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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.
In diesem Beitrag wird ein kapazitiver Low Power DC-DC Wandler mit 15 konfigurierbaren Übersetzungsverhältnissen, einem hohen Eingangsspannungsbereich von 5 V bis 20 V und einer konstanten Ausgangsspannung von 5 V vorgestellt. Bei einer Ausgangsleistung von 5 mW wird ein maximaler Wirkungsgrad von 81% erreicht. Die Implementierung erfolgt in einem 350 nm Hochvolt-CMOS-Prozess. Während es für niedrige Eingangsspannungen eine Vielzahl an Topologien und Konzepten gibt, wurden vollintegrierte SC-Wandler für höhere Eingangsspannungen (> 8 V) bisher nur wenig untersucht. Höhere Spannungen erfordern den Einsatz von Hochvolttransistoren und eine aufwändigere Ansteuerung. Um über einen weiteren Eingangsspannungsbereicht mit hoher Genauigkeit und hohem Wirkungsgrad zu wandeln, erweist sich die Topologie des rekursiven Switched-Capacitor Wandlers (RSC Wandler) als vorteilhaft. In der vorliegenden 4-Bit Implementierung ist der RSC Wandler aus N = 4 2:1 Serien-Parallel Wandler-Zellen aufgebaut. Durch verschiedene Anordnung der einzelnen Zellen können 2ᴺ -1 = 15 Wandlungsverhältnisse realisiert werden. Mittels Rekursion werden in jedem Wandlungsverhältnis alle Kapazitäten genutzt, wodurch die Stromfähigkeit und der Wirkungsgrad des Wandlers deutlich verbessert werden. Einheitliche 2:1 Wandler-Zellen ermöglichen einen modularen Aufbau des Layouts.
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.
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.
In a digitally controlled slope shaping system, reliable detection of both voltage and current slope is required to enable a closed-loop control for various power switches independent of system parameters. In most state-of-the-art works, this is realized by monitoring the absolute voltage and current values. Better accuracy at lower DC power loss is achieved by sensing techniques for a reliable passive detection, which is achieved through avoiding DC paths from the high voltage network into the sensing network. Using a high-speed analog-to-digital converter, the whole waveform of the transient derivative can be stored digitally and prepared for a predictive cycle-by-cycle regulation, without requiring high-precision digital differentiation algorithms. To gain an accurate representation of the voltage and current derivative waveforms, system parasitics are investigated and classified in three sections: (1) component parasitics, which are identified by s-parameter measurements and extraction of equivalent circuit models, (2) PCB design issues related to the sensing circuit, and (3) interconnections between adjacent boards.
The contribution of this paper is an optimized sensing network on the basis of the experimental study supporting fast transition slopes up to 100 V/ns and 1 A/ns and beyond, making the sensing technique attractive for slope shaping of fast switching devices like modern generation IGBTs, CoolMOSTM and SiC mosfets. Measurements of the optimized dv/dt and di/dt setups are demonstrated for a hard switched IGBT power stage.
A concept for a slope shaping gate driver IC is proposed, used to establish control over the slew rates of current and voltage during the turn-on and turn off switching transients.
It combines the high speed and linearity of a fully-integrated closed-loop analog gate driver, which is able to perform real-time regulation, with the advantages of digital control, like flexibility and parameter independency, operating in a predictive cycle-bycycle regulation. In this work, the analog gate drive integrated circuit is partitioned into functional blocks and modeled in the small-signal domain, which also includes the non-linearity of parameters. An analytical stability analysis has been performed in order to ensure full functionality of the system controlling a modern generation IGBT and a superjunction MOSFET. Major parameters of influence, such as gate resistor and summing node capacitance, are investigated to achieve stable control. The large-signal behavior, investigated by simulations of a transistor level design, verifies the correct operation of the circuit. Hence, the gate driver can be designed for robust operation.
Modern power transistors are able to switch at very high transition speed, which can cause EMC violations and overshoot. This is addressed by a gate driver with variable gate current, which is able to control the transition speed. The key idea is that the gate driver can influence the di/dt and dv/dt transition separately and optimize whichever transition promises the highest improvement while keeping switching losses low. To account for changes in the load current, supply voltage, etc., a control loop is required in the driver to ensure optimized switching. In this paper, an efficient control scheme for an automotive gate driver with variable output current capability is presented. The effectiveness of the control loop is demonstrated for a MOSFET bridge consisting of OptiMOS-T2™devices with a total gate charge of 39nC. This bridge setup shows dv/dt transitions between 50 to 1000ns, depending on driving current. The driver is able to switch between gate current levels of 1 to 500mA in 10/15ns (rising/falling transition). With the implemented control loop the driver is measured to significantly reduce the ringing and thereby reduce device stress and electromagnetic emissions while keeping switching losses 52% lower than with a constant current driver.
More and more power electronics applications utilize GaN transistors as they enable higher switching frequencies in comparison to conventional Si devices. Faster switching shrinks down the size of passives and enables compact solutions in applications like renewable energy, electrical cars and home appliances. GaN transistors benefit from ~10× smaller gate charge QG and gate drive voltages in the range of typically 5V vs. ~15V for Si.
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.
The presented wide-Vin step-down converter introduces a parallel-resonant converter (PRC), comprising an integrated 5-bit capacitor array and a 300 nH resonant coil, placed in parallel to a conventional buck converter. Unlike conventional resonant concepts, the implemented soft-switching control eliminates input voltage dependent losses over a wide operating range. This ensures high efficiency across a wide range of Vin= 12-48V, 100-500mA load and 5V output at up to 15MHz switching frequency. The peak efficiency of the converter is 76.3 %. Thanks to the low output current ripple, the output capacitor can be as small as 50 nF, while the inductor tolerates a larger ESR, resulting in small component size. The proposed PRC architecture is also suitable for future power electronics applications using fast-switching GaN devices.