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Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein ein elektronisches Bauelement und insbesondere ein System und ein Verfahren zum Ansteuern eines Schalttransistors.
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Hochspannungsschalttransistoren, wie etwa Leistungs-MOSFETs, JFETs (Junction Field Effect Transistor) und Galliumnitrid-High-Electron-Mobility-Transistor (GaN-HEMT), werden üblicherweise als Halbleiterschalter in Hochspannungs- und Hochleistungsbauelementen wie etwa getakteten Leistungswandlern, Motorcontrollern und Hochspannungs- und Hochleistungsschaltkreisen verwendet. Einige dieser Bauelemente wie etwa der GaN-HEMT, besitzen die Fähigkeit, bei sehr hohen Spannungen betrieben zu werden, ohne dass das Bauelement ausfällt oder beschädigt wird.
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Einige Bauelemente wie etwa der JFET und GaN-HEMT, können so hergestellt werden, dass sie eine negative Einsatzspannung besitzen, wodurch bewirkt wird, dass das Bauelement leitend ist, wenn eine Spannung von null an der Gateelektrode und der Sourceelektrode dieser Transistoren anliegt. Solche Bauelemente werden entsprechend als „selbstleitende“ Bauelemente oder Transistoren bezeichnet, da diese Bauelemente unter Bedingungen mit einer Vorspannung von null effektiv ein sind. Wenn solche selbstleitenden Bauelemente verwendet werden, werden im Allgemeinen Vorkehrungen getroffen, um sicherzustellen, dass eine Spannung generiert wird, um sicherzustellen, dass das selbstleitende Bauelement ausgeschaltet werden kann. Beispielsweise wird in einer in einem getakteten Leistungswandlung verwendeten Treiberschaltung eine negative Spannung generiert oder bereitgestellt, die eine Spannung besitzt, die ausreichend unter der Einsatzspannung des selbstleitenden Bauelements liegt, um sicherzustellen, dass das Bauelement tatsächlich wie beabsichtigt ausgeschaltet wird.
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Aus
DE 10 2011 087 464 A1 ist eine Treiberschaltung zum Ansteuern eines JFET-Transistors und eines MOSFET-Transistors bekannt. Die Treiberschaltung enthält einen Niederspannungsbereich und einen Hochspannungsbereich, die über einen Corless Transformer gekoppelt sind.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst eine Schaltung zum Ansteuern eines Steueranschlusses eines Schalttransistors: einen Treiber mit einem Ausgang, der dazu ausgebildet ist, mit einem Steueranschluss des Schalttransistors gekoppelt zu werden, einen ersten Leistungsversorgungsanschluss, der dazu ausgebildet ist, an den ersten Anschluss einer potentialfreien Leistungsversorgung gekoppelt zu werden, einen zweiten Leistungsversorgungsanschluss, der dazu ausgebildet ist, mit einem zweiten Anschluss der potentialfreien Leistungsversorgung gekoppelt zu werden, und einen Schalteingangsanschluss, der dazu ausgebildet ist, ein Schaltsignal zu empfangen. Die Schaltung umfasst weiterhin eine Bias-Schaltung mit einem Ausgangsanschluss, der dazu ausgebildet ist, mit einem Gleichtaktsteueranschluss der potentialfreien Leistungsversorgung gekoppelt zu werden, wobei die Bias-Schaltung dazu ausgebildet ist, eine zeitabhängige Spannung zu liefern.
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Für ein umfassenderes Verständnis der vorliegenden Erfindung und ihrer Vorteile wird nun auf die folgenden Beschreibungen in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, in denen:
- 1a-c ein herkömmliches Schalteransteuersystem veranschaulichen;
- 2 ein Schalteransteuersystem gemäß einem Ausführungsbeispiel veranschaulichen;
- 3 ein Schalteransteuersystem gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel veranschaulicht;
- 4 ein Schalteransteuersystem gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel veranschaulicht;
- 5 ein Ausführungsbeispiel einer Transistorkopie-Schaltung veranschaulicht; und
- 6 ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel veranschaulicht.
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Entsprechende Zahlen und Symbole in verschiedenen Figuren beziehen sich allgemein auf entsprechende Teile, sofern nichts anderes angegeben ist. Die Figuren wurden gezeichnet, um die relevanten Aspekte der bevorzugten Ausführungsbeispiele klar zu veranschaulichen, und sie sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeichnet.
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Das Herstellen und Verwenden der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsbeispiele wird unten ausführlich erörtert. Es versteht sich jedoch, dass die vorliegende Erfindung viele anwendbare erfindungsgemäße Konzepte bereitstellt, die in einer großen Vielzahl spezifischer Kontexte verkörpert werden können. Die erörterten spezifischen Ausführungsbeispiele veranschaulichen lediglich spezifische Wege zum Herstellen und Verwenden der Erfindung und beschränken nicht den Schutzbereich der Erfindung.
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Die vorliegende Erfindung wird bezüglich bevorzugter Ausführungsbeispiele in einem spezifischen Kontext, einem System und Verfahren zum Ansteuern eines selbstleitenden Schalttransistors beschrieben. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können auch auf verschiedene Systeme angewendet werden, die selbstleitende Transistoren nutzen, wie etwa getaktete Leistungswandler, Motorcontroller und andere Schaltungen. Ausführungsbeispiele können auch das Ansteuern von selbstsperrenden Transistoren betreffen.
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Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist eine Schaltung dazu ausgebildet, einen Steueranschluss eines Schalttransistors anzusteuern. Dieser Schalttransistor kann eine negativen Einsatzspannung besitzen, wie etwa ein JFET, ein Galliumnitrid-HEMT (GaN-HEMT), ein Verarmungs-MOSFET oder ein anderer Transistor mit einer negativen Einsatzspannung, oder er kann eine positive Einsatzspannung besitzen, wie etwa ein Anreicherungs- MOSFET. Der Treiber umfasst Leistungsversorgungsanschlüsse, die mit einer potentialfreien Leistungsversorgung gekoppelt sind. Die potentialfreie Leistungsversorgung kann eine positive Spannung und eine negative Spannung erzeugen, die an die Leistungsversorgungsanschlüsse des Treibers gekoppelt sind. Während des Betriebs legt der Treiber die positive Spannung der potentialfreien Leistungsversorgung an, um den Schalttransistor einzuschalten, und legt die negative Spannung der potentialfreien Leistungsversorgung an, um den Schalttransistor auszuschalten. Eine Gleichtakt-Vorspannung-Schaltung ist ebenfalls vorgesehen, um die Gleichtakt- oder mittlere Spannung der potentialfreien Leistungsversorgung vorzuspannen. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann diese Gleichtaktspannung eine zeitabhängige Spannung erzeugen, die von verschiedenen Parametern abhängen kann.
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Bei einem spezifischen Beispiel kann diese Gleichtaktspannung von der Einsatzspannung des angesteuerten Transistors oder einem Kopiebauelement davon abhängen. Bei einem derartigen Ausführungsbeispiel ist die Gleichtaktspannung auf oder etwa auf die Einsatzspannung des Schalttransistors eingestellt. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können auf das Ansteuern von Schalttransistoren angewendet werden, die negative Einsatzspannungen, positive Einsatzspannungen und/oder Einsatzspannungen von Null besitzen.
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1a veranschaulicht ein herkömmliches Schalteransteuersystem 100 mit einer Spannungsquelle 106, einer Treiberschaltung 104 und einem selbstsperrenden Transistor 102. Wie gezeigt, wird der Treiber 104 mit einer festen Spannung VP von der Spannungsquelle 106 versorgt, die zu dem Sourcepotential S des Transistors 102 in Beziehung steht. Die Einsatzspannung Vth des Transistors 102 ist der Gate-Source-Spannungspegel, der den Übergang zwischen den Zuständen „ein“ und „aus“ definiert. Im Fall einer im „selbstsperrenden“ Transistor 102 vorhandenen positiven Einsatzspannung Vth verwendet das dargestellte Versorgungsschema eine einzelne positive Spannungsquelle 106. Während des Betriebs von System 100 legt der Treiber 104 die Spannung VP an der Gateelektrode G des selbstsperrenden Transistors 102 an. Falls die Spannung VP größer ist als die Einsatzspannung Vth des selbstsperrenden Transistors 102, wird der selbstsperrende Transistor 102 eingeschaltet. Falls gleichermaßen die Spannung am negativen Anschluss der Spannungsquelle 106 am Gateelektrode G des selbstsperrenden Transistors 102 angelegt wird, wird der selbstsperrende Transistor ausgeschaltet.
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1b veranschaulicht ein herkömmliches Schalteransteuersystem 120 mit einer Spannungsquelle 126, einer Treiberschaltung 124 und einem selbstleitenden Transistor 122. Wie gezeigt wird die Treiberschaltung 124 mit einer festen Spannung VN von der Spannungsquelle 126 versorgt, die zu dem Sourcepotential S des Transistors 122 in Beziehung steht. Ähnlich dem in 1b gezeigten selbstsperrenden Transistor 102 ist die Einsatzspannung Vth des Transistors 122 der Gate-Source-Spannungspegel, der den Übergang zwischen den Zuständen „ein“ und „aus“ definiert. Im Fall des selbstleitenden Transistors 122 jedoch ist diese Einsatzspannung Vth eine negative Spannung, was bedeutet, dass die Spannung der Gateelektrode G des selbstleitenden Transistors 122 auf ein Spannungspotential gebracht wird, das unter der Spannung des Sourceknotens S liegt, um den selbstleitenden Transistor 122 auszuschalten. Falls das Spannungspotential VN der Spannungsquelle 126 die negative Einsatzspannung Vth des selbstleitenden Transistors 122 übersteigt, kann dementsprechend der selbstleitende Transistor ausgeschaltet werden durch Anlegen der Spannung an den negativen Anschluss der Spannungsquelle 126. Wenn jedoch die Gate-Source-Spannung des selbstleitenden Transistors 122 eine Spannung von Null ist, wird der selbstleitende Transistor 122 leitend.
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In Fällen, in denen die Einsatzspannung Vth des angesteuerten Transistors eine niedrige positive oder niedrige negative Spannung nahe an Masse ist, kann ein bipolares Ansteuerschema verwendet werden, um sicherzustellen, dass der Transistor eingeschaltet und ausgeschaltet wird. 1c veranschaulicht ein herkömmliches bipolares Schalteransteuersystem 130 mit einer positiven Spannungsquelle 134, einer negativen Spannungsquelle 136, einer Treiberschaltung 138 und einem Transistor 132. Wenn der Transistor 132 eingeschaltet ist, wird die durch die positive Spannungsquelle 134 erzeugte Spannung VP an den Gateanschluss G des Transistors 132 angelegt. Gleichermaßen wird, wenn der Transistor 132 ausgeschaltet ist, die durch die negative Spannungsquelle 136 erzeugte Spannung VN an den Gateanschluss G des Transistors 132 angelegt. Das Verwenden eines derartigen bipolaren Ansteuerschemas kann die Schaltleistung verbessern, wenn die Einsatzspannung Vth eine niedrige Spannung ist, und kann einen Spielraum bereitstellen, um sicherzustellen, dass der Transistor 132 ordnungsgemäß schaltet. Falls beispielsweise die Einsatzspannung Vth des Transistors 132 etwa 1 V beträgt, kann das Ansteuern des Transistors 132 mit einer positiven Leistungsversorgung von 12 V eine asymmetrische Ansteuerspannung bereitstellen. In solchen Fällen hilft das Verwenden einer negativen Spannungsquelle 136 sicherzustellen, dass der Transistor 132 mit ausreichender Übersteuerung ausgeschaltet wird.
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Weil sich die Einsatzspannung Vth eines Transistors über eine Temperaturvariation, Prozessvariation, statistische Variationen, Drifteffekte und andere Ursachen hinweg ändern kann, werden solche Änderungen oftmals während des Designs herkömmlicher Treiberschaltungen berücksichtigt. Falls beispielsweise die Einsatzspannung Vth eines selbstleitenden Transistors einer Variation zwischen -5 V und -9 V unterworfen ist, liefert eine negative Versorgungsspannung in einem herkömmlichen System eine negative Spannung, die zum Bereitstellen von ausreichender Übersteuerung, um den Transistor auszuschalten, ausgebildet ist. In diesem Beispiel liefert eine negative Spannung von -11 V eine Übersteuerung von 2 V, um den Transistor in dem Worst-Case-Szenarium auszuschalten, wenn sich die Einsatzspannung Vth des selbstleitenden Transistors auf -9 V befindet.
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Bei einem Ausführungsbeispiel stehen Versorgungsspannungen für einen Gatetreiber zu einem Gatepotential in Beziehung, das einem Schaltschwellenwert entspricht, beispielsweise VG = VS + Vth. Mit anderen Worten stehen die Ansteuerpegel zu VS + Vth in Beziehung, anstatt direkt zu VS. Somit kann ein positiver Gateansteuerpegel („ein“) als Vth + VP (positive Übersteuerung) ausgedrückt werden, und der negative Pegel („aus“) kann als Vth - VN ausgedrückt werden. Unter realen Arbeitsbedingungen jedoch kann sich die momentane Einsatzspannung Vth aufgrund von Änderungen der Temperatur und anderen Drifteffekten im Laufe der Zeit ändern.
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2 veranschaulicht ein Schalteransteuersystem 200, das eine positive Spannungsquelle 206 und eine negative Spannungsquelle 208, eine Ansteuerschaltung 204 und einen Transistor 202 umfasst. Der Transistor 202 kann unter Verwendung verschiedener Arten von Transistoren implementiert werden. Beispielsweise kann der Transistor unter anderem einen Leistungs-MOSFET-Transistor, einen GaN-HEMT, einen JFET, einen Anreicherungs-MOSFET, einen Verarmungs-MOSFET oder einen Bipolarsperrschichttransistor (BJT) umfassen.
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Bei einigen Ausführungsbeispielen bildet die Kombination aus positiver Spannungsquelle 206 und negativer Spannungsquelle 208 eine potentialfreie Leistungsversorgung, deren Gleichtaktspannung durch Anlegen einer Spannung an einem gemeinsamen Knoten 220 eingestellt werden kann, der zwischen die positive Spannungsquelle 206 und die negative Spannungsquelle 208 gekoppelt ist. Durch Koppeln der Spannungsquelle 210 zwischen den gemeinsamen Knoten 220 und den Sourceknoten S des Transistors 202 kann der Gleichtaktausgang der Treiberschaltung 204 entsprechend der zeitabhängigen Einsatzspannung Vth(t) des Transistors 202 oder einer beliebigen anderen zeitabhängigen Spannung eingestellt werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen, bei denen die Ausgänge der Spannungsquelle 206 und 208 der Einsatzspannung des Transistors 202 nachlaufen (engl.: track), können die Spannung VP der positiven Spannungsquelle 206 und die Spannung VN der negativen Spannungsquelle 208 gewählt werden, ohne dass eine Variation der Einsatzspannung des Transistors 202 berücksichtigt werden muss. Bei solchen Ausführungsbeispielen können die Mindestwerte von VP und VN gemäß einer Schaltdynamik gewählt werden.
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Beispielsweise werden bei einem Ausführungsbeispiel die Spannungsquellen 206 und 208 jeweils so eingestellt, dass sie etwa 3 V erzeugen, und die Spannungsquelle 210 ist dazu ausgebildet, eine Spannung zu liefern, die sich der Einsatzspannung des Transistors 202 annähert. Falls die Approximation der Einsatzspannung des Transistors 202 etwa -5 V beträgt, liefert die Spannungsquelle 210 somit etwa -5 V, der positive Anschluss der Spannungsquelle 206 liefert etwa -2 V und der negative Anschluss der Spannungsquelle 208 liefert etwa -8 V. Bei alternativen Ausführungsbeispielen können je nach dem bestimmen System und seinen Spezifikationen andere Spannungspegel verwendet werden.
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Die Spannungsquellen 206 und 208 können unter Verwendung von in der Technik bekannten Leistungsschaltungen implementiert werden. Beispielsweise können getaktete Leistungsversorgungen, Spannungsregler, Batterien und andere Leistungsversorgungsschaltungen und -systeme zum Implementieren der Spannungsquelle 206 und 208 verwendet werden. Beispielsweise kann die Spannungsquelle 210 unter Verwendung verschiedener Vorspannungs-Schaltungen und/oder Leistungsversorgungsschaltungen, die in der Technik bekannt sind, implementiert werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann die Spannungsquelle 210 unter Verwendung einer Kopie des Transistors 202 implementiert werden, um eine Spannung zu erzeugen, die sich der Einsatzspannung Vth des Transistors 202 annähert. Die Treiberschaltung 204 kann unter Verwendung von in der Technik bekannten Treiberschaltungen implementiert werden, wie etwa einem Treiber aus der Familie Infineon EiceDRIVER oder einem Treiber aus der Serie Texas Instruments UCC27x.
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3 veranschaulicht ein Schalteransteuersystem 300 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Wie gezeigt, generiert die Transistorkopie-Schaltung 306 eine zeitabhängige Spannung V(t), die an den Gleichtaktanschluss VCM der potentialfreien Stromquelle 302 gekoppelt wird. Bei einem Ausführungsbeispiel erzeugt die potentialfreie Leistungsversorgung 302 eine Spannung am Anschluss VP, die auf einem Spannungspotential liegt, das größer ist als die Spannung am Anschluss VCM, und erzeugt eine Spannung am Anschluss VN, die auf einem Spannungspotential ist, das unter der Spannung am Anschluss VCM liegt. Effektiv verfolgen die Spannungen an den Anschlüssen VP und VN die durch die Transistorkopie-Schaltung 306 erzeugte Spannung V(t).
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Bei einem Ausführungsbeispiel erzeugt die Transistorkopie-Schaltung 306 eine Spannung V(t), die sich der Einsatzspannung des Transistors 202 annähert und/oder zu ihr in Beziehung steht, indem ein Transistor mit einer ähnlichen Struktur und/oder einer ähnlichen Bauelementgeometrie wie der Transistor 202 verwendet wird. Die Spannung V(t) kann über der Zeit variieren, um Änderungen der Einsatzspannung bezüglich Temperatur, Drifteffekten und Änderungen bei anderen Parametern zu verfolgen, die die Einsatzspannung des Transistors und des Kopiebauelements in der Transistorkopie-Schaltung 306 beeinflussen können. Bei alternativen Ausführungsbeispielen kann die Spannung V(t) neben der Transistorkopie-Schaltung 306 durch andere Arten von Schaltungen erzeugt werden.
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Die Treiberschaltung 304 besitzt Versorgungsanschlüsse, die an die Anschlüsse VP und VN der potentialfreien Leistungsversorgung 302 gekoppelt sind. Bei einem Ausführungsbeispiel legt die Treiberschaltung abwechselnd die Spannungen an den Anschlüssen VP und VN der potentialfreien Leistungsversorgung 302 gemäß einem Schaltsignal am Eingang VSW der Treiberschaltung 304 an den Gateanschluss G des Transistors 202 an. Beispielsweise legt bei einem Ausführungsbeispiel die Treiberschaltung 304 die Spannung am Anschluss VP der potentialfreien Leistungsversorgung 302 an, wenn das Signal am Eingang VSW ein logisches H ist, und legt die Spannung am Anschluss VN der potentialfreien Leistungsversorgung 302 an, wenn das Signal am Eingang VSW ein logisches L ist. Alternativ kann die Beziehung zwischen dem logischen Sinn des Eingangs VSW und der an die Gateelektrode des Transistors 202 angelegten Spannung umgedreht werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann der Ausgang der Treiberschaltung 304 zwischen seinen Leistungsversorgungsverbindungen und seinem Ausgangsanschluss einen Spannungsabfall einführen.
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4 veranschaulicht ein Schalteransteuersystem 400 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei der die potentialfreie Leistungsversorgung unter Verwendung von Wicklungen 416 und 418 des Transformators 414 mit Mittenabgriff implementiert wird. Bei einem Ausführungsbeispiel können die Wicklungen 416 und 418 Sekundär- und/oder Hilfswicklungen eines Transformators eines getakteten Leistungswandlers wie etwa eines Sperrwandlers sein. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann der Transformator 414 eine Primärwicklung 430 enthalten, die mit einer primärseitigen Schaltnetzteilschaltungsanordnung gekoppelt ist, die zur Vereinfachung der Darstellung nicht gezeigt ist. Die Realisierung und der Betrieb einer derartigen primärseitigen getakteten Leistungsversorgungsschaltung können unter Verwendung von in der Technik bekannten Schaltungen und Verfahren erfolgen.
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Das Schalteransteuersystem 400 umfasst den Transistor 202 und die Ansteuerschaltung 402, die dazu ausgebildet ist, ein Schaltsignal VSW an die Gateelektrode des Transistors 202 anzulegen. Der Transistor 202 kann eine beliebige Art von Transistor sein, der beispielsweise eine positive Einsatzspannung oder eine negative Einsatzspannung besitzt. Der positive Leistungsversorgungsanschluss 422 der Treiberschaltung 402 ist über eine Diode 410 an die Wicklung 416 des Transformators 414 gekoppelt und der negative Leistungsversorgungsanschluss 424 der Treiberschaltung 402 ist über die Diode 412 an die Wicklung 418 des Transformators 414 gekoppelt. Die Dioden 410 und 412 richten den Strom in den Wicklungen 416 und 418 des Transformators 414 gleich. Bei einigen Ausführungsbeispielen können die Dioden 410 und 412 unter Verwendung von Schalttransistoren implementiert werden, die als Synchrongleichrichter betrieben werden. Die an die Dioden 410 und 412 gekoppelten Kondensatoren 406 und 408 sorgen für eine Filterung und dämpfen die Versorgungswelligkeit.
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Ein Pufferverstärker 404 mit einer Verstärkung von Eins (engl.: unity gain buffer amplifier) ist dazu ausgebildet, die Spannung V(t) zum Mittenabgriff 432 des Transformators 414 zu puffern. Die Spannung V(t) kann beispielsweise eine Spannung darstellen, die sich der Einsatzspannung des Transistors 202 annähert. Alternativ kann die Spannung V(t) eine beliebige zeitabhängige Spannung sein. Bei vielen Ausführungsbeispielen ist die zeitliche Variation von V(t) langsam im Vergleich zu den Schalttransienten. Dann blockiert der Kondensator C, der zwischen den Sourceknoten S des Transistors 202 und den Ausgang des Pufferverstärkers 404 mit einer Verstärkung von Eins gekoppelt ist, die Gleichtaktversorgungskomponente V(t), liefert aber einen Pfad mit niedriger Impedanz für die schnellen Schalttransienten.
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Der Verstärker 404, der in einer Rückkopplungskonfiguration mit Verstärkung Eins (engl.: unity gain feedback configuration) gezeigt ist, kann unter Verwendung eines Transkonduktanzverstärkers, eines Operationsverstärkers oder einer anderen, in der Technik bekannten Art von Verstärker realisiert werden. Bei alternativen Ausführungsbeispielen können andere Verstärkerkonfigurationen neben einer Eins-Konfiguration verwendet werden. Beispielsweise kann ein Verstärker mit einem Leistungsfaktor kleiner eins oder größer als eins verwendet werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann der Verstärker 404 entfallen. Es versteht sich, dass das System 400 nur eines von vielen Ausführungsbeispielen ist, die verwendet werden können, um ein Ausführungsbeispiel von Transistoransteuerschaltungen und -systemen zu implementieren. Bei alternativen Ausführungsbeispielen können andere Schaltungsarchitekturen und -topologien verwendet werden.
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5 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer Schaltung, mit der eine zeitabhängige Spannung V(t) auf der Basis einer Kopie des anzusteuernden Schalttransistors generiert wird. Wie gezeigt, ist der Kopietransistor 508 als Diode verschaltet, wobei seine Drainelektrode an seine Gateelektrode gekoppelt ist. Die Spannungsquelle 506 kann zwischen die Drainelektrode und die Gateelektrode des Kopietransistors 508 gekoppelt sein, um negative Einsatzspannungen für selbstleitende Bauelemente zu berücksichtigen. Die Stromquelle 504 ist an den Kopietransistor 508 gekoppelt und liefert einen Vorstrom. Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen ist der Sourceknoten S des Kopietransistors 508 an den gleichen Knoten wie die Sourceelektrode des Schalttransistors gekoppelt, der angesteuert wird (z.B. Transistor 202 in 3 und 4), oder ist mit einem Knoten mit einer gleichen oder ähnlichen Spannung wie die Sourceelektrode des Schalttransistors gekoppelt.
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Bei einem Ausführungsbeispiel besitzt der Kopietransistor 508 eine ähnliche Struktur wie der angesteuerte Schalttransistor. Falls beispielsweise der Schalttransistor ein GaN-HEMT ist, ist auch der Kopietransistor 508 ein GaN-HEMT. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann auch die Geometrie des Kopietransistors der Geometrie des Schalttransistors entsprechen. Beispielsweise kann der Schalttransistor unter Verwendung von n Einheitsbauelementen konstruiert werden, während der Kopietransistor unter Verwendung von einem oder von zwei des Einheitsbauelements realisiert werden kann. Bei solchen Ausführungsbeispielen muss der Strom der Stromquelle 504 nur in der Größenordnung von 1/n des Stroms des Schalttransistors liegen, damit V(t) die Einsatzspannung des Schalttransistors verfolgen kann. Bei einigen Ausführungsbeispielen können sich die Einheitsbauelemente des Kopietransistors 508 an der gleichen Stelle wie der Schalttransistor befinden, um eine angepasste Leistung zu verbessern. Durch Anordnen des Kopietransistors 508 am gleichen Ort wie dem Hauptschalttransistor werden Änderungen bei der Temperatur beim Schalttransistor auf den Kopietransistor 508 angewendet.
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Es versteht sich, dass die Schaltung von
5 lediglich eine von vielen Beispielen von Schaltungen ist, die verwendet werden können, um eine Approximation einer Einsatzspannung eines Schalttransistors zu erzeugen. Bei alternativen Ausführungsbeispielen Schaltungen und Systeme, die in der gleichzeitig anhängigen Anmeldung mit der laufenden
US-Nummer 14/473,377 beschrieben werden.
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6 veranschaulicht ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens 600 zum Ansteuern eines Schalttransistors. Dieses Verfahren kann beispielsweise in Verbindung mit verschiedenen, hierin offenbarten dargestellten Ausführungsbeispielen verwendet werden. Bei einem Ausführungsbeispiel wird ein Gleichtaktsteueranschluss einer potentialfreien Leistungsversorgung mit einer auf einer Einsatzspannung des Schalttransistors basierenden Spannung in Schritt 602 vorgespannt. In Schritt 604 wird der Schalttransistor durch Ansteuern eines Steueranschlusses des Schalttransistors mit einer ersten Spannung der potentialfreien Leistungsversorgung eingeschaltet, und in Schritt 606 wird der Schalttransistor durch Ansteuern des Steueranschlusses des Schalttransistors mit einer zweiten Spannung der potentialfreien Leistungsversorgung ausgeschaltet.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst eine Schaltung zum Ansteuern eines Steueranschlusses eines Schalttransistors: einen Treiber mit einem Ausgang, der dazu ausgebildet ist, mit einem Steueranschluss des Schalttransistors gekoppelt zu werden, einen ersten Leistungsversorgungsanschluss, der dazu ausgebildet ist, mit einem ersten Anschluss einer potentialfreien Leistungsversorgung gekoppelt zu werden, einen zweiten Leistungsversorgungsanschluss, der dazu ausgebildet ist, mit einem zweiten Anschluss der potentialfreien Leistungsversorgung gekoppelt zu werden, und einen Schalteingangsanschluss, der dazu ausgebildet ist, ein Schaltsignal zu empfangen. Die Schaltung umfasst weiterhin eine Vorspannungs-Schaltung mit einem Ausgangsanschluss, der dazu ausgebildet ist, mit einem Gleichtaktsteueranschluss der potentialfreien Leistungsversorgung gekoppelt zu werden, wobei die Vorspannungs-Schaltung dazu ausgebildet ist, eine zeitabhängige Spannung zu liefern. Bei einigen Ausführungsbeispielen umfasst die Schaltung weiterhin die potentialfreie Leistungsversorgung.
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Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst die potentialfreie Leistungsversorgung eine erste Spule, eine erste Diode, die zwischen den ersten Anschluss der potentialfreien Leistungsversorgung und die erste Spule gekoppelt ist, eine zweite Spule, die an die erste Spule an dem Gleichtaktsteueranschluss und an den zweiten Anschluss der potentialfreien Leistungsversorgung gekoppelt ist, und eine zweite Diode, die zwischen die zweite Spule und den zweiten Anschluss der potentialfreien Leistungsversorgung gekoppelt ist. Die zweite Spule ist magnetisch an die erste Spule gekoppelt.
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Bei einem Ausführungsbeispiel beinhaltet der Schalttransistor einen selbstleitenden Transistor, der Teil der Schaltung sein kann. Der selbstleitende Transistor kann unter Verwendung eines GaN-HEMT-Bauelements implementiert werden, und der Steueranschluss des selbstleitenden Transistors kann eine Gateelektrode des GaN-HEMT sein. Bei einigen Ausführungsbeispielen ist die zeitabhängige Spannung eine auf einer Einsatzspannung des Schalttransistors basierende Spannung. Diese Spannung kann auf der Einsatzspannung des Schalttransistors basieren und kann eine Spannung sein, die im Wesentlichen gleich der Einsatzspannung des Schalttransistors ist. Bei einem Ausführungsbeispiel besitzt die Bias-Schaltung eine Kopie des Schalttransistors.
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Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Treiber dazu ausgebildet, den Schalttransistor durch Koppeln einer Spannung des ersten Leistungsversorgungsanschlusses an den Steueranschluss des Transistors einzuschalten, und den Schalttransistor durch Koppeln einer Spannung des zweiten Leistungsversorgungsanschlusses an den Steueranschluss des Schalttransistors auszuschalten.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel beinhaltet ein Verfahren zum Steuern eines Schalttransistors: Einschalten des Schalttransistors durch Ansteuern eines Steueranschlusses des Schalttransistors mit einer ersten Spannung einer potentialfreien Leistungsversorgung, Ausschalten des Schalttransistors durch Ansteuern eines Steueranschlusses des Schalttransistors mit einer zweiten Spannung der potentialfreien Leistungsversorgung, und Vorspannen eines Gleichtaktsteueranschlusses der potentialfreien Leistungsversorgung mit einer auf einer Einsatzspannung des Schalttransistors basierenden Spannung, die im Wesentlichen gleich der Einsatzspannung des Schalttransistors sein kann. Das Vorspannen des Gleichtaktsteueranschlusses der potentialfreien Leistungsversorgung kann das Bereitstellen einer Einsatzspannung einer Kopie des Schalttransistors beinhalten.
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Bei einem Ausführungsbeispiel werden die Schritte des Einschaltens und Ausschaltens gemäß einem Schaltsignal durchgeführt. Der Schalttransistor kann einen selbstleitenden Transistor beinhalten, und der Schalttransistor beinhaltet ein GaN-HEMT-Bauelement, so dass der Steueranschluss des Schalttransistors eine Gateelektrode des GaN-HEMT ist.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst ein Schaltkreis eine potentialfreie Leistungsversorgung mit einem positiven Anschluss, einem negativen Anschluss und einem Gleichtaktanschluss. Der Schaltkreis umfasst weiterhin eine Treiberschaltung mit einem ersten Leistungsversorgungsanschluss, der an den positiven Anschluss der Leistungsversorgung gekoppelt ist, einem zweiten Leistungsversorgungsanschluss, der an den negativen Anschluss der Leistungsversorgung gekoppelt ist, und einem Ausgangsanschluss, der dazu ausgebildet ist, mit einem Steueranschluss eines Schalttransistors gekoppelt zu werden. Der Schaltkreis umfasst weiterhin eine Gleichtakt-Bias-Schaltung mit einem Ausgang, der an den Gleichtaktanschluss der potentialfreien Leistungsversorgung gekoppelt ist, so dass die Gleichtakt-Bias-Schaltung dazu ausgebildet ist, eine auf einer Einsatzspannung des Schalttransistors basierenden Spannung am Ausgang der Gleichtakt-Bias-Spannung bereitzustellen. Bei einigen Ausführungsbeispielen umfasst der Schaltkreis den Schalttransistor.
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Bei einem Ausführungsbeispiel beinhaltet der Schalttransistor einen selbstleitenden Transistor, und der selbstleitende Transistor beinhaltet ein GaN-HEMT-Bauelement, so dass der Steueranschluss des Schalttransistors eine Gateelektrode des GaN-HEMT umfasst. Die Gleichtakt-Bias-Schaltung kann einen Spannungspufferverstärker mit einem Ausgang enthalten, der an den Gleichtaktanschluss der potentialfreien Leistungsversorgung gekoppelt ist.
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Die Schalt-Schaltung kann einen Kondensator enthalten, der zwischen einem Lastweganschluss des Schalttransistors und den Ausgang des Spannungspufferverstärkers gekoppelt ist, und kann auch einen Kopietransistor enthalten, der mit einem Eingang des Spannungspufferverstärkers gekoppelt ist. Bei einigen Ausführungsbeispielen umfasst die potentialfreie Leistungsversorgung einen Transformator, und der Gleichtaktanschluss der potentialfreien Leistungsversorgung umfasst einen Mittenabgriffsanschluss des Transformators.
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Zu Vorteilen einiger Ausführungsbeispiele zählen Leistungseinsparungen aufgrund dessen, dass niedrigere Versorgungsspannungen verwendet werden, um Leistung an Schalttreiber zu liefern. Ein weiterer Vorteil beinhaltet die Fähigkeit zum Verfolgen der Einsatzspannungsvariation über die Zeit und die Fähigkeit zum Liefern symmetrischer Ansteuerspannungen an Schalttransistoren.
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Zu weiteren Vorteilen der Ausführungsbeispiele zählt die Fähigkeit zum Variieren der Gateansteuerpegel nicht nur bezüglich der Transistor-Einsatzspannung, sondern auch zum Berücksichtigen anderer Aspekte wie etwa den Transistorarbeitsmodus (Schalter/Diode), die Laststromvariation und die Schaltgeschwindigkeit.
