DE102009051735B3

DE102009051735B3 - Secondary sided driver circuit for controlling e.g. MOSFET utilized as TOP switch of half bridge circuit, has comparison element whose measuring input potential is approximately constant at different temperatures

Info

Publication number: DE102009051735B3
Application number: DE200910051735
Authority: DE
Inventors: René Hopperdiethel
Original assignee: Semikron GmbH and Co KG; Semikron Elektronik GmbH and Co KG
Current assignee: Semikron GmbH and Co KG; Semikron Elektronik GmbH and Co KG
Priority date: 2009-11-03
Filing date: 2009-11-03
Publication date: 2011-02-10
Anticipated expiration: 2029-11-04

Abstract

The circuit has a comparison element (30) i.e. shunt regulator, whose measuring input (302) is connected with an anode of a diode (42). A cathode of the diode is connected with a load contact unit (402) of a power semiconductor component i.e. power transistor (40). The comparison element exhibits temperature coefficients that are approximately same to that of the power semiconductor component, where potential of the measuring input of the comparison element is approximately constant at different temperatures. A zener diode (22) exhibits same temperature co-efficient as that of the diode.

Description

Die Erfindung beschreibt eine Schaltungsanordnung zur Spannungsüberwachung eines Leistungsschalters. Derartige Leistungsschalter sind meist ausgeführt als Leistungshalbleiterbauelemente speziell Leistungstransistoren, wie IGBTs oder MOS-FETs. Typisch sind derartige Leistungstransistoren in Halbbrückenschaltungen angeordnet mit einem ersten und einem zweiten Leistungstransistor in serieller Schaltung. Hierbei ist der erste, der sog. TOP-, Transistor mit dem positiven Zweig eines Zwischenkreises und der zweite, der sog. BOT-, Transistor mit dem negativen Zweig des Zwischenkreises verbunden. Der Mittenabgriff ist typisch der Wechselstromanschluss der Halbbrücke.The The invention describes a circuit arrangement for voltage monitoring a circuit breaker. Such circuit breakers are usually accomplished as power semiconductor components especially power transistors, like IGBTs or MOS-FETs. Typical are such power transistors in half-bridge circuits arranged with a first and a second power transistor in serial circuit. Here, the first, the so-called. TOP, transistor with the positive branch of a DC link and the second, the so-called BOT, transistor connected to the negative branch of the DC link. The center tap is typically the AC connection of the half bridge.

Es ist auch allgemein bekannt mehrere Leistungstransistoren parallel zu schalten, die dann gemeinsam einen Leistungsschalter der Halbbrückenschaltung ausbilden. Auch ist es allgemein bekannt derartige Halbbrückenschaltungen zu Zwei- oder Dreiphasenbrückenschaltungen zu kombinieren.It is also commonly known multiple power transistors in parallel to switch, which then together a circuit breaker of the half-bridge circuit form. It is also well known such half-bridge circuits to two- or three-phase bridge circuits to combine.

Derartige Brückenschaltungen werden mittels einer Treiberschaltung angesteuert, die meist in einen primärseitigen und einen sekundärseitigen Teil getrennt ist und mit einer galvanisch trennenden Übertragungseinrichtung verbunden sind. Die Primärseite ist meist mit einer Ansteuerschaltung verbunden, während die Sekundärseite direkt mit dem Leistungstransistor verbunden ist und diesen ansteuert.such bridge circuits are controlled by a driver circuit, which usually in one primary side and a secondary-side Part is separated and with a galvanic separating transmission device are connected. The primary side is usually connected to a drive circuit, while the secondary side is directly connected to the power transistor and this drives.

Leistungstransistoren weisen wie die meisten elektronischen Bauelemente, vor alter auch die Halbleiterbauelemente eine Temperaturabhängigkeit ihrer Parameter, spezielle auch ihres Widerstandes auf. Ein Widerstandswert der Durchlasswiderstand, der den Spannungsabfall zwischen den beiden Lastanschlüssen des Leistungstransistors bestimmt, dient häufig zur als Messgröße für die Abschaltung des Leistungstransistors zum Schutz vor Überlastung.power transistors like most electronic components, even older ones the semiconductor devices have a temperature dependence of their parameters, special also of their resistance. A resistance value of the on resistance, the the voltage drop between the two load terminals of Power transistor determines, is often used as a measure of the shutdown of the Power transistor for protection against overload.

Die Bestimmung dieses Wertes des Durchlasswiderstands dient somit einerseits der Abschaltung als Schutz vor Überlastung und muss somit geeignet gewählt werden, damit die Abschaltung rechtzeitig erfolgen kann. Andererseits darf diese Abschaltung nicht zu frühzeitig erfolgen, da sonst die Leistungsfähigkeit des Leistungstransistors nur unzureichend ausgeschöpft wird.The Determination of this value of the forward resistance thus serves on the one hand the shutdown as protection against overload and must therefore be chosen appropriately so that the shutdown can take place on time. on the other hand This shutdown must not be done too early, otherwise the efficiency of the power transistor is insufficiently exhausted.

Der grundlegende Stand der Technik wird beispielhaft gebildet durch die DE40 41 032 A1 , die eine sekundärseitige Treiberschaltung zur Ansteuerung eines Leistungshalbleiterbauelements mit einer Treiberkernschaltung und einer Überspannungsschutzschaltung offenbart, wobei diese einen aus dem Treiberkern gespeiste Referenzspannungsquelle und ein Vergleichsglied aufweist. Der Messeingang des Vergleichsglieds ist hierbei mit dem ersten Leistungskontakt des Leistungshalbleiterbauelements verbunden, wobei ein Transistor und eine Diode dieses Vergleichsgliedes annähernd gleichen Temperaturkoeffizienten aufweisen, wodurch das Potential am Messeingang des Vergleichsgliedes bei unterschiedlichen Temperaturen annähernd konstant ist.The basic state of the art is exemplified by the DE40 41 032 A1 discloses a secondary-side driver circuit for driving a power semiconductor device having a driver core circuit and an overvoltage protection circuit, the latter having a reference voltage source fed from the driver core and a comparison element. The measuring input of the comparator is in this case connected to the first power contact of the power semiconductor component, wherein a transistor and a diode of this comparator have approximately the same temperature coefficient, whereby the potential at the measuring input of the comparator at different temperatures is approximately constant.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine sekundärseitige Treiberschaltung vorzustellen, die bei einfachem Aufbau ein Abschaltsignal erzeugt, das die obigen Forderungen erfüllt und gleichzeitig die Temperaturabhängigkeit der Messgröße, des Durchlasswiderstandes des Leistungstransistors, kompensiert.Of the Invention is based on the object, a secondary side Driver circuit to imagine the simple structure a shutdown signal produced that meets the above requirements and at the same time the temperature dependence the measured variable, the on-resistance of the power transistor, compensated.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, durch eine Treiberschaltung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.These The object is achieved by, by a driver circuit having the features of claim 1. Preferred Embodiments are in the dependent claims described.

Den Ausgangspunkt der Erfindung bildet eine sekundärseitige Treiberschaltung nach dem Stand der Technik mit einer Treiberkernschaltung, die die Ansteuersignale der Primärseite verarbeitet und den Leistungstransistor über seinen Steuereingang, das Gate ansteuert.The The starting point of the invention is a secondary-side driver circuit The prior art with a driver core circuit, the drive signals the primary side and processes the power transistor via its control input, the Gate controls.

Die erfindungsgemäße sekundärseitige Treiberschaltung zur Ansteuerung eines Leistungshalbleiterbauelements weist eine Überspannungsschutzschaltung auf. Hierzu weist diese Überspannungsschutzschaltung eine Referenzspannungsquelle für den Messstrom mit einer Zenerdiode auf, die vorzugsweise aus dem Treiberkern mit einer ungeregelten Spannung versorgt wird.The Inventive secondary side Driver circuit for driving a power semiconductor device has an overvoltage protection circuit on. For this purpose, this overvoltage protection circuit a reference voltage source for the Measuring current with a zener diode, preferably from the driver core is supplied with an unregulated voltage.

Weiterhin weist die Überspannungsschutzschaltung ein Vergleichsglied, vorzugsweise einen Shunt-Regulator, auf, dessen Messeingang mit dem Ausgang der Referenzspannungsquelle und über eine erste Diode mit dem ersten Leistungskontakt des Leistungstransistor, dessen Spannungsabfall bestimmt werden soll. Hierbei ist die Anode dieser ersten Diode mit dem Messeingang und die Kathode mit dem Leistungskontakt verbunden. Vorzugsweise ist zwischen dem Ausgang der Referenzspannungsquelle und dem Messeingang des Vergleichsgliedes und auch zwischen der ersten Diode und dem Messeingang des Vergleichsgliedes jeweils ein Widerstand angeordnet. Weiterhin bevorzugt ist es den Ausgang des Vergleichsgliedes mit einer Übertragungseinrichtung zur Primärseite zu verbinden.Farther indicates the overvoltage protection circuit a comparison member, preferably a shunt regulator, on whose Measuring input to the output of the reference voltage source and via a first diode with the first power contact of the power transistor, whose voltage drop is to be determined. Here is the anode this first diode with the measuring input and the cathode with the Power contact connected. Preferably, between the exit the reference voltage source and the measuring input of the comparator and also between the first diode and the measuring input of the comparator each arranged a resistor. Further preferably, it is the exit of the comparison element with a transmission device to the primary page connect to.

Zur erfindungsgemäßen Kompensation der Temperaturabhängigkeit des Durchlasswiderstandes des Leistungstransistors weisen jeweils der Leistungstransistor und das Vergleichsglied, wie auch die erste Diode und die Zenerdiode annährend den gleichen Temperaturkoeffizienten auf. Hierbei ist dessen jeweiliges Vorzeichen unerheblich. Somit ist unabhängig von der jeweiligen Temperatur das Potential am Messeingang des Vergleichsgliedes annähernd konstant, wodurch die Abschaltschwelle zur Abschaltung des Leistungstransistors jeweils nahe an dem Punkt der maximalen Belastung liegt, ohne diesen zu überschreiten.To compensate for the temperature dependence of the forward resistance of the power transistor according to the invention each have the quiet tungsten transistor and the comparator, as well as the first diode and the zener diode approximately the same temperature coefficient. Here, its respective sign is irrelevant. Thus, regardless of the particular temperature, the potential at the measuring input of the comparator is approximately constant, whereby the switch-off threshold for switching off the power transistor is in each case close to the point of maximum load without exceeding it.

Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist in der Beschreibung Ausführungsbeispiels und der 1 weiter erläutert.A particularly preferred embodiment of the invention is in the description of embodiment and the 1 further explained.

1 zeigt eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen sekundärseitigen Treiberschaltung. Diese weist eine Treiberkernschaltung (10) zur Ansteuerung mittels des Ansteuersignals (104) des Leistungstransistors (40), hier eines MOS-FET (Feldeffekttransistor) auf und wird, nicht dargestellt, mittels eines Ansteuersignals von der Primärseite der Treiberschaltung versorgt. Der MOS-FET (40) ist Teil einer Brückenschaltung, beispielhaft einer Halbbrückenschaltung und bildet hier den TOP- oder BOT-Schalter aus. 1 shows an embodiment of the secondary-side driver circuit according to the invention. This has a driver core circuit ( 10 ) for driving by means of the drive signal ( 104 ) of the power transistor ( 40 ), here a MOS-FET (Field Effect Transistor) and is, not shown, supplied by means of a drive signal from the primary side of the driver circuit. The MOS-FET ( 40 ) is part of a bridge circuit, for example, a half-bridge circuit and forms here the TOP or BOT switch.

Weiterhin versorgt die Treiberkernschaltung (10) eine Referenzspannungsquelle (20) für den Messstrom mit einer ungeregelten Spannung (102). Die Referenzspannungsquelle (20) ihrerseits besteht aus einer Zenerdiode (22) und einem parallel geschalteten Kondensator (26). Die erzeugte Referenzspannung (202) ist mittels eine zweiten Widerstandes (24) mit dem Referenzpunkt (50) und dem Messeingang (302) eines Vergleichsgliedes (30) verbunden.Furthermore, the driver core circuit ( 10 ) a reference voltage source ( 20 ) for the measuring current with an unregulated voltage ( 102 ). The reference voltage source ( 20 ) in turn consists of a Zener diode ( 22 ) and a parallel-connected capacitor ( 26 ). The generated reference voltage ( 202 ) is by means of a second resistor ( 24 ) with the reference point ( 50 ) and the fair entrance ( 302 ) of a comparison element ( 30 ) connected.

Dieser Referenzpunkt (50) ist weiterhin über einen ersten Widerstand (44) mit der Anode einer ersten Diode (42) verbunden, deren Kathode mit dem ersten Lastkontakt (402) des zu überwachenden Leistungstransistors (40) verbunden ist. Der zweite Leistungskontakt (404) des Leistungstransistors (40) ist über einen Filterkondensator (28) mit dem Referenzpunkt (50) sowie direkt mit dem Bezugspunkt (304) des Vergleichsgliedes (30), hier eines Shunt-Regulators, verbunden.This reference point ( 50 ) is still a first resistance ( 44 ) with the anode of a first diode ( 42 ) whose cathode is connected to the first load contact ( 402 ) of the power transistor to be monitored ( 40 ) connected is. The second power contact ( 404 ) of the power transistor ( 40 ) is via a filter capacitor ( 28 ) with the reference point ( 50 ) and directly with the reference point ( 304 ) of the comparison element ( 30 ), here a shunt regulator connected.

Der Ausgang (306) des Vergleichsgliedes (30) ist über einen Widerstand (32) mit einer weiteren Spannungsquelle (300) zur Steuerung eines Levelshifters (60) mit dessen Steuereingang (602) verbunden. Dieser Levelshifter (60) besteht aus einem mit der Referenzspannungsquelle (20) verbundenen Transistor (62) dessen Basis mit dem Ausgang (306) des Vergleichsgliedes (30) verbunden ist und einer Diode (64), an deren Kathode die Übertragungsspannung (604) zur Primärseite anliegt.The exit ( 306 ) of the comparison element ( 30 ) is about a resistor ( 32 ) with another voltage source ( 300 ) for controlling a level shifter ( 60 ) with its control input ( 602 ) connected. This level shifter ( 60 ) consists of one with the reference voltage source ( 20 ) connected transistor ( 62 ) whose base with the output ( 306 ) of the comparison element ( 30 ) and a diode ( 64 ), at whose cathode the transmission voltage ( 604 ) is applied to the primary side.

Erfindungsgemäß weisen hier der Leistungstransistor (40) und das Vergleichsglied (30) den annähernd gleichen Temperaturkoeffizienten auf, wobei es bevorzugt ist, wenn diese beiden Komponenten (30, 40) noch benachbart zueinander angeordnet sind. Dies wird beispielhaft durch eine Treiberschaltung oder zumindest eine Überspannungsschutzschaltung als Teil der Treiberschaltung, erreicht, die unmittelbar auf einem Leistungshalbleitermodul oder bevorzugt innerhalb dessen angeordnet ist.According to the invention, the power transistor ( 40 ) and the comparison element ( 30 ) are approximately the same temperature coefficient, it being preferred if these two components ( 30 . 40 ) are still adjacent to each other. This is achieved, for example, by a driver circuit or at least an overvoltage protection circuit as part of the driver circuit, which is arranged directly on or preferably within a power semiconductor module.

Weiterhin weisen die erste Diode (42) und die Zenerdiode (22) sowie auch der erste (44) und zweite (24) Widerstand paarweise den annährend gleichen Temperaturkoeffizienten auf. Hierbei ist es für die prinzipielle Wirkungsweise der Erfindung unerheblich ob die paarweise annähernd gleichen Temperaturkoeffizienten positiv oder negativ ausgebildet sind.Furthermore, the first diode ( 42 ) and the zener diode ( 22 ) as well as the first ( 44 ) and second ( 24 ) Resistance pairs in approximately the same temperature coefficient. It is irrelevant for the basic mode of action of the invention whether the pairwise approximately equal temperature coefficients are formed positively or negatively.

Claims

Secondary-side driver circuit for driving a power semiconductor component ( 40 ) with a driver core circuit ( 10 ) and an overvoltage protection circuit, these one from the driver core ( 10 ) fed reference voltage source ( 20 ) and a comparison element ( 30 ), in this case the measuring input ( 302 ) of the comparison element ( 30 ) with the anode of a first diode ( 42 ) and its cathode with the first power contact ( 402 ) of the power semiconductor device ( 40 ), this comparison element ( 30 ) a the power semiconductor device ( 40 ) has approximately equal temperature coefficients and wherein the reference voltage source ( 20 ) determining Zener diode ( 22 ) approximately the same temperature coefficient as the first diode ( 42 ), whereby the potential at the measuring input ( 302 ) of the comparison element ( 30 ) is approximately constant at different temperatures.

Driver circuit according to claim 1, wherein the reference point ( 304 ) of the comparator ( 30 ) with the second power contact ( 404 ) of the power semiconductor device ( 40 ) connected is.

Driver circuit according to claim 1, wherein in each case between the measuring input ( 302 ) of the comparator ( 30 ) and the first diode ( 42 ) as well as the output ( 202 ) of the reference voltage source ( 20 ) one resistance each ( 24 . 44 ) is arranged with the same temperature coefficient.

Driver circuit according to claim 1, wherein the output ( 306 ) of the comparator ( 30 ) with the control input ( 602 ) of the transmission circuit ( 60 ) is connected to the primary side.

Driver circuit according to claim 1, wherein the Power semiconductor devices ( 40 ) and the comparison element ( 30 ) are arranged close to each other.

A driver circuit according to claim 5, wherein the overvoltage protection circuit is an integral part of a power semiconductor module.

Driver circuit according to claim 4, wherein the transmission circuit ( 60 ) a level shifter circuit with a diode ( 64 ) with forward direction to the primary side.

Driver circuit according to claim 1, wherein the comparison element ( 30 ) is a shunt regulator.

Driver circuit according to claim 1, wherein the power semiconductor component ( 40 ) is a TOP or BOT switch of a half-bridge circuit.