DE102004024112B4

DE102004024112B4 - Schaltung zur Messung des Stromes durch einen Leistungs-MOSFET

Info

Publication number: DE102004024112B4
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: 2007-04-12
Anticipated expiration: 2024-05-15
Also published as: DE102004024112A1; JP4022208B2; JP2004364280A; US20040227539A1; US7005881B2

Abstract

Schaltung zur Messung des Stromes durch einen Leistungs-MOSFET (20) im Arbeitsbereich sowohl oberhalb als auch unterhalb der Sättigungsspannung des Leistungs-MOSFET, der eine Hauptzelle (20A) zum Leiten eines Laststromes und eine Strommesszelle (20B) einschließt, mit einer ersten mit dem Leistungs-MOSFET (20) gekoppelten Schaltung (10) zur Messung des Stromes durch den Leistungs-MOSFET in dessen Arbeitsbereich unterhalb der Sättigungsspannung, und mit einer zweiten mit dem Leistungs-MOSFET gekoppelten Schaltung (100) zur Messung des Stromes durch den Leistungs-MOSFET in dessen Arbeitsbereich oberhalb der Sättigungsspannung, wobei die erste Schaltung (10) erste und zweite mit den Ausgängen der Hauptzelle (20A) bzw. der Strommesszelle (20B) verbundene Eingänge und einen Ausgang aufweist und den Ausgang der Strommesszelle (20B) so belastet, dass der Spannungsabfall längs der Strommesszelle gleich dem Spannungsabfall längs der Hauptzelle des Leistungs-MOSFET (20) ist, solange die Drain-Source-Spannung unterhalb eines vorgegebenen Spannungswertes liegt, wobei die zweite Schaltung (100) auf eine Drain-Source-Spannung des Leistungs-MOSFET (20) mit dem vorgegebenen Spannungswert...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung zur Messung des Stromes durch einen Leistungs-MOSFET der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.

Eine derartige Schaltung ist aus der DE 19838657 A1 bekannt. Hierbei weist der Leistungs-MOSFET eine Hauptzelle zum Leiten des Laststromes und eine Strommesszelle auf, und es ist eine erste mit dem Leistungs-MOSFET gekoppelte Schaltung zur Messung des Stromes durch den Leistungs-MOSFET in dessen Arbeitsbereich unterhalb der Sättigungsspannung und eine zweiten mit dem Leistungs-MOSFET gekoppelten Schaltung zur Messung des Stromes durch den Leistungs-MOSFET in dessen Arbeitsbereich oberhalb der Sättigungsspannung vorgesehen. Die Sättigungsspannung markiert hierbei den Übergang zwischen einem Arbeitsbereich des Leistungs-MOSFET, in dem die Drain-Source-Spannung mit zunehmendem Laststrom ansteigt, und einem Arbeitsbereich in dem der Laststrom selbst bei zunehmender Drain-Source-Spannung im wesentlichen konstant bleibt. Die erste Schaltung kann den Strom durch den Leistungs-MOSFET nur solange messen, bis die Sättigungsspannung erreicht ist. Die zweite Schaltung ist daher so ausgebildet, dass sie in Abhängigkeit von der Steuerspannung des Leistungs-MOSFET über einen weiteren Schalttransistor eingeschaltet wird und dann ein Ausgangssignal liefert, das den Strom durch den Leistungs-MOSFET oberhalb der Sättigungsspannung wiedergibt. Die zweite Schaltung ist nur dann wirksam, wenn ein Steuersignal zum Einschalten des Leistungs-MOSFET vorliegt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung der eingangs genannten Art zu schaffen, die den Strom in dem Leistungs-MOSFET in dem Arbeitsbereich sowohl unterhalb als auch oberhalb der Sättigungsspannung unabhängig von dem an dem Leistungs-MOSFET angelegten Steuersignal misst.

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

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

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Schaltung zur Messung des Stromes durch den Leistungs-MOSFET ergibt sich unabhängig von dem an den Leistungs-MOSFET angelegten Steuersignal eine Messung des Stromes in den Arbeitsbereichen des Leistungs-MOSFET sowohl unterhalb als auch oberhalb der Sättigungsspannung.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen noch näher erläutert, 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.
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 erste Schaltung 10 zur Messung des Stromes in dem Arbeitsbereich unterhalb der Sättigungsspannung dient, während die zweite Schaltung 100 zur Messung des Stromes in dem Arbeitsbereich oberhalb der Sättigungsspannung 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 Arbeitsbereich unterhalb der Sättigungsspannung gezeigt. Im Einzelnen arbeitet die Schaltung, wenn die Drain-Source-Spannung kleiner als die Sättigungsspannung von 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_DG 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_DG 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 Betriebsart befindet, in der die Drain-Source-Spannung die Sättigungsspannung von 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_DG 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 einem Arbeitsbereich unterhalb der Sättigungspannung befindet. Wenn V_ds 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 einem Arbeitsbereich oberhalb der Sättigungsspannung 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 V_dd 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_DG 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 I_DG 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 i₁. 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 Betriebsart unterhalb und oberhalb der Sättigungsspannung kann durch versuchsweises Ändern des Wertes des Widerstandes 101 erzielt werden. Um die Stabilität zu vergrößern, wird I_DG 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_DG 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 die Sättigungsspannung von 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 Arbeitsbereich unterhalb der Sättigungsspannung des MOSFET ist.
Wenn die Spannung V_ds über ungefähr 3–4 Volt ansteigt, das heißt über die Sättigungsspannung des Leistungs-MOSFET, hört der Verstärker 22 nach 2 aufgrund seiner Vorspannung zwischen V_dd und V_ss2 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 Arbeitsbereich unterhalb der Sättigungsspannung arbeitet, während die Schaltung nach 3 arbeitet, wenn die Spannung oberhalb von 3–4 Volt liegt und der MOSFET sich in dem Arbeitsbereich oberhalb der Sättigungsspannung befindet.

Claims

Schaltung zur Messung des Stromes durch einen Leistungs-MOSFET (20) im Arbeitsbereich sowohl oberhalb als auch unterhalb der Sättigungsspannung des Leistungs-MOSFET, der eine Hauptzelle (20A) zum Leiten eines Laststromes und eine Strommesszelle (20B) einschließt, mit einer ersten mit dem Leistungs-MOSFET (20) gekoppelten Schaltung (10) zur Messung des Stromes durch den Leistungs-MOSFET in dessen Arbeitsbereich unterhalb der Sättigungsspannung, und mit einer zweiten mit dem Leistungs-MOSFET gekoppelten Schaltung (100) zur Messung des Stromes durch den Leistungs-MOSFET in dessen Arbeitsbereich oberhalb der Sättigungsspannung, wobei die erste Schaltung (10) erste und zweite mit den Ausgängen der Hauptzelle (20A) bzw. der Strommesszelle (20B) verbundene Eingänge und einen Ausgang aufweist und den Ausgang der Strommesszelle (20B) so belastet, dass der Spannungsabfall längs der Strommesszelle gleich dem Spannungsabfall längs der Hauptzelle des Leistungs-MOSFET (20) ist, solange die Drain-Source-Spannung unterhalb eines vorgegebenen Spannungswertes liegt, wobei die zweite Schaltung (100) auf eine Drain-Source-Spannung des Leistungs-MOSFET (20) mit dem vorgegebenen Spannungswert oder mehr anspricht, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schaltung (100) ebenfalls mit den Ausgängen der Hauptzelle (20A) bzw. der Strommesszelle (20B) verbunden ist und bei Auftreten einer Spannungsdifferenz zwischen diesen Ausgängen ein Ausgangssignal liefert.
Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Spannungswert im Bereich von 3–4 Volt liegt.
Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schaltung (10) einen Verstärker (22) mit nicht-invertierenden und invertierenden Eingängen aufweist, die mit den Ausgängen der Hauptzelle (20A) bzw. der Strommesszelle (20B) gekoppelt sind, wobei der Verstärker (22) erste und zweite Leistungsversorgungen (Vss2, Vdd) aufweist, und dass die ersten und zweiten Leistungsversorgungen (Vss2, Vdd) auf derartige Spannungen eingestellt sind, dass der Verstärker (22) ein Ausgangssignal liefert, wenn die Drain-Source-Spannung (Vds) des Leistungs-MOSFET (20) unterhalb des vorgegebenen Spannungswertes liegt und aufhört, ein Ausgangssignal zu liefern, wenn die Drain-Source-Spannung oberhalb des vorgegebenen Spannungswertes liegt
Schaltung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang des Verstärkers (22) mit der Steuerelektrode eines weiteren Transistors (24) verbunden ist, dessen Hauptelektroden in Serie mit der Strommesszelle (20B) und einem Messwiderstand (RDG) geschaltet sind, wobei der Verstärker (22) den weiteren Transistor (24) so ansteuert, dass der Spannungsabfall längs der Strommesszelle (20B) gleich dem Spannungsabfall längs der Hauptzelle (20A) des Leistungs-MOSFET (20) ist und die Spannung längs des Messwiderstandes (RDG) proportional zu dem Strom in der Hauptzelle des Leistungs-MOSFET ist.
Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schaltung (100) eine Stromspiegel-Schaltung (105, 107, 103, 111) aufweist, deren Eingänge mit den Ausgängen der Hauptzelle (20A) bzw. der Strommesszelle (20B) gekoppelt sind und die einen Stromspiegel-Ausgangsstrom liefert, der proportional zu dem Strom durch die Strommesszelle (20B) ist und einem Verstärker (122) zugeführt ist, der weiterhin mit einer Bezugsspannung (124) gekoppelt ist, wobei der Verstärker (122) ein Ausgangssignal proportional zu dem Strom von der Stromspiegel-Schaltung (105, 107, 103, 111) und damit proportional zu dem Strom in der Hauptzelle (20A) des Leistungs-MOSFET (20) erzeugt.
Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärker (122) der zweiten Schaltung (100) mit einem weiteren Transistor (128) gekoppelt ist, der in Serie mit einem Messwiderstand (RDG) gekoppelt ist, längs dessen eine Spannung proportional zu dem Strom durch die Hauptzelle (20A) des Leistungs-MOSFET (20) erzeugt wird.
Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schaltung (100) weiterhin erste und zweite Transistoren (126, 128) umfasst, deren Steuerelektroden mit dem Ausgang des Verstärkers (122) gekoppelt sind, wobei der erste (126) der Transistoren mit der Stromspiegel-Schaltung (105, 107, 103, 111) zur Lieferung eines Rückführungssignals (i2) an die Stromspiegel-Schaltung gekoppelt ist, und wobei der zweite Transistor (128) mit einem Messwiderstand (RDG) gekoppelt ist, längs dessen eine Spannung proportional zu dem Strom in der Hauptzelle (20A) des Leistungs-MOSFET (20) erzeugt wird.
Schaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Ströme in den ersten und zweiten Transistoren (126, 128) voreingestellt ist.