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Hintergrund
der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft Leistungsschalt-Schaltungen und insbesondere
Leistungs-MOSFET-Schaltschaltungen,
und speziell Schaltungen zum Schützen
derartiger Leistungs-MOSFETs und ihrer Treiber vor den Auswirkungen
von Lastabfällen.
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Lastabfälle sind
relativ langsame Überspannungen,
die bei Energielieferern auftreten. Bei Anwendungen im Automobilbereich
können
derartige Lastabfälle
auftreten, wenn die Autospeicherbatterie vorübergehend von der Versorgung
getrennt wird. In derartigen Fällen
kann eine langsame Überspannung auf
der Versorgungsspannungsleitung auftreten, die Leistungsschalter
und ihre Treiberschaltungen zerstören kann. In einer typischen
Automobilanwendung, die beispielsweise eine Versorgungsspannung von
ungefähr
14 V hat, kann ein Lastabfall der drei- bis sechsfachen normalen
Versorgungsspannung auftreten.
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1 zeigt eine typische Schaltschaltung gemäß dem Stand
der Technik. Ein Leistungs-MOSFET-Schalter 10 enthält hauptstromführende Zellen 10A,
eine in Rückwärtsrichtung
gepolte Zehnerdiode 10B und Stromerfassungszellen 10C,
die Teil des FET sind, und verwendet werden, um den Strom durch
den FET zu bestimmen und zur Bereitstellung eines Rückführungssignals
VFB. Der Strom wird über
einem Erfassungswiderstand RS bestimmt.
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Ein
Gatetreibersignal auf der Leitung 11 wird an das Gate des
Leistungs-FET 10 geliefert, der mit der Last 20 in
Reihe geschaltet ist, die beispielsweise einen Motor enthalten kann.
Der FET 10 und der Motor 20 sind zwischen die
Versorgungsspannung VDD und die Energiemasse geschaltet. Ein Low-Side Schalter 12 kann
ebenfalls bereitgestellt sein, der in einigen Anwendungen durch
ein anderes Gatetreibersignal angesteuert wird, das mit dem Gatetreibersignal
auf der Leitung 11 außer
Phase ist.
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Die
Schaltung gemäß 1 enthält eine aktive Klemme, die
in ihrer einfachsten Form eine Zehnerdiode DZ, optional eine Diode
D1 und optional einen Widerstand RA aufweist. Wenn die Spannung VDD
sich jenseits der normalen Versorgungsspannung erhöht, und
wenn die Spannung VDD sich jenseits der Lawinendurchbruchspannung
VZ der Zehnerdiode DZ ansteigt, wird die Gatespannung an den FET 10 auf
eine Spannung geklemmt, ungefähr
VZ unter VDD. Dies ist grafisch in 1A gezeigt,
die die Spannung VDD zeigt, die sich jenseits der Klemmenspannung
von ungefähr
30 V erhöht.
Wenn VDD sich jenseits von 30 V erhöht, wird die Ausgabe über der
Klemme (gemessen zwischen VDD unter dem Klemmenausgang) auf die
Klemmenspannung von 30 V geklemmt.
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1B zeigt eine andere Implementierung der
Klemmenschaltung, bei der ein Transistor Q1, der als ein Emitterfolger
arbeitet, eingeschaltet wird, wenn die Diode DZ in den Lawinenzustand übergeht. Wenn
der Transistor Q1 eingeschaltet wird, wenn die Diode DZ bei ihrer
Lawinendurchbruchspannung leitet, wird eine Spannung über dem
Widerstand RB erzeugt, wodurch das Gate des FETs 10 bei
einer Spannung V klemmt, von ungefähr VZ plus den Vorwärtabfällen der
Diode D1 und VBE des Transistors Q1.
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Ein
Klemmen der Gatespannung verhindert eine Zerstörung des FETs und seiner Treiberschaltungen
im Falle eines Leistungsabfalls.
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Ein
Problem bei dieser Schaltung liegt darin, dass der Leistungs-MOSFET 10 überhitzt
werden kann, wenn Vout > VZ plus ungefähr 2 V (aufgrund
des Lastabfalls), und der Leistungsschalter 10 kann beschädigt werden.
Bei Spannungen VDD zwischen 35 V und ungefähr 60 bis 70 V werden der Treiber
und der Schalter immer noch adäquat
durch diese Schaltung geschützt.
Bei VDD Spannungen über
ungefähr 75
V kann jedoch der Schalter 10 zerstört werden, da die Klemmschaltung
nicht in der Lage ist, einen adäquaten
Spannungsschutz für
das Gate des FETs 10 bereitzustellen. Um dieses Problem
zu lösen,
sind bei Verwendung der Schaltung gemäß dem Stand der Technik FETs
und Treiber notwendig, die höhere „Reverse
Voltage Ratings" aufweisen,
oder teure Zehnerdioden werden über
der Versorgungsspannung angeordnet.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Entsprechend
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltung zu schaffen
zum Bereitstellen eines Schutzes für Gatetreiberschaltungen und
Leistungsschalter während
Lastabfällen.
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Die
oben genannte und andere Aufgaben der Erfindung werden durch eine
Leistungsschalt-Schaltung
gelöst,
die elektrische Energie an eine Last liefert, enthaltend einen Leistungs-MOSFET-Halbleiterschalter,
der eine Gateelektrode und zwei hauptstromführende Elektroden und eine
in Rückwärtsrichtung
vorgespannte Zehnerdiode aufweist, eine aktive Klemme zum Klemmen
einer Spannung zwischen einer der hauptstromführenden Elektroden, die mit
einer Versorgungsspannung versorgt wird, und einer Gateelektrode
mit einer ersten spezifizierten Spannung, wenn die Versorgungsspannung
sich jenseits einer vorbestimmten Spannung erhöht; und eine Schaltung zum
Trennen der aktiven Klemme, wenn die Versorgungsspannung die vorbestimmte
Spannung um einen vorbestimmten Wert überschreitet, um der Zehnerdiode
zu erlauben, bei einer zweiten spezifizierten Spannung, die größer als
die erste spezifizierte Spannung ist, in den Lawinenzustand zu gehen,
wodurch die Spannung über
dem Leistungsschalter geklemmt wird.
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Die
oben genannten Aufgaben der Erfindung werden auch erreicht durch
ein Verfahren zum Schützen
einer Leistungshalbleiterschalt-Schaltung vor Lastabfällen auf
einer Versorgungsspannung für
einen MOSFET-Leistungshalbleiterschalter der Leistungshalbleiterschalt-Schaltung,
wobei das Verfahren einen MOSFET-Leistungshalbleiterschalter
enthält,
der eine Gateelektrode und zwei hauptstromführende Elektroden und eine
in Rückwärtsrichtung
vorgespannte Zehnerdiode aufweist, um eine Spannung zwischen einer
der hauptstromführenden
Elektroden, die mit einer Versorgungsspannung versorgt wird, und
der Gateelektrode auf eine erste spezifizierte Spannung zu klemmen,
wenn die Versorgungsspannung eine vorbestimmte Spannung überschreitet; und
die aktive Klemme zu unterbrechen, wenn die Versorgungsspannung
um einen vorbestimmten Wert die vorbestimmte Spannung überschreitet,
um der Zehnerdiode zu erlauben, bei einer zweiten spezifizierten
Spannung, die größer als
die erste spezifizierte Spannung ist, in den Lawinenzustand zu gehen,
um die Spannung über
dem Leistungshalbleiterschalter zu klemmen.
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Andere
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die
folgende Beschreibung der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
deutlich.
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Kurzbeschreibung
der Figuren
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Die
Erfindung wird in der folgenden detaillierten Beschreibung unter
Bezugnahme auf die Figuren genauer beschrieben. Es zeigen:
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1 eine
Leistungsschalt-Schaltung mit einer aktiven Klemme gemäß dem Stand
der Technik;
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1A Wellenformen,
die zur Erklärung
der Schaltung gemäß 1 hilfreich
sind;
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1B ein
alternatives Ausführungsbeispiel einer
aktiven Klemme;
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2 eine
Leistungsschalt-Schaltung, die eine Lastabfall-Schutzschaltung gemäß der Erfindung
aufweist;
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3 Graphen,
die zur Erklärung
des Betriebs der Schaltung gemäß der 2 hilfreich
sind; und
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4 weitere
Wellenformen zum Erklären des
Betriebs der Schaltung gemäß 2.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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Erneut
bezugnehmend auf die Figuren zeigt 2 eine Leistungschalt-Schaltung,
die eine Lastabfall-Schutzschaltung gemäß der Erfindung enthält. Die
Schaltung enthält
einen Leistungsschalter 10, der hauptstromführende Zellen 10A,
eine Körper-Zehnerdiode 10B und
eine Stromerfassungszelle 10C enthält. Die Last ist wieder mit 20 angegeben.
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Die
Schaltung gemäß 2 enthält eine
aktive Klemm- und Unterbrechungsschaltung 40. Die aktive
Klemme enthält
die Zehnerdiode DZ, sowie optional eine Diode D1. Die aktive Klemme,
die DZ und D1 enthält,
kann durch die Schaltung gemäß 1B ersetzt
werden. Die Schaltung enthält
auch eine aktive Unterbrechungsschaltung, die einen Transistor Q2,
einen Widerstand R und eine zweite Zehnerdiode DZ1 enthält.
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Darüber hinaus
ist in 2 ebenfalls eine detailliertere Stromerfassungs-Rückführungsschaltung gezeigt, die
einen FET 50 und einen Komperator 51 enthält. Wie
in der Schaltung gemäß 1 wird die
Transistorzelle oder werden die Zellen 10C verwendet, um
eine Stromerfassung durch den Widerstand RS bereitzustellen. Der
Komperator 51 vergleicht die Ausgangsspannung bei OUT mit
der Spannung an dem Source-Anschluss der Transistorerfassungszelle 10C.
Sollte die Ausgangsspannung aufgrund eines übermäßigen Stroms abfallen, geht der
Ausgang des Komperators 51 auf Low, wodurch der Transistor 50 eingeschaltet
wird, und ein Rückführungs-VFB-Signal,
das über
den Widerstand RS entwickelt wird, geliefert wird.
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Was
die aktive Klemm- und Unterbrechungsschaltung 40 betrifft,
arbeitet die Klemmschaltung, um die Gatespannung des Transistors 10A (gemessen
in Bezug auf VDD) bei Spannungen VDD über ungefähr 35 V auf die aktive Klemmenspannung
zu klemmen, hier ungefähr
35 V unter VDD, wie durch DZ und D1 bestimmt. Bei Spannungen VDD
unter 35 V, ist die Zehnerdiode DZ1 nicht leitend, und der Transistor
Q2 hat eine positive Basis-Emitterspannung.
Die Zehnerdiode DZ ist nicht leitend, da sie nicht ihre Lawinendurchbruchsspannung
erreicht hat. Wenn sich VDD während
eines Lastabfalls erhöht, wie
in 3 gezeigt, geht die Zehnerdiode DZ1 in den Lawinenzustand,
wenn ihre Zehnerspannung (hier 30 V) erreicht worden ist. Dies hält die Basis
des Transistors Q2 bei ungefähr
30 V plus dem Spannungsabfall über
dem Widerstand RS über
logischer Masse. Wenn die Spannung an der Basis von Q2 die Emitterspannung
von Q2 überschreitet,
die ungefähr bei
33,7 V liegt, wie durch die Zehnerdiode DZ plus dem Spannungsabfall
der Diode D1 über
der Gatespannung bestimmt wird, bleibt der Transistor Q2 leitend.
Wenn die Basisspannung jedoch unter die Emitterspannung abfällt, geht
der Transistor Q2 aus, wodurch die aktive Klemme unterbrochen wird.
Wenn die aktive Klemme unterbricht, wie in 3 gezeigt, bei
ungefähr
35 V, schaltet sich der FET 10A aus, aufgrund des Fehlens
eines Gatetreibens, wie in 4 gezeigt.
Nur wenn kein Gatetreiben erfolgt, und der Transistor 10A aus
ist, kann der Lastabfall den Treiber und den Leistungsschalter zerstören. Sobald
die aktive Klemme unterbricht, geht die interne Diode 10B des
Transistors 10A in den Lawinenzustand, wenn die Drain-Source-Spannung
ungefähr 43
V überschreite,
die Lawinendurchbruchsspannung der Diode 10B. Dies ist
in 4 gezeigt, die die Spannung OUT zeigt, die bei
ungefähr
43 V unter dem Peak VMAX des Lastabfalls, der auf VDD vorliegt,
klemmt. Die gestrichelte Linie 60 in 2 zeigt die
Ausgangsspannung OUT, wenn die Klemmenunterbrechungsschaltung nicht
vorliegen würde.
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Die
Erfindung hat den wichtigen Vorteil, dass der Leistungsschalter 10 durch
einen billigeren Schalter, der einen kleineren Spannungsnennwert aufweist,
ersetzt werden kann. Für
einen Hochstromschutz ist eine aktive Klemme erforderlich. Diese
sollte ungefähr
8 V unterhalb der MOSFET-Diode liegen, um Dioden- und Klemmzehnertoleranzen
zu berücksichtigen.
Um einen 43 V Lastabfall zu bestehen, muss die aktive Klemme ungefähr 40 V
sein, (die 3 V Differenz wird durch den Lastabfall-Serienwiderstand (ungefähr 6 A für 43 V 0,50
Ohm spezifizierter Lastabfall) absorbiert), so dass ein 48 V Minimumlawinennennwert
für den
Leistungs-MOSFET erforderlich ist.
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Mit
der vorliegenden Erfindung wird die aktive Klemme unterbrochen,
so dass stattdessen ein 40 V MOSFET verwendet werden kann, was einen
kleineren Siliziumbereichs für
den gleichen RDSON zur Folge hat. Es ist
sicher die aktive Klemme während des
Lastabfalls zu unterbrechen, da der Strom gering ist.
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Obwohl
die Erfindung unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsbeispiele
beschrieben wurde, können
viele andere Änderungen
und Modifikationen und andere Verwendungsformen von einem Fachmann
auf diesem Gebiet durchgeführt
werden. Folglich soll die vorliegende Erfindung nicht durch die spezielle
Offenbarung hier eingeschränkt
werden, sondern nur durch die beigefügten Ansprüche.