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DE102006029474A1 - Aktive Ansteuerung von normalerweise eingeschalteten bzw. normalerweise ausgeschalteten, in einer Kaskoden-Konfiguration angeordneten Bauteilen über eine asymmetrische CMOS-Schaltung - Google Patents

Aktive Ansteuerung von normalerweise eingeschalteten bzw. normalerweise ausgeschalteten, in einer Kaskoden-Konfiguration angeordneten Bauteilen über eine asymmetrische CMOS-Schaltung Download PDF

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DE102006029474A1
DE102006029474A1 DE102006029474A DE102006029474A DE102006029474A1 DE 102006029474 A1 DE102006029474 A1 DE 102006029474A1 DE 102006029474 A DE102006029474 A DE 102006029474A DE 102006029474 A DE102006029474 A DE 102006029474A DE 102006029474 A1 DE102006029474 A1 DE 102006029474A1
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Germany
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hemt
switch
state
channel switch
capacitor
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Withdrawn
Application number
DE102006029474A
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English (en)
Inventor
Maurizio El Segundo Salato
Marco El Segundo Soldano
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Infineon Technologies Americas Corp
Original Assignee
International Rectifier Corp USA
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Publication date
Application filed by International Rectifier Corp USA filed Critical International Rectifier Corp USA
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Abstract

Verfahren zur Steuerung eines Transistors mit hoher Elektronenbeweglichkeit (HEMT) über eine Kaskodenschaltung, die erste und zweite Schalter, einen mit einem Source-Anschluss des zweiten Schalters verbundenen Kondensator, wobei ein Source-Anschluss des HEMT mit dem Drain-Anschluss des ersten Schalters verbunden ist, und eine Steuereinrichtung zum Steuern der ersten und zweiten Schalter einschließt. In einem Zustand A ist der erste Schalter so gesteuert, dass er AUS ist, so dass der HEMT AUS ist, während der zweite Schalter so gesteuert wird, dass er EIN ist, was ein Laden des Kondensators und die Stabilisierung der Source-Spannung des HEMT auf ungefährt der HEMT-Gate-Schwellenwertspannung ermöglicht. In einem Zustand B ist der erste Schalter so gesteuert, dass er EIN ist, so dass der HEMT EIN ist, während der zweite Schalter so gesteuert ist, dass er fast die gesamte Zeit AUS ist, wodurch die in dem Kondensator gespeicherte Ladung aufrechterhalten wird. Weiterhin umfasst das Verfahren den Übergang von dem Zustand A zum Zustand B, um den HEMT EIN zu schalten, und den Übergang vom Zustand B zum Zustand A, um den HEMT AUS zu schalten, wobei der erste Schalter AUS-geschaltet wird und der zweite Schalter EIN-geschaltet wird, was eine schnellere Ladung der Ausgangskapazität des ersten Schalters aus dem Kondensator ermöglicht, um den HEMT AUS zu halten.

Description

  • Querverweis auf verwandte Anmeldungen
  • Diese Anmeldung beruht auf der provisorischen US-Patentanmeldung 60/694,330 vom 7. Januar 2005 mit dem Titel "ACTIVE DRIVING OF NORMALLY ON, NORMALLY OFF CASCODED CONFIGURATION DEVICES THROUGH ASYMMETRICAL CMOS" und beansprucht deren Priorität, wobei die Beschreibung dieser Anmeldung durch diese Bezugnahme hier mit aufgenommen wird.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Kaskoden-Schalterstruktur und insbesondere auf die Verwendung eines Niederspannungs-P-Kanal-MOSFETS, dessen Source-Anschluss mit einem Kondensator und dessen Drain-Anschluss mit dem Drain-Anschluss eines Treiber-Schalters verbunden ist.
  • Die Kaskodenschaltung ist eine Technik zur Verbesserung des Betriebsverhaltens einer Analogschaltung. Sie ergibt eine sehr nützliche Zwei-Transistor-Konfiguration, die aus einer Sourceschaltungs-Stufe gefolgt von einer Gateschaltungs-Stufe gebildet ist. Die Kaskodenschaltung kombiniert die zwei Verstärkerstufen für einen vergrößerten Ausgangswiderstand und eine reduzierte parasitäre Kapazität, was zu einer hohen Verstärkung mit vergrößerter Bandbreite führt. Die Kaskodenschaltung ergibt ein besseres Hochfrequenz-Betriebsverhalten und einen höheren Ausgangswiderstand.
  • Die Kaskoden-Konfiguration aus einem normalerweise eingeschalteten Verarmungs-Betriebsart-Halbleiterbauteil und einem normalerweise abgeschalteten Halbleiterbauteil ermöglicht einen zuverlässigen und sicheren Betrieb in Schaltnetzteil-Systemen.
  • Die einfache Kopplung dieser zwei Teile beruht auf ihren eigenen Parametern für ein dynamisches Verhalten, insbesondere während eines Abschaltens. Die vorgeschlagene Anordnung verbessert den Abschalt-Übergangsvorgang, wobei die in einem VCC-Versorgungs-Kondensator gespeicherte Ladung genutzt wird.
    •
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, den Verlust von einem Dioden-Spannungsabfall zu vermeiden, wenn ein Gleichrichter verwendet wird.
  • Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung zu erzwingen, dass ein Abschalt-Übergang schneller erfolgt.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung der Erfindung ersichtlich, die sich auf die beigefügten Zeichnungen bezieht.
  • Offenbart wird ein Verfahren zur Steuerung eines Transistors mit hoher Elektronenbeweglichkeit (HEMT) über eine Kaskodenschaltung, wobei die Kaskodenschaltung erste und zweite Schalter, eine mit einem Source-Anschluss des ersten Schalters verbundenen Kondensator, wobei ein Source-Anschluss des HEMT mit den beiden Drain-Anschlüssen der ersten und zweiten Schalter verbunden ist, und eine Steuereinrichtung zum Steuern der ersten und zweiten Schalter einschließt. Das Verfahren wird durch Definieren eines Zustandes A erzielt, in dem der erste Schalter so gesteuert ist, dass er AUS ist, was dazu führt, dass der HEMT AUS ist, und der zweite Schalter so gesteuert ist, dass er EIN ist, was es ermöglicht, dass der Kondensator geladen wird und die Drain-Spannung des HEMT auf ungefähr die HEMT-Gate-Schwellenwert-Spannung stabilisiert wird. Das Verfahren definiert weiterhin einen Zustand B, in dem der erste Schalter so gesteuert ist, dass er EIN ist, was dazu führt, dass der HEMT EIN ist, und der zweite Schalter so gesteuert ist, dass er fast die gesamte Zeit AUS ist, wodurch die in dem Kondensator gespeicherte Ladung aufrechterhalten wird. Weiterhin sieht das Verfahren einen Übergang von dem Zustand A zum Zustand B zum Einschalten des HEMT; und den Übergang von dem Zustand B zum Zustand A zum Abschalten des HEMT vor, wobei der erste Schalter ausgeschaltet wird und der zweite Schalter eingeschaltet wird, was eine schnellere Ladung der Ausgangskapazität des ersten Schalters aus dem Kondensator ermöglicht, um den HEMT ausgeschaltet zu halten.
  • Die vorliegende Erfindung vermeidet Verluste aufgrund des Diodenspannungsabfalls durch Laden einer Kapazität C über einen Kanal mit einem Widerstandsverhalten. Zusätzlich wird ein schnellerer Verlauf des Abschalt-Überganges dadurch erzwungen, dass eine Ladung zwischen dem VCC-Kondensator und der Ausgangskapazität eines Kaskodenschaltungs-Treiberschalters ausgeglichen wird.
    •
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist ein Schaltbild einer Schaltung, die die Kaskodenschaltung der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet; und
  • 2 ist eine grafische Darstellung, die die Wirkung von Zustands-Übergängen der Kaskodenschaltung bei den verschiedenen Spannungen und einem Strom zeigt.
  • Ausführliche Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung
  • 1 zeigt eine Schaltung 10 gemäß bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Schaltung 10 schließt einen Niederspannungs-P-Kanal-Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekt-Transistor (MOSFET) oder Schalter M2 ein. Der P-Kanal-MOSFET kann durch Dotieren eines Halbleiters zur Vergrößerung der Anzahl von freien positiven Ladungsträgern erzielt werden. In der Schaltung 10 ist der Source-Anschluss des P-Kanal-Schalters M2 mit einem VCC- oder Ausgangs-Kondensator C verbunden, und der Drain-Anschluss des Schalters M2 ist mit einem Source-Anschluss S2 eines Transistors 12 mit hoher Elektronenbeweglichkeit (HEMT) verbunden. Dieser Transistor 12 wird durch eine integrierte Treiberschaltung (IC) 14 über einen Transistortreiber M1 in Kaskodenschaltung angesteuert. Der HEMT 12 ist ein normalerweise eingeschaltetes Verarmungsbetriebsart-Bauteil und kann auf der GaN-Technologie beruhen. Damit dieses Bauteil abschaltet, muss einer der zwei Gate-Anschlüsse (G2 in 1, doch gilt Gleiches für G1) auf dem niedrigst möglichen Potential gegenüber den verbleibenden drei Anschlüssen des Bauteils und unterhalb einer Schwellenwertspannung bezüglich des Source-Anschlusses gehalten werden.
  • Die Schaltung 10 zeigt weiterhin eine komplementäre Metalloxid-Halbleiter- (CMOS-) Struktur, die durch den P-Kanal-Schalter M2 und einen N-Kanal-Schalter M1 gebildet ist. Die Struktur wird durch eine integrierte Steuerschaltung IC14 gesteuert. Der Schalter M1 führt den gesamten HEMT-Strom, während der Schalter M2 den Stromfluss zwischen dem Kondensator C und der Ausgangskapazität COSS des Schalters M1 verwaltet. Ein Gate-Anschluss des Schalters M2 wird so gesteuert, dass der Vorteil der beschriebenen CMOS-Struktur zu einem Maximum gemacht wird.
  • Die erfindungsgemäße CMOS-Struktur arbeitet gemäß den folgenden Zuständen und Übergängen. Im Zustand A wird der in Kaskode geschaltete Schalter M1 so gesteuert, dass er AUS ist, und als Ergebnis wird entsprechend der Kaskoden-Struktur der HEMT AUS gehalten. Der Schalter M2 ist so gesteuert, dass er EIN ist, was es ermöglicht, dass der Kondensator C von dem Anschluss S2 geladen wird. S2 wird auf ungefähr die HEMT-Gate-Schwellenwertspannung stabilisiert. Im Zustand A wirkt der Schalter M2 als Synchrongleichrichter, wodurch ein niedrigerer Spannungsabfall als an einer Diode und ein schnelleres Laden des Versorgungs- oder Ausgangs-Kondensators ermöglicht wird.
  • Im Zustand B ist der in Kaskode geschaltete Schalter M1 so geschaltet, dass er EIN ist, was dazu führt, dass der HEMT ebenfalls vollständig EIN ist. Der Schalter M2 ist so gesteuert, dass er AUS ist, wodurch die in dem VCC-Versorgungs-Kondensator C gespeicherte Ladung aufrechterhalten wird. Im Zustand B bewirkt die integrierte Steuerschaltung 14, dass der in Kaskodeschaltung angeordnete Schalter M1 nahezu vollständig EIN-geschaltet ist.
  • Wenn die Schaltung 10 von dem Zustand A zum Zustand B übergeht, wird der in Kaskodenschaltung angeordnete Schalter M1 EIN geschaltet, während der Schalter M2 AUS geschaltet wird. Gemäß der CMOS-Struktur der vorliegenden Erfindung schaltet der Schalter M2 ab, bevor der in Kaskode geschaltete Schalter M1 einschaltet. Dies ist durch die Totzeit in 2 gezeigt.
  • Wenn die Schaltung 10 vom Zustand B auf den Zustand A übergeht, wird der in Kaskode geschaltete Schalter M1 AUS geschaltet, während der Schalter M2 EIN geschaltet wird. Bei diesem Übergang ist der Vorteil der CMOS-Struktur noch stärker ersichtlich. Insbesondere erzeugt, wie dies in 2 gezeigt ist, die Wirkung der Drain-Source-Spannung VDS des in Kaskode geschalteten Schalters M1 den folgenden Effekt:
    Bevor die VDS-Spannung von M1 (VS2) die HEMT-Schwellenwert-Spannung erreicht, ist der HEMT immer noch vollständig EIN geschaltet, so dass der Übergang durch den in Kaskode geschalteten Schalter M1 dominiert ist.
  • Sobald die VDS-Spannung die HEMT-Schwellenwert-Spannung erreicht, beginnt der HEMT-Schalter 12, der ein GaN-Transistor sein kann, AUS zu schalten, wodurch der Stromfluss verringert wird.
  • Die Ausgangskapazität des in Kaskode geschalteten Schalters M1 würde durch diese Restlast oder selbst nur durch einen Leckstrom von dem HEMT geladen.
  • Wenn der Schalter M2 dann eingeschaltet wird, wird eine schnellere Ladung der Ausgangskapazität COSS des in Kaskode geschalteten Schalters M1 aus der VCC des Kondensators C ermöglicht. Dieser Effekt ist ähnlich zu dem Hinzufügen eines bereits geladenen und größeren Kondensators (C) parallel zu der Ausgangskapazität des in Kaskode geschalteten Schalters M1.
  • Dies ermöglicht eine schnellere Ausbildung einer eingeschwungenen Spannung an dem Anschluss S2, wodurch der HEMT 12 AUS geschaltet gehalten wird. Während der AUS-Zeit wird der Kondensator C auf die maximale Spannung geladen, die der Anschluss S2 erreicht, die üblicherweise höher als der HEMT-Schwellenwert ist.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung bezüglich spezieller Ausführungsformen hiervon beschrieben wurde, sind viele andere Abänderungen und Modifikationen und andere Anwendungen für den Fachmann ersichtlich. Es wird daher bevorzugt, dass die Erfindung nicht durch die ausführliche hier enthaltene Beschreibung sondern nur durch die beigefügten Ansprüche beschränkt ist.

Claims (16)

  1. Kaskodenschaltung zur Ansteuerung eines Transistors mit hoher Elektronenbeweglichkeit (HEMT), wobei die Schaltung Folgendes umfasst: einen P-Kanal-Schalter (M2) mit einem Source-, einem Drain- und einem Gate-Anschluss; einen Kondensator (C), der mit dem Source-Anschluss des P-Kanal-Schalters (M2) verbunden ist; wobei der HEMT (12) einen mit dem Drain-Anschluss des P-Kanal-Schalters (M2) verbundenen Source-Anschluss aufweist; und eine Steuereinrichtung zum Steuern des P-Kanal-Schalters.
  2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der P-Kanal-Schalter (M2) ein Niederspannungs-Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekt-Transistor (MOSFET) ist.
  3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein N-Kanal-Schalter (M1) vorgesehen ist, wobei der N-Kanal-Schalter (M1) und der P-Kanal-Schalter (M2) zusammen eine komplementäre Metalloxid-Halbleiter- (CMOS-) Struktur bilden, die durch die Steuereinrichtung gesteuert ist.
  4. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der N-Kanal-Schalter (M1) im Wesentlichen den gesamten Strom durch den HEMT (12) führt, und der P-Kanal-Schalter (M2) den Stromfluss zwischen dem Kondensator (C) und dem N-Kanal-Schalter (M1) lenkt.
  5. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur entsprechend Zuständen A und B arbeitet und von dem Zustand A zum Zustand B und vom Zustand B zum Zustand A übergeht.
  6. Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Zustand A der N-Kanal-Schalter (M1) so gesteuert ist, dass er AUS ist, was dazu führt, dass der HEMT (12) AUS ist, und der P-Kanal-Schalter (M2) so gesteuert ist, dass er EIN ist, was ein Laden des Kondensators ermöglicht und die Drain-Spannung des HEMT auf ungefähr die HEMT-Gate-Schwellenwertspannung stabilisiert.
  7. Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der P-Kanal-Schalter als ein synchroner Gleichrichter wirkt und einen niedrigeren Spannungsabfall als eine Diode und ein schnelleres Laden des Kondensators ermöglicht.
  8. Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Zustand B der N-Kanal-Schalter so gesteuert ist, dass er EIN ist, was dazu führt, dass der HEMT AUS ist, und dass der P-Kanal-Schalter fast die gesamte Zeit so gesteuert ist, dass er AUS ist, wodurch die in dem Kondensator gespeicherte Ladung aufrechterhalten wird.
  9. Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass während des Überganges von Zustand A zum Zustand B der N-Kanal-Schalter EIN-geschaltet wird, nachdem der P-Kanal-Schalter AUS-geschaltet wurde.
  10. Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass während des Überganges vom Zustand B zum Zustand A der N-Kanal-Schalter AUS-geschaltet wird und der P-Kanal-Schalter EIN-geschaltet wird, was eine schnellere Ladung einer Ausgangskapazität des N-Kanal-Schalters aus dem Kondensator ermöglicht, wodurch der HEMT AUS gehalten wird.
  11. Schaltung nach Anspruch 10, die weiterhin den Effekt der Drain-Source-Spannung VDS des N-Kanal-Schalters umfasst, wobei: bevor die VDS-Spannung eine HEMT-Schwellenwertspannung erreicht, der HEMT vollständig EIN-geschaltet ist, wenn die VDS-Spannung die HEMT-Schwellenwertspannung erreicht, der HEMT AUS zu schalten beginnt, wodurch der Stromfluss in dem HEMT verringert wird, und die Ausgangskapazität des N-Kanal-Schalters durch irgendeinen Rest-Last- oder Leckstrom von dem HEMT geladen wird.
  12. Verfahren zur Steuerung eines Transistors mit hoher Elektronenbeweglichkeit (HEMT) über eine Kaskodenschaltung, wobei die Kaskodenschaltung erste und zweite Schalter, einen Kondensator, der mit einem Source-Anschluss des ersten Schalters verbunden ist, wobei ein Source-Anschluss des HEMT mit den Drain-Anschlüssen der Steuerschaltung verbunden ist, und eine Steuereinrichtung zur Steuerung der ersten und zweiten Schalter einschließt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Definieren eines Zustandes A, in dem der erste Schalter so geschaltet ist, dass er AUS ist, was dazu führt, dass der HEMT AUS ist, und in dem der zweite Schalter so gesteuert ist, dass er EIN ist, was das Laden des Kondensators und die Stabilisierung der Drain-Spannung des HEMT auf ungefähr die HEMT-Gate-Schwellenwert-Spannung ermöglicht; Definieren eines Zustandes B, in dem der erste Schalter so gesteuert ist, dass er EIN ist, was dazu führt, dass der HEMT EIN ist und der zweite Schalter so gesteuert ist, dass er fast die gesamte Zeit AUS ist, wodurch die von dem Kondensator gespeicherte Ladung aufrechterhalten wird; Übergehen von dem Zustand A zum Zustand B zum EIN-Schalten des HEMT; und Übergehen von dem Zustand B zum Zustand A zum AUS-Schalten des HEMT, wobei der erste Schalter AUS geschaltet wird und der zweite Schalter EIN-geschaltet wird, was eine schnellere Ladung der Ausgangskapazität des ersten Schalters von dem Kondensator aus ermöglicht, um den HEMT AUS zu halten.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem der erste Schalter ein Niederspannungs-N-Kanal-Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekt-Transistor (MOSFET) ist.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Schalter als ein Synchron-Gleichrichter wirkt, wodurch ein niedrigerer Spannungsabfall als an einer Diode und ein schnelleres Laden des Versorgungsspannungs-Kondensators ermöglicht wird.
  15. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem während des Übergangs vom Zustand A zum Zustand B der erste Schalter EIN-geschaltet wird, nachdem der zweite Schalter AUS-geschaltet wurde.
  16. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang von dem Zustand B zum Zustand A die Wirkung der Drain-Soure-Spannung VDS des ersten Schalters umfasst, wobei: bevor die VDS-Spannung die HEMT-Schwellenwertspannung erreicht, der große HEMTvollständig EIN ist, wenn die VDS-Spannung die HEMT-Schwellenwertspannung erreicht, der HEMT AUS zu schalten beginnt, wodurch der Stromfluss durch den HEMT verringert wird, und die Ausgangskapazität des N-Kanal-Schalters durch irgendeinen Rest-Last- oder Leckstrom von dem HEMT geladen wird.
DE102006029474A 2005-06-27 2006-06-27 Aktive Ansteuerung von normalerweise eingeschalteten bzw. normalerweise ausgeschalteten, in einer Kaskoden-Konfiguration angeordneten Bauteilen über eine asymmetrische CMOS-Schaltung Withdrawn DE102006029474A1 (de)

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