DE10038220C2 - 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) liegenden 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 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 das 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 Ladungspumpe und einer Strombegrenzungsschaltung.

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.

DE 196 35 332 A1 beschreibt einen Leistungshalbleiterschalter mit einer zwischen einem Gate-Anschluß eines als Leistungs­ halbleiter dienenden FET-Transistors (1) und dessen an Last liegendem Ausgangsanschluß eingeschalteten Strombegrenzungs­ schaltung und einer mit dem Gate-Anschluß verbundenen La­ dungspumpe, mit der dem Gate des FET (1) ein Ladestrom inji­ ziert wird. Die Strombegrenzungsschaltung umfaßt einen Regel­ transistor, der oberhalb einer vorgegebenen Spannung an der Laststrecke des Leistungstransistors durch eine Regelungsein­ richtung so gesteuert wird, daß die Spannung am Steueranschluß des Leistungstransistors unabhängig von der Spannung an der Laststrecke desselben konstant geregelt wird.

Angesichts des oben beschriebenen Nachteils ist es Aufgabe der Erfindung diesen Nachteil zu beseitigen und einen Lei­ stungshalbleiterschalter 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 ermöglicht diese Erfindung einen Leistungshalbleiterschalter mit einer zwischen einem Gateanschluß eines Feldeffektleistungstransistors und dessen an einer Last liegendem Ausgangsanschluß eingeschalteten Strombegrenzungsschaltung und einer mit diesem Gateanschluß verbundenen Ladungspumpe, mit der dem Gate des Feldeffektlei­ stungstransistors ein Ladestrom injiziert wird, wobei die Strombegrenzungsschaltung in einem Hauptzweig derselben in Serie zu einem FET-Regeltransistor einen FET-Tansistor vom Verarmungstyp zur Kompensation der Streuung der Stärke des von der Ladungspumpe gelieferten Ladestroms und in einem par­ allel zum Hauptzweig geschalteten Entladezweig einen FET- Regeltransistor vom Anreicherungstyp aufweist, der so einge­ richtet ist, daß die Strombegrenzungswirkung des Entlade­ zweigs im Kurzschlußfall deutlich über der des Hauptzweigs liegt und im fehlerfreien Betrieb die Stärke der Strombegren­ zung ausschließlich durch den Hauptzweig eingestellt wird.

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

Mit dem parallel zum Hauptzweig der Strombegrenzungsschaltung liegenden, zusätzlichen Entladezweig läßt sich eine Rückrege­ lung des Stroms durch den Leistungstransistor im Kurzschluß­ fall in sehr kurzer Zeit erreichen, wodurch die Zer­ störungsgefahr des Leistungshalbleiterschalters im Kurz­ schlußfall 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 ein Sense-Zweig 9 geschaltet, der einen Sense-FET 2 und in Reihe dazu einen unterteilten Shuntwiderstand 3a, 3b aufweist. Der Gate-Anschluß des Sense-FET 2 ist mit dem Gate G des Leistungs-FET 1 verbunden.

Die Strombegrenzungsschaltung 10 weist einen zwischen dem Ga­ te G des Leistungs-Fets (1) und dem Ausgangsanschluß OUT 4 liegenden Hauptzweig 11 auf, der in Reihe zu einem Regel-FET 13 einen Kompensations-FET 14 vom Verarmungstyp hat, der zur Kompensation der durch die Streuung der Stärke des Gate-Lade- FETs 7 hervorgerufenen Streuung der Strombegrenzung dient. Der Gateanschluß des Regel-FETs 13 ist mit dem oberen Ende des unterteilten Shuntwiderstands 3a, 3b verbunden.

Da jedoch im Falle eines Kurzschlußes bei eingeschaltetem Leistungshalbleiterschalter, wie erwähnt, eine rasche Entla­ dung der Gate-Source-Kapazität des FET-Leistungstransistors und damit eine Rückregelung des Ausgangsstroms durch den Kom­ pensations-FET 14 verhindert wird, was zur unerwünschten Be­ lastung bzw. Zerstörung des Leistungs-FETs 1 und damit zum Ausfall der gesamten Schaltung führen kann, ist parallel zum Hauptzweig 11 der Strombegrenzungsschaltung 10 ein Entlade­ zweig 12 geschaltet, der im Ausführungsbeispiel aus einem N- Kanal-Anreicherungsfeldeffekttransistor 15 besteht, dessen Drain-Source-Strecke zwischen dem Gate G und dem Ausgangsan­ schluß OUT 4 liegt und dessen Gate-Anschluß am mittleren Ab­ griff des unterteilten Shuntwiderstands 3a und 3b angeschlos­ sen 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 fehlerfreien stationären Betrieb die Stärke der Strombegrenzung nur durch den Hauptzweig 11 der Strombegrenzungsschaltung 10 bestimmt ist, können die beiden Regel-FETs 13, 15 unterschiedlich dimensioniert sein bzw. eine unterschiedliche Einsatzspannung haben, und/oder deren Gate-Anschlüsse können, wie in der Fi­ gur dargestellt, an unterschiedlichen Abgriffen am Shuntwi­ derstand 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-FETs 1 und damit eine rasche Rückregelung des Ausgangsstroms er­ reicht, so dass eine Zerstörung des Leistungs-FETs 1 vermie­ den ist. Im fehlerfreien stationären Betrieb dagegen ist die Strombegrenzungswirkung der Strombegrenzungsschaltung 10 nur durch deren Hauptzweig 11 bestimmt.

Im Ausführungsbeispiel ist der Leistungs-FET 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 sehr kurzer Zeit zurück geregelt werden. Eine Messung bei einer realisierten Schaltung ergab eine Rückregelung im Kurzschlußfall in 10 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 Feldeffektleistungstransistors (1) ein Ladestrom injiziert wird, wobei die Strombegrenzungsschaltung (10) in einem Hauptzweig (11) derselben in Serie zu einem FET-Regeltransistor (13) einen FET-Transistor (14) vom Verar­ mungstyp zur Kompensation der Streuung der Stärke des von der Ladungspumpe (6, 7) gelieferten Ladestroms und in einem parallel zum Hauptzweig (11) geschalteten Entladezweig (12) einen FET-Regeltransistor (15) vom Anreicherungstyp aufweist, der so eingerichtet ist, daß die Strombegrenzungswirkung des Entladezweigs (12) im Kurzschlußfall deutlich über der des Hauptzweigs (11) liegt und im fehlerfreien Betrieb die Stärke der Strombegrenzung 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 FET-Regeltransistoren (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 der Gateanschlüsse ihrer FET- Regeltransistoren (13, 15) an einem im parallel zum Leistungstransistor (1) geschalteten Sensezweig (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.