DE10032197A1 - Vorrichtung zur Ansteuerung eines Mosfet-Schalters - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ansteuerung eines MOSFET-Schalters, welcher einen Gateanschluß, einen Drainanschluß und einen Sourceanschluß aufweist. Die Ansteuerung des MOSFET-Schalters erfolgt über den Gateanschluß. Zur Begrenzung der Spannungsanstiegsgeschwindigkeit zwischen Drain und Source des MOSFET-Schalters ist ein kapazitives Koppelelement vorgesehen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ansteuerung eines MOSFET-Schalters, welcher einen Gateanschluß, einen Drainanschluß und einen Sourceanschluß aufweist, wobei die Ansteuerung des MOSFET-Schalters über den Gatean­ schluß erfolgt.

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 der 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 Schaltvorgänge.

Vorteile der Erfindung

Eine Vorrichtung zur Ansteuerung eines MOSFET-Schalters mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber we­ sentliche Verbesserungen beim Ein- und Ausschalten des MOSFET-Schalters auf. Durch das eingefügte kapazitive Koppelelement werden Schaltstörungen reduziert, indem der Gate-Ladestrom des MOSFET-Schalters reduziert wird. Durch die beanspruchte kapazitive Kopplung wird der Leitzustand des MOSFETS dadurch beeinflußt, daß die Drain-Source- Spannung bezüglich ihrer Anstiegsgeschwindigkeit redu­ ziert wird. Dadurch kann sichergestellt werden, daß der in das Gate fließende Strom nicht zu groß wird. Durch eine geeignete Dimensionierung kann die Schaltgeschwin­ digkeit so eingestellt werden, daß die beim Schaltvorgang entstehende Überspannung die zulässige Maximalspannung des MOSFET nicht überschreitet. Weiterhin kommt der MOSFET durch die beanspruchte kapazitive Aufsteuerung in seinen linearen Betriebszustand und kann schnell auf Os­ zillationen zwischen Drain und Source reagieren. Dies er­ laubt ein schnelles Schalten und eine Reduzierung von Schaltverlusten.

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-Source-Widerstand gefertigt werden, wodurch wiederum die Leitendverlust reduziert werden. Dies bedeutet eine weitere Verbesserung des Wir­ kungsgrades.

Bei Bedarf kann das kapazitive Koppelelement durch einen in Reihe dazu angeordneten Ohmschen Widerstand ergänzt werden. Dadurch kann die Ladungseinbringung in das Gate noch genauer eingestellt und eventuell auftretende Schwingungen vermieden werden.

Zeichnung

Nachfolgend wird anhand der Zeichnung ein Ausführungsbei­ spiel für die Erfindung näher erläutert.

Beschreibung

Die Figur zeigt ein Ausführungsbeispiel für die Erfin­ dung. Die dargestellte Vorrichtung weist einen im. Sinne einer Ein- und Abschaltung anzusteuernden MOSFET-Schalter S1 auf. Dieser hat einen Gateanschluß g, einen Drainanschluß d und einen Sourceanschluß s. Die Anstene­ rung des MOSFET-Schalters erfolgt über dessen Gatean­ schluß g unter Verwendung einer Gate-Ansteuerschaltung.

Die Gate-Ansteuerschaltung weist eine Treiberschaltung T auf, die ein Treiberausgangssignal zur Verfügung stellt. Dieses wird über einen Basisvorwiderstand RB an einen er­ sten Anschluß eines kapazitiven Koppelelementes C1 ange­ legt, dessen anderer Anschluß mit dem Drain d des MOSFET- Schalters S1 verbunden ist. An einem zwischen dem Basis­ vorwiderstand RB und dem ersten Anschluß des kapazitiven Koppelelementes C1 vorgesehenen Schaltungspunkt P1 ist weiterhin die Basis eines ersten Transistors T1 ange­ schlossen, bei welchem es sich um einen npn-Transistor handelt. Dessen Kollektor ist mit der positiven Klemme einer Bootstrap-Versorgung E verbunden. Der Emitter des Transistors T1 steht entweder direkt oder über einen Gate-Vorwiderstand RG mit dem Gateanschluß g des MOSFET- Schalters S1 in Verbindung.

Weiterhin ist mit dem Schaltungspunkt P1 die Basis eines zweiten Transistors T2 verbunden, bei welchem es sich um einen pnp-Transistor handelt. Dessen Kollektor ist auf ein Bezugpotential gelegt, beispielsweise Masse. Der Emitter des zweiten Transistors T2 ist mit dem Gatean­ schluß g des MOSFET-Schalters S1 verbunden.

Die dargestellte Vorrichtung arbeitet wie folgt: Zu Be­ ginn eines Einschaltvorganges nimmt zunächst das Treiber­ ausgangssignal den Wert des Von der Bootstrap-Versorgung E bereitgestellten Versorgungssignals an. Über den Basis­ vorwiderstand RB fließt ein Ladestrom auf das kapazitive Koppelelement C1 und ein Basisstrom in den als Einschalt­ transistor wirkenden ersten Transistor T1. Dies geschieht solange, wie die Emitterspannung des Transistors T1 klei­ ner ist als die am Ausgang des Treibers T vorliegende Steuerspannung. Über den Basisstrom und den bekannten Stromverstärkungsfaktor des ersten Transistors T1 läßt sich der maximal mögliche Ladestrom für den Gateanschluß des MOSFET berechnen, wobei dieser Wert durch den Gate- Vorwiderstand RG begrenzt wird. Wird diese Begrenzung ak­ tiv vom ersten Transistor T1 selbst durchgeführt, dann kann der Gate-Vorwiderstand RG auch entfallen.

Nach dem Erreichen des Miller-Plateaus beginnt die Drain- Source-Spannung des MOSFET-Schalters abzufallen. Dieser Spannungsabfall erzeugt einen zusätzlichen Stromfluß durch das kapazitive Koppelelement C1 und reduziert somit den Basisstrom des Einschalttransistors T1. Die Folge da­ von ist eine Reduzierung des Gate-Ladestromes des MOSFET- Schalters S1 auf einen kleinen Wert und somit ein langsa­ mes Durchlaufen des aktiven Bereiches des MOSFET-Schal­ ters. Durch dieses langsame Durchlaufen des aktiven Be­ reiches wird eine Erzeugung von Störungen durch die Ein­ schaltflanke verhindert. Nach der Beendigung des Ein­ schaltvorganges fließt wieder der gesamte Treiberstrom durch die Basis des ersten Transistors T1. Durch das be­ schriebene Vorgehen ist ein schnelles Aufladen des Gates des MOSFET-Schalters S1 auf seinen stationären Endwert gewährleistet, ohne daß hohe Überspannungen und hochfre­ quente Oszillationen im MOSFET-Schalter auftreten.

Der Ausschaltvorgang des MOSFET-Schalters S1 erfolgt ähn­ lich dem Einschaltvorgang mit dem Unterschied, daß der während des Ausschaltvorganges aktive Ausschalttransistor durch den zweiten Transistor T2 der Ansteuerschaltung ge­ bildet wird, bei welchem es sich um einen pnp-Transistor handelt.

Die Vorteile des vorstehend beschriebenen Ausführungsbei­ spiels werden durch die Einfügung des kapazitiven Koppel­ elementes C1 erreicht. Diese kapazitive Kopplung sorgt für die zur Reduzierung von Schaltstörungen erforderliche Reduzierung des Gate-Ladestromes des MOSFET-Schalters. Die Größe dieses Stromes kann durch eine geeignete Dimensionierung des kapazitiven Koppelelementes C1 und des Basis-Vorwiderstandes RB eingestellt werden.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann in Reihe zum kapazitiven Koppelelement ein Ohmscher Widerstand vorgesehen sein. Dies erlaubt eine weiter ver­ besserte Einstellung der Ladungseinbringung in das Gate des MOSFET-Schalters und eine weitere Reduzierung eventu­ ell auftretender Schwingungen.

Die beschriebene Ansteuerschaltung zeichnet sich durch einen geringen Bauteileaufwand aus. Das erforderliche Ti­ ming ist einfach einzustellen. Sie stellt eine univer­ selle, von Bauelementetoleranzen unabhängige Schaltung dar, die einfach und kostengünstig realisierbar ist. Durch die Verwendung einer nur geringen Anzahl von Bau­ teilen ist die Zuverlässigkeit der Schaltung im Vergleich zu bekannten Schaltungen, die eine höhere Anzahl von Bau­ teilen aufweisen, gesteigert. Die Schaltung ist unabhän­ gig vom verwendeten Transistortyp und dem gewählten Be­ triebspunkt, da der zum Schaltzeitpunkt vorhandene Effekt der Spannungsänderung genutzt wird.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur Ansteuerung eines MOSFET-Schalters, welcher einen Gateanschluß, einen Drainanschluß und einen Sourceanschluß aufweist, wobei die Ansteuerung des MOSFET-Schalters mittels einer Ansteuerschaltung über den Gateanschluß erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwischen dem Drainanschluß (d) des MOSFET-Schalters (S1) und der Ansteuerschaltung ein kapazitives Koppelelement (C1) aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerschaltung eine Treiberschaltung (T) auf­ weist, die ein Treiberausgangssignal zur Verfügung stellt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Treiberschaltung über einen Basisvorwiderstand (RB) mit einem ersten Anschluß des kapazitiven Koppelele­ mentes (C1) verbunden ist, dessen zweiter Anschluß an den Drain-Anschluß des MOSFET-Schalters (S1) angeschlossen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen ersten Transistor (T1) aufweist, dessen Ba­ sis an einen Verbindungspunkt (P1) zwischen dem Basisvor­ widerstand (RB) und dem ersten Anschluß des kapazitiven Koppelelementes (C1) angeschlossen ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sie einen zweiten Transistor (T2) aufweist, dessen Basis an den Verbindungspunkt (P1) zwischen dem Basisvorwiderstand (RB) und dem ersten Anschluß des kapa­ zitiven Koppelelementes (C1) angeschlossen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Kollektor des ersten Transistors (T1) mit einem Energieversorgungsmittel (E) und der Emitter des ersten Transistor (T1) mit Gateanschluß des MOSFET- Schalters (S1) verbunden ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitter des ersten Transistors (T1) über einen Gatevorwiderstand (RG) mit dem Gateanschluß des MOSFET- Schalters (S1) verbunden ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor des zweiten Transistors (T2) mit einem Bezugspotential und der Emitter mit dem Gateanschluß des MOSFET-Schalters (S1) verbunden ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen in Reihe zum kapa­ zitiven Koppelelement angeordneten Ohmschen Widerstand aufweist.