DE102017127752A1

DE102017127752A1 - Verfahren und elektronische schaltung zum ansteuern einestransistorbauelements

Info

Publication number: DE102017127752A1
Application number: DE102017127752.8A
Authority: DE
Inventors: Anton Mauder; Werner Rössler
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2017-11-23
Filing date: 2017-11-23
Publication date: 2019-05-23
Also published as: US10693456B2; US20190158084A1; CN109831196A

Abstract

Ein Verfahren und eine elektronischen Schaltung werden beschrieben. Das Verfahren umfasst das Ansteuern eines Transistorbauelements in einem Ein-Zustand durch Anlegen einer Ansteuerspannung, die höher ist als eine Schwellenspannung des Transistorbauelements an einen Ansteuereingang, und das Einstellen eines Spannungspegels der Ansteuerspannung basierend auf einem Lastsignal, das einen Strompegel eines Laststroms durch das Transistorbauelement repräsentiert, wobei der Strompegel ein tatsächlicher Strompegel oder ein erwarteter Strompegel des Laststroms ist.

Description

Diese Beschreibung betrifft allgemein ein Verfahren und eine elektronische Schaltung zum Ansteuern eines Transistorbauelements.
Spannungsgesteuerte Transistorbauelemente, wie beispielsweise MOS-FETs (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect-Transistor) oder IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) sind als elektronische Schalter in verschiedenen Arten von Anwendungen weit verbreitet. Leitungsverluste, die in einem Ein-Zustand des Transistorbauelements auftreten, sind abhängig von einem Einschaltwiderstand des Transistorbauelements und einem durch das Transistorbauelement fließenden Laststrom. Der „Einschaltwiderstand“ ist der elektrische Widerstand des Transistorbauelements im Ein-Zustand. Die Leitungsverluste sind proportional zu dem Einschaltwiderstand und dem Quadrat des Laststroms. In Hochstromanwendungen, wie beispielsweise elektrischen Fahrzeugen, bei denen Lastströme von einigen hundert Ampere auftreten können, können solche Leitungsverluste beträchtlich sein. Es besteht daher ein Bedarf, die Leitungsverluste zu reduzieren.
Ein Beispiel betrifft ein Verfahren. Das Verfahren umfasst das Ansteuern eines Transistorbauelements in einem Ein-Zustand durch Anlegen einer Ansteuerspannung, die höher ist als eine Schwellenspannung des Transistorbauelements, an einen Ansteuereingang und Einstellen eines Spannungspegels der Ansteuerspannung basierend auf einem Lastsignal, das einen Strompegel des Laststroms durch das Transistorbauelement repräsentiert. Der Strompegel ist ein tatsächlicher Strompegel oder ein erwarteter Strompegel des Laststroms.
Ein weiteres Beispiel betrifft eine elektronische Schaltung mit einer Ansteuerschaltung. Die Ansteuerschaltung ist dazu ausgebildet, eine Ansteuerspannung, die höher ist als eine Schwellenspannung eines Transistorbauelements, an einem Ausgang, der dazu ausgebildet ist, dass ein Ansteuereingang eines Transistorbauelements daran angeschlossen wird, zu erzeugen, und einen Spannungspegel der Ansteuerspannung basierend auf einem Lastsignal, das einen Strompegel eines Laststroms durch das Transistorbauelements repräsentiert, einzustellen. Der Strompegel ist ein tatsächlicher Strompegel oder ein erwarteter Strompegel des Laststroms.
Beispiele sind nachfolgend anhand von Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen dienen dazu, bestimmte Prinzipien zu veranschaulichen, so dass nur Aspekte, die zum Verständnis dieser Prinzipien notwendig sind, dargestellt sind. Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgerecht. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale.

1 zeigt ein Beispiel einer elektronischen Schaltung mit einem Transistorbauelement und einer Ansteuerschaltung, die dazu ausgebildet ist, das Transistorbauelement anzusteuern;
2 zeigt ein Flussdiagramm, das ein Beispiel eines Verfahrens zum Ansteuern eines Transistorbauelements in einem Ein-Zustand veranschaulicht.
3 ist ein Kurve, die eine Abhängigkeit eines Einschaltwiderstands des Transistorbauelements von einer an einem Ansteuereingang des Transistorbauelements erhaltenen Ansteuerspannung veranschaulicht;
4 zeigt ein Beispiel eines Zeitdiagramms eines Laststroms durch das Transistorbauelement;
5 veranschaulicht ein Beispiel zum Einstellen eines Spannungspegels der Ansteuerspannung abhängig von einem Lastsignal;
6 veranschaulicht ein weiteres Beispiel zum Einstellen eines Spannungspegels der Ansteuerspannung abhängig von einem Lastsignal;
7 veranschaulicht noch ein weiteres Beispiel zum Einstellen eines Spannungspegels der Ansteuerspannung abhängig von einem Lastsignal;
8 veranschaulicht ein Beispiel zum Ansteuern der Ansteuerspannung, wenn das Lastsignal eine maximale Schwelle übersteigt;
9 veranschaulicht das Erhalten des Lastsignals basierend auf einem Messen des Laststroms;
10 veranschaulicht das Erhalten des Lastsignals basierend auf einem Messen einer Spannung über einer Laststrecke des Transistorbauelements;
11 veranschaulicht ein Beispiel, bei dem das Lastsignal von einer in Reihe zu dem Transistorbauelement geschalteten Last erhalten wird;
12 zeigt ein Beispiel der Ansteuerschaltung;
13 zeigt ein weiteres Beispiel der Ansteuerschaltung;
14 zeigt ein Beispiel eines Treibers, der in der in den 12 und 13 gezeigten Ansteuerschaltung enthalten ist;
15 zeigt ein Beispiel einer einstellbaren Spannungsquelle;
16 zeigt ein weiteres Beispiel einer einstellbaren Spannungsquelle;
17 zeigt eine Ansteuerschaltung mit einer Verstärkerschaltung;
18 zeigt ein Beispiel der Verstärkerschaltung; und
19 zeigt Zeitdiagramme, die den Betrieb der in 18 gezeigten Verstärkerschaltung veranschaulichen.

In der nachfolgenden detaillierten Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen. Die Zeichnungen bilden einen Teil der Beschreibung und zeigen zur Veranschaulichung Beispiele, wie die Erfindung verwendet und realisiert werden kann. Selbstverständlich können die Merkmale der verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden, sofern nicht etwas anderes angegeben ist.
1 zeigt ein Beispiel einer elektronischen Schaltung, die ein Transistorbauelement 1 und eine Ansteuerschaltung, die dazu ausgebildet ist, das Transistorbauelement 1 anzusteuern, umfasst. Das Transistorbauelement 1 ist ein spannungsgesteuertes Transistorbauelement, das dazu ausgebildet ist, abhängig von einer an einem Ansteuereingang des Transistorbauelements 1 erhaltenen Ansteuerspannung VGS ein- oder auszuschalten. Das Transistorbauelement 1 schaltet ein (geht in einen Ein-Zustand über) wenn die Ansteuerspannung VGS eine Schwellenspannung übersteigt (die nachfolgend als V_th bezeichnet wird) und schaltet aus (geht in einen Aus-Zustand über), wenn die Ansteuerspannung VGS unter die Schwellenspannung V_th absinkt. Das Transistorbauelement 1 umfasst einen Steuerknoten 11 und eine Laststrecke zwischen einem ersten Lastknoten 12 und einem zweiten Lastknoten 13. Bei dem in 1 gezeigten Beispiel umfasst der Ansteuereingang des Transistorbauelements 1 den Steuerknoten 11 und den ersten Lastknoten 12, das heißt, die Ansteuerspannung VGS wird durch das Transistorbauelement 1 zwischen dem Steuerknoten 11 und dem ersten Lastknoten 12 erhalten. Dies ist jedoch nur ein Beispiel. Gemäß einem weiteren Beispiel (nicht dargestellt) umfasst der Ansteuereingang den Steuerknoten des Transistorbauelements und einen von dem ersten Lastknoten und dem zweiten Lastknoten des Transistorbauelements separaten weiteren Knoten.
Lediglich zur Veranschaulichung ist das in 1 gezeigte Transistorbauelement 1 ein MOSFET, insbesondere ein n-leitender MOSFET. Ein Gateknoten des MOSFET bildet den Steuerknoten 11, ein Sourceknoten bildet den ersten Lastknoten 12 und ein Drainknoten bildet des zweiten Lastknoten 13. Gemäß einem Beispiel ist der MOSFET 1 ein silizium-(Si)-basierter MOSFET, das heißt, der MOSFET ist basierend auf monokristallinen Silizium hergestellt. Gemäß einem weiteren Beispiel ist der MOSFET ein siliziumkarbid-(SiC)-basierter MOSFET. Bei diesem Beispiel ist der MOSFET basierend auf einem monokristallinen Siliziumkarbid hergestellt. Das Realisieren des Transistorbauelements als n-leitender MOSFET ist nur ein Beispiel. Gemäß einem weiteren Beispiel ist das Transistorbauelement als p-leitender MOSFET realisiert, gemäß noch einem weiteren Beispiel ist das Transistorbauelement als ein IGBT realisiert. Gemäß einem Beispiel hat das Transistorbauelement eine Sperrspannungsfestigkeit von einigen hundert Volt. Gemäß einem Beispiel ist die Sperrspannungsfähigkeit höher als 400 V, höher als 600 V oder höher als 800 V. Die „Sperrspannungsfestigkeit“ ist definiert als der Spannungspegel der Laststreckenspannung zwischen dem zweiten Lastknoten 13 und dem ersten Lastknoten 12, dem das Transistorbauelement 1 im Aus-Zustand standhalten kann, ohne beschädigt oder zerstört zu werden.
Bezugnehmend auf 1 umfasst die Ansteuerschaltung 2 einen Ansteuerausgang, der dazu ausgebildet ist, an den Ansteuereingang 11, 12 des Transistorbauelements 1 angeschlossen zu werden und die Ansteuerspannung VGS bereitzustellen. Bei diesem Beispiel umfasst der Ansteuerausgang einen ersten Ausgangsknoten 21, der dazu ausgebildet ist, an den Steuerknoten 11 gekoppelt zu werden, und einen zweiten Ausgangsknoten 22, der dazu ausgebildet ist, an den zweiten Lastknoten 12 (oder einen äquivalenten Schaltungsknoten des Transistorbauelements 1) gekoppelt zu werden. Die Ansteuerschaltung 2 ist dazu ausgebildet, das Transistorbauelement 1 entweder im Ein-Zustand durch Erzeugen der Ansteuerspannung VGS mit einem Spannungspegel höher als die Schwellenspannung V_th oder im Aus-Zustand durch Erzeugen der Ansteuerspannung VGS mit einem Spannungspegel niedriger als die Schwellenspannung V_th zu erzeugen. Ob die Ansteuerspannung 2 das Transistorbauelement 1 im Ein-Zustand oder im Aus-Zustand ansteuert, kann von verschiedenen Parametern abhängig sein. Gemäß einem (in 1 in gestrichelten Linien dargestellten) Beispiel erhält die Ansteuerschaltung 2 ein Steuersignal S_CTRL und betreibt das Transistorbauelement 1 im Ein-Zustand oder im Aus-Zustand abhängig von dem Steuersignal S_CTRL . Gemäß einem weiteren Beispiel betreibt die Ansteuerschaltung 2 das Transistorbauelement 1 im Ein-Zustand immer dann, wenn eine an Versorgungsknoten 23, 24 (die in 1 in gestrichelten Linien dargestellt sind) erhaltene Versorgungsspannung V_SUPPLY einen vordefinierten Spannungspegel übersteigt. Die Versorgungsspannung V_SUPPLY wird in der Ansteuerschaltung dazu verwendet, die Ansteuerspannung VGS zu erzeugen.
Unabhängig davon, wie die Ansteuerschaltung dazu veranlasst wird, das Transistorbauelement 1 im Ein-Zustand zu betreiben, umfasst, bezugnehmend auf 2, das Ansteuern des Transistorbauelements 1 im Ein-Zustand das Anlegen der Ansteuerspannung VGS an den Ansteuereingang 11, 12 mit einem Spannungspegel, der höher ist als die Schwellenspannung V_th des Transistorbauelements 1 (101 in 2), und das Einstellen des Spannungspegels der Ansteuerspannung basierend auf einem Lastsignal S_L (102 in 2). In der in 1 gezeigten elektronischen Schaltung wird das Lastsignal S_L durch die Ansteuerschaltung 2 erhalten. Das Lastsignal S_L repräsentiert einen Strompegel des Laststroms I_L durch das Transistorbauelement 1. Dieser Strompegel kann ein tatsächlicher Strompegel sein, das heißt, ein Strompegel eines momentanen Stroms I_L , der durch das Transistorbauelement 1 fließt. Gemäß einem weiteren Beispiel repräsentiert das Lastsignal einen erwarteten Strompegel des Laststroms I_L . Bei diesem Beispiel kann der Spannungspegel der Ansteuerspannung VGS bereits eingestellt werden bevor der Strompegel des Laststroms I_L sich ändert. Beispiele, wie das Lastsignal S_L erzeugt werden kann, sind weiter unten erläutert.
Gemäß einem Beispiel umfasst das Ansteuern des Transistorbauelements 1 im Ein-Zustand das Ansteuern des Transistorbauelements im Ein-Zustand für mehr als eine Sekunde (1s), mehr als eine Minute, mehr als zehn Minuten, mehr als eine Stunde (1h) oder sogar mehr als einen Tag (1d). Das Einstellen des Spannungspegels der Ansteuerspannung basierend auf dem Lastsignal S_L umfasst insbesondere das Erhöhen des Spannungspegels der Ansteuerspannung VGS, wenn das Lastsignal S_L anzeigt, dass der Laststrom angestiegen ist oder ansteigen wird. Ein solches Ansteigen der Ansteuerspannung VGS im Ein-Zustand, wenn der Laststrom I_L ansteigt, kann helfen, die in dem Transistorbauelement 1 auftretenden Leitungsverluste zu reduzieren. Diese Leitungsverluste sind im Fall eines unipolaren Transistors, wie beispielsweise einem MOSFET, im Wesentlichen gegeben durch $P_{C} = R_{DS_ON} \cdot I_{L}^{2}$
wobei Pc die Leitungsverluste bezeichnet, R_{DS_ON} einen Einschaltwiderstand des Transistorbauelements 1 bezeichnet, und I_L den Laststrom bezeichnet. Wie anhand von Gleichung (1) ersichtlich ist, sind die Leitungsverluste Pc proportional zu dem Einschaltwiderstand R_{DS_ON} des Transistorbauelements 1 und proportional zum Quadrat des Laststroms. Der „Einschaltwiderstand“ des Transistorbauelements 1 ist der elektrische Widerstand des Transistorbauelements 1 im Ein-Zustand. Dieser Einschaltwiderstand R_{DS_ON} ist abhängig von der Ansteuerspannung VGS und nimmt innerhalb eines gegebenen Bereichs der Ansteuerspannung VGS ab, wenn die Ansteuerspannung VGS ansteigt. Dies ist in 3 schematisch dargestellt, die eine Kurve zeigt, die eine Abhängigkeit des Einschaltwiderstands R_{DS_ON} von der Ansteuerspannung VGS veranschaulicht. 3 veranschaulicht den Einschaltwiderstand R_{DS_ON} über der Ansteuerspannung VGS in einem Spannungsbereich der Ansteuerspannung VGS, der höher ist als die Schwellenspannung V_th . Wie anhand von 3 ersichtlich ist, gibt es einen Bereich der Ansteuerspannung VGS, in der der Einschaltwiderstand R_{DS_ON} abnimmt, wenn die Ansteuerspannung VGS zunimmt.
Das Erhöhen der Ansteuerspannung VGS kann allerdings die statistische Lebensdauer reduzieren oder die Fehlerrate erhöhen. Jeder Spannungspegel der Ansteuerspannung VGS ist mit einer statistischen Lebensdauer und einer Fehlerrate verbunden. Das heißt, die Wahrscheinlichkeit, dass ein Transistorbauelement innerhalb der statistischen Lebensdauer auswählt, ist gegeben durch die Fehlerrate. Mit anderen Worten, bei einer Vielzahl von Proben wird ein Prozentsatz derer, der durch die Fehlerrate gegeben ist, innerhalb der statistischen Lebensdauer ausfallen. Die Wahrscheinlichkeit, dass das Transistorbauelement 1 innerhalb einer vorgegebenen Zeitdauer (der statistischen Lebensdauer) T1 ausfällt, wenn es mit einer Ansteuerspannung, die einen ersten Spannungspegel V_GS1 hat, betrieben wird, ist p1. Das Betreiben des Transistorbauelements mit der Ansteuerspannung, die einen zweiten Spannungspegel V_GS2 , der höher als der erste Spannungspegel V_GS1 ist, kann die Fehlerrate erhöhen. Das heißt, eine Wahrscheinlichkeit p2, dass das Transistorbauelement 1, wenn es mit der höheren Ansteuerspannung VGS betrieben wird, innerhalb der ersten Zeitdauer T1 ausfallen wird, ist höher als die erste Wahrscheinlichkeit p1. Dies ist äquivalent zu einer Reduktion der statistischen Lebensdauer. Das heißt, eine Zeitdauer, für welche das Transistorbauelement 1 bei der höheren Gatespannung VGS im Ein-Zustand betrieben werden kann und eine erste Wahrscheinlichkeit p1 des Ausfalls hat, ist kürzer als die erste Zeitdauer T1. Deshalb kann es unerwünscht sein, das Transistorbauelement 1 dauerhaft bei der höheren Ansteuerspannung, wie beispielsweise der höheren Spannung V_GS2 zu betreiben.
Allerdings sind bei vielen Anwendungen hohe Laststromspitzen, die ein Erhöhen der Ansteuerspannung VGS erforderlich machen können, um einem Ansteigen der Leitungsverluste wenigstens teilweise entgegenzuwirken, vergleichsweise kurz im Vergleich zu einer Gesamtdauer des Ein-Zustands. Dies ist schematisch in 4 veranschaulicht, die Zeitdiagramme des Laststroms I_L zeigt. Bei diesem Beispiel ist der Laststrom I_L während der meisten Zeit unterhalb eines bestimmten Strompegels IL1. Dennoch gibt es einige Stromspitzen, die diesen Strompegel IL1 übersteigen. Ein Signalverlauf des in 4 gezeigten Typs ist der typische Signalverlauf eines in einem Motor eines Elektrofahrzeugs fließenden Gesamtstroms. Die Zeitdauern mit den Stromspitzen repräsentieren solche Zeitdauern, in denen das Fahrzeug beschleunigt.
Bezugnehmend auf Gleichung (1) nehmen die Leitungsverluste proportional zum Quadrat des Laststroms zu. Die Leitungsverluste sind verbunden mit einem Aufheizen des Transistorbauelements 1. Um ein Überhitzen zu vermeiden, kann das Transistorbauelement 1 Kühlmaßnahmen enthalten (in den Zeichnungen nicht dargestellt) wie beispielsweise einen wärmeleitenden Träger. Abmessungen dieses Kühlsystems können so gestaltet sein, dass das Kühlsystem in der Lage ist, dissipierte Leistung, die auftritt, wenn der Laststrom seinen maximalen Pegel hat, wie sie während der in 4 gezeigten Stromspitzen auftreten können, handhaben kann, obwohl diese Stromspitzen möglicherweise nicht von langer Dauer sind. Ein Ansteigen der dissipierten Leistung kann die Temperatur des Transistorbauelements erhöhen, wobei ein solcher Anstieg der Temperatur zu einem Anstieg des Einschaltwiderstands führen kann, was wiederum zu einem Anstieg der dissipierten Leistung führt. Damit findet eine Art von positiver Rückkopplung statt. Das Erhöhen der Gate-Source-Spannung VGS, wenn der Laststrom ansteigt, reduziert den Einschaltwiderstand. Dies kann helfen, einen Anstieg der dissipierten Leistung zu vermeiden oder wenigstens zu reduzieren, um damit die zuvor beschriebene positive Rückkopplung zu vermeiden oder zu reduzieren.
Der Spannungspegel der Ansteuerspannung VGS kann basierend auf dem Lastsignal S_L in verschiedener Weise variiert werden. Einige Beispiele sind unten anhand der 5, 6 und 7 erläutert. Jede dieser Figuren veranschaulicht die Ansteuerspannung V_GS über dem Lastsignal S_L im Ein-Zustand des Transistorbauelements. Bei jedem dieser Beispiele ist der Spannungspegel der Ansteuerspannung VGS aus einem Intervall ausgewählt, das von einem minimalen Pegel V_{GS_MIN} bis zu einem maximalen Pegel V_{GS_MAX} reicht.
Bei dem in 5 gezeigten Beispiel werden nur zwei verschiedene Spannungspegel verwendet, um das Transistorbauelement 1 im Ein-Zustand zu betreiben, der minimale Pegel V_{GS_MIN} , wenn das Lastsignal S_L unterhalb einer ersten Schwelle S_L1 ist, und der maximale Pegel V_{GS_MAX} , wenn das Lastsignal S_L den ersten Pegel S_L1 übersteigt. Optional umfasst das Ändern des Spannungspegels basierend auf dem Lastsignal S_L eine Hysterese, so dass die Ansteuerspannung VGS von dem minimalen Pegel V_{GS_MIN} auf den maximalen Pegel V_{GS_MAX} ansteigt, wenn das Lastsignal S_L die erste Schwelle S_L1 übersteigt, und die Ansteuerspannung VGS von dem maximalen Pegel V_{GS_MAX} zurück zu dem minimalen Pegel V_{GS_MIN} wechselt, wenn das Lastsignal S_L unter eine Schwelle S_L1' abfällt, die niedriger ist als die erste Schwelle S_L1 .
Gemäß einem Beispiel sind der minimale Pegel V_{GS_MIN} und der maximale Pegel V_{GS_MAX} so, dass die statistische Lebensdauer des Transistorbauelements 1, die dem maximalen Pegel V_{GS_MAX} zugeordnet ist, kürzer ist als eine statistische Lebensdauer, die dem minimalen Pegel V_{GS_MIN} zugeordnet ist. Wie oben erläutert, ist die statistische Lebensdauer mit einer gegebenen Fehlerrate verknüpft, das heißt, die statistische Lebensdauer ist die Zeitdauer, in der, von einer Vielzahl von Mustern von Transistorbauelementen desselben Typs, ein Prozentsatz, der gegeben ist durch die Fehlerrate, ausfällt. Gemäß einem Beispiel ist die der statistischen Lebensdauer zugeordnete Fehlerrate geringer als 10^-2 (1%), geringer als 10^-3 (0,1%), geringer als 10^-4, geringer als 10^-5, geringer als 10^-6 (1ppm, part per million), oder sogar geringer als. Gemäß einem Bespiel ist der minimale Pegel V_{GS_MIN} so gewählt, dass die statistische Lebensdauer (die einer gegebenen Fehlerrate zugeordnet ist) höher als 10 Jahre, höher als 50 Jahre oder höher als 100 Jahre ist. Nachfolgend bezeichnet T_L (V_{GS_MIN} , p_FAILURE ) die statistische Lebensdauer, die der minimalen Gate-Source-Spannung VGS (das heißt, wenn das Transistorbauelement 1 bei der minimalen Gate-Source-Spannung V_{GS_MIN} betrieben wird) und der gegebenen Fehlerrate p_FAILURE zugeordnet ist. Gemäß einem Beispiel ist der maximale Pegel V_{GS_MAX} der Gate-Source-Spannung so, dass eine statistische Lebensdauer T_L (V_{GS_MAX} , p_FAILURE ), die dem maximale Pegel V_{GS_MAX} und der gegebenen Fehlerrate p_FAILURE zugeordnet ist, geringer als die statistische Lebensdauer T_L (V_{GS_MIN} , p_FAILURE ) die dem minimalen Pegel zugeordnet ist, das heißt $T_{L} (V_{GS_MAX,} p_{FAILURE}) = c \cdot T_{L} (V_{GS_MIN,} p_{FAILURE})$
wobei c eine Konstante kleiner als 1 (c<1) ist. Gemäß einem Beispiel ist die Fehlerrate p_FAILURE ausgewählt aus zwischen 10^-2 und 10^-6 und der maximale Pegel V_{GS_MAX} ist so, dass c geringer als 0,1 (10^-1), geringer als 0,01 (10^-2) oder sogar geringer als 0,001 (10^-3) ist. Die statistische Lebensdauer T_L (V_{GS_MAX} , p_FAILURE ) die dem maximalen Pegel V_{GS_MAX} zugeordnet ist, kann eine erwartete Betriebsdauer einer Anwendung, in der das Transistorbauelement verwendet wird, erreichen oder kann sogar darunter liegen. Aufgrund der kurzen Zeitdauer, für welche der maximale Pegel V_{GS_MAX} an das Transistorbauelement 1 angelegt werden muss, sollte diese wesentlich kürzere statistische Lebensdauer, die dem maximalen Pegel zugeordnet ist, nicht dazu führen, dass das Transistorbauelement innerhalb der erwarteten Betriebsdauer der Anwendung ausfällt.
6 zeigt eine Modifikation des in 5 gezeigten Beispiels. Bei dem in 6 gezeigten Beispiel wird das Lastsignal S_L nicht nur mit einer Schwelle S_L1 , wie in 5 gezeigt, verglichen, sondern wird mit N Schwellen verglichen, wobei N eine ganze Zahl größer als 1 ist (N>1), und das Transistorbauelement wird unter Verwendung einer von N+1 unterschiedlichen Spannungspegeln basierend auf einem Vergleichen des Lastsignals S_L mit diesen N Schwellen angesteuert. Lediglich zur Erläuterung ist bei dem in 6 gezeigten Beispiel N=3. Bei diesem Beispiel hat die Ansteuerspannung VGS einen ersten Pegel (welcher bei diesem Beispiel der minimale Pegel V_{GS_MIN} ist), wenn das Lastsignal S_L unterhalb einer ersten Schwelle S_L1 ist. Außerdem hat die Ansteuerspannung VGS einen zweiten Pegel V_{GS_2} , wenn das Lastsignal S_L zwischen dem ersten Pegel S_L1 und einem zweiten Pegel S_L2 ist, einen dritten Pegel V_{GS_3} , wenn das Lastsignal SL zwischen dem zweiten Pegel S_L2 und einem dritten Pegel (den N-ten Pegel bei diesem Beispiel) ist, und einen vierten Pegel (den (N+1)-ten Pegel) wenn das Lastsignal S_L den dritten Pegel S_LN übersteigt. Der vierte Pegel entspricht bei diesem Beispiel dem maximalen Pegel V_{GS_MAX} . Wie bei dem in 5 gezeigten Beispiel kann die Ansteuerspannung VGS zwischen den einzelnen Spannungspegeln gemäß Hysteresekurven wechseln. Das heißt, die Ansteuerspannung VGS kann von dem zweiten Pegel V_{GS_2} zurück zu dem ersten Pegel V_{GS_MIN} wechseln, wenn das Lastsignal S_L unter eine Schwelle abfällt, die niedriger ist als die erste Schwelle S_L1 , die Ansteuerspannung VGS kann von dem dritten Pegel V_{GS_3} zurück zu dem zweiten Pegel V_{GS_2} wechseln, wenn das Lastsignal S_L unter eine Schwelle S_L2' absinkt, die niedriger als die zweite Schwelle S_L2 ist, und so weiter. Außerdem ist SL1<SL2<SL3<SLN und V_{GS_MIN}<V_{GS_2}<V_{GS_3}<V_{GS_MAX}.
Bei dem in 7 gezeigten Beispiel steigt der Spannungspegel der Gatespannung VGS zwischen dem minimalen Pegel V_{GS_MIN} und dem maximalen Pegel V_{GS_MAX} kontinuierlich an, wenn das Lastsignal S_L zwischen einer unteren Schwelle S_LL und einer oberen Schwelle S_LH ist. Wenn das Lastsignal S_L unterhalb der unteren Schwelle S_LL ist, hat die Ansteuerspannung VGS den minimalen Pegel V_{GS_MIN} , und wenn das Lastsignal S_L höher als die obere Schwelle S _LH ist, hat die Ansteuerspannung VGS den maximalen Pegel V_{GS_MAX} . Bei dem in 7 gezeigten Beispiel nimmt der Spannungspegel der Ansteuerspannung VGS linear zu, wenn das Lastsignal S_L zwischen dem unteren Pegel S_LL und dem oberen Pegel S_LH ansteigt. Dies ist jedoch nur ein Beispiel. Der Spannungspegel der Ansteuerspannung VGS kann ebenso auf beliebige andere Weise ansteigen. Weitere Beispiele, wie die Ansteuerspannung VGS basierend auf dem Lastsignal ansteigen kann, sind in 7 in strichpunktierten Linien veranschaulicht.
Gemäß einem in 8 veranschaulichten Beispiel kann der Spannungspegel der Ansteuerspannung VGS auf den minimalen Pegel V_{GS_MIN} verringert werden, wenn das Lastsignal S_L einen vordefinierten maximalen Pegel S_LX übersteigt. Diese Änderung der Ansteuerspannung VGS auf den minimalen Pegel V_{GS_MIN} ist unabhängig davon, wie die Ansteuerspannung VGS auf den maximalen Pegel V_{GS_MAX} angestiegen sein kann. Das in 8 gezeigte Ansteuerschema kann daher mit einem beliebigen der anhand der 5, 6 und 7 erläuterten Ansteuerschemata kombiniert werden.
Wie oben erläutert repräsentiert das Lastsignal S_L einen Strompegel des Laststroms I_L , wobei das Lastsignal S_L einen momentanen Strompegel des Laststroms oder einen erwarteten Strompegel des Laststroms repräsentieren kann. Beispiele, wie das Lastsignal S_L erzeugt werden kann, sind nachfolgend anhand der 9, 10 und 11 erläutert.
Gemäß einem in 9 gezeigten Beispiel umfasst das Erzeugen des Lastsignals S_L das Messen des Laststroms I_L unter Verwendung eines Stromsensors 31. Der Stromsensor 31 kann eine beliebige Art von Stromsensor sein, der geeignet ist, den durch das Transistorbauelement 1 fließenden Laststrom zu messen. Der Stromsensor 31 ist beispielsweise ein in dem Transistorbauelement 1 integrierter Stromsensor, ein Stromsensor mit einem in Reihe zu der Laststrecke des Transistorbauelements 1 geschalteten Shunt-Widerstand, ein Stromsensor mit einem magnetischen Sensor, wie beispielsweise ein Hall-Sensor oder ein Sensor unter Verwendung magnetoresistiver Effekte, ein induktiver Stromsensor, oder dergleichen. Gemäß einem Beispiel ist das durch den Stromsensor 31 erzeugte Lastsignal S_L monoton abhängig von oder sogar proportional zu dem Laststrom I_L .
Gemäß einem weiteren Beispiel, das in 10 gezeigt ist, umfasst das Erzeugen des Lastsignals S_L das Messen einer Laststreckenspannung V1 (die in einem MOSFET üblicherweise als Drain-Source-Spannung bezeichnet wird) unter Verwendung eines Spannungssensors. Eine beliebige Art von Spannungssensor, der geeignet ist, die Laststreckenspannung zu messen, kann verwendet werden. Die Laststreckenspannung V1 repräsentiert den Laststrom I_L nicht direkt, sondern ist gegeben durch den Einschaltwiderstand R_{ON_DS} multipliziert mit dem Laststrom I_L, V1 = R_{DS_ON} · I_L. Dennoch zeigt die Laststreckenspannung V1 an, wenn der Laststrom I_L ansteigt, weil ein solcher Anstieg des Laststroms I_L zu einem entsprechenden Anstieg der Laststreckenspannung V1 führt. Wenn der Einschaltwiderstand R_{ON_DS} ansteigt, wenn die Temperatur ansteigt, beispielsweise aufgrund einer hohen Leistungsdissipation in dem Transistorbauelement, hilft das Erzeugen des Lastsignals S_L basierend auf der Laststreckenspannung V1 auch, Verluste zu reduzieren und reduziert damit die Betriebstemperatur des Transistorbauelements 1. Das Erzeugen des Lastsignals S_L basierend auf der Laststreckenspannung kann insbesondere in Verbindung mit einem Verfahren verwendet werden, das zwei oder mehr diskrete Spannungspegel der Ansteuerspannung VGS einstellt. Beispiele solcher Verfahren sind in den 5 und 6 veranschaulicht.
Gemäß einem weiteren Beispiel, das in 11 gezeigt ist, wird das Lastsignal S_L durch eine Last 42 bereitgestellt, die in Reihe zu der Laststrecke 12-13 des Transistorbauelements 1 geschaltet ist. Bei diesem Beispiel ist eine Reihenschaltung mit dem Transistorbauelement 1 und der Last an eine Gleichspannungs-(DC, direct current)-Spanungsquelle, wie beispielsweise eine Batterie angeschlossen. Die Last 42 kann eine beliebige Art von elektrischer Last sein und kann weitere Transistorbauelemente umfassen. Gemäß einem Beispiel umfasst die Last 42 einen elektrischen Motor und einen Inverter, der dazu ausgebildet ist, den Motor unter Verwendung der von der Gleichspannungsquelle 42 erhaltenen Gleichspannung V41 über das Transistorbauelement 1 anzusteuern. Bei dem in 11 gezeigten Beispiel kann das Transistorbauelement 1 als Batterieschalter wirken, der nur dazu dient, die Last 42 an die Batterie 41 anzuschließen oder die Last 42 von der Batterie 41 zu trennen. Der Laststrom I_L ist nur definiert durch den Betrieb der Last 42. Das heißt, abhängig von einem Betriebszustand der Last 42 kann der Laststrom I_L im Ein-Zustand des Transistorbauelements 1 innerhalb eines großen Bereichs variieren. Der Laststrom I_L kann beispielsweise zwischen 0 A und einigen 100 A variieren. Das Lastsignal S_L kann durch einen Controller innerhalb der Last 42 erzeugt werden, wobei dieser Controller dazu ausgebildet ist, den Betrieb der Last 42 zu steuern. Wenn die Last 42 beispielsweise einen Motor eines Fahrzeugs umfasst, kann der Controller den Motor basierend auf einem von einem Gaspedal erhaltenen entsprechenden Signal beschleunigen. Bei Erhalt eines Signals, das anzeigt, dass es gewünscht ist, den Motor zu beschleunigen, kann der Controller das Lastsignal S_L , das an die Ansteuerschaltung 2 übertragen wird, ändern, bevor der Controller den Motor beschleunigt.
12 zeigt ein Beispiel der Ansteuerschaltung 2 weiter im Detail. Bei diesem Beispiel umfasst die Ansteuerschaltung 2 eine einstellbare Spannungsquelle 6, die das Lastsignal S_L erhält und dazu ausgebildet ist, eine variable erste Spannung V6 basierend auf dem Lastsignal S_L zu erzeugen. Die erste Spannungsquelle 6 ist zwischen den zweiten Ausgangsknoten 22 und einen ersten Eingang 51 eines Treibers 5 geschaltet. Ein zweiter Eingang 52 des Treibers 5 ist an den zweiten Ausgangsknoten 22 direkt oder über eine optionale zweite Spannungsquelle 7 angeschlossen. Die optionale zweite Spannungsquelle 7 ist dazu ausgebildet, eine zweite Spannung V7 zu erzeugen. Ein Ausgang 54 des Treibers 5 ist an den ersten Ausgangsknoten 21 angeschlossen. Um das Transistorbauelement 1 im Ein-Zustand anzusteuern, verbindet der Treiber 5 die Spannungsquelle 6 mit dem ersten Ausgangsknoten 21, so dass die durch das Transistorbauelement 1 erhaltene Ansteuerspannung VGS im Wesentlichen gleich der durch die erste Spannungsquelle 6 bereitgestellten ersten Spannung V6 ist. Bei diesem Beispiel kann die Ansteuerspannung VGS durch Einstellen der Spannung V6 basierend auf dem Lastsignal S_L eingestellt werden. Um das Transistorbauelement 1 auszuschalten, verbindet der Treiber 5 seinen zweiten Eingang 52 intern mit dem ersten Ausgangsknoten 21. In diesem Fall ist die Ansteuerspannung VGS Null, wenn die zweite Spannungsquelle 7 weggelassen wird, oder gleicht im Wesentlichen der invertierten zweiten Spannung -V7. Ob der Treiber 5 das Transistorbauelement 1 im Ein-Zustand oder im Aus-Zustand ansteuert, ist abhängig von einem an einem Ansteuereingang 53 des Treibers 5 erhaltenen Ansteuersignal S5. Dieses Ansteuersignal S5 kann eine beliebige Art von Signal sein, das anzeigt, dass es gewünscht ist, das Transistorbauelement 1 einzuschalten oder auszuschalten. Gemäß einem Beispiel ist dieses Ansteuersignal S5 gleich dem anhand von 1 erläuterten Steuersignal S_CTRL oder basiert auf diesem Steuersignal S_CTRL . Gemäß einem weiteren Beispiel ist das Ansteuersignal S5 abhängig von einer Versorgungsspannung V_SUPPLY , die durch die Ansteuerschaltung 2 zwischen den anhand von 1 erläuterten Versorgungsknoten 23, 24 erhalten wird.
13 zeigt eine Ansteuerschaltung gemäß einem weiteren Beispiel. Die in 13 gezeigte Ansteuerschaltung 2 unterscheidet sich von der in 12 gezeigten Ansteuerschaltung 2 dadurch, dass der Ausgang 54 des Treibers an den zweiten Ausgangsknoten 22 anstelle des ersten Ausgangsknotens 21 angeschlossen ist. Außerdem ist die Spannungsquelle 6 zwischen den ersten Ausgangsknoten 21 und den ersten Eingang 51 des Treibers 5 geschaltet. Der zweite Eingang 52 des Treibers ist an den ersten Ausgangsknoten 21 entweder direkt oder über die optionale zweite Spannungsquelle V7 angeschlossen.
14 zeigt ein Beispiel des Treibers 5 weiter im Detail. Zur Erläuterung sind die erste Spannungsquelle 6, die optionale Spannungsquelle 7 und der Transistor 1 in 14 ebenfalls dargestellt. Lediglich zur Veranschaulichung sind der Treiber 5 und die Spannungsquellen 6, 7 wie in 12 gezeigt verbunden. Dennoch kann der in 14 gezeigte Treiber 5 auch in einer Konfiguration verwendet werden, wie sie in 13 gezeigt ist.
Bezugnehmend auf 14 umfasst der Treiber 5 einen ersten Schalter 55, der zwischen den ersten Eingang 51 und den Ausgang 54 geschaltet ist, und einen zweiten Schalter 56, der zwischen den zweiten Eingang 52 und den Ausgang 54 geschaltet ist. Eine Steuerschaltung 57 erzeugt Steuersignale S55, S56, die durch die Schalter 55, 56 erhalten werden, wobei die Schalter 55, 56 abhängig von diesen Steuersignalen S55, S56 ein- oder ausschalten. Die Steuerschaltung 57 erzeugt die Steuersignale S55, S56 basierend auf dem Ansteuersignal S5. Immer dann, wenn das Ansteuersignal S5 anzeigt, dass es gewünscht ist, das Transistorbauelement 1 einzuschalten, erzeugt die Steuerschaltung 57 die Steuersignale S55, S56 so, dass der erste Schalter 55 einschaltet und der zweite Schalter 56 ausschaltet, so dass die erste Spannungsquelle 6 zwischen den ersten Ausgangsknoten 21 und den zweiten Ausgangsknoten 22 geschaltet ist. Wenn das Ansteuersignal S5 anzeigt, dass es gewünscht ist, das Transistorbauelement 1 auszuschalten, erzeugt die Steuerschaltung 57 die Steuersignale S55, S56 so, dass der erste Schalter 55 auszuschaltet und der zweite Schalter 56 einschaltet, so dass die Ansteuerspannung VGS entweder Null oder -V7 ist. Eine beliebige Art von elektronischem Schalter, wie beispielsweise eine beliebige Art von Transistor, kann dazu verwendet werden, den ersten Schalter 55 und den zweiten Schalter 56 zu realisieren.
Die einstellbare erste Spannungsquelle 6 kann auf verschiedene Weise realisiert werden. Beispiele, wie die erste Spannungsquelle 6 realisiert werden kann, sind nachfolgend anhand der 15 und 16 erläutert.
Gemäß 15 umfasst die Spannungsquelle 6 einen Spannungsregler 63, der eine Versorgungsspannung V_SUP erhält und dazu ausgebildet ist, die erste Spannung V6 zwischen den Ausgangsknoten 61, 62 der ersten Spannungsquelle 6 basierend auf der Versorgungsspannung V_SUP zu erzeugen. Die durch den Spannungsregler 63 erhaltene Versorgungsspannung V_SUP kann die durch die Versorgungsknoten 23, 24 der Ansteuerschaltung 2 (vgl. 1) erhaltene Versorgungsspannung V_SUPPLY sein oder kann eine Versorgungsspannung V_SUP sein, die basierend auf dieser Versorgungsspannung V_SUPPLY , die durch die Ansteuerschaltung 2 erhalten wird, erzeugt wird. Der Spannungsregler 63 erhält ein Referenzsignal S_REF , das einen Spannungspegel der Ausgangsspannung V6 definiert, die durch den Spannungsregler 63 basierend auf der Versorgungsspannung V_SUP erzeugt wird. Optional ist ein Ausgangskondensator 64 zwischen die Ausgangsknoten 61, 62 gekoppelt. Eine Abbildungsschaltung 65 erzeugt das Referenzsignal S_REF basierend auf dem Lastsignal S_L . Das heißt, die Abbildungsschaltung 65 bildet das Lastsignal S_L auf das Referenzsignal S_REF ab, wobei der Spannungsregler 63 die erste Spannung V6 basierend auf dem Referenzsignal S_REF erzeugt und wobei im Ein-Zustand des Transistorbauelements 1 die Ansteuerspannung VGS gleich der ersten Spannung V6 ist. Die Abbildungsschaltung 65 kann das Lastsignal S_L auf das Referenzsignal S_REF basierend auf einem beliebigen der anhand der 5 bis 7 erläuterten Beispiele abbilden. Das heißt, die Abbildungsschaltung 65 kann nur zwei unterschiedliche Signalpegel des Referenzsignals S_REF basierend auf dem Lastsignal S_L erzeugen, um nur zwei unterschiedliche Spannungspegel der Ansteuerspannung VGS zu erzeugen. Oder, die Abbildungsschaltung 65 kann mehrere diskrete Signalpegel des Referenzsignals S_REF basierend auf dem Lastsignal S_L erzeugen, um mehr als zwei unterschiedliche Spannungspegel der Ansteuerspannung VGS zu erreichen. Oder, die Abbildungsschaltung 65 kann das Referenzsignal S_REF gemäß den in 7 veranschaulichten Kurven erzeugen.
16 zeigt eine erste Spannungsquelle 6 gemäß einem weiteren Beispiel. Bei diesem Beispiel erhält die Spannungsquelle 6 die Versorgungsspannung V_SUP und umfasst wenigstens eine Ladungspumpe 66₁ , 66_M . Lediglich zur Veranschaulichung sind in 1 zwei Ladungspumpen 66₁ , 66_M gezeigt. Jede dieser Ladungspumpen 66₁ , 66_M erhält die Versorgungsspannung V_SUP und erzeugt eine Ausgangsspannung V66₁ , V66_M , die höher ist als die Versorgungsspannung V_SUP . Ein Multiplexer 67 erhält die Versorgungsspannung V_SUP und die Ausgangsspannung V66₁ , V66_M von jeder der Ladungspumpen 66₁ , 66_M . Der Multiplexer 67 gibt eine von der Versorgungsspannung V_SUP und den Ausgangsspannungen V66₁ , V66_M der Ladungspumpen 66₁ , 66_M als erste Spannung V6 aus. Ein Auswahlsignal S_SEL definiert, welche der durch den Multiplexer 67 erhaltenen Spannungen als erste Spannung V6 ausgegeben werden soll. Das Auswahlsignal S_SEL wird durch eine Abbildungsschaltung 68 basierend auf dem Lastsignal S_L erzeugt. Die in 16 gezeigte einstellbare Spannungsquelle 6 kann die erste Spannung V6 erzeugen und kann damit die Ansteuerspannung VGS gemäß dem in 6 gezeigten Ansteuerschema erzeugen (mit dem Unterschied, dass 6 vier unterschiedliche Spannungspegel zeigt, während die in 16 gezeigte Schaltung nur drei unterschiedliche Spannungspegel erzeugen kann). Die Ansteuerspannung VGS hat den minimalen Pegel V_{GS_MIN} , wenn die erste Spannung V6 gleich der Versorgungsspannung V_SUP ist, die Ansteuerspannung VGS hat den maximalen Pegel, wenn die erste Spannung V6 gleich der Spannung V66_M ist, und die Ansteuerspannung VGS hat einen Spannungspegel zwischen dem minimalen Pegel V_{GS_MIN} und einem maximalen Pegel V_{GS_MAX} , wenn die erste Spannung V6 gleich der Spannung V66₁ ist.
17 zeigt eine Ansteuerschaltung 2 gemäß einem weiteren Beispiel. Bei diesem Beispiel ist die durch die erste Spannungsquelle 6 bereitgestellte erste Spannung V6 im Wesentlichen konstant. Eine Verstärkerschaltung 8, die zwischen den Ausgang 54 des Treibers 5 und die ersten und zweiten Ausgangsknoten 21, 22 geschaltet ist, ist dazu ausgebildet, die Ansteuerspannung VGS basierend auf dem Lastsignal S_L einzustellen. Diese Verstärkerschaltung 8 hat einen an den Ausgang 54 des Treibers 5 angeschlossenen ersten Eingang und einen an den zweiten Eingang 52 des Treibers 5 über die zweite Spannungsquelle 7 gekoppelten zweiten Eingang 82. In 17 bezeichnet V8 eine Spannung zwischen dem ersten Eingangsknoten 81 und dem zweiten Eingangsknoten 82 der Verstärkerschaltung 8.
Die Verstärkerschaltung 8 ist dazu ausgebildet, die Ansteuerspannung VGS auf zwei unterschiedliche Weisen zu erzeugen. In einer ersten Betriebsart, welche die Betriebsart ist, in der das Transistorbauelement 1 im Aus-Zustand betrieben wird, erzeugt die Verstärkerschaltung die Ansteuerspannung VGS so, dass sie im Wesentlichen gleich der Eingangsspannung V8 ist. Die Verstärkerschaltung 8 ist in der ersten Betriebsart, wenn die Eingangsspannung V8 negativ ist, das heißt, wenn die Eingangsspannung V8 gleich -V7 ist. In einer zweiten Betriebsart, welches die Betriebsart ist, in der das Transistorbauelement 1 im Ein-Zustand betrieben wird, erzeugt die Verstärkerschaltung die Ansteuerspannung VGS so, dass sie abhängig von der Eingangsspannung V8 und abhängig von dem Lastsignal S_L ist. Die Verstärkerschaltung 8 ist in der zweiten Betriebsart, wenn die Eingangsspannung V8 positiv ist, das heißt, wenn die Eingangsspannung V8 gleich der ersten Spannung V6 ist.
Ein Beispiel der Verstärkerschaltung 8 ist in 18 gezeigt. Bei diesem Beispiel umfasst die Verstärkerschaltung 8 einen kapazitiven Spannungsteiler mit einem ersten Kondensator 82₁ und einem zweiten Kondensator 82₂ , der zwischen den ersten Ausgangsknoten 21 und den zweiten Ausgangsknoten 22 geschaltet ist. Ein parallel zu den Ausgangsknoten 21, 22 geschalteter Kondensator 85 ist optional. Eine Laststrecke eines Transistorbauelements 84 ist zwischen den ersten Eingangsknoten 81 der Verstärkerschaltung 8 und den ersten Ausgangsknoten 21 geschaltet und ein Steuerknoten des Transistors 84 ist an den zweiten Eingangsknoten 82 der Verstärkerschaltung 8 angeschlossen, so dass das Transistorbauelement 84 die Eingangsspannung V8 der Verstärkerschaltung 8 als Ansteuerspannung erhält. Dieses Transistorbauelement 84 ist dazu ausgebildet, im Aus-Zustand zu sein, wenn die Eingangsspannung V8 positiv ist. Ein Gleichrichterelement 87 ist parallel zu dem Transistorbauelement 84 geschaltet und ist so verschaltet, dass es einen Stromfluss von dem Eingang 81, 82 der Verstärkerschaltung 8 an den Ausgang 21, 22 erlaubt. Gemäß einem Beispiel ist der Transistor 84 ein MOSFET, wie beispielsweise (wie dargestellt) ein n-leitender Anreicherungs-MOSFET. In diesem Fall ist ein Gateknoten des MOSFET an den zweiten Eingangsknoten 82 angeschlossen und ein Sourceknoten des MOSFET ist an den ersten Eingangsknoten 81 angeschlossen. Ein MOSFET kann eine interne Diode (die üblicherweise als Bodydiode bezeichnet wird) umfassen. Das Gleichrichterelement 87, wie es in 18 gezeigt ist, kann die interne Bodydiode des MOSFET 84 oder eine zusätzliche Diode sein, die parallel zu der Laststrecke des MOSFET 84 geschaltet ist. Wenn die Diode 87 eine zusätzliche Diode ist, kann sie eine Bipolardiode oder eine Schottkydiode sein.
Außerdem umfasst die Verstärkerschaltung 8 einen elektronischen Schalter 83, der zwischen den ersten Eingangsknoten 81 und einen Abgriff des kapazitiven Spannungsteilers 82₁ , 82₂ geschaltet ist. Eine Abbildungsschaltung 86 steuert den elektronischen Schalter 83 abhängig von dem Lastsignal S_L an.
Die Funktion der in 18 gezeigten Verstärkerschaltung 8 wird anhand von 19 deutlich, die Zeitverläufe des durch den Treiber 5 erhaltenen Ansteuersignals S5, des durch die Abbildungsschaltung 86 erzeugten Steuersignals S83, der Eingangsspannung V8 der Verstärkerschaltung und der Ansteuerspannung VGS zeigt. Wenn das Ansteuersignal S5 einen Signalpegel hat, der anzeigt, dass es gewünscht ist, das Transistorbauelement 1 im Aus-Zustand anzusteuern, verbindet der Treiber 5 die zweite Spannungsquelle 7 zwischen die Eingangsknoten 81, 82 der Verstärkerschaltung 8. Entsprechend ist die Eingangsspannung V8 die invertierte zweite Spannung -V7. In diesem Betriebszustand ist das Transistorbauelement 1 im Ein-Zustand, so dass die Ansteuerspannung VGS im Wesentlichen gleich -V7 ist. Wenn das Ansteuersignal S5 anzeigt, dass es gewünscht ist, das Transistorbauelement 1 einzuschalten, verbindet der Treiber 5 die erste Spannungsquelle 6 zwischen die Eingangsknoten 81, 82 der Verstärkerschaltung, so dass die Eingangsspannung V8 im Wesentlichen gleich der ersten Spannung V6 ist. Dies ist in 19 zum ersten Zeitpunkt t1 gezeigt. Das Transistorbauelement 84 schaltet aus, wenn die Spannung V8 auf die erste Spannung V6 ansteigt. Über das Gleichrichterelement 87 wird die Eingangsspannung V8 an die Ausgangsknoten 21, 22 weitergeleitet, so dass die Kondensatoren des Spannungsteilers 82₁ , 82₂ geladen werden und die Ansteuerspannung im Wesentlichen gleich der ersten Spannung V6 ist. Wenn die Abbildungsschaltung 84 den Schalter 83 einschaltet, wird die Ansteuerspannung von einem ersten Pegel (minimaler Pegel) der durch die erste Spannung V6 repräsentiert ist, auf einen zweiten Pegel (maximaler Pegel) verstärkt. Die Verstärkerschaltung ist daher dazu ausgebildet, das Transistorbauelement 1 mit einer von zwei unterschiedlichen Spannungspegeln anzusteuern. Der zweite Pegel ist gegeben durch V6 + V82, wobei V82 die Spannung über dem Kondensator 82₁ des Spannungsteiler ist. Diese Spannung V82 ist gegeben durch $V 82 = \frac{C 2}{C 1 + C 2} \cdot V 6$
wobei C1 die Kapazität des Kondensators 82₁ und C2 die Kapazität des Kondensators 822 ist.
Optional ist wenigstens ein Widerstandselement an den kapazitiven Spannungsteiler 82₁ , 82₂ gekoppelt, das bewirkt, dass der kapazitive Spannungsteiler 82₁ , 82₂ entladen wird und die Ansteuerspannung VGS in Richtung der Eingangsspannung V8 absinkt, nachdem die Ansteuerspannung VGS durch Aktivieren des Schalters 83 verstärkt wurde (auf V6+V1). In diesem Fall bewirkt das Aktivieren des Schalters 83, dass die Ansteuerspannung VGS rasch anteigt (wie in 19 gezeigt), wobei das wenigstens eine resistive Element bewirkt, dass die Ansteuerspannung VGS langsam absinkt. Gemäß einem Beispiel umfasst das wenigstens eine Widerstandselement ein erstes Widerstandselement 88₁ , das parallel zu dem ersten Kondensator 82₁ geschaltet ist, und ein zweites Widerstandselement 88₂ , das parallel zu dem zweiten Kondensator 82₂ geschaltet ist. Gemäß einem Beispiel ist ein Widerstandswert des zweiten Widerstandselements 88₂ kleiner als ein Widerstandswert des ersten Widerstandselements 88₁ . Gemäß einem Beispiel ist der Widerstandswert des zweiten Widerstandselements 88₂ weniger als 10%, weniger als 5% oder weniger als 1% des Widerstandswerts des ersten Widerstandselements 88₁ , so dass der zweite Kondensator 82₂ rascher entladen wird als der erste Kondensator 82₁ . Gemäß einem Beispiel unterscheiden sich Kapazitäten des ersten Kondensators 82₁ und des zweiten Kondensators 82₂ um weniger als 30% der Kapazität des kleineren der zwei Kondensatoren 82₁ , 82₂ . Wenn der Pegel der Ansteuerspannung VGS aufgrund des wenigstens einen Widerstandselements auf die Eingangsspannung V8 abgesunken ist und das Lastsignal S_L anzeigt, dass es immer noch gewünscht ist, das Transistorbauelement 1 mit dem höheren Spannungspegel anzusteuern, kann die Abbildungsschaltung den Schalter 83 für eine bestimmte Zeitdauer deaktivieren, in der der zweite Kondensator 88₂ weitergeladen wird, und dann den Schalter 83 wieder aktivieren, um die Ansteuerspannung VGS zu verstärken. Zusätzlich oder alternativ zu dem ersten und zweiten Widerstandselement 88₁ , 88₂ ist ein Widerstandselement (nicht gezeigt) parallel zu dem kapazitiven Spannungsteiler 82₁ , 82₂ geschaltet, das heißt, zwischen die Ausgangsknoten 21, 22.

Claims

Verfahren, das aufweist: Ansteuern eines Transistorbauelements in einem Ein-Zustand durch Anlegen einer Ansteuerspannung, die höher ist als eine Schwellenspannung des Transistorbauelements, an einen Ansteuereingang, und Einstellen eines Spannungspegels der Ansteuerspannung basierend auf einem Lastsignal, das einen Strompegel eines Laststroms durch das Transistorbauelement repräsentiert, wobei der Strompegel ein tatsächlicher Strompegel oder ein erwarteter Strompegel des Laststroms ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Einstellen des Spannungspegels das Auswählen des Spannungspegels aus einem Bereich, der von einem minimalen Spannungspegel bis zu einem maximalen Spannungspegel reicht, aufweist.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem das Auswählen des Spannungspegels das Auswählen eines von wenigstens zwei diskreten Spannungspegeln aufweist.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, bei dem der minimale Spannungspegel und der maximale Spannungspegel jeweils mit einer statistischen Lebensdauer des Transistorbauelements verknüpft sind, und bei dem die statistische Lebensdauer, die mit dem maximalen Spannungspegel verknüpft ist, weniger als 10% der statistischen Lebensdauer ist, die mit dem minimalen Spannungspegel verknüpft ist.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die statistische Lebensdauer mit einer Fehlerrate verknüpft ist und bei dem die Fehlerrate, die mit der Lebensdauer verknüpft ist, ausgewählt ist aus zwischen 10^-1 und 10^-6.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, bei dem die mit dem minimalen Spannungspegel verknüpfte statistische Lebensdauer länger als 10 Jahre, länger als 50 Jahre oder länger als 100 Jahre ist.
Verfahren nach einem beliebigen der Ansprüche 2 bis 6, bei dem eine Differenz zwischen dem maximalen Spannungspegel und dem minimalen Spannungspegel größer als 5V, größer 10V oder größer als 15V ist.
Verfahren nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Transistorbauelement ausgewählt ist aus einer Gruppe, die besteht aus: einem Silizium-(Si)-MOSFET; einem Siliziumkarbid-(SiC)-MOSFET; und einem IGBT.
Verfahren nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Transistorbauelement eine Sperrspannungsfähigkeit von mehr als 400V, von mehr als 600V oder von mehr als 800V hat.
Verfahren nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 9, das weiterhin aufweist: Erhalten des Lastsignals basierend auf einem Messen wenigstens eines von dem Strom durch das Transistorbauelement oder der Spannung über der Laststrecke des Transistorbauelements.
Verfahren nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 9, das weiterhin aufweist: Erhalten des Lastsignals von einer an das Transistorbauelement angeschlossenen Lastschaltung.
Verfahren nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, bei dem eine Laststrecke des Transistorbauelements zwischen eine Spannungsquelle und eine Lastschaltung geschaltet ist.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die Spannungsquelle eine Gleichspannungsquelle ist.
Verfahren nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Ansteuern des Transistorbauelements im Ein-Zustand aufweist, das Transistorbauelement basierend auf einem Steuersignal im Ein-Zustand anzusteuern.
Elektronische Schaltung, die eine Ansteuerschaltung aufweist, wobei die Ansteuerschaltung dazu ausgebildet ist: eine Ansteuerspannung an einem Ansteuerausgang zu erzeugen, der dazu ausgebildet ist, an einen Ansteuereingang des Transistorbauelements angeschlossen zu werden, wobei die Ansteuerspannung höher ist als eine Schwellenspannung des Transistorbauelements, und einen Spannungspegel der Ansteuerspannung basierend auf einem Lastsignal, das einen Strompegel eines Laststroms durch das Transistorbauelement repräsentiert, einzustellen, wobei der Strompegel ein tatsächlicher Strompegel oder ein erwarteter Strompegel des Laststroms ist.
Elektronische Schaltung nach Anspruch 13, die weiterhin das Transistorbauelement aufweist.
Elektronische Schaltung nach Anspruch 15 oder 16, bei dem die Ansteuerschaltung dazu ausgebildet ist, den Spannungspegel durch Auswählen des Spannungspegels aus einem Spannungspegelbereich, der von einem minimalen Spannungspegel bis zu einem maximalen Spannungspegel reicht, einzustellen.
Elektronische Schaltung nach Anspruch 17, bei dem der minimale Spannungspegel und der maximale Spannungspegel jeweils mit einer statistischen Lebensdauer des Transistorbauelements verknüpft sind, und bei dem die mit dem maximalen Spannungspegel verknüpfte statistische Lebensdauer weniger als 10% der mit dem minimalen Spannungspegel verknüpften statistischen Lebensdauer ist.
Elektronische Schaltung nach Anspruch 18, bei der die statistische Lebensdauer mit einer Fehlerrate verknüpft ist, und bei der die mit der Lebensdauer verknüpfte Fehlerrate ausgewählt ist aus zwischen 10^-1 und 10^-6.
Elektronische Schaltung nach Anspruch 18 oder 19, bei der die mit dem minimalen Spannungspegel verknüpfte statistische Lebensdauer länger als 10 Jahre, länger als 50 Jahre oder länger als 100 Jahre ist.