DE112008001273T5

DE112008001273T5 - Ansteuerschema für Verarmungselemente in Abwärtswandlern

Info

Publication number: DE112008001273T5
Application number: DE200811001273
Authority: DE
Inventors: Bo San Diego Yang; Jason Monterey Park Zhang; Michael A. Briere
Original assignee: International Rectifier Corp USA
Current assignee: Infineon Technologies Americas Corp
Priority date: 2007-06-27
Filing date: 2008-06-27
Publication date: 2010-03-04
Anticipated expiration: 2028-06-28
Also published as: US7839131B2; CN101682720A; US20110074375A1; WO2009002541A1; US20090051225A1; DE112008001273B4; US8072202B2

Abstract

Schaltung zum Ansteuern einer Schaltstufe, umfassend Steuer- und Sync-Schalter, die an einem Schaltknoten in Serie geschaltet sind, wobei mindestens einer der Steuer- und Sync-Schalter ein Normal-ON-Verarmungselement ist, wobei die Schaltung Folgendes umfasst:
einen Gate-Treiber mit ersten und zweiten Schaltstufen zur Generierung von Gate-Ansteuersignalen für den Sync- bzw. Steuerschalter, wobei die erste Schaltstufe einen ersten Treiberausgangsknoten und die zweite Schaltstufe einen zweiten Treiberausgangsknoten aufweist, wobei ein Signal vom ersten Knoten den Sync-Schalter ansteuert und ein Signal vom zweiten Knoten den Steuerschalter ansteuert; und
eine mit der ersten und der zweiten Schaltstufe verbundene Schaltung, wobei die Schaltung umfasst:
eine erste Schaltung, die eine erste Spannungsquelle bereitstellt, wobei die erste Schaltung mit der ersten Schaltstufe und dem Sync-Schalter gekoppelt ist, wobei eine erste Vorsteuerspannung von der ersten Spannungsquelle von der ersten Schaltstufe geschaltet wird, wobei die erste Schaltstufe einen ersten Zustand aufweist, in dem der Sync-Schalter eingeschaltet ist, und einen...

Description

VERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
Diese Anmeldung basiert auf und beansprucht Priorität gegenüber der provisorischen US-Patentanmeldung Ser.-Nr. 60/946,550, eingereicht am 27. Juni 2007 unter dem Titel GATE DRIVING SCHEME FOR DEPLETION MODE DEVICES IN BUCK CONVERTERS, dessen gesamter Inhalt hiermit durch Bezugnahme diesem Dokument einverleibt sei.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Gate-Treiber für Verarmungselemente, zum Beispiel in Abwärtswandlern, insbesondere die Generierung von Ansteuersignalen zur Bereitstellung eines negativen Spannungsoffsets zum Ausschalten von Verarmungselementen.
Wenn die Gate-Source-Spannung eines Verarmungselements, etwa eines GaN-Geräts, Null ist, befindet sich das Gerät im ON-Status. Um das Verarmungselement auf OFF zu schalten, muss an seinem Gate eine negative Spannung mit Bezug zur Source angelegt werden. Gate-Treiber, die für einen Leistungs-MOSFET vom Anreicherungstyp verwendet werden, können mit den Verarmungselementen nicht direkt zusammen arbeiten. Zum Ansteuern der Verarmungselemente müssen folglich neue Schemata entwickelt werden.
Benötigt werden neue Ansteuerschemata zur Verwendung mit Gate-Treibern für Verarmungselemente, und insbesondere in DC/DC-Abwärtswandlerschaltungen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Schaltung zu schaffen, die es einem Gate-Treiber ermöglicht, an die Gates von Normal-ON-Verarmungselementen eine negative Spannung anzulegen.
Geschaffen wird eine Schaltung zum Ansteuern einer Schaltstufe mit Steuer- und Sync-Schaltern, die an einem Schaltknoten seriell geschaltet sind, wobei mindestens einer der Steuer- und Sync-Schalter ein Normal-ON-Verarmungselement ist, wobei die Schaltung einen Gate-Treiber umfasst, der erste und zweite Schaltstufen zum Generieren von Ansteuersignalen für die Sync- bzw. Steuerschalter umfasst, wobei die erste Schaltstufe einen ersten Treiberausgangsknoten und die zweite Schaltstufe einen zweiten Treiberausgangsknoten umfasst und wobei ein Signal vom ersten Knoten den Sync-Schalter ansteuert und ein Signal vom zweiten Knoten den Steuerschalter ansteuert; und eine Schaltung, die mit der ersten und der zweiten Schaltstufe verbunden ist, wobei die Schaltung eine erste Schaltung umfasst, die eine erste Spannungsquelle bereitstellt, wobei die erste Schaltung mit der ersten Schaltstufe und dem Sync-Schalter gekoppelt ist, wobei eine erste Vorsteuerspannung von der ersten Spannungsquelle von der ersten Schaltstufe geschaltet wird, wobei die erste Schaltstufe einen ersten Zustand einnimmt, in dem der Sync-Schalter ein ist, und einen zweiten Zustand, in dem die erste Vorsteuerspannung zum Gate des Sync-Schalters geschaltet ist, um den Sync-Schalter auszuschalten; und eine zweite Schaltung mit einer ersten Energiespeichervorrichtung zum Laden mit einer zweiten Vorsteuerspannung, wobei die zweite Schaltung einen ersten Zustand einnimmt, in dem der Steuerschalter eingeschaltet ist, wenn der Sync-Schalter ausgeschaltet ist, und einen zweiten Zustand einnimmt, in dem der Steuerschalter ausgeschaltet wird, wenn der Sync-Schalter eingeschaltet ist, indem die zweite Vorsteuerspannung zum Gate des Steuerschalters geschaltet wird.
Andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der nachstehenden Beschreibung der Erfindung hervor, die auf die begleitenden Zeichnungen Bezug nimmt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1a ist ein Diagramm einer synchronen (Sync-)Abwärtswandlerschaltung mit Normal-ON-Steuer und Sync-Geräten;
1b ist eine Grafik zur Illustration von Signalen zum Ansteuern der Steuer- und Sync-Geräte der Sync-Abwärtswandlerschaltung der 1a;
2a ist ein Diagramm einer Sync-Abwärtswandlerschaltung mit Normal-OFF-Steuer- und Normal-ON-Sync-Geräten;
2b ist eine Grafik zur Illustration von Signalen zum Ansteuern der Steuer- und Sync-Geräte der Sync-Abwärtswandlerschaltung der 2a;
3a–3f sind Diagramme unterschiedlicher Schaltungen, welche Sync-Abwärtswandler ansteuern, wobei Steuer- und Sync-Schalter Normal-ON-Geräte sind;
4a–4d sind Diagramme unterschiedlicher Schaltungen zum Ansteuern von Sync-Abwärtswandlern, wobei nur der Sync-Schalter ein Normal-ON-Schalter ist;
5a–5b sind Diagramme von Schaltungen, die Sync-Abwärtswandler ansteuern, wobei nur die Sync-Schalter Normal-ON-Geräte sind; und
6 ist ein Diagramm einer Schaltung, die einen Sync-Abwärtswandler ansteuert, wobei die Steuer- und Sync-Schalter Normal-ON-Schalter sind.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN DER ERFINDUNG
1a und 2a zeigen zwei Konfigurationen eines synchronen Abwärtswandlers mit einem Normal-ON-Sync-Schaltergerät G2. Der Wandler der 1a benutzt Normal-ON-Geräte für das Steuerschalter- G1 und Sync-Schaltergerät G2. Der Wandler der 2a benutzt das Normal-ON-Gerät nur für Sync-Schalter G2, während ein Normal-OFF-Schalter für Steuerschalter Q1 verwendet wird. Dem entsprechend zeigt 1b die Gate-Wellenformen, die zum Ansteuern von Steuerschalter G1 und Sync-Schalter G2 der Wandlerschaltung der 1a erforderlich sind, und 2b zeigt die Gate-Wellenformen, die zum Ansteuern von Steuerschalter Q1 und Sync-Schalter G2 der Wandlerschaltung der 2a erforderlich sind.
3a–3f zeigen Konfigurationen zum Ansteuern des Sync-Abwärtswandlers, wobei Steuer- und Sync-Schalter Normal-ON-Geräte sind. 3a–3f illustrieren eine Wandlerstufe mit Steuer- und Sync-Schaltern G1 und G2, die an einem Schaltknoten SW verbunden sind. An dem Sync-Schalter ist eine Zener-Diode angeschlossen. Der Steuerschalter G1 ist ferner an eine Spannungsquelle Vin angeschlossen, und der Sync-Schalter G2 ist an die Erde angeschlossen. Ein LC-Filter mit einem Induktor L und einem Kondensator C und der Last R sind an den Schaltknoten angeschlossen. Für 3a–3f sind die Steuer- und Sync-Schalter G1 und G2 Normal-ON-GaN-HEMT-Geräte (High Electron Mobility Transistor).
In 3a umfasst ein Treiber 12, der die Steuer- und Sync-Schalter G1 und G2 steuert, Hoch- und Tief-Schaltstufen 14 und 16. Jede Schaltstufe umfasst einen ersten P-Kanalschalter 18, 22 und einen zweiten N-Kanalschalter 20, 24. Zwar sind einander ergänzende Schalter dargestellt, doch können auch alle Schalter vom selben Typ sein, mit entsprechenden Steuersignalen, die sicherstellen, dass die Schalter der einzelnen Treiberstufen abwechselnd eingeschaltet werden, wie in Fachkreisen allgemein bekannt. Die Schalterpaare 18 und 20 bzw. 22 und 24 sind an den Schaltknoten HDr für die Hochstufe 14 und LDr für die Tiefstufe 16 angeschlossen. Der Schaltknoten HDr der Hochstufe des Treibers ist an ein Gate-Terminal des Steuerschalters G1 angeschlossen, und der Schaltknoten LDr der Tiefstufe des Treibers ist an ein Gate-Terminal des Sync-Schalters G2 angeschlossen.
In einem ersten Ausführungsbeispiel der Buck-Schaltung der vorliegenden Erfindung gemäß Darstellung in 3a umfasst der Schaltkreis erste und zweite Spannungsquellen Vdr1 und Vdr2, den Kondensator C1 und die Diode D1. Das Source-Terminal des Schalters 18 der Hochstufe 14 ist an den Schaltknoten SW angeschlossen. Der Kondensator C1 ist zwischen den Source-Terminals der Schalter 18 und 20 der Hochstufe 14 angeschlossen. Das positive Terminal der zweiten Spannungsquelle Vdr2 ist mit dem Drain des Steuerschalters G1 verbunden. Die Diode D1 ist zwischen dem Source-Terminal des Schalters 20 der Hochstufe 14 (an der Anode) und einem negativen Terminal der zweiten Spannungsquelle Vdr2 (an der Kathode) angeschlossen.
Das Source-Terminal des Schalters 22 der Tiefstufe 16 ist an die Source des Sync-Schalters G2 angeschlossen. Das positive Terminal einer ersten Spannungsquelle Vdr1 ist an das Source-Terminal des Schalters 22 der Tiefstufe 16 angeschlossen, und das negative Terminal der ersten Spannungsquelle Vdr1 ist an das Source-Terminal des Schalters 24 der Tiefstufe 16 angeschlossen.
Der Schaltkreis der 3a funktioniert wie folgt:
Wenn der Schalter 18 eingeschaltet und der Schalter 20 ausgeschaltet ist (aus Gründen der Einfachheit werden Trennzeiten hier ignoriert), ist das Gate von G1 an seine Source angeschlossen, und der Steuerschalter G1 ist eingeschaltet.
Gleichzeitig ist auf der Sync-Kanalseite der Schalter 22 ausgeschaltet und der Schalter 24 ist eingeschaltet. Dies legt –Vdr1 an das Gate von G2 zur Source, so dass der Sync-Schalter aus ist. Wenn der Schalter 18 ausgeschaltet wird, geht der Schalter 20 ein. Bevor der Schalter 18 aus geht, wird jedoch der Kondensator C1 in der in 3a gezeigten Richtung über die Diode D1 durch den Steuerschalter G1 auf Vdr2 über V_IN aufgeladen. Wenn der Schalter 20 eingeschaltet wird (und 18 aus), wird die Spannung über C1 über den Gate-Source-Pfad des Steuerschalters gekoppelt, so dass das Gate von G1 bezüglich seiner Source negativ ist. Dem entsprechend geht der Steuerschalter aus. Schließlich geht gleichzeitig auf der Sync-Seite der Schalter 22 ein, und der Schalter 24 geht aus.
Dies koppelt die Source des Sync-Schalters an ihr Gate und, damit geht der Sync-Schalter ein.
In 3b umfasst in diesem Ausführungsbeispiel der Buck-Schaltung der vorliegenden Erfindung die Schaltung die Spannungsquelle Vdr1, den Kondensator C1 und die Diode D1. Die Kathode der Diode D1 ist an ein positives Terminal der ersten Spannungsquelle Vdr1 angeschlossen.
Der Schaltkreis der 3b funktioniert ähnlich dem von 3a. Wenn der Schalter 18 eingeschaltet ist, ist das Gate von G1 mit der Source des Steuerschalters gekoppelt, und es ist eingeschaltet. Gleichzeitig lädt der Kondensator C1 über D1 und den ON-Steuerschalter zur Erde auf V_IN auf.
Der Schalter 20 ist zu diesem Zeitpunkt ausgeschaltet.
Der Schalter 22 ist ausgeschaltet, und der Schalter 24 ist eingeschaltet, so dass an das Gate von G2 mit Bezug zu seiner Source –Vdr1 angelegt ist, so dass es ausgeschaltet ist.
Wenn der Schalter 20 ein geht (18 geht aus), geht das Gate von G1 zu –V_IN (über C1 geladen) mit Bezug zu seiner Source, und es geht aus. Gleichzeitig ist der Schalter 22 ein, und der Schalter 24 ist aus. Das Gate von G2 ist an seine Source angeschlossen, und somit eingeschaltet.
Die Schaltungen funktionieren also durch Benutzung der Treiberschaltungen zum Schalten von Spannungsquellen oder gespeicherter Energie über die Gate-Source-Pfade der Steuer- und Sync-Schalter, um sie ein und aus zu schalten.
Die Buck-Schaltung des Ausführungsbeispiels der 3c ist ähnlich der der 3b. Sie umfasst den Widerstand R1, der zwischen dem Kondensator C1 und der Anode der Diode D1 angeordnet ist, um die C1-Ladung von V_IN zu begrenzen.
Die Buck-Schaltung des Ausführungsbeispiels der 3d umfasst ebenfalls nur eine Spannungsquelle Vdr1, einen Kondensator C1, eine Diode D1 und einen N-Kanal-Schalter M_BS. Das Source-Terminal des Schalters 18 der Hochstufe 14 ist mit dem Schaltknoten SW verbunden. Der Kondensator C1 ist zwischen den Source-Terminals der Schalter 18 und 20 der Hochstufe 14 angeschlossen. Das Source-Terminal des Schalters 22 der Tiefstufe 16 ist an die Source des Sync-Schalters G2 angeschlossen. Das positive Terminal der Spannungsquelle Vdr1 ist an das Source-Terminal des Schalters 22 der Tiefstufe 16 angeschlossen, und das negative Terminal der ersten Spannungsquelle Vdr1 ist an das Source-Terminal des Schalters 24 der Tiefstufe 16 angeschlossen. Die Anode der Diode D1 ist an das Source-Terminal des Schalters 20 der Hochstufe 14 angeschlossen, und ihre Kathode ist an den Drain des Schalters M_BS angeschlossen. Das Gate des Schalters M_BS wird von einem Knoten LDr gesteuert, und MBS wird eingeschaltet, wenn der Schalter 22 eingeschaltet ist (und der Sync-Schalter 62 eingeschaltet ist). Die Source des MBS ist an das Source-Terminal des Schalters 24 der Tiefstufe 16 angeschlossen. Die 3e modifiziert die genannte Schaltung durch Ersetzen der Diode D1 mit einem Widerstand R1. Der Schalter M_BS funktioniert wie eine Bootstrap-Schaltung, die von Vdr1 aufgeladen wird, wenn der Schalter 22 eingeschaltet ist und der Sync-Schalter eingeschaltet ist. In 3e lädt der Kondensator C1 durch R1 auf anstatt der Diode D1.
Die Buck-Schaltung des Ausführungsbeispiels der 3f umfasst nur eine Spannungsquelle Vdr1, drei Kondensatoren C1, C2 und C3 und drei Dioden D1, D2 und D3. Der Kondensator C1 ist zwischen den Source-Terminals der Schalter 18 und 20 der Hochstufe 14 angeschlossen. Das positive Terminal der Spannungsquelle Vdr1 ist an das Source-Terminal des Schalters 22 der Tiefstufe 16 angeschlossen, und das negative Terminal der ersten Spannungsquelle Vdr1 ist an das Source-Terminal des Schalters 24 der Tiefstufe 16 angeschlossen. Die Anode der Diode D1 ist an das positive Terminal der Spannungsquelle Vdr1 angeschlossen, und ihre Kathode ist an die Source-Terminals des Schalters 18 der Hochstufe 14 angeschlossen. Der Kondensator C2 ist zwischen dem Knoten HDr der Hochstufe 14 und dem Gate-Terminal des Steuerschalters G1 angeschlossen, und die Anode der Diode D2 ist zwischen dem Gate-Terminal des Steuerschalters G1 und dem Source-Terminal des Schalters 20 der Hochstufe 14 angeschlossen, das auch an den Schaltknoten SW angeschlossen ist. Der Kondensator C3 ist zwischen dem Knoten LDr der Tiefstufe 16 und dem Gate-Terminal des Sync-Schalters G2 angeschlossen, und die Anode der Diode D3 ist zwischen dem Gate-Terminal des Sync-Schalters G2 und dem Source-Terminal des Schalters 24 der Tiefstufe 16 angeschlossen, das auch an den Drain des Sync-Schalters angeschlossen ist.
Der Kondensator C1 lädt von Vdr1 durch D1 auf, wenn der Sync-Schalter G2 eingeschaltet ist, wie eine Bootstrap-Kondensatorschaltung. Der Normal-ON-Steuerschalter ist eingeschaltet, wenn der Schalter 18 eingeschaltet wird.
Der Synchronschalter G2 wird ausgeschaltet, wenn der Schalter 24 einschaltet wird. Der Kondensator C3 lädt durch die Diode D3 auf Vdr1 auf, wenn der Schalter 22 eingeschaltet ist. Wenn der Schalter 24 ein geht, wird das Gate von G2 mit Bezug zur Source negativ gemacht, und der Sync-Schalter schaltet aus.
Zum Ausschalten des Steuerschalters wird der Schalter 20 eingeschaltet und ist aus. Der Kondensator C2 wird durch die Ladung auf Kondensator C1 geladen, wenn der Schalter 18 eingeschaltet ist. Wenn der Schalter 20 eingeschaltet wird, wird die Ladung auf dem Kondensator C2 über den Gate-Source-Pfad von G1 gelegt, so dass das Gate von G1 mit Bezug zur Source negativ ist, womit der Steuerschalter ausgeschaltet wird.
Der Normal-ON-Sync-Schalter G2 ist eingeschaltet, wenn der Schalter 22 einschaltet.
In 4a–4d sind Konfigurationen zur Verwendung mit Wandlern dargestellt, wobei nur der Sync-Schalter ein Normal-ON-Schalter ist, und der Steuerschalter G1 ein Normal-OFF-Gerät vom Anreicherungstyp ist.
Das Buck-Schaltungs-Ausführungsbeispiel der 4a umfasst eine Spannungsquelle Vdr1, zwei Kondensatoren C1 und C5 und zwei Dioden D1 und D5. Der Kondensator C1 ist zwischen den Source-Terminals der Schalter 18 und 20 der Hochstufe 14 angeschlossen. Das positive Terminal der Spannungsquelle Vdr1 ist an das Source-Terminal des Schalters 22 der Tiefstufe 16 angeschlossen, und das negative Terminal der ersten Spannungsquelle Vdr1 ist an das Source-Terminal des Schalters 24 der Tiefstufe 16 angeschlossen. Das Anode der Diode D1 ist an das positive Terminal der Spannungsquelle Vdr1 angeschlossen, und ihre Kathode ist an das Source-Terminal des Schalters 18 der Hochstufe 14 angeschlossen. Der Kondensator C5 ist zwischen dem Knoten LDr der Tiefstufe 16 und dem Gate-Terminal des Sync-Schalters G2 angeschlossen, und die Anode der Diode D5 ist zwischen dem Gate-Terminal des Sync-Schalters G2 und dem Source-Terminal des Schalters 24 der Tiefstufe 16 angeschlossen, das auch an den Drain des Sync-Schalters angeschlossen ist.
Die Schaltung der 4a funktioniert wie folgt:
Wenn der Schalter 22 eingeschaltet ist, lädt sich der Kondensator C5 durch den Schalter 22 und D5 von Vdr1 auf. Der Formal-ON-Sync-Schalter G2 ist eingeschaltet. Der Schalter 20 ist ebenfalls eingeschaltet, und der Steuerschalter G1 ist ausgeschaltet, da es sich nicht um ein Verarmungselement handelt und sein Gate mit seiner Source durch den Schalter 20 verbunden ist. Der Kondensator C1 lädt sich durch die Diode D1 und den ON-Sync-Schalter G2 auf Vdr1 auf. Um den Steuerschalter ein zu schalten, geht der Schalter 18 ein, und die Ladung auf C1 wird dem Gate von G1 zugeführt, wodurch der Steuerschalter vom Anreichungstyp eingeschaltet wird. Gleichzeitig wird der Sync-Schalter ausgeschaltet, wenn der Schalter 24 eingeschaltet wird. Die auf C5 gespeicherte Ladung bei eingeschaltetem Schalter 22 von der Source Vdr1 wird über dem Gate-Source-Pfad des Sync-Schalters G2 bereitgestellt, so dass das Gate mit Bezug auf die Source negativ ist, wodurch der Sync-Schalter ausgeschaltet wird.
Die Buck-Schaltungs-Ausführungsbeispiele der 4b–4d umfassen eine sekundäre Spannungsquelle Vdr2. In 4b ist die Anode der Diode D1, anstatt an die Spannungsquelle Vdr1 anzuschließen, an das positive Terminal der zweiten Spannungsquelle Vdr2 angeschlossen, und C1 lädt von Vdr2, wenn der Sync-Schalter G2 eingeschaltet ist. Das Ausführungsbeispiel der 4c modifiziert jenes der 4b durch Ersetzen der Diode D5 mit einem P-Kanalgesteuerten Schalter M5. Die Diode D5 und der Schalter M5 können in den Treiber 12 integriert sein. Der Schalter M5 ist eingeschaltet, wenn der Schalter 22 eingeschaltet ist.
In 4d ist ein Ausführungsbeispiel (wie in 3a) illustriert, bei dem das Drain-Terminal des Schalters 22 der Tiefstufe 16 an das Gate-Terminal des Sync-Schalters G2 angeschlossen ist und die Spannungsquelle Vdr1 zwischen den Source-Terminals der Schalter 22 und 24 der Tiefstufe 16 angeschlossen ist. Der Kondensator C1 ist zwischen den Source-Terminals der Schalter 18 und 20 der Hochstufe 14 angeschlossen. Die Diode D1 ist an das positive Terminal der Spannungsquelle Vdr2 und das Source-Terminal des Schalters 18 der Hochstufe 14 angeschlossen. Der Low-Treiber funktioniert ähnlich wie der Low-Treiber der 3a.
Die oben beschriebenen Schaltungen steuern Verarmungselemente von 0 V bis Vcc an, zum Beispiel –7 V. Eine geringe Änderung der oben beschriebenen Schaltungen kann den Treiber von Vcc1 bis Vcc2 aktivieren, z. B. –3 V bis –10 V oder –4 V bis 3 V für Normal-ON-Geräte, wie den Steuerungs- oder Sync-FET.
Die 5a–5b zeigt solche modifizierten Konfigurationen zur Verwendung mit Sync-Abwärtswandlern, bei denen der Steuerschalter ein Silikon-FET vom Anreicherungstyp ist und der Sync-Schalter ein Normal-ON-Gerät ist und drei Spannungsquellen besitzt.
In 5a ist eine Konfiguration illustriert, die jener der 4b entspricht, allerdings mit einer hinzugefügten dritten Spannungsquelle. Dem entsprechend illustriert 5b eine Konfiguration ähnlich jener der 4d, fügt aber eine dritte Spannungsquelle zwischen dem Source-Terminal des Schalters 22 der Tiefstufe 16 und dem Gate-Terminal des Sync-Schalters G2 ein.
In der Schaltung der 5a wird der Sync-Schalter vom Verarmungstyp durch die kombinierte Spannung Vdrv1 + Vdrv3 ausgeschaltet, die durch den Schalter 22 über C5 angelegt ist, wenn der Schalter 24 eingeschaltet wird.
Im Schaltkreis der 5b ist der Sync-Schalter eingeschaltet, wenn der Schalter 22 einschaltet. Dies legt –Vcc1 an den Gate-Source-Pfad. Dieser Transistor ist eingeschaltet mit –Vcc1 an seinem Gate. Zum Ausschalten des Schalters G2 wird durch den Schalter 24 eine noch negativere Spannung –(Vcc1 + Vcc2) an dem Gate-Source-Pfad von G2 angelegt.
In 6 ist eine weitere modifizierte Konfiguration zur Verwendung mit Sync-Abwärtswandlern dargestellt, bei der beide Schalter vom Normal-ON-Typ sind und zwei Vorsteuerspannungen eingesetzt werden. In dieser Schaltung bleiben die Schalter G1 und G2 bei einer ersten negativen Gate-Source-Spannung eingeschaltet und schalten aus bei einer noch negativeren Gate-Source-Spannung. Das Buck-Schaltungs-Ausführungsbeispiel der 6 umfasst die zwei Spannungsquellen Vcc1 und Vcc2, zwei Kondensatoren C6 und C7, zwei Dioden D6 und D7 und zwei N-Kanal-Schalter Mbs1 und Mbs2. Die Spannungsquelle Vcc1 ist zwischen den Source-Terminals der Schalter 22 und 24 der Tiefstufe 16 angeschlossen, und die Spannungsquelle Vcc2 ist zwischen dem Source-Terminal des Schalters 22 der Tiefstufe 16 und der Source des Sync-Schalters G2 angeschlossen. Der Kondensator C6 ist zwischen dem Source-Terminal des Schalters 20 der Hochstufe 14 und dem Schaltknoten SW angeschlossen. Der Kondensator C7 ist zwischen dem Source-Terminal des Schalters 18 der Hochstufe 14 und dem Schaltknoten SW angeschlossen. Ein erstes Terminal des Schalters Mbs1 ist über die Diode D6 an das Source-Terminal des Schalters 20 der Hochstufe 14 angeschlossen, und sein zweites Terminal ist an das Source-Terminal des Schalters 24 der Tiefstufe 16 angeschlossen. Ein erstes Terminal des Schalters Mbs2 ist über die Diode D7 an das Source-Terminal des Schalters 18 der Hochstufe 14 angeschlossen, und sein zweites Terminal ist an das Source-Terminal des Schalters 22 der Tiefstufe 16 angeschlossen. Die Gate-Terminals der Schalter Mbs1 und Mbs2 sind an den. Knoten LDr der Tiefstufe 16 angeschlossen und auf ON gesetzt, wenn der Schalter 22 auf ON gesetzt ist.
In der Schaltung der 6 werden die Kondensatoren C6 und C7 geladen, wenn der Schalter 22 eingeschaltet ist und folglich der Sync-Schalter eingeschaltet ist. Der Kondensator C6 lädt über D6, MBS1 und den Sync-Schalter auf Vcc1 + Vcc2. Der Kondensator C7 lädt über D7, MBS2 und den Sync-Schalter auf Vcc2. Wenn der Schalter 22 eingeschaltet ist, ist das Gate von G2 auf –Vcc2, weshalb G2 eingeschaltet ist. Dies ermöglicht die Ladung der Kondensatoren C6 und C7, wie erörtert.
Wenn der Schalter 22 eingeschaltet ist, ist auch der Schalter 20 eingeschaltet. Dies verbindet das Gate von G1 mit der Spannung von C6 (–(Vcc1 + Vcc2)), so dass das Gate von G1 mit Bezug zur Source negativer ist. G1 ist somit ausgeschaltet.
Wenn die Schalter 24 und 18 auf ON gehen, wird das Gate von G2 vom Schalter 24 auf –(Vcc1 + Vcc2) gesetzt, so dass G2 ausschaltet. Wenn gleichzeitig der Schalter 18 auf ON geht, wird durch C7 an den Gate-Source-Pfad von G1 –Vcc2 angelegt, so dass er auf ON gesetzt wird.
Auch wenn die vorliegende Erfindung mit Bezug auf bestimmte Ausführungsbeispiele derselben beschrieben wurde, ergeben sich für einschlägig bewanderte Fachpersonen zahlreiche andere Variationen und Modifikationen sowie Anwendungsmöglichkeiten. Vorzugsweise wird die vorliegende Erfindung deshalb von der gegenständlichen spezifischen Offenbarung nicht eingeschränkt.
Zusammenfassung
Schaltung zum Ansteuern einer Schaltstufe mit Steuer- und Sync-Schaltern, die an einem Schaltknoten seriell geschaltet sind, wobei mindestens einer der Steuer- und Sync-Schalter ein Normal-ON-Verarmungselement ist, wobei die Schaltung einen Gate-Treiber umfasst, der erste und zweite Schaltstufen zum Generieren von Ansteuersignalen für die Sync- beziehungsweise Steuerschalter umfasst, wobei die erste Schaltstufe einen ersten Treiberausgangsknoten und die zweite Schaltstufe einen zweiten Treiberausgangsknoten umfasst und wobei ein Signal vom ersten Knoten den Sync-Schalter ansteuert und ein Signal vom zweiten Knoten den Steuerschalter ansteuert; und eine Schaltung, die mit der ersten und der zweiten Schaltstufe verbunden ist, wobei die Schaltung eine erste Schaltung umfasst, die eine erste Spannungsquelle bereitstellt, wobei die erste Schaltung mit der ersten Schaltstufe und dem Sync-Schalter gekoppelt ist.

Claims

Schaltung zum Ansteuern einer Schaltstufe, umfassend Steuer- und Sync-Schalter, die an einem Schaltknoten in Serie geschaltet sind, wobei mindestens einer der Steuer- und Sync-Schalter ein Normal-ON-Verarmungselement ist, wobei die Schaltung Folgendes umfasst: einen Gate-Treiber mit ersten und zweiten Schaltstufen zur Generierung von Gate-Ansteuersignalen für den Sync- bzw. Steuerschalter, wobei die erste Schaltstufe einen ersten Treiberausgangsknoten und die zweite Schaltstufe einen zweiten Treiberausgangsknoten aufweist, wobei ein Signal vom ersten Knoten den Sync-Schalter ansteuert und ein Signal vom zweiten Knoten den Steuerschalter ansteuert; und eine mit der ersten und der zweiten Schaltstufe verbundene Schaltung, wobei die Schaltung umfasst: eine erste Schaltung, die eine erste Spannungsquelle bereitstellt, wobei die erste Schaltung mit der ersten Schaltstufe und dem Sync-Schalter gekoppelt ist, wobei eine erste Vorsteuerspannung von der ersten Spannungsquelle von der ersten Schaltstufe geschaltet wird, wobei die erste Schaltstufe einen ersten Zustand aufweist, in dem der Sync-Schalter eingeschaltet ist, und einen zweiten Zustand, in dem die erste Vorsteuerspannung zu dem Gate des Sync-Schalters geschaltet ist, um den Sync-Schalter auszuschalten; und eine zweite Schaltung, die ein erstes Energiespeichergerät zum Laden mit einer zweiten Vorsteuerspannung umfasst, wobei der zweite Schaltkreis einen ersten Zustand aufweist, in dem der Steuerschalter eingeschaltet ist, wenn der Sync-Schalter ausgeschaltet ist, und einen zweiten Zustand aufweist, in dem der Steuerschalter ausgeschaltet ist, wenn der Sync-Schalter eingeschaltet ist, indem die zweite Vorsteuerspannung zum Gate des Steuerschalters geschaltet wird.
Schaltung gemäß Anspruch 1, wobei: der Sync-Schalter ein Verarmungselement ist; und wobei die erste Schaltstufe erste und zweite in Serie geschaltete, abwechselnd eingeschaltete Schalter mit einem gemeinsamen Anschluss am ersten Knoten umfasst, wobei der erste Knoten an das Gate des Sync-Schalters angeschlossen ist, wobei der erste Schalter den Sync-Schalter in Reaktion auf ein erstes Steuersignal steuert und wobei der zweite Schalter die erste Vorsteuerspannung als Reaktion auf ein zweites Steuersignal an das Gate des Sync-Schalters anlegt, so dass das Gate des Sync-Schalters mit Bezug auf die Source des Sync-Schalters negativ ist, und es damit ausschaltet.
Schaltung gemäß Anspruch 2, wobei der Steuerschalter ein Verarmungselement ist; und wobei das erste Energiespeichergerät einen ersten Kondensator umfasst, der von einer Spannungsquelle aufgeladen wird; wobei die zweite Schaltstufe dritte und vierte seriell geschaltete, abwechselnd eingeschaltete Schalter mit einem gemeinsamen Anschluss am zweiten Knoten umfasst, wobei der zweite Knoten an das Gate des Steuerschalters angeschlossen ist, wobei der dritte Schalter den Steuerschalter als Reaktion auf ein drittes Steuersignal steuert und der vierte Schalter die geladene Spannung über den ersten Kondensator an das Gate des Steuerschalters in Reaktion auf ein viertes Steuersignal bereitstellt, so dass das Gate des Steuerschalters mit Bezug auf die Source negativ ist, wodurch es ausgeschaltet wird.
Schaltung gemäß Anspruch 3, wobei der erste Kondensator aufgeladen wird, wenn der Steuerschalter eingeschaltet ist.
Schaltung gemäß Anspruch 4, wobei die Spannungsquelle eine zweite Spannungsquelle umfasst und der erste Kondensator mittels einer Diode an die zweite Spannungsquelle gekoppelt ist.
Schaltung gemäß Anspruch 4, wobei die Spannungsquelle eine Bus Spannungsquelle umfasst, die eine mit der Schaltstufe verbunden Last bereitstellt und über die Steuer- und Sync- Schalter gekoppelt ist.
Schaltung gemäß Anspruch 6, die ferner eine Diode umfasst, welche den ersten Kondensator an eine Negativseite der Bus-Spannung koppelt.
Schaltung gemäß Anspruch 7, die ferner einen Widerstand in Serie mit der Diode umfasst, um den Ladestrom an den ersten Kondensator zu begrenzen.
Schaltung gemäß Anspruch 3, ferner umfassend einen weiteren gesteuerten Schalter, der den ersten Kondensator mit der ersten Spannungsquelle koppelt, wobei wenn der Sync-Schalter eingeschaltet ist und der weitere gesteuerte Schalter eingeschaltet ist der erste Kondensator von der ersten Spannungsquelle durch den Sync-Schalter und den weiteren gesteuerten Schalter geladen wird.
Schaltung gemäß Anspruch 9, wobei der weitere gesteuerte Schalter eingeschaltet wird, wenn der erste Schalter eingeschaltet wird.
Schaltung gemäß Anspruch 9, die ferner eine Diode umfasst, welche den ersten Kondensator an den weiteren gesteuerten Schalter koppelt.
Schaltung gemäß Anspruch 9, die ferner eine Diode umfasst, die den ersten Kondensator mit dem weiteren gesteuerten Schalter koppelt.
Schaltung gemäß Anspruch 3, wobei zusätzlich: der erste Kondensator von der ersten Spannungsquelle geladen wird, wenn der Sync-Schalter eingeschaltet ist.
Schaltung gemäß Anspruch 13, ferner umfassend: einen zweiten Kondensator, der seriell zwischen dem zweiten Knoten und dem Gate des Steuerschalters eingekoppelt ist; und einen dritten Kondensator, der zwischen dem ersten Knoten und dem Gate des Sync-Schalters eingekoppelt ist; eine Diode, die zwischen dem Gate und der Source des Steuerschalters eingekoppelt ist, um dem zweiten Kondensator die Aufladung vom ersten Kondensator zu ermöglichen, wenn der dritte Schalter eingeschaltet ist; eine Diode, die zwischen dem Gate und der Source des Sync-Schalters eingekoppelt ist, um dem dritten Kondensator die Aufladung von der ersten Spannungsquelle zu ermöglichen, wenn der erste Schalter eingeschaltet ist; wobei der zweite Kondensator über den Gate-Source-Pfad des Steuerschalters gekoppelt ist, um eine negative Spannung an das Gate des Steuerschalters mit Bezug zur Source des Steuerschalters anzulegen, wenn der vierte Schalter eingeschaltet ist, wodurch dieses ausgeschaltet wird; wobei der dritte Kondensator über dem Gate-Source-Pfad des Sync-Schalters gekoppelt ist, um eine negative Spannung an das Gate des Sync-Schalters mit Bezug zu der Source des Sync-Schalters zu legen, wenn der zweite Schalter eingeschaltet ist, wodurch dieses ausgeschaltet wird.
Schaltung gemäß Anspruch 2, wobei der erste Knoten durch einen weiteren Kondensator an das Gate des Sync-Schalters gekoppelt ist und wobei eine Diode über den Gate-Source-Pfad des Sync-Schalters gekoppelt ist, um dem weiteren Kondensator die Aufladung von der ersten Spannungsquelle zu ermöglichen; und wobei die zweite Schaltstufe dritte und vierte seriell geschaltete, abwechselnd eingeschaltete Schalter umfasst, die einen gemeinsamen Anschluss am zweiten Knoten haben, wobei der zweite Knoten mit dem Gate des Steuerschalters verbunden ist, wobei der dritte Schalter den Steuerschalter als Reaktion auf ein drittes Steuersignal einschaltet, indem die geladene Spannung auf dem ersten Kondensator an das Gate des Steuerschalters angelegt wird, um es einzuschalten; wobei der vierte Schalter den Steuerschalter in Reaktion auf ein viertes Steuersignal ausschaltet; wobei der Steuerschalter ein Anreicherungs-Element ist; und wobei die geladene Spannung auf dem weiteren Kondensator über dem Gate-Source-Pfad des Sync-Schalters durch den zweiten Schalter gekoppelt ist, wenn der zweite Schalter eingeschaltet wird, wodurch eine negative Spannung an das Gate des Sync-Schalters mit Bezug zu seiner Source angelegt wird, wodurch es ausgeschaltet wird, wobei der Sync-Schalter eingeschaltet ist, wenn der erste Schalter eingeschaltet wird.
Schaltung gemäß Anspruch 15, wobei der erste Kondensator von der ersten Spannungsquelle auflädt, wenn der Sync-Schalter eingeschaltet ist.
Schaltung gemäß Anspruch 16, ferner umfassend eine Diode, die den ersten Kondensator an die erste Spannungsquelle koppelt.
Schaltung gemäß Anspruch 17, ferner umfassend: eine Diode, die über den Gate-Source-Pfad des Sync-Schalters gekoppelt ist und dem weiteren Kondensator das Aufladen von der ersten Spannungsquelle durch den ersten Schalter ermöglicht.
Schaltung gemäß Anspruch 15, wobei der erste Kondensator durch eine Diode von einer zweiten Spannungsquelle auflädt.
Schaltung gemäß Anspruch 19, ferner umfassend: eine Diode, die über den Gate-Source-Pfad des Sync-Schalters gekoppelt ist und dem weiteren Kondensator das Aufladen von der ersten Spannungsquelle durch den ersten Schalter ermöglicht.
Schaltung gemäß Anspruch 19, ferner umfassend einen gesteuerten Schalter, der über den Gate-Source-Pfad des Sync-Schalters gekoppelt ist, wodurch dem weiteren Kondensator die Aufladung von der ersten Spannungsquelle durch den ersten Schalter ermöglicht wird, wobei der gesteuerte Schalter eingeschaltet wird, wenn der erste Schalter eingeschaltet ist.
Schaltung gemäß Anspruch 2, wobei die zweite Schaltstufe dritte und vierte seriell geschaltete, abwechselnd eingeschaltete Schalter mit einem gemeinsamen Anschluss am zweiten Knoten umfasst, wobei der zweite Knoten an das Gate des Steuerschalters angeschlossen ist, wobei der dritte Schalter den Steuerschalter in Reaktion auf ein drittes Steuersignal einschaltet, indem die geladene Spannung am ersten Kondensator an das Gate des Steuerschalters angelegt wird, um es einzuschalten; wobei der vierte Schalter den Steuerschalter in Reaktion auf ein viertes Steuersignal ausschaltet; wobei der Steuerschalter ein Anreicherungselement ist.
Schaltung gemäß Anspruch 19, ferner umfassend eine dritte Spannungsquelle, die seriell mit einer Diode geschaltet ist und über den Gate-Source-Pfad des Sync-Schalters gekoppelt ist, wobei der weitere Kondensator zur kombinierten Spannung der ersten und dritten Spannungsquellen geladen ist.
Schaltung gemäß Anspruch 22, ferner umfassend eine dritte Spannungsquelle, die zwischen der ersten Spannungsquelle und der Source des Sync-Schalters gekoppelt ist, wobei der Sync-Schalter eingeschaltet ist, wenn die dritte Spannungsquelle über den Gate-Source-Pfad des Sync-Schalters gekoppelt ist, wenn der erste Schalter eingeschaltet ist, und wobei die kombinierte Spannung der ersten und der dritten Spannungsquelle über dem Gate-Source-Pfad des Sync-Schalters angelegt ist, so dass das Gate des Sync-Schalters negativer mit Bezug auf seine Source ist, wenn der zweite Schalter eingeschaltet wird, wodurch der Sync- Schalter ausgeschaltet wird.
Schaltung gemäß Anspruch 3, ferner umfassend eine zweite Spannungsquelle und erste und zweite gesteuerte Schalter, wobei der erste Kondensator durch den ersten gesteuerten Schalter gekoppelt ist, um von der ersten und zweiten Spannungsquelle geladen zu werden, wenn der erste gesteuerte Schalter eingeschaltet ist und der Sync-Schalter eingeschaltet ist; und ferner einen zweiten Kondensator umfassend, der an den ersten Kondensator gekoppelt ist, so dass ein gemeinsamer Anschluss des ersten und zweiten Kondensators an die Source des Steuerschalters gekoppelt ist; und wobei der zweite Kondensator durch den zweiten gesteuerten Schalter gekoppelt ist, um durch die zweite Spannungsquelle geladen zu werden, wenn der zweite gesteuerte Schalter eingeschaltet ist und der Sync-Schalter eingeschaltet ist, wobei der erste und zweite gesteuerte Schalter eingeschaltet werden, wenn der erste Schalter eingeschaltet wird.