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Die Erfindung bezieht sich auf einen selbst schwingenden
Wandler und insbesondere Leistungswandler mit FET-
Leistungsschaltern und für einen Betrieb mit geringer Last.
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Selbstschwingende, für geringe Leistung geeignete
Wandler mit FET-Leistungsschaltern werden betriebsmäßig
instabil, wenn sie auf eine Last arbeiten, die sehr klein im
Hinblick auf die Nennleistung ist (z.B. typisch weniger als
10 % der Nennleistung). Dieses instabile Verhalten tritt als
Schwingung mit niedriger Frequenz auf, die als "stoßartiger
Impuls" bezeichnet wird, bei dem der FET-Leistungsschalter
einige Schwingungszyklen arbeitet und dann für einige
Schwingungszyklen im ausgeschalteten Zustand verbleibt.
Dieses instabile Verhalten bewirkt eine signifikante
Erhöhung der Welligkeit der Ausgangsspannung, die häufig die
vorgesehene Welligkeit der Ausgangsspannung um eine
Größenordnung übersteigt. Dies setzt eine Begrenzung des
Leistungsbereichs, in dem der selbstschwingende Wandler
betrieben werden kann, und beschränkt seinen
Anwendungsbereich.
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Das Problem des "stoßartigen Impulses" bei geringen
Belastungen wurde beim Stand der Technik mittels eines
parallel zum Ausgang des selbstschwingenden Wandlers
liegenden Widerstandes gelöst, um die Last künstlich zu
erhöhen. Der zusätzliche Widerstand verbraucht jedoch eine
beachtliche Leistung, wodurch der Wirkungsgrad des
selbst schwingenden Wandlers und seine maximale
Ausgangsleistung vermindert werden.
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Das US-Patent 4 481 434 beschreibt eine schnelle
Abschaltschaltung, in der ein Paar rückgekoppelter bipolarer
Transistoren beim Abschalten des FET in einem verriegelten
Zustand vorgespannt sind, um die Gate-Ladung des FET schnell
zu entleeren. Diese Rückkopplungsanordnung ermöglicht eine
rasche Entladung der Gate-Kapazität, und zwar ohne Anlegen
eines entgegengesetzten Gate-Stroms beim Abschalten.
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Gemäß der Erfindung wird ein selbstschwingender
Oszillator bereitgestellt, wie er im Anspruch 1 beansprucht
ist.
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Ein selbstschwingender Oszillator gemäß einer Ausbildung
der Erfindung kann ein Abschalten des MOSFET-
Leistungsschalters durch Entgegenwirken des Effektes der
parasitären Kapazitäten des MOSFET-Leistungsschalters an
seinem primären Abschalttreibertransistor verbessern, um den
"stoßartigen Impuls" bei niedrigen Belastungen zu
eliminieren.
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In einem erläuternden Ausführungsbeispiel ist ein
zusätzlicher Treibertransistor angeschaltet, um eine
parasitäre Gate-Source-Kapazität des MOSFET-
Leistungsschalters zu entladen und den Miller-Effekten der
parasitären Gate-Source-Kapazitäten an dem
Abschalttreibertransistor entgegenzuwirken. Durch Verwendung
eines zusätzlichen Treibertransistors zum Entladen der Gate-
Source-Kapazität des MOSFET-Leistungsschalters wird das
Abschalten des MOSFET verbessert, wodurch ihm ermöglicht
wird, mit kürzeren Leistungsintervallen zu arbeiten, die
erforderlich sind, um eine geringe Ausgangswelligkeit bei
sehr geringen Lastbedingungen bereitzustellen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Fig. 1 ist ein schematisches Blockschaltbild eines
selbstschwingenden Leistungswandlers, der
"stoßartige Impulse" bei geringer Belastung
aufweist;
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Fig. 2 ist ein schematisches Blockschaltbild eines
Ausführungsbeispiels eines selbst schwingenden
Leistungswandlers, bei dem den stoßartigen Impulsen
bei geringen Belastungen entgegengewirkt wird;
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Fig. 3 zeigt Spannungswellenformen, die den Stromfluß mit
verschiedenen Komponenten des Wandlers gemäß Fig. 2
darstellen; und
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Fig. 4 zeigt Spannungswellenformen, die den Stromfluß mit
verschiedenen Komponenten des Wandlers gemäß Fig. 2
darstellen.
Ausführliche Beschreibung
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Ein bekannter selbstschwingender Leistungssperrwandler
ist in Fig. 1 dargestellt. Eine Gleichspannung ist an die
Eingangsanschlüsse 101 und 102 und durch das periodische
Schalten des MOSFET-Leistungsschalters 120 an die
Primärwicklung 111 des Leistungstransformators 210 gelegt.
Die Energie wird während des leitenden Zustands des MOSFET-
Leistungsschalters im Kern des Leistungstransformators
gespeichert. Diese gespeicherte Energie wird von der
gleichrichtenden Diode 106 übertragen, die während des
nichtleitenden Intervalls des MOSFET-Leistungsschalters in
Vorwärtsrichtung vorgespannt wird. Eine Filterschaltung mit
einer Spule 107 und zwei Parallelkondensatoren 108 und 109
ist zwischen der Sekundärwicklung 112 und den
Ausgangsanschlüssen 104 und 105 vorgesehen, um die
Ausgangswelligkeit zu filtern.
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Das periodische Schalten des MOSFET-Leistungsschalters
120 von dem nichtleitenden in den leitenden Zustand erfolgt
in Abhängigkeit von einer Rückkopplungstreiberschaltung, die
eine Rückkopplungswicklung 113 des Leistungstransformators
110 und ein serielles RC-Glied aus einem Widerstand 114 und
einer Kapazität 115 aufweist. Das von der magnetischen
Induktion des Transformators 110 am Ende der Leitung der
Diode 106 hervorgerufene Überschwingen wird durch das RC-
Glied rückgekoppelt und erzeugt das periodische Einschalten
des MOSFET-Leistungsschalters. Das periodische Einschalten
des MOSFET-Leistungsschalters 120 wird direkt von einem
bipolaren Transistor 125 gesteuert, dessen Kollektor mit der
Gate-Elektrode 121 des MOSFET-Leistungsschalters 120
verbunden ist. Das Spannungssteuerungssignal bewirkt das
Einschalten dieses Transistors 125 und initiiert daher ein
Abschalten des MOSFET-Leistungsschalters 120. Das
anfängliche Anlaufen des Wandlers wird durch den Widerstand
116 besorgt, der den Eingangsanschluß 101 an die Gate-
Elektrode 121 des MOSFET-Leistungsschalters 120 koppelt.
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Der von der Rückkopplungswicklung 113 gelieferte
Rückkopplungsstrom, um die Leitung in dem MOSFET-
Leistungsschalter 120 zu initiieren, ist über das serielle
RC-Glied mit dem Widerstand 114 und der Kapazität 115 an
einen Knoten gekoppelt, der den Kollektor 126 des
Abschalttransistors 125 und dem Gate 121 des MOSFET-
Leistungsschalters 120 gemeinsam ist. Während des
Intervalls, in dem die Sekundärwicklung 112 einen
Ausgangsstrom durch die gleichrichtende Diode 106 zu dem
Ausgangsanschluß 104 liefert, lädt die Spannung über der
Wicklung 112, indem sie in die Mitkopplungswicklung 113
induziert wird, die rechte Platte des Kondensators 115 auf
die Spannung über der Wicklung 113 auf. Der durch die Diode
118 gekoppelte Ladestrom lädt die linke Platte des
Kondensators 115 auf den Spannungspegel des Anschlusses 102.
Am Ende der Energieentladung der Wicklung 112 wird,
herrührend von der geladenen parasitären Kapazität
(hauptsächlich des FET-Leistungsschalters und der
Transformatorwicklung), ein Überschwingen in der Schaltung
induziert, die sich in Resonanz mit der magnetischen
Induktion befindet. Dieser Überschwingungsspannungsstoß
treibt die linke Platte des Kondensators 115 auf die
Schwellwerteinschaltspannung des MOSFET-Leistungsschaiters
120. Der Stromfluß durch den MOSFET-Leistungsschalter und
die Wicklung 111 hat eine Rückkopplungsspannung über der
Wicklung 113 zur Folge, die über den Kondensator 115
anliegt, um den MOSFET-Leistungsschalter 120 weiter in den
Leitungszustand zu treiben.
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Die Einstellung der Ausgangsgleichspannung an den
Ausgangsanschlüssen 104 und 105 wird von einer
Rückkopplungsschaltung zur Spannungsregelung geregelt, die
über eine Spitzenstromregelung arbeitet. Das Ende eines
Leitungsintervalls des MOSFET-Leitungsschalters 120 ist
abhängig von dem Erreichen einer Summe aus dem geregelten
Stromschwellwert in dem Widerstand 117, der den niedrigen
Stromwert erfaßt, und eine Fehlerrückkopplungsspannung, die
von dem Fototransistor 145 an den Kondensator 129 gelegt
wird. Die Spannung über dem Widerstand 117 und dem
Kondensator 129 wird summiert und an die Basiselektrode 127
des bipolaren Transistors 125 gekoppelt. Wenn die Summe der
Spannung über dem Widerstand 117 und dem Kondensator 129 den
Basis-Emittereinschaltschwellwert erreicht (angenähert 0,6 V
für einen typischen Transistor), ist der bipolare Transistor
in Vorwärtsrichtung vorgespannt; durch Entladen der Source-
Gate-Kapazität des MOSFET-Leistungsschalters 120 bewirkt die
Vorspannung den nichtleitenden Zustand. Bei einer
Approximation erster Ordnung (unter der Annahme, daß die
Zeit für das Überschwingen am Ende der zweiten
Wicklungsleitung klein ist im Vergleich zur Leitungszeit des
Leistungstransistors 120 und der Diode 106), ist der
Arbeitszyklus für konstante Eingangs- und Ausgangsspannungen
konstant, und die Lasteinstellung wird durch
Frequenzänderung erzielt.
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Die Rückkopplungsschaltung für die Spannungsregelung
überwacht die Ausgangsspannung und legt einen Strom an die
Basiselektrode 127 des bipolaren Transistors 125, wodurch
eine Spannung über dem Widerstand 128 und dem Kondensator
129 erzeugt wird. Diese Spannung ist der Spannung
überlagert, die über dem den Strom abtastenden Widerstand
abgeführt und in Abhängigkeit von dem durch den MOSFET-
Leistungsschalter 120 fließenden Strom erzeugt wird. Die
Ausgangsgleichspannung wird von einem Spannungsteiler mit
den Widerständen 131 und 132 abgetastet, die über den
Ausgangsanschlüssen 104 und 105 liegen. Diese abgetastete
Spannung ist über die Leitung 133 an die
Referenzsteuerleitung 135 einer
Präzisionsspannungseinrichtung 140 gekoppelt, die oft
einfach als programmierbare Referenz bezeichnet wird. Die
Präzisionsspannungseinrichtung 140 wird als eine Stromsenke
an ihrer Kathode wirksam, sobald die Spannung an ihrer
Referenzsteuerleitung gegen den Anodenanschluß 142 einen
Schwellenwert übersteigt. Diese Einrichtung ist im Handel
erhältlich und braucht daher nicht im einzelnen beschrieben
zu werden. Die Referenzsteuerleitung 135 und der
Anodenanschluß 141 werden von einem Widerstand 132 parallel
überbrückt, der Teil eines Spannungsteilers ist, der
parallel zu den Ausgangsansch1üssen 104 und 105 liegt. Wenn
die Ausgangsspannung ihren eingestellten Wert übersteigt,
aktiviert die Spannung über dem Widerstand 132 die
Präzisionsspannungseinrichtung 140. Von dem
Filterkondensator 108 wird über die Leuchtdiode 144 Strom
gezogen. Das von der Diode 144 emittierte Licht befähigt den
Fototransistor 145, einen Strom von dem Eingangsanschluß 101
zu dem Knoten 127 zu koppeln, wodurch eine Spannung über dem
Kondensator 129 und dem Widerstand 128 erzeugt wird. Diese
Spannung ist der über dem Widerstand 117 abgetasteten
Spannung überlagert und erlaubt daher die Einstellung der
Ausgangsspannung wie auch die Strombegrenzung.
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Selbstschwingende Gleichstromwandler von dem in Fig. 1
gezeigten Typ tendieren dazu, Schwingungen niedriger
Frequenz oder eine Aufspaltung der Schwingung (d.h. üblich
als stoßartiges Impulsverhalten festgestellt) bei niedriger
Last zu entwickeln (d.h. angenähert gleich oder weniger als
10 % der Nennleistung). Der MOSFET-Leistungsschalter 120 mit
seiner Rückkopplungsschaltung schwingt, herrührend von der
begrenzten Zunahmerate des Kollektorstroms seines
Abschalttreibertransistors 125, unregelmäßig. Die
Unregelmäßigkeit der Schwingung bewirkt eine signifikante
Welligkeit der Gleichspannung am Ausgang (d.h. die
Welligkeit überlagert die übliche Welligkeit um mehr als
eine Größenordnung).
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Bei normaler und großer Last z.B. hat der
Ausschalttreibertransistor 125 genügend Zeit, die Gate-
Kapazität des MOSFET-Leistungsschalters 120 vollständig zu
entladen. Die Rate, bei der die Stromentladung durch den
Gate-Source-Kondensator 171 ansteigen kann, ist begrenzt
durch die Rate, bei welcher der Strom durch den MOSFET-
Leistungsschalter 120 fließt, und daher nimmt der
Abtastwiderstand 117 zu.
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Bei sehr geringer Leistung ist es notwendig, die
Einschaltzeit des MOSFET-Leistungsschalters 120 auf ein sehr
kleines Zeitintervall in jedem Zyklus zu reduzieren, um die
Eingangsspannung einzustellen. Dieses kurze
Leitungsintervall erfordert eine schnelle Entladung des
Kondensators 115 und des parasitären Gate-Source-
Kondensators 171. Die Rate der Kollektorstromzunahme in dem
Abschalttransistor 125 erlaubt keine schnelle Entladung des
Gate-Source-Kondensators 171. Der MOSFET-Leistungsschalter
120 liegt im wesentlichen parallel zu dem Basis-
Kollektorübergang des Abschalttransistors 125 und arbeitet
wirksam als eine große Miller-Kapazität für den Transistor
125. Daher wird der Strom über die Widerstände 117 und 118
von dem Kondensator 129 zur Einschaltvorspannung des
Abschalttransistors 125 durch den Gate-Source-Kondensator
171 umgeleitet, wodurch sein Einschalten verlangsamt wird.
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Das Phänomen kann leicht anhand der Strom- und
Spannungswellenformen gemäß fig. 3 verstanden werden. Fig. 3
zeigt den Stromfluß durch den idealen MOSFET-
Leistungsschalter 120, wie er durch die punktierte Linie 301
dargestellt ist (im wesentlichen der Strom in der
Primärwicklung) und den tatsächlichen Source-Strom, wie er
durch die nicht unterbrochene Linie 302 wiedergegeben ist.
Die Differenz zwischen diesen Strömen ist der in die
parasitäre MOSFET-Kapazität 171 fließende Strom. Der Verlauf
der Stromwellenformen 301 und 302 ist im wesentlichen
koinzident, bis ein Schwellwertpegel erreicht ist, der den
Stromwert darstellt, der den Basis-Emitter-Übergang des
Transistors 125 signifikant in den Leistungszustand
vorspannt. Dieser abrupte Abfall der Stromzunahmerate tritt
auf, da eine geringfügige Zunahme der Basis-Emitter-Spannung
des Transistors 125 den Kollektorstrom des Transistors 525
erheblich erhöht. Ein großer Teil dieses Kollektorstroms
vermindert die Gate-Spannung durch Entladung des Gate-
Source-Kondensators 171, wodurch der interne MOSFET-Strom
301 umgeleitet wird. Der durch die Linie 304 dargestellte
Differenzstrom ist der Strom, der umgeleitet ist, um den
Gate-Source-Kondensator 171 zu entladen. Die Neigung der
Source-Stromwellenform 302 während dieser Entladeperiode
wird durch die Transistorparameter bestimmt und würde mit
einem idealen Transistor 125 keine Neigung haben (Basis-
Emitter-Widerstand 0 und β unendlich).
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Bei sehr kleinen Belastungen ist die Dauer des Stroms
durch den MOSFET-Leistungsschalter 120 erheblich verkürzt,
während die zur Anderung der Spannung über der Gate-Source-
Kapazität notwendige Ladung auf einem konstanten Wert
verbleibt. Diese Bedingung für eine geringe Last ist in Fig.
4 dargestellt. Der durch den idealen MOSFET-
Leistungsschalter fließende Strom 311 und der tatsächliche
Source-Strom 312, der hauptsächlich über den Strom
Abtastwiderstands 117 fließt, sind nur bis zum Erreichen
eines sehr kleinen Stromschwellwerts 313 im wesentlichen
gleich. Die Gate-Source-Kapazität wird durch die Differenz
dieser beiden Ströme entladen. Es ist zu beachten, daß der
Betrag der Ladung, die zum Entladen des Kondensators
erforderlich ist, durch den schattierten Bereich 315
angedeutet, in erster Näherung unabhängig von der Last ist.
Der Betrag der Ladung, der durch den schattierten Bereich in
Fig. 4 dargestellt ist (die Wellenform bei geringer Last)
ist annähernd der gleiche wie in Fig. 3 (die Wellenform bei
großer Last). Dies ergibt sich aus der minimalen
Einschaltzeit, die in Fig. 4 durch ton-min angezeigt ist. Die
Wellenform für die Basis-Emitter-Spannung des
Abschalttransistors 125, und zwar für geringe Last, ist in
Fig. 5 dargestellt. Wenn der Transistor 120 abgeschaltet
ist, gleicht die Basis-Emitter-Spannung der Steuerspannung
über dem Kondensator 129 also fast einem konstanten Wert 322
während dieser Abschaltzeit. Nachdem der Transistor 120
einschaltet, steigt die Basis-Emitter-Spannung auf einen
Pegel 323 an, bei dem der Kollektorstrom anfängt,
signifikant zu werden. Aufgrund des Miller-Effekts bleibt
die Basis-Emitter-Spannung nahe diesem Pegel, bis der
Abschalttransistor 120 beim Punkt 320 liegt.
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Dieser Wandler führt durch die Rückkopplung
Eigenschwingungen aus und arbeitet bei einer durch die Last
bestimmten Frequenz. Bei geringer Last ist das
Leitungsintervall des MOSFET-Leistungsscha1ters sehr kurz.
Mit weiterer Lastverminderung nähert sich der
Schwellwertpegel 313 dem Wert Null, und die Einschaltzeit
muß kleiner als ton-min sein. Entsprechend wird sich der Pegel
322 dem Pegel 323 nähern, und der Abschalttransistor 125
wird jenseits der gesamten Einschaltzeit des MOSFET-
Leistungsschalters 120 leitend, und das Leitungsintervall
des Abschalttransistors 125 geht über in das
Überschwingungsintervall der Sekundärwicklung 112. Dies kann
das Einschalten des MOSFET-Leistungsschalters 120 während
des Überschwingintervalls der Wicklung 112 verhindern,
wodurch der MOSFET-Leistungsschalter 120 abgeschaltet
bleibt, bis der Anlaufwiderstand 116 durch Laden der Gate-
Kapazität des MOSFET-Leistungsschalter 120 in den
Leitungszustand vorspannt. Dieser Fehler, nur beim
Anlaufprozeß, nicht aber periodisch einzuschalten, kann für
eine Zeit weiterbestehen, die viel länger ist als der volle
Lastschaltungszyklus (d.h. das längste Leitungsintervall),
der üblich viele aufeinanderfolgende Zyklen umfaßt. Dieser
Zustand setzt sich fort, bis der normale Schaltprozeß wieder
von sich aus besteht Nach mehreren
Rückkopplungsschaltzyklen wird der MOSFET-Leistungsschalter
120 wieder für einige aufeinanderfolgende Schaltzyklen
abgeschaltet. Dieses Phänomen wird manchmal als "stoßartiger
Impuls" bezeichnet.
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Dieses den normalen Betrieb störende Verhalten bei
geringer Last wird in der Schaltung nach Fig. 2 durch
Hinzufügen einer Schaltungsanordnung gelöst, um die
Verstärkung der Abschaltanordnung zum Abschalten eines
MOSFET-Leistungsschalters zu verbessern und den Miller-
Effekt entgegenzuwirken, der durch den Gate-Source-
Kondensator 271 bei dem Abschalttransistor bewirkt wird. Dem
Kondensator 371 wird ein zusätzlicher Entladestrom zur
Verbesserung des Einschaltens des Abschalttransistors 225
zugeführt, um den "stoßartigen Impuls" bei niedriger Last zu
eliminieren.
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Ein erläuterndes Ausführungsbeispiel dieser
Schaltungsanordnung ist schematisch in der Wandlerschaltung
gemäß Fig. 2 dargestellt. Der Wandler in Fig. 2 arbeitet
generell ähnlich wie der Wandler nach Fig. 1, und deshalb
braucht die allgemeine Beschreibung der Betriebsweise nicht
wiederholt zu werden.
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Ein zusätzlicher Treibertransistor 270 koppelt den Gate-
Anschluß 221 des MOSFET-Leistungsschalters 220 mit dem
Source-Anschluß 222. Seine Steuerelektrode 221 ist so
verbunden, um auf den Kollektorstrom des Transistors 225
anzusprechen. Ein Kondensator 275 und ein Widerstand 276
sind parallel mit dem Basis-Emitter-Übergang des Transistors
270 verbunden. Dieser zusätzliche Treibertransistor 270 ist
hinzugefügt, um insbesondere die Verstärkung des Transistors
225 zu erhöhen und um rückkoppelnd die parasitäre Source-
Gate-Kapazität 271 und die Gate-Drain-Kapazität des MOSFET-
Leistungsschalters 220 und auch den
Treiberkopplungskondensator 215 bis zu einem gewissen Grad
zu entladen. Wenn die Entladung des Gates begonnen hat,
erzeugt der zusätzliche Strom durch den Widerstand 217 eine
Spannung, um das Einschalten des Abschalttransistors 225 und
damit auch die Entladung der Gate-Source-Kapazität 271 des
Transistors 220 zu beschleunigen. Der größte Anteil des
Rückkopplungsstroms wird von der Entladung des Drain-Gate-
Kondensators und des Treiberkondensators 215 geliefert.
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Diese Betriebsweise kann anhand der Fig. 6 verstanden
werden, welche die Spannungswellenform des Stroms 401 durch
den idealen MOSFET-Leistungsschalter 220 und den Strom 402,
der den parallelwiderstand 217 und (über den Widerstand 220
und den Kondensator 119) die Basis des Transistors 225
treibt. Die Stromwellenformen 401 (punktierte Linie) und 402
(nicht unterbrochene Linie) sind bis zu dem Schwellwert 403
im wesentlichen koinzident. Der zusätzliche
Treibertransistor 370 stellt einen Weg bereit, um den Gate-
Source-Kondensator 271 und den Treiberkondensator 215 zu
entladen. Der Entladestrom des Kondensators 215 (wie auch
anderer parasitärer Kondensatoren) zeigt einen Spitzenimpuls
407 der Wellenform, der das Treiben des Abschalttransistors
225 erhöht. Das verhindert den "stoßartigen Impuls" bei
geringer Last, indem ein schnelleres Abschalten des MOSFET-
Leistungsschalters gesichert wird.