Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (100) und ein Verfahren zum elektrischen Verbinden und Trennen zweier elektrischer Potentiale (1, 2). Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Verwendung der Vorrichtung (100). Dabei umfasst die Vorrichtung (100): – ein erstes Modul, welches einen ersten und einen zweiten Transistor (10a, 10b) umfasst, wobei der erste Transistor (10a) antiseriell zu dem zweiten Transistor (10b) geschaltet ist; und – ein zweites Modul, welches einen dritten und einen vierten Transistor (10c, 10d) umfasst, wobei der dritte Transistor (10c) antiseriell zu dem vierten Transistor (10d) geschaltet ist; wobei das erste Modul und das zweite Modul parallel geschaltet sind.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit einer Bootstrap-Schaltung, die zumindest eine Hauptkapazität aufweist, von der die erste Seite mit einem ersten Zweig der Schaltungsanordnung und die zweite Seite mit einem auf veränderlichem Potential liegenden zweiten Zweig der Schaltungsanordnung verbunden ist. Die vorgeschlagene Schaltungsanordnung zeichnet sich dadurch aus, dass die Bootstrap-Schaltung parallel zur Hauptkapazität wenigstens eine weitere Kapazität aufweist, die über eine zweite Versorgungsspannung auf eine höhere Spannung aufladbar ist als die Hauptkapazität und über wenigstens ein Schaltelement zur Unterstützung der Hauptkapazität zuschaltbar ist. Bei der vorgeschlagenen Schaltungsanordnung kann in Abhängigkeit von der Dimensionierung der Bootstrap-Kapazitäten eine sehr viel kleinere Fläche mit höherem oder gleich bleibenden Spannungseinbruch oder eine nicht so starke Flächenreduzierung mit kleinerem Spannungseinbruch verglichen mit einer herkömmlichen Bootstrap-Schaltung erzielt werden.
Galvanic isolated gate drivers require a control signal as well as energy transmission from the control side (lowside) to the driver side (high-side). An additional backward signal transmission is preferred for error signals, status information, etc. This is often realized by means of several transformers or opto-couplers. Decreasing the number of isolation elements results in lower cost and a higher degree of miniaturization. This work presents a gate driver with bidirectional signal transmission and energy transfer via one single transformer. The key concept proposed in this paper is to combine bootstrapping to deliver the main gate charge for the driven power switch with additional energy transfer via the signal transformer. This paper also presents a very efficient combination of energy transfer to two high-side supply rails with back channel amplitude modulation. This way an isolated gate driver can be implemented that allows 100% pulse-width modulation (PWM) duty cycle at low complexity and system cost. The proposed high-side driver IC with integrated power supply, modulation and demodulation circuits was manufactured in a 180nm high-voltage BiCMOS technology. Measurements confirm the concept of bidirectional signal transmission with a 1MBit/s amplitude modulation, 10/20MHz frequency modulation and a maximum power transmission of 14mW via the transformer.
This paper presents a fully integrated gate driver in a 180-nm bipolar CMOS DMOS (BCD) technology with 1.5-A max. gate current, suitable for normally OFF gallium nitride (GaN) power switches, including gate-injection transistors (GIT). Full-bridge driver architecture provides a bipolar and three-level gate drive voltage for a robust and efficient GaN switching. The concept of high voltage energy storing (HVES), which comprises an on-chip resonant LC tank, enables a very area-efficient buffer capacitor integration and superior gatedriving speed. It reduces the component count and the influence of parasitic gate-loop inductance. Theory and calculations confirm the benefits of HVES compared to other capacitor implementation methods. The proposed gate driver delivers a gate charge of up to 11.6 nC, sufficient to drive most types of currently available GaN power transistors. Consequently, HVES enables to utilize the fast switching capabilities of GaN for advanced and compact power electronics.
Es wird ein hochintegrierter Gatetreiber für 600V-Anwendungen mit einer galvanischen Isolation zwischen der Ansteuerelektronik und der Treiberseite vorgestellt. Eine Besonderheit ist die bidirektionale Signalübertragung und die Energieversorgung über einen einzigen Transformator. Die Treiberansteuersignale werden mittels 10/20 MHz Frequenzmodulation übertragen. Die Signalrückübertragung ist in Form einer 1Mbit/s Amplitudenmodulation realisiert. Die Energieübertragung über den Transformator erlaubt ein dauerhaftes Einschalten des Treibers. Der Energiebedarf während des Schaltvorgangs wird hauptsächlich durch eine Bootstrapschaltung bereitgestellt. Eine weitere Besonderheit ist die Verwendung einer flächeneffizienten Integration einer NMOS Treiberausgangsstufe. Der Gatetreiber wurde in einer 180nm Hochvolt-BiCMOS-Technologie hergestellt. Messungen bestätigen die Funktion des Treibers.
This article covers the design of highly integrated gate drivers and level shifters for high-speed, high power efficiency and dv/dt robustness with focus on automotive applications. With the introduction of the 48 V board net in addition to the conventional 12 V battery, there is an increasing need for fast switching integrated gate drivers in the voltage range of 50 V and above. State-of-the-art drivers are able to switch 50 V in less than 5 ns. The high-voltage electrical drive train demands for galvanic isolated and highly integrated gate drivers. A gate driver with bidirectional signal transmission with a 1 MBit/s amplitude modulation, 10/20 MHz frequency modulation and power transfer over one single transformer will be discussed. The concept of high-voltage charge storing enables an area-efficient fully integrated bootstrapping supply with 70 % less area consumption. EMC is a major concern in automotive. Gate drivers with slope control optimize EMC while maintaining good switching efficiency. A current mode gate driver, which can change its drive current within 10 ns, results in 20 dBuV lower emissions between 7 and 60 MHz and 52 % lower switching loss compared to a conventional constant current gate driver.
Die Erfindung betrifft einen Energieübertrager (100) zur induktiven Energieübertragung von einem primären Schaltkreis (10) des Energieübertragers (100) an eine erste (5) und eine zweite (15) Spannungsdomäne eines sekundären Schaltkreises (20) des Energieübertragers (100) und zur Informationsübertragung vom sekundären Schaltkreis (20) zum primären Schaltkreis (10). Dabei umfasst der Energieübertrager (100): – einen Transformator (30), über den der primäre Schaltkreis (10) und der sekundäre Schaltkreis (20) induktiv miteinander gekoppelt sind und über den sowohl die Energieübertragung als auch die Informationsübertragung erfolgt; und – ein Amplitudenmodulationsmodul (50) zum Modulieren der Strom- und/oder Spannungsamplitude im sekundären Schaltkreis (20) mit Hilfe eines Amplitudenmodulationsschalters (55), wobei der Amplitudenmodulationsschalter (55) zwischen der ersten (5) und zweiten (15) Spannungsdomäne des sekundären Schaltkreises (20) angeordnet ist und ausgelegt ist, durch Öffnen und Schließen des Amplitudenmodulationsschalters (55) die Strom- und/oder Spannungsamplitude im primären Schaltkreis (10) zu ändern, um somit Information vom sekundären Schaltkreis (20) zum primären Schaltkreis (10) zu übertragen. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner einen Gate-Treiber zum Schalten eines Leistungsschalters (500) und ein Verfahren zur induktiven Übertragung von Energie und zur kombinierten Informationsübertragung.
Size and cost of a switched mode power supply can be reduced by increasing the switching frequency. This leads especially at a high input voltage to a decreasing efficiency caused by switching losses. Conventional calculations are not suitable to predict the efficiency as parasitic capacitances have a significant loss contribution. This paper presents an analytical efficiency model which considers parasitic capacitances separately and calculates the power loss contribution of each capacitance to any resistive element. The proposed model is utilized for efficiency optimization of converters with switching frequencies >10MHz and input voltages up to 40V. For experimental evaluation a DCDC converter was manufactured in a 180 nm HV BiCMOS technology. The model matches a transistor level simulation and measurement results with an accuracy better than 3.5 %. The accuracy of the parasitic capacitances of the high voltage transistor determines the overall accuracy of the efficiency model. Experimental capacitor measurements can be fed into the model. Based on the model, different architectures have been studied.
Drei Stufen geben Sicherheit
(2018)
GaN-Transistoren bieten ein enormes Potenzial für kompakte Leistungselektronik, indem sie die Größe von passiven Bauelementen verringern. Allerdings bringt das schnelle Schalten Herausforderungen für den Gate-Treiber mit sich. Ein vollständig integrierter Treiber mit drei Spannungsstufen hilft, diese zu lösen.