DE102015108363B4

DE102015108363B4 - Steuern eines Schalterpaars

Info

Publication number: DE102015108363B4
Application number: DE102015108363.9A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Frank; Remigiusz Viktor Boguszewicz
Original assignee: Infineon Technologies Austria AG
Current assignee: Infineon Technologies Austria AG
Priority date: 2014-06-03
Filing date: 2015-05-27
Publication date: 2022-09-01
Anticipated expiration: 2035-05-28
Also published as: CN105281733A; CN105281733B; US20150349632A1; DE102015108363A1; US9960679B2

Abstract

Vorrichtung, die Folgendes umfasst:
einen ersten Schalter (10, 11; 21, 23; 40, 41), wobei der erste Schalter (10, 11; 21, 23; 40, 41) einen ersten Steueranschluss, einen ersten Lastanschluss und einen zweiten Lastanschluss umfasst,
einen zweiten Schalter (10, 11; 21, 23; 40, 41), wobei der zweite Schalter (10, 11; 21, 23; 40, 41) einen zweiten Steueranschluss, einen dritten Lastanschluss und einen vierten Lastanschluss umfasst,
eine Steuervorrichtung (12; 20; 42, 43; 50, 51), wobei die Steuervorrichtung (12; 20; 42, 43; 50, 51) eingerichtet ist, eine Rückinformation bezüglich eines Signals (OutH, OutL) an dem ersten Steueranschluss zu empfangen und ein Signal (OutL, OutH) an den zweiten Steueranschluss basierend auf der Rückinformation auszugeben,
wobei der erste Schalter (10, 11; 21, 23; 40, 41) einen ersten Transistor (T1, T2) und eine erste Diode (D1, D2), die zwischen Lastanschlüssen des ersten Transistors (T1, T2) gekoppelt ist, umfasst und wobei der zweite Schalter (10, 11; 21, 23; 40, 41) einen zweiten Transistor (T2, T1) und
eine zweite Diode (D2, D1), die zwischen Lastanschlüssen des zweiten Transistors (T2, T1) gekoppelt ist, umfasst,
wobei die Steuervorrichtung (12; 20; 42, 43; 50, 51) ferner eingerichtet ist, um zu erfassen, wenn ein Strom über die erste Diode (D1, D2) fließt, und den ersten Schalter (10, 11; 21, 23; 40, 41) zu öffnen, wenn ein Strom über die erste Diode (D1, D2) fließt.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Anmeldung betrifft Geräte, Vorrichtungen, Verfahren und Systeme in Zusammenhang mit dem Steuern eines Schalterpaars.
Hintergrund
Bei Halbbrückenschaltungen, die zum Beispiel in einigen Spannungswandlern, wie zum Beispiel DC/DC-Wandlern verwendet werden, kann ein Schalterpaar gesteuert werden, um eine Umwandlung auszuführen. Beispiele für solche Wandler sind zum Beispiel so genannte Abwärtswandler (Engl.: „buck converter“) oder Aufwärts-/Abwärtswandler (Engl.: „buck-boost converter“). Diese Schalter, die zum Beispiel Transistoren sein können, können derart gesteuert werden, dass, wenn ein erster Schalter des Schalterpaars leitend ist, ein zweiter Schalter des Schalterpaars nicht leitend ist und umgekehrt. Mit anderen Worten muss bei einigen Anwendungen sichergestellt werden, dass beide Schalter des Schalterpaars nie gleichzeitig leitend sind.
Wenn zum Beispiel in einigen Fällen sowohl der erste als auch der zweite Schalter gleichzeitig leitend sind, könnte ein Kurzschlusszustand resultieren.
Bei herkömmlichen Systemen verstreicht daher etwas Zeit, nachdem der erste oder der zweite Schalter geöffnet wurde (das heißt nicht leitend wird), bevor der andere des ersten und zweiten Schalters geschlossen wird (das heißt leitend wird). Diese Zeit wird auch Totzeit genannt und bildet eine Art Sicherheitsmarge. Eine große Totzeit kann jedoch die Steuerbarkeit eines Wandlers einschränken, bei dem die Schalter verwendet werden, oder kann aus anderen Gründen unerwünscht sein, zum Beispiel, falls ein schnelles Schalten gewünscht wird.
Aus verschiedenen Dokumenten ist es bekannt, Rückinformationen bezüglich eines Signals an einem Steueranschluss eines Schalters der Halbbrückenschaltung auszuwerten oder den Zustand eines Schalters auf andere Weise zu detektieren, um sicherzustellen, dass dieser Schalter geöffnet ist, bevor der jeweils andere Schalter geschlossen wird. Beispiele hierfür sind die DE 103 43 278 A1 , die US 4 953 070 A , die US 2014 / 0 063 883 A1 , DE 102 00 332 A1 , die US 2003 / 0 231 011 A1 oder die US 2007 / 0 063 678 A1 . Die DE 103 25 588 A1 zeigt einen Halbbrückenschalter mit adaptiver Totzeit, bei dem ebenfalls eine derartige Detektion erfolgt. Eine weitere Halbbrückenschaltung ist aus der US 2006 / 0 087 300 A1 bekannt.
Es ist daher eine Aufgabe, diesbezüglich verbesserte Vorrichtungen und Verfahren bereitzustellen.
Kurzzusammenfassung
Es werden eine Vorrichtung nach Anspruch 1 sowie ein Verfahren nach Anspruch 13 bereitgestellt. Die Unteransprüche definieren weitere Ausführungsformen.
Figurenliste

1 ist ein Blockschaltbild einer Vorrichtung als Grundlage für Ausführungsformen.
2 ist ein schematischer Stromlaufplan, der eine Halbbrückenschaltung veranschaulicht.
3 ist eine Skizze, die Signale in der Schaltung der 2 veranschaulicht.
4 ist ein Stromlaufplan, der eine Vorrichtung als Grundlage mancher Ausführungsformen veranschaulicht.
5 ist ein Stromlaufplan, der eine Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform veranschaulicht.
6 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform veranschaulicht.

Ausführliche Beschreibung
Unten werden unterschiedliche Ausführungsformen ausführlich unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben.
Diese Ausführungsformen werden allein beispielhaft gegeben und sollten nicht als den Geltungsbereich der Erfindung einschränkend betrachtet werden.
Obwohl zum Beispiel Ausführungsformen als eine Mehrzahl von Merkmalen oder Elementen umfassend beschrieben sein können, können einige dieser Merkmale oder Elemente bei anderen Ausführungsformen weggelassen und/oder durch alternative Merkmale oder Elemente ersetzt werden. Bei noch anderen Ausführungsformen können zusätzlich oder alternativ weitere Merkmale oder Elemente getrennt von den explizit beschriebenen bereitgestellt sein.
Merkmale oder Elemente unterschiedlicher Ausführungsformen können, außer wenn ausdrücklich anderes angegeben ist, miteinander kombiniert werden.
Bei den folgenden Ausführungsformen können Verbindungen oder Kupplungen zwischen Elementen, Blöcken oder Vorrichtungen direkte Verbindungen oder Kupplungen sein, das heißt, Verbindungen oder Kupplungen ohne eingreifende Elemente oder indirekte Verbindungen oder Kupplungen, das heißt Verbindungen oder Kupplungen mit einem oder mehreren eingreifenden Elementen, außer wenn dies spezifisch anders angegeben ist, solange die allgemeine Funktion der Verbindung oder Kupplung, zum Beispiel zum Übertragen einer bestimmten Art von Signal oder Information, grundlegend aufrechterhalten bleibt. Verbindungen oder Kupplungen können verdrahtete Verbindungen oder Kupplungen oder drahtlose Verbindungen oder Kupplungen sein.
Einige der folgenden Ausführungsformen verwenden Schalter. Schalter können als zwei Lastanschlüsse und einen Steueranschluss aufweisend beschrieben werden. Ein Zustand des Schalters kann zum Beispiel offen oder geschlossen sein, und der Zustand kann durch ein Signal gesteuert werden, das an dem Steueranschluss angelegt wird. Bei einem geschlossenen Zustand (gelegentlich eingeschalteter Zustand genannt), kann der Schalter zwischen seinen Lastanschlüssen leitend sein, das heißt, einen niedrigen ohmschen Widerstand zwischen seinen Lastanschlüssen haben, und bei einem offenen Zustand (gelegentlich auch ausgeschalteter Zustand genannt), kann der Schalter nicht leitend sein, das heißt einen hohen ohmschen Widerstand zwischen seinen Lastanschlüssen haben. Zu bemerken ist, dass bei dem offenen Zustand bei einigen Umsetzungen immer noch geringe Ströme fließen können, zum Beispiel unbeabsichtigte Leckströme.
Bei einigen Ausführungsformen können Schalter umgesetzt werden, die Transistoren verwenden, zum Beispiel bipolare Transistoren, Feldeffekttransistoren oder isolierte bipolare Gate-Transistoren, die in gewisser Hinsicht ein Gemisch aus bipolaren und Feldeffekttransistoren sind. In diesem Fall kann zum Beispiel eine Gate-Klemme oder eine Basisklemme einem Steueranschluss des Schalters entsprechen, und Source- und Drain-Klemme oder Emitter- und Kollektorklemmen können den Lastanschlüssen entsprechen.
Bei einigen Ausführungsformen kann ein Steuersignal an einem Steuereingang eines ersten Schalters eines Schalterpaars überwacht werden, und ein zweiter Schalter des Schalterpaars kann basierend auf der Überwachung gesteuert werden. Das Steuersignal an dem Steuereingang kann bei einigen Ausführungsformen ein Spannungssignal sein, und das Steuern des zweiten Schalters kann zum Beispiel das Schließen des Schalters nur dann umfassen, wenn die Spannung an dem Steuereingang des ersten Schalters einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, der angibt, dass der erste Schalter offen ist. Bei einigen Ausführungsformen kann auf diese Art eine Totzeit zwischen dem Öffnen des ersten Schalters und dem Schließen des zweiten Schalters verringert werden.
Unter Bezugnahme auf die Figuren ist in 1 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform gezeigt. Die Vorrichtung der 1 empfängt zum Beispiel eine Eingangsspannung Vin an den Klemmen 13, 14 und gibt eine Ausgangsspannung Vout zwischen den Klemmen 15 und 16 aus. Bei einigen Ausführungsformen kann die Vorrichtung der 1 als ein Spannungswandler, der eine Eingabe umwandelt, wirken. Techniken, die unten in Bezug auf den Betrieb der Schalter 10, 11 besprochen werden, können jedoch auch für andere Vorrichtungen als Spannungswandler gelten.
Wie veranschaulicht, umfasst die Vorrichtung der 1 einen ersten Schalter 10 und einen zweiten Schalter 11, die bei der in 1 veranschaulichten Ausführungsform von einer Steuervorrichtung 12 gesteuert werden. Ein erster Lastanschluss des ersten Schalters 10 ist mit der Klemme 13 gekoppelt. Ein zweiter Lastanschluss des ersten Schalters 10 ist mit einem ersten Lastanschluss des zweiten Schalters 11 gekoppelt. Ein zweiter Lastanschluss des zweiten Schalters 11 ist mit den Klemmen 14 und 16 gekoppelt. Ein Knoten 17 zwischen dem ersten Schalter 10 und dem zweiten Schalter 11 ist mit der Klemme 15 gekoppelt.
Ein Schalten des Schalters 10 wird von der Steuervorrichtung 12 über den Steueranschluss des ersten Schalters 10, wie durch einen Pfeil 18 angegeben, gesteuert. Ein Schalten des zweiten Schalters 11 wird von der Steuervorrichtung 12 über einen Steueranschluss des zweiten Schalters 11, wie durch einen Pfeil 21 angegeben, gesteuert. Die Schalter 10, 11 können bei einigen Ausführungsformen unter Verwendung von Transistoren umgesetzt werden. Bei anderen Ausführungsformen können die Schalter 10, 11 zum Beispiel eine Kombination aus einem Transistor und einer Diode umfassen. Im Allgemeinen sind die Schalter, die mit den Techniken dieser Offenbarung beschrieben und gesteuert werden, nicht unbedingt auf irgendeinen besonderen Typ beschränkt. Die mit den Techniken dieser Offenbarung beschriebenen und gesteuerten Schalter können Schalter aufweisen, die aus Silikon (Si), Galliumnitrid (GaN), Silikonkarbid (SiC) und/oder anderen Materialien gebildet sind. Die Schalter können Schalter des normalerweise offenen Typs sein oder des normalerweise geschlossenen Typs. Als spezifischere Beispiele können die Schalter GaN-Transistoren mit hoher Elektronenmobilität (GaN High Electron Mobility Transistor (HEMT)), MOSFET-Schaltvorrichtung des Typs N, MOSFET- Schaltvorrichtung des Typs P, isolierte bipolare Gate-TransistorSchaltvorrichtungen (Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT)), bipolare Transistorschaltvorrichtungen und/oder Drain Extended MOS (deMOS)-Schaltvorrichtungen umfassen. Ferner können die Schalter jeden anderen Typ Leistungsschaltertransistor oder Schaltvorrichtungen umfassen, die in einer Leistungsstufenkonfiguration an einem Chip des Typs CMOS arbeiten können.
Bei einer Ausführungsform steuert die Steuervorrichtung 12 den ersten Schalter 10 und den zweiten Schalter 11 derart, dass die Schalter 10, 11 auf abwechselnde Art geschlossen und geöffnet werden können, während verhindert wird, dass der erste Schalter 10 und der zweite Schalter 11 gleichzeitig geschlossen werden, was die Klemmen 13 und 14 kurzschließen würde. Um das zu unterstützen, wie durch einen gepunkteten Pfeil 19 angegeben, empfängt die Steuervorrichtung 12 Rückinformationen in Zusammenhang mit einem Signal an dem Steueranschluss des ersten Schalters 10, zum Beispiel ein Signalpegel an dem Steueranschluss des ersten Schalters 10. Ebenso, wie durch einen gepunkteten Pfeil 20 angegeben, empfängt die Steuervorrichtung 12 Rückinformationen in Zusammenhang mit einem Signal an dem Steueranschluss des zweiten Schalters 11, zum Beispiel über einen Signalpegel an dem Steueranschluss des zweiten Schalters 11. Mit anderen Worten, wie durch die gepunkteten Pfeile 19, 20 angegeben, empfängt die Steuervorrichtung 12 Informationen in Zusammenhang mit den tatsächlichen Signalen, zum Beispiel Signalpegel, die an den Steueranschlüssen anliegen, die zum Beispiel aufgrund von Ladeeffekten im Vergleich zu entsprechenden Signalen, die von der Steuervorrichtung 12 gesendet werden, verzögert sein können.
Bei einer Ausführungsform kann die Steuervorrichtung 12 zum Beispiel den zweiten Schalter 11 öffnen, sobald das Signal an dem Steueranschluss des ersten Schalters 10 angibt, dass der erste Schalter 10 geschlossen ist, und umgekehrt. Bei einigen Ausführungsformen können durch direktes Beurteilen der Rückinformationen in Zusammenhang mit den Signalen, zum Beispiel der Signalpegel an den Steueranschlüssen, Totzeiten verringert werden. Mit anderen Worten kann bei einigen Ausführungsformen eine Zeit zwischen dem Senden eines Signals zum Beispiel zu dem ersten Schalter 10, um den ersten Schalter 10 zu schließen, und dem Senden eines Signals zu dem zweiten Schalter 11, um den zweiten Schalter 11 zu öffnen, in einigen Fällen verringert werden.
In 2 ist ein Spannungswandler veranschaulicht, bei dem Techniken, die hier offenbart sind, zum Beispiel ein Steuern von Schaltern, wie unter Bezugnahme auf 1 erklärt, umgesetzt werden. Der Spannungswandler der 2 umfasst einen ersten Transistor 21 mit einer ersten Diode 22, die zwischen seinen Lastanschlüssen gekoppelt ist, und einen zweiten Transistor 23 mit einer zweiten Diode 24, die zwischen seinen Lastanschlüssen wie gezeigt gekoppelt ist. Die Dioden 22, 24, können jeweils intrinsische Dioden der IGBTs 21, 23 sein, oder können Dioden sein, die zusätzlich zu den Transistoren 21, 23 bereitgestellt werden. Bei dem gezeigten Beispiel sind die Transistoren 21, 23 isolierte bipolare Gate-Transistoren (IGBTs). Bei anderen Ausführungsformen können andere Arten von Transistoren verwendet werden. Eine Eingangsspannung Vin wird zwischen einer Kollektorklemme des ersten Transistors 21 und einer Emitterklemme des zweiten Transistors 23 angelegt. Eine Ausgangsspannung Vout kann zwischen der Emitterklemme des zweiten Transistors 23 und einem Knoten, der mit einer anderen Emitterklemme des ersten Transistors 21 und einer Kollektorklemme des zweiten Transistors 23 gekoppelt ist, abgenommen werden. Ein Strom, der zu dem ersten Transistor 21 fließt, ist in 2 mit i_T1 bezeichnet, ein Strom, der zu der Kollektorklemme des zweiten Transistors 23 fließt, ist mit i_T2 bezeichnet, und ein Ausgangsstrom von dem oben erwähnten Knoten ist mit i_L bezeichnet.
Die Steuervorrichtung 20 legt eine Steuerspannung an den ersten Transistor 21 über einen ersten Widerstand 25 an, und eine Steuerspannung an eine Gate-Klemme des zweiten Transistors 23 über einen Widerstand 26. Wie schematisch angegeben, können die Transistoren 21 und 23 geschlossen werden, das heißt auf einen leitenden Zustand zwischen dem Kollektor und dem Emitter auf eine abwechselnde Art derart geschaltet werden, dass an jedem Zeitpunkt höchstens einer der Transistoren 21, 23 leitend ist. Um eine Totzeit zu verringern, können Techniken, die unter Bezugnahme auf 1 besprochen sind, verwendet werden. Das Steuern durch die Steuervorrichtung 20 kann zum Beispiel auf einer Grundlage einer Messung von Gate-Spannungen der Transistoren 21, 23 ausgeführt werden.
Zu bemerken ist, dass die Schaltung der 2 weitere Elemente umfassen kann, wie zum Beispiel Filter- oder Speicherelemente, um Störeffekte bei einigen Ausführungsformen, falls sie auftreten sollten, zu verringern.
In 3 sind beispielhafte Signale für die Schaltung der 2 gezeigt. Diese beispielhaften Signale sind nur zu weiteren Veranschaulichungszwecken gegeben, und die Signale können in Abhängigkeit von der Umsetzung andere Formen haben. In 3 beziehen sich gepunktete Signale im Allgemeinen auf Signale in Zusammenhang mit dem zweiten Transistor 23, während durchgehende Linien Signale in Zusammenhang mit dem ersten Transistor 21 betreffen.
Eine Kurve 33 veranschaulicht eine Steuerspannung V_ctrl, die von der Steuervorrichtung 20 zu einer Gate-Klemme des ersten Transistors 21 gesendet wird, und eine Kurve 34 veranschaulicht eine entsprechende Steuerspannung, die zu einer Gate-Klemme des zweiten Transistors 23 gesendet wird. Eine Pulsdauer der Steuerspannungen ist mit t_p bezeichnet. Ein Verhältnis zwischen dem Pulsdauern kann eine Größe der Ausgangsspannung Vout bestimmen, zum Beispiel in Bezug auf die Eingangsspannung Vin. T_DT veranschaulicht eine Totzeit, die bei einigen Ausführungsformen unter Anwendung der unter Bezugnahme auf 1 offenbarten Techniken verringert werden kann.
Eine Kurve 34 veranschaulicht eine Gate-Emitterspannung für V_gexx (wobei xx den Transistor 21 oder 23 darstellt) des ersten Transistors 21, und eine Kurve 30 veranschaulicht eine Gate-Emitterspannung des zweiten Transistors 23. Wie man sieht, ist die Gate-Emitterspannung im Vergleich zu dem Steuersignal verzögert. Es besteht zum Beispiel ein Zeitunterschied t_d(on) zwischen einer ansteigenden Flanke des Impulses 33 und der Gate-Emitterspannung gemäß der Kurve 34, die einen ausreichend hohen Pegel erreicht, um den Transistor 21 einzuschalten, das heißt, den Schalter zu schließen, der vom Transistor 21 dargestellt wird, und es besteht ein Zeitunterschied t_d(off) zwischen einer fallenden Flanke des Impulses 33 und der Gate-Emitterspannung V_gexx, die weit genug abfällt, damit sich der Transistor 21 ausschaltet, das heißt, dass sich der Schalter öffnet. Eine Kurve 31 zeigt eine Kollektor-Emitterspannung VCE für den ersten Transistor 21 und eine Kurve 32 zeigt die Kollektor-Emitterspannung für den zweiten Transistor 23. Eine Kurve 36 veranschaulicht das Verhalten von i_T1 der 2 für die gezeigten beispielhaften Signale, und eine Kurve 37 veranschaulicht das Verhalten von i_T2 für die gezeigten beispielhaften Signale.
Bei einigen Ausführungsformen, durch Verwenden von Techniken, wie unter Bezugnahme auf 1 beschrieben, zum Beispiel durch Überwachen der Gate-Emitterspannung in der Schaltung der 2, kann die Totzeit T_DT verringert werden, indem zum Beispiel der Impuls 35 sofort gestartet wird, nachdem die Kurve 34 einen Schwellenwert erreicht hat, der angibt, dass der erste Transistor 21 ausgeschaltet ist. Bei anderen Ausführungsformen können andere Techniken verwendet werden.
In 4 ist eine Vorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform veranschaulicht. Die Vorrichtung der 4 umfasst zwei Schaltervorrichtungen 40, 41. Bei der Ausführungsform der 4 umfasst jede der Schaltvorrichtungen einen IGBT und eine Diode, die zwischen Source- und Drain-Klemme des IGBT gekoppelt ist. Solche Dioden können wieder intrinsische Dioden oder zusätzlich bereitgestellte Dioden sein.
Eine Kollektorklemme des IGBT der Schaltvorrichtung 40 ist mit einer Spannung VDC+ gekoppelt, und eine Emitterklemme des IGBT der zweiten Schaltvorrichtung 41 ist mit der Erdung (GND) gekoppelt. Ein Unterschied zwischen VDC+ und GND kann einer Eingangsspannung für die Vorrichtung der 4 entsprechen. Eine Ausgangsspannung kann zum Beispiel zwischen einem Knoten 412, der sich zwischen den Schaltervorrichtungen 40, 41 und GND befindet, abgenommen werden.
Die Schaltervorrichtung 40 kann eine High-Side-Schaltvorrichtung genannt werden, und die Schaltvorrichtung 41 kann eine Low-Side-Schaltvorrichtung genannt werden. Die Schaltvorrichtung 40 wird durch einen High-Side-Treiber 42 basierend auf einem High-Side-Treiber-Eingang IN HS gesteuert. Eine Signalausgabe durch den High-Side-Treiber 42 über einen Transistor 410 zu einer Gate-Klemme des IGBT der Schaltvorrichtung 40 ist in 4 mit OutH bezeichnet.
Auf eine ähnliche Art wird die Schaltvorrichtung 41 durch einen Low-Side-Treiber 43 basierend auf einem Low-Side-Eingangssignal IN LS gesteuert. Ein Ausgangssignal OutL des Low-Side-Treibers 43 wird an eine Gate-Klemme des IGBT der Schaltvorrichtung 41 über einen Widerstand 411 angelegt.
Die Signale IN HS, IN LS können zum Beispiel Impulssignale sein, die dazu bestimmt sind, die Schaltvorrichtung 40 und die Schaltvorrichtung 41 abwechselnd zu schließen.
Der High-Side-Treiber 42 und der Low-Side-Treiber 43 können in einer Steuervorrichtung enthalten sein und können bei einigen Ausführungsformen als eine einzige Schaltung umgesetzt werden. In dem High-Side-Treiber 42 wird das High-Side-Treiber-Signal IN HS zu einem ersten Eingang eines UND-Gatters 44 gespeist. Ein zweiter Eingang des UND-Gatters 44 ist mit einem Ausgang eines Komparators 47 des Low-Side-Treibers 43 gekoppelt. Ein Ausgang des UND-Gatters 44 entspricht dem bereits erwähnten Steuersignal OutH. Ein erster Eingang des Komparators 47 ist mit der Gate-Klemme des IGBT der Schaltvorrichtung 41 zwischen der Schaltvorrichtung 41 und dem Widerstand 411 wie gezeigt gekoppelt. Der Komparator 47 empfängt daher eine Gate-Spannung der Schaltvorrichtung 41. Ein zweiter Eingang des Komparators 47 ist mit einer Bezugsspannung 49 gekoppelt, die in 4 durch ein Batteriezeichen dargestellt ist. Die Bezugsspannung 49 kann eine Bezugsspannung ausgeben, die eine Schwellenspannung des IGBT der Schaltvorrichtung 41 entspricht. Derart kann der Komparator 47 erfassen, wenn die Gate-Spannung des IGBT der Schaltvorrichtung 49 unter einen Schwellenwert fällt, was angeben kann, dass die Schaltvorrichtung 41 ausgeschaltet ist. Bei einigen Umsetzungen kann ein solcher Schwellenwert zum Beispiel etwa 2 V sein, obwohl andere Werte in Abhängigkeit von einer Umsetzung der Schaltvorrichtung 41 ebenfalls verwendet werden können.
Durch Verwenden diese Struktur mit dem UND-Gatter 44, wird eine Schaltvorrichtung 40 nur geschlossen, wenn das Signal IN HS angibt, dass die Schaltvorrichtung 40 zu schließen ist UND die Gate-Spannung des IGBT der Schaltvorrichtung 41 angibt, dass die Schaltvorrichtung 41 offen ist.
Auf eine ähnliche Art umfasst der Low-Side-Treiber 43 ein UND-Gatter 45. Ein erster Eingang des UND-Gatters 45 empfängt das Low-Side-Steuersignal IN LS. Ein zweiter Eingang des UND-Gatters 45 ist mit einem Ausgang eines Komparators 46 des High-Side-Treibers 42 gekoppelt. Ein erster Eingang des Komparators 46 empfängt eine Gate-Spannung des IGBT der ersten Schaltvorrichtung 40, die zwischen dem Widerstand 410 und der ersten Schaltvorrichtung 40 abgenommen wird. Ein zweiter Eingang des Komparators 46 ist mit einer Bezugsspannung 48 gekoppelt. Wie für die Bezugsspannung 49 beschrieben, kann die Bezugsspannung 48 einer Gate-Spannung entsprechen, bei der der IGBT der Schaltvorrichtung 40 nicht leitend wird. Die Schwellenspannung kann zum Beispiel in der Größenordnung von 2 V liegen, obwohl in Abhängigkeit von der Umsetzung der ersten Schaltvorrichtung 40 andere Werte ebenfalls verwendet werden können.
Durch diese Konfiguration, durch die Verwendung des Komparators 46 und des UND-Gatters 45, steuert das Signal OutL die zweite Steuervorrichtung 41 nur zum Schließen, wenn das Ausgangssignal des Komparators 46 angibt, dass die Schaltvorrichtung 40 offen ist (zum Beispiel, dass die Gate-Spannung tief genug unter die Schwellenspannung 48 gefallen ist) UND das Signal IN LS angibt, dass die zweite Schaltvorrichtung 41 zu schließen ist.
Derart können bei der Ausführungsform der 4 bei einigen Umsetzungen die Signale IN HS, IN LS derart ausgewählt werden, dass eine der Schaltvorrichtungen 40, 41 sofort geschlossen würde, nachdem die andere der Schaltvorrichtungen 40, 41 geöffnet wurde. Die abfallenden Flanken eines der Signale IN HS, IN LS können zum Beispiel ansteigenden Flanken des anderen der Signale IN HS, IN LS und umgekehrt entsprechen.
Durch die Verwendung der Komparatoren 46, 47 und der UND-Gatter 44, 45 bei der Ausführungsform der 4, kann dann sichergestellt werden, dass das tatsächliche Schließen erst auftritt, nachdem die andere Schaltvorrichtung mit Bestimmtheit geöffnet wurde, das heißt, dass die Gate-Spannung einen Wert hat, der sicherstellt, dass die andere Schaltvorrichtung offen ist. Derart kann bei einigen Ausführungsformen eine Totzeit verringert werden.
Bei einigen Ausführungsformen können die Widerstände 410, 411 in einer integrierten Schaltung gemeinsam mit den Schaltvorrichtungen 40, 41 bereitgestellt werden. Bei weiteren Ausführungsformen können auch die Treiber 42, 43 und/oder weitere Bauteile in einer solchen integrierten Schaltung bereitgestellt werden. Die Widerstände 410, 411 koppeln die Treiber 42, 43 von den Schaltvorrichtungen 40, 41 in einem bestimmten Ausmaß ab. Bei anderen Ausführungsformen, bei welchen keine Widerstände 410, 411 oder andere Abkupplung bereitgestellt werden, kann die Gate-Spannung an anderen Stellen abgenommen werden.
Eine weitere Ausführungsform einer Vorrichtung ist in 5 veranschaulicht. Die Ausführungsform der 5 basiert in einem gewissen Ausmaß auf der Ausführungsform der 4. Elemente der Ausführungsform der 5, die bereits unter Bezugnahme auf 4 beschrieben wurden, tragen die gleichen Bezugszeichen und werden nicht wieder ausführlich beschrieben. Die Ausführungsform der 5 umfasst zum Beispiel eine erste und eine zweite Schaltvorrichtung 40, 41, die jeweils über Widerstände 410, 411 gesteuert werden. Außerdem umfasst die Ausführungsform der 5 einen High-Side-Treiber 50 und einen Low-Side-Treiber 51 auf, die ebenfalls einige Elemente umfassen, die bereits unter Bezugnahme auf 4 besprochen wurden, zum Beispiel UND-Gatter 44, 45, Komparatoren 46, 47 und Bezugsspannungen 48, 49.
Die Ausführungsform der 5 umfasst ferner Schaltungen zum Erfassen einer Stromrichtung durch die Schaltvorrichtungen 40, 41. Wenn eine Stromrichtung in einer der Schaltvorrichtungen 40, 41 zum Beispiel der Vorwärtsrichtung der Diode der entsprechenden Schaltvorrichtung 40, 41 entspricht, kann der jeweilige IGBT der Schaltvorrichtung bereits offen sein, da die Diode den Strom trägt. Bei einigen Ausführungsformen kann eine Schaltvorrichtung daher früher geöffnet werden als ohne die Stromerfassung, was bei einigen Ausführungsformen wiederum ein früheres Schließen der anderen Schaltvorrichtung ermöglichen kann, was in einigen Fällen eine Totzeit weiter verringern kann.
Um das zu erzielen, wird bei der Ausführungsform der 5 ein erster Eingang des Komparators 55 mit einer Kollektor-Klemme des IGBT der ersten Schaltvorrichtung 40 über eine Diode 52 gekoppelt. Der erste Eingang des Komparators 55 ist ferner mit einer Stromquelle 54 gekoppelt. Ein zweiter Eingang des Komparators 55 ist mit einer Bezugsspannung 56 gekoppelt, die bei einigen Ausführungsformen etwa 0 V sein kann, aber gemäß einer jeweiligen Umsetzung variieren kann. Ein Ausgang des Komparators 55 ist mit einem ersten Eingang eines UND-Gatters 57 gekoppelt. Ein zweiter Eingang des UND-Gatters 57 ist mit dem Ausgang des UND-Gatters 44 gekoppelt. Bei der Ausführungsform der 5 gibt das UND-Gatter 57 das Steuersignal OutH zum Steuern der ersten Schaltvorrichtung 40 aus. Über die Diode 52 und den Komparator 55, werden Informationen in Zusammenhang mit der Stromrichtung in der ersten Schaltvorrichtung 40 erzielt. Wenn die Stromrichtung angibt, dass der Strom über die Diode 40 (was auch eine negative Stromrichtung genannt werden kann, zum Beispiel in die entgegengesetzte Richtung zu dem Strom i_T1, der in 2 gezeigt ist), über das UND-Gatter 57 fließt, öffnet der Komparator 55 die Schaltvorrichtung 40. Ein negativer Strom entspricht daher einem Strom entgegengesetzt zu einer Richtung von VDC+ zur Erdung (GND). Dieses Öffnen kann durch den Komparator 46 erfasst werden, der ein früheres Schließen der Schaltvorrichtung 41 ermöglichen kann.
Auf eine ähnliche Art ist ein erster Eingang eines Komparators 59 mit einer Kollektor-Klemme des IGBT der zweiten Schaltvorrichtung 41 über eine Diode 53 gekoppelt. Der erste Eingang des Komparators 59 ist ferner mit einer Stromquelle 58 gekoppelt.
Ein zweiter Eingang des Komparators 59 kann mit einer Bezugsspannung 510 gekoppelt sein, die bei einigen Ausführungsformen etwa 0 V betragen kann, obwohl in Abhängigkeit von den Umsetzungen andere Werte ebenfalls möglich sind.
Ein Ausgang des Komparators 59 ist mit einem ersten Eingang eines UND-Gatters 511 gekoppelt. Ein zweiter Eingang des UND-Gatters 511 ist mit dem Ausgang des UND-Gatters 45 gekoppelt. Das Steuersignal OutL wird von einem Ausgang des UND-Gatters 511 bereitgestellt. Ähnlich wie das, was für die erste Schaltvorrichtung 40 geschrieben wurde, kann bei der Ausführungsform der 5 über die Diode 53 und den Komparator 59 erfasst werden, wenn Strom durch die zweite Schaltvorrichtung 41 über die Diode der zweiten Schaltvorrichtung 41 fließt, das heißt, eine negative Stromrichtung hat (zum Beispiel in die Richtung, die zu der für i_T2 in 3 angegebenen entgegengesetzt ist). Über das UND-Gatter 511 kann die Schaltvorrichtung 41 dann geöffnet werden (das heißt, der IGBT kann geöffnet werden), was sich nicht auf den Betrieb auswirkt, da Strom immer noch über die Diode fließen kann. Dieses Öffnen kann über den Komparator 47, wie bereits unter Bezugnahme auf 4 beschrieben, erfasst werden, was wiederum das frühere Öffnen der ersten Schaltvorrichtung 40 ermöglichen kann.
Zu bemerken ist, dass die Ausführungsformen nur Beispiele sind und dass andere Umsetzungen möglich sind. Während zum Beispiel eine Logik mit zwei UND-Gattern 44, 57 in dem High-Side-Treiber 50 und zwei UND-Gattern 55, 511 in dem Low-Side-Treiber 51 veranschaulicht ist, können bei anderen Ausführungsformen andere Logikgatter verwendet werden. Ein UND-Gatter mit drei Eingängen kann zum Beispiel verwendet werden.
An Stelle der IGBTs, in Abhängigkeit von den Strömen einer Umsetzung, können andere Transistorarten verwendet werden, wie zum Beispiel Feldeffekttransistoren oder bipolare Transistoren. Andere Ausführungsformen, die dem Fachmann klar sind, können ebenfalls verwendet werden, ohne vom Geltungsbereich der Anmeldung abzuweichen.
In 6 ist ein Flussdiagramm veranschaulicht, das ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform veranschaulicht. Das Verfahren der 6 kann in den Vorrichtungen umgesetzt werden, die unter Bezugnahme auf die 1 bis 5 veranschaulicht und erklärt wurden, kann aber auch in anderen Vorrichtungen umgesetzt werden, zum Beispiel in anderen Arten von Spannungswandlern.
Obwohl das Verfahren der 6 als eine Reihe von Handlungen oder Ereignissen veranschaulicht ist, darf die Reihenfolge, in der diese Handlungen oder Ereignisse präsentiert sind, nicht als einschränkend ausgelegt werden, da andere Ausführungsformen andere Reihenfolgen verwenden können, und/oder unterschiedliche Handlungen oder Ereignisse parallel dazu zum Beispiel durch unterschiedliche Teile einer Schaltung ausgeführt werden können. Das Verfahren kann auch wiederholt oder ununterbrochen ausgeführt werden.
Bei 60 in 6 wird eine Rückinformation von einem Steueranschluss eines ersten Schalters bereitgestellt, das ein Signal angeben kann, das an dem Steueranschluss des ersten Schalters anliegt, zum Beispiel einen Spannungspegel.
Bei 61 wird ein zweiter Schalter basierend auf der Rückinformation gesteuert. Der zweite Schalter kann zum Beispiel nur geschlossen werden, falls die Rückinformation angibt, dass der erste Schalter geöffnet wird. Es ist klar, dass das Verfahren der 6 zusätzlich oder alternativ auch mit den Rollen des ersten und zweiten Schalters umgekehrt angewandt werden kann.
Bei anderen Ausführungsformen können andere Verfahren verwendet werden.

Claims

Vorrichtung, die Folgendes umfasst: einen ersten Schalter (10, 11; 21, 23; 40, 41), wobei der erste Schalter (10, 11; 21, 23; 40, 41) einen ersten Steueranschluss, einen ersten Lastanschluss und einen zweiten Lastanschluss umfasst, einen zweiten Schalter (10, 11; 21, 23; 40, 41), wobei der zweite Schalter (10, 11; 21, 23; 40, 41) einen zweiten Steueranschluss, einen dritten Lastanschluss und einen vierten Lastanschluss umfasst, eine Steuervorrichtung (12; 20; 42, 43; 50, 51), wobei die Steuervorrichtung (12; 20; 42, 43; 50, 51) eingerichtet ist, eine Rückinformation bezüglich eines Signals (OutH, OutL) an dem ersten Steueranschluss zu empfangen und ein Signal (OutL, OutH) an den zweiten Steueranschluss basierend auf der Rückinformation auszugeben, wobei der erste Schalter (10, 11; 21, 23; 40, 41) einen ersten Transistor (T1, T2) und eine erste Diode (D1, D2), die zwischen Lastanschlüssen des ersten Transistors (T1, T2) gekoppelt ist, umfasst und wobei der zweite Schalter (10, 11; 21, 23; 40, 41) einen zweiten Transistor (T2, T1) und eine zweite Diode (D2, D1), die zwischen Lastanschlüssen des zweiten Transistors (T2, T1) gekoppelt ist, umfasst, wobei die Steuervorrichtung (12; 20; 42, 43; 50, 51) ferner eingerichtet ist, um zu erfassen, wenn ein Strom über die erste Diode (D1, D2) fließt, und den ersten Schalter (10, 11; 21, 23; 40, 41) zu öffnen, wenn ein Strom über die erste Diode (D1, D2) fließt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Steuervorrichtung (12; 20; 42, 43; 50, 51) eingerichtet ist, den zweiten Schalter (10, 11; 21, 23; 40, 41) nur dann zu veranlassen, durch das Signal (OutL, OutH), das an den zweiten Steueranschluss ausgegeben wird, geschlossen zu werden, falls die Rückinformation angibt, dass der erste Schalter (10, 11; 21, 23; 40, 41) offen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Steuervorrichtung (12; 20; 42, 43; 50, 51) einen Komparator (46, 47) umfasst, wobei ein erster Eingang des Komparators (46, 47) mit dem ersten Steueranschluss gekoppelt ist, um die Rückinformation zu empfangen, wobei ein zweiter Eingang des Komparators (46, 47) mit einem Referenzsignal (48, 49) gekoppelt ist, wobei die Steuervorrichtung (12; 20; 42, 43; 50, 51) eingerichtet ist, das Signal an den zweiten Steueranschluss basierend auf einer Ausgabe des Komparators (46, 47) auszugeben.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Steuervorrichtung (12; 20; 42, 43; 50, 51) ferner ein UND-Gatter (44, 45) umfasst, wobei ein erster Eingang des UND-Gatters (44, 45) mit einem Ausgang des Komparators (46, 47) gekoppelt ist, ein zweiter Eingang des UND-Gatters (44, 45) eingerichtet ist, ein Steuersignal zu empfangen, und ein Ausgang des UND-Gatters (44, 45) mit dem zweiten Steueranschluss gekoppelt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, wobei die Steuervorrichtung (12; 20; 42, 43; 50, 51) ferner eingerichtet ist, eine weitere Rückinformationen bezüglich eines Signals an dem zweiten Steueranschluss zu empfangen und ein Signal an den ersten Steueranschluss basierend auf der weiteren Rückinformation auszugeben.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Steuervorrichtung (12; 20; 42, 43; 50, 51) eingerichtet ist, den ersten Schalter (10, 11; 21, 23; 40, 41) nur dann zu veranlassen, durch das Signal, das an den zweiten Steueranschluss ausgegeben wird, geschlossen zu werden, falls die weitere Rückinformation angibt, dass der zweite Schalter (10, 11; 21, 23; 40, 41) offen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Steuervorrichtung (12; 20; 42, 43; 50, 51) einen weiteren Komparator (47, 46) umfasst, wobei ein erster Eingang des weiteren Komparators (47, 46) mit dem zweiten Steueranschluss gekoppelt ist, um die weitere Rückinformation zu empfangen, wobei ein zweiter Eingang des weiteren Komparators mit einem Referenzsignal (49, 48) gekoppelt ist, wobei die Steuervorrichtung (12; 20; 42, 43; 50, 51) eingerichtet ist, das Signal an den ersten Steueranschluss basierend auf einer Ausgabe des weiteren Komparators (47, 46) auszugeben.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Steuervorrichtung (12; 20; 42, 43; 50, 51) ferner ein weiteres UND-Gatter (45, 44) umfasst, wobei ein erster Eingang des weiteren UND-Gatters (45, 44) mit einem Ausgang des weiteren Komparators (47, 46) gekoppelt ist, ein zweiter Eingang des weiteren UND-Gatters (45, 44) eingerichtet ist, ein Steuersignal zu empfangen, und ein Ausgang des weiteren UND-Gatters (45, 44) mit dem ersten Steueranschluss gekoppelt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-8, wobei der erste Lastanschluss des ersten Schalters (10, 11; 21, 23; 40, 41) mit einem ersten Eingangsanschluss gekoppelt ist, wobei der zweite Lastanschluss des ersten Schalters (10, 11; 21, 23; 40, 41) mit dem dritten Lastanschluss des zweiten Schalters (10, 11; 21, 23; 40, 41) und mit einem ersten Ausgangsanschluss gekoppelt ist, und wobei der vierte Lastanschluss des zweiten Schalters (10, 11; 21, 23; 40, 41) mit einem zweiten Eingangsanschluss und einem zweiten Ausgangsanschluss gekoppelt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-9, wobei zum Erfassen, ob ein Strom über die erste Diode (D1, D2) fließt, die Steuervorrichtung (12; 20; 42, 43; 50, 51) einen zusätzlichen Komparator (55, 511) umfasst, wobei ein erster Eingang des zusätzlichen Komparators (55, 511) mit dem ersten Lastanschluss des ersten Schalters (10, 11; 21, 23; 40, 41) gekoppelt ist, wobei der zweite Eingang des zusätzlichen Komparators (55, 511) mit einem Referenzsignal (56, 510) gekoppelt ist, wobei das Öffnen des ersten Schalters (10, 11; 21, 23; 40, 41) das Öffnen des ersten Schalters (10, 11; 21, 23; 40, 41) basierend auf einer Ausgabe des zusätzlichen Komparators umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei der erste Eingang des zusätzlichen Komparators (55, 511) mit dem ersten Lastanschluss des ersten Schalters (10, 11; 21, 23; 40, 41) über eine weitere Diode (52, 53) gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, wobei der erste Eingang des zusätzlichen Komparators (55, 59) mit einer Stromquelle (54, 58) gekoppelt ist.
Verfahren zum Betreiben einer Anordnung mit einem ersten Schalter (10, 11; 21, 23; 40, 41), wobei der erste Schalter (10, 11; 21, 23; 40, 41) einen ersten Steueranschluss, einen ersten Lastanschluss und einen zweiten Lastanschluss umfasst, und einem zweiten Schalter (10, 11; 21, 23; 40, 41), wobei der zweite Schalter (10, 11; 21, 23; 40, 41) einen zweiten Steueranschluss, einen dritten Lastanschluss und einen vierten Lastanschluss umfasst, wobei der erste Schalter (10, 11; 21, 23; 40, 41) einen ersten Transistor (T1, T2) und eine erste Diode (D1, D2), die zwischen Lastanschlüssen des ersten Transistors (T1, T2) gekoppelt ist, umfasst und wobei der zweite Schalter (10, 11; 21, 23; 40, 41) einen zweiten Transistor (T2, T1) und eine zweite Diode (D2, D1), die zwischen Lastanschlüssen des zweiten Transistors (T2, T1) gekoppelt ist, umfasst wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Bereitstellen einer Rückinformation von einem Steueranschluss eines ersten Schalters (10, 11; 21, 23; 40, 41), Steuern eines zweiten Schalters (10, 11; 21, 23; 40, 41) basierend auf der Rückinformation, Erfassen, wenn ein Strom über die erste Diode fließt, und Öffnen des ersten Schalters, wenn ein Strom über die erste Diode fließt.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Bereitstellen der Rückinformationen ein Bereitstellen eines Signalpegels an dem Steueranschluss des ersten Schalters (10, 11; 21, 23; 40, 41) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei das Steuern des zweiten Schalters (10, 11; 21, 23; 40, 41) das Schließen des zweiten Schalters (10, 11; 21, 23; 40, 41) nur dann umfasst, falls die Rückinformation angibt, dass der erste Schalter (10, 11; 21, 23; 40, 41) offen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13-15, das ferner das Bereitstellen einer weiteren Rückinformation von einem Steueranschluss des zweiten Schalters (10, 11; 21, 23; 40, 41) und ein Steuern des ersten Schalters (10, 11; 21, 23; 40, 41) basierend auf der weiteren Rückinformation umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13-16, das ferner das Steuern des ersten Schalters (10, 11; 21, 23; 40, 41) und das Steuern des zweiten Schalters (10, 11; 21, 23; 40, 41) zum Umwandeln einer ersten Spannung in eine zweite Spannung umfasst.