DE102015114373B4 - System und verfahren für einen schalter mit einem selbstleitenden transistor und einem selbstsperrenden transistor - Google Patents

System und verfahren für einen schalter mit einem selbstleitenden transistor und einem selbstsperrenden transistor Download PDF

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Abstract

Schaltung, die aufweist:einen selbstsperrenden Transistor;einen selbstleitenden Transistor, der einen zweiten Laststreckenanschluss, der mit einem ersten Laststreckenanschluss des selbstsperrenden Transistors gekoppelt ist, und einen Steueranschluss, der mit einem zweiten Laststreckenanschluss des selbstsperrenden Transistors gekoppelt ist, aufweist; undeine Treiberschaltung, die einen Ausgang, der mit einem Steueranschluss des selbstsperrenden Transistors gekoppelt ist, einen ersten Leistungsversorgungsanschluss, der dazu ausgebildet ist, mit einem ersten Leistungsversorgungsanschluss einer ersten Leistungsversorgung gekoppelt zu werden, und einen zweiten Leistungsversorgungsanschluss, der dazu ausgebildet ist, mit einem zweiten Leistungsversorgungsanschluss einer zweiten Leistungsversorgung gekoppelt zu werden, aufweist, wobei der zweite Laststreckenanschluss des selbstleitenden Transistors weiterhin dazu ausgebildet ist, mit einem zweiten Leistungsversorgungsanschluss der ersten Leistungsversorgung und einem ersten Leistungsversorgungsanschluss der zweiten Leistungsversorgung gekoppelt zu werden.

Description

  • 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.
  • Leistungsversorgungssysteme sind in vielen elektronischen Anwendungen, von Computern bis hin zu Automobilen, weit verbreitet. Allgemein werden Spannungen in einem Leistungsversorgungssystem durch Durchführen einer DC-DC-, DC-AC- und/oder AC-DC-Wandlung durch Betätigen eines Schalters durchgeführt der mit einer Spule oder Transformator geladen ist. Eine Klasse solcher Systeme umfasst getaktete Leistungsversorgungen (Switched Mode Power Supplies, SMPS) ein. Ein SMPS ist normalerweise effizienter als andere Arten von Umrichtersystemen, da eine Leistungswandlung durch gesteuertes Laden und Entladen der Spule oder Transformators erfolgt und die Energie, die aufgrund der Verlustleistung aufgrund eines inneren Spannungsabfalls verloren geht, reduziert.
  • Spezifische Topologien für SMPS umfassen u. a. Tiefsetz-Hochsetz-Wandler und Sperrwandler. Ein Tiefsetz-Hochsetz-Wandler verwendet typischerweise eine Spule, während ein Sperrwandler eine Last isoliert und das Spannungsumrichtverhältnis durch die Verwendung eines Transformators vervielfachen kann. Zusätzlich zum Energiespeicherelement (entweder Spule oder Transformator) ist der Betrieb des Schalters von besonderer Wichtigkeit, insbesondere bei Hochspannungsanwendungen.
  • Ein Problem, das in Bezug auf das Betreiben von Halbleiterschaltern in Hochspannungsumgebungen auftritt, ist das Verhindern einer Zerstörung des Bauelements aufgrund hoher Spannungen, die an den Halbleiterschalter angelegt werden. Einige Systeme basieren auf der Verwendung von Bauelementen, die speziell dazu ausgebildet sind, solch hohen Busspannungen standzuhalten, die in Hochspannungsleistungsversorgungen vorhanden sind. Dennoch gibt es auch bei der Verwendung von Hochspannungsbauelementen einige Herausforderungen bezüglich des Designs im Hinblick auf das Sicherstellen, dass Bauelemente in der Leistungsversorgungsschaltung Hochspannungstransienten-Bedingungen widerstehen können, die innerhalb der getakteten Leistungsversorgung auftreten können. Zum Beispiel können in einigen getakteten Leistungsversorgungen Spannungstransienten innerhalb der Leistungsversorgungsschaltung die DC- oder Ruhebusspannungen, die innerhalb des Leistungsversorgungssystems vorliegen, überschreiten.
  • Aus WO 2015 / 073 980 A1 ist eine Schaltung bekannt, bei der ein selbstleitender GaN-HEMT und ein selbstsperrender Niederspannung-Feldeffekttransistor zwischen einem Spannungsausgangsknoten und Masse in Reihe geschaltet sind. Ein Ausgang einer Treiberschaltung ist mit einem Gate des selbstsperrenden Niederspannung-Feldeffekttransistors gekoppelt. Die Treiberschaltung weist unter anderem Anschlüsse zum Anschluss von Masse, - 12 V, + 5 V und + 12 V auf.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel, umfasst eine Schaltung einen selbstsperrenden Transistor und einen selbstleitenden Transistor, der einen an einen ersten Laststreckenanschluss des selbstsperrenden Transistors gekoppelten zweiten Laststreckenanschluss und einen an einen zweiten Laststreckenanschluss des selbstsperrenden Transistors gekoppelten Steueranschluss aufweist. Die Schaltung umfasst weiterhin eine Treiberschaltung, die einen Ausgang, der mit einem Steueranschluss des selbstsperrenden Transistors gekoppelt ist, einen ersten Leistungsversorgungsanschluss, der dazu ausgebildet ist, mit einem ersten Leistungsversorgungsanschluss einer ersten Leistungsversorgung gekoppelt zu werden, und einen zweiten Leistungsversorgungsanschluss, der dazu ausgebildet ist, mit einem zweiten Leistungsversorgungsanschluss einer zweiten Leistungsversorgung gekoppelt zu werden. Der zweite Laststreckenanschluss des selbstleitenden Transistors ist weiterhin dazu ausgebildet, mit einem zweiten Leistungsversorgungsanschluss der ersten Leistungsversorgung und einem ersten Leistungsversorgungsanschluss der zweiten Leistungsversorgung gekoppelt zu werden.
  • 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:
    • 1a bis 1b herkömmliche zusammengesetzte Schalt-Schaltungen veranschaulichen;
    • 2 eine Schalt-Schaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
    • 3a bis 3b zusammengesetzte Schalt-Schaltungen gemäß weiteren Ausführungsbeispiele veranschaulichen;
    • 4 ein Ausführungsbeispiel einer getakteten Leistungsversorgung veranschaulicht, die Schalt-Schaltungen gemäß Ausführungsbeispielen benutzt;
    • 5 ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel veranschaulicht; und
    • 6 ein Flussdiagramm eines weiteren Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel veranschaulicht.
  • Zugehörige Nummernbezeichnungen und Symbole in den unterschiedlichen Figuren beziehen sich im Allgemeinen auf entsprechende Teile, wenn nicht anders angegeben. Die Figuren sollen die relevanten Aspekte von bevorzugten Ausführungsbeispiele verdeutlichen und sind nicht unbedingt maßstabsgetreu.
  • 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.
  • Die vorliegende Erfindung wird in Bezug auf bevorzugte Ausführungsbeispiele in einem spezifischen Zusammenhang 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 Leistungswandler.
  • In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist eine Schaltersteuerung zum Ansteuern eines zusammengesetzten Schalters, der einen selbstleitenden Transistor in Reihe zu einem selbstsperrenden Transistor aufweist, eine Treiberschaltung auf, die zum Ansteuern des Gates eines selbstsperrenden Transistors, wie z. B. eines Anreicherungs-MOSFET, ausgebildet ist, während das Gate des selbstleitenden Transistors mit Source des selbstsperrenden Transistors gekoppelt ist. Durch Referenzieren der Treiberschaltung auf das Drain des selbstsperrenden Transistors können große Sprünge an diesem Drain des selbstsperrenden Transistors abgeschwächt und/oder beseitigt werden. Entsprechend wird die Spannungsbeanspruchung des selbstsperrenden Bauelements reduziert, wodurch das selbstsperrende Bauelement bemessen und konfiguriert werden kann, um Schaltverluste zu reduzieren. Solche Schalter gemäß Ausführungsbeispielen können in verschiedenen Schalt-Schaltungen verwendet werden, wie z. B. getakteten Leistungsversorgungen, Power Factor Controllern (PFC) und anderen Leistungswandlungsschaltungen.
  • Bestimmte Typen von Leistungstransistoren, wie Sperrschicht-Feldeffekt-Transistoren (Junction Field Effect Transistors, JFETs) und Galliumnitrid-High Electron Mobility-Transistoren (GaN HEMT) verhalten sich wie „selbstleitende“ Bauelementen, weil sie sich in einem leitenden Zustand bei Anlegen von null Volt zwischen Gate und Source des Transistors 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 Entwickeln von negativen Vorspannungen benutzen, die Gefahr, dass das selbstleitende Bauelement einen Kurzschluss zwischen den Leistungsversorgungsschienen des Bauelements 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 Störungszustände.
  • Eine Art, mit der diesem Problem begegnet wurde, war das Koppeln des selbstleitenden Bauelements in Reihe mit einem selbstsperrenden Bauelement, wie beispielsweise einem Anreicherungs-MOSFET-Bauelement, in einer Kaskodenkonfiguration, wie in 1a dargestellt. 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.
  • Hier dient das Gate G des selbstsperrenden Bauelements 104 als der 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 selbstsperrendem 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 Schaltungstopologie (d. h. Verbinden des Sourceknotens S' des selbstleitenden Transistors 102 mit dem Sourceknoten S des selbstsperrenden Transistors 104) bleibt das selbstleitende Bauelement in ihrem Ein-Zustand, d. h. VGD > 0.
  • Es treten jedoch eine Reihe von Problemen bei der zusammengesetzten Anordnung auf, wenn diese als eine Kaskode betrieben wird. Erstens können Schaltverluste auftreten, weil die Gate-Source-Kapazität des selbstleitenden Bauelements 102 durch die hohe Leistungsversorgungsspannung angesteuert wird und nicht durch die niedrige Gatetreiber-Versorgungsspannung. Des Weiteren können weitere Schaltverluste aufgrund der Drain-Kapazität des selbstsperrenden Bauelements 104 auftreten, das ein sehr große 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.
  • 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.
  • 1b veranschaulicht eine andere Art, in der eine zusammengesetzte Anordnung mit einem selbstleitenden Transistor und einem selbstsperrenden Transistor angesteuert 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 das selbstsperrende Bauelement 104 ausgeschaltet werden und die Diode D1 verhindert, dass die Drain-Spannung des selbstleitenden Bauelements Hochspannungen erreicht, indem das Gate G1 des selbstleitenden Bauelements 102 an die Source-Spannung 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 betreiben. Ein weiteres Problem des Direktansteuer-Ansatzes ist, dass ein hoher Sperrstrom über die in Reihe verbundenen Bauelemente zu einem hohen Spannungsverlust in dem selbstleitenden Bauelement 102 führt.
  • 2a zeigt einen zusammengesetzten Schalter und Treiber 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, der ein selbstleitendes Bauelement 202 aufweist, das in Reihe mit einem selbstsperrenden Bauelement 204 gekoppelt ist. Wie dargestellt, werden das selbstleitende Bauelement 202 und selbstsperrende Bauelement 204 in einer Kaskodenkonfiguration betrieben. Die Bodydiode des selbstsperrenden Bauelements 204 ist durch die Diode 210 repräsentiert. Das Gate des selbstleitenden Bauelements 202 ist mit einem Sourceknoten S des selbstsperrenden Bauelements 204 gekoppelt und das Gate des selbstsperrenden Bauelements 204 wird von der Treiberschaltung 212 basierend auf einem Schalteingangssignal angesteuert, das am Eingangspin VinC erhalten wird. Die Unterspannungssperrschaltung 216 hält das selbstsperrende Bauelement 204 ausgeschaltet, bis sie misst, dass die Leistungsversorgung 222 eine Spannung aufgebaut hat, die ausreicht, um das System zu betreiben. In einem Ausführungsbeispiel hält die Unterspannungssperrschaltung 216 das selbstsperrende Bauelement 204 ausgeschaltet, bis sie misst, dass die Spannung der Leistungsversorgung 222 einen Schwellenwert überschritten hat. In einigen Ausführungsbeispiele kann dieser Schwellenwert zwischen 5V und 12V betragen, vorzugsweise 10V. Es können jedoch auch Spannungen außerhalb dieser Bereiche verwendet werden, je nach den besonderen Ausführungsbeispielen und deren Spezifikationen.
  • Wie dargestellt, ist die Leistungsversorgung 220 zum Erzeugen der Spannung VP ausgebildet und die Leistungsversorgung 222 ist zum Erzeugen der Spannung VN ausgebildet. In einigen Ausführungsbeispiele liegt die Leistungsversorgungsspannung VP zwischen etwa 5 V und etwa 12 V und die Leistungsversorgungsspannung VN liegt zwischen etwa 5V und 12V. Alternativ können Spannungen außerhalb dieser Bereiche verwendet werden, je nach der besonderen Ausführungsform und deren Spezifikationen.
  • Der Sourceknoten S' des selbstleitenden Bauelements 202 ist mit dem gemeinsamen Knoten zwischen der Leistungsversorgung 220 und der Leistungsversorgung 222 gekoppelt. In einem Ausführungsbeispiel ist die Treiberschaltung 212 zum Bereitstellen eines Schaltsignals am Gate des selbstsperrenden Bauelements 204 ausgebildet, die zwischen einer Spannung des Pluspols der Leistungsversorgung 220 und einer Spannung des Minuspols der Leistungsversorgung 222 umschaltet. In einem Ausführungsbeispiel ist das selbstleitende Bauelement 202 unter Verwendung eines GaN HEMT-Bauelements implementiert und das selbstsperrende Bauelement 204 ist unter Verwendung eines n-Kanal-MOSFET-Bauelements implementiert.
  • Wie dargestellt, sind die Schaltspannungen, die von der Treiberschaltung 212 erzeugt werden, auf das Drain des selbstsperrenden Bauelements 204 bezogen (referenziert). Durch Referenzieren der Schaltspannungen auf den Drainknoten S' des selbstsperrenden Bauelements 204 werden große Sprünge am Drainknoten S' des selbstsperrenden Bauelements 204 durch die Art, wie die Leistungsversorgung 220 und Leistungsversorgung 222 referenziert sind, abgeschwächt und/oder beseitigt.
  • In einem Ausführungsbeispiel erfolgt der Betrieb des zusammengesetzten Schalters und Treibers 200 wie folgt. Aufgrund der Verbindung des Gates des selbstsperrenden Bauelements 202 mit der MOSFET-Source des selbstsperrenden Bauelements 204, gilt: V GS , GaN + V DG , MOS + V GS , MOS = V SS ' + V S ' G + V GS = 0, wobei VGS,GaN und VSS' für die Gate-Source-Spannung des selbstleitenden Bauelements 202 stehen, VDG,MOS und VS'G für die Drain-Gate-Spannung des selbstsperrenden Bauelements 204 stehen und VGS,MOS und VGS für die Gate-Source-Spannung des selbstsperrenden Bauelements 204 stehen. Entsprechend ist es möglich, diese Anordnung über eine Spannung VGD,MOS zu steuern, die zwischen dem Gate und dem Drain des selbstsperrenden Bauelements 204 angelegt wird.
  • In einem Ausführungsbeispiel wird der Ein-Zustand durch VGD,MOS = - VS'G = VP definiert. Aus (1) wird die folgende Beziehung abgeleitet: VGS,GaN + VGS,MOS = VP. Daher gilt: V GS , GaN = − V DS , MOS = − R on , MOS ∗ I , wobei Ron,MOS der Einschaltwiderstand des selbstsperrenden Bauelements 204 und I der Strom ist, der durch das selbstleitende Bauelement 202 und das selbstsperrende Bauelement 204 fließt. Da der Ausdruck von Gleichung (2) negativ ist, ist VGS,MOS immer größer als VP. Daher kann das selbstsperrende Bauelement 204 einfach mittels einer positiven Spannung VP eingeschaltet werden, die höher als seine Einsatzspannung ist, ähnlich wie im Standardfall. Aus Gleichung (2) ist auch ersichtlich, dass das selbstleitende Bauelement 202 auch an ist. Da der Spannungsabfall über den MOS-Kanal typischerweise sehr klein ist, ist die Gate-Source-Spannung des selbstleitenden Bauelements 202 leicht negativ, liegt aber immer noch ausreichend über seiner Einsatzspannung.
  • In einem Ausführungsbeispiel wird der Ein-Zustand durch VGS,GaN > Vth,GaN und VGS,MOS > Vth,MOS, definiert, wobei Vth,GaN die Einsatzspannung des selbstleitenden Bauelements 202 und Vth,MOS die Einsatzspannung des selbstsperrenden Bauelements 204 ist. Entsprechend ist V GS , GaN + V GS , MOS = V GD , MOS > V th , GaN + V th , MOS eine notwendige Ein-Bedingung. Im Aus-Zustand erzwingt die Treiberschaltung 212, dass VGD,MOS gleich VN ist. Die Gesamtstruktur ist aus, wenn die notwendige „Ein“-Bedingung (3) nicht erfüllt wird, sodass VN < Vth,GaN + Vth,MOS ist. Entsprechend verhält sich die Schaltung aus 2 wie eine klassische Kaskode, obwohl eine negative Spannung zum Ausschalten der Bauelemente verwendet wird. um sicherzustellen, dass die Schaltung aus ist, wenn die erforderlichen Spannungen nicht verfügbar sind, z. B. während des Hochfahrens oder bei einer Störung, misst die Unterspannungssperrschaltung 216 das Vorhandensein einer ausreichend großen Spannung VN, die von der Leistungsversorgung 222 erzeugt wird. Der Einschalter 214 hält die Schaltung ausgeschaltet, sogar dann, wenn die Spannung VN der Leistungsversorgung 222 nicht auf eine ausreichende Spannung zum Betreiben des Systems geladen wurde.
  • In einem Ausführungsbeispiel ist die Aus-Spannung des selbstsperrenden Bauelements 204 begrenzt. Gemäß (1) ist die Spannung zwischen S' und S gegeben durch V DS , MOS = V S ' S = V S ' G + V GS = VN + V th , MOS und auf diesen Wert beschränkt. Da eine Zunahme der Spannung bei S' zum Anschalten des selbstsperrenden Bauelements 204 neigt, schränkt eine negative Rückkopplungsschleife über die Treiberschaltung 212 diese Spannung auf den in (4) gegebenen Wert ein. Durch Begrenzen der Spannung über dem selbstsperrenden Bauelement 204 auf diese Weise braucht in einigen Ausführungsbeispiele kein Kompromiss zwischen Beanspruchung und Effizienz gemacht zu werden. Mit anderen Worten, das selbstsperrende Bauelement 204 kann so klein bemessen sein, um Schaltverluste ohne Einbußen bei der Handhabung von großen Spannungssprüngen zwischen den Knoten S und S' zu minimieren.
  • In Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung können der zusammengesetzte Schalter und Treiber 200 dazu verwendet werden, Schalter in einem weiten Bereich von elektronischer Schaltungen zu implementieren. Zum Beispiel kann der zusammengesetzte Schalter und Treiber 200 zum Implementieren von Schaltern in getakteten Leistungsversorgungen, Power Factor Controllern, H-Brückenschaltungen, wie beispielsweise solche, die in der anhängigen Anmeldung mit US-Seriennummer 14/473.207 beschrieben sind, verwendet werden.
  • 3a zeigt einen zusammengesetzten Schalter und Treiber 300 in einem Ausführungsbeispiel, der zum Betreiben in einem Kaskodenmodus und in einem Direktansteuermodus betrieben werden kann. Der zusammengesetzten Schalter und Treiber 300 ähnelt dem zusammengesetzten Schalter und Treiber 200 aus 2, umfasst aber zusätzlich eine Tri-State-Treiberschaltung 306 mit einem Ausgang, der mit dem Gate des selbstleitenden Transistors 202 gekoppelt ist, und den Schalter 312, der von einem Modussignal gesteuert wird. Während des Kaskodenbetriebs ist der Schalter 312 geschlossen, wodurch das Gate des selbstleitenden Transistors 202 mit der Source des selbstsperrenden Bauelements 204 gekoppelt ist und der Ausgang der Tri-State-Treiberschaltung 306 in einem Zustand mit hoher Ausgangsimpedanz versetzt wird. Ein Schaltsignal wird am Eingang VinC der Treiberschaltung 212 zugeführt. Entsprechend arbeitet der zusammengesetzte Schalter und Treiber 300 auf die gleiche Weise wie der zusammengesetzte Schalter und Treiber 200, der oben in 2 beschrieben ist. Mit anderen Worten dient der selbstleitende Transistor 202 als Kaskodebauelement und das selbstsperrende Bauelement 204 stellt das Schaltsignal bereit.
  • Während des Direktansteuerbetriebs ist der Schalter 312 geöffnet und ein Logiksignal mit hohem Pegel wird an den Eingang VinC der Treiberschaltung 212 angelegt, wodurch das selbstsperrende Bauelement 204 eingeschaltet wird. Ein Schaltsignal wird an den Eingang VinD der Treiberschaltung 306 angelegt, das wiederum das Schaltsignal an das Gate des selbstleitenden Transistors 202 anlegt und dadurch den selbstleitenden Transistor 202 gemäß dem Schaltsignal ein- und ausschaltet. In einem Ausführungsbeispiel schaltet die Treiberschaltung 306 das Gate des selbstleitenden Transistors 202 zwischen dem Potential des Sourceknotens S' des selbstleitenden Transistors 202 und dem Potential des Minuspols der Leistungsversorgung 222 um. Entsprechend wird der selbstleitende Transistor 202 durch Anlegen von null Volt zwischen Source- und Drainanschluss eingeschaltet und durch Anlegen einer negativen Spannung von etwa VN zwischen Source- und Drainanschluss ausgeschaltet.
  • 3b zeigt ein Ausführungsbeispiel eines zusammengesetzten Schalter- und Treibersystems 350 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel mit einer zusätzlichen Modussteuerschaltung. Wie dargestellt, steuert das Eingangssignal Mode den Modus des zusammengesetzten Schalter- und Treibersystems 350, sodass, wenn ein logisches HIGH an den Eingang Mode angelegt wird, das System in einem Kaskodemodus arbeitet, und, wenn eine logisches LOW an den Eingang Mode angelegt wird, das System in einem Direktansteuermodus arbeitet. Wie dargestellt, wird das Eingangssignal Mode an den Schalter 312, an den Tri-State-Eingangspin Tri der Treiberschaltung 306 und an die Multiplexer 302 und 304 angelegt. Daher wird bei Anlegen eines logischen HIGH an das Eingangssignal Mode der Schalter 312 geschlossen und der Ausgang der Tri-State-Treiberschaltung 212 auf eine hohe Impedanz gesetzt, wodurch der Sourceknoten S des selbstsperrenden Bauelements 204 mit dem Gate des selbstleitenden Bauelements 202 gekoppelt wird. Das Eingangssignal Mode leitet auch das Eingangsschaltsignal Vin zum Eingang VinC der Treiberschaltung 212 über Multiplexer 304 und ein logisches LOW-Signal zum Eingang VinD der Tri-State-Treiberschaltung 306 über Multiplexer 302, wodurch das Eingangsschaltsignal zur Treiberschaltung 212 geleitet wird. In einigen Ausführungsbeispiele kann ein logisches HIGH-Signal dem Eingang VinD der Tri-State-Treiberschaltung 306 zugeführt werden, weil die Tri-State-Treiberschaltung 3-6 in einem hohen Modus mit hoher Ausgangsimpedanz arbeitet.
  • Andererseits wird, wenn ein logisches LOW an das Eingangssignal Mode angelegt wird, der Schalter 312 geöffnet und eine Tri-State-Treiberschaltung 306 dazu ausgebildet, das Gate des selbstleitenden Bauelements 202 zu betreiben, wodurch das selbstleitende Bauelement 202 direkt angesteuert wird. Das Eingangssignal Mode leitet auch das Eingangsschaltsignal Vin zum Eingang VinD der Tri-State-Treiberschaltung 306 über Multiplexer 302 und ein logisches HIGH-Signal zum Eingang VinC der Treiberschaltung 212 über Multiplexer 304, wodurch das Eingangsschaltsignal zur Treiberschaltung 306 geleitet wird und das selbstsperrende Bauelement 204 eingeschaltet wird.
  • Man wird zu schätzen wissen, dass das zusammengesetzte Schalter- und Treibersystem 350 aus 3b nur eine spezifische Ausführungsform eines zusammengesetzten Schalter- und Treibersystems ist. In alternativen Ausführungsbeispiele können andere funktionell ähnliche Schaltungen und Topologien verwendet werden. Zum Beispiel kann in einigen Ausführungsbeispiele die Polarität des Eingangssignals Mode umgekehrt werden, sodass ein HIGH-Eingangssignal Mode den Direktansteuermodus auswählt und ein LOW-Eingangssignal Mode den Kaskodemodus auswählt. In einigen Ausführungsbeispiele kann eine Multi-Bit-Auswahllogik verwendet werden.
  • 4 zeigt einen getakteten Leistungswandler 400 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, der zum Wandeln eines AC-Eingangssignals ausgebildet ist, wie z. B. einer Netzspannung mit 50Hz bis 60Hz an einem Eingang Vin in eine DC-Ausgangsspannung bei Ausgang Vout. In einem Ausführungsbeispiel ist der Leistungsschaltwandler 400 z. B. ausgebildet zum Wandeln einer Netzspannung mit 120 VAC oder 240 VAC und 50 Hz bis 60 Hz in eine DC-Ausgangsspannung von etwa 400V konfiguriert. Alternativ können eine andere Eingangsspannungen verwendet werden, die im gleichen oder anderen Frequenzbereich arbeiten.
  • Der getaktete Leistungswandler 400 weist eine H-Brücke auf, die mithilfe der zusammengesetzten Schalter und Treiber 402 und 406 gemäß den hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen implementiert sind. Diese H-Brücke ist mit dem Ausgang Vin über eine Spule 412 gekoppelt. Während des Betriebs des getakteten Leistungswandlers 400 magnetisieren und entmagnetisieren die zusammengesetzten Schalter und Treiber 402 und 406 die Spule 412, so dass die Leistung von Eingang Vin zu Ausgang Vout übertragen wird. Der Kondensator 414 repräsentiert die Eingangskapazität des Schaltstromrichters 400 und der Kondensator 410 repräsentiert die Lastkapazität des Schaltstromrichters 400. Jeder zusammengesetzte Schalter und Treiber 402 und 406 gemäß einem Ausführungsbeispiel weist ein selbstleitendes Bauelement auf, das mit einem selbstsperrenden Bauelement in Reihe gekoppelt ist und zum Empfangen eines Schaltsignals am Eingangspin Vin und eines Modusauswahlsignal am Eingangspin M ausgebildet ist. In einem Ausführungsbeispiel stellt die Steuerung 418 Schaltsignale an die zusammengesetzten Schalter und Treiber 402 und 406 und die Schalter und Treiber 404 und 408 bereit, deren zeitlicher Ablauf zum Wandeln eines AC-Eingangssignal am Eingang Vin zu einem DC-Ausgangssignal am Ausgang Vout ausgebildet ist. Die Steuerung 418 kann mithilfe einer in der Technik bekannten Steuerung für einen eines H-Brücke-basierten getakteten Leistungswandler implementiert werden. In einigen Ausführungsbeispiele kann die Steuerung 418 eine Strom- und/oder eine Spannungsrückkopplung aus verschiedenen Knoten und Zweigströmen des Leistungsschaltwandlers 400 benutzen, um eine Regelung der Ausgangsspannung, des Ausgangsstroms und/oder der Eingangsströme zu erreichen. Zum Beispiel kann das Schalten der Signale S1, S2, die mit den zusammengesetzten Schaltern und Treibern 406 und 402 gekoppelt sind, und das Schalten der Signale S3 und S4, die mit den Schaltern und Treibern 404 und 408 gekoppelt sind, zum Bereitstellen einer gesteuerten Ausgangsspannung und eines gesteuerten Eingangsstroms konfiguriert sein, sodass eine Leistungsfaktorkorrektur erreicht wird. In einem Ausführungsbeispiel stellen die Treiber 404 und 408 einen Rückstrompfad bereit und können mithilfe synchroner Gleichrichter implementiert sein, die mit den dargestellten Schaltsignalen S3 und S4 wie angesteuert werden. In solchen Ausführungsbeispiele kann der zusammengesetzte Schalter und Treiber 404 und 408 als Kaskodevorrichtung konfiguriert sein. In alternativen Ausführungsbeispiele können eine einfache Diode oder andere Schaltstrukturen anstelle der zusammengesetzten Schalter und Treiber 404 und 408 verwendet werden.
  • In einem Ausführungsbeispiel ist jeder zusammengesetzte Schalter und Treiber 402 und 406 gemäß einem Ausführungsbeispiel ausgebildet zum Betrieb im Kaskodemodus, wenn ein logisches HIGH an den Eingangspin M angelegt wird, und zum Betrieb im Direktansteuermodus, wenn ein logisches LOW an den Eingangspin M angelegt wird. In alternativen Ausführungsbeispielen kann die Polarität des Modusauswahlsignals umgekehrt werden. Der Polaritätssensor 416 ist zum Messen der Polarität der Eingangsleitungsspannung Vin und zum Erzeugen der Modussignale M1 und M2 gemäß der gemessenen Leitungsspannung konfiguriert.
  • In einem Ausführungsbeispiel werden die Betriebsmodi der zusammengesetzten Schalter und Treiber 402 und 406 derart ausgewählt, dass die Schaltverluste reduziert werden und hohe Rückwärts-Vorspannungsbedingungen in den selbstleitenden Bauelementen vermieden werden. Wenn zum Beispiel die Spannung am Eingang Vin eine positive Polarität besitzt, dienen der zusammengesetzte Schalter und Treiber 406, die mit den Steuersignalen S1 gekoppelt sind, im Wesentlichen als ein Schalter und der zusammengesetzte Schalter und Treiber 402 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 402 als Kaskodenvorrichtung konfiguriert sein, und der zusammengesetzte Schalter und Treiber 406 kann als Direktansteuervorrichtung konfiguriert sein. Durch das Betreiben des zusammengesetzten Schalters und Treibers 402 als Kaskodevorrichtung, wenn dieser als Diode arbeitet, kann eine große Sperrspannung des selbstleitenden Bauelements vermieden werden. Obgleich die Schaltverluste leicht höher sind, können die Verluste insgesamt in bestimmten Anwendungen reduziert werden (insbesondere bei hoher Schaltfrequenz bei mittlerer Spannung). In anderen Anwendungen und unter unterschiedlichen Bedingungen kann jede beliebige der anderen möglichen Kombinationen (im Kaskodenmodus, im Direktantriebs-Diodenmodus oder sowohl im Kaskodenmodus als auch Direktansteuermodus angesteuerter Schalter) je nach dem bestimmten System und seinen Anforderungen verwendet werden.
  • Wenn Vin die Polarität wechselt, wechseln die Bauelementen 402 und 406 ihre Funktion. Nun arbeitet 402 als Schalter und 406 als Diode. Die den zusammengesetzten Schaltern und Treibern 402, 406 zugewiesenen Modi werden umgekehrt. Zum Beispiel werden der zusammengesetzte Schalter und Treiber 406 als direkt angesteuerte Bauelemente betrieben und der zusammengesetzte Schalter und Treiber 402 als Kaskodevorrichtung betrieben. Durch das dynamische Wechseln der Betriebsmodi der zusammengesetzten Schalter und Treiber 402 und 406 und während verschiedener Betriebsphasen des getakteten Leistungswandlers 400 kann eine erhöhte Effizienz erreicht werden, weil weniger Schaltverluste von den parasitären Kapazitäten der selbstsperrenden Bauelementen verursacht werden.
  • 5 zeigt ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 500 zum Ansteuern eines zusammengesetzten Schalters, der einen selbstsperrenden Transistor mit einem ersten Laststreckenanschluss aufweist, der mit einem zweiten Laststreckenanschluss eines selbstleitenden Transistors gekoppelt ist. Bei Schritt 502 wird die Spannung an einem zweiten Laststreckenanschluss des selbstsperrenden Transistors an einen Steueranschluss des selbstleitenden Transistors angelegt. Bei den Schritten 504 und 506 wird der selbstsperrende Transistor gemäß einem Schaltsignal, das zwischen Gate und dem ersten Laststreckensignal angelegt wird, ein- und ausgeschaltet. Genauer, bei Schritt 504 wird der selbstsperrende Transistor eingeschaltet, indem ein Spannungspotential von einem ersten Anschluss einer ersten Leistungsversorgung an einen Steueranschluss des selbstsperrenden Transistors angelegt wird. Bei Schritt 506 wird der selbstsperrende Transistor ausgeschaltet, indem ein Spannungspotential von einem zweiten Anschluss einer zweiten Leistungsversorgung an den Steueranschluss des selbstsperrenden Transistors angelegt wird.
  • 6 zeigt ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 600 zum Ansteuern eines zusammengesetzten Schalters, der einen selbstleitenden Transistor aufweist, der mit einem selbstsperrenden Transistor gekoppelt ist. In einem Ausführungsbeispiel wird bei Schritt 602 eine Bestimmung gemacht, ob der zusammengesetzte Schalter im Kaskodenmodus oder im Direktansteuermodus angesteuert werden muss. Diese Bestimmung wird z. B. basierend auf einer Polarität eines AC-Eingangssignals durchgeführt, wie in der Ausführungsform aus 4 beschrieben. Wenn der Kaskodenmodus ausgewählt wird, wird ein erstes Schaltsignal mit einem 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 Impedanzstatus ist. Ein Schalter, der zwischen dem Steuerknoten des selbstleitenden Transistors und einem Laststreckenanschluss des selbstsperrenden Transistors gekoppelt ist, wird bei Schritt 608 geschlossen.
  • Wenn der Direktansteuermodus bei Schritt 602 ausgewählt wird, wird ein zweites Schaltsignal mit dem Steuerknoten des selbstleitenden Transistors unter Verwendung der zweiten Treiberschaltung bei Schritt 610 gekoppelt. Bei Schritt 612 wird eine konstante Spannung mit dem Steuerknoten des selbstsperrenden Transistors unter Verwendung der ersten Treiberschaltung gekoppelt. Ein Schalter, der zwischen dem Steuerknoten des selbstleitenden Transistors und dem Laststreckenanschluss des selbstsperrenden Transistors gekoppelt ist, wird geöffnet.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel, umfasst eine Schaltung einen selbstsperrenden Transistor und einen selbstleitenden Transistor, der einen an einen ersten Laststreckenanschluss des selbstsperrenden Transistors gekoppelten zweiten Laststreckenanschluss und einen an einen zweiten Laststreckenanschluss des selbstsperrenden Transistors gekoppelten Steueranschluss aufweist. Die Schaltung umfasst weiterhin eine Treiberschaltung, die einen Ausgang, der mit einem Steueranschluss des selbstsperrenden Transistors gekoppelt ist, einen ersten Leistungsversorgungsanschluss, der dazu ausgebildet ist, mit einem ersten Leistungsversorgungsanschluss einer ersten Leistungsversorgung gekoppelt zu werden, und einen zweiten Leistungsversorgungsanschluss, der dazu ausgebildet ist, mit einem zweiten Leistungsversorgungsanschluss einer zweiten Leistungsversorgung gekoppelt zu werden. Der zweite Laststreckenanschluss des selbstleitenden Transistors ist weiterhin dazu ausgebildet, mit einem zweiten Leistungsversorgungsanschluss der ersten Leistungsversorgung und einem ersten Leistungsversorgungsanschluss der zweiten Leistungsversorgung gekoppelt zu werden.
  • In einem Ausführungsbeispiel weist der selbstleitende Transistor ein GaN HEMT-Bauelement auf, der erste Laststreckenanschluss des selbstleitenden Transistors weist ein Drain des GaN HEMT- Bauelements auf, der zweite Laststreckenanschluss des selbstleitenden Transistors weist ein Source des GaN-HEMT auf und der Steueranschluss des selbstleitenden Transistors weist ein Gate des GaN HEMT- Bauelements auf. In einigen Ausführungsbeispiele ist der selbstsperrende Transistor unter Verwendung eines Anreicherungs-MOSFET-Transistors implementiert, wobei der erste Laststreckenanschluss des selbstsperrenden Transistors ein Drain des Anreicherungs-MOSFET-Transistors aufweist, wobei der zweite Laststreckenanschluss des selbstsperrenden Transistors ein Source des Anreicherungs-MOSFET-Transistors aufweist und der Steueranschluss des selbstsperrenden Transistors ein Gate des Anreicherungs-MOSFET-Transistors aufweist.
  • In einigen Ausführungsbeispiele ist der erste Leistungsversorgungsanschluss der ersten Leistungsversorgung dazu ausgebildet, eine höhere Spannung als der zweite Leistungsversorgungsanschluss der ersten Leistungsversorgung aufzuweisen, und der erste Leistungsversorgungsanschluss der zweiten Leistungsversorgung ist dazu ausgebildet, eine höhere Spannung als der zweite Leistungsversorgungsanschluss der zweiten Leistungsversorgung aufzuweisen. In einigen Implementierungen weist die Schaltung ferner die erste Leistungsversorgung und die zweite Leistungsversorgung auf.
  • Die Schaltung kann ferner eine Unterspannungsabschalt-Schutzschaltung aufweisen, die dazu ausgebildet ist, den selbstsperrenden Transistor abzuschalten, wenn eine Spannung der zweiten Leistungsversorgung unterhalb eines Schwellenwerts liegt. In einem Ausführungsbeispiel weist die Schaltung auch einen Schalter auf, der zwischen den Steueranschluss des selbstsperrenden Transistors und dem zweiten Laststreckenanschluss des selbstsperrenden Transistors gekoppelt ist. Die Unterspannungssperrschaltung ist dazu ausgebildet, den Schalter zu schließen, wenn die Spannung der zweiten Leistungsversorgung unter dem Schwellenwert liegt, und den Schalter zu öffnen, wenn die Spannung der zweiten Leistungsversorgung über dem Schwellenwert liegt.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst ein Verfahren, das sich auf einen Schalter bezieht, der einen selbstsperrenden Transistor mit einem ersten Laststreckenanschluss umfasst, der mit einem zweiten Laststreckenanschluss eines selbstleitenden Transistors gekoppelt ist: ein Anlegen einer Spannung an einem zweiten Laststreckenanschluss des selbstsperrenden Transistors an einen Steueranschluss des selbstleitenden Transistors, ein Einschalten des selbstsperrenden Transistors durch Anlegen eines Spannungspotentials von einem ersten Anschluss einer ersten Leistungsversorgung an einen Steueranschluss des selbstsperrenden Transistors, und ein Ausschalten des selbstsperrenden Transistors durch Anlegen eines Spannungspotentials von einem zweiten Anschluss einer zweiten Leistungsversorgung an den Steueranschluss des selbstsperrenden Transistors. Der erste Laststreckenanschluss des selbstsperrenden Transistors und der zweite Laststreckenanschluss des selbstleitenden Transistors sind mit einem zweiten Anschluss der ersten Leistungsversorgung und mit einem ersten Anschluss der zweiten Leistungsversorgung gekoppelt.
  • In einem Ausführungsbeispiel beinhaltet das Verfahren ferner das Messen einer ersten Spannung zwischen dem ersten Anschluss der zweiten Leistungsversorgung und dem zweiten Anschluss der zweiten Leistungsversorgung und das Ausschalten des selbstsperrenden Transistors, wenn die erste Spannung geringer als ein Schwellenwert ist.
  • In einem Ausführungsbeispiel sind der selbstleitende Transistor und der selbstsperrende Transistor jeweils unter Verwendung von FET-Transistoren implementiert, der zweite Laststreckenanschluss des selbstleitenden Transistors weist eine Source des selbstleitenden Transistors auf und der Steueranschluss des selbstleitenden Transistors weist ein Gate des selbstleitenden Transistors auf, wobei der erste Laststreckenanschluss des selbstsperrenden Transistors einen Drain des selbstsperrenden Transistors aufweist und der Laststreckenanschluss des selbstsperrenden Transistors eine Source des selbstsperrenden Transistors aufweist. In einem Beispiel kann der selbstsperrende Transistor unter Verwendung eines Anreicherungs-MOSFET implementiert sein und der selbstleitende Transistor kann unter Verwendung eines GaN HEMT implementiert sein.
  • In einem Ausführungsbeispiel beinhaltet das Anschalten des selbstsperrenden Transistors und das Abschalten des selbstsperrenden Transistors das Anlegen eines Schaltsignals an einen Eingang einer Treiberschaltung und das Ansteuern des Steueranschlusses des selbstsperrenden Transistors mit einem Ausgang der Treiberschaltung. Das Verfahren kann ferner das Magnetisieren und Endmagnetisieren einer Spule in einem getakteten Leistungswandler unter Verwendung des Schalters beinhalten.
  • In einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Schalter einen Anreicherungs-MOSFET-Transistor, einen GaN HEMT-Transistor mit einem Source, das mit einem Drain des Anreicherungs-MOSFET-Transistors gekoppelt ist, und einem Gate, das mit einem Source des Anreicherungs-MOSFET-Transistors gekoppelt ist. Der Schalter weist ferner eine Treiberschaltung auf, die umfasst: einen Ausgang, der mit einem Gate des Anreicherungs-MOSFET-Transistors gekoppelt ist, einen ersten Leistungsversorgungsanschluss, der dazu ausgebildet ist, mit einem Pluspol einer ersten Leistungsversorgung gekoppelt zu werden, und einen zweiten Leistungsversorgungsanschluss, der dazu ausgebildet ist, mit einem Minuspol einer ersten Leistungsversorgung gekoppelt zu werden. Der Minuspol der ersten Leistungsversorgung, der Pluspol der zweiten Leistungsversorgung, die Source des GaN HEMT und das Drain des Anreicherungs-MOSFET sind dazu ausgebildet, miteinander gekoppelt zu werden. In einem Ausführungsbeispiel weist der Schalter ferner die erste Leistungsversorgung und die zweite Leistungsversorgung auf.
  • Der Schalter kann ferner eine Leistungsversorgungsmessschaltung, die mit der zweiten Leistungsversorgung gekoppelt ist, und einen ersten Schalter, der mit dem Gate des Anreicherungs-MOSFET gekoppelt ist, aufweisen. In einigen Ausführungsbeispiele ist die Leistungsversorgungsmessschaltung dazu ausgebildet, den Anreicherungs-MOSFET über den ersten Schalters abzuschalten, wenn die Leistungsversorgungsmessschaltung erkennt, dass eine Spannung der zweiten Leistungsversorgung unter einem Schwellenwert liegt.
  • In einem Ausführungsbeispiel, ist der Schalter zwischen das Gate des Anreicherungs-MOSFET und ein Source des Anreicherungs-MOSFET gekoppelt, der z. B. unter Verwendung eines n-Kanal-Bauelements implementiert werden kann. In einigen Ausführungsbeispiele ist die getaktete Leistungsversorgung mit dem Schalter gekoppelt.
  • Vorteile der Ausführungsbeispiele schließen die Reduktion von Schaltverlusten und Verlusten aufgrund des Spannungsabfalls in Sperrrichtung gepolter selbstleitender Transistoren ein. Ein weiterer Vorteil der Ausführungsbeispiele schließt die Möglichkeit ein, ein selbstleitendes Bauelement, das in Reihe mit einem selbstsperrenden Bauelement gekoppelt ist, zu betreiben, ohne das selbstsperrende Bauelement übermäßig zu beanspruchen. Entsprechend kann das selbstsperrende Bauelement auf eine Weise bemessen und konfiguriert sein, um die Schaltverluste zu reduzieren.
  • Weitere Vorteile von Ausführungsbeispiele sind die Optimierungsmöglichkeiten für unterschiedlichen Anwendungen durch Auswählen der am besten geeigneten Betriebsmodus-Kombination.

Claims (20)

  1. Schaltung, die aufweist: einen selbstsperrenden Transistor; einen selbstleitenden Transistor, der einen zweiten Laststreckenanschluss, der mit einem ersten Laststreckenanschluss des selbstsperrenden Transistors gekoppelt ist, und einen Steueranschluss, der mit einem zweiten Laststreckenanschluss des selbstsperrenden Transistors gekoppelt ist, aufweist; und eine Treiberschaltung, die einen Ausgang, der mit einem Steueranschluss des selbstsperrenden Transistors gekoppelt ist, einen ersten Leistungsversorgungsanschluss, der dazu ausgebildet ist, mit einem ersten Leistungsversorgungsanschluss einer ersten Leistungsversorgung gekoppelt zu werden, und einen zweiten Leistungsversorgungsanschluss, der dazu ausgebildet ist, mit einem zweiten Leistungsversorgungsanschluss einer zweiten Leistungsversorgung gekoppelt zu werden, aufweist, wobei der zweite Laststreckenanschluss des selbstleitenden Transistors weiterhin dazu ausgebildet ist, mit einem zweiten Leistungsversorgungsanschluss der ersten Leistungsversorgung und einem ersten Leistungsversorgungsanschluss der zweiten Leistungsversorgung gekoppelt zu werden.
  2. Schaltung nach Anspruch 1, bei der der selbstleitende Transistor ein GaN HEMT-Bauelement aufweist, der erste Laststreckenanschluss des selbstleitenden Transistors ein Drain der GaN HEMT-Bauelements aufweist, der zweite Laststreckenanschluss des selbstleitenden Transistors ein Source des GaN-HEMT-Bauelements aufweist und der Steueranschluss des selbstleitenden Transistors ein Gate des GaN- Bauelement aufweist.
  3. Schaltung nach Anspruch 2, bei der der selbstsperrende Transistor einen Anreicherungs-MOSFET-Transistor aufweist, wobei der erste Laststreckenanschluss des selbstsperrenden Transistors ein Drain des Anreicherungs-MOSFET-Transistors aufweist, wobei der zweite Laststreckenanschluss des selbstsperrenden Transistors ein Source des Anreicherungs-MOSFET-Transistors aufweist und der Steueranschluss des selbstsperrenden Transistors ein Gate des Anreicherungs-MOSFET-Transistors aufweist.
  4. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der: der erste Leistungsversorgungsanschluss der ersten Leistungsversorgung dazu ausgebildet ist, eine höhere Spannung als der zweite Leistungsversorgungsanschluss der ersten Leistungsversorgung aufzuweisen; und der erste Leistungsversorgungsanschluss der zweiten Leistungsversorgung dazu ausgebildet ist, eine höhere Spannung als der zweite Leistungsversorgungsanschluss der zweiten Leistungsversorgung aufzuweisen.
  5. Schaltung nach Anspruch 4, die weiterhin die erste Leistungsversorgung und die zweite Leistungsversorgung aufweist.
  6. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, die weiterhin eine Unterspannungsabschalt-Schutzschaltung aufweist, die dazu ausgebildet ist, den selbstsperrenden Transistor abzuschalten, wenn eine Spannung der zweiten Leistungsversorgung unterhalb eines Schwellenwerts liegt.
  7. Schaltung nach Anspruch 6, die weiterhin einen Schalter aufweist, der zwischen den Steueranschluss des selbstsperrenden Transistors und den zweiten Laststreckenanschluss des selbstsperrenden Transistors gekoppelt ist, wobei die Unterspannungsabschalt-Schutzschaltung, dazu ausgebildet ist, den Schalter zu schließen, wenn die Spannung der zweiten Leistungsversorgung unter dem Schwellenwert liegt, und den Schalter zu öffnen, wenn die Spannung der zweiten Leistungsversorgung über dem Schwellenwert liegt.
  8. Verfahren zum Betreiben eines Schalters, der einen selbstsperrenden Transistor mit einem ersten Laststreckenanschluss, der mit einem zweiten Laststreckenanschluss eines selbstleitenden Transistors gekoppelt ist, aufweist, wobei das Verfahren aufweist: Anlegen einer Spannung von einem zweiten Laststreckenanschluss des selbstsperrenden Transistors an einen Steueranschluss des selbstleitenden Transistors; Einschalten des selbstsperrenden Transistors, was das Anlegen eines Spannungspotentials von einem ersten Anschluss einer ersten Leistungsversorgung an einen Steueranschluss des selbstsperrenden Transistors aufweist; und Abschalten des selbstsperrenden Transistors, was das Anlegen eines Spannungspotentials von einem zweiten Anschluss einer zweiten Leistungsversorgung an den Steueranschluss des selbstsperrenden Transistors aufweist, wobei der erste Laststreckenanschluss des selbstsperrenden Transistors und der zweite Laststreckenanschluss des selbstleitenden Transistors mit einem zweiten Anschluss der ersten Leistungsversorgung und einem ersten Anschluss der zweiten Leistungsversorgung gekoppelt sind.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, das weiterhin aufweist: Messen einer ersten Spannung zwischen dem ersten Anschluss der zweiten Leistungsversorgung und dem zweiten Anschluss der zweiten Leistungsversorgung; und Abschalten des selbstsperrenden Transistors, wenn die erste Spannung geringer als ein Schwellenwert ist.
  10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, bei dem: der selbstleitende Transistor und der selbstsperrende Transistor jeweils FET-Transistoren aufweisen; der zweite Laststreckenanschluss des selbstleitenden Transistors ein Source des selbstleitenden Transistors aufweist und der Steueranschluss des selbstleitenden Transistors ein Gate des selbstleitenden Transistors aufweist; der erste Laststreckenanschluss des selbstsperrenden Transistors ein Drain des selbstsperrenden Transistors aufweist; und wobei der Laststreckenanschluss des selbstsperrenden Transistors ein Source des selbstsperrenden Transistors aufweist.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem der selbstsperrende Transistor einen Anreicherungs-MOSFET-Transistor und der selbstleitende Transistor ein GaN HEMT-Bauelement aufweist.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, bei dem das Anschalten des selbstsperrenden Transistors und das Abschalten des selbstsperrenden Transistors das Anlegen eines Schaltsignals an einen Eingang einer Treiberschaltung und das Ansteuern des Steueranschlusses des selbstsperrenden Transistors mit einem Ausgang der Treiberschaltung aufweist.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, das weiterhin das Magnetisieren und Entmagnetisieren einer Spule in einem getakteten Leistungswandler mithilfe des Schalters aufweist.
  14. Schalter, der aufweist: einen Anreicherungs-MOSFET-Transistor; einen GaN HEMT-Transistor, der ein Source, das mit einem Drain des Anreicherungs-MOSFET-Transistors gekoppelt ist, und ein Gate, das mit einem Source des Anreicherungs-MOSFET-Transistors gekoppelt ist, aufweist; und eine Treiberschaltung, die einen Ausgang, der mit einem Gate des Anreicherungs-MOSFET-Transistors gekoppelt ist, einen ersten Leistungsversorgungsanschluss, der dazu ausgebildet ist, mit einem Pluspol einer ersten Leistungsversorgung gekoppelt zu werden, und einen zweiten Leistungsversorgungsanschluss, der dazu ausgebildet ist, mit einem Minuspol einer zweiten Leistungsversorgung gekoppelt zu werden, aufweist, wobei der Minuspol der ersten Leistungsversorgung, der Pluspol der zweiten Leistungsversorgung, die Source des GaN HEMT-Transistors und das Drain des Anreicherungs-MOSFET-Transistors dazu ausgebildet sind, miteinander gekoppelt zu werden.
  15. Schalter nach Anspruch 14, der weiterhin die erste Leistungsversorgung und die zweite Leistungsversorgung aufweist.
  16. Schalter nach Anspruch 14 oder 15, der weiterhin aufweist: eine Leistungsversorgungsmessschaltung, die mit der zweiten Leistungsversorgung gekoppelt ist; und einen ersten Schalter, der mit dem Gate des Anreicherungs-MOSFET-Transistors gekoppelt ist.
  17. Schalter nach Anspruch 16, bei dem die Leistungsversorgungsmessschaltung dazu ausgebildet ist, den Anreicherungs-MOSFET-Transistor mithilfe des ersten Schalters abzuschalten, wenn die Leistungsversorgungsmessschaltung detektiert, dass eine Spannung der zweiten Leistungsversorgung unter einem Schwellenwert liegt.
  18. Schalter nach Anspruch 16 oder 17, bei dem der Schalter zwischen das Gate des Anreicherungs-MOSFET-Transistors und ein Source des Anreicherungs-MOSFET-Transistors gekoppelt ist.
  19. Schalter nach einem der Ansprüche 14 bis 18, bei dem der Anreicherungs-MOSFET-Transistor ein n-Kanal-Bauelement ist.
  20. Schalter nach einem der Ansprüche 14 bis 19, der weiterhin einen getakteten Leistungswandler aufweist, der mit dem Schalter gekoppelt ist.
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