DE10032196A1

DE10032196A1 - Schutzbeschaltung für einen Mosfet-Schalter

Info

Publication number: DE10032196A1
Application number: DE10032196A
Authority: DE
Inventors: Thomas Paesler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-07-01
Filing date: 2000-07-01
Publication date: 2002-01-17

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schutzbeschaltung für einen MOSFET-Schalter, welcher einen Gateanschluß, einen Drainanschluß und einen Sourceanschluß aufweist. Zur Begrenzung der Spannungsanstiegsgeschwindigkeit zwischen Drain und Source des MOSFET-Schalters ist zwischen dem Drain- und dem Gateanschluß ein kapazitives Koppelelement vorgesehen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schutzbeschaltung für einen MOSFET-Schalter, welcher einen Gateanschluß, einen Drainanschluß und einen Sourceanschluß aufweist.

Stand der Technik

Es ist bereits bekannt, Leistungs-MOSFET's unter Verwen dung von integrierten Treiberbausteinen mit CMOS-Ausgang streibern, von zweifachen Push-Pull-Treiberstufen bei er höhtem Leistungsbedarf und von mehrstufigen Gateansteuer schaltungen anzusteuern. Dabei erzeugen integrierte Trei berbausteine beispielsweise ein 15-V-Signal, das über ei nen Vorwiderstand direkt dem Gateanschluß des MOSFET zu geführt wird. Zweifache Push-Pull-Treiberstufen unter scheiden sich von integrierten Treiberbausteinen dadurch, daß sie Treibersignale mit größerer Stromstärke bereit stellen. Mehrstufige Gateansteuerschaltungen schalten zeitversetzt mehrere verschiedene Gatevorwiderstände zu und ab. Das erforderliche Stromprofil bei störungsarmen Schaltern weist dabei einen schnellen Anstieg det Gate spannung bis auf das Miller-Plateau auf, dann ein lang sames Aufladen der Miller-Kapazität, um die Steilheit der Stromflanke im MOSFET zu begrenzen und dann ein schnelles Aufladen der Gate-Kapazität auf ihren statischen Wert, um möglichst schnell einen optimalen Arbeitspunkt zu errei chen.

Weiterhin ist es bereits bekannt, in Kraftfahrzeugen Drehstrommaschinen, insbesondere Asynchronmaschinen und Klauenpolgeneratoren, einzusetzen. Eine Regelung derarti ger robuster Maschinen ist kostengünstig möglich. Bei spiele dafür sind Kurbelwellenstartergeneratoren und Klauenpolstartergeneratoren für ein 42 Volt Bordnetz und elektrische Lenkhilfen in einem 12 Volt Bordnetz. Zur An steuerung derartiger Drehstrommaschinen werden Drehstrom wechselrichter eingesetzt. Ein für Betriebsspannungen von 42 Volt bzw. 12 Volt konzipierter Drehstromwechselrichter weist vorzugsweise MOSFET-Schalter auf, da diese Wechsel richtern mit IGBT's hinsichtlich der Verlustleistung bzw. des Wirkungsgrades überlegen sind. MOSFET-Transistoren enthalten zwischen Source und Drain eine parasitäre Di ode. Diese wird bei Vollbrückenschaltungen und Drehstrom brücken aktiv als Freilaufdiode genutzt. Diese parasitäre Diode hat ein hartes Abrißverhalten. Während des Abschal tens ändert sich der Strom durch diese Diode sehr schnell. Dies führt zu hochfrequenten Oszillationen und Problemen hinsichtlich EMV sowie zu hohen Überspannungen im MOSFET während der Schältvorgänge.

Vorteile der Erfindung

Eine Schutzbeschaltung für einen MOSFET-Schalter mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber wesentliche Verbesserungen beim Ein- und Ausschalten des MOSFET- Schalters auf. Durch das zwischen dem Drain-Anschluß und dem Gate-Anschluß vorgesehene kapazitive Koppelelement werden Schaltstörungen reduziert, indem der Gate-Lade strom des MOSFET-Schalters reduziert wird. Durch die be anspruchte kapazitive Kopplung zwischen Drain und Gate wird der Leitzustand des MOSFETS dadurch beeinflußt, daß die Drain-Source-Spannung bezüglich ihrer Anstiegsge schwindigkeit reduziert wird. Dadurch kann sichergestellt werden, daß der in das Gate fließende Strom nicht zu groß wird. Durch eine geeignete Dimensionierung kann die Schaltgeschwindigkeit so eingestellt werden, daß die beim Schaltvorgang entstehende Überspannung die zulässige Ma ximalspannung des MOSFET nicht überschreitet. Weiterhin kommt der MOSFET durch die beanspruchte kapazitive Auf steuerung in seinen linearen Betriebszustand und kann schnell auf Oszillationen zwischen Drain und Source rea gieren. Dies erlaubt ein schnelles Schalten und eine Re duzierung von Schaltverlusten, so daß beispielsweise Wechselrichter mit hohem Wirkungsgrad gebaut werden kön nen.

Aufgrund der verringerten Überspannungen können MOSFET- Chips realisiert werden, die eine kleinere maximal zuläs sige Drain-Source-Spannung haben. Diese wiederum können mit einem kleineren Drain-Soutce-Widerstand gefertigt werden, wodurch wiederum die Leitendverlust reduziert werden. Dies bedeutet eine weitere Verbesserung des Wir kungsgrades.

Bei Bedarf kann der zwischen Gate und Drain angeordnete Kondensator durch einen in Reihe dazu angeordneten Ohm schen Widerstand ergänzt werden. Dadurch kann die La dungseinbringung in das Gate noch genauer eingestellt und eventuell auftretende Schwingungen vermieden werden.

Zeichnung

Nachfolgend werden anhand der Zeichnungen Ausführungsbei spiele für die Erfindung näher erläutert. Die Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für die Erfindung. Die Fig. 2 zeigt eine Drehstrombrücke, bei der die Erfindung angewendet werden kann.

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine im Sinne einer Schutzbeschal tung wirkende kapazitive Gateaufsteuerung für einen MOSFET-Schalter. Sie kann beispielsweise bei einem MOSFET-Wechselrichter, einer Drehstrombrücke, einer im Tiefsetzstellerbetrieb arbeitenden Halbbrücke, usw. ver wendet werden.

Die nachfolgende Erläuterung der Ansteuerung in dem in der Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel erfolgt anhand einer Halbbrücke, die im Tiefsetzstellerbetrieb arbeitet.

Die gezeigte Halbbrücke weist einen ersten MOSFET-Schal ter M1 und einen zweiten MOSFET-Schalter M2 auf. Dem Gateanschluß des ersten MOSFET-Schalters M1 wird ein Gate-Ansteuersignal zugeführt. Zwischen dem Drain- und dem Sourceanschluß des ersten MOSFET-Schalters M1 befin det sich eine parasitäre Diode D1. Der Sourceanschluß des ersten MOSFET-Schalters M1 ist mit dem Drainanschluß des zweiten MOSFET-Schalters M2 verbunden.

Zwischen dem Drainanschluß und dem Sourceanschluß des zweiten MOSFET-Schalters M2 befindet sich eine parasitäre Diode D2. Der Gateanschluß des zweiten MOSFET-Schalters M2 ist über ein kapazitives Koppelelement C2 mit dem Drainanschluß verbunden. Weiterhin ist zwischen dem Gate anschluß des zweiten MOSFET-Schalters M2 und dem Source anschluß ein kapazitives Koppelelement C3 und ein dazu parallel geschalteter Ohmscher Widerstand R3 vorgesehen. Drain und Source des zweiten MOSFET-Schalters M2 stehen ferner über eine Drossel L1 miteinander in Verbindung.

Zwischen dem Drainanschluß des ersten MOSFET-Schalters M1 und dem Sourceanschluß des zweiten MOSFET-Schalters M2 ist eine Reihenschaltung einer Drossel L2 und eines Kon densators C4 vorgesehen, wobei es sich bei L2 um die Summe der parasitären Induktivitäten und bei C4 um eine Zwischenkreiskapazität handelt.

Probleme bekannter Schaltungen, die die Bauteile C2, C3 und R3 nicht aufweisen, sind dadurch begründet, daß die parasitäre Diode D2 ein hartes Abrißverhalten aufweist. Dies bedeutet, daß sich bei Schaltvorgängen der Strom durch diese Diode sehr schnell ändert, beispielsweise mit 1000 A/µs. Diese schnelle Stromänderung induziert in den parasitären Zuleitungsinduktivitäten L2 hohe Spannungen, die die zulässige maximale Spannung an der Diode D2 über steigen können. Außerdem werden bei bekannten Schaltungen durch den schnellen Diodenstromabriß hochfrequente Oszil lationen bis in den Megahertz-Bereich erzeugt.

Diese Nachteile bekannter Schaltungen werden bei der in der Fig. 1 gezeigten Vorrichtung durch die Verwendung des zwischen dem Drainanschluß und dem Gateanschluß des zweiten MOSFET-Schalters M2 vorgesehenen kapazitiven Kop pelelementes C2 vermieden. Durch dieses kapazitive Kop pelelement erfolgt eine bewußte Aufsteuerung des Gates des MOSFET-Schalters M2. Steigt während des Schaltvorgan ges durch den Diodenstromabriß die Drain-Source-Spannung des MOSFET-Schalters M2 schnell an, dann fließt über das kapazitive Koppelelement C2 ein Strom, der das Gate auf steuert. Dadurch wird der MOSFET leitend und begrenzt die Anstiegsgeschwindigkeit des Gatestromes I = C du/dt so, daß er noch über den Widerstand R3 zwischen Gate und Source abfließen kann. Die Spannungsanstiegsgeschwindig keit am MOSFET wird damit durch ihn selbst geregelt. Die Schaltgeschwindigkeit kann so eingestellt werden, daß die entstehende Überspannung die zulässige Maximalspannung des MOSFET nicht überschreitet. Weiterhin kommt der MOSFET durch die beschriebene kapazitive Aufsteuerung in seinen linearen Betriebszustand und kann schnell auf Os zillationen zwischen Drain und Source reagieren und diese bedämpfen.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, die Gate-Source-Kapazität des MOSFET-Schalters M2 durch das Einsetzen des kapazitiven Koppelelementes C3 soweit zu erhöhen, daß sie die Millerkapazität um einen Faktor von beispielsweise 10 übertrifft und somit in der Lage ist, die Ladung durch die Millerkapazität aufzuneh men, ohne daß die Gate-Soutce-Spannung nennenswert ansteigt. Dadurch wird die Gefahr eines Kurzschlusses durch die Millerkapazität weitestgehend reduziert. Bei Vorlie gen eines MOSFET mit sehr kleiner Millerkapazität kann auf das kapazitive Koppelelement C3 ggfs. verzichtet wer den.

Weiterhin kann gemäß einer anderen vorteilhaften Weiter bildung der Erfindung in Reihe zum kapazitiven Koppelele ment C2 ein Ohmscher Widerstand vorgesehen sein. Dies er laubt eine genauere Dosierung bzw. eine weiter verbes serte Einstellung der Ladungseinbringung in das Gate des MOSFET-Schalters und eine weitere Reduzierung eventuell auftretender Schwingungen.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, auch nur die zwi schen Drain und Gate bereits vorhandene Millerkapazität zur Gateaufsteuerung zu nutzen.

Eine noch schnellere Reaktion auf die schnell ansteigende Drain-Source-Spannung wird dann erreicht, wenn der Schaltvorgang mit einer positiven Gatespannung von bei spielsweise 2 V erfolgt. In diesem Fall muß im Rahmen der kapazitiven Gateaufsteuerung nur noch eine geringe Menge Gateladung über das kapazitive Koppelelement in die Gate kapazität eingebracht werden, um die erforderliche Schwellspannung zu erreichen.

Nach alledem kann durch die beschriebene kapazitive Gate aufsteuerung die Spannungsanstiegsgeschwindigkeit zwi schen Drain und Source eines MOSFET-Schalters verringert werden. Dies führt zu einer Verringerung von beim Schalt vorgang entstehenden Überspannungen und hochfrequenten Oszillationen. Der Schaltvorgang kann schnell erfolgen, wodurch Schaltverluste beispielsweise eines Wechselrich ters stark reduziert werden. Folglich können bei einer Verwendung der beanspruchten Vorrichtung Wechselrichter mit hohem Wirkungsgrad gebaut werden. Durch die verrin gerten Überspannungen können MOSFET-Chips eingesetzt werden, die eine kleinere maximal zulässige Drain-Source- Spannung haben. Diese können mit einem kleineren Drain- Source-Widerstand gefertigt werden, wodurch zusätzlich die Leitendverluste reduziert werden, was den Wirkungs grad weiter verbessert.

Die Fig. 2 zeigt eine Drehstrombrücke, bei der die Er findung eingesetzt werden kann. Die im Zusammenhang mit der Fig. 1 beschriebene kapazitive Gateaufsteuerung kann dabei sowohl für die oberen als auch für die unteren Schalter verwendet werden, d. h. für alle MOSFETs M1- M6.

Claims

1. Schutzbeschaltung für einen MOSFET-Schalter, welcher einen Gateanschluß einen Drainanschluß und einen Sour ceanschluß aufweist, wobei die Ansteuerung des MOSFET- Schalters über den Gateanschluß erfolgt, dadurch gekenn zeichnet, daß sie zwischen dem Drainanschluß und dem Ga teanschluß ein kapazitives Koppelelement (C2) aufweist.

2. Schutzbeschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der MOSFET-Schalter (M2) zwischen dem Sour ceanschluß und dem Gateanschluß ein weiteres kapazitives Koppelelement (C3) aufweist.

3. Schutzbeschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß dem weiteren kapazitiven Koppelelement (C3) ein Ohmscher Widerstand (R3) parallelgeschaltet ist.

4. Schutzbeschaltung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch ge kennzeichnet, daß sie Bestandteil einer Halbbrücke eines Wechselrichters ist.

5. Schutzbeschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die Halbbrücke im Tiefsetzstellerbetrieb betreibbar ist.

6. Schutzbeschaltung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch ge kennzeichnet, daß die Halbbrücke einen ersten MOSFET- Schalter (M1) und einen zweiten MOSFET-Schalter (M2) auf weist, wobei dem Gateanschluß des ersten MOSFET-Schalters (M1) ein Treiberausgangssignal zuführbar ist, und der Sourceanschluß des ersten MOSFET-Schalters (M1) mit dem Drainanschluß des zweiten MOSFET-Schalters (M2) verbunden ist.

7. Schutzbeschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekenn zeichnet, daß zwischen dem Drainanschluß des zweiten MOSFET-Schalters (42) und dessen Sourceanschluß eine Drossel (L1) angeordnet ist.

8. Schutzbeschaltung nach Anspruch 7, dadurch gekenn zeichnet, daß der Drainanschluß des ersten MOSFET-Schal ters (M1) über einen Zwischenkreiskondensator (C4) mit dem Sourceanschluß des zweiten MOSFET-Schalters (M2) ver bunden ist.

9. Schutzbeschaltung nach einem der Ansprüche 4-8, da durch gekennzeichnet, daß der Wechselrichter zur Ansteue rung einer Drehstrommaschine in einem Kraftfahrzeug dient.

10. Schutzbeschaltung nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen in Reihe zum kapazitiven Koppelelement angeordneten Ohmschen Wi derstand aufweist.