DE10038220A1 - Überstromgeschützter Halbleiterleistungsschalter mit Ladungspumpe - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Leistungshalbleiterschalter mit einer zwischen einem Gateanschluss (G) eines Feldeffektleistungstransistors (1) und dessen an einer Last (L) liegendem Ausgangsanschluss (OUT) eingeschalteten Strombegrenzungsschaltung (10) und einer mit diesem Gateanschluss (G) verbundenen Ladungslampe (6, 7) mit der dem Gate (G) des Leistungstransistors (1) ein Ladestrom injiziert wird, wobei in Serie zu einem Regeltransistor (13) der Strombegrenzungsschaltung (10) ein FET-Transistor (14) vom Verarmungstyp zur Kompensation der Streuung der Stärke des von der Ladungspumpe (6, 7) gelieferten Ladestroms geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Strombegrenzungsschaltung (10) einen zu einem einen FET-Regeltransistor (13) aufweisenden Hauptzweig (11) parallel geschalteten Entladezweig (12) mit einem Feldeffekttransistor (15) vom Anreicherungstyp aufweist, der so eingerichtet ist, dass die Strombegrenzungswirkung des Entladezweigs (12) im Fehlerfall deutlich über der des Hauptzweigs (11) liegt und im fehlerfreien Betrieb die Stärke der Strombegrenzung ausschließlich durch den Hauptzweig (11) eingestellt wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen Leistungshalbleiterschalter mit einer zwischen einem Gateanschluß eines Feldeffektlei­ stungstransistors und dessen an einer Last liegendem Aus­ gangsanschluß eingeschalteten Strombegrenzungsschaltung und einer mit diesem Gateanschluß verbundenen Ladungspumpe, mit der dem Gate des Leistungstransistors ein Ladestrom injiziert wird, wobei in Serie zu einem Regeltransistor der Strombe­ grenzungsschaltung ein FET-Transistor vom Verarmungstyp zur Kompensation der Streuung der Stärke des von der Ladungspumpe gelieferten Gleichstroms geschaltet ist.

Zur Verbesserung der fertigungsbedingten Streuung von Feldef­ fektleistungstransistoren enthaltenden Leistungshalbleiter­ schaltern, die durch Streuung der Stärke des in der Ladungs­ pumpe enthaltenen, eine Konstanzstromquelle realisierenden, Feldeffekttransistors vom Verarmungstyp bedingt ist, wird in einer derzeit gefertigten Strombegrenzungsschaltung ein Fel­ deffekttransistor vom Verarmungstyp zur Kompensation in Serie zum eigentlichen Regeltransistor der Strombegrenzungs­ schaltung eingesetzt. Dadurch wird aber im Falle des Kurz­ schlusses bei eingeschaltetem Leistungshalbleiterschalter ei­ ne rasche Entladung der Gate-Source-Kapazität des Lei­ stungstransistors und damit eine Rückregelung des Ausgangs­ stromes verhindert. Dies kann zu einer unerwünschten Bela­ stung bzw. Zerstörung des Leistungshalbleiterschalters bzw. von dessen Leistungstransistors führen.

Angesichts des oben beschriebenen Nachteils ist es Aufgabe der Erfindung diesen Nachteil zu beseitigen und einen Leistungshalbleiterschalter mit einer verbesserten Strombegren­ zungsschaltung so zu ermöglichen, dass auch beim Einsatz von PROFETs als Leistungstransistoren, die eine erhöhte Anforde­ rung an die Genauigkeit der Strombegrenzung stellen, eine schnelle Strombegrenzung, d. h. eine in kurzer Zeit stattfin­ dende Rückregelung des Stroms im Kurzschlußfall erreicht ist.

Diese Aufgabe wird anspruchsgemäß gelöst.

Gemäß einem wesentlichen Aspekt der Erfindung weist die Strombegrenzungsschaltung des Leistungshalbleiterschalters parallel zum Hauptzweig, de den eigentlichen Regeltransistor enthält, einen zusätzlichen Entladezweig auf, der bevorzugt einen N-Kanal-Feldeffekttransistor vom Anreicherungstyp auf­ weist. Die "Strombegrenzungswirkung" dieses Entladezweigs liegt deutlich über der des Hauptzweigs, so dass im Fehler­ fall (Kurzschluß) eine rasche Rückregelung des Ausgangsstroms des Leistungstransistors erfolgen kann, wobei im fehlerfreien oder stationären Betrieb die Stärke der Strombegrenzung nur durch den Hauptzweig eingestellt wird. Dies kann im Haupt­ zweig und im Entladezweig durch jeweilige Regeltransistoren unterschiedlicher Dimensionierung bzw. Einsatzspannung und/oder durch jeweils unterschiedliche Abgriffe der Gerätan­ schlüsse der jeweiligen Regeltransistoren im Hauptzweig und im Entladezweig an einem im parallel zum Leistungstransistor geschalteten Sense-Zweig liegenden Shuntwiderstand erreicht werden.

Der erfindungsgemäße Leistungshalbleiterschalter weist bevor­ zugt einen PROFET als Leistungstransistor auf, wobei die an­ deren Feldeffekttransistoren N-Kanal-Feldeffekttransistoren sind.

Mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen, parallel zum Haupt­ zweig der Strombegrenzungsschaltung liegenden, zusätzlichen Entladezweig läßt sich eine Rückregelung des Stroms durch den Leistungstransistor im Kurzschlußfall anstatt in 100 µs in 10 µs erreichen, wodurch die oben geschilderte Zerstörungsgefahr des PROFETs Leistungshalbleiterschalter im Kurzschlußfall vermieden ist.

Die nachfolgende Beschreibung beschreibt unter Bezug auf die einzige Figur ein derzeit bevorzugtes Ausführungsbeispiel ei­ nes erfindungsgemäßen Leistungshalbleiterschalters.

Die Figur zeigt schematisch ein Schaltbild eines Ausführungs­ beispiels eines Leistungshalbleiterschalters mit Ladungspumpe und Strombegrenzungsschaltung. Ein Leistungsfeldeffekttransi­ stor 1 liegt mit seiner Drain-Source-Strecke zwischen einem Betriebsspannungsanschluß 5 (Betriebsspannung V_bb) und einer an einem Ausgangsanschluß OUT 4 angeschlossenen Last L. Eine Ladungspumpe 6 injiziert über einen Gate-Lade-Feldeffekttran­ sistor 7 vom Verarmungstyp dem Gate G des Leistungsfeldef­ fekttransistors 1 einen Ladestrom. Dabei kann, wie erwähnt, die Stärke des Gate-Lade-Feldeffekttransistors 7 fertigungs­ bedingt streuen und damit die Wirkung der Strombegrenzung des Leistungshalbleiterschalters beeinträchtigen.

Parallel zur Drain-Source-Strecke, d. h. zwischen dem Be­ triebsspannungsanschluß 5 und dem Ausgangsanschluß OUT 4 ist in üblicher Weise ein Sense-Zweig 9 geschaltet, der einen Sense-FET 2 und in Reihe dazu einen unterteilten Shuntwider­ stand 3a, 3b aufweist. Der Gate-Anschluß des Sense-FET 2 ist mit dem Gate G des Leistungs-FET 1 verbunden.

Die Strombegrenzungsschaltung 10 besteht, wie bekannt, aus einem zwischen dem Gate G und dem Ausgangsanschluß OUT 4 liegenden Hauptzweig 11. Der Hauptzweig 11 der Strombegrenzungs­ schaltung 10 weist in Reihe zu einem Regel-FET 13 einen Kom­ pensations-FET 14 vom Verarmungstyp auf, der zur Kompensation der durch die Streuung der Stärke des Gate-Lade-FETs 7 her­ vorgerufenen Streuung der Strombegrenzung dient. Der Gatean­ schluß des Regel-FETs 13 ist mit dem oberen Ende des unter­ teilen Shuntwiderstands 3a, 3b verbunden.

Da jedoch im Falle eines Kurzschlußes bei eingeschaltetem Leistungshalbleiterschalter, wie erwähnt, eine rasche Entla­ dung der Gate-Source-Kapazität des Leistungstransistors und damit eine Rückregelung des Ausgangsstroms durch den Kompen­ sations-FET 14 verhindert wird, was zur unerwünschten Bela­ stung bzw. Zerstörung des Leistungs-FETs 1 und damit zum Aus­ fall der gesamten Schaltung führen kann, ist erfindungsgemäß parallel zum Hauptzweig 11 der Strombegrenzungsschaltung 10 ein Entladezweig 12 geschaltet, der im Ausführungsbeispiel aus einem N-Kanal-Anreicherungsfeldeffekttransistor 15 be­ steht, dessen Drain-Source-Strecke zwischen dem Gate G und dem Ausgangsanschluß OUT 4 liegt und dessen Gate-Anschluß am mittleren Abgriff des unterteilten Shuntwiderstands 3a und 3b angeschlossen ist.

Damit die Strombegrenzungswirkung dieses Entladezweigs 12 deutlich über der des Hauptzweigs 11 liegt, so dass im Feh­ lerfall eine rasche Rückregelung des Ausgangsstroms des Lei­ stungshalbleiterschalters erfolgen kann und im stationären Betrieb die Stärke der Strombegrenzung nur durch den Haupt­ zweig 11 der Strombegrenzungsschaltung 10 bestimmt ist, kön­ nen die beiden Regel-FETs 13, 15 unterschiedlich dimensio­ niert sein bzw. eine unterschiedliche Einsatzspannung haben, und/oder deren Gate-Anschlüsse können, wie in der Figur dar­ gestellt, an unterschiedlichen Abgriffen am Shuntwiderstand 3a, 3b angeschlossen sein.

Durch den so dimensionierten bzw. angeschlossenen Regel-FET 15 des Entladezweigs 12 wird im Falle eine Kurzschlusses eine rasche Entladung der Gate-Source-Kapazität des Leistungs­ transistors 1 und damit eine rasche Rückregelung des Aus­ gangsstroms erreicht, so dass eine Zerstörung des Leistungs­ halbleiterschalters vermieden ist. Im stationären Betrieb da­ gegen ist die Strombegrenzungswirkung der Strombegrenzungs­ schaltung 10 nur durch den Hauptzweig 11 desselben bestimmt.

Im Ausführungsbeispiel ist der Leistungsfeldeffekttransistor 1 ein PROFET und die weiteren Feldeffekttransistoren 2, 7, 13, 14, 15 sind N-Kanal-Feldeffekttransistoren.

Selbstverständlich kann das in der Figur dargestellte Prinzip des erfindungsgemäßen Leistungshalbleiterschalters auch bei andersartigen Feldeffekt-Leistungstransistoren 1 angewendet werden. Mit dem in der Figur dargestellten Ausführungsbei­ spiel eines Leistungshalbleiterschalters konnte im Kurz­ schlußfall der durch den Leistungstransistor 1 und die Last L fließende Strom in wesentlich kürzer Zeit als bisher zurück geregelt werden. Eine Messung bei einer realisierten Schal­ tung ergab eine Rückregelung im Kurzschlußfall in 10 µs an­ statt wie bisher in 100 µs.

Bezugszeichenliste

1

Leistungstransistor

2

Sense-Transistor

3

a,

3

b Shuntwiderstand

4

Ausgangsanschluß OUT

5

Betriebsspannungsanschluß

6

Ladungspumpe

7

Gate-Lade-Verarmungs-FET

9

Sense-Zweig

10

Strombegrenzungsschaltung

11

Hauptzweig der Strombegrenzungsschaltung

12

Entladezweig der Strombegrenzungsschaltung

13

,

15

Regel-FETs

14

Kompensations-FET
G Gateanschluß
L Last
V_bb

Betriebsspannung

Claims (4)

1. Leistungshalbleiterschalter mit einer zwischen einem Gateanschluß (G) eines Feldeffektleistungstransistors (1) und dessen an einer Last (L) liegendem Ausgangsanschluß (OUT) eingeschalteten Strombegrenzungsschaltung (10) und einer mit diesem Gateanschluß (G) verbundenen Ladungspumpe (6, 7) mit der dem Gate (G) des Leistungstransistors (1) ein Ladestrom injiziert wird, wobei in Serie zu einem Regeitransistor (13) der Strombegrenzungsschaltung (10) ein FET-Transistor (14) vom Verarmungstyp zur Kompensation der Streuung der Stärke des von der Ladungspumpe (6, 7) gelieferten Ladestroms ge­ schaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Strombegrenzungsschaltung (10) einen zu einem einen FET-Regeltransistor (13) aufweisenden Hauptzweig (11) paral­ lel geschalteten Entladezweig (12) mit einem Feldeffekttran­ sistor (15) vom Anreicherungstyp aufweist, der so eingerich­ tet ist, dass die Strombegrenzungswirkung des Entladezweigs (12) im Fehlerfall deutlich über der des Hauptzweigs (11) liegt und im fehlerfreien Betrieb die Stärke der Strombegren­ zung ausschließlich durch den Hauptzweig (11) eingestellt wird.

2. Leistungshalbleiterschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strombegrenzungswirkung des Hauptzweigs (11) und des Entladezweigs (12) jeweils durch unterschiedliche Dimensio­ nierung bzw. Einsatzspannungen ihrer Feldeffektregeltransi­ storen (13, 15) eingestellt ist.

3. Leistungshalbleiterschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strombegrenzungswirkung des Hauptzweigs (11) und des Entladezweigs (12) der Strombegrenzungsschaltung (10) jeweils durch unterschiedliche Abgriffe ihrer Gateanschlüsse an einem im parallel zum Leistungstransistor (1) geschalteten Sense­ zweig (9) liegenden unterteilten Shunt-Widerstand (3a, 3b) eingestellt ist.

4. Leistungshalbleiterschalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Feldeffektleistungstransistor (1) ein N-Kanal-PROFET und die weiteren Feldeffekttransistoren (2, 7, 13, 14, 15) N- Kanal-Feldeffekt-Transistoren sind.