DE102019003644A1

DE102019003644A1 - Gleichrichterschaltung, Schaltleistungswandler, der die Gleichrichter-Schaltung verwendet, und zugehörige Verfahren

Info

Publication number: DE102019003644A1
Application number: DE102019003644.1A
Authority: DE
Inventors: Jean-Paul Anna Eggermont; Johan Camiel Julia Janssens
Original assignee: Semiconductor Components Industries LLC
Current assignee: Semiconductor Components Industries LLC
Priority date: 2018-06-22
Filing date: 2019-05-23
Publication date: 2019-12-24
Also published as: CN110635794A; US10756616B2; TW202002489A; US20190393768A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gleichrichterschaltung, einen Schaltleistungswandler, der die Gleichrichterschaltung verwendet, und verwandte Verfahren. Mindestens einige der Ausführungsbeispiele sind Schaltungen, die Folgendes einschließen: einen Anodenanschluss; einen Kathodenanschluss; einen Feldeffekttransistor (FET), der einen Drain, eine Source und ein Gate definiert, wobei die Source mit dem Anodenanschluss gekoppelt ist und der Drain mit dem Kathodenanschluss gekoppelt ist; eine Diode mit Anode und Kathode, wobei die Anode mit dem Kathodenanschluss gekoppelt ist; einen Bootstrap-Kondensator, der zwischen die Kathode der Diode und den Anodenanschluss gekoppelt ist; eine FET-Steuerung, die mit dem Gate des FET und einem Knoten zwischen der Diode und dem Bootstrap-Kondensator gekoppelt ist; wobei die FET-Steuerung konfiguriert ist, den FET leitfähig zu machen, wenn die Schaltung in Durchlassrichtung vorgespannt wird, und die FET-Steuerung konfiguriert ist, den FET während Zeiträumen, in denen die Schaltung in Sperrrichtung vorgespannt ist, nicht leitfähig zu machen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Anmeldung betrifft das technische Gebiet der Gleichrichterschaltungen und insbesondere Gleichrichterschaltungen, die als Diodenwechselvorrichtungen verwendet werden können.
HINTERGRUND
Schaltleistungswandler verwenden eine Gleichrichterschaltung in Verbindung mit Induktivität (z. B. eigenständige Induktivität oder eine Wicklung eines Transformators), um eine höhere Spannung (Aufwärtswandler) oder eine niedrigere Spannung (Abwärtswandler) aus einer Gleichstrom- (DC-) Quelle zu erzeugen. Bei frühen Leistungswandlern und sogar heute bei weniger effizienten Leistungswandlern ist die Gleichrichterschaltung eine Diode, die als Gleichrichter wirkt. Ein Spannungsabfall im Durchlassleitungsmodus einer Diode kann relativ hoch sein (z. B. 0,7 bis 1,0 Volt oder mehr), wodurch die Gesamteffizienz des Leistungswandlers verringert wird. Leistungswandlerkonstrukteure können versuchen, die Effizienz durch Verwendung einer Schottky-Diode als Gleichrichterschaltung zu erhöhen, aber selbst unter Verwendung von Schottky-Dioden kann die Gesamteffizienz des Leistungswandlers möglicherweise keine 90 % erreichen.
Wenn eine höhere Effizienz erwünscht ist, können Leistungswandlerkonstrukteure die Diode durch einen eigenständigen Feldeffekttransistor (FET) und eine separate integrierte Treiberschaltung ersetzen, wodurch ein Leistungswandler mit synchroner Gleichrichtung geschaffen wird. Die Verwendung eines eigenständigen FET und eines separaten integrierten Treibers erhöht die Anzahl von Komponenten auf der Stückliste (Bill Of Material - BOM) sowie die Kosten und erhöht auch die Komplexität der zugrundeliegenden Leiterplatte, auf der die verschiedenen Komponenten montiert sind.
KURZDARSTELLUNG
Verschiedene Ausführungsbeispiele betreffen Verfahren und Systeme einer Gleichrichterschaltung. Mindestens einige der Ausführungsbeispiele schließen eine Schaltung ein, die Folgendes umfasst: einen Anodenanschluss; einen Kathodenanschluss; einen Feldeffekttransistor (FET), der einen Drain, eine Source und ein Gate definiert, wobei die Source mit dem Anodenanschluss gekoppelt ist und der Drain mit dem Kathodenanschluss gekoppelt ist; eine Diode mit einer Anode und einer Kathode, wobei die Anode mit dem Kathodenanschluss gekoppelt ist; einen Bootstrap-Kondensator, der zwischen die Kathode der Diode und den Anodenanschluss gekoppelt ist; und eine FET-Steuerung, die mit dem Gate des FET, dem Bootstrap-Kondensator und der Kathode der Diode gekoppelt ist. Die FET-Steuerung ist konfiguriert, den FET leitfähig zu machen, wenn die Schaltung in Durchlassrichtung vorgespannt wird, und die FET-Steuerung ist konfiguriert, den FET während Zeiträumen, in denen die Schaltung in Sperrrichtung vorgespannt ist, nicht leitfähig zu machen.
Die FET-Steuerung der beispielhaften Schaltung kann ferner konfiguriert sein, Strom von dem Bootstrap-Kondensator zum Gate zu treiben, um den FET leitfähig zu machen, und das Gate direkt mit der Source zu koppeln, bevor die Schaltung immer in Sperrrichtung vorgespannt wird. Die FET-Steuerung der beispielhaften Schaltung kann ferner konfiguriert sein, während Zeiträumen einer Durchlassvorspannung die Zeitsteuerung einer unmittelbar nachfolgenden Sperrvorspannung vorherzusagen, und konfiguriert sein, den FET basierend auf der vorhergesagten Zeitsteuerung auszuschalten. Die FET-Steuerung kann ferner eine Zeitsteuerungsschaltung umfassen, die einstellbar ist und ein Zeitsteuerungssignal erzeugt, und die FET-Steuerung kann konfiguriert sein, die Zeitsteuerungsschaltung auf eine Frequenz eines über den Anodenanschluss und den Kathodenanschluss angelegten Signals einzustellen. Die FET-Steuerung kann ferner konfiguriert sein, die Zeitsteuerung basierend auf einer Aktivierung des Zeitsteuerungssignals vorherzusagen.
Die FET-Steuerung der beispielhaften Schaltung kann ferner eine Gate-Treiberschaltung umfassen, wobei die Gate-Treiberschaltung konfiguriert ist, einen Spannungsabfall über den FET auf eine Sollwertspannung zu steuern. Die FET-Steuerung kann ferner konfiguriert sein, den FET an einem Ende eines Durchlassvorspannungszyklus nicht leitfähig zu machen, wenn der Spannungsabfall über den FET unter eine vorbestimmte Spannung fällt, und in einigen Fällen sind die Sollwertspannung und die vorbestimmte Spannung gleich.
Die FET-Steuerung der beispielhaften Schaltung kann ferner konfiguriert sein, eine Spannung über das Gate und die Source des FET zu überwachen, und ferner konfiguriert sein, den FET nicht leitfähig zu machen, wenn die Spannung über das Gate und die Source unter einen vorbestimmten Schwellenwert fällt.
Wieder andere Ausführungsbeispiele sind Verfahren, die Folgendes umfassen: Speichern von Energie auf einem Bootstrap-Kondensator, wenn eine verkapselte Halbleitervorrichtung in Sperrrichtung vorgespannt ist und ein Feldeffekttransistor (FET) der verkapselten Halbleitervorrichtung nicht leitfähig ist; Koppeln von Energie von dem Bootstrap-Kondensator mit einem Gate des FET, um den FET leitfähig zu machen, wenn die verkapselte Halbleitervorrichtung in Durchlassrichtung vorgespannt ist; und dann Nicht-Leitfähig-Machen des FET, bevor die verkapselte Halbleitervorrichtung in Sperrrichtung vorgespannt wird.
Die Kopplung von Energie von dem Bootstrap-Kondensator in dem beispielhaften Verfahren kann ferner das Steuern des Spannungsabfalls über den FET auf eine Sollwertspannung umfassen. Das Steuern des Spannungsabfalls über den FET kann ferner das Ansteuern des Gates umfassen, um einen Source-Drain-Widerstand des FET zu erzeugen, der größer als ein Source-Drain-Widerstand ist, wenn der FET mit seiner höchsten Nennspannung von Gate zu Source angesteuert wird. Das Nicht-Leitfähig-Machen der FET-Steuerung kann ferner das Nicht-Leitfähig-Machen des FET an einem Ende eines Durchlassvorspannungszyklus umfassen, wenn der Spannungsabfall über den FET unter eine vorbestimmte Spannung fällt, und in einigen Fällen sind die Sollwertspannung und die vorbestimmte Spannung gleich.
Das Nicht-Leitfähig-Machen des FET in dem beispielhaften Verfahren kann ferner umfassen, während eines Zeitraums, wenn die verkapselte Halbleitervorrichtung in Durchlassrichtung vorgespannt ist: Erfassen, dass die Durchlassvorspannung schwindet; und Kurzschließen des Gates des FET mit der Source, um den FET vor einem Ende des Zeitraums, in dem die verkapselte Halbleitervorrichtung in Durchlassrichtung vorgespannt ist, nicht leitfähig zu machen.
Das Nicht-Leitfähig-Machen des FET in dem beispielhaften Verfahren kann ferner umfassen: Überwachen einer Spannung über das Gate und die Source des FET; und Nicht-Leitfähig-Machen des FET, wenn die Spannung über das Gate und eine Source des FET unter einen vorbestimmten Schwellenwert fällt.
Das beispielhafte Verfahren kann ferner, während eines Zeitraums einer Durchlassvorspannung, das Vorhersagen einer Zeitsteuerung einer unmittelbar nachfolgenden Sperrvorspannung und das Nicht-Leitfähig-Machen des FET basierend auf der vorhergesagten Zeitsteuerung umfassen. Das Vorhersagen der Zeitsteuerung kann ferner das Erzeugen eines Zeitsteuerungssignals umfassen, wobei das Zeitsteuerungssignal ein Merkmal aufweist, das ein Ende eines Durchlassvorspannungszeitraums vorhersagt, und das Nicht-Leitfähig-Machen des FET kann ferner das Nicht-Leitfähig-Machen als Reaktion auf ein Merkmal des Zeitsteuerungssignals und in einigen Fällen das Einstellen des Zeitsteuerungssignals umfassen.
Das beispielhafte Verfahren kann ferner umfassen: Unterlassen, den FET für eine Vielzahl von Anfangszyklen von Durchlassvorspannung und Sperrvorspannung leitfähig und nicht leitfähig zu machen; und während des Unterlassens, Einstellen eines Zeitsteuerungssignals, um ein Merkmal zum Vorhersagen eines Übergangs von Durchlassvorspannung zu Sperrvorspannung in der Vielzahl von Anfangszyklen von Durchlassvorspannung und Sperrvorspannung zu haben.
Wieder andere Ausführungsbeispiele schließen einen Schaltleistungswandler ein, der Folgendes umfasst: eine Induktivität, die eine erste Leitung und eine zweite Leitung definiert, wobei die erste Leitung konfiguriert ist, mit einer Spannungsquelle gekoppelt zu werden; einen elektrisch gesteuerten Schalter, der auf einer ersten Seite mit der zweiten Leitung der Induktivität gekoppelt ist und konfiguriert ist, auf einer zweiten Seite mit einer Rücklauf- oder gemeinsamen Spannungsquelle gekoppelt zu werden; eine Treibersteuerung, die mit dem elektrisch gesteuerten Schalter gekoppelt und konfiguriert ist, den elektrisch gesteuerten Schalter periodisch leitfähig zu machen; und eine Gleichrichterschaltung. Die Gleichrichterschaltung kann ferner Folgendes umfassen: einen Anodenanschluss, der mit der Induktivität gekoppelt ist; einen Kathodenanschluss, der konfiguriert ist, mit einer Last gekoppelt zu werden; einen Feldeffekttransistor (FET), der einen Drain, eine Source und ein Gate definiert, wobei die Source mit dem Anodenanschluss gekoppelt ist und der Drain mit dem Kathodenanschluss gekoppelt ist; eine Diode mit einer Anode und einer Kathode, wobei die Anode mit dem Kathodenanschluss gekoppelt ist; einen Bootstrap-Kondensator, der zwischen die Kathode der Diode und den Anodenanschluss gekoppelt ist; eine FET-Steuerung, die mit dem Gate des FET, dem Bootstrap-Kondensator und der Kathode der Diode gekoppelt ist. Die FET-Steuerung kann konfiguriert sein, den FET leitfähig zu machen, wenn die Gleichrichterschaltung in Durchlassrichtung vorgespannt ist, und die FET-Steuerung kann konfiguriert sein, den FET während Zeiträumen, in denen die Gleichrichterschaltung in Sperrrichtung vorgespannt ist, nicht leitfähig zu machen.
Figurenliste
Für eine detaillierte Beschreibung der Beispielausführungsformen wird nun auf die beigefügten Zeichnungen verwiesen. Es zeigen:

1 einen Schaltleistungswandler gemäß mindestens einigen Ausführungsformen;
2 in einem gemischten schematischen und Blockdiagramm einen Gleichrichter gemäß mindestens einigen Ausführungsformen;
3 ein Blockdiagramm einer FET-Steuerung gemäß mindestens einigen Ausführungsformen;
4 ein Schaltbild einer Zeitsteuerungsschaltung gemäß mindestens einigen Ausführungsformen; und
5 ein Flussdiagramm gemäß mindestens einigen Ausführungsformen.

Definitionen
Verschiedene Begriffe werden verwendet, um bestimmte Systemkomponenten zu bezeichnen. Unterschiedliche Firmen können eine Komponente mit unterschiedlichen Namen bezeichnen - dieses Dokument beabsichtigt nicht, zwischen Komponenten zu unterscheiden, die sich im Namen, aber nicht in der Funktion unterscheiden. In der nachfolgenden Erörterung und in den Ansprüchen werden die Bezeichnungen „einschließlich“ und „umfassend“ in einem offenen Sinne verwendet und sollten daher so ausgelegt werden, dass sie „einschließlich, aber nicht beschränkt auf ...“ bedeuten. Außerdem soll der Begriff „koppeln“ oder „koppelt“ entweder eine indirekte oder eine direkte Verbindung bezeichnen. Wenn daher ein erstes Gerät mit einem zweiten Gerät gekoppelt wird, kann diese Verbindung durch eine direkte Verbindung oder durch eine indirekte Verbindung über andere Geräte und Verbindungen erfolgen.
„Durchlassvorspannung“ und „in Durchlassrichtung vorgespannt“ sollen sich auf eine positive Spannung zwischen einem Anodenanschluss und einem Kathodenanschluss einer Vorrichtung beziehen.
„Sperrvorspannung“ und „in Sperrrichtung vorgespannt“ sollen sich auf eine negative Spannung zwischen einem Anodenanschluss und einem Kathodenanschluss einer Vorrichtung beziehen.
„Steuerung“ soll sich auf einzelne Schaltungskomponenten auf einem Substrat, eine auf einem Substrat ausgebildete anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine auf einem Substrat konstruierte Mikrosteuerung (mit darauf gespeicherter Steuersoftware) oder Kombinationen davon beziehen, die konfiguriert sind, Signale zu lesen und als Reaktion auf solche Signale zu arbeiten.
In Bezug auf elektrische Vorrichtungen auf einem Substrat beziehen sich die Begriffe „Eingang“ und „Ausgang“ auf elektrische Verbindungen zu den elektrischen Vorrichtungen und sind nicht als Verben zu verstehen, die eine Handlung erfordern. Zum Beispiel kann eine Steuerung einen Gate-Ausgang und einen oder mehrere Erfassungseingänge aufweisen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die folgende Erläuterung ist auf verschiedene Ausführungsformen der Erfindung gerichtet. Obwohl eine oder mehrere dieser Ausführungsformen bevorzugt sein können, sollten die offenbarten Ausführungsformen nicht so interpretiert oder anderweitig verwendet werden, dass sie den Schutzumfang der Offenbarung, einschließlich der Ansprüche, einschränken würden. Darüber hinaus wird der Fachmann verstehen, dass die folgende Beschreibung eine breite Anwendung findet und die Erläuterung einer beliebigen Ausführungsform lediglich als Beispiel für diese Ausführungsform zu verstehen ist, und nicht so, dass der Schutzumfang der Offenbarung, einschließlich der Ansprüche, auf diese Ausführungsform beschränkt ist.
Verschiedene Ausführungsbeispiele betreffen Verfahren und Systeme einer Gleichrichterschaltung, die als eine Diodenersatzvorrichtung verwendet werden kann. Insbesondere betreffen Ausführungsbeispiele eine zweipolige Vorrichtung oder eine mit zwei Anschlüssen, die den gleichen Formfaktor wie eine Diode zur Anordnung auf Leiterplatten aufweisen kann, jedoch einen deutlich geringeren Spannungsabfall in Durchlassrichtung als im Handel erhältliche Diode, einschließlich Schottky-Dioden, aufweist. Insbesondere betreffen Ausführungsbeispiele eine verkapselte integrierte Schaltungs-(IC)-Vorrichtung mit nur zwei Anschlüssen, die jedoch intern einen FET und eine FET-Steuerung umfasst, die den FET leitfähig macht, wenn die verkapselte IC-Vorrichtung in Durchlassrichtung vorgespannt ist, und den FET während Zeiträumen, in denen die verkapselte IC-Vorrichtung in Sperrrichtung vorgespannt ist, nicht leitfähig macht. Die verkapselte IC versorgt sich während Zeiträumen, in denen der verkapselte IC in Sperrrichtung vorgespannt ist, durch Laden eines Bootstrap-Kondensators selbst mit Energie. In einigen beispielhaften Systemen implementiert die verkapselte IC eine Zeitsteuerungsschaltung, die einstellbar ist und ein Zeitsteuerungssignal erzeugt, und basierend auf der Zeitsteuerungsschaltung macht die verkapselte IC den FET prädiktiv nicht leitfähig, um sicherzustellen, dass kein Sperrstrom durch die Vorrichtung fließt. Die Spezifikation beziehen sich zunächst auf eine beispielhafte Schaltleistungswandlerschaltung, um dem Leser eine Orientierung zu bieten.
1 zeigt einen Schaltleistungswandler gemäß mindestens einigen Ausführungsformen. Insbesondere weist der Schaltleistungswandler 100 eine Gleichstromquelle (DC-Spannung) auf, die als Spannungsquelle V_DC bezeichnet wird. Die Spannungsquelle V_DC koppelt an die erste Leitung einer Induktivität 102, und die zweite Leitung der Induktivität koppelt an den Drain eines elektrisch gesteuerten Schalters in der Beispielform eines Schalt-FET 104. Die Source des Schalt-FET 104 koppelt an Masse. Das Gate des Schalt-FET 104 koppelt an einen FET-Treiber 106. Der FET-Treiber 106 steuert ein Schaltsignal zum Gate des Schalt-FET 104 an, wobei das Schaltsignal eine Frequenz von 100 Kilohertz (kHz) oder mehr aufweisen kann. Somit koppelt der FET-Treiber 106 und der Schalt-FET 104 zyklisch den Schalterknoten 108 mit Masse, um einen Stromfluss durch die Induktivität 102 zu erzeugen.
Ein Gleichrichter 110 hat einen Anodenanschluss 112, der mit dem Schaltknoten 108 gekoppelt ist, und der Gleichrichter 110 hat einen Kathodenanschluss 114, der mit einer Last 116 gekoppelt ist, die als drei Leuchtdioden (LEDs) dargestellt ist, wobei die Kathode der dritten LED mit der Masse gekoppelt ist. Wenn der Schalt-FET 104 leitfähig ist, sperrt der Gleichrichter 110 den Sperrstromfluss (z. B. von einem Glättungskondensator (nicht besonders gezeigt) zwischen dem Gleichrichter 110 und der Last 116 oder von der parasitären Kapazität des Systems). Wenn der Schalt-FET leitfähig ist, baut sich Strom in der Induktivität 102 auf, ebenso wie das elektrische und magnetische Feld um die Induktivität 102 herum. Wenn der Schalt-FET 104 dann nicht leitfähig gemacht wird, steuert das kollabierende Feld Strom durch den Schaltknoten 108 zu dem Gleichrichter 110 an, der den Gleichrichter 110 in Durchlassrichtung vorspannt und somit der Last 116 Strom bereitstellt. Sobald das Feld um die Induktivität 102 teilweise kollabiert (für kontinuierliche Strommodi) oder vollständig kollabiert (für diskontinuierliche Strommodi), wird der Schalt-FET 104 wieder leitfähig und der Zyklus wiederholt sich.
Somit leitet der Gleichrichter 110 Strom, wenn die Spannung über den Gleichrichter 110 in Durchlassrichtung vorgespannt ist (d. h. die Spannung an dem Anodenanschluss 112 höher als die Spannung an dem Kathodenanschluss 114 ist). Wenn im Gegensatz dazu die Spannung über den Gleichrichter 110 in Sperrrichtung vorgespannt ist (d. h. die Spannung an dem Anodenanschluss 112 niedriger als die Spannung an dem Kathodenanschluss 114 ist), sperrt der Gleichrichter 110 den Stromfluss von dem Kathodenanschluss 114 zu dem Anodenanschluss 112. Wie durch das Symbol innerhalb des Gleichrichters 110 impliziert, erfüllt der Gleichrichter 110 eine Diodenfunktion. Jedoch kann der Spannungsabfall im Durchlassleitungsmodus einer Diode relativ hoch sein (z. B. 600 bis 1000 Millivolt (mV) oder mehr). Schottky-Dioden sind besser und weisen einen Durchlassspannungsabfall von 200 bis 450 mV auf, aber selbst bei Verwendung von Schottky-Dioden erreicht die Gesamteffizienz des Schaltleistungswandlers 100 möglicherweise keine 90 %.
2 zeigt in einer gemischten schematischen und Blockdiagrammform den Gleichrichter 110 gemäß mindestens einigen Ausführungsformen. Insbesondere schließt der Gleichrichter 110 gemäß Ausführungsbeispielen einen FET 200 ein. Der FET 200 definiert eine Source 204, ein Gate 202 und einen Drain 206. Die Source 202 koppelt an den Anodenanschluss 112. Der Drain 206 koppelt an den Kathodenanschluss 114. Der Gleichrichter 110 weist ferner einen Bootstrap-Kondensator 208 mit einer ersten Leitung 210, die mit dem Anodenanschluss 112 gekoppelt ist, und einer zweiten Leitung 212 auf, die mit einem Leistungsknoten 214 gekoppelt ist. Der beispielhafte Gleichrichter 110 umfasst ferner eine Diode 216, die eine Anodenleitung 218 und eine Kathodenleitung 220 definiert. Der Anodenanschluss 218 koppelt an den Kathodenanschluss 114, und die Kathodenleitung 220 koppelt an den Leistungsknoten 214. Somit ist der Bootstrap-Kondensator 208 zwischen der Kathodenleitung 220 der Diode 216 und dem Anodenanschluss 112 gekoppelt.
Der beispielhafte Gleichrichter 110 umfasst ferner eine FET-Steuerung 222. Die FET-Steuerung 222 definiert den Gate-Ausgang 224, einen Leistungseingang 226, einen Anoden-Erfassungseingang 228 und einen Kathoden-Erfassungseingang 230. Der Leistungseingang 226 ist mit dem Leistungsknoten 214 gekoppelt. Der Anoden-Erfassungseingang 228 ist mit dem Anodenanschluss 112 gekoppelt. Der Kathoden-Erfassungseingang 230 ist mit dem Kathodenanschluss 114 gekoppelt. In dem beispielhaften System weist die FET-Steuerung 222 einen einzelnen Leistungseingang 226 auf, der mit dem Leistungsknoten 214 gekoppelt ist; Jedoch weist die FET-Steuerung 222 in anderen Ausführungsformen einen separaten Eingang zum Verbinden mit dem Bootstrap-Kondensator 208 und der Kathodenleitung 220 der Diode 216 auf (z. B. würde sich der Leistungsknoten innerhalb der FET-Steuerung 222 befinden).
Gemäß Ausführungsbeispielen ist der Gleichrichter 110 eine verkapselte integrierte Schaltung (IC) mit einer Gehäusegröße und Abmessungen, die konzipiert und konstruiert sind, um eine direkte Ersatzkomponente für herkömmliche Dioden zu sein. Insbesondere zeigt die gestrichelte Linie, die die verschiedenen Komponenten in 2 umgibt, dass der beispielhafte Gleichrichter 110 eine verkapselte IC oder eine verkapselte Halbleitervorrichtung ist (z. B. ein Halbleiterchip, der in einem Einkapselungsmittel eingeschlossen ist) und in einigen Fällen nur zwei Anschlüsse aufweist. Das Gehäuse kann eine beliebige geeignete Form annehmen, wie beliebige der Gehäuse mit „Dioden-Umriss“ (DO) mit zwei elektrischen Drähten als Leitungen oder Anschlüsse (z. B. DO-41), beliebige verschiedener Gehäuse mit „Transistorumriss“ (TO) (z. B. TO-220), beliebige verschiedener Gehäuse mit „kleinem Umriss“ (z. B. SO8) und jedes geeignetes Durchgangsloch- oder Oberflächenmontage-Gehäusesystem (z. B. „Decawatt-Verkapselung (DPAK)). Die Spezifikation wendet sich nun dem Betrieb des beispielhaften Gleichrichters 110 zu, beginnend damit, wie die Vorrichtung Betriebsleistung ableitet.
Immer noch mit Bezug auf 2 schließt der beispielhafte Gleichrichter 110 einen Bootstrap-Kondensator 208 und eine Diode 216 ein. Bei dem gezeigten beispielhaften System sind der Bootstrap-Kondensator 208 und die Diode 216 unterscheidbare Komponenten der FET-Steuerung 222; Jedoch kann die Diode 216 in anderen beispielhaften Systemen ganz oder teilweise auf dem integrierten Halbleiterchip der FET-Steuerung 222 integriert sein. Somit kann die Funktion der Diode 216 in der Form auf einem eingebauten Regler, Strombegrenzer oder elektrisch gesteuerten Schalter implementiert sein, der den Kathodenanschluss 114 mit dem positiven Anschluss des Kondensators 208 koppelt. Während Zeiträumen, in denen der Gleichrichter 110 in Sperrrichtung vorgespannt ist (d. h. die Spannung am Katodenanschluss 114 höher als die Spannung am Anodenanschluss 112 ist), fließt elektrischer Strom durch die Diode 216 (oder einen beliebigen Typ von Leitungsvorrichtung wie zum Beispiel Stromquelle, Spannungsregler oder Schalter) und lädt den Bootstrap-Kondensator 208. Etwas anders gesagt speichert der beispielhafte Gleichrichter 110 Energie auf dem Bootstrap-Kondensator 208, wenn die verkapselte Halbleitervorrichtung in Sperrrichtung vorgespannt ist und der FET 200 nicht leitend ist. Während Zeiträumen, in denen der Gleichrichter 110 in Durchlassrichtung vorgespannt ist (d. h. die Spannung am Kathodenanschluss 114 niedriger ist als die Spannung am Anodenanschluss 112), sperrt die Diode 216 (oder jede Art von komplexen Schaltern) den Stromfluss außerhalb des Bootstrap-Kondensators 208, und während dieses Zeitraums bezieht die FET-Steuereinheit 222 Betriebsleistung von dem Bootstrap-Kondensator 208. Etwas anders ausgedrückt, arbeitet der beispielhafte Gleichrichter 110 mit Energie, die im Bootstrap-Kondensator 208 gespeichert ist, wobei die Energie gespeichert wird, wenn die verkapselte Halbleitervorrichtung in Sperrrichtung vorgespannt ist und der FET 200 nicht leitend ist. Die Zeitdauer, die die FET-Steuerung 222 aus der auf dem Bootstrap-Kondensator 208 gespeicherten Energie arbeiten kann, hängt von vielen Faktoren ab, wie beispielsweise der Frequenz des über den Gleichrichter 110 angelegten Signals, der Kapazität des Bootstrap-Kondensators 208 und dem Energieverbrauch der FET-Steuerung 222 und dem Leckstrom des Gates 204, wenn der FET 200 leitend ist, um nur einige zu nennen. Gemäß einigen Ausführungsformen kann der Gleichrichter 110 ein direkter Ersatz für jede Diode sein, die bei Frequenzen arbeitet, die Schaltleistungswandlern zugeordnet sind (z. B. 100 kHz oder mehr). Der beispielhafte Gleichrichter 110 soll kein direkter Ersatz für Dioden sein, die bei einer Frequenz von Null (d. h. Gleichstrom) oder einer niedrigen Frequenz (beispielsweise 60 Hz und darunter) arbeiten. Der Rest der Diskussion nimmt an, dass die Betriebsfrequenz des über den Gleichrichter 110 angelegten Signals sowie die Kapazität des Bootstrap-Kondensators 208 und die Energieaufnahme der FET-Steuerung 222 derart sind, dass die FET-Steuerung 222 ausreichend Energie hat, um die FET-Steuerung 222 während des gesamten Zeitraums, in dem der Gleichrichter 110 vorgespannt ist, zu betreiben.
Die beispielhafte FET-Steuerung 222 ist konfiguriert, den FET 200 leitfähig zu machen, wenn der Gleichrichter 110 in Durchlassrichtung vorgespannt wird, und die FET-Steuerung 222 ist konfiguriert, den FET 200 während Zeiträumen, in denen der Gleichrichter 110 in Sperrrichtung vorgespannt ist, nicht leitfähig zu machen. Das Leitfähig-Machen des FET 200 beinhaltet das Koppeln von Energie von dem Bootstrap-Kondensator 208 an das Gate 204 des FET 200, wobei die beispielhafte FET-Steuerung 200 die Energie an das Gate 204 koppelt, wenn die verkapselte Halbleitervorrichtung in Durchlassrichtung vorgespannt wird. Um jedoch sicherzustellen, dass kein Sperrstrom durch den Gleichrichter 110 fließt, wird der FET 200 durch die beispielhafte FET-Steuerung 222 nicht leitend, bevor der Gleichrichter 110 in Sperrrichtung vorgespannt wird. Das Nicht-Leitfähig-Machen des FET 200, bevor der Gleichrichter 110 in Sperrrichtung vorgespannt wird, basiert auf mindestens zwei Betriebserwägungen. Erstens erfordert das Nicht-Leitfähig-Machen des FET 200 eine endliche Zeitdauer (z. B. die Zeitdauer zum Ableiten des Stroms von dem Gate 204 zu der Source 202). Somit beginnt der Prozess des Nicht-Leitfähig-Machens des FET 200 vor der Sperrvorspannungsbedingung, um sicherzustellen, dass kein Sperrstrom vom Kathodenanschluss 114 zum Anodenanschluss 112 fließt. Zweitens besteht einer der Vorteile des beispielhaften Gleichrichters 110 darin, dass der Durchlassspannungsabfall über den Gleichrichter signifikant niedriger ist als eine eigenständige Diode (z. B. kann in einigen Fällen der Durchlassspannungsabfall 100 mV oder weniger betragen); Nahe dem Ende eines Durchlass-Vorspannungszyklus kann jedoch der Strom durch den Gleichrichter 110 erheblich abfallen, sodass der FET 200 nicht leitend gemacht wird und sich auf die inhärente Body-Diode des FET 200 stützt, um den verbleibenden, relativ kleinen Durchlassstrom zu führen, und beeinträchtigt die Effizienz des Gleichrichters 110 nicht wesentlich, da die Dauer der verbleibenden Body-Diodenleitung kurz ist.
Um den FET 200 leitfähig zu machen, überwacht die FET-Steuerung 222 in den Ausführungsbeispielen den Spannungsabfall über den FET 200 mittels eines Anoden-Erfassungseingangs 228 und eines Kathoden-Erfassungseingangs 230. Wenn Spannung und Strom zu Beginn eines Durchlassvorspannungszyklus über den Gleichrichter 110 ansteigen, erfasst die FET-Steuerung 222 die Durchlassvorspannungsbedingung und steuert dann das Gate 204 des FET 200 über den Gate-Ausgang 224 an. Somit wird der Stromfluss durch den Gleichrichter 110 für einen kurzen Zeitraum zu Beginn des Durchlassvorspannungszyklus von der inhärenten Body-Diode des FET 200 geführt. Wenn man sich jedoch auf die inhärente Body-Diode des FET 200 stützt, um den anfänglichen Strom zu führen, bis die FET-Steuerung 222 den FET 200 leitfähig machen kann, hat dies wieder keinen wesentlichen Einfluss auf die Effizienz des Gleichrichters 110, die über den gesamten Durchlassspannungszyklus betrachtet wird. Während des Durchlassvorspannungszyklus überwacht die FET-Steuerung 222 weiterhin den Spannungsabfall über den FET 200 (und steuert wie weiter unten erörtert den Spannungsabfall über den FET 200 zu einer Sollwertspannung). Wenn die Spannung über den FET 200 unter einen vorbestimmten Wert fällt (z. B. ungleich Null und positiv), macht die FET-Steuerung 222 den FET 200 nicht leitfähig. Danach überwacht die FET-Steuerung 222 den Spannungsabfall über den Gleichrichter 110 während des Sperrvorspannungszyklus, und wenn der Gleichrichter 110 erneut zu Beginn des nächsten Durchlassvorspannungszyklus in Durchlassrichtung vorgespannt wird, wiederholt sich der Prozess. Die Spezifikation wird nun einer detaillierteren Erörterung der FET-Steuerung 222 sowie mehrerer optionaler Betriebsmerkmale gewidmet.
3 zeigt ein Blockdiagramm der FET-Steuerung 222 gemäß mindestens einigen Ausführungsformen. Insbesondere zeigt 3 die FET-Steuerung 222 mit dem Gate-Ausgang 224, dem Leistungseingang 226, dem Anoden-Erfassungseingang 228 und dem Kathoden-Erfassungseingang 230. Die verschiedenen Schaltungen und Komponenten der FET-Steuerung 222 werden über den Leistungseingang 226 angetrieben, jedoch sind die internen Verbindungen für die Leistung nicht dargestellt, um die Figur nicht unnötig zu verkomplizieren.
Im Inneren umfasst die beispielhafte FET-Steuerung 222 eine Gate-Treiberschaltung 300. Die Gate-Treiberschaltung 300 definiert einen Sollwerteingang 302 und einen Rückkopplungseingang 304. Der Sollwerteingang 302 empfängt während des Durchlassvorspannungszyklus eine Spannung oder einen Strom, der einen gewünschten oder Sollwertspannungsabfall über den FET 200 (2) anzeigt. In dem beispielhaften System wird die Sollwertspannung, die an den Sollwerteingang 302 angelegt wird, von einer beispielhaften Spannungsquelle 306 (zum Beispiel in einigen Fällen 100 mV) erzeugt. Das heißt, die Spannung der Spannungsquelle 306 wird zu der Spannung an dem Kathoden-Erfassungseingang 230 addiert. Somit steuert die Gate-Treiberschaltung 300 während mindestens eines Teils des Zeitraums, wenn der Gleichrichter 110 (2) in Durchlassrichtung vorgespannt ist, aktiv den Spannungsabfall über dem FET 200 auf die Sollwertspannung. Anders ausgedrückt implementiert die Gate-Treiberschaltung 300 eine Steuerschleife, die arbeitet, um die Spannungen am Sollwerteingang 302 und am Rückkopplungseingang 304 auszugleichen. In einigen Fällen implementiert die Gate-Treiberschaltung 300 nur eine Proportionalsteuerung (z. B. einen Verstärker mit einer vorbestimmten und festen Verstärkung). In anderen Fällen, insbesondere für Betriebsfrequenzen des Gleichrichters 110 am unteren Ende des Betriebsbereichs (z. B. um 100 kHz), kann die Gate-Treiberschaltung 300 auch eine Proportional-Integral (PI) oder sogar eine Proportional-Integral-Differential (PID) -Steuerung einschließen. In beispielhaften Systemen ist die Sollwertspannung, zu der die Gate-Treiberschaltung 300 steuert (d. h. der Spannungsabfall über den FET 200), größer als ein Spannungsabfall, der erreicht werden könnte, wenn der FET 200 bei einer Gate-Source-Spannung mit der maximalen Nennspannung betrieben wird. Etwas anders ausgedrückt ist die Gate-Treiberschaltung 300 so konfiguriert, dass sie den Gate-Ausgang 224 (und somit das Gate 204 (2) des FET 200) ansteuert, um einen Source-Drain-Widerstand zu erzeugen, der größer als ein Source-Drain-Widerstand ist, wenn der FET 200 mit einer Gate-Source-Spannung mit der höchsten oder maximalen Nennspannung betrieben wurde.
Der beispielhafte Betriebsansatz zum Steuern des Spannungsabfalls über den FET 200 (2) während des Durchlassvorspannungszyklus ermöglicht somit, dass die Gate-Treiberschaltung 300 in einigen Ausführungsformen auch allein dafür verantwortlich ist, den FET 200 nicht leitfähig zu machen, während sich der Durchlassvorspannungszyklus seinem Ende nähert. Das heißt, in den Ausführungsbeispielen macht die Gate-Treiberschaltung 300 den FET 200 am Ende eines Durchlassvorspannungszyklus nicht leitfähig, wenn der Spannungsabfall über den FET unter eine vorbestimmte Spannung fällt. In dem beispielhaften Fall aus 3 ist die vorbestimmte Spannung die Sollwertspannung, die von der Spannungsquelle 306 erzeugt wird. Genauer gesagt beginnt auch die Spannung abzufallen, wenn der Durchlassvorspannungszyklus abläuft und der Stromfluss durch den Gleichrichter 110 (2) abfällt. Wenn der Spannungsabfall über den FET 200 unter die Sollwertspannung (z. B. positiv und nicht Null ist) fällt, schaltet die Gate-Treiberschaltung 300 den FET 200 vor einem Ende des Zeitraums ab, wenn der Gleichrichter 110 in Durchlassrichtung vorgespannt ist.
In einigen beispielhaften Systemen kann die Gate-Treiberschaltung 300 allein dafür verantwortlich sein, den FET 200 (2) nicht leitfähig zu machen. In anderen beispielhaften Systemen können jedoch andere Schaltungen und Vorrichtungen beteiligt sein, um sicherzustellen, dass der FET 200 während Zeiträumen, wenn der Gleichrichter 110 (2) in Sperrrichtung vorgespannt ist, nicht leitfähig ist. Zu diesem Zweck umfasst die beispielhafte FET-Steuerung 222 ferner einen Komparator 308, der einen invertierenden Eingang 310, einen nicht invertierenden Eingang 312 und einen Komparatorausgang 314 definiert. Der invertierende Eingang 310 ist mit dem Kathoden-Erfassungseingang 230 gekoppelt. Der nicht invertierende Eingang 312 ist mit dem Anoden-Erfassungseingang 228 gekoppelt. Somit ist der Komparator 308 konfiguriert, ein aktiviertes Signal zu erzeugen, wenn der Anoden-Erfassungseingang 228 eine höhere Spannung hat als der Kathoden-Erfassungseingang 230 (d. h. der Gleichrichter 110 ist in Durchlassrichtung vorgespannt). Der Komparatorausgang 314 ist (durch das logische UND-Gate 316, unten erläutert) mit einem spannungsgesteuerten Schalter 318 gekoppelt. Der beispielhafte spannungsgesteuerte Schalter 318 definiert eine erste Verbindung 320, eine zweite Verbindung 322 und einen Steuereingang 324. Die erste Verbindung 320 ist mit dem Anoden-Erfassungseingang 228 gekoppelt. Die zweite Verbindung 322 ist mit dem Gate-Ausgang 224 (und somit mit dem Gate 204 des FET 200) gekoppelt. Der Steuereingang 324 ist mit dem Komparatorausgang 314 gekoppelt (durch das logische UND-Gate 316, obwohl in anderen Beispielsystemen der Komparatorausgang 314 direkt mit dem Steuereingang 324 koppeln kann). Gemäß mindestens einigen Ausführungsformen ist der spannungsgesteuerte Schalter 318 ein Öffner, sodass für den Fall, dass nicht genügend Energie in dem Bootstrap-Kondensator 208 (2) gespeichert ist, um die FET-Steuerung 222 anzutreiben, das Gate 204 (2) des FET 200 mit der Source 202 (2) kurzgeschlossen wird, sodass der Gleichrichter 110 ausschließlich auf der Basis der inhärenten Body-Diode des FET 200 arbeitet. Der spannungsgesteuerte Schalter kann jede geeignete Form (z. B. die eines FET) annehmen, die die verschiedenen Funktionen erfüllt.
Während des Zeitraums, wenn der Gleichrichter 110 (2) in Durchlassrichtung vorgespannt ist, erzeugt der Komparator 308 ein aktiviertes Signal am Komparatorausgang 314, was bewirkt, dass der spannungsgesteuerte Schalter 318 öffnet, sodass die Gate-Treiberschaltung 300 den Spannungsabfall über den FET 200 (2) aktiv auf die Sollwertspannung steuern kann. In dem Ausmaß, in dem die Gate-Treiberschaltung 300 den FET 200 am Ende des Durchlassvorspannungszyklus nicht vollständig nicht leitfähig gemacht hat, deaktiviert der Komparator 308 das Signal am Komparatorausgang 314, wodurch der spannungsgesteuerte Schalter 318 schließt und die Source des FET 200 mit dem Gate des FET 200 kurzgeschlossen wird, um sicherzustellen, dass der FET 200 nicht leitfähig ist.
In noch weiteren Ausführungsformen ist die FET-Steuerung 222 derart konzipiert und konstruiert, dass die FET-Steuerung 222 während eines Zeitraums der Durchlassvorspannung den Zeitpunkt eines unmittelbar folgenden Sperrvorspannungszyklus vorhersagt (z. B. vorhersagt, wann der Sperrvorspannungszyklus beginnt, und macht den FET 200 (2) basierend auf der Vorhersage (und vor der Sperrvorspannungsbedingung) nicht leitfähig). Insbesondere kann die beispielhafte FET-Steuerung 222 ferner eine Zeitsteuerungsschaltung 326 und eine Verzögerungsvergleichsschaltung 328 umfassen. Die Verzögerungsvergleichsschaltung 328 definiert einen ersten Eingang 330, einen zweiten Eingang 332 und einen Vergleichsausgang 334. Der erste Eingang 330 ist mit dem Komparatorausgang 314 gekoppelt. Der zweite Eingang 332 ist mit einem Zeitsteuerungssignalausgang 336 der Zeitsteuerungsschaltung 326 gekoppelt. Der Komparatorausgang 334 ist mit der Zeitsteuerungsschaltung 326 gekoppelt. Die Verzögerungsvergleichsschaltung 328 analysiert eine Zeitdifferenz zwischen der Deaktivierung eines Zeitsteuerungssignals am Zeitsteuerungssignalausgang 336 (was die Vorhersage der Zeitsteuerungsschaltung 326 anzeigt) und der Deaktivierung des Signals am Komparatorausgang 314 (was eine Sperrvorspannung des Gleichrichters 110 anzeigt). Die Verzögerungsvergleichsschaltung 328 steuert ein Einstellungssignal an dem Vergleichsausgang 334 an. Die Gesamtzeitsteuerung und das Einstellsignal werden nach einer weiteren Erläuterung der Zeitsteuerungsschaltung 326 weiter unten erläutert.
Die Zeitsteuerungsschaltung 326 definiert den Zeitsteuerungssignalausgang 336, einen Einstellungseingang 338 und einen Zeitsteuerungsstarteingang 340. Der Einstellungseingang 338 ist mit dem Vergleichsausgang 334 gekoppelt, und der Zeitsteuerungsstarteingang 340 ist mit dem Komparatorausgang 314 gekoppelt. Die beispielhafte FET-Steuerung 222 umfasst ferner das oben erwähnte logische UND-Gate 316. Das logische UND-Gate 316 definiert einen ersten Gate-Eingang 342, einen zweiten Gate-Eingang 344 und einen Gate-Ausgang 346. In dem beispielhaften System koppelt der Gate-Eingang 342 an den Zeitsteuerungssignalausgang 336 (und somit das Zeitsteuerungssignal). Der Gate-Eingang 344 koppelt an den Komparatorausgang 314. Der Gate-Ausgang 346 koppelt an den Steuereingang 324 des spannungsgesteuerten Schalters 318.
Die Zeitsteuerungsschaltung 326 erzeugt ein Zeitsteuerungssignal am Zeitsteuerungssignalausgang 336 und steuert dieses an. Genauer gesagt sagt die Zeitsteuerungsschaltung 326 während Zeiträumen, in denen der Gleichrichter 110 ( 2) in Durchlassrichtung vorgespannt ist, eine Zeitsteuerung einer unmittelbar nachfolgenden Sperrvorspannung des Gleichrichters 110 durch Ändern eines Merkmals des Zeitsteuerungssignals vorher. In dem beispielhaften System wird das Zeitsteuerungssignal am Zeitsteuerungssignalausgang 336 aktiviert, unmittelbar nachdem der Gleichrichter 110 in Durchlassrichtung vorgespannt wurde (z. B. wird der Zeitsteuerungssignalausgang 336 aktiviert, wenn die Komparatorausgabe 314 aktiviert ist). Die Zeitsteuerungsschaltung 326 hält das Zeitsteuersignal am Zeitsteuerungssignalausgang 336 über einen Zeitraum aktiviert, der eine erwartete Zeitlänge oder Zeitdauer eines Durchlassvorspannungszyklus des Gleichrichters 110 weniger als eine vorbestimmte Zeitlänge (z. B. ein Sicherheitsband ungleich Null) ist.
Während des Betriebs wird dann, wenn der Gleichrichter 110 (2) in Durchlassrichtung vorgespannt wird, der Komparatorausgang 314 aktiviert und das Zeitsteuerungssignal am Zeitsteuerungssignalausgang 336 wird aktiviert. Wenn sowohl der Gate-Eingang 342 als auch der Gate-Eingang 344 des logischen UND-Gates 316 aktiviert werden, wird der Gate-Ausgang 346 aktiviert und der spannungsgesteuerte Schalter 318 öffnet. Bei geöffnetem spannungsgesteuertem Schalter steuert die Gate-Treiberschaltung 300 aktiv den Spannungsabfall über den FET 200 (2) auf die Sollwertspannung. Nahe dem Ende des Durchlassvorspannungszyklus wird das Zeitsteuerungssignal am Zeitsteuerungssignalausgang 336 in den nicht aktivierten Zustand versetzt, was bewirkt, dass der Gate-Ausgang 346 nicht aktiviert wird und somit den spannungsgesteuerten Schalter 318 schließt. Irgendwann danach wird der Gleichrichter 110 in Sperrrichtung vorgespannt, und somit wird auch der Komparatorausgang 314 nicht aktiviert. Die Verzögerungsvergleichsschaltung 328 analysiert die Zeitsteuerung zwischen der Deaktivierung des Zeitsteuerungssignalausgangs 336 und der Deaktivierung des Komparatorausgangs 314. Wenn die Länge der Zeit zwischen den Deaktivierungen länger ist als eine vorbestimmte Schwelle (z. B. länger als ein gewünschtes Schutzband), dann stellt die Verzögerungsvergleichsschaltung 328 das Zeitsteuerungssignal einer nachfolgenden Durchlassvorspannungsbedingung mittels des Ansteuerns einer Änderung des Signals des Vergleichsausgangs 334 ein. Das Änderungssignal kann eine beliebige geeignete Form annehmen, wie die eines analogen Signals, das eine Zeitdauer darstellt, wann das nächste Zeitgebersignal aktiviert werden sollte, eines Booleschen Signals, das einen Befehl zum Verkürzen oder Verlängern der Zeitlänge des nächsten Zeitsteuerungssignals oder dergleichen darstellt.
In Ausführungsbeispielen, die die Zeitsteuerung einer unmittelbar nachfolgenden oder bevorstehenden Sperrvorspannungsbedingung vorhersagen, kann eine genaue Vorhersage mehrere Durchlass- und Sperrvorspannungszyklen von einem Kaltstart benötigen. Somit kann gemäß mindestens einigen Ausführungsformen die FET-Steuerung 222 (z. B. die Zeitsteuerungsschaltung 326) derart ausgelegt und konstruiert sein, dass die FET-Steuerung 222 anfänglich unterlässt, den FET für eine Vielzahl von Anfangszyklen einer Durchlassvorspannung und einer Sperrvorspannung (z. B. 10 Durchlassspannungszyklen, 100 Durchlassspannungszyklen) leitfähig und nicht leitfähig zu machen. Während des Unterlassens kann die FET-Steuerung 222 (wiederum beispielsweise die Zeitsteuerungsschaltung 326) das Zeitsteuerungssignal so einstellen, dass es ein Merkmal (z. B. abfallende Flanke zwischen einem aktivierten hohen und nicht aktivierten Zustand) aufweist, um Übergänge von Durchlassvorspannung zu Sperrvorspannung vorherzusagen, wie oben erläutert. In dem Beispiel aus 3 unterlässt die Zeitsteuerungsschaltung 326 zunächst die Aktivierung der Zeitsteuerung und überwacht stattdessen den Zustand des Zeitsteuerungseingangs 340 (insbesondere die Zeitsteuerung zwischen Aktivierung und Deaktivierung) und legt eine erste Zeiteinstellung auf der Grundlage der Überwachung fest. Danach arbeitet die FET-Steuerung 222 normal, wobei die Verzögerungsvergleichsschaltung 328 der Zeitsteuerungsschaltung 326 Einstellungssignale bereitstellt.
Aus der Beschreibung in Bezug auf das Vorhersagen der Zeitsteuerung eines unmittelbar nachfolgenden Sperrvorspannungszyklus folgt, dass der beispielhafte Gleichrichter 110 (2) als Diodenersatzkomponente in Situationen gut funktionieren würde, in denen die Schaltfrequenz des Schalt-FET 104 (1) relativ konstant bleibt, wie LED-Beleuchtungsschaltungen (z. B. Fahrzeugscheinwerfer-Ansteuerschaltungen). Der beispielhafte Gleichrichter 110 würde jedoch auch in Situationen funktionieren, in denen sich die Frequenz relativ zur Schaltfrequenz (genauer gesagt der Ausschaltzeit) des Schalt-FET 104 selten ändert, und in Situationen, in denen sich die Schaltfrequenz des Schalt-FET 104 regelmäßig ändert (z. B. Fahrtleistungswandler). In Fällen, in denen sich die Schaltfrequenz des Schalt-FET 104 regelmäßig ändert, können die prädiktiven Aspekte weggelassen oder deaktiviert werden, und das Nicht-Leitfähig-Machen des FET 200 (2) würde durch die Kombination der Gate-Treiberschaltung 300, des Komparators 308 und des spannungsgesteuerten Schalters 318 (ohne das logische UND-Gate 316) gesteuert werden.
4 zeigt ein Schaltbild einer Zeitsteuerungsschaltung 326 gemäß mindestens einigen Ausführungsformen. Insbesondere implementiert die Zeitsteuerungsschaltung 326 aus 4 einen Teil der oben erläuterten Funktionalität, implementiert jedoch nicht die gesamte Funktionalität (z. B. unterlässt sie, den FET 200 (2) für eine Vielzahl von Anfangszyklen leitfähig zu machen). Nichtsdestotrotz könnte ein Durchschnittsfachmann mit dieser Offenbarung eine FET-Steuerung 222 (2) mit einer der genannten Funktionen konzipieren. Die beispielhafte Zeitsteuerungsschaltung 326 umfasst einen Komparator 400, der einen invertierenden Eingang 402, einen nicht invertierenden Eingang 404 und ein Komparatorausgang 406 aufweist, auf dem die beispielhaften Zeitsteuerungssignale zum Zeitsteuerungssignalausgang 336 angesteuert werden. Die mit dem nicht invertierenden Eingang 404 gekoppelte Schaltung erzeugt eine einstellbare Referenzspannung, und die mit dem invertierenden Eingang 402 gekoppelte Schaltung ist ein Rampensignal, das zu Beginn jedes Durchlassvorspannungszyklus zurückgesetzt wird.
Die Schaltung, die die einstellbare Referenzspannung erzeugt, kann eine beliebige geeignete Form annehmen, aber in dem Beispiel aus 4 wird die einstellbare Referenzspannung von einer ersten gesteuerten Stromquelle 408, einer zweiten gesteuerten Stromquelle 410 und einem Kondensator 412 erzeugt. Insbesondere weist der Kondensator 412 eine erste Leitung, die mit dem nicht invertierenden Eingang 404 gekoppelt ist, und eine zweite Leitung auf, die mit Masse gekoppelt ist. Die erste gesteuerte Stromquelle 408 koppelt auf einer Seite mit einer Stromschiene und koppelt auf der zweiten Seite mit dem nicht invertierenden Eingang 404. Die zweite gesteuerte Stromquelle 410 koppelt auf einer Seite des nicht invertierenden Eingangs 404. Der von den gesteuerten Stromquellen 408 und 410 erzeugte Strom wird vom Einstellungseingang 338 gesteuert. Der von den gesteuerten Stromquellen 408 und 410 erzeugte Strom kann anfänglich eingestellt werden, um einen Nettostromfluss in den Kondensator 412 zu erzeugen. Wenn eine geeignete Spannung erzeugt und auf dem Kondensator 412 gespeichert wird (z. B. eine Spannung, die das Zeitsteuerungssignal am Zeitsteuerungssignalausgang 336 hält, der für einen Zeitraum aktiviert wird, der eine erwarteten Zeitdauer oder Zeitlänge eines Durchlassvorspannungszyklus des Gleichrichters 110 weniger eine vorbestimmte Zeitlänge ist), kann die Spannung aufrechterhalten werden, indem die gesteuerten Stromquellen 408 und 410 identische oder nahezu identische Ströme erzeugen. Zum Beispiel steuert die zweite Stromquelle 410 einen ersten Strom an, und die erste Stromquelle 408 steuert einen zweiten Strom an, der um einen Betrag eines Leckstroms aus dem Kondensator 412 höher ist, sodass die Spannung an dem Kondensator 412 konstant bleibt. In dem Beispielsystem werden, wenn das Zeitsteuerungssignal länger sein muss, die zwei gesteuerten Stromquellen 408 und 410 eingestellt, um die Spannung zu erhöhen. Wenn das Zeitsteuerungssignal kürzer sein muss, werden die beiden Stromquellen 408 und 410 so eingestellt, dass die Spannung am Kondensator 412 gesenkt wird.
Unter weiterer Bezugnahme auf 4 ist die mit dem invertierenden Eingang 402 gekoppelte Schaltung ein Rampensignal, das zu Beginn jedes Durchlassvorspannungszyklus zurückgesetzt wird. Insbesondere wird das Rampensignal von einer Stromquelle 414 erzeugt, die nicht als einstellbar dargestellt ist, jedoch in alternativen Ausführungsformen einstellbar sein könnte. Die Stromquelle 414 ist auf einer Seite der Stromschiene gekoppelt und ist auf der zweiten Seite des invertierenden Eingangs 402 des Komparators 400 über einen elektrisch gesteuerten Schalter 418 gekoppelt. Die Schaltung umfasst ferner einen Kondensator 416, dessen eine Leitung mit Masse gekoppelt ist, und eine zweite Leitung, die mit dem invertierenden Eingang 402 (und somit der Stromquelle 414) gekoppelt ist. Parallel zum Kondensator 416 ist ein elektrisch gesteuerter Schalter 420 gekoppelt. Der beispielhafte elektrisch gesteuerte Schalter 418 ist ein Schließer, während der beispielhafte elektrisch gesteuerte Schalter 420 ein Öffner ist. Die Schalter 418 und 420 werden gemeinsam durch das Signal am Zeitsteuerungsstarteingang 340 betrieben, wobei das Signal vom Komparator 308 (3) zu Beginn jedes Durchlassvorspannungszyklus aktiviert wird.
Es sei daher angenommen, dass die beispielhafte Zeitsteuerungsschaltung 326 für mindestens einige Zyklen so betrieben wurde, dass die Referenzspannung an dem Kondensator 412 nicht Null ist und relativ nahe an einer Endspannung liegt (für eine feste Frequenz des Schalt-FET 104 (1)). Während Zeiträumen einer Sperrvorspannung am Gleichrichter 110 (2) wird der Zeitsteuerungsstarteingang 340 deaktiviert, und somit wird der elektrisch gesteuerte Schalter 420 geschlossen und ist leitend. Daraus folgt, dass der nicht invertierende Eingang 404 bei einer höheren Spannung liegt und der Zeitsteuerungssignalausgang 336 aktiviert ist (obwohl der FET 200 (2) immer noch nicht leitfähig ist, basierend auf dem Betrieb des logischen UND-Gate 316 (3)). Sobald der Gleichrichter 110 in Durchlassrichtung vorgespannt wird, wird der Zeitsteuerungsstarteingang 340 aktiviert. Der elektrisch gesteuerte Schalter 420 öffnet, der elektrisch gesteuerte Schalter 418 schließt und die Spannung beginnt sich am Kondensator 416 aufzubauen. An einem Punkt danach überschreitet die Spannung am Kondensator 416 die Referenzspannung, die am Kondensator 412 gehalten wird, und der Komparator 400 ändert die Zustände, wobei der Zeitsteuerungssignalausgang 336 deaktiviert wird. Sobald der Zeitsteuerungssignalausgang 336 deaktiviert ist, wird der FET 200 nicht leitfähig gemacht (durch den Betrieb des logischen UND-Gate 316 und des spannungsgesteuerten Schalters 318). Wenn sich die Spannung weiter am Kondensator 416 aufbaut, ist keine weitere Zustandsänderung möglich. Irgendwann danach (z. B. einem durch das Schutzband dargestellten Zeitraum) wird der Gleichrichter 110 in Sperrrichtung vorgespannt, der Zeitsteuerungsstarteingang 340 wird deaktiviert, der elektrisch gesteuerte Schalter 418 öffnet und der elektrisch gesteuerte Schalter 420 schließt (Entladekondensator 416). Der Prozess beginnt bei dem nächsten Durchlassvorspannungszyklus erneut.
Wenn die Verzögerungsvergleichsschaltung 328 ein Zeitsteuerungsproblem feststellt (z. B. ein Zeitsteuerungssignal, das zu früh in Bezug auf die Sperrvorspannungsbedingung deaktiviert wurde, oder ein Zeitsteuerungssignal, das zu spät in Bezug auf die Sperrvorspannungsbedingung deaktiviert wurde), dann kann die Verzögerungsvergleichsschaltung 328 die an dem Kondensator 412 gehaltene Referenzspannung nach Bedarf einstellen.
Es wird nun erneut auf 2 Bezug genommen. Bei einigen beispielhaften Systemen können die FET-Steuerung 222 und der FET 200 auf dem gleichen Halbleitersubstrat konstruiert sein und sich dort befinden. Somit wird das Substrat, das die kombinierte FET-Steuereinheit 222 und den FET 200 umfasst, mit einem oder mehreren separaten Bootstrap-Kondensator(en) 208 und einer separaten Diode 216 zu einer verkapselten Halbleitervorrichtung (angenähert durch die gestrichelten Linien in 2) kombiniert. In anderen Fällen (z. B. mit höheren Stromwerten für den FET 200) können die FET-Steuerung 222 und der FET 200 einzelne Komponenten sein, die zu einem Multi-Chip-Modul (zusammen mit dem Bootstrap-Kondensator 208 und der Diode 216) kombiniert sind, um eine verkapselte Halbleitervorrichtung zu bilden. In wieder anderen Fällen könnten entweder der Bootstrap-Kondensator 208, die Diode 216 oder beide auf dem Substrat mit der FET-Steuerung 222 konstruiert sein. Während in einigen Fällen die Verkapselung für den Gleichrichter 110 ein direktes Ersatzteil für eine Diode sein soll, kann die Verkapselung in anderen Fällen eine beliebige geeignete Form (z. B. SO8) annehmen.
Der FET 200 kann basierend auf der Gate-Source-Spannung auch nicht leitfähig gemacht werden. Die Absicht dieses Merkmals ist es, einen Nulldurchgangsstrom zu erfassen, der durch den FET 200 fließt. Während der Gleichrichtungsphase des Schaltleistungswandlers 100 aus 1 fällt der Strom ab. Daher besteht die Gefahr, dass während der vordefinierten FET-Leitungszeit ein Strom von Null erreicht wird, wobei diese Situation asynchron und zufällig für die Leitungszeit der Steuerung ist. Eine mögliche Implementierung zum Erkennen dieses Stromnulldurchgangs besteht darin, die Gate-Source-Spannung (geregelt durch die Gate-Treiberschaltung 300) zu überwachen. Wenn Vgs unter eine vorbestimmte Schwelle fällt, bedeutet dies, dass der Strom zu niedrig ist und das Gate ausgeschaltet werden kann. Es sei bemerkt, dass, wenn der Strom niedrig ist, die Effizienz nicht durch die Leitung durch die inhärente FET-Body-Diode beeinflusst wird. Darüber hinaus ist die V_GS -Erkennung optional, denn wenn der Strom negativ fließt oder verschwindet, fällt V_DS natürlich ab und eine V_DS -Erkennung wird bewirkt.
5 zeigt ein Flussdiagramm gemäß mindestens einigen Ausführungsformen. Insbesondere beginnt das Verfahren (Block 500) und umfasst: Speichern von Energie auf einem Bootstrap-Kondensator, wenn eine verkapselte Halbleitervorrichtung in Sperrrichtung vorgespannt ist und ein Feldeffekttransistor (FET) der verkapselten Halbleitervorrichtung nicht leitfähig ist (Block 502); Koppeln von Energie von dem Bootstrap-Kondensator mit einem Gate des FET, um den FET leitfähig zu machen, wenn die verkapselte Halbleitervorrichtung in Durchlassrichtung vorgespannt ist (Block 504); und dann Nicht-Leitfähig-Machen des FET, bevor die verkapselte Halbleitervorrichtung in Sperrrichtung vorgespannt wird (Block 506). Danach endet das Verfahren (Block 508), das wahrscheinlich beim nächsten Schaltzyklus des Schalt-FET 104 (1) neu gestartet wird.
Viele der elektrischen Verbindungen in den Zeichnungen sind als Direktkupplungen ohne Zwischenvorrichtungen dargestellt, aber nicht ausdrücklich als solche in der vorstehenden Beschreibung angegeben. Dennoch dient dieser Absatz als Bezugsgrundlage in den Ansprüchen, für die in der Zeichnung dargestellten elektrischen Verbindungen ohne Zwischenvorrichtung(en) jede elektrische Verbindung als „direkt gekoppelt“ zu bezeichnen (z. B. die obere Leitung des Kondensators 416 und den invertierenden Eingang 402).
Die obenstehende Erläuterung ist zu Illustrationszwecken der Prinzipien und der verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gedacht. Zahlreiche Variationen und Modifikationen werden für den Fachmann ersichtlich, sobald die vorstehende Offenbarung vollständig verstanden ist. Der Bootstrap-Kondensator 208 kann entweder als einfacher Kondensator, als Satz von Serienkondensatoren (aus Sicherheitsgründen) oder als vorwiegend kapazitiver Energiespeicher implementiert sein, einschließlich geschalteter Kondensatortechniken, die den gesamten Energiefluss im System optimieren oder die tatsächliche Spannung regeln, die der Steuerung bereitstellt wird. Es ist beabsichtigt, dass die folgenden Ansprüche so interpretiert werden, dass sie alle solchen Variationen, Modifikationen und Äquivalente einschließen.

Claims

Schaltung, umfassend: einen Anodenanschluss; einen Kathodenanschluss; einen Feldeffekttransistor (FET), der einen Drain, eine Source und ein Gate definiert, wobei die Source mit dem Anodenanschluss gekoppelt ist und der Drain mit dem Kathodenanschluss gekoppelt ist; eine Diode mit einer Anode und einer Kathode, wobei die Anode mit dem Kathodenanschluss gekoppelt ist; einen Bootstrap-Kondensator, der zwischen die Kathode der Diode und den Anodenanschluss gekoppelt ist; eine FET-Steuerung, die mit dem Gate des FET, dem Bootstrap-Kondensator und der Kathode der Diode gekoppelt ist; wobei die FET-Steuerung konfiguriert ist, den FET leitfähig zu machen, wenn die Schaltung in Durchlassrichtung vorgespannt wird, und die FET-Steuerung konfiguriert ist, den FET während Zeiträumen, in denen die Schaltung in Sperrrichtung vorgespannt ist, nicht leitfähig zu machen.
Schaltung nach Anspruch 1 wobei die FET-Steuerung ferner konfiguriert ist, Strom von dem Bootstrap-Kondensator zum Gate zu treiben, um den FET leitfähig zu machen, und das Gate direkt mit der Source zu koppeln, bevor die Schaltung immer in Sperrrichtung vorgespannt wird.
Schaltung nach Anspruch 1, wobei die FET-Steuerung ferner konfiguriert ist, während Zeiträumen einer Durchlassvorspannung die Zeitsteuerung einer unmittelbar nachfolgenden Sperrvorspannung vorherzusagen, und konfiguriert ist, den FET basierend auf der vorhergesagten Zeitsteuerung auszuschalten.
Schaltung nach Anspruch 1, wobei die FET-Steuerung ferner eine Gate-Treiberschaltung umfasst, wobei die Gate-Treiberschaltung konfiguriert ist, einen Spannungsabfall über dem FET auf eine Sollwertspannung zu steuern.
Schaltung nach Anspruch 1, wobei die FET-Steuerung ferner konfiguriert ist, eine Spannung über das Gate und die Source des FET zu überwachen, und ferner konfiguriert ist, den FET nicht leitfähig zu machen, wenn die Spannung über das Gate und die Source unter einen vorbestimmten Schwellenwert fällt.
Verfahren, umfassend: Speichern von Energie auf einem Bootstrap-Kondensator, wenn eine verkapselte Halbleitervorrichtung in Sperrrichtung vorgespannt ist und ein Feldeffekttransistor (FET) der verkapselten Halbleitervorrichtung nicht leitfähig ist; Koppeln von Energie von dem Bootstrap-Kondensator mit einem Gate des FET, um den FET leitfähig zu machen, wenn die verkapselte Halbleitervorrichtung in Durchlassrichtung vorgespannt ist; und dann Nicht-Leitfähig-Machen des FET, bevor die verkapselte Halbleitervorrichtung in Sperrrichtung vorgespannt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Koppeln von Energie von dem Bootstrap-Kondensator ferner das Steuern des Spannungsabfalls über dem FET auf eine Sollwertspannung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der nicht leitfähige FET ferner umfasst: während eines Zeitraums, wenn die verkapselte Halbleitervorrichtung in Durchlassrichtung vorgespannt ist: Erfassen, dass die Durchlassvorspannung schwindet; und Kurzschließen des Gates des FET mit der Source, um den FET vor einem Ende des Zeitraums, in dem die verkapselte Halbleitervorrichtung in Durchlassrichtung vorgespannt ist, nicht leitfähig zu machen.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Nicht-Leitfähig-Machen des FET ferner Folgendes umfasst: Überwachen einer Spannung über das Gate und die Source des FET; und Nicht-Leitfähig-Machen des FET, wenn die Spannung über das Gate und eine Source des FET unter einen vorbestimmten Schwellenwert fällt.
Verfahren von Anspruch 6 ferner umfassend, während eines Zeitraums einer Durchlassvorspannung, das Vorhersagen einer Zeitsteuerung einer unmittelbar nachfolgenden Sperrvorspannung und Nicht-Leitfähig-Machen des FET basierend auf der vorhergesagten Zeitsteuerung.
Schaltleistungswandler, umfassend: eine Induktivität, die eine erste Leitung und eine zweite Leitung definiert, wobei die erste Leitung konfiguriert ist, mit einer Spannungsquelle gekoppelt zu werden; einen elektrisch gesteuerten Schalter, der auf einer ersten Seite mit der zweiten Leitung der Induktivität gekoppelt ist und konfiguriert ist, auf einer zweiten Seite mit einer Rücklauf- oder gemeinsamen Spannungsquelle gekoppelt zu werden; eine Treibersteuerung, die mit dem elektrisch gesteuerten Schalter gekoppelt und konfiguriert ist, den elektrisch gesteuerten Schalter periodisch leitfähig zu machen; und eine Gleichrichterschaltung, die Folgendes umfasst: einen Anodenanschluss, der mit der Induktivität gekoppelt ist; einen Kathodenanschluss, der konfiguriert ist, mit einer Last gekoppelt zu werden; einen Feldeffekttransistor (FET), der einen Drain, eine Source und ein Gate definiert, wobei die Source mit dem Anodenanschluss gekoppelt ist und der Drain mit dem Kathodenanschluss gekoppelt ist; eine Diode mit einer Anode und einer Kathode, wobei die Anode mit dem Kathodenanschluss gekoppelt ist; einen Bootstrap-Kondensator, der zwischen die Kathode der Diode und den Anodenanschluss gekoppelt ist; eine FET-Steuerung, die mit dem Gate des FET, dem Bootstrap-Kondensator und der Kathode der Diode gekoppelt ist; wobei die FET-Steuerung konfiguriert ist, den FET leitfähig zu machen, wenn die Gleichrichterschaltung in Durchlassrichtung vorgespannt ist, und die FET-Steuerung konfiguriert ist, den FET während Zeiträumen, in denen die Gleichrichterschaltung in Sperrrichtung vorgespannt ist, nicht leitfähig zu machen.