DE102018126780A1 - Schaltungsanordnung von Gate-Treiber-Schaltungen und Leistungsschaltern mit negativer Sperrspannung - Google Patents

Schaltungsanordnung von Gate-Treiber-Schaltungen und Leistungsschaltern mit negativer Sperrspannung Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung (300) von Gate-Treiber-Schaltungen und Leistungsschaltern (311, 312, 313, 314), wobei die Gate-Treiber-Schaltungen durch ein Leistungsschaltersteuergerät angesteuert werden, wobei eine jeweilige Gate-Treiber-Schaltung einen Spannungsinverter (351, 352, 353, 354) aufweist, dem als ein erstes Eingangssignal eine positive Eingangsspannung und als ein zweites Eingangssignal das Schaltsignal des Gate-Treibers (391, 392, 393, 394) zur Verfügung steht, und bei dem über mit dem Schaltsignal getaktete Schalter mindestens ein Kondensator zum Negativspannungseingang des Gate-Treibers (391, 392, 393, 394) entweder aufgeladen wird und/oder ein negatives Spannungspotential als Ausgangssignal dem Gate-Treiber (391, 392, 393, 394) bereitgestellt wird, und bei der zwei Halbbrücken mit den mit den voranstehenden Gate-Treiber-Schaltungen ausgestatteten Leistungsschaltern (311, 312, 313, 314) gebildet werden, wobei beide Halbbrücken zwischen ihren beiden Leistungsschaltern (311, 312, 313, 314) miteinander verbunden sind. Die Schaltungsanordnung ist dadurch ausgezeichnet, dass die jeweilige Gate-Treiber-Schaltung zu einer Ansteuerung eines Gates eine negative Sperrspannung bereitgestellt, wobei ein elektrisches Referenzpotential für die Ansteuerung nicht mit dem Massepotential einer ansteuernden Logikelektronik übereinstimmen muss.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung von Gate-Treiber-Schaltungen und Leistungsschaltern, wie sie bspw. in einem modularen Multilevelkonverter, welcher als Wechselstrombatterie in einem Elektrofahrzeug eingesetzt wird, vorkommen kann. Dabei wird zu einer Ansteuerung eines Gates eine negative Sperrspannung bereitgestellt, wobei ein elektrisches Referenzpotential für die Ansteuerung nicht mit dem Massepotential einer ansteuernden Logikelektronik übereinstimmen muss.
  • Leistungsschalter, welche durch Transistoren realisiert sind, müssen relativ zu einem elektrischen Referenzpotential angesteuert werden. Das Referenzpotential liegt bspw. bei einem Feldeffekttransistor, auch als FET abgekürzt, an einem Source-Anschluss oder bei einem IGBT und einem Bipolartransistor an einem Emitter-Anschluss an. Um bspw. den Feldeffekttransistor auf Durchleitung zu schalten, muss ein an einem Gate-Anschluss des FET anliegendes Potential deutlich höher sein als eine Summe aus einer Schwellenspannung und dem am Source-Anschluss anliegendes Referenzpotential, und es muss, um den FET wieder zu sperren, deutlich niedriger sein. Dies bedeutet, dass am Gate-Anschluss eine Steuerspannung die Schwellenspannung relativ gegenüber dem Referenzpotential über- oder unterschreiten muss, und nicht relativ zu einem Massepotential, gegenüber dem z. B. eine Versorgungsspannung definiert ist und mit der bspw. ein in der Schaltung vorhandener Kondensator aufgeladen wird. Dabei ist Vorsicht geboten, da eine am Gate-Anschluss anliegende, gegenüber dem Referenzpotential des Source-Anschlusses zu hohe Spannung das Gate zerstören kann.
  • Bei einer Verschaltung mehrerer Leistungsschalter hintereinander, wie es bei einer aus zwei Leistungsschaltern gebildeten Halbbrücke und insbesondere bei einem modularen Multilevelkonverter der Fall ist, kommt es zu Schaltzuständen, bei denen das jeweilige Referenzpotential jeweiliger Leistungsschalter unterschiedlich ist. Als modularer Multilevelkonverter in diesem Sinne ist bspw ein als M2SPC bekannter Multilevelkonverter zu nennen, veröffentlicht in Goetz, S.M., Peterchev, A.V., Weyh, T., „Modular Multilevel Converter With Series and Parallel Module Connectivity: Topology and Control“, IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 30, no. 1, pp. 203-215 (2015), doi: 10.1109/TPEL.2014.2310225. Legt man ein Massepotential als Nullpotential fest, so können je nach Schaltzustand manche Referenzpotentiale gegenüber dem Nullpotential in positiver Richtung, andere Referenzpotentiale in negativer Richtung verschoben sein.
  • Um Leistungsschalter bei einer Verschiebung in positive Richtung ansteuern zu können, wird im Stand der Technik für eine Gate-Steuerung ein sogenanntes Bootstrapping herangezogen. Hierbei wird ein sogenannter Bootstrapkondensator immer dann mit der Versorgungsspannung aufgeladen, wenn es bei einem jeweiligen Schaltzustand vorkommt, dass das Referenzpotential des Source-Anschlusses des Leistungsschalters, dessen Gate-Treiber der Bootstrapkondensator zugeordnet ist, mit dem Massepotential, auf welches sich die Versorgungsspannung bezieht, verbunden ist.
  • In modularen Multilevelkonvertern gibt es jedoch auch Leistungsschalter, welche durch das voranstehend beschriebene Bootstrapping nicht versorgt werden können. Die dann notwendigen, isolierten Gleichspannungswandler verursachen jedoch vergleichsweise hohe Kosten und Platzbedarf.
  • Erschwerend kommt nun allerdings hinzu, dass viele moderne Leistungsschalter, wie bspw. FETs aus Silizium oder aus SiC oder aus GaN und auch IGBTs, eine negative Abschaltspannung benötigen, um schnell und ohne ungewollte Wiedereinschaltung während eines Abschaltvorgangs abzuschalten. So muss, wie voranstehend erwähnt, für einen Ausschaltvorgang eine Gate-Source-Spannung VGS, d. h. die Spannungsdifferenz aus der am Gate anliegenden Spannung und der an der Source anliegenden Spannung, unterhalb der Schwellenspannung geschaltet werden. Dazu würde VGS = 0 V schon ausreichen, jedoch wird in vielen Fällen eine negative Gate-Spannung angewendet. Typischerweise ist der Grund für die negative Gate-Spannung, dass der Leistungsschalter möglichst schnell ausgeschaltet werden soll, was durch eine negative Spannung beschleunigt werden kann, da dies einem Entladungsvorgang gleichkommt. Zusätzlich sorgt eine negative Spannung dafür, dass der Leistungsschalter selbst bei Einwirkungen elektromagnetischer Interferenzen ausgeschaltet bleibt, da durch die negative Spannung ein Toleranzbereich gegenüber der Schwellenspannung vergrößert wird.
  • So beschreibt die US-amerikanische Druckschrift US 2009/0015224 A1 einen nicht isolierten Gleichstromwandler, bei dem eine Selbstaktivierung durch Anlegen einer negativen Spannung zwischen Gate und Source eines Low-Side-MOSFET verhindert wird. Zum Bereitstellen der negativen Spannung wird ein Kondensator verwendet.
  • Im Stand der Technik werden Gleichspannungswandler eingesetzt, um Gate-Treiber mit positiven und/oder negativen Spannungen zu versorgen. So offenbart die US-amerikanische Druckschrift US 2012/0075890 A1 einen Gate-Treiber-Schaltkreis, der zumindest für den Ausschaltvorgang eine negative Spannung einsetzt. Allerdings werden hierbei zusätzlich ein Transformator und ein Spannungsmesser verwendet.
  • Auch US 2012/0032664 A1 diskutiert einen nicht isolierten Gleichstromwandler, der ein einzelnes magnetisches Element verwendet. Es werden sowohl ein positiver wie auch ein negativer Spannungsausgang bereitgestellt.
  • Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltungsanordnung von Gate-Treiber-Schaltungen und Leistungsschaltern zur Verfügung zu stellen, bei der keinerlei magnetische Bauelemente, wie bspw. Spulen oder Transformatoren, benötigt werden, um eine negative Spannung bereitzustellen. Zudem soll bei hoher Effizienz eine separate Steuerung oder gar ein Oszillator zu der Bereitstellung der negativen Spannung nicht notwendig sein. Schließlich soll es möglich sein, Leistungsschalter anzusteuern, deren Referenzpotential auf Grund von Schaltstellungen weiterer sich in der Schaltung befindlicher Leistungsschalter, sich variabel gegenüber einem Nullpotential, auf das sich eine für Bootstrapping notwendige Versorgungsspannung bezieht, verhält.
  • Zur Lösung der voranstehend genannten Aufgabe wird eine Schaltungsanordnung von Gate-Treiber-Schaltungen und Leistungsschaltern beansprucht, welche mindestens vier Leistungsschalter, bei denen ein jeweiliges Referenzpotential an einem Source-Anschluss eines jeweiligen Leistungsschalters gebildet wird, umfasst. Die Schaltungsanordnung weist zu einem jeweiligen Leistungsschalter eine jeweilige Gate-Treiber-Schaltung auf, wobei die jeweilige Gate-Treiber-Schaltung mindestens einen Gate-Treiber, einen Positivspannungskondensator, einen Negativspannungskondensator einen Spannungsinverter und einen Spannungsinverter-Kondensator umfasst. Ein Leistungsschaltersteuergerät steuert die jeweiligen Gate-Treiber an, wobei die jeweiligen Gate-Treiber durch ein jeweiliges Schaltsignal den jeweiligen Leistungsschalter ansteuern. Die Schaltungsanordnung weist einen ersten positiven und einen ersten negativen Anschluss und einen zweiten positiven und einen zweiten negativen Anschluss auf. Zwischen dem ersten positiven und dem ersten negativen Anschluss liegt eine erste Versorgungsspannung an und zwischen dem zweiten positiven und zweiten negativen Anschluss liegt eine zweite Versorgungsspannung an. Ein niedrigseitiger erster und ein hochseitiger zweiter Leistungsschalter bilden eine erste Halbbrücke und ein niedrigseitiger dritter und ein hochseitiger vierter Leistungsschalter bilden eine zweite Halbbrücke. Die erste Halbbrücke ist zwischen dem ersten positiven und dem ersten negativen Anschluss angeordnet. Die zweite Halbbrücke ist zwischen dem zweiten positiven und dem zweiten negativen Anschluss angeordnet. Beide Halbbrücken sind zwischen ihren jeweiligen Leistungsschaltern miteinander verbunden. Ein Positivspannungseingang des jeweiligen Gate-Treibers ist mit einem positiven Anschluss des jeweiligen Positivspannungskondensators verbunden. Ein Negativspannungseingang des jeweiligen Gate-Treibers ist mit einem negativen Anschluss des jeweiligen Negativspannungskondensators verbunden. Ein negativer Anschluss des jeweiligen Positivspannungskondensators und ein positiver Anschluss des jeweiligen Negativspannungskondensators und ein negativer Anschluss des jeweiligen Spannungsinverter-Kondensators und ein Nullpotentialanschluss des jeweiligen Spannungsinverters sind mit dem Referenzpotential des jeweiligen Leistungsschalters verbunden. Ein Positivspannungsanschluss des jeweiligen Spannungsinverters ist mit dem positiven Anschluss des jeweiligen Spannungsinverter-Kondensators verbunden und ein Schaltungssignalanschluss des jeweiligen Spannungsinverters ist mit dem Schaltsignal des entsprechenden jeweiligen Gate-Treibers verbunden. Ein Negativspannungsanschluss des jeweiligen Spannungsinverters ist mit dem negativen Anschluss des Negativspannungskondensators und dem Negativspannungseingang des entsprechend jeweiligen Gate-Treibers verbunden. Der jeweilige Spannungsinverter umfasst folgende Bauteile: mindestens einen Kondensator, einen ersten und einen zweiten Schalter und zwei Dioden. Dabei sind der erste und der zweite Schalter mit jeweilig aufeinander bezogen entgegengesetzten Schalterstellungen in Reihe zwischen dem Positivanschluss und dem Nullpotentialanschluss angeordnet. Auch sind die beiden Dioden seriell in Durchlassrichtung von dem Negativspannungsanschluss zu dem Nullpotentialanschluss angeordnet. Schließlich ist der Kondensator zwischen den beiden Schaltern und den beiden Dioden angeordnet. Die beiden Schalter werden mit einem am Schaltungssignalanschluss vorliegenden Schaltsignal geschaltet, wobei bei einem „An“-Schaltsignal (des jeweiligen Gate-Treibers an den entsprechenden jeweiligen Leistungsschalter) der erste Schalter geschlossen und der zweite Schalter geöffnet ist, wobei bei einem „Aus“-Schaltsignal der erste Schalter geöffnet und der zweite Schalter geschlossen ist. Die Schaltungsanordnung weist an beiden Halbbrücken mindestens eine Bootstrapdiode und mindestens eine nichtisolierte Spannungsversorgung auf, wobei die erste Versorgungsspannung die mindestens eine nichtisolierte Spannungsversorgung der ersten Halbbrücke versorgt. In beiden Halbbrücken versorgt niedrigseitig die mindestens eine nichtisolierte Spannungsversorgung den jeweiligen Gate-Treiber und den jeweiligen Spannungsinverter mit gegenüber dem jeweiligen Referenzpotential (was das Source-Potential des jeweiligen niedrigseitigen Leistungsschalters ist) positiver Spannung. Jeweilig hochseitig stellt die mindestens eine mit der nichtisolierten Spannungsversorgung verbundene Bootstrapdiode eine positive Spannung zu einer Positivspannungsversorgung des jeweiligen Gate-Treibers und jeweiligen Spannungsinverters bereit.
  • Die voranstehend erwähnte jeweilige Gate-Treiber-Schaltung stellt damit dem jeweiligen Gate-Treiber sowohl für das „An“-Schaltsignal zum Gate des jeweiligen Leistungsschalters mit dem Positivkondensator, der im Stand der Technik auch als Bootstrap-Kondensator bekannt ist, wie auch mindestens mit dem Negativkondensator des Spannungsinverters für das „Aus“-Schaltsignal ein durch Bootstrapping unterstütztes gegenüber dem jeweiligen Referenzpotential positives bzw. negatives Spannungspotential bereit.
  • Da das Schaltsignal am Gate des jeweiligen Leistungsschalters auch am Schaltungssignalanschluss des jeweiligen Spannungsinverters zum Schalten dessen beider Schalter verwendet wird, ist der jeweilige Spannungsinverter mit dem jeweiligen Leistungsschalter gleichgetaktet und es entfällt eine separate Steuerung der Schalter des jeweiligen Spannungsinverters. Dies vereinfacht die jeweilige Gate-Treiber-Schaltung enorm, da im Stand der Technik, um die gleiche Funktion zu erreichen, bislang isolierte Gleichspannungswandler mit schweren und raumfüllenden Transformatoren eingesetzt werden.
  • Der jeweilige Spannungsinverter bezieht an seinem Positivspannungsanschluss eine positive Spannung, deren Amplitude je nach Auslegung des jeweiligen Gate-Treibers und des Gates des entsprechend jeweiligen Leistungsschalters vorbestimmt wird, und die durch den jeweiligen Spannungsinverter invertiert wird. Die positive Spannung wird von einer jeweiligen nichtisolierten Spannungsversorgung mit einem geeigneten Absolutbetrag bereitgestellt. Bei der jeweiligen nichtisolierten Spannungsversorgung kann es sich bspw. um einen linearen Spannungsregler oder um ein Schaltnetzteil handeln, mit Versorgung mit positiver Spannung aus einer ersten oder zweiten Versorgungsspannung. Alternativ kann es sich aber auch um einen Spannungsabgriff von einem Gleichspannungswandler einer anderen Schaltung handeln. Weiter alternativ kann die positive Spannung aus einer Spannungsversorgung wie der zum jeweiligen Gate-Treiber entnommen werden, deren typischer Absolutbetrag bspw. 15 V betragen kann. Die vom jeweiligen Spannungsinverter bereitgestellte negative Spannung beträgt dann -15 V, so dass der jeweilige Gate-Treiber das Gate des entsprechend jeweiligen Leistungsschalters zwischen -15 V und + 15 V schalten kann. In vielen Fällen kann -15 V zu negativ sein, bspw. bei oxidischen oder dielektrischen Gate-Materialien, so dass ein kleinerer Absolutbetrag, bspw. -5 V eher angebracht ist. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung kann Spannungen mit dieser Spannungshöhe gleichfalls zur Verfügung stellen.
  • Der beiden Schalter des jeweiligen Spannungsinverters können jeweils durch einen Bipolartransistor realisiert sein. Sie können aber auch jeweils durch einen Feldeffekttransistor mit jeweils einem Steuereingang bzw. Steueranschluss realisiert sein. Das heißt, dass der erste Schalter durch einen ersten Feldeffekttransistor mit einem ersten Steueranschluss und der zweite Schalter durch einen zweiten Feldeffekttransistor mit einem zweiten Steueranschluss realisiert sind. So können bspw. MOSFETs, und dabei vorzugsweise ein p-Kanal MOSFET als der erste Schalter und ein n-Kanal MOSFET als der zweite Schalter herangezogen werden. Vorteilhaft werden solche Kombinationen gewählt, welche einen Querstrom, auf Englisch auch „shoot through current“ genannt, insbesondere während eines Wechsels der Schalterstellung, vermeiden.
  • Die beiden Schalter des jeweiligen Spannungsinverters sind vorteilhaft durch das Schaltsignal des jeweiligen Gate-Treibers gesteuert, dem auch der jeweilige Spannungsinverter die negative Spannung zur Verfügung stellt. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung bezieht sich vorteilhaft im jeweiligen Spannungsinverter und Gate-Treiber auf ein gleiches Referenzpotential, nämlich das Null-Potential bzw. das Source-Potential des jeweilig zu steuernden Leistungsschalters. Dabei sind die Betrachtungen in der vorliegenden Offenbarung auf Leistungsschalter vom Typ MOSFET ausgeführt. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist darauf aber nicht beschränkt, sondern lässt sich in gleicher Weise auf andere Typen von Halbleiterschaltern, bspw. IGBTs mit in den Bezeichnungen dann als „Basis“ statt „Gate“, und bei einem npn- bzw. pnp-IGBT mit „Emitter“ bzw. „Kollektor“ statt „Source“, anwenden.
  • Der erste und der zweite Schalter des jeweiligen Spannungsinverters werden mit jeweilig aufeinander bezogen entgegengesetzten Schalterstellungen gemäß dem jeweiligen Schaltsignal des jeweiligen Gate-Treibers geschaltet. Dies wird entweder durch einen Signalinverter, der dem zweiten Schalter ein zum ersten Schalter komplementäres Schaltsignal zuleitet, oder durch zwei komplementäre Schalter, die das gleiche Schaltsignal zugeleitet bekommen, realisiert.
  • Durch den jeweiligen Negativspannungskondensator wird am Negativspannungseingang des jeweiligen Gate-Treibers unabhängig vom Schaltzustand des ersten und des zweiten Schalters des jeweiligen Spannungsinverters ein negatives Spannungspotential zur Verfügung gestellt. Aufgeladen werden kann der Negativspannungskondensator jedoch nur, wenn der zweite Schalter geschlossen (und der komplementär geschaltete erste Schalter geöffnet) ist.
  • In Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist bei beiden Halbbrücken eine jeweilige erste nichtisolierte Spannungsversorgung niedrigseitig und über eine jeweilige Bootstrapdiode hochseitig mit dem Positivspannungseingang des jeweiligen Gate-Treibers und dem Positivspannungsanschluss des jeweiligen Spannungsinverters verbunden.
  • In anderer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist bei beiden Halbbrücken eine jeweilige erste nichtisolierte Spannungsversorgung niedrigseitig und über eine jeweilige Bootstrapdiode hochseitig mit dem Positivspannungseingang des jeweiligen Gate-Treibers verbunden und eine jeweilige mit der jeweiligen ersten nichtisolierten Spannungsversorgung verbundene zweite nichtisolierte Spannungsversorgung niedrigseitig und über eine jeweilige Bootstrapdiode hochseitig mit dem Positivspannungsanschluss des jeweiligen Spannungsinverters verbunden.
  • In noch anderer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist bei beiden Halbbrücken eine jeweilige erste nichtisolierte Spannungsversorgung niedrigseitig und über eine jeweilige Bootstrapdiode hochseitig mit dem Positivspannungseingang des jeweiligen Gate-Treibers verbunden und niedrigseitig eine jeweilige mit der jeweiligen ersten nichtisolierten Spannungsversorgung verbundene zweite nichtisolierte Spannungsversorgung mit dem Positivspannungsanschluss des jeweiligen Spannungsinverters verbunden und hochseitig eine über die eine jeweilige Bootstrapdiode mit der jeweiligen ersten nichtisolierten Spannungsversorgung verbundene dritte nichtisolierte Spannungsversorgung mit dem Positivspannungsanschluss des jeweiligen Spannungsinverters verbunden.
  • In weiterer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sind die Positivspannungseingänge der beiden hochseitigen Gate-Treiber miteinander verbunden. Gleichzeitig sind die Negativspannungseingänge der beiden hochseitigen Gate-Treiber miteinander verbunden.
  • In noch weiterer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung versorgt die Versorgungspannung der jeweiligen Halbbrücke deren erste nichtisolierte Spannungsversorgung.
  • In weiterer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung versorgt die Versorgungspannung der ersten Halbbrücke deren erste nichtisolierte Spannungsversorgung. Ein positiver Spannungseingang der ersten nichtisolierten Spannungsversorgung der zweiten Halbbrücke ist mit einem positiven Spannungsausgang der ersten nichtisolierten Spannungsversorgung der ersten Halbbrücke verbunden und ein negativer Spannungseingang der ersten nichtisolierten Spannungsversorgung der zweiten Halbbrücke ist mit dem Referenzpotential des niedrigseitigen dritten Leistungsschalters verbunden.
  • In fortgesetzt weiterer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung versorgt die Versorgungspannung der ersten Halbbrücke deren erste nichtisolierte Spannungsversorgung. Der positive Spannungsausgang dieser ersten nichtisolierten Spannungsversorgung ist über einen aktiven Schalter mit dem Positivspannungseingang des Gate-Treibers des niedrigseitigen dritten Leistungsschalters verbunden. Der aktive Schalter stellt ein sogenanntes aktives Bootstrapping dar und ersetzt bei einer zweistufigen nichtisolierten Spannungsversorgung bei der zweiten Halbbrücke die nichtisolierte Spannungsversorgung der ersten Stufe, welche sonst den Positivspannungseingang des Gate-Treibers des niedrigseitigen dritten Leistungsschalters versorgen würde. Der aktive Schalter wird vorteilhaft von einem MOSFET realisiert und wird über ein Synchronisationsmodul gesteuert. Der aktive Schalter ist eingeschaltet, wenn der negative Anschluss der ersten Halbbrücke und der negative Anschluss der zweiten Halbbrücke ein ähnliches Spannungspotential aufweisen. Dies ist immer dann der Fall, wenn der niedrigseitige erste Leistungsschalter und der niedrigseitig dritte Leistungsschalter eingeschaltet werden.
  • In Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist an mindestens einer der Gate-Treiber-Schaltungen zwischen dem Schaltsignal des jeweiligen Gate-Treibers an einem Anschluss zu einem Gate des entsprechend jeweiligen Leistungsschalters und dem Schaltungssignalanschluss des jeweiligen Spannungsinverters ein Widerstand, im Folgenden Entkopplungswiderstand genannt, nahe zu dem Gate des entsprechend jeweiligen Leistungsschalters angeordnet. Wird der jeweilige Spannungsinverter räumlich abseits einer Schaltzelle, gebildet aus jeweiligem Gate-Treiber und entsprechend jeweiligem Leistungsschalter, angeordnet, kann eben diese Schaltzelle äußerst kompakt gestaltet werden. Eine dadurch bedingte lange Leiterbahn würde jedoch eine Kapazität des Schaltsignals hin zum jeweiligen Referenzpotential erhöhen, was nachteilig eine Schaltdynamik des jeweiligen Leistungsschalters verzögern würde und den jeweiligen Leistungsschalter anfällig für elektromagnetische Einkopplungen machen würde. Durch die erfindungsgemäße Anordnung des Entkopplungswiderstandes in der Leiterbahn nahe zum Gate des jeweiligen Leistungsschalters kann jedoch vorteilhaft die Leiterbahn hinter dem Entkopplungswiderstand vom jeweiligen Gate-Treiber entkoppelt werden und die vom jeweiligen Gate-Treiber aus feststellbare Kapazität in den Leiterbahnen mit Schaltsignal wird verringert. Da im jeweiligen Spannungsinverter als erster und zweiter Schalter vorteilhaft jeweils ein Kleinleistungstransistor verbaut sein kann, der in der Regel nur geringe Steuerungsströme benötigt, kann der Wert des Entkopplungswiderstandes mehr als 100 Ohm bzw. sogar mehr als 1000 Ohm betragen.
  • In Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in einem modularen Multilevelkonverter angeordnet bzw. anordenbar. Das bedeutet, dass an je einem „Viererblock“ aus Leistungsschaltern des modularen Multilevelkonverters je eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung angeordnet bzw. anordenbar ist. Der modulare Multilevelkonverter stellt einen Spezialfall einer Anwendung von Halbbrücken dar, da er eine große Zahl von Halbbrücken mit unterschiedlichen Spannungspotentialen umfasst. Als Beispiel für einen modularen Multilevelkonverter wird hier ein als M2SPC bekannter Multilevelkonverter angeführt, veröffentlicht in Goetz, S.M., Peterchev, A.V., Weyh, T., „Modular Multilevel Converter With Series and Parallel Module Connectivity: Topology and Control“, IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 30, no. 1, pp. 203-215 (2015), doi: 10.1109/TPEL.2014.2310225. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ermöglicht hier eine kostengünstige Versorgung der jeweiligen Gate-Treiber mit negativer Spannung für jeden einzelnen Leistungsschalter des Multilevelkonverters.
  • Generell ist anzumerken, dass das Schaltsignal des jeweiligen Gate-Treibers für das Gate des entsprechend jeweiligen Leistungsschalters über eine ausreichende Kapazität verfügt, um zusätzlich die vergleichsweise kleinen Transistoren des jeweiligen Spannungsinverters zu schalten. Letzterer kann aus kleinen, einfachen und kostengünstigen elektronischen Bauteilen aufgebaut werden, und bildet durch die Gleichtaktung mit dem jeweiligen Gate-Treiber keine zusätzlichen Anforderungen an eine Steuerung.
  • Schließlich weisen die durch ein jeweiliges Schaltnetzteil oder einen Linearregler gebildeten nichtisolierten Spannungsversorgungen eine Eingangsspannung auf, die zwischen einer am Gate anzulegenden FET-Schaltspannung als Untergrenze und der am Gate anzulegenden FET-Schaltspannung plus der am zweiten positiven Anschluss der zweiten Halbbrücke anliegenden Spannung als Obergrenze liegt. Die zum Anschalten eines FET von der jeweiligen nichtisolierten Spannungsversorgung bereitgestellte Spannung ist dabei auf das am zweiten negativen Anschluss der zweiten Halbbrücke anliegende Potential bezogen.
  • Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
  • Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben, gleichen Komponenten sind dieselben Bezugszeichen zugeordnet.
    • 1 zeigt ein Schaltbild einer Ausgestaltung einer in der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung anordenbaren Gate-Treiber-Schaltung.
    • 2 zeigt ein Schaltbild einer Ausgestaltung einer in der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung anordenbaren Gate-Treiber-Schaltung mit einem Entkopplungswiderstand.
    • 3 zeigt ein Schaltbild einer Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit unabhängigem Bootstrapping zweier Spannungen bei einstufiger Gleichspannungswandlung.
    • 4 zeigt ein Schaltbild einer Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit gemeinsamem Bootstrapping zweier Spannungen bei einstufiger Gleichspannungswandlung.
    • 5 zeigt ein Schaltbild einer Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit unabhängigem Bootstrapping zweier Spannungen bei zweistufiger Gleichspannungswandlung.
    • 6 zeigt ein Schaltbild einer Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit unabhängigem Bootstrapping zweier Spannungen bei zweistufiger explizit ausgestalteter Gleichspannungswandlung.
    • 7 zeigt ein Schaltbild einer Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit gemeinsamem Bootstrapping zweier Spannungen bei zweistufiger Gleichspannungswandlung.
    • 8 zeigt ein Schaltbild einer Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit gemeinsamem Bootstrapping zweier Spannungen bei zweistufiger explizit ausgestalteter Gleichspannungswandlung.
    • 9 zeigt ein Schaltbild einer Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit unabhängigem Bootstrapping einer Spannung bei zweistufiger Gleichspannungswandlung.
    • 10 zeigt ein Schaltbild einer Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit unabhängigem Bootstrapping einer Spannung bei zweistufiger explizit ausgestalteter Gleichspannungswandlung.
    • 11 zeigt ein Schaltbild einer Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit gemeinsamem Bootstrapping einer Spannung bei zweistufiger Gleichspannungswandlung.
    • 12 zeigt ein Schaltbild einer Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit gemeinsamem Bootstrapping einer Spannung bei zweistufiger explizit ausgestalteter Gleichspannungswandlung.
    • 13 zeigt ein Schaltbild einer Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit vereinfachtem gemeinsamem Bootstrapping einer Spannung bei zweistufiger Gleichspannungswandlung.
    • 14 zeigt ein Schaltbild einer Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit unabhängigem Bootstrapping zweier Spannungen bei einstufiger Gleichspannungswandlung und gemeinsamer Versorgung beider Halbbrücken.
    • 15 zeigt ein Schaltbild einer Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit gemeinsamem Bootstrapping zweier Spannungen bei einstufiger Gleichspannungswandlung und gemeinsamer Versorgung beider Halbbrücken.
    • 16 zeigt ein Schaltbild einer Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit unabhängigem Bootstrapping zweier Spannungen bei zweistufiger Gleichspannungswandlung und gemeinsamer Versorgung beider Halbbrücken.
    • 17 zeigt ein Schaltbild einer Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit unabhängigem Bootstrapping zweier Spannungen bei zweistufiger explizit ausgestalteter Gleichspannungswandlung und gemeinsamer Versorgung beider Halbbrücken.
    • 18 zeigt ein Schaltbild einer Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit unabhängigem Bootstrapping zweier Spannungen bei zweistufiger explizit ausgestalteter Gleichspannungswandlung und gemeinsamer Versorgung beider Halbbrücken mit Verbindungsdiode.
    • 19 zeigt ein Schaltbild einer Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit gemeinsamem Bootstrapping zweier Spannungen bei zweistufiger Gleichspannungswandlung und gemeinsamer Versorgung beider Halbbrücken.
    • 20 zeigt ein Schaltbild einer Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit gemeinsamem Bootstrapping zweier Spannungen bei zweistufiger explizit ausgestalteter Gleichspannungswandlung und gemeinsamer Versorgung beider Halbbrücken.
    • 21 zeigt ein Schaltbild einer Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit gemeinsamem Bootstrapping zweier Spannungen bei zweistufiger explizit ausgestalteter Gleichspannungswandlung und gemeinsamer Versorgung beider Halbbrücken mit Verbindungsdiode.
    • 22 zeigt ein Schaltbild einer Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit unabhängigem Bootstrapping einer Spannung bei zweistufiger Gleichspannungswandlung und gemeinsamer Versorgung beider Halbbrücken.
    • 23 zeigt ein Schaltbild einer Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit unabhängigem Bootstrapping einer Spannung bei zweistufiger explizit ausgestalteter Gleichspannungswandlung und gemeinsamer Versorgung beider Halbbrücken.
    • 24 zeigt ein Schaltbild einer Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit unabhängigem Bootstrapping einer Spannung bei zweistufiger explizit ausgestalteter Gleichspannungswandlung und gemeinsamer Versorgung beider Halbbrücken mit Verbindungsdiode.
    • 25 zeigt ein Schaltbild einer Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit gemeinsamem Bootstrapping einer Spannung bei zweistufiger Gleichspannungswandlung und gemeinsamer Versorgung beider Halbbrücken.
    • 26 zeigt ein Schaltbild einer Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit gemeinsamem Bootstrapping einer Spannung bei zweistufiger explizit ausgestalteter Gleichspannungswandlung und gemeinsamer Versorgung beider Halbbrücken.
    • 27 zeigt ein Schaltbild einer Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit gemeinsamem Bootstrapping einer Spannung bei zweistufiger explizit ausgestalteter Gleichspannungswandlung und gemeinsamer Versorgung beider Halbbrücken mit Verbindungsdiode.
    • 28 zeigt ein Schaltbild einer Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit vereinfachtem gemeinsamem Bootstrapping einer Spannung bei zweistufiger explizit ausgestalteter Gleichspannungswandlung und gemeinsamer Versorgung beider Halbbrücken.
    • 29 zeigt Schaltbilder mehrerer Ausgestaltungen von in der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung anordenbaren Linearreglern.
    • 30 zeigt Schaltbilder mehrerer Ausgestaltungen von in der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung anordenbaren Schaltnetzteilen.
    • 31 zeigt ein Schaltbild einer Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit unabhängigem Bootstrapping zweier Spannungen bei zweistufiger Gleichspannungswandlung und Versorgung der zweiten Halbbrücke durch aktives Bootstrapping.
    • 32 zeigt ein Schaltbild einer Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit gemeinsamen Bootstrapping zweier Spannungen bei zweistufiger Gleichspannungswandlung und Versorgung der zweiten Halbbrücke durch aktives Bootstrapping.
    • 33 zeigt ein Schaltbild einer Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit gemeinsamen Bootstrapping einer Spannung bei zweistufiger Gleichspannungswandlung und Versorgung der zweiten Halbbrücke durch aktives Bootstrapping.
    • 34 zeigt ein Schaltbild einer Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit gemeinsamen Bootstrapping einer Spannung bei zweistufiger Gleichspannungswandlung und Versorgung der zweiten Halbbrücke durch aktives Bootstrapping und Versorgung des hochseitigen Spannungsinverters der zweiten Halbbrücke durch die hochseitige nichtisolierte Spannungsversorgung der zweiten Stufe.
    • 35 zeigt ein Schaltbild einer Ausgestaltung einer in der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung anordenbaren Gate-Treiber-Schaltung mit entgegengesetzt geschalteten Schaltern.
  • In 1 wird in einem Schaltbild eine Ausgestaltung einer in der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung anordenbaren Gate-Treiber-Schaltung 100 gezeigt. Ein Gate-Treiber 102 steuert einen Leistungsschalter 101 durch ein Schaltsignal an, wobei am Gate-Treiber 102 ein Positivspannungskondensator 103, im Stand der Technik als Bootstrap-Kondensator bekannt, angeordnet ist. Im Folgenden ist ein Source-Potential an einer Source 105 des Leistungsschalters 101 als ein Referenz-Potential bzw. Null-Potential bezeichnet und Spannungspotentiale der Gate-Treiber-Schaltung 100 sind auf das Referenz-Potential bzw. Null-Potential bezogen. Die Gate-Treiber-Schaltung 100 umfasst einen Spannungsinverter 110, der einen Negativspannungsanschluss 109 mit einem eine negative Spannung aufweisenden Ausgangssignal aufweist, der einen Nullpotentialanschluss 106 aufweist, der einen Positivspannungsanschluss 107 aufweist und der an einem Schaltungssignalanschluss 108 mit dem Schaltsignal des Gate-Treibers 102 verbunden ist. Für den Positivspannungsanschluss 107 wird ein positives Spannungspotential mit vorbestimmter Amplitude durch einen Gleichspannungswandler 121 und eine Potentialverschiebung 123 bereitgestellt. Der Gleichspannungswandler 121 ist an eine Versorgungsspannung zwischen einem positiven Anschluss 182 und einem negativen Anschluss 181 angeschlossen. Der Spannungsinverter 110 umfasst einen Kondensator 132, einen npn-Bipolartransistor als ersten Schalter 111 und einen pnp-Bipolartransistor als zweiten Schalter 112, eine erste Diode 161 und eine zweite Diode 162. Das Schaltsignal des Gate-Treibers 102 ist an einem Anschluss 104 rückgekoppelt zum Spannungsinverter 110 und steuert dort die mit komplementärem Schaltverhalten gestalteten Bipolartransistoren der beiden Schalter 111 und 112. Am Negativspannungsanschluss 109 wird ein bezogen auf das Null-Potential negatives Spannungspotential bereitgestellt, welches mit einem Negativspannungseingang 171 des Gate-Treibers 102 verbunden ist. Ein Positivspannungsanschluss 172 des Gate-Treibers 102 und ein positiver Anschluss des Positivspannungskondensators 103 ist mit einem Potentialschieber 124 und einem Gleichspannungswandler 122 verbunden.
  • In 2 wird in einem Schaltbild eine Ausgestaltung einer in der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung anordenbaren Gate-Treiber-Schaltung 200 mit einem Entkopplungswiderstand 241 gezeigt. Die Gate-Treiber-Schaltung 200 weist gleiche Bauelemente zu 1 auf. Sie unterscheidet sich jedoch in dem nahe zu einem Ausgang des Gate-Treibers 102 am Anschluss 104 angeschlossenen Entkopplungswiderstand 241, an welchen eine Leiterbahn 204 das Schaltsignal des Gate-Treibers 102 zum Spannungsinverter 110 führt. Je länger dabei eine Leiterbahn 204 gestaltet ist, umso größer ist deren Kapazität, welche sich schließlich störend auf das Schaltsignal auswirkt. Durch den Entkopplungswiderstand 241 wird eine vom Gate-Treiber 102 sichtbare Leitungskapazität der Leiterbahn 204 verringert, um so das Schaltsignal zu einem Gate des Leistungsschalters 101 nicht zu beeinflussen. Vorteilhaft können dadurch Gate-Treiber 102 und Leistungsschalter 101 zu einer kompakten Schaltzelle zusammengefasst werden und der Spannungsinverter 110 an geeigneter Stelle, räumlich vom Gate-Treiber 102 entfernt, platziert werden.
  • In 3 wird ein Schaltbild 300 eine Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit unabhängigem Bootstrapping zweier Spannungen, nämlich zum Positivspannungseingang des jeweiligen Gate-Treibers 392 und 394 und zum Positivspannungsanschluss des jeweiligen Spannungsinverters 352 und 354, bei einstufiger Gleichspannungswandlung gezeigt. Eine erste Halbbrücke wird von einem niedrigseitigen ersten Leistungsschalter 311 und einem hochseitigen Leistungsschalter 312 zwischen einem ersten negativen Anschluss 301 und einem ersten positiven Anschluss 302 zu einer ersten Versorgungsspannung 305 gebildet. Eine zweite Halbbrücke wird von einem niedrigseitigen dritten Leistungsschalter 313 und einem hochseitigen Leistungsschalter 314 zwischen einem zweiten negativen Anschluss 303 und einem zweiten positiven Anschluss 304 zu einer zweiten Versorgungsspannung 306 gebildet. An jedem Leistungsschalter 311, 312, 313, und 314 ist eine Gate-Treiber-Schaltung 100 gemäß 1 angeordnet. Die jeweiligen Positivspannungskondensatoren 331, 334, 337 und 340 versorgen die jeweiligen Gate-Treiber 391, 392, 393, und 394 mit positiver Spannung. Die Positivspannungskondensatoren 335 bzw. 340 werden bei eingeschalteten niedrigseitigen Leistungsschaltern 311 bzw. 313 über die Bootstrapdioden 361 bzw. 363 von den Positivspannungskondensatoren 331 bzw. 337 geladen, was allgemein als Bootstrapping bezeichnet wird. Die Spannungsinverter-Kondensatoren 332, 335, 339 und 341 versorgen die jeweiligen Spannungsinverter 351, 352, 353 und 354 mit positiver Spannung. Die Spannungsinverter-Kondensatoren 338 bzw. 341 werden bei eingeschalteten niedrigseitigen Leistungsschaltern 311 bzw. 313 über die Bootstrapdioden 362 bzw. 364 von den Spannungsinverter-Kondensatoren 332 bzw. 338 geladen, was wiederum ein Bootstrapping darstellt. Die jeweiligen Negativspannungskondensatoren 333, 336, 339 und 342 versorgen die jeweiligen Gate-Treiber 391, 392, 393, und 394 mit bezogen auf das jeweilige Source-Potential der jeweiligen Leistungsschalter 311, 312, 313 und 314 negativer Spannung. Die jeweiligen Negativspannungskondensatoren 333, 336, 339 und 342 werden von den jeweiligen Spannungsinverter-Kondensatoren 332, 335, 338 und 341 geladen. Die jeweilige von den jeweiligen Negativspannungskondensatoren 333, 336, 339 und 342 bereitgestellte negative Spannung hängt von der jeweiligen positiven Spannung der jeweiligen Spannungsinverter-Kondensatoren 332, 335, 338 und 341 ab. Die von den Versorgungsspannungen 305 bzw. 306 versorgten nichtisolierten Spannungsversorgungen 355 bzw. 356 stellen beiden, also sowohl die Gate-Treiber 391 und (gebootstrapt) 392 bzw. 393 und (gebootstrapt) 394 wie auch die Spannungsinverter 351 und (gebootstrapt) 352 bzw. 353 und (gebootstrapt) 354 die positiven Spannungen bereit. Das in der Schaltung 300 realisierte unabhängige Bootstrapping ist ein Standardverfahren um Bootstrapping zu implementieren. Der jeweilige hochseitige Kondensator 334, 335 bzw. 340, 341 der jeweiligen Halbbrücke wird immer dann geladen, wenn der jeweilige niedrigseitige Leistungsschalter 311 bzw. 313 eingeschaltet ist. Der hochseitige vierte Leistungsschalter 314 kann je nach einer Schaltungsaktivität der anderen Leistungsschalter 311, 312 und 313 mit seinem Source-Potential zeitweise auch unter dem Potential des zweiten negativen Anschlusses 303 liegen, womit sich ein konventionelles Bootstrapping, also ohne die in der Schaltung 300 vorhandene nichtisolierte Spannungsversorgung 356, verbietet. Stattdessen ist die zweite Halbbrücke mit den Leistungsschaltern 313 und 314 daher mit einer eigenen nichtisolierten Spannungsversorgung 356 ausgestattet, welche sich aus der zweiten Versorgungsspannung 306 speist. In einem Anwendungsfall der gezeigten Schaltung 300 in einem modularen Multilevelkonverter würde diese zweite Versorgungsspannung 306 durch einen Modulspeicher gebildet. Eine Potentialverschiebung der nichtisolierten Spannungsversorgungen 355 und 356, wie in 1 durch Bezugszeichen 123 bzw. 124 gekennzeichnet, ist bei den Gate-Treiber-Schaltungen zu den Leistungsschaltern 311 und 313 nicht notwendig, da diese mit ihrem jeweiligen Source-Potential dauerhaft auf dem jeweiligen Potential des jeweiligen negativen Anschlusses 301 bzw. 303 ihrer jeweiligen ersten und zweiten Versorgungsspannung 305 bzw. 306 liegen. Demgegenüber findet zu den hochseitigen Leistungsschaltern 312 und 314 eine Potentialverschiebung statt, was in der Schaltung 300 über die Bootstrapdioden 361, 362, 363 und 364 realisiert wird. Die positive Spannung zum jeweiligen Gate-Treiber 392 bzw. 394 und die positive Spannung zum jeweiligen Spannungsinverter 352 bzw. 354 werden jeweilig getrennt zu den hochseitigen Gate-Treiberschaltungen übertragen, da die jeweiligen positiven Spannungen auch unterschiedlich sein können. So können bspw. am Positivspannungseingang des jeweiligen Gate-Treibers 392 bzw. 394 etwa 15 V vorliegen, im Gegensatz zu 5 V am Positivspannungsanschluss des jeweiligen Spannungsinverters 352 bzw. 354. Der positive Absolutwert der am Positivspannungsanschluss des jeweiligen Spannungsinverters 352 bzw. 354 anliegenden Spannung wird dann jeweils durch die jeweiligen Spannungsinverter 352 bzw. 354 invertiert. Aufgrund der durch die Schaltungsaktivität der jeweiligen Leistungsschalter 311, 312, 313 und 314 ständig wechselnden Potentialverhältnisse und einer jeweiligen sich damit ständig verschiebenden Bezugsspannung zum ersten bzw. zweiten negativen Anschluss 301 bzw. 303, werden alle Spannungen nach einer Potentialverschiebung durch einen jeweiligen mit ausreichend großer Kapazität ausgestatteten Positivspannungskondensator 334 bzw. 340 und einen jeweiligen mit ausreichend großer Kapazität ausgestatteten Spannungsinverter-Kondensator 335 bzw. 341 gespeichert. All diese Kondensatoren müssen ausreichend groß dimensioniert sein, um alle Stromabflüsse, Verlust und Versorgungen, bspw. für einen Gate-Treiber, so lange ohne wesentlichen Spannungsverlust im jeweiligen Kondensator bereitzustellen, bis eine erneute Nachladung durch die jeweiligen Potentialverhältnisse möglich ist. Bei Bootstrapbasierten Potentialverschiebungen erfolgt dies meist genau dann, wenn der niedrigseitige Leistungsschalter 311 bzw. 313 einschaltet und damit das jeweilige Referenzpotential der hochseitigen Leistungsschalter 312 bzw. 314 auf das Potential des jeweiligen ersten bzw. zweiten negativen Anschlusses 301 bzw. 303 zieht.
  • In 4 wird ein Schaltbild 400 einer Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit gemeinsamem Bootstrapping zweier Spannungen, nämlich zum Positivspannungseingang des jeweiligen Gate-Treibers 392 und 394 und zum Positivspannungsanschluss des jeweiligen Spannungsinverters 352 und 354, bei einstufiger Gleichspannungswandlung gezeigt. Im Vergleich zu dem Schaltbild 300 der Schaltungsanordnung in 3 sind hochseitig der Positivspannungseingang des Gate-Treibers 392 mit dem Positivspannungseingang des Gate-Treibers 394 über eine Leitung 401 verbunden, und weiter der Negativspannungseingang des Gate-Treibers 392 mit dem Negativspannungseingang des Gate-Treibers 394 über eine Leitung 402 verbunden. Dabei wird der Umstand ausgenutzt, dass die Source-Potentiale der hochseitigen Leistungsschalter 312 und 314 miteinander verbunden sind. Eine Versorgung der jeweiligen hochseitigen Gate-Treiber-Schaltung zu den entsprechend jeweiligen Leistungsschalter 312 und 314 kann daher entweder durch die Potentialverschiebungen 361 und 362 oder die Potentialverschiebung 363 und 364 oder, wie im Schaltbild 400 gezeigt, durch all diese Potentialverschiebungen 361, 362, 363 und 364 zusammen erfolgen. All diese Potentialverschiebungen 361, 362, 363 und 364 zusammen zu nutzen und damit ein gemeinsames Bootstrapping in den Gate-Treiber-Schaltungen beider hochseitiger Halbbrücken zu etablieren, hat den Vorteil, dass die jeweiligen Positivspannungskondensatoren 334, 340 und Spannungsinverter-Kondensatoren 335, 341 viel öfter, und zwar im Schnitt doppelt so oft, geladen werden, und zwar wann immer mindestens einer der beiden niedrigseitigen Leistungsschalter 311 oder 313 eingeschaltet ist. Die nichtisolierten Spannungsversorgungen 355 und 356 sind vorzugsweise durch Schaltnetzteile oder Linearregler, bspw. LDO, oder durch eine Kombination beider realisiert.
  • In 5 wird ein Schaltbild 500 einer Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit unabhängigem Bootstrapping zweier Spannungen, nämlich zum Positivspannungseingang des jeweiligen Gate-Treibers 392 und 394 und zum Positivspannungsanschluss des jeweiligen Spannungsinverters 352 und 354, bei zweistufiger Gleichspannungswandlung, nämlich durch die jeweiligen nichtisolierten Spannungsversorgungen 555, 557 und 556, 558 gezeigt. Im Vergleich zu dem Schaltbild 300 der Schaltungsanordnung in 3 stellen nun bei beiden Halbbrücken jeweilig zwei nichtisolierte Spannungsversorgungen 555, 557 und 556, 558 die jeweilige positive Spannung für die Gate-Treiber-Schaltungen bereit. In einer zweiten Stufe wandeln die jeweiligen nichtisolierten Spannungsversorgungen 557 und 558 die positive Spannung der nichtisolierten Spannungsversorgungen 555 und 556 aus einer ersten Stufe, welche von den jeweiligen ersten und zweiten Versorgungsspannungen der jeweiligen Halbbrücken versorgt werden, ab, um den jeweiligen Spannungsinvertern 352 und 354 eine geeignete Amplitude der positiven Spannung am jeweiligen Positivspannungsanschluss bereitzustellen (bspw. positive Spannung mit Amplitude 15 V von nichtisolierter Spannungsversorgung 555 bereitgestellt und positive Spannung 5 V von nichtisolierter Spannungsversorgung 557 bereitgestellt). Generell werden die nichtisolierten Spannungsversorgungen 555, 556, 557 und 558 durch Schaltnetzteile oder Linearregler, bspw. LDO, oder durch eine Kombination beider realisiert.
  • In 6 wird ein Schaltbild 600 einer Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit unabhängigem Bootstrapping zweier Spannungen, nämlich zum Positivspannungseingang des jeweiligen Gate-Treibers 392 und 394 und zum Positivspannungsanschluss des jeweiligen Spannungsinverters 352 und 354, bei zweistufiger explizit dargestellter Gleichspannungswandlung, nämlich durch die jeweiligen nichtisolierten Spannungsversorgungen 655, 657 und 656, 658 gezeigt. Im Vergleich zu dem Schaltbild 500 der Schaltungsanordnung in 5 sind nun die nichtisolierten Spannungsversorgungen 655, 657 und 656, 658 explizit mit ihren jeweiligen elektronischen Bauelementen ausgestaltet. In der im Schaltbild 600 gezeigten Ausgestaltung wird die unmittelbar mit der jeweiligen Versorgungsspannung der jeweiligen Halbbrücke verbundene nichtisolierte Spannungsversorgung 655 und 656 der ersten Stufe vorzugsweise als Schaltnetzteil ausgestaltet und versorgt den Positivspannungseingang des jeweiligen Gate-Treibers 391, 392, 393, und 394 mit positiver Spannung, bspw. mit der Amplitude 15 V. In der zweiten Stufe wird der jeweilige Spannungsinverter vorzugsweise über eine als Linearregler bzw. LDO ausgestaltete nichtisolierte Spannungsversorgung 657 und 658 mit positiver Spannung, bspw. mit 5 V, versorgt.
  • In 7 wird ein Schaltbild 700 einer Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit gemeinsamem Bootstrapping zweier Spannungen, nämlich zum Positivspannungseingang des jeweiligen Gate-Treibers 392 und 394 und zum Positivspannungsanschluss des jeweiligen Spannungsinverters 352 und 354, bei zweistufiger Gleichspannungswandlung, nämlich durch die jeweiligen nichtisolierten Spannungsversorgungen 555, 557 und 556, 558 gezeigt. Im Vergleich zu dem Schaltbild 500 der Schaltungsanordnung in 5 sind hochseitig der Positivspannungseingang des Gate-Treibers 392 mit dem Positivspannungseingang des Gate-Treibers 394 über eine Leitung 401 verbunden, und weiter der Negativspannungseingang des Gate-Treibers 392 mit dem Negativspannungseingang des Gate-Treibers 394 über eine Leitung 402 verbunden.
  • In 8 wird ein Schaltbild 800 einer Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit gemeinsamem Bootstrapping zweier Spannungen, nämlich zum Positivspannungseingang des jeweiligen Gate-Treibers 392 und 394 und zum Positivspannungsanschluss des jeweiligen Spannungsinverters 352 und 354, bei zweistufiger explizit ausgestalteter Gleichspannungswandlung, nämlich durch die jeweiligen nichtisolierten Spannungsversorgungen 655, 657 und 656, 658 gezeigt. Im Vergleich zu dem Schaltbild 700 der Schaltungsanordnung in 7 sind nun die nichtisolierten Spannungsversorgungen 655, 657 und 656, 658 explizit mit ihren jeweiligen elektronischen Bauelementen als Schaltnetzteil 655, 656 und Linearregler 657, 658 ausgestaltet.
  • In 9 wird ein Schaltbild 900 einer Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit unabhängigem Bootstrapping einer Spannung, nämlich zum Positivspannungseingang des jeweiligen Gate-Treibers 392 und 394, bei zweistufiger Gleichspannungswandlung, nämlich in der ersten Stufe durch die jeweiligen nichtisolierten Spannungsversorgungen 555, 557 und in der zweiten Stufe niedrigseitig durch die zweiten nichtisolierten Spannungsversorgungen 556, 558 sowie hochseitig durch die dritten Spannungsversorgungen 959, 950 gezeigt. Im Vergleich zu dem Schaltbild 500 in 5 wird der jeweilige hochseitige Spannungsinverter-Kondensator 335, 341 nicht mehr durch eine jeweilige Bootstrapdiode (Bezugszeichen 362, 364 in 5) geladen, sondern durch die jeweilige nichtisolierte Spannungsversorgung 959, 950.
  • In 10 wird ein Schaltbild 1000 einer Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit unabhängigem Bootstrapping einer Spannung, nämlich zum Positivspannungseingang des jeweiligen Gate-Treibers 392 und 394, bei zweistufiger Gleichspannungswandlung, nämlich in der ersten Stufe durch die jeweiligen nichtisolierten Spannungsversorgungen 655, 657 und in der zweiten Stufe niedrigseitig durch die zweiten nichtisolierten Spannungsversorgungen 656, 658 sowie hochseitig durch die dritten nichtisolierten Spannungsversorgungen 1059, 1050 gezeigt. Im Vergleich zu dem Schaltbild 900 in 9 wird die erste Stufe der nichtisolierten Spannungsversorgung explizit als Schaltnetzteil 655, 656 ausgestaltet, und die zweite Stufe explizit als Linearregler 657, 658, 1059, 1050 ausgestaltet.
  • In 11 wird ein Schaltbild 1100 einer Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit gemeinsamem Bootstrapping einer Spannung, nämlich zum Positivspannungseingang des jeweiligen Gate-Treibers 392 und 394, bei zweistufiger Gleichspannungswandlung, nämlich in der ersten Stufe durch die jeweiligen nichtisolierten Spannungsversorgungen 555, 557 und in der zweiten Stufe niedrigseitig durch die nichtisolierten Spannungsversorgungen 556, 558 sowie hochseitig durch die nichtisolierten Spannungsversorgungen 959, 950 gezeigt. Im Vergleich zu dem Schaltbild 700 in 7 wird der jeweilige hochseitige Spannungsinverter-Kondensator 335, 341 nicht mehr durch eine jeweilige Bootstrapdiode (Bezugszeichen 362, 364 in 7) geladen, sondern durch die jeweilige nichtisolierte Spannungsversorgung 959, 950.
  • In 12 wird ein Schaltbild 1200 einer Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit gemeinsamem Bootstrapping einer Spannung, nämlich zum Positivspannungseingang des jeweiligen Gate-Treibers 392 und 394, bei zweistufiger Gleichspannungswandlung, nämlich in der ersten Stufe durch die jeweiligen nichtisolierten Spannungsversorgungen 655, 657 und in der zweiten Stufe niedrigseitig durch die nichtisolierten Spannungsversorgungen 556, 558 sowie hochseitig durch die nichtisolierten Spannungsversorgungen 1059, 1050 gezeigt. Im Vergleich zu dem Schaltbild 1100 in 11 wird die erste Stufe der nichtisolierten Spannungsversorgung explizit als Schaltnetzteil 655, 656 ausgestaltet, und die zweite Stufe niedrigseitig explizit als Linearregler 657, 658, und hochseitig als Linearregler 1059, 1050 ausgestaltet.
  • In 13 wird ein Schaltbild 1300 einer Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit vereinfachtem gemeinsamem Bootstrapping einer Spannung, nämlich zum Positivspannungseingang des jeweiligen Gate-Treibers 392 und 394, bei zweistufiger Gleichspannungswandlung, nämlich in der ersten Stufe durch die jeweiligen nichtisolierten Spannungsversorgungen 555, 557 und in der zweiten Stufe niedrigseitig durch die nichtisolierten Spannungsversorgungen 556, 558 sowie hochseitig durch die nichtisolierte Spannungsversorgung 959 gezeigt. Im Vergleich zu dem Schaltbild 1100 in 11 wird der hochseitige Spannungsinverter-Kondensator 341 nicht mehr durch eine eigene hochseitige nichtisolierte Spannungsversorgung (Bezugszeichen 950 in 11) geladen, sondern es sind hochseitig der Positivspannungseingang des Gate-Treibers 392 mit dem Positivspannungseingang des Gate-Treibers 394, und weiter der Negativspannungseingang des Gate-Treibers 392 mit dem Negativspannungseingang des Gate-Treibers 394 verbunden. Wie sich anhand einer Betrachtung von 11 bzw. 12 sehen lässt, ist eine der beiden hochseitigen nichtisolierten Spannungsversorgungen 959 bzw. 1059 und 950 bzw. 1050 redundant. Zudem sind Anforderungen an die jeweiligen nichtisolierten Spannungsversorgungen die gleichen. Daher kann, nach voranstehend beschriebenem Verbinden der Positivspannungseingänge und Negativspannungseingänge der jeweiligen Gate-Treiber 392 und 394, eine der beiden Spannungsversorgungen 959 bzw. 1059 oder 950 bzw. 1050 weggelassen werden. Vorteilhaft werden durch die Verbindung der Positivspannungseingänge und Negativspannungseingänge der jeweiligen Gate-Treiber 392 und 394 die jeweiligen Positivspannungskondensatoren 334, 340 und Spannungsinverter-Kondensatoren 335, 341 viel öfter, und zwar im Schnitt doppelt so oft, geladen, und zwar wann immer mindestens einer der beiden niedrigseitigen Leistungsschalter 311 oder 313 eingeschaltet ist. Zudem vereinfacht dies Anforderungen an eine Schaltungssteuerung.
  • In 14 wird ein Schaltbild 1400 einer Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit unabhängigem Bootstrapping zweier Spannungen, nämlich zum Positivspannungseingang des jeweiligen Gate-Treibers 392 und 394 und zum Positivspannungsanschluss des jeweiligen Spannungsinverters 352 und 354, bei einstufiger Gleichspannungswandlung und bei gemeinsamer Versorgung beider Halbbrücken, nämlich über die erste Versorgungsspannung, (Bezugszeichen 305 in 3) gezeigt. Im Vergleich zu dem Schaltbild 300 in 3 wird die niedrigseitige und hochseitige Gate-Treiber-Schaltung der zweiten Halbbrücke durch die nichtisolierte Spannungsversorgung 355 versorgt, welche mit dem ersten positiven Anschluss 302 und dem ersten negativen Anschluss 301 verbunden ist und von der dort anliegenden ersten Versorgungsspannung versorgt wird. Aus der nichtisolierten Spannungsversorgung 355 wird die nichtisolierte Spannungsversorgung 356 versorgt. Dadurch ist es in der Schaltung 1400 nicht notwendig, dass zwischen dem zweiten positiven Anschluss 304 und dem zweiten negativen Anschluss 303 eine zweite Versorgungsspannung bereitgestellt wird. Die jeweiligen Positivspannungskondensatoren 331, 334, 337 und 340 versorgen die jeweiligen Gate-Treiber 391, 392, 393, und 394 mit positiver Spannung. Die Positivspannungskondensatoren 334 bzw. 340 werden bei eingeschalteten niedrigseitigen Leistungsschaltern 311 bzw. 313 über die Bootstrapdioden 361 bzw. 363 von den Positivspannungskondensatoren 331 bzw. 337 geladen, was allgemein als Bootstrapping bezeichnet wird. Die Spannungsinverter-Kondensatoren 332, 335, 339 und 341 versorgen die jeweiligen Spannungsinverter 351, 352, 353 und 354 mit positiver Spannung. Die Spannungsinverter-Kondensatoren 338 bzw. 341 werden bei eingeschalteten niedrigseitigen Leistungsschaltern 311 bzw. 313 über die Bootstrapdioden 362 bzw. 364 von den Spannungsinverter-Kondensatoren 332 bzw. 338 geladen, was wiederum ein Bootstrapping darstellt. Die jeweiligen Negativspannungskondensatoren 333, 336, 339 und 342 versorgen die jeweiligen Gate-Treiber 391, 392, 393, und 394 mit bezogen auf das jeweilige Source-Potential der jeweiligen Leistungsschalter 311, 312, 313 und 314 negativer Spannung. Die jeweiligen Negativspannungskondensatoren 333, 336, 339 und 342 werden von den jeweiligen Spannungsinverter-Kondensatoren 332, 335, 338 und 341 geladen. Die jeweilige von den jeweiligen Negativspannungskondensatoren 333, 336, 339 und 342 bereitgestellte negative Spannung hängt von der jeweiligen positiven Spannung der jeweiligen Spannungsinverter-Kondensatoren 332, 335, 338 und 341 ab. Die von der Versorgungsspannung 305 versorgte nichtisolierte Spannungsversorgungen 355 stellt auch die Versorgung der nichtisolierten Spannungsversorgung 356. Beide nichtisolierte Spannungsversorgungen 355 bzw. 356 stellen den Gate-Treibern 391 und (gebootstrapt) 392 bzw. 393 und (gebootstrapt) 394 wie auch den Spannungsinvertern 351 und (gebootstrapt) 352 bzw. 353 und (gebootstrapt) 354 die positiven Spannungen bereit.
  • In 15 wird ein Schaltbild 1500 einer Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit gemeinsamem Bootstrapping zweier Spannungen, nämlich zum Positivspannungseingang des jeweiligen Gate-Treibers 392 und 394 und zum Positivspannungsanschluss des jeweiligen Spannungsinverters 352 und 354, bei einstufiger Gleichspannungswandlung und bei gemeinsamer Versorgung beider Halbbrücken, nämlich über die erste Versorgungsspannung, gezeigt. Im Vergleich zu dem Schaltbild 1400 der Schaltungsanordnung in 14 sind hochseitig der Positivspannungseingang des Gate-Treibers 392 mit dem Positivspannungseingang des Gate-Treibers 394, und weiter der Negativspannungseingang des Gate-Treibers 392 mit dem Negativspannungseingang des Gate-Treibers 394 verbunden.
  • In 16 wird ein Schaltbild 1600 einer Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit unabhängigem Bootstrapping zweier Spannungen, nämlich zum Positivspannungseingang des jeweiligen Gate-Treibers 392 und 394 und zum Positivspannungsanschluss des jeweiligen Spannungsinverters 352 und 354, bei zweistufiger Gleichspannungswandlung, nämlich durch die jeweiligen nichtisolierten Spannungsversorgungen 555, 557 und 556, 558, und bei gemeinsamer Versorgung beider Halbbrücken, nämlich über die erste Versorgungsspannung, gezeigt. Im Vergleich zu dem Schaltbild 1400 der Schaltungsanordnung in 14 stellen nun bei beiden Halbbrücken jeweilig zwei nichtisolierte Spannungsversorgungen 555, 557 und 556, 558 die jeweilige positive Spannung für die Gate-Treiber-Schaltungen bereit. In einer zweiten Stufe wandeln die jeweiligen nichtisolierten Spannungsversorgungen 557 und 558 die positive Spannung der nichtisolierten Spannungsversorgungen 555 und 556 aus einer ersten Stufe ab, um den jeweiligen Spannungsinvertern 352 und 354 eine geeignete Amplitude der positiven Spannung am jeweiligen Positivspannungsanschluss bereitzustellen. Generell werden die nichtisolierten Spannungsversorgungen 555, 556, 557 und 558 durch Schaltnetzteile oder Linearregler, bspw. LDO, oder durch eine Kombination beider realisiert.
  • In 17 wird ein Schaltbild 1700 einer Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit unabhängigem Bootstrapping zweier Spannungen, nämlich zum Positivspannungseingang des jeweiligen Gate-Treibers 392 und 394 und zum Positivspannungsanschluss des jeweiligen Spannungsinverters 352 und 354, bei zweistufiger Gleichspannungswandlung, nämlich durch die jeweiligen nichtisolierten Spannungsversorgungen 655, 657 und 656, 658, und bei gemeinsamer Versorgung beider Halbbrücken, nämlich über die erste Versorgungsspannung, gezeigt. Im Vergleich zu dem Schaltbild 1600 der Schaltungsanordnung in 16 sind nun die nichtisolierten Spannungsversorgungen 655, 657 und 656, 658 explizit mit ihren jeweiligen elektronischen Bauelementen ausgestaltet. In der im Schaltbild 1700 gezeigten Ausgestaltung wird in der ersten Stufe die nichtisolierte Spannungsversorgung 655 und 656 vorzugsweise als Schaltnetzteil ausgestaltet und versorgt den Positivspannungseingang des jeweiligen Gate-Treibers 391, 392, 393, und 394 mit positiver Spannung, bspw. mit der Amplitude 15 V. In der zweiten Stufe wird der jeweilige Spannungsinverter 351, 353 und (gebootstrapt) 352, 354 vorzugsweise über eine als Linearregler bzw. LDO ausgestaltete nichtisolierte Spannungsversorgung 657 und 658 mit positiver Spannung, bspw. mit 5 V, versorgt.
  • In 18 wird ein Schaltbild 1800 einer Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit unabhängigem Bootstrapping zweier Spannungen, nämlich zum Positivspannungseingang des jeweiligen Gate-Treibers 392 und 394 und zum Positivspannungsanschluss des jeweiligen Spannungsinverters 352 und 354, bei zweistufiger Gleichspannungswandlung, nämlich durch die jeweiligen nichtisolierten Spannungsversorgungen 655, 657 und 656, 658, und bei gemeinsamer Versorgung beider Halbbrücken, nämlich über die erste Versorgungsspannung, gezeigt. Im Vergleich zu dem Schaltbild 1700 der Schaltungsanordnung in 17, sind die beiden nichtisolierten Spannungsversorgungen 655 und 656 über eine Verbindungsdiode 1865 miteinander verbunden. Die Verbindungsdiode 1865 verhindert, dass die Spannungsversorgung 656 der ersten Stufe der zweiten Halbbrücke ihre Polarität ändert.
  • In 19 wird ein Schaltbild 1900 einer Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit gemeinsamem Bootstrapping zweier Spannungen, nämlich zum Positivspannungseingang des jeweiligen Gate-Treibers 392 und 394 und zum Positivspannungsanschluss des jeweiligen Spannungsinverters 352 und 354, bei zweistufiger Gleichspannungswandlung, nämlich durch die jeweiligen nichtisolierten Spannungsversorgungen 555, 557 und 556, 558, und bei gemeinsamer Versorgung beider Halbbrücken, nämlich über die erste Versorgungsspannung, gezeigt. Im Vergleich zu dem Schaltbild 1600 der Schaltungsanordnung in 16 sind hochseitig der Positivspannungseingang des Gate-Treibers 392 mit dem Positivspannungseingang des Gate-Treibers 394, und weiter der Negativspannungseingang des Gate-Treibers 392 mit dem Negativspannungseingang des Gate-Treibers 394 verbunden.
  • In 20 wird ein Schaltbild 2000 einer Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit gemeinsamem Bootstrapping zweier Spannungen, nämlich zum Positivspannungseingang des jeweiligen Gate-Treibers 392 und 394 und zum Positivspannungsanschluss des jeweiligen Spannungsinverters 352 und 354, bei zweistufiger Gleichspannungswandlung, nämlich durch die jeweiligen explizit ausgestalteten nichtisolierten Spannungsversorgungen 655, 657 und 656, 658, und bei gemeinsamer Versorgung beider Halbbrücken, nämlich über die erste Versorgungsspannung, gezeigt. Im Vergleich zu dem Schaltbild 1900 der Schaltungsanordnung in 19 wird die erste Stufe der nichtisolierten Spannungsversorgung explizit als Schaltnetzteil 655, 656 ausgestaltet, und die zweite Stufe explizit als Linearregler 657, 658 ausgestaltet. Dies stellt eine für einen Betrieb bevorzugte Ausgestaltung dar.
  • In 21 wird ein Schaltbild 2100 einer Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit gemeinsamem Bootstrapping zweier Spannungen, nämlich zum Positivspannungseingang des jeweiligen Gate-Treibers 392 und 394 und zum Positivspannungsanschluss des jeweiligen Spannungsinverters 352 und 354, bei zweistufiger Gleichspannungswandlung, nämlich durch die jeweiligen explizit ausgestalteten nichtisolierten Spannungsversorgungen 655, 657 und 656, 658, und bei gemeinsamer Versorgung beider Halbbrücken, nämlich über die erste Versorgungsspannung, gezeigt. Im Vergleich zu dem Schaltbild 2000 der Schaltungsanordnung in 20, sind in der ersten Stufe die beiden nichtisolierten Spannungsversorgungen 655 und 656 über eine Verbindungsdiode 1865 miteinander verbunden. Die Verbindungsdiode 1865 verhindert, dass die Spannungsversorgung 656 der ersten Stufe der zweiten Halbbrücke ihre Polarität ändert.
  • In 22 wird ein Schaltbild 2200 einer Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit unabhängigem Bootstrapping einer Spannung, nämlich zum Positivspannungseingang des jeweiligen Gate-Treibers 392 und 394, bei zweistufiger Gleichspannungswandlung, nämlich in der ersten Stufe durch die jeweiligen nichtisolierten Spannungsversorgungen 555, 557 und in der zweiten Stufe niedrigseitig durch die nichtisolierten Spannungsversorgungen 556, 558 sowie hochseitig durch die nichtisolierten Spannungsversorgungen 959, 950, und bei gemeinsamer Versorgung beider Halbbrücken, nämlich über die erste Versorgungsspannung, gezeigt. Im Vergleich zu dem Schaltbild 1600 in 16 wird der jeweilige hochseitige Spannungsinverter-Kondensator 335, 341 nicht mehr durch eine jeweilige Bootstrapdiode (Bezugszeichen 362, 364 in 16) geladen, sondern durch die jeweilige hochseitige nichtisolierte Spannungsversorgung 959, 950 der zweiten Stufe.
  • In 23 wird ein Schaltbild 2300 einer Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit unabhängigem Bootstrapping einer Spannung, nämlich zum Positivspannungseingang des jeweiligen Gate-Treibers 392 und 394, bei zweistufiger Gleichspannungswandlung, nämlich in der ersten Stufe durch die jeweiligen nichtisolierten Spannungsversorgungen 655, 657 und in der zweiten Stufe niedrigseitig durch die nichtisolierten Spannungsversorgungen 656, 658 sowie hochseitig durch die nichtisolierten Spannungsversorgungen 1059, 1050, und bei gemeinsamer Versorgung beider Halbbrücken, nämlich über die erste Versorgungsspannung, gezeigt. Im Vergleich zu dem Schaltbild 2200 in 22 wird die erste Stufe der nichtisolierten Spannungsversorgung explizit als Schaltnetzteil 655, 656 ausgestaltet, und die zweite Stufe explizit als Linearregler 657, 658, 1059, 1050 ausgestaltet. Dies stellt eine für einen Betrieb bevorzugte Ausgestaltung dar.
  • In 24 wird ein Schaltbild 2400 einer Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit unabhängigem Bootstrapping einer Spannung, nämlich zum Positivspannungseingang des jeweiligen Gate-Treibers 392 und 394, bei zweistufiger Gleichspannungswandlung, nämlich in der ersten Stufe durch die jeweiligen nichtisolierten Spannungsversorgungen 655, 657 und in der zweiten Stufe niedrigseitig durch die nichtisolierten Spannungsversorgungen 656, 658 sowie hochseitig durch die nichtisolierten Spannungsversorgungen 1059, 1050, und bei gemeinsamer Versorgung beider Halbbrücken, nämlich über die erste Versorgungsspannung, gezeigt. Im Vergleich zu dem Schaltbild 2300 in 23 sind in der ersten Stufe die beiden nichtisolierten Spannungsversorgungen 655 und 656 über eine Verbindungsdiode 1865 miteinander verbunden. Die Verbindungsdiode 1865 verhindert, dass die Spannungsversorgung 656 der ersten Stufe der zweiten Halbbrücke ihre Polarität ändert.
  • In 25 wird ein Schaltbild 2500 einer Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit gemeinsamem Bootstrapping einer Spannung, nämlich zum Positivspannungseingang des jeweiligen Gate-Treibers 392 und 394, bei zweistufiger Gleichspannungswandlung, nämlich in der ersten Stufe durch die jeweiligen nichtisolierten Spannungsversorgungen 555, 557 und in der zweiten Stufe niedrigseitig durch die nichtisolierten Spannungsversorgungen 556, 558 sowie hochseitig durch die nichtisolierten Spannungsversorgungen 959, 950, und bei gemeinsamer Versorgung beider Halbbrücken, nämlich über die erste Versorgungsspannung, gezeigt. Hochseitig ist der Positivspannungseingang des Gate-Treibers 392 mit dem Positivspannungseingang des Gate-Treibers 394, und weiter der Negativspannungseingang des Gate-Treibers 392 mit dem Negativspannungseingang des Gate-Treibers 394 verbunden. Im Vergleich zu dem Schaltbild 1900 in 19 wird der jeweilige hochseitige Spannungsinverter-Kondensator 335, 341 nicht mehr durch eine jeweilige Bootstrapdiode (Bezugszeichen 362, 364 in 19) geladen, sondern durch die jeweilige nichtisolierte Spannungsversorgung 959, 950.
  • In 26 wird ein Schaltbild 2600 einer Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit gemeinsamem Bootstrapping einer Spannung, nämlich zum Positivspannungseingang des jeweiligen Gate-Treibers 392 und 394, bei zweistufiger Gleichspannungswandlung, nämlich in der ersten Stufe durch die jeweiligen nichtisolierten Spannungsversorgungen 655, 657 und in der zweiten Stufe niedrigseitig durch die nichtisolierten Spannungsversorgungen 656, 658 sowie hochseitig durch die nichtisolierten Spannungsversorgungen 1059, 1050, und bei gemeinsamer Versorgung beider Halbbrücken, nämlich über die erste Versorgungsspannung, gezeigt. Hochseitig ist der Negativspannungseingang des Gate-Treibers 392 mit dem Negativspannungseingang des Gate-Treibers 394 verbunden. Im Vergleich zu dem Schaltbild 2500 in 25 wird die erste Stufe der nichtisolierten Spannungsversorgung explizit als Schaltnetzteil 655, 656 ausgestaltet, und die zweite Stufe explizit als Linearregler 657, 658, 1059, 1050 ausgestaltet. Dies stellt eine für einen Betrieb bevorzugte Ausgestaltung dar. Weiter fehlt die Verbindung zwischen dem Positivspannungseingang des Gate-Treibers 392 und dem Positivspannungseingang des Gate-Treibers 394.
  • In 27 wird ein Schaltbild 2700 einer Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit gemeinsamem Bootstrapping einer Spannung, nämlich zum Positivspannungseingang des jeweiligen Gate-Treibers 392 und 394, bei zweistufiger Gleichspannungswandlung, nämlich in der ersten Stufe durch die jeweiligen nichtisolierten Spannungsversorgungen 655, 657 und in der zweiten Stufe niedrigseitig durch die nichtisolierten Spannungsversorgungen 656, 658 sowie hochseitig durch die nichtisolierten Spannungsversorgungen 1059, 1050, und bei gemeinsamer Versorgung beider Halbbrücken, nämlich über die erste Versorgungsspannung, gezeigt. Im Vergleich zu dem Schaltbild 2600 in 26 sind in der ersten Stufe die beiden nichtisolierten Spannungsversorgungen 655 und 656 über eine Verbindungsdiode 1865 miteinander verbunden. Die Verbindungsdiode 1865 verhindert, dass die Spannungsversorgung 656 der ersten Stufe der zweiten Halbbrücke ihre Polarität ändert.
  • In 28 wird ein Schaltbild 2800 einer Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit vereinfachtem gemeinsamem Bootstrapping einer Spannung, nämlich zum Positivspannungseingang des jeweiligen Gate-Treibers 392 und 394, bei zweistufiger Gleichspannungswandlung, nämlich in der ersten Stufe durch die jeweiligen nichtisolierten Spannungsversorgungen 655, 657 und in der zweiten Stufe niedrigseitig durch die nichtisolierten Spannungsversorgungen 556, 558 sowie hochseitig durch die nichtisolierte Spannungsversorgung 959, und bei gemeinsamer Versorgung beider Halbbrücken, nämlich über die erste Versorgungsspannung, gezeigt. Im Vergleich zu dem Schaltbild 2500 in 25 wird der hochseitige Spannungsinverter-Kondensator 341 nicht mehr durch eine eigene hochseitige nichtisolierte Spannungsversorgung (Bezugszeichen 950 in 25) geladen, sondern es sind hochseitig der Positivspannungseingang des Gate-Treibers 392 mit dem Positivspannungseingang des Gate-Treibers 394, und weiter der Negativspannungseingang des Gate-Treibers 392 mit dem Negativspannungseingang des Gate-Treibers 394 verbunden. Durch das gemeinsame Bootstrapping beider hochseitigen Gate-Treiber-Schaltungen ist eine der beiden hochseitigen nichtisolierten Spannungsversorgungen 959 und 950 redundant. Zudem sind Anforderungen an die jeweiligen nichtisolierten Spannungsversorgungen die gleichen. Daher kann, nach voranstehend beschriebenem Verbinden der Positivspannungseingänge und Negativspannungseingänge der jeweiligen Gate-Treiber 392 und 394, eine der beiden Spannungsversorgungen 959 oder 950 weggelassen werden. Vorteilhaft werden durch die Verbindung der Positivspannungseingänge und Negativspannungseingänge der jeweiligen Gate-Treiber 392 und 394 die jeweiligen Positivspannungskondensatoren 334, 340 und Spannungsinverter-Kondensatoren 335, 341 viel öfter, und zwar im Schnitt doppelt so oft, geladen, und zwar wann immer mindestens einer der beiden niedrigseitigen Leistungsschalter 311 oder 313 eingeschaltet ist. Zudem vereinfacht dies Anforderungen an eine Schaltungssteuerung.
  • In 29 werden Schaltbilder 2910, 2920, 2930, 2940 mehrerer Ausgestaltungen von in der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung anordenbaren Linearreglern gezeigt. Die jeweilig dargestellten Linearregler verfügen über einen Kondensator 2904, einen Transistor 2905, eine erste Diode 2906, eine zweite Diode 2907, und bis zu zwei Widerstände 2908 und 2909. Der Transistor 2905 sperrt, sobald eine Ausgangsspannung höher als eine Durchbruchspannung der zweiten Diode 2907 abzüglich einer Schwellenspannung des Transistor 2905, welche typischerweise um 650 mV liegt, ist. Dem folgend ist die zweite Diode 2907 bspw. als Zener- oder TVS-Diode ausgeführt und weist als Durchbruchspannung die gewünschte Ausgangsspannung plus 650 mV auf. Der Widerstand 2908 hat dabei die Funktion eines sogenannten Pull-up-Widerstandes. Vereinfacht ausgedrückt, schaltet der Pull-up-Widerstand den Transistor 2905, auch Bootstrap-Transistor genannt, an, bis eine durch eine Spezifikation der Bauteile bestimmte Spannungsnorm diesen wieder abschaltet. Der Pull-up-Widerstand kann, wie in den Ausgestaltungen 2920 und 2940 dargestellt, zwischen der Diode 2906 und dem Transistor 2905 angeschlossen sein. Dadurch kann bei negativen Spannungen von Anschluss 2903, welcher auf einem Massepotential, gegenüber dem eine Versorgungsspannung bezogen wird, liegt, zu einem positiven Anschluss 2902 eine Sperrspannung der Diode 2906 genutzt werden und eine geringe Spannungsbelastung an einer Basis des Transistors 2905 erreicht werden. Der Linearregler 1200, der bspw. als „low-dropout“-Regler oder kurz „LD0“ ausgeführt sein kann, erzeugt die zwischen einem Anschluss 2902 und einem Anschluss 2903 anliegende Ausgangsspannung aus einer notwendig höheren, zwischen einem Anschluss 2901 und dem Anschluss 2903 liegendem Eingangsspannung, die auch Instabilitäten und/oder Fluktuationen aufweisen kann. Bei geringen Spannungsunterschieden zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung des Linearreglers besteht eine hohe Effizienz, welche allerdings bei wachsenden Unterschieden abnimmt.
  • In 30 werden Schaltbilder 3010, 3020, 3030, 3050 mehrerer Ausgestaltungen von in der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung anordenbaren Schaltnetzteilen gezeigt. Ein in der Ausgestaltung 3010 dargestelltes asynchrones Schaltnetzteil 3012 und ein in der Ausgestaltung 3020 dargestelltes synchrones Schaltnetzteil 3022 verfügt über eine Spule 3004, zwei Kondensatoren 3008 und 3009, einen Halbleiterschalter 3005, hier als MOSFET ausgeführt, entweder eine Diode 3011 oder einen weiteren Halbleiterschalter 3021, und ein Steuergerät 3007. Angeschlossen sind beide Ausgestaltungen 3010 und 3020 eingangsseitig am Anschluss 3001 an eine positive Eingangsspannung. Weiter sind sie ausgangsseitig am Anschluss 3002 angeschlossen und stellen dort eine mit der durch die Spezifikationen der jeweilig im jeweiligen Schaltnetzteil 3010 bzw. 3020 umfassten Bauteile samt Steuerung durch das Steuergerät 3007) erzeugte positive Spannung bestimmter Amplitude bereit. Sowohl die Eingangs-, wie auch die Ausgangsspannung wird auf ein am Anschluss 3003 vorliegendes Potential bezogen, welches zumeist mit dem Massepotential verbunden ist. Das Steuergerät 3007 steuert je nach am Kondensator 3009 anliegender Spannung den Halbleiterschalter 3005 und auch, falls wie in Ausgestaltung 3020 vorhanden, den Halbleiterschalter 3021, um eine vorbestimmte Spannung, bspw. 3 V, 5 V oder 15 V, zu erzeugen. Dies kann mit geringen Verlusten bzw. hoher Effizienz aus einer beliebigen, auch instabilen und/oder schwankenden Versorgungsspannung erfolgen, wobei das synchrone Schaltnetzteil 3022 gegenüber dem Schaltnetzteil 3012 eine höhere Effizienz besitzt. Ferner ist in den Ausgestaltungen 3030 und 3050 ein jeweiliges Schaltnetzteil mit vier Halbleiterschaltern 3031, 3032, 3033 und 3034 dargestellt, das für die positive Eingangs- wie Ausgangsspannung jeweilig den Anschluss 3001 bzw. 3002 umfasst, wobei die jeweiligen Spannungen auf das Massepotential bezogen sind. Weiter weisen die Ausgestaltungen einen ersten Kondensator 3035 und eine zweiten Kondensator 3036, sowie einen Regulator 3037 auf. Die Schalter 3031, 3032, 3033, und 3034 werden von der Taktungsschaltung 3040 gesteuert, bei der ein Taktsignalgeber 3041 ein Schaltsignal 3042 für die Schalter 3032 und 3033 erzeugt, sowie das invertierte Schaltsignal 3043 für die Schalter 3031 und 3034 erzeugt.
  • In 31 wird ein Schaltbild 3100 einer Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit unabhängigem Bootstrapping zweier Spannungen, nämlich zum Positivspannungseingang des Gate-Treibers 392 und zum Positivspannungsanschluss des jeweiligen Spannungsinverters 352 und 354, bei zweistufiger Gleichspannungswandlung, nämlich durch die jeweiligen nichtisolierten Spannungsversorgungen 555, 557 und 558, und Versorgung der ersten Halbbrücke über die erste Versorgungsspannung und Versorgung der zweiten Halbbrücke durch aktives Bootstrapping gezeigt. Im Vergleich zu dem Schaltbild 1600 der Schaltungsanordnung in 16 ist der positive Spannungsausgang der ersten nichtisolierten Spannungsversorgung 556 über einen aktiven Schalter 3115 mit dem Positivspannungseingang des Gate-Treibers 393 des niedrigseitigen dritten Leistungsschalters 313 verbunden. Der aktive Schalter 3115 stellt ein sogenanntes aktives Bootstrapping dar und ersetzt bei einer zweistufigen nichtisolierten Spannungsversorgung in der zweiten Halbbrücke die nichtisolierte Spannungsversorgung der ersten Stufe (Bezugszeichen 556 in 16), welche sonst den Positivspannungseingang des Gate-Treibers 393 des niedrigseitigen dritten Leistungsschalters 313 versorgen würde. Der Positivspannungseingang des Gate-Treibers 394 des hochseitigen vierten Leistungsschalters 314 wird über eine Bootstrap-Diode 363, welche mit dem Positivspannungseingang des Gate-Treibers 393 des niedrigseitigen dritten Leistungsschalters 313 verbunden ist, versorgt. Der aktive Schalter 3115 wird vorteilhaft von einem MOSFET realisiert und wird über ein Synchronisationsmodul gesteuert. Der aktive Schalter 3115 ist eingeschaltet, wenn der negative Anschluss 301 der ersten Halbbrücke und der negative Anschluss 303 der zweiten Halbbrücke ein ähnliches Spannungspotential aufweisen. Dies ist immer dann der Fall, wenn der niedrigseitige erste Leistungsschalter 311 und der niedrigseitig dritte Leistungsschalter 313 eingeschaltet werden.
  • In 32 wird ein Schaltbild 3200 einer Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit gemeinsamen Bootstrapping zweier Spannungen, nämlich zum Positivspannungseingang des Gate-Treibers 392 und zum Positivspannungsanschluss des jeweiligen Spannungsinverters 352 und 354, bei zweistufiger Gleichspannungswandlung, nämlich durch die jeweiligen nichtisolierten Spannungsversorgungen 555, 557 und 558, und Versorgung der ersten Halbbrücke über die erste Versorgungsspannung und Versorgung der zweiten Halbbrücke durch aktives Bootstrapping gezeigt. Im Vergleich zu dem Schaltbild 3100 der Schaltungsanordnung in 31 sind hochseitig der Positivspannungseingang des Gate-Treibers 392 mit dem Positivspannungseingang des Gate-Treibers 394, und weiter der Negativspannungseingang des Gate-Treibers 392 mit dem Negativspannungseingang des Gate-Treibers 394 verbunden.
  • In 33 wird ein Schaltbild 3300 einer Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit gemeinsamen Bootstrapping einer Spannung, nämlich zum Positivspannungseingang des Gate-Treibers 392 und zum Positivspannungsanschluss des jeweiligen Spannungsinverters 352 und 354, bei zweistufiger Gleichspannungswandlung, nämlich durch die jeweiligen nichtisolierten Spannungsversorgungen 555, 557 und 558, und Versorgung der ersten Halbbrücke über die erste Versorgungsspannung und Versorgung der zweiten Halbbrücke durch aktives Bootstrapping gezeigt. Im Vergleich zu dem Schaltbild 2500 der Schaltungsanordnung in 25 ist der positive Spannungsausgang der ersten nichtisolierten Spannungsversorgung 556 über einen aktiven Schalter 3115 mit dem Positivspannungseingang des Gate-Treibers 393 des niedrigseitigen dritten Leistungsschalters 313 verbunden. Der aktive Schalter 3115 ersetzt bei einer zweistufigen nichtisolierten Spannungsversorgung in der zweiten Halbbrücke die nichtisolierte Spannungsversorgung der ersten Stufe (Bezugszeichen 556 in 25), welche sonst den Positivspannungseingang des Gate-Treibers 393 des niedrigseitigen dritten Leistungsschalters 313 versorgen würde. Der Positivspannungseingang des Gate-Treibers 394 des hochseitigen vierten Leistungsschalters 314 ist weiter mit der Bootstrap-Diode 363 verbunden.
  • In 34 wird ein Schaltbild 3400 einer Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit gemeinsamen Bootstrapping einer Spannung, nämlich zum Positivspannungseingang des Gate-Treibers 392 und zum Positivspannungsanschluss des jeweiligen Spannungsinverters 352, bei zweistufiger Gleichspannungswandlung, nämlich durch die jeweiligen nichtisolierten Spannungsversorgungen 555, 557 und 558, und Versorgung der ersten Halbbrücke über die erste Versorgungsspannung und Versorgung der zweiten Halbbrücke durch aktives Bootstrapping und Versorgung des hochseitigen Spannungsinverters 354 der zweiten Halbbrücke durch die hochseitige nichtisolierte Spannungsversorgung 959 in der ersten Halbbrücke gezeigt. Im Vergleich mit 33 ist die dortige hochseitige nichtisolierte Spannungsversorgung 950 des Spannungsinverters 354 weggefallen und ein Positivspannungsanschluss des hochseitigen Spannungsinverters 352 der ersten Halbbrücke mit dem Positivspannungsanschluss des hochseitigen Spannungsinverters 354 der zweiten Halbbrücke und der Negativspannungseingang des hochseitigen Gate-Treibers 392 der ersten Halbbrücke mit dem Negativspannungseingang des hochseitigen Gate-Treibers 394 der zweiten Halbbrücke verbunden.
  • In 35 wird ein Schaltbild einer Ausgestaltung einer in der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung anordenbaren Gate-Treiber-Schaltung 3500 mit entgegengesetzt geschalteten Schaltern 3511 und 3512 gezeigt. Im Vergleich mit 1 sind die beiden Bipolartransistoren (Bezugszeigen 111 und 112 in 1) durch steuerbare Schalter 3511 und 3512 ersetzt. Durch das Invertierelement 3513 öffnet oder schließt der Schalter 3511 je nach ankommendem Signal, während der Schalter 3512 eine komplementäre Schalterstellung hierzu einnimmt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Claims (10)

  1. Schaltungsanordnung (300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 1500, 1600, 1700, 1800, 1900, 2000, 2100, 2200, 2300, 2400, 2500, 2600, 2700, 2800, 3100, 3200, 3300, 3400) von Gate-Treiber-Schaltungen (100, 200) und Leistungsschaltern (101, 311, 312, 313, 314), welche mindestens vier Leistungsschalter, bei denen ein jeweiliges Referenzpotential an einem Source-Anschluss (105) eines jeweiligen Leistungsschalters gebildet wird, umfasst, welche zu einem jeweiligen Leistungsschalter eine jeweilige Gate-Treiber-Schaltung aufweist, bei der die jeweilige Gate-Treiber-Schaltung mindestens einen Gate-Treiber (102, 391, 392, 393, 394), einen Positivspannungskondensator (103, 331, 334, 337, 340), einen Negativspannungskondensator (133, 333, 336, 339, 342), einen Spannungsinverter (110, 351, 352, 353, 354) und einen Spannungsinverter-Kondensator (131, 332, 335, 338, 341) umfasst, bei der ein Leistungsschaltersteuergerät die jeweiligen Gate-Treiber ansteuert, welche durch ein jeweiliges Schaltsignal den jeweiligen Leistungsschalter ansteuern, bei der die Schaltungsanordnung einen ersten positiven Anschluss (302) und einen ersten negativen Anschluss (301) und einen zweiten positiven Anschluss (304) und einen zweiten negativen Anschluss (303) aufweist, bei der zwischen dem ersten positiven und dem ersten negativen Anschluss eine erste Versorgungsspannung (305) anliegt, bei der zwischen dem zweiten positiven und dem zweiten negativen Anschluss eine zweite Versorgungsspannung (306) anliegt, bei der ein niedrigseitiger erster (311) und ein hochseitiger zweiter (312) Leistungsschalter eine erste Halbbrücke bilden, bei der ein niedrigseitiger dritter (313) und ein hochseitiger vierter (314) Leistungsschalter eine zweite Halbbrücke bilden, bei der die erste Halbbrücke zwischen dem ersten positiven und dem ersten negativen Anschluss angeordnet ist, bei der die zweite Halbbrücke zwischen dem zweiten positiven und dem zweiten negativen Anschluss angeordnet ist, bei der beide Halbbrücken zwischen ihren jeweiligen Leistungsschaltern miteinander verbunden sind, wobei ein Positivspannungseingang (172) des jeweiligen Gate-Treibers (102) mit einem positiven Anschluss des jeweiligen Positivspannungskondensators verbunden ist, wobei ein Negativspannungseingang (171) des jeweiligen Gate-Treibers (102) mit einem negativen Anschluss des jeweiligen Negativspannungskondensators (133) verbunden ist, wobei ein negativer Anschluss des jeweiligen Positivspannungskondensators (103) und ein positiver Anschluss des jeweiligen Negativspannungskondensators (133) und ein negativer Anschluss des jeweiligen Spannungsinverter-Kondensators (131) und ein Nullpotentialanschluss (106) des jeweiligen Spannungsinverters (110) mit dem Referenzpotential (105) des jeweiligen Leistungsschalters (101) verbunden sind, wobei ein Positivspannungsanschluss (107) des jeweiligen Spannungsinverters (110) mit dem positiven Anschluss des jeweiligen Spannungsinverter-Kondensators (131) verbunden ist, wobei ein Schaltungssignalanschluss (108) des jeweiligen Spannungsinverters (110) mit dem Schaltsignal des entsprechenden jeweiligen Gate-Treibers (102) verbunden ist, wobei ein Negativspannungsanschluss (109) des jeweiligen Spannungsinverters mit dem negativen Anschluss des Negativspannungskondensators (133) und dem Negativspannungseingang des entsprechend jeweiligen Gate-Treibers (102) verbunden ist, wobei der jeweilige Spannungsinverter (110) als Bauteile mindestens einen Kondensator (132), einen ersten (111) und einen zweiten (112) Schalter und zwei Dioden (161, 162) umfasst, bei dem der erste und der zweite Schalter mit jeweilig aufeinander bezogen entgegengesetzten Schalterstellungen in Reihe zwischen dem Positivanschluss (107) und dem Nullpotentialanschluss (106) angeordnet sind, und die beiden Dioden seriell in Durchlassrichtung von dem Negativspannungsanschluss (108) zu dem Nullpotentialanschluss (106) angeordnet sind, und bei dem der Kondensator (132) zwischen den beiden Schaltern und den beiden Dioden angeordnet ist, und wobei die beiden Schalter mit einem am Schaltungssignalanschluss (108) vorliegendem Schaltsignal geschaltet werden, wobei bei einem „An“-Schaltsignal der erste Schalter (111) geschlossen und der zweite Schalter (112) geöffnet ist, wobei bei einem „Aus“-Schaltsignal der erste Schalter (111) geöffnet und der zweite Schalter (112) geschlossen ist, bei der die Schaltungsanordnung an beiden Halbbrücken mindestens eine Bootstrapdiode (361, 363) und mindestens eine nichtisolierte Spannungsversorgung (355, 356) aufweist, wobei die erste Versorgungsspannung die mindestens eine nichtisolierte Spannungsversorgung (355) der ersten Halbbrücke versorgt, wobei jeweilig niedrigseitig die mindestens eine nichtisolierte Spannungsversorgung (355, 356) den jeweiligen Gate-Treiber (391, 393) und den jeweiligen Spannungsinverter (351, 353) mit positiver Spannung versorgt, und wobei jeweilig hochseitig die mindestens eine mit der nichtisolierten Spannungsversorgung (355) verbundene Bootstrapdiode (361, 363) eine positive Spannung zu einer Positivspannungsversorgung des jeweiligen Gate-Treibers (393, 394) und jeweiligen Spannungsinverters (353, 354) bereitstellt.
  2. Schaltungsanordnung (300, 400, 1400, 1500) nach Anspruch 1, bei der bei beiden Halbbrücken eine jeweilige erste nichtisolierte Spannungsversorgung (355, 356) niedrigseitig und über eine jeweilige Bootstrapdiode (361, 362, 363, 364) hochseitig mit dem Positivspannungseingang des jeweiligen Gate-Treibers (392, 394) und dem Positivspannungsanschluss des jeweiligen Spannungsinverters (352, 354) verbunden ist.
  3. Schaltungsanordnung (500, 600, 700, 800, 1600, 1700, 1800. 1900, 2000, 2100) nach Anspruch 1, bei der bei beiden Halbbrücken eine jeweilige erste nichtisolierte Spannungsversorgung (355, 356, 655, 656) niedrigseitig und über eine jeweilige Bootstrapdiode (361, 363) hochseitig mit dem Positivspannungseingang des jeweiligen Gate-Treibers verbunden ist und eine jeweilige mit der jeweiligen ersten nichtisolierten Spannungsversorgung verbundene zweite nichtisolierte Spannungsversorgung (557, 558, 657, 658) niedrigseitig und über eine jeweilige Bootstrapdiode (362, 364) hochseitig mit dem Positivspannungsanschluss des jeweiligen Spannungsinverters verbunden ist.
  4. Schaltungsanordnung (900, 1000, 1100, 1200, 1300, 2200, 2300, 2400, 2500, 2600, 2700, 2800, 3100, 3200, 3300, 3400) nach Anspruch 1, bei der bei beiden Halbbrücken eine jeweilige erste nichtisolierte Spannungsversorgung (355, 356, 555, 556, 655, 656) niedrigseitig und über eine jeweilige Bootstrapdiode (361, 363) hochseitig mit dem Positivspannungseingang des jeweiligen Gate-Treibers verbunden ist und niedrigseitig eine jeweilige mit der jeweiligen ersten nichtisolierten Spannungsversorgung verbundene zweite nichtisolierte Spannungsversorgung (557, 558, 657, 658) mit dem Positivspannungsanschluss des jeweiligen Spannungsinverters (351, 353) verbunden ist und hochseitig eine über die eine jeweilige Bootstrapdiode mit der jeweiligen ersten nichtisolierten Spannungsversorgung verbundene dritte nichtisolierte Spannungsversorgung (959, 950, 1059, 1050) mit dem Positivspannungsanschluss des jeweiligen Spannungsinverters (352, 354) verbunden ist.
  5. Schaltungsanordnung (400, 700, 800, 1100, 1200, 1300, 1500, 1900, 2000, 2100, 2500, 2800, 3200, 3300, 3400) nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei der die Positivspannungseingänge der beiden hochseitigen Gate-Treiber miteinander verbunden (401) sind und die Negativspannungseingänge der beiden hochseitigen Gate-Treiber (392, 394) miteinander verbunden (402) sind.
  6. Schaltungsanordnung (300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100, 1200, 1300) nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei der die Versorgungspannung der jeweiligen Halbbrücke deren erste nichtisolierte Spannungsversorgung (355, 356, 555, 556, 655, 656) versorgt.
  7. Schaltungsanordnung (1400, 1500, 1600, 1700, 1800, 1900, 2000, 2100, 2200, 2300, 2400, 2500, 2600, 2700, 2800) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Versorgungspannung der ersten Halbbrücke deren erste nichtisolierte Spannungsversorgung (355, 555, 655) versorgt und ein positiver Spannungseingang der ersten nichtisolierten Spannungsversorgung (356, 556, 656) der zweiten Halbbrücke mit einem positiven Spannungsausgang der ersten nichtisolierten Spannungsversorgung (355, 555, 655) der ersten Halbbrücke verbunden ist und ein negativer Spannungseingang der ersten nichtisolierten Spannungsversorgung (356, 556, 656) der zweiten Halbbrücke mit dem Referenzpotential des niedrigseitigen dritten Leistungsschalters (313) verbunden ist.
  8. Schaltungsanordnung (3100, 3200, 3300, 3400) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der in der ersten Halbbrücke die erste Versorgungspannung die erste nichtisolierte Spannungsversorgung versorgt und deren positiver Spannungsausgang über einen aktiven Schalter mit dem Positivspannungseingang des Gate-Treibers des niedrigseitigen dritten Leistungsschalters verbunden ist.
  9. Schaltungsanordnung (200) nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei der an mindestens einer der Gate-Treiber-Schaltungen zwischen dem Schaltsignal des jeweiligen Gate-Treibers (102) an einem Anschluss zu einem Gate des entsprechend jeweiligen Leistungsschalters (101) und dem Schaltungssignalanschluss des jeweiligen Spannungsinverters (110) ein Widerstand (241) nahe zu dem Gate des entsprechend jeweiligen Leistungsschalters (101) angeordnet ist.
  10. Schaltungsanordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, welche in einem modularen Multilevelkonverter angeordnet bzw. anordenbar ist.
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