einem Schaltungsknoten des Lastpfades der elektronischen Schaltung, der von dessen eigenem Lastpfad beabstandet ist, gekoppelt ist.
Elektronische Schaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei von dem ersten Transistorbauelement und den n zweiten Transistorbauelementen jedes mit dem Steuerknoten derart mit dem Eingangsknoten der elektronischen Schaltung gekoppelt ist, dass in einem eingeschalteten Zustand der elektronischen Schaltung jedes von dem ersten Transistorbauelement und den n zweiten Transistorbauelementen eine Steuerspannung erhält, die auf der Eingangsspannung basiert.
Elektronische Schaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Steuerknoten eines jeden der n zweiten Transistorbauelemente über ein Gleichrichterelement mit dem Eingangsknoten der elektronischen Schaltung gekoppelt ist, und wobei der Steuerknoten eines jeden der n zweiten Transistorbauelemente über ein Spannungsbegrenzungselement mit dem Lastpfad der elektronischen Schaltung gekoppelt ist.
Elektronische Schaltung nach Anspruch 6, wobei das Spannungsbegrenzungselement eine Bipolardiode oder eine Zenerdiode aufweist.
Elektronische Schaltung nach Anspruch 6, wobei das Spannungsbegrenzungselement zumindest eine Zenerdiode aufweist.
Elektronische Schaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, die ferner aufweist: zumindest ein weiteres Gleichrichterelement, das zu dem Lastpfad von zumindest einem von dem ersten Transistorbauelement und den n zweiten Transistorbauelementen parallel geschaltet ist.
Elektronische Schaltung nach Anspruch 1, wobei n > 2 ist.
Elektronische Schaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein weiteres Gleichrichterelement zwischen den Steuerknoten und einen ersten Lastknoten von jedem der n zweiten Transistorbauelementen geschaltet ist.
Elektronische Schaltung nach Anspruch 11, wobei jedes der n zweiten Transistorbauelemente einen MOSFET oder einen IGBT aufweist, der einen Gateknoten als Steuerknoten und einen Sourceknoten als ersten Lastknoten aufweist.
Elektronische Schaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei jedes der n zweiten Transistorbauelemente zumindest einen Bauelementparameter aufweist, wobei n ≥ 2, und wobei ein Pegel des zumindest einen Bauelementparameters der einzelnen n zweiten Transistorbauelemente im Wesentlichen identisch ist.
Elektronische Schaltung nach Anspruch 13, wobei der zumindest eine Bauelementparameter ausgewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus: Einschaltwiderstand; Spannungssperrvermögen; Schwellenspannung.
Elektronische Schaltung nach Anspruch 13, wobei das erste Transistorbauelement zumindest einen Bauelementparameter aufweist, und wobei ein Pegel des zumindest einen Bauelementparameters des ersten Transistorbauelements im Wesentlichen identisch ist mit dem Pegel des zumindest einen Bauelementparameters bei den n zweiten Transistorbauelementen.
Elektronische Schaltung nach Anspruch 1, wobei jedes der zweiten Transistorbauelemente ein selbstleitendes Transistorbauelement ist.
Elektronische Schaltung nach Anspruch 16, wobei das erste Transistorbauelement ein selbstsperrendes Transistorbauelement ist.
Elektronische Schaltung nach Anspruch 16, wobei das erste Transistorbauelement ein selbstleitendes Transistorbauelement ist.