DE102022116125A1 - Integriertes leistungsgerät mit energy-harvestinggate-treiber - Google Patents

Integriertes leistungsgerät mit energy-harvestinggate-treiber Download PDF

Info

Publication number
DE102022116125A1
DE102022116125A1 DE102022116125.0A DE102022116125A DE102022116125A1 DE 102022116125 A1 DE102022116125 A1 DE 102022116125A1 DE 102022116125 A DE102022116125 A DE 102022116125A DE 102022116125 A1 DE102022116125 A1 DE 102022116125A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
transistor
gate
circuit
voltage
gan
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102022116125.0A
Other languages
English (en)
Inventor
Marco Giandalia
Jason Zhang
Hongwei Jia
Daniel Kinzer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Navitas Semiconductor Ltd
Original Assignee
Navitas Semiconductor Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Navitas Semiconductor Ltd filed Critical Navitas Semiconductor Ltd
Publication of DE102022116125A1 publication Critical patent/DE102022116125A1/de
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/08—Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters
    • H02M1/088—Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters for the simultaneous control of series or parallel connected semiconductor devices
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/32—Means for protecting converters other than automatic disconnection
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F1/00—Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
    • G05F1/10—Regulating voltage or current
    • G05F1/46—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc
    • G05F1/56—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices
    • G05F1/565—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices sensing a condition of the system or its load in addition to means responsive to deviations in the output of the system, e.g. current, voltage, power factor
    • G05F1/569—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices sensing a condition of the system or its load in addition to means responsive to deviations in the output of the system, e.g. current, voltage, power factor for protection
    • G05F1/573—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices sensing a condition of the system or its load in addition to means responsive to deviations in the output of the system, e.g. current, voltage, power factor for protection with overcurrent detector
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L25/00—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof
    • H01L25/16—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof the devices being of types provided for in two or more different main groups of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. forming hybrid circuits
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/08—Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H02M3/158—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/003—Constructional details, e.g. physical layout, assembly, wiring or busbar connections
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K3/00—Circuits for generating electric pulses; Monostable, bistable or multistable circuits
    • H03K3/01—Details
    • H03K3/012—Modifications of generator to improve response time or to decrease power consumption
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/481—Disposition
    • H01L2224/48135—Connecting between different semiconductor or solid-state bodies, i.e. chip-to-chip
    • H01L2224/48137—Connecting between different semiconductor or solid-state bodies, i.e. chip-to-chip the bodies being arranged next to each other, e.g. on a common substrate
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/481—Disposition
    • H01L2224/48151—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
    • H01L2224/48221—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/48245—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being metallic
    • H01L2224/48247—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being metallic connecting the wire to a bond pad of the item
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/481—Disposition
    • H01L2224/48151—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
    • H01L2224/48221—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/48245—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being metallic
    • H01L2224/48257—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being metallic connecting the wire to a die pad of the item
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/49—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of a plurality of wire connectors
    • H01L2224/491—Disposition
    • H01L2224/4911—Disposition the connectors being bonded to at least one common bonding area, e.g. daisy chain
    • H01L2224/49111—Disposition the connectors being bonded to at least one common bonding area, e.g. daisy chain the connectors connecting two common bonding areas, e.g. Litz or braid wires
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/49—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of a plurality of wire connectors
    • H01L2224/491—Disposition
    • H01L2224/4912—Layout
    • H01L2224/49175—Parallel arrangements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/49—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of a plurality of wire connectors
    • H01L2224/494—Connecting portions
    • H01L2224/4943—Connecting portions the connecting portions being staggered
    • H01L2224/49431—Connecting portions the connecting portions being staggered on the semiconductor or solid-state body
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H9/00—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection
    • H02H9/02—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection responsive to excess current
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K2217/00—Indexing scheme related to electronic switching or gating, i.e. not by contact-making or -breaking covered by H03K17/00
    • H03K2217/0081—Power supply means, e.g. to the switch driver
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B70/00—Technologies for an efficient end-user side electric power management and consumption
    • Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Power Conversion In General (AREA)
  • Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
  • Logic Circuits (AREA)
  • Junction Field-Effect Transistors (AREA)
  • Electronic Switches (AREA)

Abstract

Es wird eine elektronische Schaltung offenbart. Die elektronische Schaltung beinhaltet einen Transistor mit einem Gate-Anschluss, einem Source-Anschluss und einem Drain-Anschluss und eine Gate-Treiberschaltung mit einem Pull-down-Transistor, der mit dem Gate-Anschluss gekoppelt ist, und einem Eingangsanschluss, der dazu ausgelegt ist, ein Eingangssignal zu empfangen und ein entsprechendes Ausgangssignal an einem Ausgangsanschluss zu erzeugen, der mit dem Gate-Anschluss gekoppelt ist, wobei die Gate-Treiberschaltung dazu ausgelegt ist, aus dem Eingangssignal gewonnene Energie zu speichern und die gespeicherte Energie dazu zu verwenden, einen leitenden Status des Pull-down-Transistors zu ändern. In einem Aspekt beinhaltet der Transistor Galliumnitrid (GaN). In einem anderen Aspekt beinhaltet der Pull-down-Transistor GaN.

Description

  • QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
  • Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung mit der fortl. Nr. 63/202,973 , „Integrated Power Device with Energy Harvesting Gate Driver“, eingereicht am 1. Juli 2021, die hiermit durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit für alle Zwecke aufgenommen wird.
  • GEBIET
  • Die beschriebenen Ausführungsformen beziehen sich allgemein auf Leistungsumwandlungsgeräte, und insbesondere beziehen sich die vorliegenden Ausführungsformen auf integrierte Leistungsumwandlungsgeräte, bei denen Galliumnitridschaltungen (GaN-Schaltungen) verwendet werden.
  • ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
  • Bei elektronischen Geräten wie etwa Computern, Servern und Fernsehgeräten werden unter anderem eine oder mehrere elektrische Leistungsumwandlungsschaltungen dazu verwendet, eine Form elektrischer Energie in eine andere umzuwandeln. Einige elektrische Leistungsumwandlungsschaltungen wandeln eine hohe Gleichspannung in eine niedrigere Gleichspannung um, indem sie eine Schaltungstopologie verwenden, die als Halbbrückenwandler bezeichnet wird. Da viele elektronische Geräte empfindlich auf die Größe und Effizienz der Leistungsumwandlungsschaltung reagieren, können neue Leistungswandler eine relativ höhere Effizienz und geringere Größe für die neuen elektronischen Geräte bereitstellen.
  • KURZDARSTELLUNG
  • In einigen Ausführungsformen wird eine elektronische Schaltung offenbart. Die elektronische Schaltung beinhaltet einen Transistor mit einem Gate-Anschluss, einem Source-Anschluss und einem Drain-Anschluss und eine Gate-Treiberschaltung mit einem Pull-down-Transistor, der mit dem Gate-Anschluss gekoppelt ist, und einem Eingangsanschluss, der dazu ausgelegt ist, ein Eingangssignal zu empfangen und ein entsprechendes Ausgangssignal an einem Ausgangsanschluss zu erzeugen, der mit dem Gate-Anschluss gekoppelt ist, wobei die Gate-Treiberschaltung dazu ausgelegt ist, aus dem Eingangssignal gewonnene Energie zu speichern und die gespeicherte Energie dazu zu verwenden, einen leitenden Status des Pull-down-Transistors zu ändern.
  • In einigen Ausführungsformen beinhaltet der Transistor Galliumnitrid (GaN).
  • In einigen Ausführungsformen beinhaltet der Pull-down-Transistor GaN.
  • In einigen Ausführungsformen beinhaltet die Gate-Treiberschaltung Silizium.
  • In einigen Ausführungsformen wird bei der Gate-Treiberschaltung die gespeicherte Energie dazu verwendet, den Pull-down-Transistor von einem Ein-Status in einen Aus-Status überzuführen.
  • In einigen Ausführungsformen sind die Gate-Treiberschaltung und der Transistor innerhalb eines einheitlichen elektronischen Gehäuses angeordnet.
  • In einigen Ausführungsformen beinhaltet das einheitliche elektronische Gehäuse einen Stromeingangskontakt, einen Stromausgangskontakt und einen Eingangssignalkontakt.
  • In einigen Ausführungsformen ist das Eingangssignal ein impulsbreitenmoduliertes (PWM) Signal, das eine Reihe von Ein- und Aus-Befehlen beinhaltet.
  • In einigen Ausführungsformen ist die Gate-Treiberschaltung dazu ausgelegt, den leitenden Status des Pull-down-Transistors während eines Aus-Befehls des PWM-Signals von einem Aus-Status in einen Ein-Status zu ändern.
  • In einigen Ausführungsformen beinhaltet die elektronische Schaltung ein einheitliches elektronisches Gehäuse mit einem ersten, einem zweiten und einem dritten externen Kontakt.
  • In einigen Ausführungsformen sind der Transistor und die Gate-Treiberschaltung innerhalb eines TO-247-Gehäuses angeordnet.
  • In einigen Ausführungsformen ist das einheitliche elektronische Gehäuse ein TO-Leadless-Gehäuse (TOLL-Gehäuse).
  • In einigen Ausführungsformen beinhaltet die Gate-Treiberschaltung eine mit dem Gate-Anschluss gekoppelte Energy-Harvesting-Schaltung, wobei die Energy-Harvesting-Schaltung dazu ausgelegt ist, aus dem Eingangssignal gewonnene Energie zu speichern und die gespeicherte Energie für den Betrieb der Gate-Treiberschaltung zu verwenden, wenn das PWM-Signal in einem Aus-Befehl ist.
  • In einigen Ausführungsformen wird eine Schaltung offenbart. Die Schaltung beinhaltet einen ersten Transistor mit einem ersten Gate-Anschluss, einem ersten Source-Anschluss und einem ersten Drain-Anschluss und
    eine Stromflusssteuerschaltung zum Empfangen eines Eingangssignals und als Reaktion darauf zum Senden eines entsprechenden Ausgangssignals an den ersten Gate-Anschluss, wobei die Stromflusssteuerschaltung einen ersten Pfad mit einem ersten Impedanzelement, das in Reihe mit einem ersten unidirektionalen Stromleiter geschaltet ist, der dazu ausgerichtet ist, das Fließen von Strom zum ersten Gate-Anschluss zu ermöglichen, und einen zweiten Pfad mit einem zweiten Impedanzelement beinhaltet, das mit einem zweiten unidirektionalen Stromleiter in Reihe geschaltet ist, der dazu ausgerichtet ist, das Fließen von Strom vom ersten Gate-Anschluss zu ermöglichen.
  • In einigen Ausführungsformen beinhaltet die Schaltung ferner einen zweiten Transistor mit einem zweiten Gate-Anschluss, einem zweiten Source-Anschluss und einem zweiten Drain-Anschluss, wobei der zweite Drain-Anschluss mit dem ersten Gate-Anschluss gekoppelt ist, wobei der zweite Transistor dazu ausgelegt ist, eine Spannung an dem ersten Gate-Anschluss auf einen voreingestellten Spannungswert zu klemmen.
  • In einigen Ausführungsformen beinhaltet die Schaltung ferner einen dritten Transistor mit einem dritten Gate-Anschluss, einem dritten Source-Anschluss und einem dritten Drain-Anschluss, wobei der dritte Source-Anschluss mit dem ersten Gate-Anschluss gekoppelt ist und der dritte Drain-Anschluss mit der Stromflusssteuerschaltung gekoppelt ist.
  • In einigen Ausführungsformen wird eine Schaltung offenbart. Die Schaltung beinhaltet einen ersten Transistor mit einem ersten Gate-Anschluss, einem ersten Source-Anschluss und einem ersten Drain-Anschluss, einen zweiten Transistor mit einem zweiten Gate-Anschluss, einem zweiten Source-Anschluss und einem zweiten Drain-Anschluss, wobei der zweite Drain-Anschluss mit dem ersten Gate-Anschluss gekoppelt ist, einen erste Steuerschaltung, die mit dem zweiten Gate-Anschluss gekoppelt und dazu ausgelegt ist, einen leitenden Status von einem Aus-Status in einen Ein-Status des zweiten Transistors als Reaktion darauf zu ändern, dass eine Spannung an dem ersten Gate-Anschluss unter eine erste Schwellenspannung fällt,
    einen dritten Transistor mit einem dritten Gate-Anschluss, einem dritten Source-Anschluss und einem dritten Drain-Anschluss und eine zweite Steuerschaltung, die mit dem dritten Gate-Anschluss gekoppelt und dazu ausgelegt ist, einen leitenden Status von einem Aus-Status in einen Ein-Status des dritten Transistors in Reaktion darauf zu ändern, dass die Spannung an dem ersten Gate-Anschluss über einen zweiten Schwellenwert hinaus geht.
  • In einigen Ausführungsformen ist der zweite Transistor dazu ausgelegt, die Spannung am ersten Gate-Anschluss auf einen ersten voreingestellten Wert zu klemmen.
  • In einigen Ausführungsformen ist der dritte Transistor dazu ausgelegt, die Spannung am ersten Gate-Anschluss auf einen zweiten voreingestellten Wert zu klemmen.
  • In einigen Ausführungsformen beinhaltet die Schaltung ferner eine Stromflusssteuerschaltung zum Empfangen eines Eingangssignals und als Reaktion darauf zum Senden eines entsprechenden Ausgangssignals an den ersten Gate-Anschluss, wobei die Stromflusssteuerschaltung einen ersten Pfad mit einem ersten Impedanzelement, das in Reihe mit einem ersten unidirektionalen Stromleiter gekoppelt ist, der dazu ausgerichtet ist, das Fließen von Strom zu dem ersten Gate-Anschluss zu ermöglichen, und einen zweiten Pfad mit einem zweiten Impedanzelement beinhaltet, das in Reihe mit einem zweiten unidirektionalen Stromleiter gekoppelt ist, der dazu ausgerichtet ist, das Fließen von Strom von dem ersten Gate-Anschluss zu ermöglichen.
  • Figurenliste
    • 1 veranschaulicht ein integriertes GaN-Leistungsgerät und eine Siliziumvorrichtung in demselben Gehäuse gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung;
    • 2 veranschaulicht schematisch eine Gate-Treiberschaltung mit Energy-Harvesting, integrierten Pull-up- und Pull-down-Transistoren und Spannungsklemmmerkmalen gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung;
    • 3 zeigt einen Graphen eines Ruhestroms an einem Eingangsanschluss der in 2 gezeigten Gate-Treiberschaltung und einen Graphen einer Gate-Spannung des in 2 gezeigten GaN-Leistungstransistors;
    • 4A veranschaulicht schematisch eine Schaltung mit Sättigungsstromschutzmerkmal gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung;
    • 4B veranschaulicht einen Graphen, der Spannungen als Funktion der Zeit für verschiedene Knoten innerhalb der Schaltung von 4A zeigt;
    • 5 veranschaulicht schematisch eine Schaltung mit Sättigungsstromschutzmerkmal gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung;
    • 6 veranschaulicht schematisch eine Schaltung mit Sättigungsstromschutzmerkmal gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung;
    • 7A veranschaulicht schematisch eine Schaltung mit Einschalt-dv/dt-Steuermerkmal gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung;
    • 7B veranschaulicht einen Graphen, der die Änderungsrate der Drain-zu-Source-Spannung als Funktion der Zeit während des Einschaltens eines GaN-Leistungstransistors zeigt;
    • 7C zeigt die Änderungsrate der Drain-zu-Source-Spannung als Funktion der Zeit als Funktion eines Widerstandswerts eines externen Widerstands in der Schaltung von 7A;
    • 8 veranschaulicht ein Schema eines Gate-Treibers mit dV/dt-Steuerschaltungen und Gate-Klemmmerkmalen gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung;
    • 9 veranschaulicht schematisch eine Schaltung mit einem dI/dt-Steuermerkmal zum Abschalten gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung;
    • 10 veranschaulicht schematisch eine Gate-Treiberschaltung mit Hysterese gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung;
    • 11 veranschaulicht Spannungen an verschiedenen Knoten innerhalb der Gate-Schaltung von 10;
    • 12 veranschaulicht ein Schema eines Spannungsreglers gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung;
    • 13 veranschaulicht ein integriertes GaN-Leistungsgerät in einem TO-247-Gehäuse gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung; und
    • 14A veranschaulicht ein integriertes GaN-Leistungsgerät gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung. 14B veranschaulicht ein integriertes GaN-Leistungsgerät in einem TO-247-Gehäuse mit vier Anschlüssen gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung. 14C veranschaulicht ein integriertes GaN-Leistungsgerät in einem TO-Leadless-Gehäuse (TOLL-Gehäuse) gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Hier offenbarte Schaltungen und verwandte Techniken beziehen sich im Allgemeinen auf Leistungsumwandlungsgeräte aus Galliumnitrid (GaN). Genauer gesagt beziehen sich hier offenbarte Geräte, Schaltungen und verwandte Techniken auf integrierte GaN-Schaltungen, bei denen eine integrierte Gate-Treiberschaltung (IC, integrated circuit) dazu verwendet werden kann, Energie aus einem impulsbreitenmodulierten (PWM, pulse width modulated) Eingangssignal zum Versorgen der Gate-Treiber-IC zu gewinnen, wodurch die Notwendigkeit einer Stromversorgung für die Gate-Treiber-IC ausgeräumt wird. In einigen Ausführungsformen kann die Gate-Treiber-IC in einen GaN-Leistungstransistor in einem Gehäuse integriert werden, um ein integriertes GaN-Leistungsgerät zu bilden, wobei das integrierte GaN-Leistungsgerät ein Stift zu Stift kompatibler Ersatz für einen eigenständigen Silizium-Leistungs-MOSFET und dessen Treiberschaltungen sein kann. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Gate-Treiber-IC die gewonnene Energie aus dem PWM-Signal speichern und weiter funktionieren und den GaN-Leistungstransistor ansteuern, selbst wenn sich das PWM-Signal in einem niedrigen Status befindet, wie in 1 näher erläutert.
  • In einigen Ausführungsformen kann die Gate-Treiber-IC verschiedene Schutzschaltungen beinhalten, um den GaN-Leistungstransistor in seinem sicheren Betriebsbereich zu halten, wie hier zusammengefasst und nachstehend ausführlicher beschrieben. Genauer gesagt kann die IC in einigen Ausführungsformen einen Pull-down-Transistor zum Herunterziehen der Gate-Spannung des GaN-Leistungstransistors beinhalten. Der Pull-down-Transistor kann in die IC integriert oder in denselben Chip wie der GaN-Transistor integriert sein. Die IC kann das Gate des Pull-down-Transistors ansteuern, wie in 2 näher erläutert.
  • In verschiedenen Ausführungsformen kann die IC einen Pull-up-Transistor beinhalten. Der Pull-up-Transistor kann ein PWM-Signal aktivieren, um das Gate des GaN-Leistungstransistors auf einen hohen Status zu treiben. In einigen Ausführungsformen kann die IC Klemmschaltungen beinhalten, die den GaN-Leistungstransistor und die internen Schaltkreise der IC schützen können. Die Klemmschaltungen können relativ hohe Betriebsspannungen für die PWM ermöglichen, beispielsweise 10 bis 30 V, während sie ermöglichen, dass das Gate des GaN-Transistors innerhalb seines sicheren Betriebsbereichs gehalten wird, beispielsweise unter 6,0 V. Wie der Durchschnittsfachmann mit Kenntnis dieser Offenbarung erkennen wird, können die Betriebsspannungen auf jeden geeigneten Wert eingestellt werden. Der Betrieb des Pull-up-Transistors und der Klemmschaltungen ist in 2 ausführlicher beschrieben.
  • In einigen Ausführungsformen kann die IC eine Sättigungsstromschutzschaltung beinhalten. Die Sättigungsstromschutzschaltung kann eine Spannung am Drain des GaN-Leistungstransistors erfassen und eine Schutzschaltung auslösen, um zu verhindern, dass der GaN-Transistor in seinen Sättigungsbereich eintritt oder dort bleibt. Wie der Fachmann versteht, kann der GaN-Transistor in seinem linearen Betriebsbereich normal arbeiten, wenn der GaN-Transistor jedoch in seinen Sättigungsbetriebsbereich eintritt, kann der Drain-Strom mit einem entsprechenden Anstieg der Drain-Spannung ansteigen, was hinsichtlich der Leistungsumwandlungsanwendungen nicht wünschenswert ist. In einigen Ausführungsformen kann die Sättigungsschutzschaltung einen GaN-Transistor im Verarmungsmodus (D-Modus) dazu verwenden, die Drain-Spannung des GaN-Transistors zu erfassen und den GaN-Transistor abzuschalten, wenn eine Sättigung erfasst wird. Die Sättigungsschutzschaltung wird in den 4-6 ausführlich erörtert.
  • In verschiedenen Ausführungsformen kann die IC eine Einschalt-dv/dt-Steuerschaltung beinhalten, indem ein externer Widerstand in Reihe mit dem PWM-Signal verwendet wird. DV/dt-Steuerschaltungen sind in den 7A-C und 8 ausführlich erörtert. In verschiedenen Ausführungsformen kann die IC eine dl/dt-Steuerschaltung zum Abschalten beinhalten, indem Gehäusebonddrahtinduktivitäten verwendet werden. Das Gate des GaN-Transistors kann durch die Verwendung der dI/dt-Steuerschaltung zum Abschalten in seinem sicheren Betriebsbereich gehalten werden, wo die Belastungsspannung am Gate des GaN-Transistors auf relativ minimalen Werten gehalten werden kann. Die Abschalt-dI/dt-Steuerschaltung ist in 9 ausführlicher beschrieben.
  • In einigen Ausführungsformen kann die IC eine Gate-Treiberspannungserzeugungsschaltung mit Hysterese beinhalten, um eine Gate-Spannung des GaN-Transistors zu steuern, um den Energieverbrauch zu reduzieren und die Betriebsgeschwindigkeit zu verbessern. Die Gate-Treiberspannungserzeugungsschaltung mit Hysterese ist in den 10-11 ausführlicher beschrieben.
  • Wie der Durchschnittsfachmann mit Kenntnis dieser Offenbarung erkennen wird, kann jeder Teil und/oder jede Kombination der hierin beschriebenen Merkmale in die IC integriert werden, in den GaN-Transistor integriert werden oder können die Merkmale teilweise in die IC integriert und teilweise in den GaN-Transistor integriert werden. In verschiedenen Ausführungsformen kann das integrierte GaN-Leistungsgerät bei relativ höheren Frequenzen als der Silizium-Leistungs-MOSFET arbeiten, den sie ersetzt. Ferner kann die IC in Silizium, Siliziumcarbid, GaN oder jedem anderen geeigneten Halbleitermaterial ausgebildet sein. In verschiedenen Ausführungsformen kann das integrierte Leistungsgerät in Hochstrom- und/oder Hochspannungsleistungsumwandlungsanwendungen wie etwa AC/DC-Wandlern (ohne darauf beschränkt zu sein) und Anwendungen wie etwa Solarenergieumwandlung, Automobil- und Batterieladeanwendungen verwendet werden.
  • Mehrere veranschaulichende Ausführungsformen werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, die einen Teil hiervon bilden. Die folgende Beschreibung stellt nur eine bzw. mehrere Ausführungsformen bereit und soll den Umfang, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration der Offenbarung nicht einschränken. Vielmehr wird die folgende Beschreibung der einen bzw. mehreren Ausführungsformen dem Fachmann eine befähigende Beschreibung zum Implementieren einer oder mehrerer Ausführungsformen liefern. Es versteht sich, dass verschiedene Änderungen an der Funktion und Anordnung von Elementen vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Umfang dieser Offenbarung abzuweichen. In der folgenden Beschreibung werden zu Erläuterungszwecken spezifische Details dargelegt, um ein gründliches Verständnis bestimmter erfinderischer Ausführungsformen bereitzustellen. Es ist jedoch offensichtlich, dass verschiedene Ausführungsformen ohne diese spezifischen Details praktiziert werden können. Die Figuren und die Beschreibung sollen nicht einschränkend sein. Das Wort „Beispiel“ oder „beispielhaft“ wird hier in der Bedeutung „als Beispiel oder Veranschaulichung dienend“ verwendet. Jede hierin als „beispielhaft“ oder „Beispiel“ beschriebene Ausführungsform oder Ausgestaltung ist nicht notwendigerweise als gegenüber anderen Ausführungsformen oder Ausgestaltungen bevorzugt oder vorteilhaft aufzufassen.
  • Integriertes GaN-Leistungsgehäuse
  • 1 veranschaulicht ein integriertes GaN-Leistungsgerät 100 gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung. Wie in 1 gezeigt, kann das integrierte GaN-Leistungsgerät 100 einen GaN-Leistungstransistor 114 und eine integrierte Gate-Treiberschaltung (IC) 112 in einem Halbleitergehäuse 110 beinhalten. Durch Integrieren des GaN-Leistungstransistors 114 und der Gate-Treiber-IC in ein einzelnes Halbleitergehäuse 110 kann ein Großteil der parasitären Elemente des Gehäuses eliminiert werden, wodurch die Verwendung des integrierten GaN-Leistungsgeräts 100 in Hochstrom- und Hochleistungsanwendungen ermöglicht wird. Das integrierte GaN-Leistungsgerät 100 kann eine obere Platte 118 beinhalten. Ein Drain des GaN-Leistungstransistors 114 kann durch mehrere Bonddrähte 120 mit der oberen Platte 118 gekoppelt sein, wobei die obere Platte 118 mit mehreren Stifts 102 gekoppelt ist, um ein Drain des integrierten GaN-Leistungsgeräts 100 zu bilden. Das integrierte GaN-Leistungsgerät 100 kann ferner ein Chippad 116 beinhalten.
  • Eine Source des GaN-Leistungstransistors 114 kann durch mehrere Bonddrähte 122 mit dem Chippad 116 gekoppelt sein. Das Chippad 116 kann mit mehreren Stiften 104 gekoppelt sein, um eine Source des integrierten GaN-Leistungsgeräts 100 zu bilden. Ein Masseanschluss der IC 112 kann durch den Bonddraht 126 mit dem Stift 106 gekoppelt werden, um eine Source-Verbindung mit geringer parasitärer (Kelvin-)Quelle für die IC zu bilden. Ein Eingangsanschluss der IC kann über den Bonddraht 124 mit dem Eingangsstift 108 verbunden sein, um einen Eingang für ein Treibersignal in das integrierte GaN-Leistungsgerät 100 zu bilden. In einigen Ausführungsformen kann der Eingangsstift 108 mit einem impulsbreitenmodulierten Signal (PWM-Signal, pulse width modulated) gekoppelt sein, um die IC 112 anzusteuern. Die IC kann durch Bonddrähte 128 mit dem GaN-Leistungstransistor 114 gekoppelt sein. In zahlreichen Ausführungsformen kann die IC durch Klammern, beispielsweise Kupferklammern, mit dem GaN-Leistungstransistor 114 gekoppelt sein. In einigen Ausführungsformen kann die IC durch Bumps mit dem GaN-Leistungstransistor 114 gekoppelt sein. In verschiedenen Ausführungsformen kann die IC 112 den GaN-Leistungstransistor 114 ansteuern und kann verschiedene Merkmale zum Ansteuern des GaN-Leistungstransistors und zum Halten des GaN-Leistungstransistors in dessen sicheren Betriebsbereich beinhalten. In der dargestellten Ausführungsform kann das integrierte GaN-Leistungsgerät 100 dazu verwendet werden, einen Silizium-Leistungs-MOSFET in verschiedenen Anwendungen zu ersetzen. Der Fachmann wird verstehen, dass die Gate-Treiber-IC 112 dazu verwendet werden kann, GaN-Transistoren mit hoher Elektronenmobilität (HEMT, high electron mobility transistor) sowie andere Leistungstransistoren wie etwa Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBT, isolated gate bipolar transistor) und Silizium-MOSFET (ohne darauf beschränkt zu sein) anzusteuern.
  • In verschiedenen Ausführungsformen kann die Gate-Treiber-IC 112 ohne die Notwendigkeit einer Leistungsversorgung (Vdd) arbeiten. Dieses Merkmal kann zusätzliche Stifte für Vdd in dem Gehäuse 110 überflüssig machen und eine Stift-zu-Stift-Kompatibilität des integrierten GaN-Leistungsgeräts 100 ermöglichen, um mit eigenständigen Silizium-Leistungs-MOSFET oder anderen gehäusten Halbleitervorrichtungen austauschbar zu sein. In einigen Ausführungsformen kann die Energie für den Betrieb der IC 112 aus einem Eingangs-PWM-Signal gezogen werden, wenn sich das PWM-Signal in einem hohen Status befindet, und kann die IC die Energie in ihren internen Komponenten speichern. Die IC kann weiterhin funktionieren, wenn sich das PWM-Signal in einem niedrigen Status befindet, indem sie die gespeicherte Energie nutzt. Selbst wenn die in der IC gespeicherte Energie verbraucht ist, kann die IC weiterhin aktiv das Gate des GaN-Leistungstransistors 114 herunterziehen, um zu verhindern, dass ein dv/dt-Ereignis ein unfreiwilliges Einschalten verursacht.
  • In der veranschaulichten Ausführungsform kann der Eingangsstift 108 des Gehäuses 110 ähnlich wie ein Gate eines eigenständigen Silizium-Leistungs-MOSFET, den er ersetzt, relativ geringe Strommengen ziehen. Ähnlich wie das Gate des Silizium-Leistungs-MOSFET kann das PWM-Signal zwei logische Zustände haben: niedrig und hoch. Beispielsweise kann das PWM-Signal im niedrigen Status null Volt betragen, während sein Hoch-Status-Wert 10 bis 30 V betragen kann. Die IC 112 kann das Gate des GaN-Leistungstransistors 114 bei geeigneten Spannungswerten ansteuern, beispielsweise zwischen 0 bis 6 V, selbst wenn das PWM-Signal zwischen 0 bis 10 und 30 V variiert. Auf diese Weise kann die IC 112 das Gate des GaN-Leistungstransistors 114 in dessen sicheren Betriebsbereich halten, selbst wenn das PWM-Signal über der sicheren Betriebsspannung des GaN-Transistors liegt, und eine Beschädigung des Gates des GaN-Transistors verhindern. Wie der Durchschnittsfachmann mit Kenntnis dieser Offenbarung erkennen wird, kann der Wert für die Betriebsspannungen auf jeden geeigneten Wert eingestellt werden, der für bestimmte Anwendungen geeignet ist.
  • In einigen Ausführungsformen kann sich die IC 112 während des Einschaltens einschalten und Einschaltfunktionen durchführen, so dass der GaN-Leistungstransistor 114 während des Einschaltens in seinem sicheren Betriebsbereich gehalten wird. Die IC 112 kann das Gate des GaN-Leistungstransistors 114 ansteuern, während sie einen Status des GaN-Leistungstransistors 114 überwacht, indem sie verschiedene Eigenschaften des GaN-Transistors erfasst, wie z. B. Überstrom-, Überspannungseigenschaften und Übertemperatur, ohne darauf beschränkt zu sein. Um die Notwendigkeit eines Leistungsstifts wie eines Vdd-Stifts zu beheben, kann die IC 112 Strom aus dem Eingangs-PWM-Signal ziehen und die Energie in ihren internen Kondensatoren 228 speichern. Die gespeicherte Energie kann von der IC 112 dazu verwendet werden, sogar dann zu funktionieren, wenn das PWM-Signal in einem niedrigen Status ist und der GaN-Transistor 114 abgeschaltet wurde. Während des niedrigen PWM-Status kann die IC 112 weiter funktionieren und kann das Gate des GaN-Leistungstransistors 114 aktiv in einem niedrigen Status halten, um zu verhindern, dass das Gate aufgrund eines dv/dt-Ereignisses eingeschaltet wird, was eine Beschädigung des GaN-Transistors verursachen kann.
  • In einigen Ausführungsformen kann das integrierte GaN-Leistungsgerät 100 während eines Standby-Status wenig bis gar keinen Leckstrom in ihren Eingangsanschluss aufweisen. In verschiedenen Ausführungsformen können Halbleitergehäuse wie etwa Dual-Flat No-Leads (DFN) oder TO-247, ohne darauf beschränkt zu sein, dazu verwendet werden, die IC 112 und den GaN-Leistungstransistor 114 zu integrieren, um eine Stift-zu-Stift-Verbindung als Ersatz für eigenständige Silizium-Leistungs-MOSFET, Siliziumkarbid-FET (SiC-FET) oder andere Leistungsgeräte auszubilden, ohne dass das Layout einer Leiterplatte (PCB, printed circuit board) geändert werden muss. Wie der Fachmann versteht, kann es in manchen Anwendungen schwierig sein, GaN-Leistungstransistoren in Leistungsgehäusen vom Transistorumriss (TO-Typ) zu verwenden, wie etwa in TO-247- oder TOLL-Gehäusen mit drei oder vier Anschlüssen, was auf die relativ hohe parasitäre Induktivität des Gehäuses zurückzuführen ist, die bei Hochstromanwendungen übermäßiges Nachschwingen und Oszillationen verursachen kann. In der dargestellten Ausführungsform kann der GaN-Leistungstransistor 114 in Gehäusen vom TO-Typ verwendet werden, wie etwa TO-247 mit drei Anschlüssen, TO-247 mit vier Anschlüssen und TOLL-Gehäuse, ohne darauf beschränkt zu sein, indem die Gate-Treiber-IC 112 zusammen mit dem GaN-Leistungstransistor 114 in das TO-Gehäuse integriert wird, wobei verschiedene Merkmale der Gate-Treiber-IC, wie etwa dv/dt-Steuerung und dl/dt-Steuerung, ohne darauf beschränkt zu sein, die Verwendung von GaN-Leistungstransistoren in einem TO-Gehäuse ermöglichen können. Ferner kann das integrierte GaN-Leistungsgerät 100 für den Stift-zu-Stift-Ersatz diskreter Leistungs-MOSFET, Siliziumkarbid-FET (SiC-FET) oder anderer Leistungsgeräte verwendet werden, ohne dass ein Layout einer Leiterplatte (PCB, printed circuit board) modifiziert werden muss. Wie der Durchschnittsfachmann mit Kenntnis dieser Offenbarung erkennen wird, können andere geeignete Halbleitergehäuse für die Integration des GaN-Leistungstransistors 114 und der Gate-Treiber-IC 112 verwendet werden, je nach Eignung für spezifische Anwendungen.
  • Energy-Harvesting-Schaltungen, integrierte Pull-up- und Pull--down-Transistorschaltungen und Spannungsklemmschaltungen
  • 2 veranschaulicht schematisch eine Schaltung 200 mit Energy-Harvesting, integrierten Pull-up- und Pull-down-Transistoren und Spannungsklemmmerkmalen gemäß Ausführungsformen der Offenbarung. In einigen Ausführungsformen kann die Schaltung 200 in dem integrierten GaN-Leistungsgerät 100 verwendet werden. Wie in 2 gezeigt, kann die Schaltung 200 einen GaN-Leistungstransistor 202 mit einem Gate 208, einem Drain 204 und einer Source 206 beinhalten. In einigen Ausführungsformen ist der GaN-Leistungstransistor 202 dem GaN-Leistungstransistor 114 ähnlich. Das Drain 204 kann mit einem Stift 277 gekoppelt sein, und die Source 206 kann mit einem Stift 279 gekoppelt sein. In einigen Ausführungsformen sind das Drain 204 und die Source 206 möglicherweise nicht mit Stiften gekoppelt, sondern können stattdessen mit anderen Schaltungsknoten gekoppelt sein, die monolithisch in den GaN-Leistungstransistor 202 integriert sind. Die Schaltung 200 kann ferner einen Eingangsanschlussstift 257 beinhalten, der dazu konfiguriert ist, ein Signal 278 zu empfangen. In einigen Ausführungsformen kann das Signal 278 ein impulsbreitenmoduliertes Signal (PWM-Signal, pulse width modulated) sein. Der Eingangsanschlussstift 257 kann mit einem Pull-up-Transistor 210 mit einem Kollektor 254, einer Basis 216 und einer Source 214 verbunden sein. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann der Pull-up-Transistor 210 ein bipolarer NPN-Transistor sein, während er bei anderen Ausführungsformen ein P-MOSFET sein kann. In einigen Ausführungsformen kann der Pull-up-Transistor 210 ein N-MOSFET sein. In verschiedenen Ausführungsformen kann der Pull-up-Transistor 210 in einem Verbundhalbleitersubstrat oder einem beliebigen anderen geeigneten Substrat ausgebildet sein. In einigen Ausführungsformen kann der Pull-up-Transistor 210 in die Gate-Treiber-IC 112 integriert sein. In verschiedenen Ausführungsformen kann der Pull-up-Transistor ein GaN-basierter Transistor sein und in denselben Chip wie der des GaN-Leistungstransistors 202 integriert sein.
  • Die Source 214 kann mit einem Gate 208 eines GaN-Leistungstransistors 202 verbunden sein. In einigen Ausführungsformen kann der GaN-Leistungstransistor 202 zusammen mit der Schaltung 200 dazu ausgelegt sein, in einer Low-Side-Konfiguration verwendet zu werden. In verschiedenen Ausführungsformen kann der GaN-Leistungstransistor 202 zusammen mit der Schaltung 200 ausgelegt sein, um in einer Halbbrückenkonfiguration verwendet zu werden. In einigen Ausführungsformen kann der GaN-Leistungstransistor 202 zusammen mit der Schaltung 200 dazu ausgelegt sein, in einer High-Side-Konfiguration verwendet zu werden. Wenn sich das Signal 278 in einem hohen Status befindet, kann der Pull-up-Transistor 210 eingeschaltet werden, wodurch ermöglicht wird, dass ein Strom in das Gate 208 fließt, wodurch eine Kapazität des Gates 208 geladen wird. Dies kann bewirken, dass der GaN-Leistungstransistor 202 eingeschaltet wird. In verschiedenen Ausführungsformen kann der Pull-up-Transistor 210 ein bipolarer NPN-Transistor sein, während in anderen Ausführungsformen der Pull-up-Transistor 210 ein P-MOSFET sein kann. In einigen Ausführungsformen kann der Transistor 210 ein N-MOSFET sein. In verschiedenen Ausführungsformen kann der Transistor 210 in einem Verbundhalbleitersubstrat oder einem beliebigen anderen geeigneten Substrat ausgebildet sein. Der Pull-up-Transistor 210 kann in die Gate-Treiber-IC 112 integriert oder ein GaN-basierter Transistor sein und in denselben Chip wie den des GaN-Leistungstransistors 202 integriert sein.
  • Das Signal 278 kann der Basis 216 des Pull-up-Transistors 210 über den Widerstand 252 Leistung bereitstellen. Wenn das Signal 278 zunimmt, kann der Pull-up-Transistor 210 das Gate 208 des GaN-Leistungstransistors 202 hochziehen, indem er einen Strom bereitstellt, um das Gate 208 aufzuladen. Die Schaltung 200 kann einen Substratanschluss 248 beinhalten, der mit einem Substrat 280 des Chips der IC 112 verbunden sein kann. In verschiedenen Ausführungsformen kann das Substrat 280 mit der Masse verbunden sein. Die Schaltung 200 kann einen Pull-down-Transistor 230 mit einem Gate-Anschluss 236, einem Source-Anschluss 234 und einem Drain-Anschluss 232 beinhalten. Der Drain-Anschluss 232 des Pull-down-Transistors 230 kann mit dem Gate 208 des GaN-Leistungstransistors 202 verbunden sein, und der Source-Anschluss 234 des Pull-down-Transistors 230 kann mit der Source 206 des GaN-Leistungstransistors 202 und dem Substrat 248 verbunden sein. Der Pull-down-Transistor ist dazu ausgelegt, das Gate 208 des GaN-Leistungstransistors 202 herunterzuziehen, wenn sich das PWM-Signal in einem niedrigen Status befindet. Der Gate-Anschluss 236 des Pull-down-Transistors 230 kann mit einer Logikschaltung 289 verbunden sein und durch ein von der Logikschaltung 289 erzeugtes Signal Vptg2 angesteuert werden. Wenn das PWM-Signal abnimmt, kann das Signal Vptg2 zunehmen, wodurch der Pull-down-Transistor 230 eingeschaltet werden kann, was dazu führt, dass der Drain-Anschluss 232 abnimmt und das Gate 208 des GaN-Leistungstransistors 202 herunterzieht. Der Pull-down-Transistor 230 kann innerhalb desselben Chips wie die Gate-Treiberschaltung ausgebildet sein oder kann GaN-basiert sein und innerhalb desselben Chips wie der GaN-Leistungstransistor 202 ausgebildet und in demselben Chip wie dem des GaN-Leistungstransistors 202 integriert sein. Der Pull-down-Transistor 230 kann ein relativ großer Transistor sein, um ein solides Herunterziehen des Gates 208 des GaN-Leistungstransistors 202 bereitzustellen.
  • In einigen Ausführungsformen kann die Schaltung 200 eine Klemmschaltung 295 beinhalten. Die Klemmschaltung 295 kann das Gate 208 des GaN-Leistungstransistors 202 derart klemmen, dass das Gate innerhalb seines sicheren Betriebsbereichs bleibt. Die Klemmschaltung 295 kann ermöglichen, dass das PWM-Signal einen breiten Bereich von Betriebsspannungen aufweist, beispielsweise 10 bis 30 V, während das Gate 208 des GaN-Leistungstransistors 202 innerhalb seines sicheren Betriebsbereichs gehalten wird, beispielsweise unter 6,0 V. Wie der Durchschnittsfachmann mit Kenntnis dieser Offenbarung erkennen wird, können die Betriebsspannungen auf jeden geeigneten Wert eingestellt werden. Die Klemmschaltung 295 kann eine Zenerdiode 250 und zwei als Diode geschaltete NPN-Transistoren 262 und 272 beinhalten.
  • Die Source 266 des Transistors 262 kann mit der Zenerdiode 250 verbunden sein. Der Kollektor 268 kann mit der Basis des Transistors 262 und mit der Source 264 des Transistors 272 verbunden sein. Der Transistor 272 kann einen Kollektor 274 aufweisen, der mit seiner Basis 276 verbunden ist, wobei der Kollektor 274 auch mit der Basis 216 des Pull-up-Transistors 210 verbunden ist. Die Zenerdiode 250 kann eine Spannung (Vz) an seiner Kathode 233 erzeugen. Der Wert von Vz kann beispielsweise 5,2 V betragen. Die als Diode geschalteten Transistoren 262 und 272 können jeweils einen Spannungsabfall von beispielsweise 0,7 V über ihren Kollektor-zu-Source-Anschlüssen erzeugen. Somit kann eine Spannung an der Basis 216 des Transistors 210 Vz + 2 Vbe sein. Der Fachmann wird verstehen, dass die Reihenfolge, in der diese drei Geräte verbunden sind, unterschiedlich sein kann, während die erzeugte Spannung Vz + 2 Vbe ist. Die Spannung am Gate 208 für den GaN-Leistungstransistor 202 kann ein Vbe unter der Spannung an der Basis 216 sein. Daher kann die Spannung am Gate 208 des GaN-Leistungstransistors 202 Vz + Vbe sein. Diese Spannung kann beispielsweise einen Wert von 5,9 V aufweisen, wodurch das Gate 208 auf Spannungen unter 6,0 V geklemmt wird, wodurch verhindert wird, dass das Gate 208 seine sichere Betriebsspannung überschreitet.
  • Die Schaltung 200 kann eine Klemmschaltung 295 beinhalten. Die Klemmschaltung 295 kann das Gate 208 des GaN-Leistungstransistors 202 derart klemmen, dass das Gate 208 innerhalb seines sicheren Betriebsbereichs bleibt. Die Klemmschaltung 295 kann ermöglichen, dass das PWM-Signal einen weiten Betriebsspannungsbereich aufweist, beispielsweise 10 bis 30 V, während das Gate 208 des GaN-Leistungstransistors 202 innerhalb seines sicheren Betriebsbereichs, beispielsweise unter 6,0 V, gehalten wird. Wie der Durchschnittsfachmann mit Kenntnis dieser Offenbarung erkennen wird, können die PWM-Betriebsspannungen auf jeden geeigneten Wert eingestellt werden. Die Klemmschaltung 295 kann eine Zenerdiode 250 und zwei als Diode geschaltete NPN-Transistoren 262 und 272 beinhalten. Der Transistor 262 weist eine Source 266, die mit der Zener-Diode 250 verbunden sein kann, und einen Kollektor 268 auf, der mit der Basis des Transistors 262 und mit der Source 264 des Transistors 272 verbunden sein kann.
  • Der Transistor 272 kann einen Kollektor 274 aufweisen, der mit der Basis 216 des Pull-up-Transistors 210 verbunden sein kann. Die Zenerdiode kann an ihrer Kathode 233 eine Spannung Vz erzeugen, die beispielsweise 5,2 V betragen kann. Die als Diode geschalteten Transistoren 262 und 272 können jeweils einen Spannungsabfall von beispielsweise 0,7 V über ihren Kollektor-zu-Source-Anschlüssen erzeugen. Somit kann eine Spannung an der Basis 216 Vz + 2Vbe sein. Die Spannung am Gate 208 für den GaN-Leistungstransistor 202 kann ein Vbe unter der Spannung an der Basis 216 des Transistors 210 sein. Daher kann die Spannung am Gate 208 des GaN-Leistungstransistors 202 Vz + Vbe sein. Diese Spannung kann beispielsweise einen Wert von 5,9 V aufweisen. Somit kann die Klemmschaltung 295 das Gate 208 auf Spannungen unter 5,9 V klemmen und verhindern, dass das Gate 208 seine sichere Betriebsspannung überschreitet. Wie der Durchschnittsfachmann mit Kenntnis dieser Offenbarung erkennen wird, kann die Ausgangsspannung der Klemmschaltung auf jeden geeigneten Wert eingestellt werden. In einigen Ausführungsformen kann der Transistor 262 ein NPN-Bipolartransistor sein, der als Diode geschaltet ist. Der als Diode geschaltete Transistor 262 kann Temperaturschwankungen von Vz abschwächen. In verschiedenen Ausführungsformen kann der Transistor 272 Herstellungsprozessvariationen sowie Temperaturschwankungen von Eigenschaften des Transistors 210 abschwächen. Der Fachmann wird verstehen, dass die Reihenfolge, in der die Transistoren 262 und 272 verbunden sind, während der abschwächenden Temperatur- und Herstellungsprozessvariationen unterschiedlich sein kann.
  • Die Schaltung 200 kann eine Energy-Harvesting- und Speicherschaltung 299 beinhalten. Die Speicherschaltung 299 kann einen Transistor 218 beinhalten, der mit einem Energiespeicherkondensator 228 in Reihe geschaltet ist. In einigen Ausführungsformen kann der Transistor 218 als ein als Diode geschalteter Transistor konfiguriert sein. In verschiedenen Ausführungsformen kann anstelle des Transistors 218 eine Diode verwendet werden. Der Transistor 218 kann einen Kollektoranschluss 220, einen Source-Anschluss 222 und einen Basisanschluss 226 aufweisen. Der Kollektoranschluss 220 kann mit dem Basisanschluss 226 verbunden sein. Der Source-Anschluss 222 kann mit dem Kondensator 228 verbunden sein. Wenn das PWM-Signal zunimmt, kann der Transistor 210 eingeschaltet werden, was bewirkt, dass der Transistor 218 ebenfalls eingeschaltet wird. Der Kondensator 228 kann Energie aus dem PWM-Signal aufladen und speichern. Somit kann sich am Source-Anschluss 222 des Transistors 218 eine Spannung gleich Vz entwickeln, denn während die Spannung an der Source 214 des Transistors 210 Vz + Vbe ist, kann die Spannung am Source-Anschluss 222 des Transistors 218 ein Vbe unter der Spannung an der Source 214 des Transistors 210 sein. Die Spannung am Source-Anschluss 222 des Transistors 218 kann beispielsweise 5,2 V betragen. Diese Spannung kann dazu verwendet werden, die Schaltung innerhalb des IC 112 einzuschalten, selbst wenn das PWM-Signal abnimmt. In einigen Ausführungsformen beinhaltet die vorliegende Offenbarung Verfahren zum Erzeugen einer Spannung am Gate des GaN-Leistungstransistors 202 und zum Speichern einer geregelten Spannung in einem Speicherelement, wie etwa einem Kondensator 228.
  • Die Schaltung 200 kann einen Transistor 240 beinhalten, der dazu verwendet werden kann, das Laden des Gates 208 des GaN-Leistungstransistors 202 abzuschalten, wenn das PWM abnimmt. Das Drain 242 des Transistors 240 kann mit der Basis 216 des Pull-up-Transistors 210 verbunden sein, und die Source 244 des Transistors 240 kann mit dem Substrat 248 verbunden sein. Das Gate 246 des Transistors 240 kann dazu konfiguriert sein, ein Signal Vptg2 zu empfangen. Wenn das Signal 278 abnimmt, kann das Signal Vptg2 246 zunehmen und beide Transistoren 230 und 240 einschalten. Der Pull-down-Transistor 230 kann das Gate des GaN-Leistungstransistors 202 herunterziehen, und der Transistor 240 kann die Basis 216 des Pull-up-Transistors 210 herunterziehen, wodurch er abgeschaltet wird. Durch Abschalten des Pull-up-Transistors 210 kann das Laden des Gates 208 des GaN-Leistungstransistors 202 gestoppt werden.
  • 3 zeigt einen Graphen 300 eines Ruhestroms am Eingangsanschlussstift 257 der Schaltung 200 in 2 und einen Graphen 310, der eine Gate-Spannung des GaN-Leistungstransistors 202 der Schaltung 200 in 2 zeigt. Der Graph 308, der den Ruhestrom zeigt, der Graph 310, der die Gate-Spannung zeigt, wurden als Funktion der PWM-Spannung 306 aufgetragen. Wie in 3 gezeigt, steigt die Gate-Spannung des GaN-Leistungstransistors linear mit steigender PWM-Spannung 306 an, wenn sich das Gate lädt. Die Gate-Spannung steigt auf etwa 6,0 V an und wird auf diese Spannung geklemmt, da die Klemmschaltung 295 das Gate 208 des GaN-Leistungstransistors 202 klemmt. Ferner zeigt der Graph 308, dass kein statischer Strom in den PWM-Anschluss fließt, bevor das Gate geklemmt wird. Es gibt keinen Strom, bis die Klemmschaltung 295 aktiviert wird. Wenn das Gate 208 geklemmt wird, steigt der Ruhestrom linear an. In einigen Ausführungsformen kann dieses Merkmal das integrierte GaN-Leistungsgerät 100 mit diskreten Leistungsanwendungen kompatibel machen, da ihr Standby-Gate-Strom null ist.
  • Sättigungsstromschutzschaltungen
  • 4A veranschaulicht schematisch eine Schaltung 400A mit Sättigungsstromschutzmerkmal gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung. Wie in 4A gezeigt, kann die Schaltung 400A einen GaN-Leistungstransistor 440 mit einem Gate 412, einem Drain 422 und einer Source 428 beinhalten. Das Drain 422 kann mit einer Last verbunden sein. Die Schaltung 400A kann dazu verwendet werden, zu erkennen, wann der GaN-Leistungstransistor 440 in seinen Sättigungsbetriebsbereich eintritt. Der Betrieb in einem Sättigungsbereich kann auftreten, wenn der Drain-Strom eines Transistors ansteigt, während seine Drain-zu-Source-Spannung relativ konstant bleibt.
  • Wie in 4A gezeigt, kann die Source 428 des GaN-Leistungstransistors 440 mit einem Masseknoten 430 verbunden sein. Die Schaltung 400A kann eine Drain-Spannung des GaN-Leistungstransistors unter Verwendung eines GaN-Transistors 442 überwachen. In einigen Ausführungsformen kann der Transistor 442 ein GaN-Transistor vom Verarmungstyp sein. Während der GaN-Leistungstransistor 440 ein Hochspannungstransistor mit Betriebsspannungen von beispielsweise 400 V sein kann, kann die Schaltung 400A eine Niederspannungsschaltung zum Überwachen des GaN-Leistungstransistors 440 sein und verhindern, dass er im Sättigungsbereich arbeitet. In der veranschaulichten Ausführungsform kann eine Spannung am Drain 422 des GaN-Leistungstransistors 440 überwacht werden, und wenn diese Spannung einen Schwellenwert überschreitet, beispielsweise 8 V, kann die Schaltung 400A den GaN-Leistungstransistor 440 abschalten, um ihn vor Beschädigung zu schützen, wodurch eine Beschädigung des Leistungsumwandlers verhindert wird. Genauer gesagt kann die Schaltung 400A in einigen Ausführungsformen einen GaN-Transistor 442 vom Verarmungstyp (D-Modus) verwenden, wobei das Drain 422 des GaN-Leistungstransistors 440 mit dem Drain 421 des Transistors 442 verbunden ist. Das Gate 426 des Transistors 442 kann mit dem Masseknoten 430 verbunden sein. Eine Source 424 des Transistors 442 kann mit einem Widerstandsteiler 419 verbunden sein.
  • Die Schaltung 400A kann einen Komparator 406 und Logikschaltungen 408 beinhalten. In einigen Ausführungsformen können der Widerstandsteiler 419, der Komparator 406 und die Logikschaltungen 408 in Niederspannungssiliziumtechnologie ausgebildet sein. In verschiedenen Ausführungsformen können der Widerstandsteiler 419, der Komparator 406 und die Logikschaltungen 408 in einer GaN-Technologie ausgebildet und in denselben Chip wie der GaN-Leistungstransistor 440 integriert sein. In einigen Ausführungsformen kann der Widerstandsteiler 419 zwei Widerstände 402 und 404 beinhalten, die in Reihe geschaltet sind. Ein Ausgang 416 des Widerstandsteilers kann mit einem ersten Eingang 499 des Komparators 406 verbunden sein, während ein zweiter Eingang 414 des Komparators 406 mit einer Referenzspannung (VRef) 415 verbunden sein kann. Die Referenzspannung 415 kann beispielsweise einen Wert von 2,5 V aufweisen. Ein Ausgang 418 des Komparators kann mit Logikschaltungen 408 verbunden sein. Eine Spannung am Drain 422 des GaN-Leistungstransistors 440 kann beispielsweise von 0 bis 400 V variieren. Die Source 424 des D-Modus-GaN-Transistors 442 kann auf ihre Abschnürspannung, beispielsweise 15 V, geklemmt werden.
  • Die Source 424 des D-Modus-GaN-Transistors 442 folgt der Drain-Spannung des GaN-Leistungstransistors 440, bis dessen Abschnürspannung erreicht ist. Danach wird die Source 424 des D-Mode-GaN-Transistors 442 auf eine Abschnürspannung, beispielsweise 15 V, geklemmt. In einigen Ausführungsformen folgt die Source-Spannung des D-Mode-GaN-Transistors 442 dessen Drain-Spannung, bis die Source-Spannung die Abschnürspannung des Transistors erreicht. An diesem Punkt wird die Source-Spannung auf die Abschnürspannung geklemmt und bleibt auf dieser Spannung konstant. Auf diese Weise kann der D-Mode-GaN-Transistor 442 eine Verbindung seiner Source 424 mit dem Widerstandsteiler 419 ermöglichen, während der Drain 421 des D-Mode-GaN-Transistors 442 bei hoher Spannung, beispielsweise bis zu 400 V, arbeiten kann. Wenn die Spannung an der Source 424 des D-Modus-GaN-Transistors 442 einen voreingestellten Wert überschreitet, beispielsweise 8 V, kann dies ein Abschalten des GaN-Leistungstransistors 440 bewirken.
  • Der Widerstandsteiler 419 kann einen Ausgang 416 bereitstellen, der seinem Eingang am Knoten 423 folgt, jedoch auf einem niedrigeren Spannungspegel. Die Ausgangsspannung des Widerstandsteilers 419 kann mit einer Referenzspannung 415 verglichen werden, beispielsweise 2,5 V, die eine Schwelle des Komparators 406 ist. Wenn die Spannung am Eingang 499 des Komparators VRef übersteigt, kann der Komparator 406 schalten und kann seine Ausgangsspannung 418 von einem niedrigen Status in einen hohen Status übergehen. Der Ausgang 418 des Komparators 406 kann mit Logikschaltungen 408 verbunden sein. Wenn der Ausgang 418 des Komparators einen hohen Status annimmt, schaltet der Ausgang 420 der Logikschaltungen 408 das Gate des GaN-Leistungstransistors 440 ab und schaltet den GaN-Leistungstransistor 440 ab. Der Fachmann wird verstehen, dass der Transistor 442 ein D-Modus-GaN-Transistor sein kann, der in denselben Chip wie der GaN-Leistungstransistor 440 integriert sein kann. In einigen Ausführungsformen kann der Transistor 442 ein GaN-Transistor vom Anreicherungstyp sein. In verschiedenen Ausführungsformen kann der Transistor 442 ein Siliziumtransistor sein.
  • 4B veranschaulicht einen Graphen 400B, der Spannungen von Knoten innerhalb der Schaltung 400A als eine Funktion der Zeit zeigt. Ein Graph 422a zeigt die Drain-Spannung des GaN-Leistungstransistors 440, wobei diese Spannung von 0 Volt bis 400 V gehen kann. Ein Graph 424a zeigt die Source-Spannung des D-Mode-GaN-Transistors 442 nach der Drain-Spannung des GaN-Leistungstransistors 440 (Graph 422a). Wie in Graph 424a gezeigt, geht die Quellenspannung von 0 V auf 15 V, wobei die Source des D-Modus-GaN-Transistors 442 auf 15 V geklemmt ist. Ein Graph 416a zeigt die Ausgangsspannung 416 des Widerstandsteilers 419. Ein Graph 415a zeigt den Wert von VRef bei 2,5 V. Schließlich zeigt Graph 418a die Ausgangsspannung des Komparators 406, wobei der Komparator von einem niedrigen Status in einen hohen Status umschaltet, wenn 416a (Ausgang des Widerstandsteilers) 415a (VRef) kreuzt. Wie der Fachmann erkennen wird, sind die im Graphen 400B gezeigten Spannungen nur Beispiele und können andere Ausführungsformen andere Betriebseigenschaften aufweisen.
  • 5 veranschaulicht ein Schema einer Schaltung 500, die ein Sättigungsstromschutzmerkmal beinhaltet, gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung. Die Schaltung 500 ähnelt der Schaltung 400. Ein Ausnahme-Gate 526 des Transistors 542 ist mit dem Gate 512 des GaN-Leistungstransistors 540 verbunden. Dies ermöglicht die Verwendung von D-Modus-GaN-Transistoren mit niedriger Abschnürung, beispielsweise 5 V, zum Erfassen einer Drain-Spannung an dem Drain 522 des GaN-Leistungstransistors 540. Um eine Drain-Spannung des GaN-Leistungstransistors 540 unter Verwendung des D-Modus-GaN-Transistors 542 mit einer niedrigen Abschnürspannung zu überwachen, kann eine dynamische Vorspannung des Gates 526 dazu verwendet werden, einen ordnungsgemäßen Betrieb des D-Modus-GaN-Transistors zu ermöglichen. Die dynamische Vorspannung kann eine Gate-Spannung des D-Modus-GaN-Transistors 542 erhöhen und dafür sorgen, dass die Gate-zu-Source-Spannung des D-Modus-GaN-Transistors variiert, anstatt fest zu sein.
  • Die Schaltung 500 kann dazu verwendet werden, zu erkennen, wann der GaN-Leistungstransistor 440 in seinen Sättigungsbetriebsbereich eintritt. Die Source 528 des GaN-Leistungstransistors 540 kann mit einem Masseknoten 530 verbunden sein. Die Schaltung 500 kann eine Drain-Spannung des GaN-Leistungstransistors unter Verwendung eines Transistors 542 überwachen. Während der GaN-Leistungstransistor 540 ein Hochspannungstransistor mit einer Betriebsspannung von beispielsweise 400 V sein kann, kann die Schaltung 500 Niederspannungsschaltungen dazu verwenden, den GaN-Leistungstransistor zu überwachen und zu verhindern, dass er im Sättigungsbereich arbeitet. In einigen Ausführungsformen kann dies durch Überwachen einer Spannung am Drain 522 des GaN-Leistungstransistors 540 erfolgen, und wenn die Spannung einen Schwellenwert überschreitet, beispielsweise 8 V, kann die Schaltung 500 den GaN-Leistungstransistor abschalten, um ihn vor Beschädigung zu schützen. Genauer gesagt kann bei der Schaltung 500 ein D-Modus-GaN-Transistor 542 verwendet werden, wobei das Drain 522 des GaN-Leistungstransistors 540 mit dem Drain 521 des Transistors 542 verbunden ist. Die Schaltung 500 kann einen Komparator 506 und Logikschaltungen 508 beinhalten.
  • In einigen Ausführungsformen können der Widerstandsteiler 519, der Komparator 506 und die Logikschaltungen 508 in Niederspannungs-Siliziumtechnologie ausgebildet sein. In verschiedenen Ausführungsformen können der Widerstandsteiler 519, der Komparator 506 und die Logikschaltungen 508 in einer GaN-Technologie ausgebildet und in denselben Chip wie der GaN-Leistungstransistor 540 integriert sein. Der Widerstandsteiler 519 kann zwei in Reihe geschaltete Widerstände 502 und 504 beinhalten. Ein Ausgang 516 des Widerstandsteilers kann mit einem ersten Eingang des Komparators 506 verbunden sein, während ein zweiter Eingang 514 des Komparators 506 mit einer Referenzspannung (VRef) 515 verbunden sein kann. Die Referenzspannung 515 kann beispielsweise einen Wert von 2,5 V aufweisen. Ein Ausgang 518 des Komparators kann mit Logikschaltungen 508 verbunden sein. Eine Spannung am Drain 522 des GaN-Leistungstransistors 540 kann beispielsweise von 0 bis 400 V variieren. Die Source 524 des Transistors 542 wird auf ihre Abschnürspannung, beispielsweise 15 V, geklemmt. Die Source 524 des Transistors 542 folgt der Drain-Spannung des GaN-Leistungstransistors 540, bis dessen Abschnürspannung erreicht ist. Danach wird die Source 524 des Transistors 542 auf die Abschnürspannung, beispielsweise 15 V, geklemmt. Der Transistor 542 hat eine Eigenschaft, dass seine Source-Spannung seiner Drain-Spannung folgt, bis die Source-Spannung die Abschnürspannung des Transistors erreicht. An diesem Punkt wird die Source-Spannung auf die Abschnürspannung geklemmt und bleibt auf dieser Spannung konstant. Auf diese Weise kann der D-Modus-GaN-Transistor 542 eine Verbindung seiner Source 524 mit dem Niederspannungs-Widerstandsteiler 519 ermöglichen, während das Drain 521 des D-Modus-GaN-Transistors 542 bei hoher Spannung, beispielsweise bis zu 400 V, arbeiten kann. Wenn die Spannung an der Source 524 des Transistors 542 einen voreingestellten Wert überschreitet, beispielsweise 8 V, kann dies ein Abschalten des GaN-Leistungstransistors 540 bewirken.
  • Der Widerstandsteiler 519 kann einen Ausgang 516 bereitstellen, der seinem Eingang am Knoten 523 folgt, jedoch auf einem niedrigeren Spannungspegel. Die Ausgangsspannung des Widerstandsteilers 519 kann mit einer Referenzspannung 515 verglichen werden, beispielsweise 2,5 V, die eine Schwelle des Komparators 506 ist. Wenn die Spannung am Eingang 599 des Komparators VRef übersteigt, kann der Komparator 506 seine Ausgangsspannung bei 518 von einem niedrigen Status in einen hohen Status schalten. Der Ausgang 518 des Komparators 506 kann mit Logikschaltungen 508 verbunden sein. Wenn der Ausgang 518 einen hohen Status annimmt, schaltet der Ausgang 520 der Logikschaltungen 508 das Gate des GaN-Leistungstransistors 540 ab und schaltet den GaN-Leistungstransistor 540 ab. Der Fachmann wird verstehen, dass der Transistor 542 ein D-Modus-GaN-Transistor sein kann, der in denselben Chip wie der GaN-Leistungstransistor 540 integriert sein kann. In einigen Ausführungsformen kann der Transistor 542 ein GaN-Transistor vom Anreicherungstyp sein. In verschiedenen Ausführungsformen kann der Transistor 542 ein Siliziumtransistor sein.
  • 6 veranschaulicht schematisch eine Schaltung 600 mit einem Sättigungsstromschutzmerkmal gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung. Die Schaltung 600 ähnelt der Schaltung 400. Ein Ausnahme-Gate 626 des Transistors 642 ist mit einem Ausgang der Logikschaltungen 608 verbunden und wird unabhängig von den Logikschaltungen 608 gesteuert. Dies ermöglicht die Verwendung von D-Modus-GaN-Transistoren mit niedriger Abschnürung, beispielsweise 5 V, zum Erfassen einer Drain-Spannung an dem Drain 622 des GaN-Leistungstransistors 640. Um eine Drain-Spannung des GaN-Leistungstransistors 640 unter Verwendung des D-Modus-GaN-Transistors 642 mit einer niedrigen Abschnürspannung zu überwachen, kann eine unabhängige Vorspannung des Gates 626 dazu verwendet werden, einen ordnungsgemäßen Betrieb des D-Modus-GaN-Transistors zu ermöglichen. Die dynamische Vorspannung kann eine Gate-Spannung des D-Modus-GaN-Transistors 642 erhöhen und dafür sorgen, dass die Gate-zu-Source-Spannung des D-Modus-GaN-Transistors variiert, anstatt fest zu sein.
  • Die Schaltung 600 kann dazu verwendet werden, zu erkennen, wann der GaN-Leistungstransistor 640 in seinen Sättigungsbetriebsbereich eintritt. Die Source 628 des GaN-Leistungstransistors 640 kann mit einem Masseknoten 630 verbunden sein. Die Schaltung 600 kann eine Drain-Spannung des GaN-Leistungstransistors unter Verwendung eines Transistors 642 überwachen. Während der GaN-Leistungstransistor 640 ein Hochspannungstransistor mit einer Betriebsspannung von beispielsweise 400 V sein kann, kann die Schaltung 600 Niederspannungsschaltungen dazu verwenden, den GaN-Leistungstransistor zu überwachen und zu verhindern, dass er im Sättigungsbereich arbeitet. Dies kann durch Überwachen einer Spannung am Drain 622 des GaN-Leistungstransistors 640 erfolgen, und wenn die Spannung einen Schwellenwert überschreitet, beispielsweise 8 V, kann die Schaltung 600 den GaN-Leistungstransistor abschalten, um ihn vor Beschädigung zu schützen. Genauer gesagt kann bei der Schaltung 600 ein D-Modus-GaN-Transistor 642 verwendet werden, wobei das Drain 622 des GaN-Leistungstransistors 640 mit dem Drain 621 des Transistors 642 verbunden ist.
  • Die Schaltung 600 kann einen Komparator 606 und Logikschaltungen 608 beinhalten. In einigen Ausführungsformen können der Widerstandsteiler 619, der Komparator 606 und die Logikschaltungen 608 in Niederspannungs-Siliziumtechnologie ausgebildet sein. In verschiedenen Ausführungsformen können der Widerstandsteiler 619, der Komparator 606 und die Logikschaltungen 608 in einer GaN-Technologie ausgebildet und in denselben Chip wie der GaN-Leistungstransistor 640 integriert sein. Der Widerstandsteiler 619 kann zwei in Reihe geschaltete Widerstände 602 und 604 beinhalten. Ein Ausgang 616 des Widerstandsteilers kann mit einem ersten Eingang des Komparators 606 verbunden sein, während ein zweiter Eingang 614 des Komparators 606 mit einer Referenzspannung (VRef) 615 verbunden sein kann. Die Referenzspannung 615 kann beispielsweise einen Wert von 2,5 V aufweisen. Ein Ausgang 618 des Komparators kann mit Logikschaltungen 608 verbunden sein.
  • Eine Spannung am Drain 622 des GaN-Leistungstransistors 640 kann beispielsweise von 0 bis 400 V variieren. Die Source 624 des Transistors 642 wird auf ihre Abschnürspannung, beispielsweise 15 V, geklemmt. Die Source 624 des Transistors 642 folgt der Drain-Spannung des GaN-Leistungstransistors 640, bis dessen Abschnürspannung erreicht ist. Danach wird die Source 624 des Transistors 642 auf die Abschnürspannung, beispielsweise 15 V, geklemmt. Der Transistor 642 hat eine Eigenschaft, dass seine Source-Spannung seiner Drain-Spannung folgt, bis die Source-Spannung die Abschnürspannung des Transistors erreicht. An diesem Punkt wird die Source-Spannung auf die Abschnürspannung geklemmt und bleibt auf dieser Spannung konstant. Auf diese Weise kann der D-Modus-GaN-Transistor 642 eine Verbindung seiner Source 624 mit dem Widerstandsteiler 619 ermöglichen, während das Drain 621 des D-Modus-GaN-Transistors 642 bei hoher Spannung, beispielsweise bis zu 400 V, arbeiten kann. Wenn die Spannung an der Source 624 des Transistors 642 einen voreingestellten Wert überschreitet, beispielsweise 8 V, kann dies ein Abschalten des GaN-Leistungstransistors 640 bewirken.
  • Der Widerstandsteiler 619 kann einen Ausgang 616 bereitstellen, der seinem Eingang am Knoten 623 folgt, jedoch auf einem niedrigeren Spannungspegel. Die Ausgangsspannung des Widerstandsteilers 619 kann mit einer Referenzspannung 615 verglichen werden, beispielsweise 2,5 V, die eine Schwelle des Komparators 606 ist. Wenn die Spannung am Eingang 699 des Komparators VRef übersteigt, kann der Komparator 606 die Ausgangsspannung 618 von einem niedrigen Status in einen hohen Status schalten. Der Ausgang 618 des Komparators 606 kann mit Logikschaltungen 608 verbunden sein. Wenn der Ausgang 618 einen hohen Status annimmt, schaltet der Ausgang 620 der Logikschaltungen 608 das Gate 612 des GaN-Leistungstransistors 640 ab und schaltet den GaN-Leistungstransistor 640 ab. Der Fachmann wird verstehen, dass der Transistor 642 ein D-Modus-GaN-Transistor sein kann, der in denselben Chip wie der GaN-Leistungstransistor 640 integriert sein kann. In einigen Ausführungsformen kann der Transistor 642 ein GaN-Transistor vom Anreicherungstyp sein. In verschiedenen Ausführungsformen kann der Transistor 642 ein Siliziumtransistor sein.
  • Einschalt-dv/dt-Steuerung
  • 7A veranschaulicht schematisch eine Schaltung 700A mit Einschalt-dv/dt-Steuerungsmerkmal gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung. Die Schaltung 700A kann dazu verwendet werden, die relativ hohen parasitären Induktivitäten von elektronischen Gehäusen, wie etwa TO-247- oder TOLL-Gehäusen, ohne darauf beschränkt zu sein, abzuschwächen. Die Schaltung 700A veranschaulicht eine Variation der Schaltung 200. Die Schaltung 700A veranschaulicht einen GaN-Leistungstransistor 202 zusammen mit einer Treiber-IC 710 und Einschalt-dV/dt-Steuerschaltungen. Die Schaltung 700A kann ein Impedanzelement 704 beinhalten. In einigen Ausführungsformen kann die Schaltung 200 mit einem Impedanzelement 704 gekoppelt sein. Das Impedanzelement kann sich außerhalb des integrierten GaN-Leistungsgeräts 100 befinden. In verschiedenen Ausführungsformen kann das Impedanzelement 704 eine oder mehrere passive Komponenten beinhalten. In einigen Ausführungsformen kann das Impedanzelement 704 ein Widerstandselement sein, während in anderen Ausführungsformen das Impedanzelement 704 ein Widerstandselement und ein kapazitives Element beinhalten kann, wobei das kapazitive Element parallel zu dem Widerstandselement gekoppelt ist. In verschiedenen Ausführungsformen kann das Impedanzelement 704 ein Netzwerk aus Widerstands- und kapazitiven Elementen beinhalten. Das Impedanzelement 704 kann mit dem Eingangsanschlussstift 257 gekoppelt sein. Das Impedanzelement 704 kann dazu konfiguriert sein, ein Signal 278 zu empfangen. Das Impedanzelement 704 kann dazu verwendet werden, die Spannungsänderungsrate als Funktion der Zeit (dV/dt) für den GaN-Leistungstransistor 202 zu steuern. Wie vorstehend in 1 erörtert, kann das integrierte GaN-Leistungsgerät 100 als Stift-zu-Stift-Ersatz für eigenständige Silizium-Leistungs-MOSFET verwendet werden, daher kann eine Fähigkeit zum Steuern des dV/dt am Drain 204 des GaN-Leistungstransistors 202 vorteilhaft sein. Ohne einen dV/dt-Steuerschaltkreis kann störendes dV/dt ein Nachschwingen und Oszillationen an dem Drain 204 verursachen, die mit dem Gate 208 koppeln und ein falsches Einschalten des GaN-Leistungstransistors 202 bewirken können.
  • Eine Einschalt-dV/dt-Steuerung des GaN-Leistungstransistors 202 kann durch Verwenden eines Impedanzelements 704 erreicht werden. Das Impedanzelement 704 kann dazu verwendet werden, eine relativ schnelle Spannungsänderungsrate als Funktion der Zeit am Eingangsanschlussstift 257 zu verlangsamen. Der Gate-Treiberknoten 730 kann mit dem Gate 208 des GaN-Leistungstransistors 202 verbunden sein. Die Kondensatoren 712 und 718 und der Induktor 716 sind parasitäre Gehäuseelemente. Das Substrat kann am Knoten 706 geerdet und mit der Source 206 des GaN-Leistungstransistors 202 verbunden sein. In einigen Ausführungsformen kann das Impedanzelement 704 in die Gate-Treiber-IC integriert sein. In verschiedenen Ausführungsformen kann ein Strom durch den Eingangsanschlussstift 257, der zum Gate des GaN-Leistungstransistors 202 fließt, begrenzt werden, indem ein Strom des Pull-up-Transistors 210 begrenzt wird, um das Einschalt-dv/dt zu steuern. Dies kann durch Reduzieren einer Gate-Ansteuerung des Pull-up-Transistors 210 erreicht werden.
  • 7B veranschaulicht einen Graphen 700B, der die PWM-Spannung 740 als eine Funktion der Zeit 748 und eine Änderungsrate von Drain-zu-Source (Vds) 742 beim Einschalten des GaN-Leistungstransistors 202 als Funktion der Zeit zeigt. Wie in 7B gezeigt, nimmt mit zunehmendem Widerstand des Impedanzelements 704 eine Steigung der abfallenden Drain-Einschaltflanke ab, was eine Verringerung von dv/dt anzeigt. Die Schaltung 200 kann dieses Merkmal aktivieren, da, wenn das Signal 278 zunimmt, ein Strom, der das Gate 208 des GaN-Leistungstransistors 202 lädt, durch das Impedanzelement 704 fließt, das mit dem Pull-up-Transistor 210 in Reihe geschaltet ist. Auf diese Weise kann dv/dt am Drain 204 gesteuert und die elektromagnetische Interferenz (EMI) des Leistungswandlers reduziert werden. 7C veranschaulicht einen Graphen, der dv/dt 770 als eine Funktion des Widerstands 778 des Impedanzelements 704 der Schaltung 700A zeigt. Die Graphen 772, 774 und 776 zeigen dv/dt als eine Funktion des Widerstands 778 für hohe PWM-Werte von 8 V, 10 V bzw. 12 V. Wenn der Widerstandswert beispielsweise von wenigen Ohm auf wenige Kiloohm erhöht wird, können dv/dt-Werte von beispielsweise 100 V/ns auf 10 V/ns abnehmen.
  • 8 veranschaulicht ein Schema einer Schaltung 800, die dv/dt-Steuerschaltungen und Gate-Klemmmerkmale beinhaltet, gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung. Die Schaltung 800 zeigt eine Gate-Treiber- und Steuerschaltung 883, die mit einer GaN-basierten Schaltung 889 gekoppelt ist. Die Schaltung 800 kann dazu verwendet werden, Nachschwingen und Oszillationen abzuschwächen, die durch relativ hohe parasitäre Induktivitäten von elektronischen Gehäusen verursacht werden, wie etwa, ohne darauf beschränkt zu sein, TO-247- oder TOLL-Gehäuse, die wie in 1 beschrieben verwendet werden können. Die GaN-basierte Schaltung 889 kann einen GaN-Leistungstransistor 202 mit einem Gate 208, einem Drain 204 und einer Source 206 beinhalten. Die GaN-basierte Schaltung 889 kann ferner einen Pull-down-Transistor 822 mit einem Drain 824, einem Gate 828 und einer Source 826 beinhalten. Das Drain 824 kann mit dem Gate 208 verbunden sein, während die Source 826 mit einem Masseknoten 840 verbunden sein kann. In einigen Ausführungsformen kann die GaN-basierte Schaltung 889 in einer High-Side-Anordnung verwendet werden, wobei die Source 826 mit einem Schaltknoten (Vsw) einer Halbbrücke verbunden sein kann. Die Gate-Treiber- und Steuerschaltung 883 kann einen Pull-up-Transistor 814 mit einem Gate 816, einem Drain 818 und der Source 820 beinhalten. Das Gate 208 kann mit der Source 820 gekoppelt sein. Der Pull-up-Transistor 814 kann eine Body-Diode 819 beinhalten. Das Drain 818 kann mit einem Eingangsanschlussstift 855 gekoppelt sein. In einigen Ausführungsformen können die Gate-Treiber- und Steuerschaltung 883 auf einem siliziumbasierten Chip ausgebildet sein, während die GaN-basierte Schaltung 889 auf einem GaN-basierten Chip ausgebildet ist. In verschiedenen Ausführungsformen können die Gate-Treiber- und Steuerschaltung 883 monolithisch auf demselben Chip wie die GaN-basierte Schaltung 889 ausgebildet sein. Während in einigen Ausführungsformen die Gate-Treiber- und Steuerschaltung 883 auf einem anderen Chip als die GaN-basierte Schaltung 883 ausgebildet ist, kann der Pull-up-Transistor auf demselben Chip wie die GaN-basierte Schaltung 889 ausgebildet sein. In verschiedenen Ausführungsformen kann der Eingangsanschlussstift 855 mit externen Komponenten verbunden sein.
  • Die Schaltung 800 kann ferner eine Stromflusssteuerschaltung beinhalten. Die Stromflusssteuerschaltung kann ein Impedanzelement 804, einen unidirektionalen Stromleiter 806, ein Impedanzelement 808 und einen unidirektionalen Stromleiter 810 beinhalten. Ein Impedanzelement kann eine oder mehrere passive Komponenten beinhalten. In einigen Ausführungsformen kann das Impedanzelement ein Widerstandselement sein, während in anderen Ausführungsformen das Impedanzelement ein Widerstandselement und ein kapazitives Element beinhalten kann, wobei das kapazitive Element parallel zu dem Widerstandselement gekoppelt ist. In verschiedenen Ausführungsformen kann das Impedanzelement ein Netzwerk aus Widerstands- und kapazitiven Elementen beinhalten. Ein unidirektionaler Stromleiter kann eine Diode beinhalten, ist aber nicht darauf beschränkt. Das Impedanzelement 804 kann mit dem Knoten 802 gekoppelt sein. Der Knoten 802 kann dazu konfiguriert sein, ein Signal 278 zu empfangen. In einigen Ausführungsformen können sich das Impedanzelement 804, der unidirektionale Stromleiter 806, das Impedanzelement 808 und der unidirektionale Stromleiter 810 außerhalb des integrierten GaN-Leistungsgeräts 100 von 1 befinden. In verschiedenen Ausführungsformen können sich das Impedanzelement 804, der unidirektionale Stromleiter 806, das Impedanzelement 808 und der unidirektionale Stromleiter 810 außerhalb oder innerhalb des integrierten GaN-Leistungsgeräts 100 befinden. Die Source 820 kann mit dem Gate 208 verbunden sein. Der Pull-up-Transistor 814 kann ein Bipolartransistor oder ein MOSFET sein. In einigen Ausführungsformen kann der Pull-up-Transistor 814 ein N-MOSFET sein, während in anderen Ausführungsformen der Pull-up-Transistor 814 ein P-MOSFET sein kann.
  • Die Gate-Treiber- und Steuerschaltung 883 kann eine Logikschaltung und eine Steuerschaltung 812 beinhalten, die mit dem Gate 828 gekoppelt ist. Die Steuer- und Logikschaltung 812 kann dazu konfiguriert sein, eine Leitfähigkeit des Pull-down-Transistors 822 zu steuern. In einigen Ausführungsformen kann der Pull-down-Transistor 822 GaN-basiert sein und auf demselben Chip wie der GaN-Leistungstransistor 202 ausgebildet sein. In verschiedenen Ausführungsformen kann der Pull-down-Transistor 822 auf einem separaten Chip ausgebildet sein. In einigen Ausführungsformen kann der Pull-down-Transistor 822 in Silizium oder anderen geeigneten Halbleitersubstraten ausgebildet sein. Die Schaltung 800 kann ferner eine Klemmschaltung 853 beinhalten. In einigen Ausführungsformen beinhaltet die Schaltung 800 die Klemmschaltung 853 womöglich nicht. Die Schaltung 800 kann ferner eine Steuerschaltung 869 beinhalten, die dazu ausgelegt ist, einen Leitfähigkeitszustand des Gates 816 zu steuern. In einigen Ausführungsformen beinhaltet die Schaltung 800 womöglich kein Steuerschaltungs-Gate 816, stattdessen kann das Gate 816 über ein Impedanzelement mit dem Eingangsanschlussstift 855 verbunden sein.
  • Wenn das Signal 278 zunimmt, kann der Pull-up-Transistor 814 eingeschaltet werden. Somit kann ein Strom durch das Impedanzelement 804, den unidirektionalen Stromleiter 806 und den Transistor-Pull-up 814 zum Gate 208 fließen. Auf diese Weise kann eine Kapazität des Gates 208 geladen werden, was bewirkt, dass der GaN-Leistungstransistor 202 in einen leitenden Status übergeht. Durch Einstellen eines Werts für das Impedanzelement 804 kann ein Benutzer ein Einschalt-dV/dt des GaN-Leistungstransistors 202 steuern. Auf diese Weise können Nachschwingen und Oszillationen verhindert werden, wodurch der GaN-Leistungstransistor 202 in seinem sicheren Betriebsbereich (SOA) gehalten wird. Der Pull-up-Transistor 814 kann als Klemme wirken, um den GaN-Leistungstransistor 202 in dessen SOA zu halten. Die Klemmschaltung 853 kann eine Spannung am Gate 816 derart einstellen, dass ein großer Teil der Eingangssignalspannung über das Drain 818 zur Source 820 abfallen kann. Beispielsweise kann ein GaN-Leistungstransistor eine Nennspannung von 7 V aufweisen. Die offenbarte dV/dt-Steuerschaltung kann den GaN-Leistungstransistor in dessen SOA halten, wenn das Eingangssignal 278 beispielsweise bei 10 bis 20 V liegen kann. Wie der Durchschnittsfachmann in Kenntnis dieser Offenbarung verstehen wird, können offenbarte Einschalt-dV/dt-Steuerschaltungen das dV/dt für andere Spannungswerte am Eingangssignal steuern, beispielsweise 1 bis 50 V. Ferner können, wie der Durchschnittsfachmann erkennen wird, bei offenbarten Einschalt-dV/dt-Steuerschaltungen externe Impedanzelemente dazu verwendet werden, dV/dt zu steuern. In verschiedenen Ausführungsformen kann das Impedanzelement eine oder mehrere passive Komponenten beinhalten. In einigen Ausführungsformen kann das Impedanzelement ein Widerstandselement sein, während in anderen Ausführungsformen das Impedanzelement ein Widerstandselement und ein kapazitives Element beinhalten kann, wobei das kapazitive Element parallel zu dem Widerstandselement gekoppelt ist. In verschiedenen Ausführungsformen kann das Impedanzelement ein Netzwerk aus Widerstands- und kapazitiven Elementen beinhalten. In einigen Ausführungsformen kann das Gate 816 durch andere Logikschaltungen anstelle der Klemmschaltung 853 gesteuert werden. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Klemmschaltung 853 der Klemmschaltung 295 ähnlich sein.
  • Wenn das Signal 278 abnimmt, kann sich eine Ladung am Gate 208 durch die Body-Diode 819, das Impedanzelement 808 und den unidirektionalen Stromleiter 810 entladen. Auf diese Weise kann die Ladung des Gates 208 entladen werden, wodurch eine Spannung am Gate 208 niedrig werden kann, was bewirkt, dass der GaN-Leistungstransistor 202 in einen nichtleitenden Status übergeht. Durch Einstellen eines Werts für das Impedanzelement 808 kann ein Benutzer ein Abschalt-dV/dt des GaN-Leistungstransistors 202 steuern. Auf diese Weise können Nachschwingen und Oszillationen verhindert werden, wodurch der GaN-Leistungstransistor im nichtleitenden Status gehalten wird. Darüber hinaus kann die Logik- und Steuerschaltung 812 eine Spannung am Gate 208 erfassen. Wenn die Spannung auf einen Wert unter einem Schwellenwert abfällt, kann die Logik- und Steuerschaltung 812 den Pull-down-Transistor 822 nach einer relativ kurzen Zeitspanne einschalten. Auf diese Weise wird das Gate 208 in einem niedrigen Status gehalten und daran gehindert, den GaN-Leistungstransistor 202 fälschlicherweise einzuschalten. In einigen Ausführungsformen kann die Schaltung 800 in einer High-Side-Konfiguration verwendet werden. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Schaltung 800 in einer Halbbrückenkonfiguration verwendet werden. In einigen Ausführungsformen kann die Schaltung 800 in einer Low-Side-Konfiguration verwendet werden.
  • Abschalt-dI/dt-Steuerung
  • 9 veranschaulicht schematisch eine Schaltung 900 mit einem Abschalt-dI/dt-Steuermerkmal gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung. Die Schaltung 900 kann dazu verwendet werden, die relativ hohen parasitären Induktivitäten von TO-247- oder TOLL-Gehäusen abzuschwächen. Die Schaltung 900 kann einen GaN-Leistungstransistor 926 mit einer Source 928, einem Gate 924 und einem Drain 922 beinhalten. In einigen Ausführungsformen kann der GaN-Leistungstransistor innerhalb seines Gehäuses angeschlossen werden, indem Bonddrähte zwischen dem GaN-Transistorchip und dessen Gehäuse verbunden werden. Den Bonddrähten können Induktivitäten zugeordnet sein. Die Schaltung 900 zeigt eine Induktivität 920 eines Bonddrahts mit einem Induktivitätswert L. Beispielsweise kann eine Bonddrahtinduktivität durch eine Abwärtsverbindung zwischen einer Source 928 des GaN-Leistungstransistors 926 und einem Gehäusepad erzeugt werden. Element 918 repräsentiert die Induktivität des Gehäuses gegenüber der Leiterplatine. Die Bonddrahtinduktivität L von 920 kann dazu verwendet werden, die Änderungsrate des Stroms als Funktion der Zeit (dI/dt) in der Source des GaN-Leistungstransistors 926 zu erfassen. Wenn der GaN-Leistungstransistor abgeschaltet wird, nimmt der Strom durch die Source des GaN-Leistungsgeräts ab. Dies kann bewirken, dass sich ein Spannungswert über der Induktivität 920, der durch L x dI/dt gegeben ist, schnell ändert. Die Spannung über der Induktivität 920 wird von den Widerständen 914 und 916 erfasst. Der Widerstand 914 ist mit einer Kathode 919 einer Diode 912 verbunden, und der Widerstand 916 ist mit einer Anode 917 der Diode 912 verbunden.
  • Die erfasste Spannung wird in eine Source 910 eines Pull-down-Transistors 904 zurückgeführt. Ein Drain 902 des Transistors 904 kann mit einem Gate 924 des GaN-Leistungstransistors 926 verbunden sein. In einigen Ausführungsformen kann der Pull-down-Transistor 904 ein Siliziumtransistor sein, während er in anderen Ausführungsformen ein GaN-Transistor sein kann, der in denselben Chip wie der GaN-Leistungstransistor 926 integriert sein kann. Eine Spannung an der Source 910 des Pull-down-Transistors 904 kann ansteigen, wenn eine Spannung über der Induktivität 920 ansteigt, weil die Spannung über der Induktivität 920 mit einer positiven Polarität in die Source 910 zurückgeführt wird. Wenn die Spannung an der Source 910 des Pull-down-Transistors 904 ansteigt, kann die Gate-zu-Source-Spannung (Vgs) abnehmen, was dazu führen kann, dass der Pull-Transistor 904 weniger Ansteuerung hat. Dies wiederum kann eine Abschaltgeschwindigkeit des GaN-Leistungstransistors 926 verringern. Je mehr Spannung über der Induktivität 920 entwickelt wird, desto weniger Ansteuerung kann der Pull-down-Transistor 904 aufweisen, was wiederum das Abschalten des GaN-Leistungstransistors 926 verlangsamen kann. Der Fachmann wird verstehen, dass der Transistor 904, die Widerstände 914 und 916 und die Diode 912 in GaN ausgebildet und in denselben Chip wie der des GaN-Leistungstransistors 926 integriert sein können oder in Silizium ausgebildet sein können oder einige Komponenten in GaN ausgebildet sein können, während andere Komponenten in Silizium ausgebildet sind.
  • In einigen Ausführungsformen kann die Rückkopplung der Spannung über die Induktivität 920 dazu verwendet werden, eine Spannung am Gate 906 des Pull-down-Transistors 904 zu modulieren, um die Pull-down-Ansteuerung zu reduzieren und das Abschalten des GaN-Leistungstransistors 926 zu verlangsamen. Die Source 910 des Transistors 904 kann mit der Source 928 des GaN-Leistungstransistors 926 verbunden sein, während eine Spannung am Gate 906 des Pull-down-Transistors 904 moduliert wird, um die Ansteuerungsfähigkeit des Pull-down-Transistors 904 einzustellen. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Induktivität L der Induktivität 920 aufgrund von Herstellungsvariationen variieren. Die Schaltung 900 kann die Schwankungen des Werts der Induktivität L kompensieren. Wenn zum Beispiel der Wert der Induktivität L sinkt, sinkt auch das über der Induktivität 920 entwickelte Signal, jedoch ist dieses Signal ausreichend, um eine Rückkopplung in den Pull-down-Transistor 904 bereitzustellen, da der Wert von L x dI/dt des GaN-Leistungstransistors ebenfalls gesunken ist.
  • In einigen Ausführungsformen kann die Abschalt-dI/dt-Steuerung eine Spannungsspitze über dem Treiber sowie über Drain-Source des Leistungstransistors 926 steuern. Die Abschalt-dI/dt-Steuerung kann diese Spitzen unabhängig vom Wert der Induktivität L abschwächen. Wenn beispielsweise der Wert der Induktivität L abnimmt, kann das Abschalt-dI/dt-Steuerungssystem höhere dI/dt abschwächen. Die Abschalt-dI/dt-Steuerung kann die Spannungsspitzen abschwächen, solange L x dI/dt die Rückkopplungsschleife einschaltet, die den Widerstand 916, die Diode 912 und den Widerstand 914 beinhaltet. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Diode 912 eine Rückkopplung der positiven Spannung über der Bonddrahtinduktivität 920 bereitstellen (d. h., der Knoten 930 ist relativ zum Knoten 932 positiv). Auf diese Weise kann das Abschalt-dI/dt-Steuersystem verhindern, dass Spannungsschwingungen in das System rückgekoppelt werden, was zu Hochfrequenzoszillationen führen kann. Der Fachmann wird verstehen, dass das beschriebene Abschalt-dI/dt-Steuersystem und die beschriebene Schaltung in jeder Stromwandlungsschaltung verwendet werden können, die einen Leistungstransistor beinhaltet, einschließlich, aber nicht beschränkt auf t-, GaN- und/oder Silizium-Leistungstransistoren, wenn eine Bonddrahtinduktivität 920 verfügbar ist.
  • Gate-Treiberschaltung mit Hysterese
  • 10 veranschaulicht schematisch eine Gate-Treiberschaltung 1000 mit Hysterese gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung. Die Schaltung 1000 kann innerhalb der Schaltung 200 dazu verwendet werden, eine Gate-Ansteuerung mit Hysteresetechnik bereitzustellen, die zum Ansteuern des GaN-Leistungstransistors 202 verwendet werden kann. Die Schaltung 1000 kann einen GaN-Leistungstransistor 1024 mit einer Source 1030, einem Gate 1026 und einem Drain 1028 beinhalten. Die Schaltung 1000 kann eine Schiene 1020 beinhalten, die dazu konfiguriert ist, das PWM-Signal 1011 zu empfangen. Wenn das PWM-Signal 1011 hoch ist, kann es den Transistor 1010 einschalten, der mit dem Laden des Gates 1026 des GaN-Leistungstransistors 1024 beginnen kann. Eine Source 1012 des Transistors 1010 kann mit der Schiene 1020 verbunden sein, die mit dem Eingangs-PWM-Signal 1011 verbunden ist. Eine Zenerdiode 1018 kann mit dem Gate 1014 des Transistors 1010 verbunden sein, um eine Spannung am Gate 1014 des Transistors 1010 zu klemmen. Das Gate des GaN-Leistungstransistors 1024 kann mit einer Rückkopplungs- und Hystereseschaltung 1050 verbunden sein. Die Rückkopplungs- und Hystereseschaltung kann einen Widerstandsteiler beinhalten, der durch die Widerstände 1052, 1054 und 1056 und einen Transistor 1070 gebildet wird. Der erste Eingang 1096 eines Komparators 1094 kann mit einem Ausgang 1049 des Widerstandsteilers verbunden sein, der durch die Widerstände 1052, 1054 und 1056 gebildet wird. Der Komparator 1094 kann eine Spannung am Gate des GaN-Leistungstransistors 1024 durch den Widerstandsteiler überwachen. Wenn das Gate des GaN-Leistungstransistors 1024 niedrig ist, ist ein Drain 1016 des Transistors 1010 niedrig, so dass der Transistor 1010 das Gate des GaN-Leistungstransistors 1024 einschalten und laden kann. Die Spannung am Gate 1026 des GaN-Leistungstransistors nimmt zu, wenn er geladen wird.
  • Der Komparator 1094 kann einen hohen Status des Gates des GaN-Leistungstransistors 1024 erkennen, indem er eine Spannung an seinem ersten Eingang 1096 und eine Referenzspannung VRef am Knoten 1077 vergleicht. Wenn die Spannung am ersten Eingang 1096 zunimmt, schaltet der Komparator 1094 um und sein Ausgang 1098 kann zunehmen. Der Ausgang 1098 kann dann den Transistor 1005 durch den Puffer 1015 hindurch einschalten. Der Transistor 1005 kann über den Widerstand 1092 mit dem Gate 1006 des PMOS-Transistors 1004 verbunden sein. Wenn der Transistor 1005 eingeschaltet wird, nimmt eine Spannung am Gate 1006 eines PMOS-Transistors 1004 ab, wodurch der PMOS-Transistor 1004 eingeschaltet wird. Eine Source 1002 des PMOS-Transistors 1004 kann mit der Schiene 1020 verbunden sein, und ein Drain 1008 kann mit einem Gate 1014 des Transistors 1010 verbunden sein. Eine Zenerdiode 1022 kann mit dem Gate 1006 des PMOS-Transistors 1004 verbunden sein, um dessen Gate-Spannung zu klemmen und eine Beschädigung dessen Gates zu verhindern. Wenn der PMOS-Transistor 1004 eingeschaltet wird, kann er den Transistor 1010 abschalten. Somit kann das Gate des GaN-Leistungstransistors auf einem hohen Status bleiben. Wenn die Spannung am Gate des GaN-Leistungstransistors aufgrund eines Lecks durch parasitäre Elemente abfällt, kann der Komparator 1094 aufgrund einer Hysterese wieder eingeschaltet werden und den Transistor 1010 wieder einschalten und das Gate des GaN-Leistungstransistors laden.
  • Die Schaltung 1000 kann die Verwendung von PWM-Signalen mit einem breiten Bereich von Spannungsvariationen ermöglichen, beispielsweise von 5 V bis 30 V, indem ein Pull-up-Transistor 1010 verwendet wird. Wenn der Pull-up-Transistor 1010 in die Schaltung 1000 eingeführt wird, kann sein Gate 1014 unter Verwendung der Rückkopplungs- und Hystereseschaltung 1050 gesteuert werden. Die Schaltung 1000 kann einen Puffer 1019 beinhalten, der ein Gate 1080 des Transistors 1086 und ein Gate 1076 des Transistors 1070 steuern kann. Wenn sich das Gate des GaN-Leistungstransistors 1024 in einem hohen Status befindet, befindet sich ein umgedrehter Ausgang 1017 des Komparators 1094 in einem hohen Status. Der umgedrehte Ausgang 1017 treibt das Gate 1080 des Transistors 1086 durch den Puffer 1019 und schaltet den Transistor 1086 aus, was es einer Spannung am Drain 1082 ermöglichen kann, die mit dem Widerstand 1090 verbunden ist, sich zu einer Spannung an einer Schiene 1020 zu bewegen, um ein Abschalten des Transistors 1010 zu ermöglichen. Gleichzeitig kann der Transistor 1005 eingeschaltet werden, was zu einem Abschalten des Transistors 1004 führt. Die Transistoren 1032, 1060 und 1042 in Kombination mit der Zenerdiode 1040 bilden eine Klemmschaltung für das Gate 1026 des GaN-Leistungstransistors 1024, um zu verhindern, dass die Gate-Spannung ihren sicheren Betriebsbereich überschreitet. Die Schaltung 1000 ermöglicht das Ansteuern des Gates des GaN-Leistungstransistors 1024 bei relativ niedrigen PWM-Spannungen, während sie das Ansteuern des Gates des GaN-Leistungstransistors 1024 ebenso bei relativ hohen PWM-Spannungen ermöglicht.
  • 11 veranschaulicht einen Graphen 1100, der Spannungen an verschiedenen Knoten innerhalb der Schaltung 1000 zeigt. Der Graph 1102 zeigt, dass das PWM-Signal zunimmt. Der Graph 1104 zeigt, wie die Komparatoreingangsspannung am ersten Eingang 1096 zunimmt. Der Graph 1106 zeigt, dass die Spannung des Komparatorausgangs 1098 zunimmt. Der Graph 1108 zeigt, wie die Spannung am Gate des GaN-Leistungstransistors 1024 zunimmt.
  • In verschiedenen Ausführungsformen kann Hysterese beispielsweise innerhalb des Komparators 1094 selbst implementiert werden. Der Komparator kann eine Hysterese aufweisen, oder der Komparator kann zwei unterschiedliche Niveaus von Referenzspannungen verwenden. In einigen Ausführungsformen kann die Gate-Treiberschaltung mit Hysterese den Transistor des Pull-up-Transistors 1010 auf verschiedene Weise steuern. In einigen Ausführungsformen kann der Gate-Treiber mit Hysterese ohne die Gate-Klemmschaltung funktionieren, die die Transistoren 1032, 1060 und 1042 beinhaltet. Die Gate-Treiberschaltung mit Hysterese kann mit oder ohne Klemmschaltung funktionieren. In verschiedenen Ausführungsformen kann ein Gate-Treiber mit Hysterese in zahlreichen Gate-Treiber-Anwendungen verwendet werden. Außerdem kann ein Gate-Treiber mit Hystereseschaltung als Spannungsregler verwendet werden, wie in 12 veranschaulicht.
  • 12 veranschaulicht schematisch einen Spannungsregler 1200 gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung. Der Spannungsregler 1200 kann eine Gate-Spannung des Transistors 1010 der Schaltung 1000 regeln. Das Drain 1016 kann mit einem Kondensator 1220 und einer Last 1218 verbunden sein. Die Widerstände 1208 und 1210 können einen Widerstandsteiler bilden, der dazu ausgelegt ist, ein Rückkopplungssignal bereitzustellen. Das Rückkopplungssignal kann am Knoten 1206 erzeugt werden, der in einen Eingang eines Komparators 1204 eingespeist wird. Der Komparator 1204 kann eine Hysterese aufweisen. Der Komparator 1204 kann die Spannung am Knoten 1206 mit einer Referenzspannung Vref vergleichen und eine Spannung am Knoten 1227 an eine Steuerschaltung 1202 liefern. Die Steuerschaltung 1202 kann eine Gate-Spannung des Transistors 1010 regeln.
  • 13 veranschaulicht ein integriertes GaN-Leistungsgerät 1300 gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung. Wie in 13 gezeigt, kann das integrierte GaN-Leistungsgerät 1300 ein TO-247-Gehäuse dazu verwenden, die Gate-Treiber-IC 112 und den integrierten GaN-Leistungstransistor 114 zu integrieren. Das integrierte GaN-Leistungsgerät 1300 kann einen Source-Anschluss 1302, einen Drain-Anschluss 1304 und einen PWM-Anschluss 1306 beinhalten. Das integrierte GaN-Leistungsgerät 1300 kann ein kompatibler Ersatz für einen Leistungs-MOSFET in einem TO-247-Gehäuse und seine Treiberschaltungen sein.
  • 14A veranschaulicht ein integriertes GaN-Leistungsgerät 1400A gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung. Wie in 14A gezeigt, kann bei dem integrierten GaN-Leistungsgerät 1400A ein TO-247- oder TO-Leadless-Gehäuse (TOLL-Gehäuse) dazu verwendet werden, die Gate-Treiber-IC 112 und den GaN-Leistungstransistor 114 zu integrieren. In der veranschaulichten Ausführungsform kann das integrierte GaN-Leistungsgerät 1400A einen Source-Anschluss 1404, einen Drain-Anschluss 1402, einen PWM-Anschluss 1408 und eine Kelvin-Quelle 1406 beinhalten. In einigen Ausführungsformen kann das integrierte GaN-Leistungsgerät 1400A womöglich keine Kelvin-Quelle beinhalten und kann ein TO-247-Gehäuse mit drei Anschlüssen oder ein TOLL-Gehäuse mit drei Anschlüssen verwendet werden. In verschiedenen Ausführungsformen kann das integrierte GaN-Leistungsgerät 1400A ein kompatibler Ersatz für einen Leistungs-MOSFET in einem TO-247-Gehäuse mit drei Anschlüssen oder vier Anschlüssen und seinen Treiberschaltungen sein. In zahlreichen Ausführungsformen kann das integrierte GaN-Leistungsgerät 1400A ein kompatibler Ersatz für einen Leistungs-MOSFET in einem TOLL-Gehäuse mit drei Anschlüssen oder vier Anschlüssen und seinen Treiberschaltungen sein. 14B veranschaulicht ein integriertes GaN-Leistungsgerät 1400B in einem TO-247-Gehäuse mit vier Anschlüssen gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung. 14C veranschaulicht ein integriertes GaN-Leistungsgerät 1400C in einem TOLL-Gehäuse gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung.
  • Obwohl hier integrierte Leistungsbauelemente mit Energy-Harvesting-Gate-Treibern in Bezug auf eine bestimmte Konfiguration eines integrierten GaN-Leistungsgeräts beschrieben und veranschaulicht sind, sind Ausführungsformen der Offenbarung zur Verwendung mit anderen Konfigurationen von GaN-Geräten und Nicht-GaN-Geräten geeignet. Zum Beispiel kann jede Halbleitervorrichtung mit Ausführungsformen der Offenbarung verwendet werden. In einigen Fällen sind Ausführungsformen der Offenbarung besonders gut zur Verwendung mit Silizium- und anderen Verbindungshalbleitervorrichtungen geeignet.
  • Der Einfachheit halber sind verschiedene interne Komponenten, wie etwa die Details des Substrats, verschiedene Leiterrahmen und andere Komponenten des integrierten GaN-Leistungsgeräts 100 (siehe 1), in den Figuren nicht gezeigt.
  • In der vorstehenden Beschreibung wurden Ausführungsformen der Offenbarung unter Bezugnahme auf zahlreiche spezifische Details beschrieben, die von Implementierung zu Implementierung variieren können. Die Patentschrift und die Zeichnungen sind dementsprechend eher als veranschaulichend statt als einschränkend zu betrachten. Der einzige und ausschließliche Indikator für den Umfang der Offenbarung und was von den Anmeldern als Umfang der Offenbarung beabsichtigt wird, ist der wörtliche und äquivalente Umfang des Satzes von Ansprüchen, der sich aus dieser Anmeldung ergibt, in der spezifischen Form, in der sich diese Ansprüche ergeben, einschließlich einer späteren Korrektur. Die spezifischen Details bestimmter Ausführungsformen können auf jede geeignete Weise kombiniert werden, ohne vom Geist und Umfang der Ausführungsformen der Offenbarung abzuweichen.
  • Darüber hinaus können räumlich relative Begriffe wie „unten“ oder „oben“ und dergleichen dazu verwendet werden, die Beziehung eines Elements und/oder Merkmals zu (einem) anderen Element(en) und/oder Merkmal(en) zu beschreiben, das(die) in den Figuren veranschaulicht sind. Es versteht sich, dass die raumbezogenen Begriffe zusätzlich zu der in den Figuren dargestellten Ausrichtung verschiedene Ausrichtungen der Vorrichtung im Gebrauch und/oder Betrieb einschließen sollen. Wenn beispielsweise die Vorrichtung in den Figuren umgedreht wird, können Elemente, die als „Unter“-Seite beschrieben sind, dann „über“ anderen Elementen oder Merkmalen orientiert sein. Die Vorrichtung kann anderweitig orientiert (z. B. um 90 Grad oder in anderen Orientierungen gedreht) sein und die hierin verwendeten raumbezogenen Deskriptoren können entsprechend interpretiert werden.
  • Die Begriffe „und“, „oder“ und „ein/oder“, wie sie hierin verwendet werden, können eine Vielzahl von Bedeutungen beinhalten, von denen auch erwartet wird, dass sie zumindest teilweise von dem Kontext abhängen, in dem diese Begriffe verwendet werden. Typischerweise soll „oder“, wenn es verwendet wird, um eine Liste wie A, B oder C zu beschreiben, A, B und C bedeuten, hierin im inklusiven Sinne verwendet, sowie A, B oder C, hierin im exklusiven Sinne verwendet. Außerdem kann der Begriff „ein oder mehrere“, wie er hierin verwendet wird, verwendet werden, um ein beliebiges Merkmal, eine beliebige Struktur oder Eigenschaft im Singular zu beschreiben, oder kann verwendet werden, um eine Kombination von Merkmalen, Strukturen oder Eigenschaften zu beschreiben. Es sollte jedoch beachtet werden, dass dies lediglich ein veranschaulichendes Beispiel ist und der beanspruchte Gegenstand nicht auf dieses Beispiel beschränkt ist. Darüber hinaus kann der Begriff „mindestens eines von“, wenn er verwendet wird, um eine Liste wie A, B oder C zu beschreiben, so interpretiert werden, dass er eine beliebige Kombination von A, B und/oder C bedeutet, wie etwa A, B, C, AB, AC, BC, AA, AAB, ABC, AABBCCC usw.
  • Bezugnahmen in dieser gesamten Patentschrift auf „ein Beispiel“, „bestimmte Beispiele“ oder „beispielhafte Implementierung“ bedeuten, dass ein bestimmtes Merkmal, eine bestimmte Struktur oder Eigenschaft, die in Verbindung mit dem Merkmal und/oder Beispiel beschrieben wird, in mindestens einem Merkmal und/oder Beispiel eines beanspruchten Gegenstands enthalten sein kann. Daher beziehen sich die Ausdrücke „in einem Beispiel“, „ein Beispiel“, „in bestimmten Beispielen“, „in bestimmten Implementierungen“ oder andere ähnliche Ausdrücke an verschiedenen Stellen in dieser Beschreibung nicht notwendigerweise alle auf dasselbe Merkmal, Beispiel und/oder dieselbe Einschränkung. Darüber hinaus können die bestimmten Merkmale, Strukturen oder Eigenschaften in einem oder mehreren Beispielen und/oder Merkmalen kombiniert werden.
  • In der vorstehenden detaillierten Beschreibung wurden zahlreiche spezifische Details dargelegt, um ein gründliches Verständnis des beanspruchten Gegenstands bereitzustellen. Der Fachmann wird jedoch verstehen, dass der beanspruchte Gegenstand ohne diese spezifischen Details ausgeführt werden kann. In anderen Fällen wurden Verfahren und Vorrichtungen, die dem Durchschnittsfachmann bekannt wären, nicht im Detail beschrieben, um den beanspruchten Gegenstand nicht zu verschleiern. Daher ist nicht vorgesehen, dass der beanspruchte Gegenstand auf die bestimmten offenbarten Beispiele beschränkt ist, vielmehr kann ein solcher beanspruchter Gegenstand auch alle Aspekte enthalten, die in den Umfang der beigefügten Ansprüche und deren Äquivalente fallen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 63/202973 [0001]

Claims (20)

  1. Elektronische Schaltung, umfassend: einen Transistor mit einem Gate-Anschluss, einem Source-Anschluss und einem Drain-Anschluss; und eine Gate-Treiberschaltung mit: einen mit dem Gate-Anschluss gekoppelten Pull-down-Transistor; und einen Eingangsanschluss, der dazu ausgelegt ist, ein Eingangssignal zu empfangen und ein entsprechendes Ausgangssignal an einem mit dem Gate-Anschluss gekoppelten Ausgangsanschluss zu erzeugen; wobei die Gate-Treiberschaltung dazu ausgelegt ist, aus dem Eingangssignal gewonnene Energie zu speichern und die gespeicherte Energie dazu zu verwenden, einen leitenden Status des Pull-down-Transistors zu ändern.
  2. Elektronische Schaltung nach Anspruch 1, wobei der Transistor Galliumnitrid (GaN) umfasst.
  3. Elektronische Schaltung nach Anspruch 2, wobei der Pull-down-Transistor GaN umfasst.
  4. Elektronische Schaltung nach Anspruch 1, wobei die Gate-Treiberschaltung Silizium umfasst.
  5. Elektronische Schaltung nach Anspruch 1, wobei die Gate-Treiberschaltung die gespeicherte Energie dazu verwendet, den Pull-down-Transistor von einem Ein-Status in einen Aus-Status überzuführen.
  6. Elektronische Schaltung nach Anspruch 1, wobei die Gate-Treiberschaltung und der Transistor innerhalb eines einheitlichen elektronischen Gehäuses angeordnet sind.
  7. Elektronische Schaltung nach Anspruch 6, wobei das einheitliche elektronische Gehäuse einen Stromeingangskontakt, einen Stromausgangskontakt und einen Eingangssignalkontakt umfasst.
  8. Elektronische Schaltung nach Anspruch 1, wobei das Eingangssignal ein pulsweitenmoduliertes (PWM) Signal ist, das eine Reihe von Ein- und Aus-Befehlen umfasst.
  9. Elektronische Schaltung nach Anspruch 8, wobei die Gate-Treiberschaltung dazu ausgelegt ist, den leitenden Status des Pull-down-Transistors während eines Aus-Befehls des PWM-Signals von einem Aus-Status in einen Ein-Status zu ändern.
  10. Elektronische Schaltung nach Anspruch 6, wobei die elektronische Schaltung ein einheitliches elektronisches Gehäuse mit einem ersten, einem zweiten und einem dritten externen Kontakt umfasst.
  11. Elektronische Schaltung nach Anspruch 1, wobei der Transistor und die Gate-Treiberschaltung innerhalb eines TO-247-Gehäuses angeordnet sind.
  12. Elektronische Schaltung nach Anspruch 6, wobei das einheitliche elektronische Gehäuse ein TO-Leadless-Gehäuse (TOLL-Gehäuse) ist.
  13. Elektronische Schaltung nach Anspruch 8, wobei die Gate-Treiberschaltung eine mit dem Gate-Anschluss gekoppelte Energy-Harvesting-Schaltung umfasst und wobei die Energy-Harvesting-Schaltung dazu ausgelegt ist, aus dem Eingangssignal gewonnene Energie zu speichern und die gespeicherte Energie für den Betrieb der Gate-Treiberschaltung zu verwenden, wenn das PWM-Signal in einem Aus-Befehl ist.
  14. Schaltung, umfassend: einen ersten Transistor mit einem ersten Gate-Anschluss, einem ersten Source-Anschluss und einem ersten Drain-Anschluss; und eine Stromflusssteuerschaltung, die dazu ausgelegt ist, ein Eingangssignal zu empfangen und als Reaktion darauf ein entsprechendes Ausgangssignal an den ersten Gate-Anschluss zu übertragen; wobei die Stromflusssteuerschaltung einen ersten Pfad mit einem ersten Impedanzelement, das mit einem ersten unidirektionalen Stromleiter in Reihe geschaltet ist, der dazu ausgerichtet ist, Strom zum ersten Gate-Anschluss fließen zu lassen, und einen zweiten Pfad mit einem zweiten Impedanzelement beinhaltet, das mit einem zweiten unidirektionaler Stromleiter in Reihe geschaltet ist, der dazu ausgerichtet ist, Strom von dem ersten Gate-Anschluss fließen zu lassen.
  15. Schaltung nach Anspruch 14, die ferner einen zweiten Transistor mit einem zweiten Gate-Anschluss, einem zweiten Source-Anschluss und einem zweiten Drain-Anschluss umfasst, wobei der zweite Drain-Anschluss mit dem ersten Gate-Anschluss gekoppelt ist und wobei der zweite Transistor dazu ausgelegt ist, eine Spannung an dem ersten Gate-Anschluss auf einen voreingestellten Spannungswert zu klemmen.
  16. Schaltung nach Anspruch 14, ferner umfassend einen dritten Transistor mit einem dritten Gate-Anschluss, einem dritten Source-Anschluss und einem dritten Drain-Anschluss, wobei der dritte Source-Anschluss mit dem ersten Gate-Anschluss gekoppelt ist und der dritte Drain-Anschluss mit der Stromflusssteuerschaltung gekoppelt ist.
  17. Schaltung, umfassend: einen ersten Transistor mit einem ersten Gate-Anschluss, einem ersten Source-Anschluss einem ersten Drain-Anschluss; einen zweiten Transistor mit einem zweiten Gate-Anschluss, einem zweiten Source-Anschluss und einem zweiten Drain-Anschluss, wobei der zweite Drain-Anschluss mit dem ersten Gate-Anschluss gekoppelt ist; eine erste Steuerschaltung, die mit dem zweiten Gate-Anschluss gekoppelt und dazu ausgelegt ist, einen leitenden Status von einem Aus-Status in einen Ein-Status des zweiten Transistors als Reaktion darauf zu ändern, dass eine Spannung an dem ersten Gate-Anschluss unter eine erste Schwellenspannung fällt; einen dritten Transistor mit einem dritten Gate-Anschluss, einem dritten Source-Anschluss und einem dritten Drain-Anschluss; und eine zweite Steuerschaltung, die mit dem dritten Gate-Anschluss gekoppelt und dazu ausgelegt ist, einen leitenden Status von einem Aus-Status in einen Ein-Status des dritten Transistors in Reaktion darauf zu ändern, dass die Spannung an dem ersten Gate-Anschluss über einen zweiten Schwellenwert hinaus geht.
  18. Schaltung nach Anspruch 17, wobei der zweite Transistor dazu ausgelegt ist, die Spannung am ersten Gate-Anschluss auf einen ersten voreingestellten Wert zu klemmen.
  19. Schaltung nach Anspruch 17, wobei der dritte Transistor dazu ausgelegt ist, die Spannung am ersten Gate-Anschluss auf einen zweiten voreingestellten Wert zu klemmen.
  20. Schaltung nach Anspruch 17, ferner umfassend eine Stromflusssteuerschaltung zum Empfangen eines Eingangssignals und als Reaktion darauf zum Senden eines entsprechenden Ausgangssignals an den ersten Gate-Anschluss, wobei die Stromflusssteuerschaltung einen ersten Pfad mit einem ersten Impedanzelement, das in Reihe mit einem ersten unidirektionalen Stromleiter geschaltet ist, der dazu ausgerichtet ist, das Fließen von Strom zum ersten Gate-Anschluss zu ermöglichen, und einen zweiten Pfad mit einem zweiten Impedanzelement beinhaltet, das mit einem zweiten unidirektionalen Stromleiter in Reihe geschaltet ist, der dazu ausgerichtet ist, das Fließen von Strom vom ersten Gate-Anschluss zu ermöglichen.
DE102022116125.0A 2021-07-01 2022-06-29 Integriertes leistungsgerät mit energy-harvestinggate-treiber Pending DE102022116125A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US202163202973P 2021-07-01 2021-07-01
US63/202,973 2021-07-01

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102022116125A1 true DE102022116125A1 (de) 2023-01-05

Family

ID=84492953

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102022116125.0A Pending DE102022116125A1 (de) 2021-07-01 2022-06-29 Integriertes leistungsgerät mit energy-harvestinggate-treiber

Country Status (4)

Country Link
US (3) US20230006539A1 (de)
CN (1) CN115632539A (de)
DE (1) DE102022116125A1 (de)
TW (1) TW202318768A (de)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116093058B (zh) * 2023-02-28 2024-01-09 中科华艺(天津)科技有限公司 一种氮化镓半导体抗干扰封装结构

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3132648B2 (ja) * 1996-09-20 2001-02-05 富士電機株式会社 電力変換器におけるゲート駆動回路
JP2001078435A (ja) * 1999-07-08 2001-03-23 Tdk Corp 電流制御型半導体スイッチング素子を使用した電力変換装置におけるスイッチング素子の駆動装置
US6686729B1 (en) * 2002-10-15 2004-02-03 Texas Instruments Incorporated DC/DC switching regulator having reduced switching loss
JP2006049341A (ja) 2004-07-30 2006-02-16 Renesas Technology Corp 半導体装置およびその製造方法
WO2009002541A1 (en) * 2007-06-27 2008-12-31 International Rectifier Corporation Gate driving scheme for depletion mode devices in buck converters
US7746153B1 (en) * 2007-11-09 2010-06-29 National Semiconductor Corporation Power FET gate charge recovery
US9647476B2 (en) 2014-09-16 2017-05-09 Navitas Semiconductor Inc. Integrated bias supply, reference and bias current circuits for GaN devices
DE102015105192A1 (de) 2015-04-04 2016-10-06 Sma Solar Technology Ag Treiberschaltung, Schaltungsanordnung umfassend eine Treiberschaltung und Wechselrichter umfassend eine Schaltungsanordnung
DE102015108700A1 (de) 2015-06-02 2016-12-08 Infineon Technologies Austria Ag Halbleiter-Leistungs-Package und Verfahren zu ihrer Herstellung
US11342740B2 (en) 2017-10-24 2022-05-24 University Of Tennessee Research Foundation Drain current sensing and fault protection circuit based on gate voltage for gate current driven field effect transistors
US10355688B2 (en) 2017-12-06 2019-07-16 Silanna Asia Pte Ltd Controlled current manipulation for regenerative charging of gate capacitance
EP3767810A4 (de) * 2018-03-16 2021-10-27 Shindengen Electric Manufacturing Co., Ltd. Steuerkreis für halbleiterschalter und schaltnetzteil
JP7060793B2 (ja) * 2018-03-20 2022-04-27 富士通株式会社 波形整形回路、半導体装置及びスイッチング電源装置
JP2019193406A (ja) 2018-04-24 2019-10-31 株式会社日立製作所 ゲート駆動回路およびゲート駆動方法
US10931277B2 (en) * 2019-03-04 2021-02-23 Texas Instruments Incorporated Power transistor gate-charge harvester for internal supply generation
WO2021206065A1 (ja) * 2020-04-07 2021-10-14 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 制御回路及びスイッチ装置

Also Published As

Publication number Publication date
US20230006658A1 (en) 2023-01-05
TW202318768A (zh) 2023-05-01
US20230421046A1 (en) 2023-12-28
US11791709B2 (en) 2023-10-17
US20230006539A1 (en) 2023-01-05
CN115632539A (zh) 2023-01-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE112017006120B4 (de) Bootstrap-kondensator-überspannungs-überwachungsschaltung für wandler auf gan-transistorbasis
DE19628131C2 (de) Gatespannungsbegrenzung für eine Schaltungsanordnung
DE102011081970B4 (de) Ansteuerschaltung und Halbleitervorrichtung mit der Ansteuerschaltung
DE102016101907B4 (de) Elektronische Schaltung, Ansteuerschaltung und Verfahren
DE19817767C2 (de) Halbleiter-Leistungsschaltung
DE102013223184B4 (de) Treiberschaltung mit straffer Steuerung der Gate-Spannung
DE202011111042U1 (de) Elektronische Schaltung
DE102005054949A1 (de) Integrierte Halbleiterschaltung
DE112017003368T5 (de) Treiberschaltung und leistungsmodul mit derselben
DE102017124748A1 (de) Konfigurierbare klemmschaltung
DE102018206733A1 (de) Kurzschlussdetektor und Gerät
DE102019006565A1 (de) Adaptiver gate-treiber
DE102018109434A1 (de) Minimieren des klingelns bei halbleitervorrichtungen mit großem bandabstand
DE102016103131A1 (de) Schaltkreis, Halbleiterschaltanordnung und Verfahren
DE102017105712A1 (de) Transistorbauelement
DE102022116125A1 (de) Integriertes leistungsgerät mit energy-harvestinggate-treiber
DE102014213737A1 (de) Treiberschaltung und Halbleitervorrichtung, die die Treiberschaltung enthält
DE2223376A1 (de) Schutzschaltung fuer einen schalttransistor im induktiven lastkreis
DE102021101696B4 (de) Halbleitereinrichtungssignalübertragungsschaltung zur antriebssteuerung, verfahren zum steuern einer solchen schaltung, halbleitereinrichtung, leistungsumwandlungseinrichtung und elektrisches system für schienenfahrzeug
EP0354478B1 (de) Gate-Source-Schutzschaltung für einen Leistungs-MOSFET
EP0384937A1 (de) Schutzschaltung für einen Leistungs-MOSFET
DE112020005138T5 (de) Laserdioden-ansteuerungsschaltung
DE102017002573B4 (de) Überspannungsschutz
DE102020126465A1 (de) Leistungselektronikmodul mit einem verbesserten Gate-Treiber
DE102022117363A1 (de) Schutzschaltung zum Schutz eines Leistungsschalters gegen Kurzschluss und Überstrom

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed