DE10207137A1 - Systeme und Verfahren zum Steuern des Ladungsprofils eines synchronen Schaltransistors - Google Patents

Systeme und Verfahren zum Steuern des Ladungsprofils eines synchronen Schaltransistors

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Abstract

Durch die vorliegende Erfindung werden Systeme und Verfahren zum Reduzieren eines Rückstroms durch eine Bodydiode in einem synchronen Schalttransistor bereitgestellt. Eine Spule ist im Kommutationsweg der Bodydiode des synchronen Schalttransistors angeordnet. Die Spule verlangsamt die Anstiegsrate des Rückstroms, um Lawineneffekte im synchronen Schalttransistor zu reduzieren. Dadurch wird die Rückstromspitze durch die Bodydiode des synchronen Schalttransistors reduziert, wenn die Bodydiode kommutiert, wodurch der Leistungsverlust des Hauptschaltertransisitors reduziert wird. Eine Spule kann mit beiden Schalttransistoren verbunden sein, so daß der Leistungsverlust reduziert wird, wenn der Regler als Abwärts- oder Aufwärtsregler betrieben wird. Eine Diode und ein Recovery Switcher können mit der Spule verbunden sein, um Energie in der Spule zum Eingangs- oder Ausgangskondensator zurückzuübertragen, nachdem die Bodydiode kommutiert hat.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Reduzierung des Leistungsverlusts in einem synchronen Schaltregler. Die vor­ liegende Erfindung betrifft insbesondere Systeme und Verfah­ ren zum Steuern des in der Bodydiode eines synchronen Schalttransistors während ihrer durch den Hauptschalttrans­ sistor erzwungenen Kommutation verbleibenden Ladungsprofils.
Ein synchroner Schaltregler weist zwei Schalttransisto­ ren auf, die durch eine Steuerschaltung relativ zueinander phasenverschoben ein- und ausgeschaltet werden. Die Schalt­ transistoren weisen einen Hauptschalttransistor und einen synchronen Schalttransistor auf. Wenn der synchrone Schalt­ transistor in jedem Zyklus ausgeschaltet ist, wird der der Kanalstrom des synchronen Schalttransistors in seine Bodydi­ ode geleitet. Kurze Zeit später schaltet der Hauptschalt­ transistor ein, und ein Reverse-Recovery-Strom oder Rück­ strom fließt durch beide Schalttransistoren. Der Rückstrom steigt rasch auf einen großen Wert an, wodurch ein wesentli­ cher Leistungsverlust entsteht, weil die Bodydiode des syn­ chronen Schalttransistors noch nicht kommutiert oder umge­ schaltet hat.
Es wäre daher wünschenswert, einen synchronen Schalt­ regler bereitzustellen, der die Anstiegsrate des Rückstroms und den maximalen Strom in beiden Schalttransistoren zum Zeitpunkt der Kommutation der Bodydiode des synchronen Schalttransistors reduziert.
Es wäre außerdem wünschenswert, einen synchronen Schaltregler bereitzustellen, der den Leistungsverlust durch Steuern des Profils der in der Bodydiode eines synchronen Schalttransistors verbleibenden Ladung zum Zeitpunkt ihrer durch den Hauptschalttransistor erzwungenen Kommutation re­ duziert.
Es wäre außerdem wünschenswert, einen synchronen Schaltregler bereitzustellen, der den Leistungsverlust in den Schalttransistoren unabhängig davon reduziert, ob der Schaltregler als Buck- oder Abwärtregler bzw. als Boost- oder Aufwärtsregler betrieben wird.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen synchronen Schaltregler bereitzustellen, der die Anstiegsra­ te des Rückstroms und den maximalen Strom in beiden Schalt­ transistoren zum Zeitpunkt der Kommutation der Bodydiode des synchronen Schalttransistors reduziert.
Es ist eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen synchronen Schaltregler bereitzustellen, der den Leis­ tungsverlust durch Steuern des Profils der in der Bodydiode eines synchronen Schalttransistors verbleibenden Ladung zum Zeitpunkt ihrer durch den Hauptschalttransistor erzwungenen Kommutation reduziert.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen synchronen Schaltregler bereitzustellen, der den Leis­ tungsverlust in den Schalttransistoren unabhängig davon re­ duziert, ob der Schaltregler als Buck- oder Abwärtregler bzw. als Boost- oder Aufwärtsregler betrieben wird.
Durch die vorliegende Erfindung werden Systeme und Ver­ fahren zum Steuern des durch Bodydioden von Schalttransisto­ ren fließenden Stroms bereitgestellt. Erfindungsgemäße Schaltregler weisen ein induktives Bauelement bzw. eine Spu­ le auf, die im Kommutationsweg der Bodydiode des synchronen Schaltreglers angeordnet ist. Die Spule steuert das Ladungs­ profil der Bodydiode des synchronen Schalttransistors zum Zeitpunkt, an dem die Bodydiode kommutiert, um den Leis­ tungsverlust durch Verlangsamen oder Verzögern der Anstiegs­ rate des Rückstroms zu reduzieren. Die Spule reduziert den durch beide Schalttransistoren fließenden maximalen Rück­ strom, wodurch der Leistungsverlust insbesondere im Haupt­ schalttransistor reduziert wird.
Erfindungsgemäße Schaltregler, die als Abwärts- oder Aufwärtsregler verwendbar sind, weisen zwei Spulen auf, die mit den jeweiligen Schalttransistoren verbunden sind. Die erste Spule reduziert den Leistungsverlust in einem Schalt­ transistor, wenn der Regler als Abwärtsregler betrieben wird. Die zweite Spule reduziert den Leistungsverlust im an­ deren Schalttransistor, wenn der Regler als Aufwärtsregler betrieben wird. Eine Diode und ein Recovery Switcher können in der vorliegenden Erfindung derart verwendet werden, daß die in der Spule gespeicherte Energie abgeleitet werden kann, wenn die Bodydiode ausschaltet.
Die vorstehend erwähnten Aufgaben und Merkmale der vor­ liegenden Erfindung werden anhand der folgenden ausführli­ chen Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeich­ nungen verdeutlicht, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Bauelemente bezeichnen; es zeigen
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines herkömmli­ chen synchronen Abwärtsschaltreglers;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines herkömmli­ chen synchronen Aufwärtsschaltreglers;
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines anderen her­ kömmlichen synchronen Schaltreglers;
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines noch anderen herkömmlichen synchronen Schaltreglers;
Fig. 5A eine schematische Darstellung einer exemplari­ schen Ausführungsform eines gemäß den Prinzipien der vorlie­ genden Erfindung konstruierten synchronen Schaltreglers;
Fig. 5B eine schematische Darstellung einer exemplari­ schen Ausführungsform eines gemäß den Prinzipien der vorlie­ genden Erfindung konstruierten Recovery Switchers;
Fig. 5C eine schematische Darstellung einer anderen ex­ emplarischen Ausführungsform eines gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung konstruierten Recovery Switchers; und
Fig. 6, 7 und 8 schematische Darstellungen weiterer exemplarischer Ausführungsformen von gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung konstruierten synchronen Schalt­ reglern.
Fig. 1 zeigt einen herkömmlichen synchronen Schaltreg­ ler 10. Der Schaltregler 10 weist einen n-Kanal-Hauptschalt- MOSFET 11, einen synchronen Schalt-MOSFET 12, eine Hauptspu­ le 13, einen Kondensator 16 bei VOUT, einen Kondensator 18 bei VIN und eine Schaltreglersteuerschaltung 14 auf. Der Schaltregler 10 ist als Step-Down- oder Abwärtswandler kon­ figuriert. Der Ausgangsstrom IOUT des Reglers 10 fließt von VIN über die Spule 13 zu VOUT. Die Steuerschaltung 14 schaltet die Schalttransistoren 11 und 12 relativ zueinander phasen­ verschoben synchron.
In jedem Schaltzyklus können zwischen dem Zeitpunkt, an dem ein Schalttransistor ausschaltet, und dem Zeitpunkt, an dem der andere Schalttransistor einschaltet, Totzeiten vor­ gesehen sein. Während einer Totzeit sind beide Schalttran­ sistoren ausgeschaltet. Beispielsweise verstreicht, nachdem der synchrone Schalttransistor 12 ausschaltet, ein als Tot­ zeit bezeichnetes Zeitintervall, bevor der Hauptschalttran­ sistor 11 einschaltet. Durch die Bodydiode des Transistors fließt während dieser Totzeit ein Durchlaßstrom. Wenn der Haupttransistor 11 einschaltet, fließt weiterhin ein Durch­ laßstrom in der Bodydiode des Transistors 12. Daher hat die Bodydiode des Transistors 12 nicht kommutiert. Eine Diode hat kommutiert, wenn die Diode den durch sie hindurch flie­ ßenden Sperrstrom bis zur Durchbruchspannung der Diode blo­ ckiert. Weil die Bodydiode des Transistors 12 nicht kommu­ tiert hat, wenn der Transistor 11 einschaltet, beginnt ein großer Rückstrom von VIN über den Transistor 11 und die Body­ diode des Transistors 12 zur Masse zu fließen.
Dieser große Rückstrom verursacht mehrere Probleme. Er­ stens veranlaßt er, daß im Haupttransistor 11 als Ergebnis der Widerstandseigenschaften seines Kanals Wärme und ein un­ erwünschter Leistungsverlust erzeugt werden. Zweitens tritt eine lokale Verarmung von Ladungsträgern in der Bodydiode des synchronen Schalttransistors 12 auf. Diese lokale Verar­ mung von Ladungsträgern in der Bodydiode des Transistors ver­ anlaßt, daß die Bodydiode den Rückstromfluß relativ früh unterbricht. Wenn dies der Fall ist, ist die Ladungsvertei­ lung in der Bodydiode des Transistors 12 nicht vorteilhaft dafür, daß die Bodydiode in die Lage versetzt wird, zu ver­ hindern, daß unter einer großen Sperrspannung weiterhin ein Rückstrom durch sie hindurch fließt. Daher kommutiert die Bodydiode nur eingeschränkt oder bedingt.
Wenn die Bodydiode den Rückstromfluß unterbricht, nimmt die Sperrspannung über die Bodydiode schnell bis zu einem Punkt zu, an dem Ladungsträger beginnen, sich lawinenartig über den vorstehend diskutierten lokalen Verarmungsbereich auszubreiten. Der große Rückstrom, der zuvor durch die Body­ diode geflossen ist, bevor sie den Rückstromfluß unterbro­ chen hat, fördert die rasche Anstiegsrate der Sperrspannung über die Bodydiode. Nachdem die Sperrspannung über die Body­ diode ausreichend angestiegen ist, verursacht der Lawinenef­ fekt einen großen Stromimpuls durch die Bodydiode und er­ zeugt viele unerwünschte Ladungsträger. Dieser große Strom­ impuls verursacht einen unerwünschten Leistungsverlust im Haupttransistor 11. Die unerwünschten Ladungsträger tragen zur Erwärmung der Transistoren 11 und 12 bei und verursachen eine Beta-Multiplikation im parasitären bipolaren Übergang des Transistors 12, wobei durch beide Effekte ein weiterer unerwünschter Leistungsverlust verursacht wird.
Der in Fig. 2 dargestellte Schaltregler 20 hat die gleiche Schaltungsstruktur wie der Regler 10, außer daß VIN und VOUT vertauscht sind. Der Ausgangsstrom IOUT des Reglers 20 fließt von VIN über die Spule 13 zum Kondensator 18 bei VOUT. Der Schaltregler 20 ist als Step-Up- oder Aufwärtswandler konfiguriert. Wenn der Schalttransistor 11 ausschaltet, fließt der Durchlaßstrom weiterhin durch eine Bodydiode des Transistors 11 zum Kondensator 18. Nachdem der Transistor 12 eingeschaltet hat, fließt ein Rückstrom durch die Transisto­ ren 11 und 12 zur Masse. Im Transistor 11 kann ein Lawinen­ effekt auftreten, durch den der unerwünschte Leistungsver­ lust zunimmt, wie vorstehend unter Bezug auf Fig. 1 disku­ tiert wurde.
Die vorstehend beschriebenen herkömmlichen Verfahren zum Reduzieren der unerwünschten Effekte großer Rückströme werden anhand des synchronen Schaltreglers 30 in Fig. 3 er­ läutert. Der Regler 30 kann als Abwärts- oder Aufwärtsregler verwendet werden. Der Regler 30 wird durch Verbinden von Wi­ derständen 21 und 22 mit den Gate-Elektroden der Transisto­ ren 11 und 12 gebildet. Die Widerstände 21 und 22 verzögern oder verlangsamen die Geschwindigkeit, mit der die Transis­ toren 11 und 12 einschalten. Die Widerstände 21 und 22 ver­ zögern oder verlangsamen außerdem die Stromanstiegsrate im Kommutationsweg der Bodydiode. Die Widerstände 21 und 22 können jedoch auch den Einschaltvorgang der Transistoren 11 und 12 derart verlangsamen, daß Shoot-Through-Probleme auf­ treten.
Eine andere bekannte Einrichtung zum Reduzieren der un­ erwünschten Effekte großer Rückströme ist in Form des syn­ chronen Schaltregler 40 in Fig. 4 dargestellt. Der Regler 40, der als Abwärts- oder Aufwärtsregler betreibbar ist, weist Schottky-Dioden 24 und 25 auf, die mit den Bodydioden der Transistoren 11 und 12 im Regler 40 parallelgeschaltet sind. Die Dioden 24 und 25 reduzieren einen Teil des dem Rückstrom zugeordneten Leistungsverlusts, indem sie einen Teil des Stroms leiten. Die Leistungseinsparung ist jedoch vernachlässigbar, weil lediglich etwa 10% des Stroms in die Schottky-Dioden fließt.
Erfindungsgemäße Schaltregler reduzieren die Anstiegs­ rate des Rückstroms, indem eine Spule im Kommutationsweg der Bodydiode des synchronen Schalttransistors angeordnet ist. Die Spule veranlaßt, daß Ladungsträger im synchronen Schalt­ transistor sich gleichmäßig umverteilen, um eine lokale La­ dungsträgerverarmung zu reduzieren. Der Rückstrom und der durch ihn verursachte Leistungsverlust werden wesentlich re­ duziert. Eine Spule kann mit jedem Schalttransistor in einem synchronen Schaltregler verbunden werden, so daß eine Leis­ tungseinsparung unabhängig davon auftritt, ob der Schaltreg­ ler als Abwärts- oder Aufwärtsregler verwendet wird. Eine Diode und ein Recovery Switcher können den erfindungsgemäßen Schaltreglern hinzugefügt werden, um die durch die Spule aufgenommene Energie zurückzugewinnen, wenn die Bodydiode ausschaltet.
Der Schaltregler 50 in Fig. 5A ist eine vereinfachte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Schaltregler 50 weist n-Kanal-MOSFET-Schalttransistoren 31 und 32, Kon­ densatoren 36 und 38, eine Hauptspule 33, Dioden 41 und 42, Spulen 51 und 52, Recovery Switcher 44 und 46 und eine Schaltreglersteuerschaltung 34 auf. Die Hauptspule 33 spei­ chert Energie, die vom Eingangskondensator zum Ausgangskon­ densator übertragen wird. Die Schalttransistoren 31 und 32 werden durch die Steuerschaltung 34 relativ zueinander pha­ senverschoben synchron geschaltet, so daß, wenn der eine Transistor eingeschaltet ist, der andere ausgeschaltet ist. Die Schalttransistoren 31 und 32 sind zusammen zwischen dem Kondensator 38 und Masse geschaltet. Erfindungsgemäß können zwei Schaltungselemente auch dann miteinander verbunden sein, wenn die beiden Schaltungselemente nicht direkt mit­ einander verbunden sind. Beispielsweise ist die Spule 33 über die Spule 51 mit dem Transistor 31 verbunden, und die Spule 33 ist über die Spule 52 mit dem Transistor 32 verbun­ den.
Die Steuerschaltung 34 kann eine beliebige geeignete Steuerschaltung für einen synchronen Schaltregler sein. Bei­ spielsweise kann die Steuerschaltung 34 ein Spanungsmodus- oder ein Strommodusregler mit einer Rückkopplungsschleifen­ schaltung sein, z. B. mit einem Widerstandsteiler (nicht dargestellt), der mit Vout verbunden ist, und eine konstante AUS-Zeitsteuerung oder eine konstante EIN-Zeitsteuerung mit einer variablen Frequenz oder einer Pulsbreitenmodulation mit einer konstanten Frequenzsteuerung des Tastverhältnisses der Schalttransistoren aufweisen. Wenn die Steuerungsschal­ tung 34 eine Strommodussteuerung aufweist, kann beispiels­ weise ein Abtast- oder Meßwiderstand zwischen der Spule 33 und dem Kondensator 36, zwischen dem Transistor 31 und dem Kondensator 38 oder zwischen dem Transistor 32 und Masse ge­ schaltet sein. Ein Stromvergleicher in der Schaltung 34 überwacht den durch den Abtast- oder Meßwiderstand fließenden Strom in einem Strommoduscontroller. Herkömmlich werden auch andere Stromerfassungsmechanismen verwendet. Die Steuer­ schaltung 34 weist Treiber zum Ein- und Ausschalten der Transistoren 31 und 32 auf.
Der Schaltregler 50 kann als Abwärtsregler verwendet werden, in dem VIN größer ist als VOUT, oder als Aufwärtswand­ ler, in dem VIN kleiner ist als VOUT. Der Regler 50 ist ein Abwärtsschaltregler, wenn VIN mit dem Kondensator 38 und VOUT mit dem Kondensator 36 verbunden ist. Wenn ein MOSFET- Transistor eingeschaltet ist (z. B. die MOSFETS 31 und 32), kann zwischen der Source- und der Drain-Elektrode des Tran­ sistors Strom fließen. Wenn der MOSFET ausschaltet, kann in der Bodydiode des Transistors Strom fließen. Die Source- Elektrode und die Bodydiode der n-Kanal-Transistoren 31 und 32 sind wie in Fig. 5A dargestellt miteinander verbunden. Daher weist die Bodydiode in jedem der Transistoren 31 und 32 einen pn-Übergang zwischen einem n-dotierten Drain- Bereich und einem p-dotierten Bodybereich auf. Wenn der MOS- FET ausgeschaltet und sein Drain-Body-pn-Übergang in Vor­ wärts- oder Durchlaßrichtung vorgespannt ist, kann in seiner Bodydiode Strom fließen.
In der Bodydiode des Transistors 31 kann Strom fließen, wenn der Regler 50 als Aufwärtsregler betrieben wird. In der Bodydiode des Transistors 32 kann Strom fließen, wenn der Regler 50 als Abwärtsregler betrieben wird. Ein Rückstrom veranlaßt, daß die Bodydiode kommutiert. Wenn der Rückstrom ansteigt, nimmt auch der Leistungsverlust im Regler 50 (ins­ besondere im Hauptschalttransistor) zu. Spulen 51 und 52 im Regler 50 reduzieren die Rückstromspitze wesentlich, um den Leistungsverlust zu reduzieren, wie nachstehend beschrieben wird. Die Spulen 51 und 52 können alternativ Wicklungen ei­ nes Transformators oder einer Drosselspule sein.
Wenn der Schalttransistor 31 eingeschaltet ist, fließt Strom durch den Schalttransistor 31 und die Spulen 51 und 33. Wenn der Schalttransistor 32 eingeschaltet ist, fließt Strom durch den Schalttranssistor 32 und die Spulen 52 und 33. Diese Stromwege existieren unabhängig davon, ob der Reg­ ler als Abwärts- oder als Aufwärtsschaltung konfiguriert ist. Die Induktivität der Spule 33 kann z. B. 75- bis 300-mal so groß sein wie die Induktivität der Spule 51. Das Verhält­ nis der Induktivitäten zwischen der Spule 52 und der Spule 33 kann einen ähnlichen Wert aufweisen. Diese Induktivitäts­ verhältnisse sind exemplarische Werte, und es können gegebe­ nenfalls andere Verhältnisse verwendet werden.
Die folgende Diskussion betrifft den als Abwärtsregler konfigurierten Schaltregler 50, in dem der Kondensator 36 mit VOUT und der Kondensator 38 mit VIN verbunden ist. Es wird vorausgesetzt, daß der Schalttransistor 31 aus- und der Schalttransistor 32 eingeschaltet ist und Strom von Masse über den Transistor 32 und die Spulen 52 und 33 zu VOUT fließt. Anschließend wird der Schalttransistor 32 ausge­ schaltet. In den Schaltkreis der Steuerschaltung 34 kann ei­ ne kurze Totzeit eingeführt werden, wenn beide Schalttran­ sistoren ausgeschaltet sind, bevor der Transistor 31 ein­ schaltet, um einen Querstromfluß durch die Transistoren 31 und 32 zu verhindern. Während dieser Totzeit fließt Strom von Masse durch die Bodydiode des Transistors 32 und die Spule 52 zur Spule 33.
Wenn die Totzeit endet, schaltet der Transistor 31 ein, und nun fließt Strom von VIN am Kondensator 38 durch den Trasnsistor 31 und die Spule 51. Die Induktivität der Spule 51 und die Größe der Spannung des Kondensators 38 bestimmen die Stromanstiegsrate im Transistor 31 (gemäß der Gleichung di/dt = V/L).
Der durch die Spule 51 fließende Strom nimmt zu, nach­ dem der Transistor 31 eingeschaltet hat. Wenn der Strom durch die Spule 51 bis zu einem Punkt angestiegen ist, an dem er dem Strom durch die Hauptspule 33 gleicht, ist der Strom durch die Spule 52 gleich null. Nach diesem Punkt nimmt die Spannung am Knoten 53 zu. Die Bodydiode des Tran­ sistors 32 hat zu diesem Zeitpunkt jedoch nicht kommutiert und blockiert daher den Sperrstromfluß nicht.
Die Spannung zwischen dem Knoten 53 und Masse wird über die Spule 52 erzeugt. Die Spannung am Knoten 53 ist nun po­ sitiv, und die Stromrichtung in der Bodydiode des Transsi­ tors 32 hat sich umgekehrt. Ein Rückstrom (d. h. von VIN zu Masse) fließt durch den Transistor 31, die Spulen 51 und 52 und die Bodydiode des Transistors 32. Der Rückstrom entfernt Ladungsträger vom Transistor 32, so daß seine Bodydiode kom­ mutiert. Die Induktivität der Spulen 51 und 52 steuert die Anstiegsrate des Rückstroms im Transistor 32. Die Spulen 51 und 52 reduzieren die Anstiegsrate des Rückstroms so, daß Ladungsträger gleichmäßig aus dem Transistor 32 austreten. Dadurch werden die lokale Verarmung von Ladungsträgern im Transistor 32 und die sich dadurch möglicherweise ergebenden unerwünschten Lawineneffekte reduziert. Der Induktivitäts­ wert der Spule 52 wird so gewählt, daß die Ladungsträgerver­ teilung in der Bodydiode des Transistors 32 auf eine Weise umverteilt wird, gemäß der Lawineneffekte reduziert werden.
Wenn der Rückstrom in der Spule 52 zunimmt, werden Mi­ noritätsträger im Verarmungsbereich des pn-Übergangs der Bo­ dydiode des Transistors 32 entfernt, und der Verarmungsbe­ reich wird verbreitert. Schließlich kommutiert die Bodydiode des Transistors 32 und blockiert den Sperrstromfluß. Durch Reduzieren der Anstiegsrate des Rückstroms wird das Ladungs­ profil des Transistors 32 derart umverteilt, daß die Bodydi­ ode des Transistors 32 bei einem niedrigeren Rückstrom kom­ mutiert. Dadurch reduziert die Spule 52 die der Kommutierung der Bodydiode des Transistors 32 zugeordnete Rückstromspitze wesentlich, wodurch die Verlustleistung des Transistors 31 wesentlich abnimmt. Der Gesamtwirkungsgrad des Reglers 50 nimmt durch die Verwendung der Spule 52 zu.
Es fließt weiterhin Strom in der Spule 52, nachdem die Bodydiode des Transistors 32 kommutiert hat. Wenn die Bodydiode einmal kommutiert hat, wird der Strom in der Spule 52 über die Diode 42 zum Recovery Switcher 44 umgeleitet. Die Diode 42 stellt einen Weg für die Energie in der Spule 52 zum Recovery Switcher 44 bereit. Der Recovery Switcher 44 ist ein Schaltregler, der die Energie von der Spule 52 zu VIN am Kondensator 38 zurücküberträgt, wodurch eine weitere Leistungseinsparung und ein höherer Wirkungsgrad erreicht werden.
Der Recovery Switcher 44 weist einen mit der Diode 42 verbundenen Eingangsanschluß 44A und einen mit dem Kondensa­ tor 38 verbundenen Ausgangsanschluß 44B auf. Der Kondensator 38 ist in einer Ausführungsform als Abwärtsregler mit der Eingangsspannungsquelle des Reglers 50 verbunden. Der Reco­ very Switcher 44 weist am Anschluß 44A eine niedrige Ein­ gangsimpedanz und am Anschluß 44B eine hohe Ausgangsimpedanz auf. Der Recovery Switcher 44 regelt seine Eingangsspannung an der Kathode der Diode 42 auf einen Wert, der höher ist als die Spannung am Kondensator 38, er regelt jedoch nicht seine Ausgangsspannung am Kondensator 38. Die Spannung am Kondensator 38 ist durch die Eingangsspannungsquelle des Reglers 50 bestimmt. Wenn der Strom durch die Spule 52 auf null abnimmt, kommutiert die Diode 42.
Der Recovery Switcher 44 kann eine von vielen verschie­ denen Topologien aufweisen. Ein Beispiel ist in Fig. 5B dar­ gestellt, wobei eine Hochspannungs-Schaltreglerschaltung des Typs LT1074 so konfiguriert ist, daß sie als Recovery Swit­ cher funktioniert. Details der Schaltung LT1074 werden im Datenblatt der Schaltung LT1074 von 1994 dargestellt und diskutiert, auf das hierin in seiner Gesamtheit durch Ver­ weis Bezug genommen wird. Die LT1074-Steuerschaltung 104 ist eine nicht-synchrone-Schaltreglerschaltung. Strom fließt vom Anschluß 44A über einen Schalttransistor und eine Spule 100 zum Anschluß 44B. Ein zwischen einem VIN- und einem VSW-Pin der Schaltung LT1074 verbundener interner Schalttransistor wird durch eine PWM- (Pulsbreitenmodulation) Steuerschaltung ein- und ausgeschaltet. Die PWM-Steuerschaltung wird durch die Spannung an einem VC- und einem FB-Pin der Steuerschal­ tung 104 gesteuert.
Der Recovery Switcher 44 weist Widerstände 105, 109, 110, 111 und 112, eine Schottky-Diode 102, einen Kondensator 113, einen Transistor 107, Zenerdioden 106 und 108, eine Di­ ode 115, eine Spule 100, einen Kondensator 103 und einen Schaltregler 104 auf. Nachstehend werden Beispiele von Bau­ element- und Spannungswerten dargestellt. Am Anschluß 44A können 52 V bereitgestellt werden, wenn die Diode 42 strom­ leitend ist, und am Anschluß 44B können 42 V bereitgestellt werden. Die Durchbruchspannung der Diode 106 kann 7 V betra­ gen, die Durchbruchspannung der Diode 108 kann 5,6 V betra­ gen, die Widerstände 105 und 109 können 2,2 kΩ-Widerstände sein, der Widerstand 110 kann ein 100 kΩ-Widerstand sein, der Widerstand 111 kann ein 3 kΩ2-Widerstand sein und der Wi­ derstand 112 kann ein 10 kΩ-Widerstand sein.
Die LT1074-Schaltung weist einen zwischen dem FB-Pin und dem VC-Pin geschalteten internen Error-Amplifier auf. Der Eingang des Error-Amplifiers ist mit dem FB-Pin verbunden. Der FB-Pin ist über die Widerstände 110 und 111 mit dem Anschluß 44B verbunden, so daß das Frequenzverschiebungs­ merkmal der LT1074-Schaltung deaktiviert ist und die Schalt­ frequenz des Schalttransistors konstant bleibt. Ein SD-Pin ist über den Widerstand 110 mit dem Anschluß 44B verbunden, so daß das Abschaltmerkmal deaktiviert ist.
Der Ausgang des Error-Amplifiers in der Schaltung 104 ist mit dem VC-Pin verbunden. Der mittlere Spulenstrom durch die Spule 100 ist durch die Induktivität der Spule 100 und das Tastverhältnis des internen Schalttransistors bestimmt. Die PWM-Schaltung im Regler 104 bestimmt das Tastverhältnis des internen Schalttransistors durch Überwachen der Spannung am VC-Pin. Wenn die Spannungsdifferenz zwischen den Anschlüs­ sen 44A und 44B kleiner ist als eine Schwellenspannung (die unter Verwendung der vorstehenden exemplarischen Werte 8 Volt beträgt), ist der (bipolare) Transistor 107 ausgeschal­ tet, beträgt die Spannung am VC-Pin etwa null Volt, und die Schaltung 104 gibt einen Nullstrom über die Spule 100 an den Anschluß 44B aus.
Wenn in der Diode 42 von Fig. 5A ein Durchlaßstrom fließt, wird die Spannung am Anschluß 44A größer als die Schwellenspannung, und der bipolare pnp-Transistor 107 schaltet ein. Nun fließt Strom vom Anschluß 44A über den Wi­ derstand 105, die Zenerdiode 106, den Transistor 107, die Zenerdiode 108 und den Widerstand 109 zur Masse, und die Spannung am VC-Pin, die durch den durch diese Schaltungsele­ mente fließenden Strom bestimmt ist, nimmt zu. Die LT1074- Schaltung erfaßt den Spannungsanstieg am VC-Pin und erhöht den mittleren Strom in der Spule 100 auf einen Wert über null. Dadurch führt der Recovery Switcher 44 dem Eingangs­ kondensator 38 einen Ausgangsstrom zu, wenn in der Diode 42 ein Durchlaßstrom fließt. Der mittlere Spulenstrom in der Spule 100 ist durch das Verhältnis der Widerstandswerte der Widerstände 105 und 109, die Übertragungsfunktion der LT1074-Schaltung und die Induktivität der Spule 100 be­ stimmt.
Nachstehend wird unter Bezug auf Fig. 5A die Funktions­ weise der Schaltung als Aufwärtsregler beschrieben. Wenn der Schaltregler als Aufwärtsregler konfiguriert ist, ist der Kondensator 38 mit VOUT und der Kondensator 36 mit VIN verbun­ den. Wenn der Schalttransistor 31 ein- und der Schalttran­ sistor 32 ausgeschaltet ist, fließt Strom von VIN über die Spule 33, die Spule 51 und den Transistor 31 zu VOUT. Wenn der Transistor 31 durch die Steuerschaltung 34 ausgeschaltet wird, fließt weiterhin Strom in der Spule 51 in die gleiche Richtung, der Spulenstrom wird durch die Bodydiode des Tran­ sistors 31 jedoch von seinem Body-Bereich zu seiner Drain- Elektrode bei VIN umgeleitet. Durch den Schaltkreis in der Steuerschaltung 34 kann eine kurze Totzeit eingeführt wer­ den, bevor der Transistor 32 einschaltet, um einen Querstromfluß durch die Transistoren 31 und 32 zu verhin­ dern. Während der Totzeit sind beide Transistoren 31 und 32 ausgeschaltet.
Wenn die Totzeit endet, schaltet der Transistor 32 ein, und Strom fließt nun vom Knoten 53 durch die Spule 52 und den Transistor 32 zur Masse. Die Induktivität der Spule 52 und die Größe der positiven Spannung am Knoten 53 bestimmen die Stromanstiegsrate im Transistor 32 (gemäß der Gleichung di/dt = V/L). Der Strom durch die Spule 52 nimmt zu, nachdem der Transistor 32 eingeschaltet ist. Wenn der Strom durch die Spule 52 auf einen Punkt ansteigt, an dem er dem Strom durch die Hauptspule 33 gleicht, wird der Strom durch die Spule 51 gleich null. Nach diesem Punkt nimmt die Spannung am Knoten 53 ab. Die Bodydiode des Transistors 31 hat zu diesem Zeitpunkt jedoch nicht kommutiert und blockiert den durch sie fließenden Sperrstrom nicht.
Die Spannung zwischen VOUT am Kondensator 38 und dem Knoten 53 wird über die Spule 51 erzeugt. Die Spannung am Knoten 53 entspricht nun ungefähr dem Massepotential, und der Rückstrom (d. h. von VOUT zu Masse) fließt nun durch die Bodydiode des Transistors 31, die Spulen 51 und 52 und den Transistor 32. Der Rückstrom entfernt Ladungsträger vom Transistor 31, so daß seine Bodydiode kommutiert. Die Induk­ tivitäten der Spulen 51 und 52 steuern die Anstiegsrate des Rückstroms in der Spule 51. Die Spulen 51 und 52 reduzieren die Anstiegsrate des Rückstroms, wodurch eine vorteilhaftere Umverteilung von Ladungsträgern im Transistor 31 unterstützt wird. Dadurch wird die lokale Verarmung von Ladungsträgern im Transistor 31 reduziert, wodurch die vorstehend disku­ tierten unerwünschten Lawineneffekte wesentlich reduziert werden.
Wenn der Rückstrom in der Spule 51 zunimmt, werden Mi­ noritätsträger im Verarmungsbereich des pn-Übergangs der Bo­ dydiode des Transistors 31 entfernt, und der Verarmungsbe­ reich wird verbreitert. Schließlich kommutiert die Bodydiode des Transistors 31 und blockiert den Sperrstromfluß. Durch Reduzieren der Anstiegsrate des Rückstroms wird das Ladungs­ profil des Transistors 31 derart umverteilt, daß die Bodydi­ ode des Transistors 31 bei einem niedrigeren Rückstrom kom­ mutiert. Dadurch reduziert die Spule 51 die der Kommutierung der Bodydiode des Transistors 31 zugeordnete Rückstromspitze wesentlich, wodurch die Verlustleistung des Transistors 31 wesentlich reduziert wird. Der Gesamtwirkungsgrad des Reg­ lers 50 nimmt durch Verwendung der Spule 51 zu.
Es fließt weiterhin Strom in der Spule 51, nachdem die Bodydiode des Transistors 31 kommutiert hat. Wenn die Body­ diode einmal kommutiert hat, wird der Strom in der Spule 51 über die Diode 41 dem Recovery Switcher 46 zugeführt. Die Diode 41 stellt einen Weg für die Energie in der Spule 51 zum Recovery Switcher 46 bereit. Der Recovery Switcher 46 ist ein Schaltregler, der die durch die Spule 51 aufgenomme­ ne Energie zu VOUT am Kondensator 38 zurücküberträgt, wodurch eine weitere Leistungseinsparung und ein höherer Wirkungs­ grad erreicht werden.
Der Recovery Switcher 46 weist einen mit der Diode 41 verbundenen Eingangsanschluß 46A und einen mit dem Kondensa­ tor 38 verbundenen Ausgangsanschluß 46B auf. Der Recovery Switcher 46 weist eine niedrige Eingangsimpedanz (z. B. null) und eine hohe Ausgangsimpedanz (z. B. unendlich) auf. Der Re­ covery Switcher 46 regelt seine Eingangsspannung an der Ano­ de der Diode 41 auf einen Wert, der niedriger ist als das Massepotential. Der Recovery Switcher regelt jedoch nicht seine Ausgangsspannung am Kondensator 38. Die Spannung am Kondensator 38 ist durch die Ausgangsspannung des Reglers 50 bestimmt, wenn er als Aufwärtsregler betrieben wird. Wenn der Strom durch die Spule 51 auf null abnimmt, kommutiert die Diode 41.
Der Recovery Switcher 46 kann eine von vielen verschie­ denen Topologien aufweisen. Ein Schaltregler 204, z. B. ein Switcher des Typs LT1170, ist so konfiguriert, daß er als Recovery Switcher arbeitet, wie in Fig. 5C dargestellt. De­ tails der Schaltung LT1170 werden im Datenblatt der Schal­ tung LT1170 von 1994 dargestellt und diskutiert, auf das hierin in seiner Gesamtheit durch Verweis Bezug genommen wird. Die Schaltung LT1170 ist eine nicht-synchrone Schalt­ reglerschaltung, die einen zwischen ihrem VSW-PIN und ihrem GND-Pin geschalteten internen Schaltransistor aufweist. Der Schalttransistor wird durch eine Strommodus-PWM-Steuer­ schaltung ein- und ausgeschaltet, die einen Stromverstärker aufweist, der den Strom durch den Schalttransistor über­ wacht, und einen Error-Amplifier, der die Spannung am FB-Pin überwacht. Der VSW-Pin ist mit der Spule 200 und der Diode 201 verbunden, und der GND-Pin ist mit dem Anschluß 46A ver­ bunden.
Ein Operationsverstärker 210 setzt die Spannung VFB am FB-Pin in Antwort auf die Spannung V46A am Anschluß 46A gemäß den Widerstandswerten der Widerstände 208, 212, 214 und 218 und dem Spannungswert V216 der Bezugsspannung 216. Die Be­ zugsspannung 216 kann durch eine Zenerdiode definiert sein, die eine Schwellenspannung setzt (z. B. 1,2 V). Wenn die Dio­ de 41 von Fig. 5A kommutiert hat, ist die Spannung am Anschluß 46A größer als der durch die Bezugsspannung 216 definierte Schwellenwert, und der mittlere Spulenstrom in der Spule 200 beträgt null. Wenn ein Durchlaßstrom durch die Diode 41 fließt, fällt die Spannung am Anschluß 46A (z. B. -7 V) leicht unter den durch die Bezugsspannung 216 definierten Schwellenwert ab (z. B. um wenige Millivolt), wodurch veran­ laßt wird, daß VFB bezüglich dem GND-Pin des Schaltreglers 204 zunimmt, so daß der durch den Schaltregler 204 gesetzte Spulenstromschwellenwert über den Wert null ansteigt und der Strom in der Spule 200 allmählich zunimmt. Wenn der Schalt­ transistor in der Schaltung 204 in jedem Schaltzyklus aus­ schaltet, nimmt die Spannung bei VSW um eine Diodenspannung der Diode 201 über den Spannungswert am Anschluß 46B zu. Nun wird VOUT am mit dem Anschluß 46B verbundenen Kondensator 38 über die Diode 201 Strom zugeführt.
Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfin­ dungsgemäßen Schaltreglers. Der Schaltregler 60 in Fig. 6 ist ein synchroner Abwärtsschaltregler. Der Regler 60 weist Schalt-MOSFETs 31 und 32, eine Hauptspule 33, einen mit VOUT verbundenen Kondensator 36, einen mit VIN verbundenen Konden­ sator 38, eine Schaltreglersteuerschaltung 34, eine Spule 61, eine Diode 62 und einen Recovery Switcher 64 auf. Im Ab­ wärtsregler 60 kann Strom durch die Bodydiode des Transis­ tors 32 fließen, wenn der Transistor 32 ausschaltet. Die Spule 61 wurde hinzugefügt, um die Anstiegsrate des Rück­ stroms zu reduzieren, um die Rückstromspitze und damit den Leistungsverlust im Transistor 31 zu reduzieren. Alternativ kann die Spule 61 eine Wicklung in einem Transformator oder einer Drosselspule sein.
Wenn der Schalttransistor 31 aus- und der Schalttran­ sistor 32 eingeschaltet ist, fließt Strom von Masse durch den Transistor 32 und die Spule 33 zu VOUT. Wenn der Transis­ tor 32 einschaltet, beginnt während der Totzeit ein Strom von Masse über die Bodydiode des Transistors 32 zur Spule 33 zu fließen. Wenn der Transistor 31 einschaltet, fließt nun Strom von VIN am Kondensator 38 durch die Spule 61 und den Transistor 31. Die Induktivität der Spule 61 und die Größe der Spannung am Kondensator 38 bestimmen die Stromanstiegs­ rate des Transistors 31 (gemäß der Gleichung di/dt = V/L).
Der Strom durch die Spule 61 nimmt zu, nachdem der Transistor 31 eingeschaltet hat. Wenn der Strom durch die Spule 61 bis zu einem Punkt ansteigt, an dem er dem Strom durch die Hauptspule 33 gleicht, hat der Strom durch die Bo­ dydiode des Transistors 32 den Wert null. Nach diesem Punkt nimmt die Spannung am Knoten 53 zu. Die Bodydiode des Tran­ sistors 32 hat jedoch noch nicht kommutiert und blockiert daher nicht den Sperrstromfluß. Die Spannung am Knoten 53 ist nun positiv, und der Rückstrom (d. h. von VIN zu Masse) fließt durch die Spule 61, den Transistor 31 und die Bodydi­ ode des Transistors 32. Die Spule 61 reduziert die Anstiegs­ rate des Rückstroms, so daß Ladungsträger sich im Transistor 32 auf eine Weise umverteilen, gemäß der die vorstehend dis­ kutierte lokale Ladungsträgerverarmung und die unerwünschten Lawineneffekte reduziert werden. Der Induktivitätswert der Spule 61 wird so ausgewählt, daß die Ladungsträgerverteilung in der Bodydiode des Transistors 32 auf eine Weise umver­ teilt wird, gemäß der Lawineneffekte reduziert werden.
Schließlich kommutiert die Bodydiode des Transistors 32 und blockiert den Sperrstromfluß. Durch Reduzieren der An­ stiegsrate des Rückstroms reduziert die Spule 61 die Rück­ stromspitze zum Zeitpunkt der Kommutation der Bodydiode des Transistors 32 wesentlich, wodurch der Leistungsverlust des Transistors 31 wesentlich reduziert wird. Der Gesamtwir­ kungsgrad des Reglers 50 nimmt durch die Verwendung der Spu­ le 61 zu.
Es fließt weiterhin ein Ausgangsstrom durch die Spulen 61 und 33 zu VOUT, wenn die Bodydiode des Transistors kommu­ tiert hat. Der Strom in der Spule 61 ist jedoch größer als der Strom in der Spule 33. Dieser Differenzstrom fließt durch die Catch-Diode 62 in den Recovery Switcher 64. Wenn die Größe des Stroms in der Spule 61 auf den Strom in der Spule 33 reduziert ist, kommutiert die Diode 62.
Der Recovery Switcher 64 ist ein Schaltregler, der die überschüssige Energie von der Spule 61 zu VIN zurückü­ berträgt, wodurch eine weitere Leistungseinsparung und ein höherer Wirkungsgrad erhalten werden. Der Recovery Switcher 64 kann eine von vielen verschiedenen Topologien aufeisen. Der Recovery Switcher kann ein in Fig. 5B dargestellter Re­ covery Switcher sein, wobei der Anschluß 64B mit dem Anschluß 44B und der Anschluß 64A mit dem Anschluß 44A ver­ bunden ist. Wenn die überschüssige Energie aufgrund des Rückstroms in der Spule 61 zum Eingangskondensator 38 über­ tragen wird, kommutiert die Diode 62.
Der Recovery Switcher 64 weist einen mit der Diode 62 verbundenen Eingangsanschluß 64A und einen mit dem Kondensa­ tor 38 verbundenen Ausgangsanschluß 64B auf. Der Kondensator 38 ist mit der Eingangsspannungsquelle des Reglers 60 ver­ bunden. Der Recovery Switcher 64 weist eine niedrige Ein­ gangsimpedanz und eine hohe Ausgangsimpedanz auf. Der Reco­ very Switcher 64 regelt seine Eingangsspannung an der Katho­ de der Diode 62 auf einen Wert, der höher ist als die Span­ nung des Kondensators 38. Der Recovery Switcher 64 regelt nicht seine Ausgangsspannung am Kondensator 38. Die Spannung am Kondensator 38 ist durch die Eingangsspannungsquelle des Reglers 60 bestimmt.
Fig. 7 zeigt eine weitere Ausführungsform erfindungsge­ mäßer Schalttransistoren. Der synchrone Schaltregler 70 in Fig. 7 weist n-Kanal-Schalt-MOSFETs 31 und 32, eine Steuer­ schaltung 34, eine Hauptspule 33, Kondensatoren 38 und 36, Spulen 61 und 71, Dioden 62 und 72 und einen Recovery Swit­ cher 64 auf. Der Schaltregler 70 kann als Abwärts- oder Auf­ wärtsregler betrieben werden. Die Spule 61, die Diode 62 und der Recovery Switcher 64 funktionieren so wie vorstehend un­ ter Bezug auf Fig. 6 beschrieben wurde, wenn der Regler als Abwärtsregler konfiguriert ist.
Wenn der Regler 70 als Aufwärtsregler konfiguriert ist, reduziert die Spule 71 die Anstiegsrate des Rückstroms in der Bodydiode des Transistors 31, wie nachstehend diskutiert wird. Die Spule 71 kann eine Wicklung eines Transformators oder einer Drosselspule sein. Wenn der Transistor 31 einge­ schaltet ist, ist der Transistor 32 ausgeschaltet, und Strom fließt von VIN am Kondensator 36 durch den Transistor 31 zu VOUT am Kondensator 38. Wenn der Transistor 31 ausschaltet, fließt während der Totzeit Strom durch die Bodydiode des Transistors 31 zu VOUT. Wenn der Transistor 32 anschließend einschaltet, fließt nun ein Strom durch die Spule 71 und den Transistor 32 zur Masse. Der durch die Spule 71 und den Transistor 32 fließende Strom nimmt allmählich zu und gleicht schließlich dem Gesamtstrom in der Hauptspule 33. Wenn dies der Fall ist, hat der Strom in der Bodydiode des Transistors 31 den Wert null, die Bodydiode hat jedoch noch nicht kommutiert.
Anschließend beginnt der Rückstrom von VOUT über die Spule 61, die Bodydiode des Transistors 31, die Spule 71 und den Transistor 32 zur Masse zu fließen. Die Spulen 61 und 62 verlangsamen die Anstiegsrate des Rückstroms, um Lawinenef­ fekte im Transistor 31 zu reduzieren. Die Spulen 61 und 71 reduzieren die Rückstromspitze zum Zeitpunkt der Kommutie­ rung der Bodydiode des Transistors 31, wodurch der Leis­ tungsverlust des Transistors 32 reduziert wird.
Wenn die Bodydiode des Transistors 31 kommutiert, fließt die überschüssige Energie vom durch die Spule 71 auf­ genommenen Rückstrom durch die Diode 72 zum Recovery Swit­ cher 64. Der Eingangsanschluß 64A des Recovery Switchers 64 ist mit der Kathode der Diode 72 verbunden. Die überschüssi­ ge Energie vom durch die Spule 61 aufgenommenen Rückstrom fließt durch die Diode 62 zum Recovery Switcher 64. Der Re­ covery Switcher 64 überträgt dann diese überschüssige Ener­ gie zurück zu VOUT am Kondensator 38. Wenn die in der Spule 71 gespeicherte überschüssige Energie zum Recovery Switcher 64 übertragen worden ist, kommutiert die Diode 62. Wenn die in der Spule 61 gespeicherte überschüssige Energie zum Reco­ very Switcher 64 übertragen worden ist, kommutiert die Diode 62 ebenfalls.
Der in Fig. 8 dargestellte synchrone Abwärts-/Aufwärts­ schaltregler 80 ist eine weitere Ausführungsform der vorlie­ genden Erfindung. Der Schaltregler 80 weist Schalttransisto­ ren 81-84, eine Hauptspule 85, einen Eingangskondensator 91, einen Ausgangskondensator 92, Spulen 95 und 96 und eine Steuerschaltung 93 auf, die den Ein- und Ausschaltvorgang der Transistoren 81-84 steuert. Die Schalttransistoren 81-84 sind n-Kanal-MOSFETs. Die Transistoren 81 und 84 sind immer gleichzeitig eingeschaltet, und die Transistoren 82 und 83 sind immer gleichzeitig eingeschaltet. Die Steuer­ schaltung 93 schaltet die Transistoren 81 und 84 bezüglich den Transistoren 82 und 83 mit einer geringfügigen Totzeit phasenverschoben. Die Eingangsspannung VIN kann höher oder niedriger sein als die Ausgangsspannung VOUT.
Die zwischen VIN und dem Transistor 81 geschaltete Spule 95 reduziert die der Kommutierung der Bodydiode des Transis­ tors 82 zugeordnete Rückstromspitze und vermindert dadurch den Leistungsverlust im Transistor 81, wie vorstehend unter Bezug auf die Spule 61 in Fig. 6 diskutiert wurde. Wenn die Bodydiode im Transistor 82 kommutiert, fließt Strom durch die Diode 97 in den Recovery Switcher 99, wie vorstehend un­ ter Bezug auf die Diode 62 und den Recovery Switcher 64 in Fig. 6 diskutiert wurde. Die zwischen dem Transistor 84 und der Spule 85 geschaltete Spule 96 reduziert die der Kommu­ tierung der Bodydiode des Transistors 83 zugeordnete Rück­ stromspitze und vermindert dadurch den Leistungsverlust im Transistor 84, wie vorstehend unter Bezug auf die Spule 71 in Fig. 7 diskutiert wurde. Wenn die Bodydiode des Transis­ tors 83 kommutiert, fließt Strom durch die Diode 98 zum Re­ covery Switcher 99, wie vorstehend unter Bezug auf die Diode 72 und den Recovery Switcher 64 in Fig. 7 diskutiert wurde.
Für Fachleute ist ersichtlich, daß die erfindungsgemäße Schaltung unter Verwendung von von den vorstehend darge­ stellten und diskutierten Schaltungskonfigurationen ver­ schiedenen Schaltungskonfigurationen implementiert werden kann. Beispielsweise können die n-Kanal-MOSFETs 31 und 32 in den Fig. 5A-7 durch p-Kanal-MOSFETs ersetzt werden. Un­ ter Verwendung der vorstehend diskutierten erfindungsgemäßen Schaltungen und Verfahren können ein höherer Wirkungsgrad und eine schnellere Ausschaltzeit in p-Kanal-Transistoren erreicht werden. Außerdem können die erfindungsgemäßen Schaltungen und Verfahren in SEPIC-Reglern und Fly-Back- Reglern implementiert werden. All diese Modifikationen lie­ gen innerhalb des durch die beigefügten Patentansprüche de­ finierten Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung.

Claims (37)

1. Synchroner Schaltregler mit einem Eingangskondensator und einem Ausgangskondensator, mit:
einem ersten und einem zweiten Schalttransistor, die miteinander verbunden sind und durch eine Synchron­ schaltreglersteuerschaltung synchron phasenverschoben geschaltet werden;
einer mit dem ersten Schalttransistor verbundenen Hauptspule; und
einer in einem Kommutationsweg einer ersten Body­ diode des ersten Schalttransistors oder einer zweiten Bodydiode des zweiten Schalttransistors angeordneten zweiten Spule, die einen Rückstrom in der ersten oder in der zweiten Bodydiode reduziert.
2. Regler nach Anspruch 1, wobei die zweite Spule zwischen dem ersten oder dem zweiten Schalttransistor und der Hauptspule verbunden ist.
3. Regler nach Anspruch 1, wobei die zweite Spule zwischen dem Eingangskondensator und dem ersten oder dem zweiten Schalttransistor verbunden ist.
4. Regler nach Anspruch 1, 2 oder 3, ferner mit:
einer mit der zweiten Spule verbundenen Diode; und
einem mit der Diode und dem Eingangskondensator verbundenen Recovery Switcher.
5. Regler nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, wobei die zweite Spule im Kommutationsweg der zweiten Bodydiode angeord­ net ist und den Rückstrom in der zweiten Bodydiode re­ duziert, und ferner mit:
einer im Kommutationsweg der ersten Bodydiode an­ geordneten dritten Spule, die einen Rückstrom in der ersten Bodydiode reduziert.
6. Regler nach Anspruch 5, ferner mit:
einer mit der dritten Spule verbundenen Diode; und
einem mit der Diode und dem Eingangskondensator verbundenen Recovery Switcher.
7. Regler nach Anspruch 6, wobei der Recovery Switcher ein nicht-synchroner Spannungsmodus-Recovery-Switcher ist.
8. Regler nach Anspruch 5, 6 oder 7, ferner mit:
einer mit der zweiten Spule verbundenen Diode; und
einem mit der Diode und dem Eingangskondensator verbundenen Recovery Switcher.
9. Regler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, ferner mit:
einer mit dem ersten Schalttransistor verbundenen dritten Spule, die einen Rückstrom in der zweiten Body­ diode reduziert.
10. Regler nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Reg­ ler ein Abwärts-/Aufwärtsregler ist, wobei ein dritter und ein vierter Schalttransistor miteinander und mit der Hauptspule verbunden sind.
11. Regler nach Anspruch 10, ferner mit:
einer in einem Kommutationsweg einer Bodydiode des dritten oder des vierten Schalttransistors angeordneten dritten Spule, die einen Rückstrom in der Bodydiode des dritten oder des vierten Schalttransistors reduziert.
12. Regler nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der Regler ein Abwärtsregler ist.
13. Regler nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der Regler ein Aufwärtsregler ist.
14. Verfahren zum Betreiben eines synchronen Schaltreglers mit einem Eingangskondensator und einem Ausgangskonden­ sator, mit den Schritten:
Schalten eines ersten und eines zweiten synchronen Schalttransistors relativ zueinander phasenverschoben unter Verwendung einer Schaltreglersteuerschaltung, um einer mit dem Ausgangskondensator verbundenen Last Strom zuzuführen;
Verbinden einer ersten Spule mit dem ersten und dem zweiten Schalttransistor; und
Anordnen einer zweiten Spule in einem Kommutati­ onsweg einer Bodydiode des ersten oder des zweiten Schalttransistors, die einen Rückstrom in der Bodydiode des ersten oder des zweiten Schalttransistors redu­ ziert.
15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei die zweite Spule in einem Kommutationsweg der Bodydiode des ersten Schalt­ transistors angeordnet ist und den Rückstrom in der Bo­ dydiode des ersten Schaltransistors reduziert.
16. Verfahren nach Anspruch 15, ferner mit dem Übertragen von in der zweiten Spule gespeicherter Energie zum Ein­ gangskondensator, nachdem die Bodydiode im ersten Schalttransistor kommutiert hat.
17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Übertragen von in der zweiten Spule gespeicherter Energie zum Eingangs­ kondensator ferner das Schalten eines Recovery Swit­ chers zwischen die zweite Spule und den Eingangskonden­ sator aufweist.
18. Verfahren nach Anspruch 15, 16 oder 17, ferner mit dem Schritt zum Anordnen einer dritten Spule im Kommutati­ onsweg der Bodydiode des zweiten Schalttransistors, um den Rückstrom in der Bodydiode des zweiten Schalttran­ sistors zu reduzieren.
19. Verfahren nach Anspruch 16, 17 oder 18, ferner mit dem Übertragen von in der dritten Spule gespeicherter Ener­ gie zum Eingangskondensator, nachdem die Bodydiode im zweiten Schalttransistor kommutiert hat.
20. Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Übertragen von in der dritten Spule gespeicherter Energie zum Eingangs­ kondensator ferner das Verbinden eines Recovery Swit­ chers zwischen der dritten Spule und dem Eingangskon­ densator aufweist.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 20, wobei die zweite Spule zwischen dem ersten Schalttransistor und dem Eingangskondensator verbunden ist.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 20, wobei die zweite Spule zwischen der Hauptspule und dem ersten Schalttransistor verbunden ist.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 20, wobei die zweite Spule zwischen der Hauptspule und dem zweiten Schalttransistor verbunden ist.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 23, wobei der Regler ein Abwärts-/Aufwärtsregler ist, wobei das Ver­ fahren ferner das phasenverschobene Schalten des drit­ ten und des vierten synchronen Schalttransistors unter Verwendung der Steuerschaltung aufweist.
25. Verfahren nach Anspruch 24, ferner mit dem Anordnen ei­ ner dritten Spule im Kommutationsweg einer Bodydiode des dritten oder des vierten Schalttransistors, die ei­ nen Rückstrom in der Bodydiode des dritten oder des vierten Schalttransistors reduziert.
26. Synchroner Schaltregler mit einem Eingangskondensator und einem Ausgangskondensator, mit:
einer Einrichtung, die einen ersten und einen zweiten Schalttransistor relativ zueinander phasenver­ schoben synchron schaltet;
einer Einrichtung zum Speichern von vom Eingangs­ kondensator gespeicherter Energie zum Ausgangskondensa­ tor; und
einer Einrichtung zum Reduzieren eines Rückstroms in einer Bodydiode des ersten oder des zweiten Schalt­ transistors.
27. Regler nach Anspruch 26, ferner mit:
einer mit der Einrichtung zum Reduzieren des Rück­ stroms verbundenen Diode; und
einem mit der Diode und dem Eingangskondensator verbundenen Recovery Switcher.
28. Regler nach Anspruch 26 oder 27, ferner mit:
einer Einrichtung zum Reduzieren eines Rückstroms in der Bodydiode des ersten Schalttransistors und in der Bodydiode des zweiten Schalttransistors.
29. Regler nach Anspruch 28, ferner mit:
einer mit der Einrichtung zum Reduzieren des Rück­ stroms in der Bodydiode des ersten Schalttransistors und in der Bodydiode des zweiten Schalttransistors ver­ bundenen Diode; und
einem mit der Diode und dem Eingangskondensator verbundenen Recovery Switcher.
30. Regler nach einem der Ansprüche 26 bis 29, wobei der Schaltregler ein Abwärts-/Aufwärtsregler ist, wobei der dritte und der vierte Schalttransistor miteinander und mit der Einrichtung zum Speichern von Energie verbunden sind.
31. Regler nach Anspruch 30, ferner mit einer Einrichtung zum Reduzieren eines Rückstroms in der Bodydiode des dritten oder des vierten Schalttransistors.
32. Regler nach einem der Ansprüche 26 bis 31, wobei der Regler ein Abwärtsregler ist.
33. Regler nach einem der Ansprüche 26 bis 31, wobei der Regler ein Aufwärtsregler ist.
34. Regler nach einem der Ansprüche 26 bis 33, wobei die Einrichtung zum Reduzieren des Rückstroms den Leis­ tungsgrad des synchronen Schaltreglers erhöht.
35. Regler nach einem der Ansprüche 26 bis 34, wobei die Einrichtung zum Speichern von vom Eingangskondensator zum Ausgangskondensator übertragener Energie eine Spule aufweist.
36. Schaltreglerschaltung mit einem Eingangsknoten, einem Ausgangsknoten und einem Masseknoten, wobei die Schal­ tung aufweist:
einen ersten Transistor;
einen zweiten Transistor;
eine erste Spule, wobei der erste Transistor, der zweite Transistor und die erste Spule zwischen dem Ein­ gangsknoten und dem Masseknoten in Serie geschaltet sind;
eine zwischen dem ersten Transistor und dem Aus­ gangsknoten verbundene zweite Spule; und eine Steuerschaltung, die den ersten und den zwei­ ten Transistor relativ zueinander phasenverschoben schaltet.
37. Schaltung nach Anspruch 36, ferner mit einer zwischen dem Eingangsknoten und Masse mit dem ersten und dem zweiten Transistor und der ersten Spule in Serie ge­ schalteten dritten Spule.
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