DE102004024112A1

DE102004024112A1 - Schaltung zur Messung des Stromes durch einen Leistungs-MOSFET

Info

Publication number: DE102004024112A1
Application number: DE102004024112A
Authority: DE
Inventors: Vincent Thiery
Original assignee: International Rectifier Corp USA
Current assignee: Infineon Technologies Americas Corp
Priority date: 2003-05-14
Filing date: 2004-05-14
Publication date: 2004-12-16
Anticipated expiration: 2024-05-15
Also published as: JP4022208B2; US7005881B2; US20040227539A1; JP2004364280A; DE102004024112B4

Abstract

Eine Schaltung zur Messung des Stromes durch einen Leistungs-MOSFET (10) sowohl in den linearen als auch den gesättigten Arbeitsbereichen des Leistungs-MOSFET umfasst eine erste mit dem Leistungs-MOSFET gekoppelte Schaltung (10) zur Messung des Stromes durch den Leistungs-MOSFET (20) in dem gesättigten Arbeitsbereich des Leistungs-MOSFET und eine zweite mit dem Leistungs-MOSFET gekoppelte Schaltung (100) zur Messung des Stromes durch den MOSFET (20) in dem linearen Arbeitsbereich des MOSFET.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung zur Messung des Stromes durch einen Leistungs-MOSFET der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.
Diese Anmeldung beansprucht den Zeitrang und die Priorität der provisorischen US-Patentanmeldung mit dem Titel „CURRENT SENSING DRIVER OPERABLE IN LINEAR AND SATURATED REGIONS" vom 14. Mai 2003, Anmelde-Nummer 60/470 476, deren gesamte Offenbarung durch diese Bezugnahme hier mit aufgenommen wird.
Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung befasst sich mit Leistungs-MOSFETS und insbesondere mit Strommessschaltungen zur Verwendung mit Leistungs-MOSFETS, die es ermöglichen, dass der Strom durch den Leistungs-MOSFET sowohl in den linearen als auch den gesättigten Bereichen des MOSFET-Betriebs gemessen wird.

Derzeit ist es bekannt, Strommessstrukturen für Leistungs-MOSFETS zu schaffen, die den Drain-Source-Strom durch den Leistungs-MOSFET messen, wenn sich der Leistungs-MOSFET in dem gesättigten Bereich befindet, das heißt wenn die Drain-Source-Spannung kleiner als ungefähr 3-4 Volt ist. Wenn die Drain-Source-Spannung größer als 3-4 Volt ist, arbeitet der MOSFET in dem sogenannten linearen Bereich. Bisher wurden keine Strommessschaltungen geschaffen, die den Strom beim Betrieb des Leistungs-MOSFET sowohl in dem linearen Bereich als auch dem gesättigten Bereich messen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Strommessschaltung für einen Leistungs-MOSFET zu schaffen, die den Strom in dem Leistungs-MOSFET sowohl in dem gesättigten als auch linearen Arbeitsbereich misst.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die vorstehenden und andere Ziele der Erfindung werden durch eine Schaltung zur Messung des Stromes durch einen Leistungs-MOSFET sowohl in den linearen als auch gesättigten Arbeitsbereichen des Leistungs-MOSFETS erreicht, die eine erste mit dem Leistungs-MOSFET gekoppelte Schaltung zur Messung des Stromes durch den Leistungs-MOSFET in dem gesättigten Arbeitsbereich des Leistungs-MOSFETS und eine zweite mit dem Leistungs-MOSFET gekoppelte Schaltung zur Messung des Stromes durch den Leistungs-MOSFET in dem linearen Arbeitsbereich des MOSFETS umfasst.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung der Erfindung, die sich auf die beigefügten Zeichnungen bezieht.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nunmehr ausführlicher in der folgenden ausführlichen Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 einen Leistungs-MOSFET zeigt, der Schaltungen zur Messung des Drain-Source-Stromes des MOSFET sowohl in den linearen als auch gesättigten Arbeitsbereichen einschließt;
2 zeigt einen Teil der Schaltung nach 1 zur Messung des Drain-Source-Stromes in dem Leistungs-MOSFET in dem gesättigten Arbeitsbereich; und
3 zeigt einen Teil der Schaltung nach 1 zur Messung des Drain-Source-Stromes in dem Leistungs-MOSFET in dem linearen Arbeitsbereich.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen zeigt 1 einen Leistungs-MOSFET 20, der mit einer Haupt-MOSFET-Zelle oder Zellen 20A zum Leiten des Laststromes sowie mit einer Strommesszelle oder Zellen 20B zum Leiten eines wesentlich niedrigeren Strompegels versehen ist, beispielsweise 10000 mal weniger Strom als in dem Haupt-MOSFET, wobei dieser niedrigere Strom proportional zu dem Strom in dem Haupt-MOSFET ist, in diesem Fall um einen Faktor von 1/10.000 niedriger. Zwei Strommessschaltungen sind vorgesehen, wobei die ersten Schaltung 10 zur Messung des Stromes in dem gesättigten Bereich dient, während die zweite Schaltung 100 zur Messung des Stromes in dem linearen Bereich dient. Der gemessene Strom wird in jedem Fall als eine Spannung längs eines Widerstandes RDG erfasst.
In 2 ist die Schaltung nach 1 zur Messung des Stromes in dem gesättigten Arbeitsbereich gezeigt. Im Einzelnen arbeitet die Schaltung, wenn die Drain-Source-Spannung kleiner als ungefähr 3-4 Volt ist. Der Leistungs-MOSFET ist bei 20 gezeigt und schließt eine Haupt-FET-Zelle oder Zellen 20A und eine Strommesszelle oder Zellen 20B ein. Ein Laststrom I_LAST fließt durch die Last in der gezeigten Weise. Ein Messstrom I_sens wird dem invertierenden Eingang eines Verstärkers 22 zugeführt. Die Source-Elektrode des Leistungs-MOSFETS ist mit dem nicht-invertierenden Eingang des Verstärkers 22 gekoppelt. Der Verstärker 22 ist mit positiven und negativen Leistungsversorgungen Vdd und Vss2 versehen. Das Ausgangssignal des Verstärkers 22 wird an einen FET 24 geliefert, in diesem Fall ein P-Kanal-Bauteil 24. Der Drain-Anschluss des Bauteils 24 ist mit einer Diagnose-Ausgangslast, beispielsweise einem Widerstand R_DG verbunden. Der Strom durch den Widerstand R_D _G ist proportional zu dem Strom I_LAST durch die Last und die Spannung längs R_DG ist proportional zu dem Laststrom I_LAST.
Die Schaltung arbeitet wie folgt: wenn die Spannung V_ds der MOSFET-Zellen 20A kleiner als ungefähr 3-4 Volt ist und weil der Verstärker 22 zwischen der Versorgung V_SS2 und der Drain-Spannung Vdd vorgespannt ist, liefert der Verstärker nur dann ein Ausgangssignal, wenn die Drain-Source-Spannung des Leistungs-MOSFET angenähert kleiner als 3-4 Volt ist. Entsprechend ist der Strom durch R_D _G nur dann ein Maß des Stromes durch die Last, wenn der Leistungs-MOSFET eingeschaltet ist, nicht dann, wenn der MOSFET sich in seiner aktiven Klemmstufe befindet oder während seines Einschaltens oder Ausschaltens, das heißt wenn sich der MOSFET in seiner sogenannten linearen Betriebsart befindet und die Drain-Source-Spannung 3-4 Volt übersteigt.
Der Verstärker 22 stellt eine Stromsenke für die Strommesszellen 20B dar, so dass die Spannung an dem invertierenden Eingang, das heißt die Spannung V_ISENS gleich der Spannung V_S an dem nicht-invertierenden Eingang V₊ ist. Sobald die Spannungen an den invertierenden und nicht-invertierenden Eingängen gleich sind, haben die Strommesszellen 20B eine Spannung entlang dieser Zellen, die gleich der Spannung V_ds des Haupt-Leistungstransistors ist. Der Strom I_SENS ist daher proportional zum Strom durch die Hauptzelle 20A in dem Verhältnis der Zellen in den Messzellen 20B zu den Haupt-Transistorzellen 20A. Beispielsweise ist das Verhältnis 1/10.000. Entsprechend steuert der Verstärker 22 das P-Kanal-MOS-Bauteil 24 derart an, dass die Spannung an dem invertierenden Eingang des Verstärkers 22 der Spannung an dem nicht-invertierenden Eingang folgt. Der Source-Anschluss des Bauteils 24, der mit dem invertierenden Eingang des Verstärkers verbunden ist, stellt eine Stromsenke für den Strom I_SENS dar. Der Strom durch das Bauteil 22 und damit durch den Widerstand R_DG folgt entsprechend, und die Spannung längs R_D _G ist ein Maß des Stromes in dem MOS-Bauteil 20A, wenn sich dieser in seinem gesättigten Betriebszustand befindet, das heißt wenn V_ds kleiner oder gleich ungefähr 3-4 Volt ist. Weil der Verstärker zwischen V_SS2 und der Drain-Spannung vorgespannt ist, liefert er nur dann den Diagnoseausgang, wenn die Spannung V_ds kleiner als ungefähr 3-4 Volt ist, das heißt wenn sich der Leistungs-MOSFET in seinem gesättigten Arbeitsbereich befindet Wenn V_d _s ungefähr 3-4 Volt übersteigt, so ist der Ausgang gleich Null.
3 zeigt die Schaltung 100, die mit dem Leistungs-MOSFET gekoppelt ist, um den Strom durch den Leistungs-MOSFET zu messen, wenn sich dieser in seinem linearen Arbeitsbereich befindet, beispielsweise wenn er ein- oder ausschaltet und V_ds größer als ungefähr 3-4 Volt ist. Ein Widerstand 101 ist in Serie mit der Strommesszelle oder den Strommesszellen des Leistungs-MOSFET gekoppelt. Ein weiterer Widerstand 103 ist in einer Stromteiler-Anordnung mit dem Widerstand 101 angeordnet. Erste und zweite MOSFETS 105 und 107 sind in einer Stromspiegel-Anordnung vorgesehen. Eine Stromquelle 109 ist mit der Stromspiegel-Anordnung gekoppelt. Ein dritter Widerstand 111 ist mit dem Source-Anschluss des Transistors 107 gekoppelt und spiegelt den Strom durch den Widerstand 103 in einem definierten Verhältnis.
Der invertierende Eingang eines Verstärkers 122 ist zum Empfang einer Bezugsspannung eingeschaltet, die von einer Stromquelle 124 geliefert wird, die in Serie mit einem Widerstand R geschaltet ist. Der nicht invertierende Eingang ist mit dem Drain-Anschluss des Transistors 107 und mit dem Drain-Potential Vdd des Haupt-Leistungs-MOSFET über einen zweiten Widerstand R gekoppelt. Der Ausgang des Verstärkers ist mit ersten und zweiten P-Kanal-Bauteilen 126 und 128 gekoppelt, deren Gate-Anschlüsse miteinander verbunden sind und deren Source-Anschlüsse mit dem Drain-Potential des Haupt-Leistungs-MOSFET verbunden sind. Der Drain-Anschluss des Bauteils 126 ist mit dem Source-Anschluss des Transistors 107 verbunden, und der Drain-Anschluss des zweiten Bauteils 128 ist mit dem Diagnoseausgang verbunden, der über den Widerstand R_D _G mit Erde oder Masse verbunden ist.
Die Bauteile 126 und 128 sind weiterhin so ausgebildet, dass das Verhältnis der Ströme durch die Bauteile ein definiertes Verhältnis aufweist, beispielsweise ein Verhältnis von 1:60, wie dies gezeigt ist.
Die Schaltung arbeitet wie folgt:
Der Strom i₂ ist proportional zu dem Strom i₁ in angenähertem Verhältnis des Widerstandes 103 zum Widerstand 111. Aufgrund der Stromspiegel-Anordnung der Transistoren 105 und 107 ist der Strom durch den Widerstand 111, der angenähert gleich i₂ ist, angenähert gleich dem Strom i₁ multipliziert mit R103/R111. Bei der dargestellten Ausführungsform weist R103 einen Widerstandswert von 150 Ohm und R111 einen Widerstandswert von 4300 Ohm auf. Aufgrund des Stromverhältnisses zwischen den Bauteilen 128 und 126 ist groß I_D _G angenähert gleich dem 60fachen von i₂ oder gleich dem 60fachen von R103/R111 multipliziert mit i₁. Bei der dargestellten Ausführungsform ist dies ungefähr das Zweifache von R1. Der Grund für den Faktor von 2 besteht darin, dass der Spannungsabfall längs des Widerstandes 103 groß ist und das Verhältnis des Stromes i₁ zum Strom I_LAST beeinflusst. Dieser Faktor von 2 korrigiert angenähert den I_SENS zu Source-Offset-Effekt. Die Erzielung des gleichen Verhältnisses während der linearen Betriebsart und der Sättigungsbetriebsart kann durch versuchsweises Ändern des Wertes des Widerstandes 101 erzielt werden. Um die Stabilität zu vergrößern, wird I_D _G in offener Schleife angesteuert. Der Widerstand 101 hat nur einen geringen Einfluss, weil er einen relativ hohen Widerstand verglichen mit dem Widerstand 103 aufweist und nur einen Schutz gegen elektrostatische Entladungen bildet, wenn die Halbleiterplättchen nicht verbunden sind.
Wenn der Strom durch die Last ansteigt, steigt der Strom I_SENS ebenfalls an, weil die Strommesszelle 20B in Serie mit den parallelen Widerständen 101 und 103 längs der Drain-Source-Verbindung angeschaltet ist. Die Spannung längs des Widerstandes 101 und entsprechend längs des Widerstandes 103 steigt in gleicher Weise an, wodurch der Strom durch das Bauteil 105 vergrößert wird, der durch das Bauteil 107 gespiegelt wird. Wenn der Strom durch den Transistor 107 ansteigt, nimmt die Spannung an dem nicht-invertierenden Eingang des Verstärkers 122 ab, wodurch der Ausgang des Verstärkers 122 stärker negativ wird und die Transistoren 126 und 128 stärker positiv vorspannt, wodurch der Strom I₂ und I_D _G vergrößert wird. Wenn der Strom I₂ ansteigt, nimmt der Strom in den Transistoren 107 und 105 ab, wodurch der Spannungspegel an dem nicht-invertierenden Eingang verringert wird, bis die Spannungen an den Eingängen an den Verstärker wiederum gleich sind. Die Spannung längs des Widerstandes R_DG ist daher proportional zu dem Strom durch den Haupt-Leistungs-MOSFET 20A.
Wenn V_ds längs des Leistungs-MOSFET unter ungefähr 3-4 Volt abfällt, misst die Messschaltung nach 2 den Strom von I_SENS, so dass die I_SENS -SK (Source-) Spannungsdifferenz auf 0 Volt geht. Die Spannung längs der Widerstände 101 und 103 geht somit nach 0, und die Transistoren 105 und 107 werden daher abgeschaltet. Der Strom I₂ fällt auf 0 ab, so dass das Ausgangssignal der Schaltung nach 3 abgeschaltet wird und die Schaltung nach 2 dann ein Ausgangssignal erzeugt, das proportional zu dem Strom in dem gesättigten Arbeitsbereich des MOSFET ist.
Wenn die Spannung V_ds über ungefähr 3-4 Volt ansteigt, das heißt wenn sich der Leistungs-MOSFET in dem linearen Bereich befindet, hört der Verstärker 22 nach 2 aufgrund seiner Vorspannung zwischen V_dd und V_ss ₂ auf, ein Ausgangssignal zu liefern, und die Schaltung nach 3 liefert ein Ausgangssignal (linearer Bereich).
Entsprechend arbeiten die zwei Schaltungen nach den 2 und 3 derart zusammen, dass die Schaltung nach 2 ein Ausgangssignal erzeugt, wenn die Spannung längs des Leistungs-MOSFET ungefähr 3-4 Volt oder weniger beträgt und der Leistungs-MOSFET in dem Sättigungsbereich arbeitet, während die Schaltung nach 3 arbeitet, wenn die Spannung oberhalb von 3-4 Volt liegt und der MOSFET sich in dem linearen Arbeitsbereich befindet.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand spezieller Ausführungsformen hiervon beschrieben wurde, sind vielfältige andere Abänderungen und Modifikationen und andere Anwendungen für den Fachmann ersichtlich. Daher sollte die vorliegende Erfindung nicht durch die spezielle Beschreibung sondern lediglich durch die beigefügten Ansprüche beschränkt sein.

Claims

Schaltung zur Messung des Stromes durch einen Leistungs-MOSFET, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom durch den Leistungs-MOSFET in sowohl den linearen als auch gesättigten Arbeitsbereichen des Leistungs-MOSFET gemessen wird und die Schaltung Folgendes umfasst: eine erste mit dem Leistungs-MOSFET gekoppelte Schaltung zur Messung des Stromes durch den Leistungs-MOSFET in dem gesättigten Arbeitsbereich des Leistungs-MOSFET; und eine zweite mit dem Leistungs-MOSFET gekoppelte Schaltung zur Messung des Stromes durch den MOSFET in dem linearen Arbeitsbereich des MOSFET.
Schaltung nach Anspruch 1, bei der die erste Schaltung auf eine Drain-Source-Spannung des Leistungs-MOSFET mit einer bestimmten Spannung oder weniger anspricht, und die zweite Schaltung auf eine Drain-Source-Spannung des Leistungs-MOSFET mit der bestimmten Spannung oder mehr anspricht.
Schaltung nach Anspruch 2, bei der die bestimmte Spannung ungefähr 3-4 Volt beträgt.
Schaltung nach Anspruch 2, bei der der Leistungs-MOSFET eine Hauptzelle zum Leiten eines Laststromes und eine Strommesszelle einschließt, und wobei die erste Schaltung einen mit der Hauptzelle und der Strommesszelle gekoppelten Verstärker umfasst, der erste und zweite Leistungsversorgungen hat, wobei die erste Schaltung auf Drain-Source-Spannungen des Leistungs-MOSFET anspricht, die kleiner oder gleich der bestimmten Spannung sind, wobei der Verstärker ein Ausgangssignal längs eines Widerstandes liefert, wobei die Spannung längs des Widerstandes proportional zu dem Strom in der Hauptzelle des Leistungs-MOSFET ist.
Schaltung nach Anspruch 4, bei der der Ausgang des Verstärkers mit der Steuerelektrode eines weiteren Transistors verbunden ist, dessen Hauptelektroden in Serie mit dem Widerstand geschaltet sind.
Schaltung nach Anspruch 5, bei der der Verstärker den weiteren Transistor so ansteuert, dass der Spannungsabfall längs der Strommesszelle gleich dem Spannungsabfall längs der Hauptzelle des Leistungs-MOSFET ist.
Schaltung nach Anspruch 1, bei der die zweite Schaltung einen in Serie mit der Strommesszelle gekoppelten Widerstand und einen Stromspiegel umfasst, der mit dem Widerstand gekoppelt ist und einen Stromspiegel-Ausgang liefert, wobei ein von dem Stromspiegel-Ausgang gelieferter Strom proportional zu dem Strom durch die Strommesszelle ist, wobei die Schaltung weiterhin einen Verstärker umfasst, der mit dem Stromspiegel-Ausgang und mit einer Bezugsspannung gekoppelt ist, wobei der Verstärker ein Ausgangssignal proportional zu dem Strom von dem Stromspiegel und proportional zu dem Strom in der Hauptzelle des Leistungs-MOSFET erzeugt.
Schaltung nach Anspruch 7, bei der der Verstärker der zweiten Schaltung mit einem weiteren Transistor gekoppelt ist, wobei der weitere Transistor in Serie mit einem Widerstand gekoppelt ist, längs dessen eine Spannung proportional zu dem Strom durch die Hauptzelle des Leistungs-MOSFET erzeugt wird.
Schaltung nach Anspruch 7, bei dem die zweite Schaltung weiterhin erste und zweite Transistoren umfasst, deren Steuerelektroden mit dem Ausgang des Verstärkers gekoppelt sind, wobei der erste der Transistoren mit dem Stromspiegel zur Lieferung eines Rückführungssignals an den Verstärker gekoppelt ist, und wobei der zweite Transistor mit einem Widerstand gekoppelt ist, längs dessen eine Spannung proportional zu dem Strom in der Hauptzelle des Leistungs-MOSFET erzeugt wird.
Schaltung nach Anspruch 9, bei der der zweite Transistor mit dem Widerstand in einer offenen Schleife gekoppelt ist.
Schaltung nach Anspruch 9, bei dem das Verhältnis der Ströme in den ersten und zweiten Transistoren voreingestellt ist.
Schaltung nach Anspruch 1, bei der der Verstärker der ersten Schaltung so vorgespannt ist, dass er ein Ausgangssignal liefert, wenn die Drain-Source-Spannung des Leistungs-MOSFET unterhalb eines bestimmten Pegels liegt und aufhört, ein Ausgangssignal zu liefern, wenn die Drain-Source-Spannung oberhalb eines bestimmten Pegels liegt, während der Verstärker der zweiten Schaltung so arbeitet, dass er ein Ausgangssignal liefert, wenn die Drain-Source-Spannung oberhalb des bestimmten Pegels liegt, und aufhört, ein Ausgangssignal zu liefern, wenn die Drain-Source-Spannung unterhalb des bestimmten Pegels liegt.