DE102021210714A1 - Device for switching a transistor when a voltage is applied - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zum Schalten eines Transistors (2) bei anliegender Spannung, umfassend einen Transistor (2), welcher einen Steuereingang (2a) und zwei Schalteingänge (2b, 2c) umfasst, wobei der Transistor (2) über den Steuereingang (2a) durch Anlegen eines ersten Potentials in einen eingeschalteten Zustand und durch Anlegen eines zweiten Potentials in einen ausgeschalteten Zustand versetzt wird, einen Transformator (3) mit einer primären Spuleneinheit (3a) und einer sekundären Spuleneinheit (3b), wobei die primäre Spuleneinheit (3a) mit einem der Schalteingänge (2b, 2c) des Transistors (2) gekoppelt ist, um einen Strom in die sekundäre Spuleneinheit (3b) zu induzieren, wenn in dem eingeschalteten Zustand ein Strom über die Schalteingänge (2b, 2c) des Transistors (2) fließt, eine erste Kapazität (4), welche mit der sekundären Spuleneinheit (3b) derart gekoppelt ist, dass diese durch den in die sekundäre Spuleneinheit (3b) induzierten Strom geladen wird, und eine Schalteinheit (5), welche dazu eingerichtet ist, den Steuereingang (2a) des Transistors (2) mit der ersten Kapazität (4) zu koppeln, wenn der Transistor (2) in den ausgeschalteten Zustand versetzt wird, um eine Potentialdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Potential zu vergrößern.The present invention relates to a device (1) for switching a transistor (2) when voltage is applied, comprising a transistor (2) which has a control input (2a) and two switching inputs (2b, 2c), the transistor (2) via the control input (2a) is set to an on state by applying a first potential and to an off state by applying a second potential, a transformer (3) having a primary coil unit (3a) and a secondary coil unit (3b), the primary Coil unit (3a) is coupled to one of the switching inputs (2b, 2c) of the transistor (2) in order to induce a current into the secondary coil unit (3b) when, in the switched-on state, a current flows through the switching inputs (2b, 2c) of the Transistor (2) flows, a first capacitance (4) which is coupled to the secondary coil unit (3b) in such a way that it is charged by the current induced in the secondary coil unit (3b), and a switching unit (5) which is used to is set up to couple the control input (2a) of the transistor (2) to the first capacitance (4) when the transistor (2) is switched to the off state in order to increase a potential difference between the first and the second potential.
Description
Stand der TechnikState of the art
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schalten eines Transistors. Die Erfindung betrifft hierbei insbesondere Umschaltvorgänge, bei denen sich Spannungsänderung und Stromänderung zeitlich überschneiden. Überlagern sich beim Umschalten die Änderung der Drain-Source-Spannung und der Übergang des Drain-Stromes wird dies auch als hartes Schalten bezeichnet.The present invention relates to a device for switching a transistor. In this case, the invention relates in particular to switching processes in which the voltage change and the current change overlap in time. When switching over, the change in the drain-source voltage and the transition in the drain current are superimposed, this is also referred to as hard switching.
Durch Inverter werden oftmals induktive Lasten, wie beispielsweise Elektromotoren, geschaltet. Solche Inverter umfassen dabei Leistungshalbleiter, durch welche fließende Ströme geschaltet werden. Um Verluste bei harten Schaltvorgängen, zu minimieren, wird zumeist versucht, schnellere Schaltvorgänge zu erreichen. Es ist jedoch ein Nachteil schnellerer Schaltvorgänge, dass höhere Verschiebungsströme durch eine Gate-Drain-Kapazität des Halbleiters fließen, welche wiederum eine Gate-Source-Kapazität des spannungsgesteuerten Halbleiters aufladen. Steile Flanken bei einem Abschaltvorgang eines Transistors, sogenannte hohe Slew Rates, können zu einem ungewollten Anschalten des Halbleiters führen. Dieser Effekt ist als Miller induced Turn-On bekannt. Im Vergleich zu Siliziumhalbleitern stellen Halbleiter mit großem Bandabstand oftmals einen niedrigen Schwellenwert für einen Schaltvorgang und sind daher anfällig für diesen Effekt. Um diesem Effekt entgegenzuwirken, ist eine negative Vorspannung durch eine sogenannte negative bias voltage vorteilhaft. Es ist bekannt, dass Ladungspumpen verwendet werden können, um solch eine negative Vorspannung zu erzeugen. Diese sind jedoch aufwendig zu implementieren. Auch die Verwendung von buck-boost bootsstrap Schaltkreisen ist möglich.Inductive loads, such as electric motors, are often switched by inverters. Such inverters include power semiconductors through which flowing currents are switched. In order to minimize losses during hard switching operations, attempts are usually made to achieve faster switching operations. However, a disadvantage of faster switching operations is that higher displacement currents flow through a gate-drain capacitance of the semiconductor, which in turn charges a gate-source capacitance of the voltage-controlled semiconductor. Steep edges when a transistor is switched off, so-called high slew rates, can lead to the semiconductor switching on unintentionally. This effect is known as Miller induced turn-on. Compared to silicon semiconductors, wide bandgap semiconductors often present a low threshold for switching and are therefore susceptible to this effect. In order to counteract this effect, a negative bias voltage by a so-called negative bias voltage is advantageous. It is known that charge pumps can be used to generate such a negative bias. However, these are complex to implement. It is also possible to use buck-boost bootstrap circuits.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Schalten eines Transistors bei anliegender Spannung umfasst einen Transistor, welcher einen Steuereingang und zwei Schalteingänge umfasst, wobei der Transistor durch Anlegen eines ersten Potentials an dem Steuereingang in einen eingeschalteten Zustand und durch Anlegen eines zweiten Potentials an dem Steuereingang in einen ausgeschalteten Zustand versetzt wird, einen Transformator mit einer primären Spuleneinheit und einer sekundären Spuleneinheit, wobei die primäre Spuleneinheit mit einem der Schalteingänge des Transistors gekoppelt ist, um einen Strom in die sekundäre Spuleneinheit zu induzieren, wenn in dem eingeschalteten Zustand ein Strom über die Schalteingänge des Transistors fließt, eine erste Kapazität, welche mit der sekundären Spuleneinheit derart gekoppelt ist, dass diese durch den in die sekundäre Spuleneinheit induzierten Strom geladen wird und eine Schalteinheit, welche dazu eingerichtet ist, den Steuereingang des Transistors mit der ersten Kapazität zu koppeln, wenn der Transistor in den ausgeschalteten Zustand versetzt wird, um eine Potentialdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Potential zu vergrößern.The device according to the invention for switching a transistor when a voltage is applied comprises a transistor which has a control input and two switching inputs, the transistor being switched to an switched-on state by applying a first potential to the control input and being switched to an off-state by applying a second potential to the control input is offset, a transformer having a primary coil assembly and a secondary coil assembly, wherein the primary coil assembly is coupled to one of the switching inputs of the transistor to induce a current in the secondary coil assembly when in the on state a current flows through the switching inputs of the transistor , a first capacitance which is coupled to the secondary coil unit in such a way that it is charged by the current induced in the secondary coil unit and a switching unit which is adapted to connect the control input of the transistor to the to couple the first capacitance when the transistor is placed in the off state to increase a potential difference between the first and second potentials.
Der Transistor ist insbesondere ein Leistungstransistor, beispielsweise ein MOSFET. Der Steuereingang ist bevorzugt ein Gate-Kontakt des Transistors und die Schalteingänge setzen sich aus einem Source-Kontakt und einem Drain-Kontakt zusammen. Durch das erste Potential und das zweite Potential werden unterschiedliche Spannungen zwischen dem Steuereingang und einem der Schalteingänge definiert, welche zu einem Schalten des Transistors führt. So ist durch das erste Potential und das zweite Potential insbesondere eine Gate-Source-Spannung über den Transistor definiert. In dem eingeschalteten Zustand wird durch den Transistor eine niederohmige Verbindung zwischen dessen Drain- und Source-Kontakt, also zwischen dessen Schalteingängen, bereitgestellt. In einem ausgeschalteten Zustand wird durch den Transistor eine hochohmige Verbindung zwischen dessen Drain- und Source-Kontakt, also zwischen dessen Schalteingängen, bereitgestellt.The transistor is in particular a power transistor, for example a MOSFET. The control input is preferably a gate contact of the transistor and the switching inputs are composed of a source contact and a drain contact. Different voltages between the control input and one of the switching inputs are defined by the first potential and the second potential, which leads to the switching of the transistor. In particular, a gate-source voltage across the transistor is defined by the first potential and the second potential. In the switched-on state, the transistor provides a low-impedance connection between its drain and source contact, ie between its switching inputs. In a switched-off state, the transistor provides a high-impedance connection between its drain and source contact, ie between its switching inputs.
Der Transformator umfasst eine primäre Spuleneinheit und eine sekundäre Spuleneinheit. Die primäre Spuleneinheit umfasst insbesondere zumindest eine Primärspule und die sekundäre Spuleneinheit umfasst insbesondere zumindest eine Sekundärspule. Die primäre Spuleneinheit ist induktiv mit der sekundären Spuleneinheit gekoppelt.The transformer includes a primary coil assembly and a secondary coil assembly. The primary coil unit includes in particular at least one primary coil and the secondary coil unit includes in particular at least one secondary coil. The primary coil assembly is inductively coupled to the secondary coil assembly.
Die primäre Spuleneinheit ist mit einem der Schalteingänge des Transistors, insbesondere mit einem Source-Kontakt des Transistors verbunden. Fließt ein Strom über die Schalteingänge durch den Transistor, so fließt dieser Strom auch durch die primäre Spuleneinheit und erzeugt über diesen einen Spannungsabfall. Dieser wird auf die sekundäre Spuleneinheit transformiert und induziert dort einen Strom. Die erste Kapazität ist insbesondere ein Kondensator. Die erste Kapazität ist mit der sekundären Spuleneinheit derart gekoppelt, dass diese durch den in die sekundäre Spuleneinheit induzierten Strom geladen wird. Die erste Kapazität wird insbesondere dadurch geladen, dass ein Stromfluss in die sekundäre Spuleneinheit eingeprägt wird und die erste Kapazität die für diesen Strom notwendige Ladung bereitstellt. Durch den Abfluss von Ladung aus der ersten Kapazität wird diese negativ geladen. Die erste Kapazität wird dann als geladen betrachtet, wenn diese eine Potentialdifferenz zwischen ihren Anschlusspolen aufweist.The primary coil unit is connected to one of the switching inputs of the transistor, in particular to a source contact of the transistor. If a current flows through the transistor via the switching inputs, this current also flows through the primary coil unit and generates a voltage drop across it. This is transformed to the secondary coil unit and induces a current there. The first capacitance is in particular a capacitor. The first capacitance is coupled to the secondary coil unit in such a way that it is charged by the current induced in the secondary coil unit. The first capacitance is charged in particular in that a current flow is impressed into the secondary coil unit and the first capacitance provides the charge required for this current. As a result of the discharge of charge from the first capacitance, this becomes negatively charged. The first capacitance is considered to be charged when it has a potential difference between its connection poles.
Die Schalteinheit ist dazu eingerichtet, den Steuereingang des Transistors mit der ersten Kapazität zu koppeln. Zu einem Zeitpunkt, zu dem der Steuereingang des Transistors mit der ersten Kapazität gekoppelt wird, wird auch der Transistor in den ausgeschalteten Zustand versetzt. Durch das Potential der ersten Kapazität wird die Potentialdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Potential vergrößert. Das erste Potential und das zweite Potential liegen zu unterschiedlichen Zeiten an dem Steuereingang des Transistors an. Über die Potentialdifferenz ist ein Spannungsabfall beschrieben, der an dem Steuereingang des Transistors erfolgt, wenn der Transistor von dem eingeschalteten Zustand in den ausgeschalteten Zustand wechselt. So ist das erste Potential insbesondere ein positives Potential und das zweite Potential ist insbesondere ein Massepotential. Das zweite Potential wird jedoch bevorzugt durch ein von der ersten Kapazität bereitgestelltes, negatives Potential ebenfalls auf dieses negative Potential gezogen. Die Potentialdifferenz wird somit vergrößert, indem das zweite Potential auf ein negatives Potential gezogen wird und das erste Potential unverändert bleibt. So wird der Transistor beispielsweise durch Anlegen eines Potentials von 12 V an dessen Steuereingang in den eingeschalteten Zustand versetzt und durch Anlegen eines Potentials von 0 V in den ausgeschalteten Zustand versetzt. Mittels der ersten Kapazität wird diese Potentialdifferenz jedoch vergrößert, sodass der Transistor beispielsweise durch Anlegen des ersten Potentials von 12 V in den eingeschalteten Zustand versetzt wird und durch Anlegen eines zweiten Potentials von -2 V in den ausgeschalteten Zustand versetzt wird.The switching unit is set up to couple the control input of the transistor to the first capacitance. At a time when the control input of the transistor is coupled to the first capacitance, the transistor is also placed in the off state. The potential difference between the first and the second potential is increased by the potential of the first capacitance. The first potential and the second potential are present at the control input of the transistor at different times. A voltage drop is described via the potential difference, which occurs at the control input of the transistor when the transistor changes from the switched-on state to the switched-off state. The first potential is in particular a positive potential and the second potential is in particular a ground potential. However, the second potential is preferably also drawn to this negative potential by a negative potential provided by the first capacitance. The potential difference is thus increased by pulling the second potential to a negative potential and leaving the first potential unchanged. For example, the transistor is switched on by applying a potential of 12 V to its control input and is switched off by applying a potential of 0 V. However, this potential difference is increased by means of the first capacitance, so that the transistor is switched to the switched-on state by applying the first potential of 12 V, for example, and is switched to the switched-off state by applying a second potential of −2 V.
Durch dieses Vergrößern der Potentialdifferenz wird unter anderem vermieden, dass das zweite Potential über die Gate-Drain-Kapazität ungewollt geschaltet wird.By increasing the potential difference in this way, it is avoided, among other things, that the second potential is unintentionally switched via the gate-drain capacitance.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.The dependent claims show preferred developments of the invention.
Bevorzugt ist zwischen der ersten Kapazität und die sekundäre Spuleneinheit eine Diode geschaltet, welche derart angeordnet ist, dass diese in ihrer Durchlassrichtung einen Stromfluss von der Kapazität zu der sekundären Spuleneinheit ermöglicht. Der Stromfluss von der Kapazität zu der sekundären Spuleneinheit entspricht dabei dem Strom, der in die sekundäre Spuleneinheit induziert wird, wenn der Transistor in den eingeschalteten Zustand versetzt wird. Es wird somit erreicht, dass Ladungen von einem Pol der ersten Kapazität abgezogen werden und aufgrund der Durchlassrichtung durch die sekundäre Spuleneinheit fließen. Wird der durch die sekundäre Spuleneinheit fließende Strom verringert, so können diese Ladungen nicht zu der Kapazität zurückfließen, da diese entgegen der Durchlassrichtung der Diode fließen würden. Somit bleibt die erste Kapazität zunächst in einem geladenen Zustand und entlädt sich nicht selbstständig. Durch das Verwenden der Diode kann auf eine Synchronisierung von zusätzlichen Schalteinheiten verzichtet werden.A diode is preferably connected between the first capacitor and the secondary coil unit, which is arranged in such a way that it enables current to flow from the capacitor to the secondary coil unit in its conducting direction. The current flow from the capacitance to the secondary coil unit corresponds to the current that is induced in the secondary coil unit when the transistor is switched to the on state. It is thus achieved that charges are withdrawn from one pole of the first capacitance and flow through the secondary coil unit due to the conducting direction. If the current flowing through the secondary coil unit is reduced, these charges cannot flow back to the capacitance since they would flow against the conducting direction of the diode. Thus, the first capacitance initially remains in a charged state and does not discharge itself. By using the diode, synchronization of additional switching units can be dispensed with.
Auch ist es vorteilhaft, wenn die erste Kapazität mit einer ersten Seite mit einem ersten Pol einer Spannungsquelle gekoppelt ist und mit einer zweiten Seite über die Diode und die sekundäre Spuleneinheit mit dem zweiten Pol der Spannungsquelle gekoppelt ist, wobei der erste Pol der Spannungsquelle ferner mit demselben Schalteingang des Transistors gekoppelt ist, mit dem auch die primäre Spuleneinheit gekoppelt ist. Der erste Pol der Spannungsquelle ist dabei insbesondere ein negativer Pol der Spannungsquelle. Die Spannungsquelle ist dabei insbesondere mit ihrem ersten Pol mit einem Source-Kontakt des Transistors verbunden. Dabei ist die Diode bevorzugt mit einer Anodenseite mit der ersten Kapazität verbunden und mit einer Kathodenseite mit der sekundären Spuleneinheit verbunden. Die Spannungsquelle ist dabei insbesondere dieselbe Spannungsquelle, die mit ihrem zweiten Pol das erste Potential zum Schalten des Transistors bereitstellt. Es wird somit eine Schaltung geschaffen, durch welche ein Spannungsabfall gegenüber dem ersten Pol der Spannungsquelle, also gegenüber dem negativen Pol, erzeugt wird. Dadurch wird ein negatives Potential geschaffen, welches als zweites Potential zum Versetzen des Transistors in den ausgeschalteten Zustand genutzt werden kann.It is also advantageous if the first capacitance is coupled to a first side with a first pole of a voltage source and is coupled to a second side via the diode and the secondary coil unit to the second pole of the voltage source, the first pole of the voltage source also being connected to is coupled to the same switching input of the transistor to which the primary coil unit is also coupled. The first pole of the voltage source is in particular a negative pole of the voltage source. In this case, the voltage source is connected in particular with its first pole to a source contact of the transistor. In this case, the diode is preferably connected to the first capacitance with an anode side and connected to the secondary coil unit with a cathode side. The voltage source is in particular the same voltage source that provides the first potential for switching the transistor with its second pole. A circuit is thus created through which a voltage drop is generated relative to the first pole of the voltage source, ie relative to the negative pole. This creates a negative potential which can be used as a second potential for switching the transistor to the off state.
Es ist vorteilhaft, wenn das erste Potential ein positives Potential ist und das zweite Potential durch die erste Kapazität auf ein negatives Potential gezogen wird. Dadurch, dass das zweite Potential auf ein negatives Potential gezogen wird, kann ein Stromfluss zwischen einem Drain- und einem Gate-Kontakt des Transistors kurzfristig die Gate-Spannung erhöhen ohne dabei die Schwellspannung zu erreichen und somit können ungewollte Schaltvorgänge verhindert werden.It is advantageous if the first potential is a positive potential and the second potential is drawn to a negative potential by the first capacitance. Because the second potential is pulled to a negative potential, a current flow between a drain and a gate contact of the transistor can briefly increase the gate voltage without reaching the threshold voltage, and unwanted switching operations can thus be prevented.
Auch ist es vorteilhaft, wenn die Vorrichtung eine zweite Kapazität umfasst, welche über die sekundäre Spuleneinheit mit der ersten Kapazität verbunden ist, um über den in die sekundäre Spuleneinheit induzierten Strom geladen zu werden, wobei die zweite Kapazität derart mit dem Steuereingang des Transistors gekoppelt ist, dass das erste Potential über die zweite Kapazität bereitgestellt wird. Die zweite Kapazität wird somit durch die erste Kapazität geladen, wobei der aus der ersten Kapazität fließende Strom durch den in die sekundäre Spuleneinheit induzierten Strom verursacht wird, der in die sekundäre Spuleneinheit induziert wird, wenn der Transistor in den eingeschalteten Zustand versetzt wird. Die zweite Kapazität wird somit durch einen induzierten Strom geladen, der durch den geschalteten Strom verursacht wird. Da das erste Potential über die zweite Kapazität bereitgestellt wird und durch den Transistor nur geringe Ströme fließen, wird es ermöglicht, dass eine für das Schalten des Transistors benötigte Spannung, insbesondere eine benötigte Gate-Source-Spannung, durch die zweite Kapazität bereitgestellt wird, ohne dass diese zusätzlich durch eine Spannungsquelle vollständig geladen werden muss.It is also advantageous if the device comprises a second capacitance which is connected to the first capacitance via the secondary coil unit in order to be charged via the current induced in the secondary coil unit, the second capacitance being coupled to the control input of the transistor in this way that the first potential is provided via the second capacitance. The second capacitance is thus charged by the first capacitance, and the current flowing out of the first capacitance is caused by the current induced in the secondary coil unit, which is induced in the secondary coil unit when the transistor is brought into the on state. The second capacity is thus by one induced current caused by the switched current. Since the first potential is provided via the second capacitance and only small currents flow through the transistor, it is possible for a voltage required for switching the transistor, in particular a required gate-source voltage, to be provided by the second capacitance without that it must also be fully charged by a voltage source.
Es ist vorteilhaft, wenn die Vorrichtung eine Ladeschaltung umfasst, welche dazu eingerichtet ist, die erste Kapazität und/oder die zweite Kapazität zu laden. Die Ladeschaltung umfasst dabei bevorzugt eine Stromquelle. So wird die zweite Kapazität zwar durch die induzierte Spannung der sekundären Spuleneinheit geladen, aber es ist gerade in einer Anfangsphase vorteilhaft, wenn die zweite Kapazität und/oder die erste Kapazität vorgeladen ist, wenn die Vorrichtung in Betrieb genommen wird. So wäre beispielsweise ein erster Schaltvorgang nur schlecht oder überhaupt nicht möglich, wenn die zweite Kapazität nicht geladen ist. Auch kann diese nicht über die erste Kapazität aufgeladen werden, da auch diese in einem Anfangsstadium noch keine Ladung trägt. Somit ist eine Ladeschaltung vorteilhaft, durch welche die erste Kapazität und/oder die zweite Kapazität unabhängig von dem in die sekundäre Spuleneinheit induzierten Strom geladen wird.It is advantageous if the device includes a charging circuit which is set up to charge the first capacitance and/or the second capacitance. The charging circuit preferably includes a current source. Although the second capacitance is charged by the induced voltage of the secondary coil unit, it is advantageous precisely in an initial phase if the second capacitance and/or the first capacitance is precharged when the device is put into operation. For example, a first switching operation would only be possible with difficulty or not at all if the second capacitance is not charged. This cannot be charged via the first capacitance either, since this does not yet carry any charge in an initial stage. A charging circuit is therefore advantageous by which the first capacitance and/or the second capacitance is charged independently of the current induced in the secondary coil unit.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Schalteinrichtung ferner dazu eingerichtet ist, den Steuereingang des Transistors mit einer das erste Potential bereitstellende Einheit zu koppeln, um den Transistor in den eingeschalteten Zustand zu versetzen und den Steuereingang des Transistors von der das erste Potential bereitstellenden Einheit zu trennen und anschließend mit dem zweiten Potential zu verbinden, um den Transistor in den ausgeschalteten Zustand zu versetzen. Die das erste Potential bereitstellende Einheit ist insbesondere die Spannungsquelle, welche auch mit der ersten Kapazität gekoppelt ist, oder die zweite Kapazität.Furthermore, it is advantageous if the switching device is also set up to couple the control input of the transistor to a unit providing the first potential in order to switch the transistor to the switched-on state and to isolate the control input of the transistor from the unit providing the first potential and then connect to the second potential to place the transistor in the off state. The unit providing the first potential is in particular the voltage source, which is also coupled to the first capacitance, or the second capacitance.
Die Schalteinheit umfasst bevorzugt zwei gegenphasig geschaltete Schalter, wobei ein erster Schalter der beiden Schalter dazu angeordnet ist, den Steuereingang des Transistors mit der das erste Potential bereitstellenden Einheit zu koppeln oder von dieser zu trennen, und ein zweiter Schalter der beiden Schalter dazu angeordnet ist, den Steuereingang des Transistors mit der ersten Kapazität zu koppeln oder von dieser zu trennen. Der erste Schalter befindet sich immer dann in einem eingeschalteten Zustand, wenn der zweite Schalter in einem ausgeschalteten Zustand ist. Entsprechend ist der erste Schalter immer dann in einem abgeschalteten Zustand, wenn der zweite Schalter in einem eingeschalteten Zustand ist. Der erste und der zweite Schalter sind somit gegenphasig geschaltet. Dabei koppelt der erste Schalter den Steuereingang des Transistors immer dann mit der das erste Potential bereitstellenden Einheit, wenn der Transistor in den eingeschalteten Zustand versetzt werden soll. Entsprechend trennt der erste Schalter den Steuereingang des Transistors von der das erste Potential bereitstellenden Einheit, wenn der Transistor in den ausgeschalteten Zustand versetzt werden soll. Zugleich wird die erste Kapazität immer dann mit dem Steuereingang des Transistors gekoppelt, wenn der Transistor in den ausgeschalteten Zustand versetzt wird. The switching unit preferably comprises two switches connected in phase opposition, a first switch of the two switches being arranged to couple the control input of the transistor to the unit providing the first potential or to separate it from it, and a second switch of the two switches being arranged to to couple or disconnect the control input of the transistor to the first capacitance. The first switch is in an on state whenever the second switch is in an off state. Accordingly, whenever the second switch is in an on state, the first switch is in an off state. The first and the second switch are thus connected in phase opposition. In this case, the first switch always couples the control input of the transistor to the unit providing the first potential when the transistor is to be switched to the switched-on state. Correspondingly, the first switch isolates the control input of the transistor from the unit providing the first potential if the transistor is to be switched to the switched-off state. At the same time, the first capacitance is always coupled to the control input of the transistor when the transistor is switched to the off state.
Damit wird ermöglicht, dass diese durch ihre gespeicherte Ladung die Potentialdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Potential vergrößert, insbesondere, indem diese das zweite Potential auf ein negatives Potential zieht.This enables it to increase the potential difference between the first and the second potential through its stored charge, in particular by pulling the second potential to a negative potential.
Bevorzugt ist der Transformator ein kernloser, planarer Transformator. Somit kann der Transformator insbesondere vollständig auf einer Leiterplatine integriert sein. Somit wird ein unnötiges Bauvolumen verhindert und eine besonders leichte Konstruktion geschaffen.Preferably the transformer is a coreless planar transformer. Thus, the transformer can in particular be fully integrated on a printed circuit board. This prevents unnecessary construction volume and creates a particularly light construction.
Ein Inverter, welcher die Vorrichtung zum Schalten eines Transistors umfasst, weist alle Vorteile der Vorrichtung auf. Die Vorrichtung ist insbesondere für das harte Schalten eines Transistors geeignet.An inverter which includes the device for switching a transistor has all the advantages of the device. The device is particularly suitable for hard switching of a transistor.
Figurenlistecharacter list
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
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1 ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, -
2 ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, -
3 eine Visualisierung eines zeitlichen Verlaufs eines Laststromes durch eine Spule welche am Drain-Kontakt angeschlossen ist und einer über den Transistor anliegenden Drain-Source-Spannung, -
4 eine Visualisierung eines zeitlichen Verlaufs einer Gate-Source-Spannung des Transistors und eine zugehörige Vergrößerung, -
5 eine Visualisierung eines zeitlichen Verlaufs einer über eine erste Kapazität anliegenden Spannung und eines in eine sekundäre Spuleneinheit induzierten Stromes, und -
6 eine Visualisierung einer über eine erste Kapazität anliegenden minimalen Spannung abhängig von einem durch den Transistor fließenden Laststromes sowie einer Anstiegszeit einer Drain-Source-Spannung des Transistors abhängig von dem durch den Transistor fließenden Laststrom.
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1 a circuit diagram of a device according to the invention according to a first embodiment of the invention, -
2 a circuit diagram of a device according to the invention according to a second embodiment of the invention, -
3 a visualization of a time course of a load current through a coil which is connected to the drain contact and a drain-source voltage across the transistor, -
4 a visualization of a time profile of a gate-source voltage of the transistor and an associated enlargement, -
5 a visualization of a time course of a voltage present across a first capacitance and a current induced in a secondary coil unit, and -
6 a visualization of a minimum voltage present across a first capacitance as a function of a load current flowing through the transistor and a rise time of a drain-source voltage of the transistor as a function of the load current flowing through the transistor.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
Der Transistor 2 ist ein MOSFET-Transistor. Der Transistor 2 umfasst einen Steuereingang 2a und zwei Schalteingänge 2b, 2c, wobei der Transistor 2 über den Steuereingang 2a durch Anlegen eines ersten Potentials in einen eingeschalteten Zustand und durch Anlegen eines zweiten Potentials in einen ausgeschalteten Zustand versetzt wird. Der Steuereingang 2a ist dabei ein Gate-Kontakt des Transistors 2. Die Schalteingänge 2b, 2c werden aus einem ersten Schalteingang 2b und einem zweiten Schalteingang 2c gebildet. Dabei ist der erste Schalteingang 2b ein Drain-Kontakt des Transistors 2 und der zweite Schalteingang 2c ein Source-Kontakt des Transistors 2. An dem ersten Schalteingang 2b wird eine zu schaltende Schaltspannung Vsw bereitgestellt. Hier kann es sich beispielsweise um das Schaltpotential eines Aufwärtswandlers handeln. Durch das erste Potential und das zweite Potential wird die Gate-Source-Spannung VGS des Transistors 2 definiert, also eine Spannung zwischen dem Steuereingang 2a und dem zweiten Schalteingang 2c definiert.
Die Vorrichtung 1 umfasst ferner einen Transformator 3, welcher ein kernloser, planarer Transformator ist. Der Transformator 3 umfasst dabei eine primäre Spuleneinheit 3a, welche eine Primärspule des Transformators 3 ist, und eine sekundäre Spuleneinheit 3b, welche eine Sekundärspule des Transformators 3 ist. Der Transformator 3 ist dabei durch zwei auf einer oder mehreren Leitplatten gebildete Spulen gebildet, die induktiv miteinander gekoppelt sind. Die primäre Spuleneinheit 3a ist mit einer ersten Seite mit dem zweiten Schalteingang 2c des Transistors 2 gekoppelt und mit einer zweiten Seite mit einem Massepotential gekoppelt. Wird der Transistor 2 in einen eingeschalteten Zustand versetzt, so fließt ein Laststrom iL über die beiden Schalteingänge 2b, 2c des Transistors 2 und als Spulenstrom is durch die primäre Spuleneinheit 3a. Durch die primäre Spuleneinheit 3a wird ein Magnetfeld aufgebaut, durch welches ein Induktionsstrom iind in der sekundären Spuleneinheit 3b induziert wird. Der Induktionsstrom iind fließt dabei insbesondere in einem Zeitbereich unmittelbar nach einem Schalten des Transistors 2 in den eingeschalteten Zustand.The
Die Vorrichtung 1 umfasst eine Schalteinheit 5, welche einen ersten Schalter 5a und einen zweiten Schalter 5b umfasst. Die Schalteinheit 5 ist Teil einer Treibereinheit, durch welche das Schalten des Transistors 2 gesteuert wird. So ist die Treibereinheit beispielsweise eine Treibereinheit eines Inverters.The
Der erste Schalter 5a und der zweite Schalter 5b sind gegenphasig geschaltet. Das bedeutet, dass der erste Schalter 5a immer dann in einem offenen Zustand ist, wenn der zweite Schalter 5b in einem geschlossenen Zustand ist und umgekehrt. Der erste und der zweite Schalter 5a, 5b sind somit niemals zeitgleich in einem geschlossenen oder in einem offenen Zustand. Der erste Schalter 5a ist über einen Vorwiderstand Ri mit einem positiven Pol einer Spannungsquelle 7 gekoppelt. Die Spannungsquelle 7 ist dabei eine Gleichspannungsquelle. Eine zweite Seite des ersten Schalters 5a ist über einen Einschaltwiderstand RGon mit dem Steuereingang 2a des Transistors 2 verbunden. Ein negativer Pol der Spannungsquelle 7 ist mit dem zweiten Schalteingang 2c des Transistors 2 verbunden. Somit kann über den ersten Schalter 5a eine Gate-Source-Spannung VGS an den Transistor 2 angelegt werden. Die Gate-Source-Spannung VGS ist durch die von der Spannungsquelle 7 bereitgestellten Gleichspannung, dem Vorwiderstand Ri und dem Einschaltwiderstand RGon abhängig.The
Wird der erste Schalter 5a geschlossen, so wird damit das erste Potential an dem Steuereingang 2a des Transistors angelegt. Wird der erste Schalter 5a geöffnet, so wird zumindest über den ersten Schalter 5a kein Potential auf den Steuereingang 2a des Transistors 2 gelegt. Das Potential, welches an dem Steuereingang 2a des Transistors 2 anliegt, wenn der erste Schalter 5a geöffnet ist, also dann, wenn der Transistor 2 sich in einem ausgeschalteten Zustand befindet, könnte als ein Nullpotential betrachtet werden. Dieses zweite Potential wird jedoch durch eine erste Kapazität 4 der Vorrichtung 1 auf ein negatives Potential gezogen. Dafür ist es notwendig, dass die erste Kapazität 4 mit einer entsprechenden Polung aufgeladen wird.If the
Die erste Kapazität 4 wird mittels einer Diode 6 der Vorrichtung 1 und der sekundären Spuleneinheit 3b des Transformators 3 aufgeladen. Die erste Kapazität 4 der Vorrichtung 1 ist mit einer ersten Seite mit dem positiven Pol der Spannungsquelle 7 gekoppelt. Mit einer zweiten Seite ist die erste Kapazität 4 mit einer Anodenseite der Diode 6 gekoppelt. Die Kathodenseite der Diode 6 ist mit einer ersten Seite der sekundären Spuleneinheit 3b gekoppelt. Die zweite Seite der sekundären Spuleneinheit 3b ist zusammen mit der ersten Seite der ersten Kapazität 4 und dem zweiten Schalteingang 2c des Transistors 2 mit dem negativen Pol der Spannungsquelle 7 gekoppelt.The
Die zweite Seite der ersten Kapazität 4 ist ferner über den zweiten Schalter 5b der Schalteinheit 5 und über einen Ausschaltwiderstand RGOff mit dem Steuereingang 2a des Transistors 2 gekoppelt. Durch die Anordnung der Diode 6 und deren Verbindung mit der ersten Kapazität 4 und der sekundären Spuleneinheit 3b ist die Diode 6 in ihrer Durchlassrichtung so angeordnet, dass diese einen Stromfluss von der Kapazität 4 zu der sekundären Spuleneinheit 3b ermöglicht.The second side of the
Wird der Transistor 2 in den eingeschalteten Zustand versetzt, so fließt der Laststrom iL durch den Transistor 2 und die primäre Spuleneinheit 3a. Dadurch wird in der sekundären Spuleneinheit 3b ein in entgegengesetzter Richtung fließender Strom verursacht. Durch diesen entgegengesetzten Strom, welcher als iind in
Wird der Transistor 2 in den ausgeschalteten Zustand versetzt, so wird der erste Schalter 5a geöffnet und der zweite Schalter 5b geschlossen. Somit wird das an der ersten Kapazität 4 bereitgestellte negative Potential über den Ausschaltwiderstand RGOff an den Steuereingang 2a des Transistors 2 angelegt. Somit wird das zweite Potential auf ein negatives Potential gezogen. Damit wird an den Transistor eine negative Gate-Source-Spannung angelegt. Dadurch wird verhindert, dass der Transistor 2 durch kapazitive Ströme zwischen dessen Drain und Gate ungewollt wieder eingeschaltet wird. Erst wenn der erste Schalter 5a wieder geschlossen wird und der zweite Schalter 5b entsprechend geöffnet wird, wird der Transistor 2 wieder in den niederohmigen Zustand geschaltet, und der zuvor beschriebene Zyklus wiederholt sich.When the
In
Wird der Transistor 2 in den eingeschalteten Zustand versetzt, so wird in die sekundäre Spuleneinheit 3b der Induktionsstrom iind induziert. Dabei wird wie auch bei der ersten Ausführungsform die zweite Seite der ersten Kapazität 4 auf ein negatives Potential gebracht. Der von der ersten Kapazität 4 abfließende Strom fließt dabei über die sekundäre Spuleneinheit 3b in die zweite Kapazität 8. Dies ist mitunter auch darin begründet, dass dieser Strom nicht über den Steuereingang 2a des Transistors 2 abfließen kann. Somit wird die zweite Kapazität 8 geladen.When the
Wird der Transistor 2 in den ausgeschalteten Zustand versetzt, so wird der Steuereingang 2a über das von der ersten Kapazität 4 bereitgestellte negative Potential ebenfalls auf ein negatives Potential gezogen. Wird der Transistor 2 wieder in den eingeschalteten Zustand versetzt, so wird das erste Potential und somit die Gate-Source-Spannung VGS zum Einschalten des Transistors 2 durch die in der zweiten Kapazität 8 gespeicherten Ladungen bereitgestellt. Die zweite Kapazität 8 wird somit durch den in der sekundären Spuleneinheit 3b induzierten Strom geladen und stellt diese Ladung zum Schalten des Transistors 2 an dessen Steuereingang 2a bereit. Somit ist die zweite Kapazität 8 über die sekundäre Spuleneinheit 3b mit der ersten Kapazität 4 verbunden, um über den in die sekundäre Spuleneinheit 3b induzierten Strom geladen zu werden, wobei die zweite Kapazität 8 derart mit dem Steuereingang 2a des Transistors 2 gekoppelt ist, dass das erste Potential über die zweite Kapazität 8 bereitgestellt wird.If the
Die Vorrichtung 1 gemäß der zweiten Ausführungsform umfasst bevorzugt eine Ladeschaltung 9, welche dazu eingerichtet ist, die erste Kapazität 4 und/oder die zweite Kapazität 8 zu laden. Dazu umfasst die Ladeschaltung beispielsweise die Spannungsquelle 7, welche mit ihrem positiven Pol über den Vorwiderstand Ri und eine zweite Diode 10 mit der ersten Seite der zweiten Kapazität 8 verbunden ist. Die Spannungsquelle 7 ist mit ihrem negativen Pol mit der zweiten Seite der zweiten Kapazität 8 verbunden. Durch die zweite Diode 10 wird verhindert, dass die in der zweiten Kapazität 8 gespeicherte Ladung in Richtung der Spannungsquelle 7 abfließt, wenn die zweite Kapazität 8 geladen ist. Somit wird in einem Betrieb der Vorrichtung 1 von der Spannungsquelle 7 kein Strom zum Laden der zweiten Kapazität 8 entnommen, wenn diese durch die sekundäre Spuleneinheit 3b hinreichend geladen wird. In entsprechender Weise ist die erste Kapazität 4 über einen Vorladewiderstand 11 und eine dritte Diode 12 mit dem negativen Pol der Spannungsquelle 7 gekoppelt. Dadurch kann auch die erste Kapazität 4 durch die Spannungsquelle 7 vorgeladen werden.The
Die Vorrichtung 1 gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung weist den Vorteil auf, dass von der Spannungsquelle 7 kaum ein Strom zum Betreiben der Vorrichtung 1 bezogen wird, wodurch ein Verbrauch der Vorrichtung 1 minimiert wird. Lediglich in einer Anfangsphase, in welcher die erste Kapazität 4 und die zweite Kapazität 8 noch nicht geladen sind, wird eine erste Ladung für diese Kapazitäten 4, 8 von der Spannungsquelle 7 bereitgestellt.The
Gemäß den zuvor beschriebenen Ausführungsformen führt das Einschalten des Transistors 2 zu einem Stromgradienten eines Source-Stromes Is des Transistors 2. Daraus resultiert ein Spannungsabfall über eine Primärwindung, also über die primäre Spuleneinheit 3a, des Transformators 3. Um einen hinreichenden Stromgradienten und damit einen hinreichenden Spannungsabfall zu erreichen, ist ein sogenanntes hartes Schalten vorteilhaft. Der Spannungsabfall über die primäre Spuleneinheit 3a wird zu der sekundären Spuleneinheit 3b transformiert und wird optional gemäß der Windungszahlen des Transformators 3 verstärkt.According to the embodiments described above, the switching on of the
Wenn eine Spannung an der sekundären Spuleneinheit 3b hoch genug ist, so entlädt der induzierte Strom iind die erste Kapazität 4, welche eine Pufferkapazität für eine negative Gate-Spannungsversorgung des Transistors 2 ist. Gemäß der ersten Ausführungsform wird der Spannungsabfall über die sekundäre Spuleneinheit 3b zu dem Source-Kontakt des Transistors 2 entladen, wenn diese die Vorwärtsspannung der ersten Diode 6 überschreitet. Gemäß der zweiten Ausführungsform wird die erste Kapazität 4 in die zweite Kapazität 8 entladen, um eine positive Spannungsversorgung für das Gate des Transistors 2 bereitzustellen. Die Ladung der ersten Kapazität 4 wird somit wiederverwendet, um ein Potential an dem Gate des Transistors 2 bereitzustellen. Dazu muss die Spannung an der sekundären Spuleneinheit 3b jedoch eine Einschaltspannung des Transistors 2 überschreiten und die Vorwärtsspannung der ersten Diode 6 überschreiten, bevor die erste Kapazität 4 entladen wird. Für ein anfängliches Starten der Vorrichtung 1 ist in der zweiten Ausführungsform die Spannungsquelle 7 bereitgestellt, durch welche eine Spannung VDon bereitgestellt wird. Gemäß beider Ausführungsformen ist eine maximale negative Spannung durch einen maximalen Spannungsabfall über die sekundäre Spuleneinheit 3b beschränkt, die durch einen maximalen Stromgradienten verursacht wird.When a voltage across the
Die erste und die zweite Ausführungsform der Erfindung sind jedoch beispielhafte Ausführungsformen der Erfindungen, wobei weitere Modifikationen möglich sind. So kann insbesondere auch ein negativer Strom Gradient während des Ausschaltens verwendet werden, indem die Polung des Transformators angepasst wird. Anstelle einer einzelnen Diode 4 kann optional ein Gleichrichter genutzt werden um die erste Kapazität 4 bei einem Einschalten und einem Ausschalten des Transistors zu entladen. Dadurch wird jedoch eine Komplexität der Schaltung erhöht. Dreistufige Gate-Treiber könnten genutzt werden, um eine zu der ersten Kapazität 4 transportierte Ladung zu reduzieren.However, the first and second embodiments of the invention are exemplary embodiments of the invention, and further modifications are possible. In particular, a negative current gradient can also be used during turn-off by adjusting the polarity of the transformer. Instead of a
Im Folgenden werden beispielhafte Signale der Schaltung gemäß der zweiten Ausführungsform beschrieben.Exemplary signals of the circuit according to the second embodiment are described below.
So ist in
Die zugehörige Gate-Source-Spannung des Transistors 2 ist in
Nach einer Einschwingzeit von ca. 250 ms ist eine maximale Spannung von -2,5 V erreicht, durch welche das zweite Potential festgelegt ist. Dies ist insbesondere auch in
Ein Verlauf der Spannung VDoff, welche einen Spannungsüberfall über die erste Kapazität 4 ist, ist in
Die erste Kapazität 4 wird mit einem konstanten Strom geladen, welcher wie folgt beschrieben ist:
Der Strom Idriver ist ein aktiver Strom des Gate-Treibers und muss im Weiteren berücksichtigt werden. Besonders bei niedrigen Schaltfrequenzen fswführt dieser Strom zu einer substanziellen Ladung, die durch den Gate-Driver erzeugt wird (QGD). Diese Ladung beschreibt sich wie folgt:
Die Amplitude der gesamten Rippelströme über die erste Kapazität 4 kann durch ein entsprechendes Setzen der Kapazitätswerte der ersten Kapazität 4 eingestellt werden. Ein niedrigerer Rippelstrom führt zu einer längeren Einschwingzeit, wodurch ein Abwägen der Vor- und Nachteile geringerer Rippelströme notwendig ist.The amplitude of the total ripple currents across the
Der durch die sekundäre Spuleneinheit 3b fließende Induktionsstrom iind ist in
Bei den bisherigen Betrachtungen der
Es kann zwischen zwei unterschiedlichen Betriebsmodi unterschieden werden. Für niedrige Lastströme iL ist der Spannungsabfall über die erste Kapazität 4 konstant und konsistent mit der Vorwärtsspannung über die dritte Diode 12. Die Bedingung dafür ist, dass die in die erste Kapazität transportierte Ladung höher ist als ein Entladen der ersten Kapazität 4 über den Transformator 3. So gilt:
Eine wichtige Bedingung für diesen Zustand ist, dass der zusätzliche Strompuls, der durch das Entladen einer Gate-Kapazität des Transistors 2 verursacht wird, keinen signifikanten Anstieg der Spannung aufgrund des Vorladewiderstand 11 11 (R0) verursacht. Die Gate-Ladung (QG) des verwendeten Halbleiters hat einen durchschnittlichen Wert von 4,5 nC, wenn diese von 0 auf 6 V aufgeladen wird. Wird jedoch die durch die Formel 1.4 festgelegte Bedingung überschritten, so befindet sich die Vorrichtung 1 in dem zweiten Zustand. Ist die Ladung (QTFF), welche von der ersten Kapazität 4 abgeführt wird, größer als die Summe aus den Ladungen QG und QGD, also den Ladungen einer Gate-Kapazität und der Ladung die durch den Gate-Driver erzeugt wird, so wird die erste Kapazität 4 entladen. An important condition for this state is that the additional current pulse caused by discharging a gate capacitance of the
Dabei steigt die Ladung der Gate-Kapazität QG an, da eine höhere Spannungsdifferenz an dem Gate des Transistors 2 anliegt, wobei die Ladung ansteigt, bis ein Gleichgewicht zwischen den Ladungen erreicht ist, also
Zusammenfassend lässt sich somit sagen, dass das Erhöhen der Potentialdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Potential bei geringeren von dem Transistor 2 geschalteten Strömen weniger effizient arbeitet, als wenn vergleichsweise höhere Lastströme iL geschaltet werden. Erst wenn eine bestimmte Bedingung erfüllt ist, werden durch das Herunterziehen des zweiten Potentials kürzere Schaltzeiten erreicht. Dabei wird auch erreicht, dass das zweite Potential umso weiter heruntergezogen wird, je höher der Laststrom ist. Diese Effekte sind jedoch bei einem Betrieb der Vorrichtung 1 nicht als kritisch anzusehen, da gerade bei geringen Strömen durch die höhere Anstiegszeit kein ungewolltes Schalten des Transistors 2 auftritt. Wenn höhere Ströme geschaltet werden, die oftmals zu einem ungewollten Schalten des Transistors 2 führen könnten, so arbeitet die Vorrichtung 1 in einem Maße, in dem das zweite Potential besonders effizient abgesenkt wird und somit ein fehlerhaftes Schalten des Transistors 2 verhindert wird.In summary, it can thus be said that increasing the potential difference between the first and the second potential works less efficiently when the currents switched by the
Nebst obenstehender Offenbarung wird explizit auf die Offenbarungen der
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