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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine elektronische Vorrichtung und insbesondere ein System und ein Verfahren für einen Schalter, der einen selbstleitenden Transistor und einen selbstsperrenden Transistor aufweist.
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Leistungsversorgungssysteme sind in vielen elektronischen Anwendungen von Computern und Automobilen weit verbreitet. Allgemein werden Spannungen in einem Leistungsversorgungssystem durch Durchführen einer DC-DC-, DC-AC- und/oder AC-DC-Wandlung durch Betreiben eines Schalters durchgeführt der mit einer Spule oder einem Transformator belastet ist. Eine Klasse solcher Systeme schließt getaktete Leistungsversorgungen (Switched Mode Power Supplies, SMPS) ein. Ein SMPS ist normalerweise effizienter als andere Arten von Leistungswandlungssystemen, da eine Leistungswandlung durch gesteuertes Laden und Entladen der Spule oder Transformators erfolgt und die Energie reduziert, die aufgrund der Verlustleistung aufgrund eines inneren Spannungsabfalls verloren geht.
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Spezifische Topologien für SMPS umfassen u. a. Hochsetz-Tiefsetz-Wandler und Sperrwandler. Ein Hochsetz-Tiefsetz-Wandler verwendet typischerweise eine Spule, während ein Sperrwandler eine Last isoliert und das Spannungsumrichtverhältnis durch die Verwendung eines Transformators vervielfachen kann. Zusätzlich zu dem Energiespeicherelement (entweder Spule oder Transformator) kann der Betrieb des Schalters von besonderer Wichtigkeit sein, insbesondere bei Hochspannungsanwendungen.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist eine Schaltung einen ersten Treiber auf, der einen ersten Ausgang aufweist, der dazu ausgebildet ist, mit einem Steuerknoten eines selbstsperrenden Transistors gekoppelt zu werden. Der erste Treiber ist dazu ausgebildet, in einem Kaskodemodus am ersten Ausgang ein erstes Schaltsignal auszugeben und in einem Direktansteuermodus eine erste konstante Spannung am ersten Ausgang auszugeben. Die Schaltung weist ferner einen zweiten Treiber auf, der einen zweiten Ausgang aufweist, der dazu ausgebildet ist, mit einem Steuerknoten eines selbstleitenden Transistors gekoppelt zu werden, der einen zweiten Laststreckenanschluss aufweist, der mit einem ersten Laststreckenanschluss des selbstsperrenden Transistors gekoppelt ist. Der zweite Treiber ist dazu ausgebildet, im Direktansteuermodus ein zweites Schaltsignals am zweiten Ausgang auszugeben.
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Für ein umfassenderes Verständnis der vorliegenden Erfindung und deren Vorteile wird nun Bezug genommen auf die folgende Beschreibung zusammen mit den angefügten Zeichnungen, in denen:
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1a–1b herkömmliche zusammengesetzte Schalt-Schaltungen veranschaulichen;
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2a–2c Schalt-Schaltungen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung veranschaulichen;
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3 eine zusammengesetzte Schalt-Schaltung gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel veranschaulicht;
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4a–4c zusammengesetzte Schalt-Schaltungen gemäß einer weiteren Ausführungsform veranschaulichen;
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5 ein Ausführungsbeispiel einer getakteten Leistungsversorgung, die Ausführungsbeispiele der zusammengesetzten Schalt-Schaltungen benutzt;
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6 ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
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7 ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
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Zugehörige Nummernbezeichnungen und Symbole in den unterschiedlichen Figuren beziehen sich im Allgemeinen auf entsprechende Teile, wenn nichts anderes angegeben ist. Die Figuren sollen die relevanten Aspekte von bevorzugten Ausführungsbeispiele verdeutlichen und sind nicht unbedingt maßstabsgetreu.
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Die Herstellung und Verwendung der vorliegenden bevorzugten Ausführungsbeispiele werden unten ausführlich erläutert. Man wird jedoch zu schätzen wissen, dass die vorliegende Erfindung viele anwendbare erfinderische Konzepte bereitstellt, die in vielen verschiedenen spezifischen Kontexten ausgeführt werden können. Die erläuterten spezifischen Ausführungsbeispiele sind rein veranschaulichend für spezifische Arten, wie die Erfindung hergestellt und verwendet werden kann, und schränken den Umfang der Erfindung nicht ein.
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Die vorliegende Erfindung wird in Bezug auf bevorzugte Ausführungsbeispiele in einem spezifischen Kontext beschrieben, einem System und Verfahren für einen Schalter mit einem selbstleitenden Transistor, der mit einem selbstsperrenden Transistor in Reihe gekoppelt ist. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können auch auf verschiedene Systeme angewandt werden, die eine solche Schaltstruktur benutzen, z. B. getaktete Leistungsversorgungen.
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In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst ein Schalter-Controller zum Ansteuern eines zusammengesetzten Schalters, der einen in Reihe zu einem selbstsperrenden Transistor gekoppelten selbstleitenden Transistor aufweist, eine erste Treiberschaltung, die dazu ausgebildet ist, das Gate eines selbstsperrenden Transistors, wie beispielsweise eines Anreicherungs-MOSFET, anzusteuern, und eine zweite Treiberschaltung, die die dazu ausgebildet das Gate eines selbstleitenden Transistors, wie beispielsweise eines JFET oder eines Galliumnitrid-(GaN)-HEMT anzusteuern. In einem Betriebsmodus stellt die erste Treiberschaltung eine Vorspannung bereit, welche das selbstsperrende Bauelement einschaltet, und der zweite Treiber stellt eine Reihe von Impulsen bereit, welche das selbstleitende Bauelement ein- und ausschalten. In diesem Betriebsmodus betreibt die zweite Treiberschaltung das selbstleitende Bauelement direkt und effektiv. In einem anderen Betriebsmodus arbeitet das selbstleitende Bauelement als Kaskodebauelement und die Reihe von Impulsen wird dem Gate des selbstsperrenden Bauelements über die erste Treiberschaltung zugeführt. In einem Beispiel wird das selbstleitende Bauelement als Kaskodebauelement durch Koppeln des Gates des selbstleitenden Bauelements mit Source des selbstsperrenden Bauelements und durch Versetzen des Ausgangs der zweiten Treiberschaltung in einen Hochimpedanzzustand vorgespannt.
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In einigen Ausführungsbeispiele weist die Steuerung einen Schalter auf, der zwischen das Gate des selbstleitenden Bauelements und Source des selbstsperrenden Bauelements gekoppelt ist. Wenn der zusammengesetzte Schalter als Kaskodebauelement betrieben wird, wird der Schalter geschlossen, um das Gate des selbstleitenden Bauelements mit Source des selbstsperrenden Bauelements zu koppeln. Andererseits ist der Schalter, wenn der zusammengesetzte Schalter als direkt angesteuertes Bauelement betrieben wird, offen, um dem zweiten Treiber zu ermöglichen, das Gate des selbstleitenden Bauelements anzusteuern.
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Bestimmte Arten von Leistungstransistoren, wie der Sperrschicht-Feldeffekt-Transistor (JFET) und Galliumnitrid-High Electron Mobility-Transistor (GaN HEMT) verhalten sich wie „selbstleitende“ Bauelemente, weil sie sich bei Anlegen von null Volt zwischen Gate und Source des Transistors in einem leitenden Zustand befinden. Zum Abschalten dieser Transistoren wird eine ausreichend hohe negative Gatespannung zwischen Gate und Source des Transistors angelegt. Im Fall eines GaN HEMT kann diese Sperrspannung z. B. zwischen etwa –5 V und etwa –8 V betragen; Abschaltspannungen außerhalb dieses Bereichs können jedoch in einigen Bauelementen ebenfalls auftreten. Entsprechend besteht bei einigen Systemen, wie solchen, die Ladungspumpen zum Erzeugen von negativen Vorspannungen benutzen, die Gefahr, dass das selbstleitende Bauelement einen Kurzschluss zwischen den Leistungsversorgungsschienen der Anordnung verursacht, bevor die Ladungspumpe ausreichend Zeit hat, um eine ausreichend hohe negative Spannung zum Abschalten des selbstleitenden Bauelements zu erzeugen. Des Weiteren besteht die Gefahr von Kurzschlüssen während verschiedener Fehlerzustände.
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Eine Art, wie dieses Problem angegangen wurde, war – wie in 1a dargestellt – das Koppeln des selbstleitenden Bauelements in Reihe mit einem selbstsperrenden Bauelement, wie beispielsweise eines Anreicherungs-MOSFET-Bauelements. Wie dargestellt ist die Source des selbstleitenden Bauelements 102 mit dem Drain des selbstsperrenden Bauelements 104 am Knoten S' gekoppelt und das Gate G des selbstsperrenden Bauelements 104 wird von der Treiberschaltung 106 angesteuert.
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Hier dient das Gate G des selbstsperrenden Bauelements 104 als Steueranschluss, der von der Treiberschaltung 106 angesteuert wird, während das Gate des selbstleitenden Bauelements 102 mit der Source S des selbstsperrenden Bauelements 104 verbunden ist. Während des Hochfahrens ist die Reihenkombination aus selbstleitendem Bauelement und selbstsperrenden Bauelement nicht leitend. Sobald die erforderliche Versorgungsspannung verfügbar ist, kann das selbstsperrende Bauelement mit einem Eingangssignal angesteuert werden, sodass das selbstleitende Bauelement als Kaskodebauelement dient. Wenn der Strom durch den Schalter in Gegenrichtung getrieben wird, wird die Bodydiode BD des selbstsperrenden Bauelements 104 vorwärts vorgespannt. Aufgrund der Schaltkreistopologie (d. h. Verbinden des Sourceknotens S' des selbstleitenden Transistors 102 mit dem Sourceknoten S des selbstsperrenden Transistors 104) bleibt das selbstleitende Bauelement in seinem An-Zustand, d. h. VGD > 0.
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Es treten jedoch eine Reihe von Problemen bei dem zusammengesetzten Bauelement auf, wenn dieses als eine Kaskode betrieben wird. Erstens können Schaltverluste auftreten, weil die Gate-Source-Kapazität des selbstleitenden Bauelements 102 von dem Hochspannungsnetzteil betrieben wird und nicht von der Gatetreiber-Versorgungsspannung. Des Weiteren können weitere Schaltverluste aufgrund der Drain-Kapazität des selbstsperrenden Bauelements 104 auftreten, das eine sehr großes Bauelement zum Handhaben niedriger Ströme sein kann und eine geringe Impedanz besitzt. Da die parasitäre Drain-Kapazität des selbstsperrenden Bauelements 104 während des Betriebs aufgeladen und entladen wird, geht Leistung verloren.
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Ein weiteres Problem mit der Kaskodenkonfiguration ist, dass eine mögliche Spannungsbeanspruchung für das selbstsperrende Bauelement 104 auftritt. Zum Beispiel kann während des Betriebs die Spannung bei Knoten S' aufgrund der kapazitiven Kopplung vom Drain des selbstleitenden Bauelements 102 sehr große Spannungssprünge aufweisen. Mit anderen Worten, die Spannung bei Knoten S geht über den negativen Schwellenwert des selbstleitenden Bauelements 102 hinaus und kann 20V oder mehr bei einigen Schnellschaltbedingungen erreichen.
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1b stellt eine andere Art dar, in der eine zusammengesetzte Anordnung mit einem selbstleitenden Transistor und einem selbstsperrenden Transistor betrieben werden kann. Hier wird das Gate G1 des selbstleitenden Bauelements 102 direkt mithilfe des Treibers 108 angesteuert und das Gate G2 des selbstsperrenden Bauelements 104 wird gemäß dem Ausgang der Unterspannungsabschaltung 110 eingeschaltet, welche das selbstsperrende Bauelement 104 einschaltet, wenn die Leistungsversorgung 112 eine Spannung erreicht hat, die ausreicht, um das selbstleitende Bauelement 102 auszuschalten. Während des Normalbetriebs bleibt das selbstsperrende Bauelement 104 im EIN-Zustand. Während des Hochfahrens und bei Störungen kann sich das selbstsperrende Bauelement 104 ausschalten und die Diode D1 verhindert, dass die Drain-Spannung des selbstsperrenden Bauelements hohe Spannungen erreicht, indem das Gate G1 des selbstleitenden Bauelements 102 an die Sourcespannung des selbstsperrenden Bauelements 104 geklemmt wird. In einer solchen direkt angesteuerten Konfiguration müssen die zugeordneten Treiber ggf. beide Gates G1 und G2 des selbstleitenden Bauelements 102 und selbstsperrenden Bauelements 104 ansteuern. Ein weiteres Problem des Direktansteuer-Ansatzes ist, dass ein hoher Sperrstrom über die in Reihe geschalteten Bauelemente zu einem hohen Spannungsverlust in des selbstleitenden Bauelements 102 führt.
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In einem Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein selbstleitendes Bauelements, das in Reihe mit einem selbstsperrenden Bauelements gekoppelt ist, selektiv konfiguriert werden, um entweder als Kaskodebauelement, wobei das selbstsperrende Bauelement gemäß einem Eingangssignals ein- und ausgeschaltet wird und das selbstleitende Bauelement als Kaskodetransistor funktioniert, oder als direkt angesteuertes Bauelement betrieben zu werden, wobei das selbstleitende Bauelement gemäß dem Eingangssignal ein- und ausgeschaltet wird und das selbstsperrende Bauelement während des Direktansteuerbetriebs eingeschaltet wird. Ein solches Ausführungsbeispiel ist in 2a dargestellt, die das beispielhafte zusammengesetzte Schalter- und Treibersystem 200 mit einem selbstleitenden Bauelement 202 darstellt, das in Reihe mit dem selbstsperrenden Bauelement 204 gekoppelt ist. Die Bodydiode des selbstsperrenden Bauelements 204 wird durch die Diode 210 repräsentiert. Wie dargestellt wird das selbstsperrende Bauelement 204 von der Treiberschaltung 206 angesteuert und das selbstleitende Bauelement 202 von der Tri-State-Treiberschaltung 208 angesteuert. Der Schalter 218 ist dazu ausgebildet, das Gate G1 des selbstleitenden Bauelements 202 mit Source S des selbstsperrenden Bauelements 204 zu koppeln.
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Die Treiberschaltung 206 erhält ihre Leistung aus der Leistungsversorgung 216. Entsprechend kann die Ausgangsspannung der Treiberschaltung 206 zwischen der Sourcespannung des selbstsperrenden Bauelements 204 bei Knoten S und einer Spannung umschalten, welche die Summe der Sourcespannung des selbstsperrenden Bauelements 204 und der Spannung der Leistungsversorgung 216 ist. In einigen Ausführungsbeispielen reicht die Spannung VP der Leistungsversorgung 216 aus, um das selbstsperrende Bauelement 204 auszuschalten, wird aber niedrig genug erzeugt, um eine Überbeanspruchung des Gates des selbstsperrenden Bauelements 204 zu vermeiden. Zum Beispiel kann die Spannung VP in dem Bereich zwischen 5V und etwa 12V liegen, in anderen Ausführungsbeispielen können die Spannungen, die außerhalb dieses Bereichs liegen, jedoch ebenfalls verwendet werden.
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Die Treiberschaltung 206 kann mithilfe der Treiberschaltungen aus dem Stand der Technik implementiert werden. Zum Beispiel kann in einigen Ausführungsbeispielen eine Texas Instruments UCC 275x zum Implementierten der Treiberschaltung 206 verwendet werden. Die Leistungsversorgung 216 kann mithilfe von DC-Leistungsversorgungssystemen und -Verfahren implementiert werden, die aus dem Stand der Technik bekannt sind. Zum Beispiel kann die Leistungsversorgung 216 mithilfe der sekundären oder Hilfswicklung eines Transformators in einer getakteten Leistungsversorgung zusammen mit einer Diode und/oder einem Gleichrichter implementiert werden. In einigen Ausführungsbeispielen kann die Spannung VP weiter geregelt werden, z. B. mithilfe eines linearen Spannungsreglers. Alternativ können andere bekannte Leistungsversorgungsprinzipien verwendet werden.
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Die Tri-State-Treiberschaltung 208 erhält ihre Leistung aus der Leistungsversorgung VN, die einen Pluspol aufweist, der mit dem Sourceknoten S' des selbstleitenden Bauelements 202 verbunden ist. Entsprechend kann die Ausgangsspannung der Tri-State-Treiberschaltung 208 zwischen der Spannung am Minuspol der Leistungsversorgung 214 und der Spannung am Pluspol der Leistungsversorgung 214 in einem Spannungsbereich von VN umschalten. In einigen Ausführungsbeispielen reicht die Spannung VN der Leistungsversorgung 214 aus, um eine adäquate negative Abschaltspannung an Gate G1 des selbstleitenden Bauelements 202 zum Bereitstellen einer Betriebsspanne bei verschiedenen Betriebsbedingungen bereitzustellen. In einem Ausführungsbeispiel beträgt die Spannung VN zwischen etwa –10V und etwa –15V für selbstsperrende Bauelemente mit einer Einsatzspannung zwischen etwa –5V und etwa –8V. Spannungen außerhalb dieses Bereichs können jedoch von der besonderen Ausführungsform und dem Typ des verwendeten Bauelements abhängig sein. Zum Beispiel kann die Einsatzspannung eines GaN HEMT-Bauelements aufgrund ihrer Temperaturempfindlichkeit und Drifteffekte deutlich über Temperatur- und Betriebsbedingungen variieren.
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In einem Ausführungsbeispiel wird die Tri-State-Treiberschaltung 208 als Treiberschaltung betrieben, wenn ein logisches LOW am Pin Tri anliegt, und besitzt einen hochimpedanten Ausgang, wenn ein logisches HIGH am Pin Tri anliegt. Alternativ können die logischen Steuersignale am Pin Tri umgekehrt werden. Zum Beispiel kann eine Tri-State-Treiberschaltung 208 als Treiberschaltung betrieben werden, wenn ein logisches LOW am Pin Tri anliegt, und kann einen hochimpedanten Ausgang besitzen, wenn ein logisches HIGH am Pin Tri anliegt. Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen kann die Tri-State-Treiberschaltung 208 mithilfe der Tri-State-Treiberschaltungen aus dem Stand der Technik implementiert werden. Zum Beispiel kann der IXYS 609 Low Side MOSFET-Treiber von IXYS zum Implementieren der Tri-State-Treiberschaltung 208 verwendet werden. Ähnlich wie die Leistungsversorgung 216 kann die Leistungsversorgung 214 mithilfe von DC-Leistungsversorgungssystemen und -Verfahren implementiert werden, die aus dem Stand der Technik bekannt sind. Zum Beispiel kann die Leistungsversorgung 214 mithilfe der sekundären oder Hilfswicklung eines Transformators in einer getakteten Leistungsversorgung zusammen mit einer Diode und/oder einem Gleichrichter implementiert werden. In einigen Ausführungsbeispielen kann die Spannung VN weiter geregelt werden, z. B. mithilfe eines linearen Spannungsreglers. Alternativ können andere bekannte Leistungsversorgungsprinzipien verwendet werden.
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In einem Ausführungsbeispiel wird der Betriebsmodus des zusammengesetzten Schalter- und Treibersystems 200 durch den Status des Schalters 218 bestimmt, ob eine Tri-State-Schaltung 208 eine hohe Ausgangsimpedanz besitzt oder nicht, wobei die Treiberschaltung 206 oder 208 das Schaltsignal liefert. 2b veranschaulicht den Betrieb des zusammengesetzten Schalter- und Treibersystems im Direktansteuermodus und 2c veranschaulicht den Betrieb des zusammengesetzten Schalter- und Treibersystems im Kaskodenmodus dar.
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In einem Ausführungsbeispiel wird das zusammengesetzte Schalter- und Treibersystem 220 in einem Direktansteuermodus betrieben durch Öffnen des Schalters 218, Zuführen einer Einschaltspannung für das selbstsperrende Bauelement 204 über die Treiberschaltung 206 und das Zuführen eines Schaltsignals an das selbstleitende Bauelement 202 über die Tri-State-Treiberschaltung 208. In einigen Ausführungsbeispielen wird die Einschaltspannung des selbstsperrenden Bauelements 204 erzeugt durch Zuführen eines logischen HIGH am Eingangsknoten VinC der Treiberschaltung 206. Das Schaltsignal wird dem selbstleitenden Bauelement 202 durch Zuführen eines Schaltsignals am Eingang VinD der Tri-State-Treiberschaltung 208 und eines logischen LOW an den Tri-State-Modus-Eingang Pin Tri der Tri-State-Treiberschaltung 208 zugeführt. Während des Betriebs wird der Schalter 218 geöffnet, um zu verhindern, dass der Ausgang der Tri-State-Treiberschaltung 208 mit dem Sourceknoten S des selbstsperrenden Bauelements 204 kurzgeschlossen wird.
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In einem Ausführungsbeispiel wird das zusammengesetzte Schalter- und Treibersystem 230 in einem Kaskodenmodus durch Schließen des Schalters 218 betrieben, wobei ein Schaltsignal des selbstsperrende Bauelements 204 über die Treiberschaltung 206 zugeführt wird, die das Gate G1 des selbstleitenden Bauelements 202 mit dem Sourceknoten S des selbstsperrenden Bauelements 204 koppelt. Der Ausgang der Tri-State-Treiberschaltung 208 ist auf eine hohe Impedanz eingestellt, um das Umschalten der Vorspannung des Sourceknotens S des selbstsperrenden Bauelements 204 zu vermeiden. In einigen Ausführungsbeispielen wird die Tri-State-Treiberschaltung 208 durch Zuführen eines logischen LOW am Tri-State-Modus-Eingangspin Tri der Tri-State-Treiberschaltung 208 in den Tri-State-Modus versetzt, und das Schaltsignal wird der Treiberschaltung 206 über den Eingangspin VinC zugeführt.
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3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines zusammengesetzten Schalter- und Treibersystems 300 gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel, das eine zusätzliche Modussteuerschaltung aufweist. Wie dargestellt, steuert das Eingangssignal Mode den Modus des zusammengesetzten Schalter- und Treibersystems 300, sodass, wenn ein logisches HIGH an den Eingang Mode angelegt wird, das System in einem Kaskodenmodus arbeitet, und, wenn eine logisches LOW an den Eingang Modeangelegt wird, das System in einem Direktansteuermodus arbeitet. Wie dargestellt, wird das Eingangssignal Mode an den Schalter 218, an den Tri-State-Eingang Pin Tri und an die Multiplexer 302 und 304 angelegt. Daher wird bei Anlegen einer Logik HIGH an das Eingangssignal Mode der Schalter 218 geschlossen und der Ausgang der Tri-State-Treiberschaltung 208 auf eine hohe Impedanz gesetzt, wodurch der Sourceknoten S des selbstsperrenden Bauelements 204 mit dem Gate G1 des selbstleitenden Bauelements 202 gekoppelt wird. Das Eingangssignal Mode leitet auch das Eingangsschaltsignal Vin zum Eingang VinC der Treiberschaltung 206 über Multiplexer 304 und ein Logik LOW-Signal zum Eingang VinD der Tri-State-Treiberschaltung 208 über Multiplexer 302, wodurch das Eingangsschaltsignal zur Treiberschaltung 206 geleitet wird. In einigen Ausführungsbeispielen kann ein Logik HIGH-Signal dem Eingang VinD der Tri-State-Treiberschaltung 208 bereitgestellt werden, weil die Tri-State-Treiberschaltung 208 in einem hohen Hochimpedanzausgang-Modus arbeitet.
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Andererseits wird, wenn ein logisches LOW an das Eingangssignal Mode angelegt wird, der Schalter 218 geöffnet und eine Tri-State-Treiberschaltung 208 konfiguriert, das das Gate G1 des selbstleitenden Bauelements 202 anzusteuern, wodurch das selbstleitende Bauelement 202 direkt angesteuert wird. Das Eingangssignal Mode leitet auch das Eingangsschaltsignal Vin zum Eingang VinD der Tri-State-Treiberschaltung 208 über den Multiplexer 302 und ein logisches HIGH-Signal zum Eingang VinC der Treiberschaltung 206 über den Multiplexer 304, wodurch das Eingangsschaltsignal zur Treiberschaltung 208 geleitet wird und das selbstsperrende Bauelement 204 eingeschaltet wird.
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Das zusammengesetzte Schalter- und Treibersystem 300 aus 3 ist nur ein spezifisches Ausführungsbeispiel eines zusammengesetzten Schalter- und Treibersystems ist. In alternativen Ausführungsbeispielen können andere funktionell ähnliche Schaltungen und Topologien verwendet werden. Zum Beispiel kann in einigen Ausführungsbeispielen die Polarität des Eingangssignal Modes umgekehrt werden, sodass ein HIGH-Eingangssignal Mode den Direktansteuermodus auswählt und ein LOW-Eingangssignal Mode den Kaskodenmodus auswählt. In einigen Ausführungsbeispielen kann eine Multi-Bit-Auswahllogik verwendet werden.
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4a–c zeigen zusammengesetzte Schalter- und Treibersysteme gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Hier wird anstelle der Verwendung einer Schalter- und Tri-State-Treiberschaltung zum Konfigurieren der Verbindung zu dem selbstleitenden Bauelement 202 das Modus-Umschalten zwischen dem Direktansteuerbetrieb und dem Kaskodebetrieb durch selektives Betreiben der Verstärker aktiviert, die mit den Gates des selbstleitenden Bauelements 202 und selbstsperrenden Bauelements 204 gekoppelt sind.
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4a zeigt das Treibersystem 400, das dazu ausgebildet ist, im Direktansteuerbetrieb zu arbeiten. Wie dargestellt, weist das Treibersystem 400 eine Treiberschaltung 206 mit einem Ausgang auf, der mit dem Gateanschluss G2 des selbstsperrenden Bauelements 204 gekoppelt ist, und Treiberschaltung 402 weist einen Ausgang auf, der mit dem Gateanschluss G1 des selbstleitenden Bauelements 202 gekoppelt ist. Die positive Versorgung der Leistungsversorgung 214, die negative Versorgung der Leistungsversorgung 216, die negative Versorgung der Treiberschaltung 206 und die positive Versorgung der Treiberschaltung 402 sind mit der Source S des selbstsperrenden Bauelements 204 gekoppelt.
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Während des Direktansteuerbetriebs ist der Gateanschluss G2 des selbstsperrenden Bauelements 210 vorgespannt, z. B. über die Treiberschaltung 206 zur positiven Spannung VP der Leistungsversorgung 216, wodurch das selbstsperrende Bauelement 204 eingeschaltet wird. In einem Ausführungsbeispiel kann das selbstsperrende Bauelement 204 durch Anlegen eines logischen HIGH an Eingang VinC der Treiberschaltung 206 eingeschaltet werden. Ein Schaltsignal wird dann an Eingang VinD der Treiberschaltung 402 angelegt. In einem Ausführungsbeispiel schaltet der Ausgang der Treiberschaltung 402 den Eingang G1 am Gate des selbstleitenden Bauelements 202 zwischen der Spannung am Sourceknotens S des selbstsperrenden Bauelements 204 und der Spannung am Minuspol der Leistungsversorgung 214 um. Wenn der Gateknoten G1 des selbstleitenden Bauelements 202 bei einer negativen Versorgungsspannung des Gatetreibers 402 vorgespannt ist, wird das selbstleitende Bauelement 202 abgeschaltet. Wenn der Gateknoten 202 an der Sourcespannung S des selbstsperrenden Bauelements 204 vorgespannt ist (positive Versorgung des Gatetreibers), wird das selbstleitende Bauelement 202 eingeschaltet. In einem Ausführungsbeispiel werden die Spannungen VP und VN der Leistungsversorgungen 216 und 214 gemäß den Einsatzspannungen des selbstsperrenden Bauelements 204 bzw. selbstleitenden Bauelements 202 gesetzt. In einem Beispiel liegt für das Treibersystem 400 die Spannung VP der Leistungsversorgung 216 zwischen etwa 5 V und etwa 12 V und die Spannung VN der Leistungsversorgung 402 zwischen etwa 10 V und etwa 15 V. In alternativen Ausführungsbeispielen können unterschiedliche Spannungen verwendet werden.
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4b zeigt das Treibersystem 400, das dazu ausgebildet ist, im Kaskodenmodus zu arbeiten. Hier ist der Eingang VinD der Treiberschaltung 402 auf ein logisches HIGH gesetzt, um die Spannung des Sourceknotens S des selbstsperrenden Bauelements 204 an Gate G1 des selbstleitenden Bauelements 202 anzulegen. Die Schaltspannung wird an den Eingang VinC der Treiberschaltung 206 angelegt, die wiederum das Schaltsignal an den Gateanschluss G2 des selbstsperrenden Bauelements 204 anlegt.
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4c zeigt ein Ausführungsbeispiel eines zusammengesetzten Schalter- und Treibersystems 420 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, die eine zusätzliche Modussteuerschaltung besitzt. In diesem Fall wird ein Schaltsignal an die Eingänge der Multiplexer 302 und 304 angelegt, die das Schaltsignal selektiv zum Gateanschluss G1 des selbstleitenden Bauelements 202 im Direktansteuermodus und zum Gateanschluss G2 des selbstsperrenden Bauelements 204 im Kaskodenmodus leiten.
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In einem Ausführungsbeispiel arbeitet das zusammengesetzte Schalt- und Treibersystem 420 im Kaskodenmodus, wenn der Eingang Modehoch (high) ist. Hier wählt der Multiplexer 302, wenn der Eingang ModeHIGH ist, einen Logik-HIGH-Eingang aus und legt den Logik-HIGH-Eingang an den Eingang VinD der Treiberschaltung 402 an, wodurch das selbstleitende Bauelement 202 eingeschaltet wird. Der Multiplexer 302 legt das Schaltsignal an Eingang VinC der Treiberschaltung 206 an, die wiederum das Schaltsignal an das selbstsperrende Bauelement 204 anlegt.
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Das Ausführungsbeispiel des zusammengesetzten Schalt- und Treibersystem 420 wird im Direktansteuermodus betrieben, wenn der Eingang ModeLOW ist. Hier wählt der Multiplexer 302, wenn der Eingang ModeLOW ist, das Schaltsignal aus und legt das Schaltsignal an den Eingang VinD der Treiberschaltung 402 an, wodurch das Schaltsignal an das selbstleitende Bauelement 202 angelegt wird. Der Multiplexer 304 legt ein logisches HIGH-Signal an den Eingang VinC der Treiberschaltung 206 an, die wiederum das selbstsperrende Bauelement 204 einschaltet. Es versteht sich, dass das zusammengesetzte Schalter- und Treibersystem 420 aus 4c nur eine spezifische Ausführungsform eines zusammengesetzten Schalter- und Treibersystems ist. In alternativen Ausführungsbeispielen können andere funktionell ähnliche Schaltungen und Topologien verwendet werden.
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5 zeigt einen getakteten Leistungswandler 500 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, der dazu ausgebildet ist, ein AC-Eingangssignals, wie z. B. eine Netzspannung mit 50Hz bis 60Hz, am Eingang Vin in eine DC-Ausgangsspannung am Ausgang Vout zu wandeln. Zum Beispiel ist bei einem Ausführungsbeispiel der getaktete Leistungswandler 500 dazu ausgebildet, eine Netzeingangsspannung mit 120 VAC oder 240 VAC und 50 Hz bis 60 Hz-in eine DC-Ausgangsspannung von etwa 400V zu wandeln. Alternativ können andere Eingangsspannungen verwendet werden, die im gleichen oder in anderen Frequenzbereichen arbeiten.
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Der Schaltstromrichter 500 weist eine H-Bridge auf, die mithilfe zusammengesetzter Schalter und Treiber 502 und 506 gemäß den hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen implementiert ist. Diese H-Bridge ist mit dem Ausgang Vin über eine Spule 512 gekoppelt. Während des Betriebs des getakteten Leistungswandlers 500 magnetisieren und entmagnetisieren der zusammengesetzte Schalter und Treiber 502 und 506 die Spule 512, sodass die Leistung vom Eingang Vin zum Ausgang Vout übertragen wird. Die Schalt-Schaltungen 504 und 508, die MOSFET-Schalttransistoren einschließen, werden als synchrone Gleichrichter betrieben, die einen Rückstrompfad bereitstellen und in einigen Ausführungsbeispielen auch mithilfe von Dioden implementiert werden können. Der Kondensator 514 repräsentiert die Eingangskapazität des Schaltstromrichters 500 und der Kondensator 510 repräsentiert die Lastkapazität des Schaltstromrichters 500. Jeder zusammengesetzte Schalter und Treiber 502 und 506 der Ausführungsform weist ein selbstleitendes Bauelement auf, das in Reihe mit einem selbstsperrenden Bauelement gekoppelt ist, und ist dazu ausgebildet, ein Schaltsignal am Eingangspin Vin und eine Modusauswahlsignals am Eingangspin M zu erhalten. In einem Ausführungsbeispiel stellt die Steuerung 518 Schaltsignale an den zusammengesetzten Schalter und Treiber 502 und 506 und die Schalt-Schaltungen 504 und 508 bereit, deren zeitlicher Verlauf (engl.: timing) dazu ausgebildet ist, ein AC-Eingangssignal am Eingang Vin in ein DC-Ausgangssignal am Ausgang Vout zu wandeln. Die Steuerung 518 kann mithilfe eines H-Bridge-Schaltstromrichters implementiert sein, der im Stand der Technik bekannt ist. In einigen Ausführungsbeispielen kann die Steuerung 518 Strom und/oder eine Spannungsrückkopplung aus verschiedenen Knoten und Zweigströmen des Schaltstromrichters 500 benutzen, um eine Regelung der Ausgangsspannung, des Ausgangsstroms und/oder der Eingangsströme zu ermöglichen. Zum Beispiel kann das Schalten der Signale S1, S2, die mit den zusammengesetzten Schaltern und Treibern 506 und 502 gekoppelt sind, und der Signale S3 und S4, die mit den Schalt-Schaltungen 504 und 508 gekoppelt sind, dazu ausgebildet sein, eine geregelte Ausgangsspannung und einen geregelten Eingangsstrom zu erzeugen, sodass eine Leistungsfaktorkorrektur erreicht wird.
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In einem Ausführungsbeispiel ist jeder zusammengesetzte Schalter und Treiber 502 und 506 gemäß einem Ausführungsbeispieldazu ausgebildet, in einem Kaskodemodus zu arbeiten, wenn einer Logik HIGH ein Eingang Pin M zugeordnet wird und in einem Direktansteuermodus betrieben, wenn ein logisches LOW am Eingangspin M angelegt wird. In alternativen Ausführungsbeispielen kann die Polarität des Modusauswahlsignals umgekehrt werden. Der Polaritätssensor 516 ist zum Messen der Polarität der Spannung an der Eingangsleitung Vin und zum Erzeugen der Modussignale M1 und M2 gemäß der gemessenen Spannung an der Leitung ausgebildet konfiguriert.
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In einem Ausführungsbeispiel werden die Betriebsmodi der zusammengesetzten Schalter und Treiber 502 und 506 derart ausgewählt, dass Schaltverluste reduziert werden und hohe Rückwärts-Vorspannungsbedingungen an den selbstleitenden Bauelementen vermieden werden. Wenn zum Beispiel die Spannung am Eingang Vin eine positive Polarität besitzt, dient der zusammengesetzte Schalter und Treiber 506, der mit den Steuersignalen S1 gekoppelt ist, im Wesentlichen als ein Schalter und, der zusammengesetzte Schalter und Treiber 502 dient, wenn er mit den Steuersignalen S2 gekoppelt ist, im Wesentlichen als Diode. Entsprechend kann, wenn die Spannung am Eingang Vin eine positive Polarität besitzt, der zusammengesetzte Schalter und Treiber 502 als Kaskodebauelement konfiguriert sein, und der zusammengesetzte Schalter und Treiber 506 kann als direkt angesteuertes Bauelement konfiguriert sein. Durch das Betreiben des zusammengesetzten Schalters und Treibers 502 als Kaskodebauelement, wenn dieser als Diode arbeitet, kann eine große Sperrspannung des selbstleitenden Bauelements vermieden werden. Obgleich die Schaltverluste leicht höher sind, können die Verluste in bestimmten Anwendungen insgesamt reduziert werden (insbesondere bei hoher Schaltfrequenz bei mittlerer Spannung). In anderen Anwendungen und unter unterschiedlichen Bedingungen kann jede beliebige der anderen möglichen Kombinationen (im Kaskodemodus, im Direktansteuer-Diodenmodu oder sowohl im Kaskodemodus als auch Direktansteuermodus betriebener Schalter) je nach dem bestimmten System und seinen Anforderungen verwendet werden.
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Wenn Vin die Polarität wechselt, wechseln die Bauelemente 502 und 506 ihre Funktion. Nun arbeitet 502 als Schalter und 506 als Diode. Die den zusammengesetzten Schaltern und Treibern 502, 506 zugewiesenen Modi werden umgekehrt. Zum Beispiel werden der zusammengesetzte Schalter und Treiber 506 als direkt angesteuerte Bauelemente und der zusammengesetzte Schalter und Treiber 502 als Kaskodebauelement betrieben. Durch das dynamische Wechseln der Betriebsmodi der zusammengesetzten Schalter und Treiber 502 und 506 und während verschiedener Betriebsphasen des Schaltstromrichters 500 kann eine erhöhte Effizienz erreicht werden, weil weniger Schaltverluste von den parasitären Kapazitäten der selbstsperrenden Bauelemente verursacht werden.
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6 zeigt ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 600 zum Betreiben eines zusammengesetzten Schalters, der einen selbstleitenden Transistor aufweist, der mit einem selbstsperrenden Transistor in Reihe gekoppelt ist. Dieses Verfahren kann z. B. zusammen mit den Ausführungsbeispielen aus 2a–c und 3 verwendet werden. In einem Ausführungsbeispiel wird bei Schritt 602 bestimmt, ob der zusammengesetzte Schalter im Kaskodemodus oder im Direktansteuermodus betrieben werden muss. Diese Bestimmung erfolgt z. B. basierend auf einer Polarität eines AC-Eingangssignals, wie in dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 beschrieben. Wenn der Kaskodenmodus ausgewählt wird, wird ein erstes Schaltsignal an einen Steuerknoten eines selbstsperrenden Transistors gekoppelt, der eine erste Treiberschaltung bei Schritt 604 verwendet. Gleichzeitig wird bei Schritt 606 eine zweite Treiberschaltung mit einem Steuerknoten eines selbstleitenden Transistors gekoppelt, während sein Ausgang in einem hohen Hochimpedanz-Zustand ist. Ein Schalter, der zwischen dem Steuerknoten des selbstleitenden Transistors und dem Sourceanschluss des selbstsperrenden Transistors gekoppelt ist, wird bei Schritt 608 geschlossen.
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Wenn der Direktansteuermodus im Schritt 602 ausgewählt wird, wird im Schritt 610 ein zweites Schaltsignal mit dem Steuerknoten des selbstleitenden Transistors unter Verwendung der zweiten Treiberschaltung gekoppelt. Bei Schritt 612 ist eine konstante Spannung, die höher als die Schwellenspannung ist, mit dem Steuerknoten des selbstsperrenden Transistors unter Verwendung der ersten Treiberschaltung gekoppelt. Der Schalter, der zwischen den Steuerknoten des selbstleitenden Transistors und dem Sourceanschluss des selbstsperrenden Transistors gekoppelt ist, wird geöffnet.
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7 zeigt ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 700 zum Betreiben eines zusammengesetzten Schalters, der einen selbstleitenden Transistor aufweist, der mit einem selbstsperrenden Transistor in Reihe gekoppelt ist. Dieses Verfahren kann z. B. zusammen mit den Ausführungsbeispielen aus 4a–c verwendet werden. In einem Ausführungsbeispiel wird bei Schritt 702 bestimmt, ob der zusammengesetzte Schalter im Kaskodemodus oder im Direktansteuermodus betrieben werden muss. Diese Bestimmung erfolgt z. B. basierend auf einer Polarität eines AC-Eingangssignals, wie in dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 beschrieben. Wenn der Kaskodemodus ausgewählt wird, wird ein erstes Schaltsignal mit einem Steuerknoten eines selbstsperrenden Transistors gekoppelt, der eine erste Treiberschaltung bei Schritt 704 verwendet. Gleichzeitig wird bei Schritt 706 eine zweite Treiberschaltung verwendet, um den Steuerknoten des selbstleitenden Transistors mit dem Sourceknoten des selbstsperrenden Transistors zu verbinden.
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Wenn bei Schritt 702 der Direktansteuermodus ausgewählt wird, wird im Schritt 708 ein zweites Schaltsignal mit dem Steuerknoten des selbstleitenden Transistors unter Verwendung der zweiten Treiberschaltung gekoppelt. Bei Schritt 710 ist eine konstante Spannung mit dem Steuerknoten des selbstsperrenden Transistors unter Verwendung der ersten Treiberschaltung gekoppelt.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist eine Schaltung einen ersten Treiber auf, der einen ersten Ausgang aufweist, der dazu ausgebildet ist, mit einem Steuerknoten eines selbstsperrenden Transistors gekoppelt zu werden. Der erste Treiber ist dazu ausgebildet, in einem Kaskodemodus ein erstes Schaltsignals am ersten Ausgang auszugeben und in einem Direktansteuermodus eine erste konstante Spannung am ersten Ausgang auszugeben. Die Schaltung weist ferner einen zweiten Treiber auf, der einen zweiten Ausgang aufweist, der dazu ausgebildet ist, mit einem Steuerknoten eines selbstleitenden Transistors gekoppelt zu werden, der einen zweiten Laststreckenanschluss aufweist, der mit einem ersten Laststreckenanschluss des selbstsperrenden Transistors gekoppelt ist. Der zweite Treiber ist dazu ausgebildet, im Direktansteuermodus ein zweites Schaltsignals am zweiten Ausgang auszugeben.
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In einem Ausführungsbeispiel ist der zweite Treiber ferner dazu ausgebildet im Kaskodenmodus eine hohe Impedanz am zweiten Ausgang zu haben, und die Schaltung weist ferner einen Schalter auf, der zwischen den Steuerknoten des selbstleitenden Transistors und einem zweiten Laststreckenanschluss des selbstsperrenden Transistors gekoppelt ist, wobei der Schalter dazu ausgebildet ist, im Direktansteuermodus geöffnet und im Kaskodenmodus geschlossen zu sein. Der erste Treiber weist einen ersten Netzanschluss auf, der zwischen einen ersten Referenzspannungsknoten und den zweiten Laststreckenanschluss des selbstsperrenden Transistors gekoppelt ist, und der zweite Treiber umfasst einen zweiten Netzanschluss, der zwischen den zweiten Laststreckenanschluss des selbstleitenden Transistors und einen zweiten Referenzspannungsknoten gekoppelt ist.
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In einem Ausführungsbeispiel weist das erste Schaltsignal eine Spannung auf, die von einer Spannung des ersten Referenzspannungsknotens auf eine Spannung des zweiten Laststreckenanschlusses des selbstsperrenden Transistors übergeht, und das zweite Schaltsignal umfasst eine Spannung, die von einer Spannung des zweiten Laststreckenanschlusses des selbstleitenden Transistors auf die des zweiten Referenzspannungsknotens übergeht.
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Die Schaltung kann ferner eine erste Leistungsversorgung, die zwischen den ersten Referenzspannungsknoten und den zweiten Laststreckenanschluss des selbstsperrenden Transistors gekoppelt ist, und eine zweite Leistungsversorgung, die zwischen den zweiten Laststreckenanschluss des selbstleitenden Transistors und den zweiten Referenzspannungsknoten gekoppelt ist. Die Schaltung kann ferner eine Steuerung umfassen, die dazu ausgebildet ist, ein Eingangsschaltsignal mit einem Eingang des ersten Treibers zu koppeln, ein Steuersignal auszugeben, das den zweiten Treiber dazu konfiguriert, eine hohe Impedanz am zweiten Ausgang zu haben, den Schalter im Kaskodenmodus zu schließen, das Eingangsschaltsignal mit einem Eingang des zweiten Treibers zu koppeln, eine konstante Spannung an einen Eingang des ersten Treibers anzulegen und den Schalter im Direktansteuermodus zu öffnen. In einigen Ausführungsbeispielen besitzt die konstante Spannung eine Einschaltspannung des selbstsperrenden Transistors.
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Gemäß einigen Ausführungsbeispielen weist die Schaltung ferner den selbstleitenden Transistor und den selbstsperrenden Transistor auf. Der selbstleitende Transistor kann z. B. ein GaN HEMT-Bauelement aufweisen und der zweite Laststreckenanschluss des selbstleitenden Transistors umfasst eine Source des GaN HEMT. In einem Ausführungsbeispiel ist der selbstsperrende Transistor ein Anreicherungs-MOSFET-Transistor, der erste Laststreckenanschluss des Anreicherungs-MOSFET-Transistors ist ein Drain des Anreicherungs-MOSFET-Transistors und der zweite Laststreckenanschluss des Anreicherungs-MOSFET-Transistors ist ein Source des Anreicherungs-MOSFET-Transistors.
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In einem Ausführungsbeispiel weist der erste Treiber erste Leistungsversorgungsanschlüsse auf, die zwischen einem ersten Referenzspannungsknoten und dem zweiten Laststreckenanschluss des selbstsperrenden Transistors gekoppelt sind, und der zweite Treiber weist zweite Leistungsversorgungsanschlüsse auf, die zwischen dem zweiten Laststreckenanschluss des selbstleitenden Transistors und einem zweiten Referenzspannungsknoten gekoppelt sind.
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Ein Verfahren zum Betreiben eines Schalters mit einem selbstleitenden Transistor, der mit einem selbstsperrenden Transistor gekoppelt ist, umfasst in einem Kaskodemodus das Ausgeben eines ersten Schaltsignals an einen Steuerknoten des selbstsperrenden Transistors unter Verwendung einer ersten Treiberschaltung und Einschalten des selbstleitenden Transistors, der einen Steuerknoten aufweist, der mit einem Ausgang einer zweiten Treiberschaltung gekoppelt ist. Das Verfahren beinhaltet ferner in einem Direktansteuermodus das Ausgeben eines zweiten Schaltsignals an den Steuerknoten des selbstleitenden Transistors unter Verwendung der zweiten Treiberschaltung, und Ausgeben einer ersten konstanten Spannung am Steuerknoten des selbstsperrenden Transistors unter Verwendung der ersten Treiberschaltung und Öffnen des Schalters.
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Das Verfahren beinhaltet ferner im Kaskodemodus das Versetzen einer zweiten Treiberschaltung, die mit dem Steuerknoten des selbstleitenden Transistors gekoppelt ist, in einen Zustand mit hoher Ausgangsimpedanz und Schließen eines Schalters, der zwischen den Steuerknoten des selbstleitenden Transistors und einen Laststreckenanschluss des selbstsperrenden Transistors gekoppelt ist. Der selbstsperrende Transistor kann mithilfe eines FET-Transistors implementiert werden und der Laststreckenanschluss des selbstsperrenden Transistors kann eine Source des selbstsperrenden Transistors aufweisen.
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Im Kaskodemodus kann der Schalter den Steuerknoten des selbstleitenden Transistors mit einem Sourceanschluss des selbstsperrenden Transistors koppeln. Der selbstsperrende Transistor kann mithilfe eines Anreicherungs-MOSFET implementiert werden und der selbstleitende Transistor kann mithilfe eines GaN HEMT implementiert werden.
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In einem Ausführungsbeispiel beinhaltet das Verfahren ferner das Anlegen einer ersten Versorgungsspannung zwischen den Netzanschlüssen der ersten Treiberschaltung und das Anlegen einer zweiten Versorgungsspannung zwischen den Netzanschlüssen der zweiten Treiberschaltung. Das Anlegen der ersten Versorgungsspannung kann das Anlegen eines ersten Leistungsversorgungsreferenzknotens an einen Pluspol der ersten Treiberschaltung und das Koppeln eines Lastanschlusses des selbstsperrenden Transistors mit einem Minuspol der ersten Treiberschaltung beinhalten. Das Anlegen der zweiten Versorgungsspannung kann das Anlegen eines zweiten Leistungsversorgungsreferenzknotens an einen Minuspol der zweiten Treiberschaltung und das Koppeln eines Lastanschlusses des selbstleitenden Transistors mit einem Pluspol der zweiten Treiberschaltung beinhalten.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist eine getaktete Leistungsversorgung mehrere zusammengesetzte Schalt-Schaltungen auf, wobei eine erste zusammengesetzte Schalt-Schaltung in Reihe mit einer zweiten zusammengesetzten Schalt-Schaltung zum Bilden einer ersten Reihenkombination gekoppelt ist. Jeder der mehreren zusammengesetzten Schalt-Schaltungen weist einen selbstleitenden Transistor, einen selbstsperrenden Transistor mit einem ersten Laststreckenanschluss, der mit einem zweiten Laststreckenanschluss des selbstleitenden Transistors gekoppelt ist, und einen ersten Treiber auf, der einen ersten Ausgang umfasst, der mit einem Steuerknoten des selbstsperrenden Transistors gekoppelt ist. Der erste Treiber ist dazu ausgebildet, in einem Kaskodemodus ein erstes Schaltsignals an dem ersten Ausgang auszugeben und in einem Direktansteuermodus eine erste konstante Spannung am ersten Ausgang auszugeben. Jede der mehreren zusammengesetzten Schalt-Schaltungen weist ferner einen zweiten Treiber mit einem zweiten Ausgang auf, der mit einem Steuerknoten des selbstleitenden Transistors gekoppelt ist. Der zweite Treiber ist dazu ausgebildet, im Direktansteuermodus ein zweites Schaltsignals am zweiten Ausgang auszugeben, und jede der mehreren zusammengesetzten Schalt-Schaltungen ist dazu ausgebildet, im Kaskodemodus den Steuerknotens des selbstleitenden Transistors mit einer Source des selbstsperrenden Transistors zu verbinden.
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In einem Ausführungsbeispiel ist der zweite Treiber ferner dazu ausgebildet, im Kaskodemodus eine hohe Impedanz am zweiten Ausgang zu haben, und jeder der mehreren Schalt-Schaltungen umfasst ferner einen Schalter, der zwischen den Steuerknoten des selbstleitenden Transistors und einem zweiten Laststreckenanschluss des selbstsperrenden Transistors gekoppelt ist. Der Schalter ist dazu ausgebildet, im Direktansteuermodus geöffnet und im Kaskodenmodus geschlossen zu sein.
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Vorteile der Ausführungsbeispielen schließen die Reduktion von Schaltverlusten und Verlusten aufgrund des Spannungsabfalls in Sperrrichtung gepolter selbstleitender Transistoren ein. Ein weiterer Vorteil der Ausführungsbeispielen schließt die Möglichkeit ein, ein selbstleitendes Bauelement, das in Reihe mit einem selbstsperrenden Bauelement gekoppelt ist, anzusteuern, ohne das selbstsperrende Bauelement übermäßig zu beanspruchen. Entsprechend kann das selbstsperrende Bauelement auf eine Weise bemessen und konfiguriert sein, um die Schaltverluste zu reduzieren.
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Weitere Vorteile von Ausführungsbeispielen sind die Optimierungsmöglichkeiten für unterschiedlichen Anwendungen durch Auswählen der am besten geeigneten Betriebsmodus-Kombination.
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Zum Beispiel können die beispielhaften Leistungsversorgungssysteme und andere beispielhafte Treibersysteme, die hierin offenbart sind, mithilfe einer gestapelten Treiberschaltung implementiert werden, die in der anhängigen Anmeldung mit der US-Seriennummer 14/473,101 offenbart ist.
