DE102011001691B4 - Transistor switch arrangement with improved turn-off characteristic - Google Patents
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Abstract
Schaltungsanordnung (10), insbesondere für Wechselrichterschaltungen, mit einem Feldeffekttransistor (12), dessen Source-Elektrode (17) mit einem Bezugspotenzial (14), dessen Drain-Elektrode (18) mit einer Last (11) und dessen Gate-Elektrode (15) mit einer Ansteuerschaltung (24) verbunden ist, wobei die Ansteuerschaltung eine Treiberschaltung (19) und eine Ausräumschaltung (23) umfasst, die mit der Treiberschaltung (19), der Gate-Elektrode (15) und dem Bezugspotenzial (14) verbunden ist und die zwischen der Gate-Elektrode (15) und dem Bezugspotenzial (14) einen gesteuerten Strompfad (27) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausräumschaltung (23) einen ersten Widerstand (31), der in einem ersten Ausräumstrompfad (26) von der Gate-Elektrode (15) zu der Treiberschaltung (19) liegt, und einen zweiten Widerstand (32), der in einem zweiten Ausräumstrompfad (27) von der Gate-Elektrode (15) zu dem Bezugspotenzial (14) liegt, sowie einen Verstärker (29) aufweist, der den Spannungsabfall über dem zweiten Widerstand (32) anhand des Spannungsabfalls über dem ersten Widerstand (31) steuert, wobei der Verstärker einen Bipolartransistor (30) mit...Circuit arrangement (10), in particular for inverter circuits, having a field-effect transistor (12), the source electrode (17) having a reference potential (14), the drain electrode (18) having a load (11) and the gate electrode (15 ) is connected to a drive circuit (24), wherein the drive circuit comprises a driver circuit (19) and a clearing circuit (23) which is connected to the driver circuit (19), the gate electrode (15) and the reference potential (14) and which comprises a controlled current path (27) between the gate electrode (15) and the reference potential (14), characterized in that the clearing circuit (23) comprises a first resistor (31) arranged in a first clearing current path (26) from the gate Electrode (15) to the drive circuit (19), and a second resistor (32) disposed in a second drain current path (27) from the gate electrode (15) to the reference potential (14), and an amplifier (29 ), which the Spannungsab case over the second resistor (32) based on the voltage drop across the first resistor (31) controls, wherein the amplifier is a bipolar transistor (30) with ...
Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit einem schaltenden Transistor insbesondere für Wechselrichterschaltungen.The invention relates to a circuit arrangement with a switching transistor, in particular for inverter circuits.
Wechselrichterschaltungen und andere Schaltungen, bei denen Schalttransistoren im Schalterbetrieb betrieben werden, sollen möglichst steile Ein- und Ausschaltflanken erzeugen, um an dem Schalttransistor umgesetzte Verlustleistung möglichst klein zu halten. Als Schalttransistoren werden heute meist Feldeffekttransistoren oder Bipolartransistoren mit isolierter Steuerelektrode (IGBTs) eingesetzt. Bei beiden Transistorarten stellt die Steuerelektrode eine kapazitive Last für eine vorgeschaltete Treiberschaltung dar. Um steile Schaltflanken zu erzielen, muss diese kapazitive Last möglichst schnell auf- und vor allem entladen werden. Dies gilt insbesondere, wenn an den Schalttransistor eine induktive Last angeschlossen ist.Inverter circuits and other circuits in which switching transistors are operated in the switch mode, should generate the steepest possible turn-on and turn-off to keep as low as possible on the switching transistor dissipated power dissipation. As switching transistors today usually field effect transistors or bipolar transistors with insulated control electrode (IGBTs) are used. In both types of transistors, the control electrode is a capacitive load for an upstream driver circuit. In order to achieve steep switching edges, this capacitive load must be charged and discharged as quickly as possible. This is especially true when an inductive load is connected to the switching transistor.
Die
Eine ähnliche Schaltung ist aus der
Weiter ist es aus der
Bei höheren Schaltfrequenzen und/oder größeren Schalttransistoren können herkömmliche Treiberschaltungen, die als integrierte Schaltkreise verfügbar sind, schnell an ihre Grenzen kommen oder auch überlastet werden. Ein Beispiel für eine Treiberschaltung ist beispielsweise die kommerziell erhältliche integrierte Schaltung TDA 4862. Sie weist einen Gatetreiberausgang GTDRV auf, der ein zwischen Bezugspotenzial und Betriebsspannung pendelndes Potenzial aufweist und zum direkten Anschluss von MOSFETs eingerichtet ist.At higher switching frequencies and / or larger switching transistors, conventional driver circuits, which are available as integrated circuits, can quickly reach their limits or be overloaded. An example of a driver circuit is, for example, the commercially available integrated circuit TDA 4862. It has a gate driver output GTDRV which has a potential which oscillates between reference potential and operating voltage and is set up for the direct connection of MOSFETs.
Bei leistungskritischen Anwendungen kommt es insbesondere darauf an, die Abschaltflanke so steil wie möglich zu machen. Wird hierbei ein zu großer Ausräumstrom des angeschlossenen MOSFETs zugelassen, kann es zur Überlastung der Treiberschaltung kommen.For performance-critical applications, it is particularly important to make the turn-off slope as steep as possible. If an excessively large clearing stream of the connected MOSFET is allowed in this case, overloading of the driver circuit can occur.
Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein Konzept anzugeben, mit dem sich der Anwendungsbereich herkömmlicher Treiberschaltungen erweitern lässt.On this basis, it is an object of the invention to provide a concept with which the scope of conventional driver circuits can be extended.
Diese Aufgabe wird mit der Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 gelöst:
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung enthält eine Ansteuerschaltung für den Feldeffekttransistor, wobei zu der Ansteuerschaltung eine Treiberschaltung und eine Ausräumschaltung gehören. Die Ausräumschaltung weist einen gesteuerten Strompfad auf, der von der Gate-Elektrode des Feldeffekttransistors zu einem Bezugspotenzial führt. Dieser Strompfad wird vorzugsweise von dem von der Gate-Elektrode zu der Treiberschaltung fließenden Strom gesteuert und entlastet die Treiberschaltung. Außerdem beschleunigt er das Entladen der Gatekapazität des Feldeffekttransistors, so dass dessen Abschaltflanke versteilert wird. Insbesondere gelingt es damit, an dem Gate sehr schnell niedrige Spannungen zu erreichen, bei denen der Feldeffekttransistor abschaltet. Bei induktiven Lasten, bei denen der abzuschaltende Strom zumindest bei einigen Betriebsarten im Abschaltmoment durchaus von Null verschieden sein kann, wird ein verlustarmes Abschalten erreicht.This object is achieved with the circuit arrangement according to claim 1:
The circuit arrangement according to the invention contains a drive circuit for the field effect transistor, wherein the drive circuit includes a driver circuit and a clearing circuit. The scavenging circuit has a controlled current path that leads from the gate electrode of the field effect transistor to a reference potential. This current path is preferably controlled by the current flowing from the gate electrode to the driver circuit and relieves the driver circuit. In addition, it accelerates the discharge of the gate capacitance of the field effect transistor, so that its Abschaltflanke is steepened. In particular, it is thus possible to very quickly achieve low voltages at the gate at which the field effect transistor switches off. For inductive loads, where the current to be disconnected can be quite different from zero at least in some operating modes at the turn-off, a low-loss shutdown is achieved.
Der Feldeffekttransistor kann ein MOSFET, ein IGBT, ein Sperrschichtfeldeffekttransistor oder ein sonstiger Feldeffekttransistor sein. Seine Source-Elektrode ist direkt unmittelbar oder unter Zwischenschaltung anderer Bauelemente, wie bspw. eines Shuntwiderstands zur Stromkontrolle, eines Stromwandlers oder dergleichen, mit Bezugpotenzial (Masse) verbunden. Der Stromwandler kann bspw. dazu eine vorzugsweise nur wenige oder lediglich eine Windung umfassende Wicklung aufweisen, die zu einem Stromtransformator oder Übertrager gehört.The field effect transistor may be a MOSFET, an IGBT, a junction field effect transistor or other field effect transistor. Its source electrode is connected directly to the reference potential (ground) directly or with the interposition of other components, such as a shunt resistor for current control, a current transformer or the like. The current transformer may, for example, for this purpose have a preferably only a few or only one turn comprehensive winding that belongs to a current transformer or transformer.
Der Feldeffekttransistor schaltet eine Last, die bspw. durch einen ohmschen Widerstand, eine induktive Impedanz oder eine sonstige lineare oder nichtlineare Impedanz gebildet wird, die von einer Versorgungsspannung zu der Drain-Elektrode des Feldeffekttransistors führt. Alternativ kann an dieser Stelle auch ein anderer Schalttransistor angeordnet sein. Die Last ist dann zum Beispiel ein Lampenzweig mit einer Gasentladungslampe und einer vorzugsweise induktiven Impedanz, die z. B. durch eine Strombegrenzungsdrossel gebildet ist. Der Feldeffekttransistor gehört in diesem Fall zu einer Wechselrichterhalbbrücke. Der Lampenzweig kann zu einem kapazitiven Spannungsteiler, einem festen Speisepotenzial oder auch einer weiteren Wechselrichterhalbbrücke führen. In letzterem Fall ist er somit Teil einer Vollbrückenschaltung. Sowohl bei der Halbbrückenschaltung wie auch bei der Vollbrückenschaltung kann der Feldeffekttransistor als Bezugspotenzial mit Masse oder einer anderen, auch zeitlich variablen Spannung verbunden sein. Die Erfindung lässt sich also sowohl für den unteren, massebezogenen wie auch für den oberen, nicht massebezogenen Feldeffekttransistor anwenden.The field effect transistor switches a load which is formed, for example, by an ohmic resistance, an inductive impedance or another linear or nonlinear impedance which leads from a supply voltage to the drain electrode of the field effect transistor. Alternatively, another switching transistor may be arranged at this point. The load is then, for example, a lamp branch with a gas discharge lamp and a preferably inductive impedance, the z. B. is formed by a current limiting reactor. The field effect transistor in this case belongs to an inverter half-bridge. The lamp branch can lead to a capacitive voltage divider, a fixed supply potential or another inverter half-bridge. In the latter case, it is thus part of a full bridge circuit. Both in the half-bridge circuit as well as in the full bridge circuit of the field effect transistor can be connected as a reference potential to ground or another, even time-varying voltage. The invention can thus be both for the lower, mass-related as well as for the apply upper non-ground field effect transistor.
Der Ausräumschaltung ist vorzugsweise ein Widerstand parallel geschaltet, der die Treiberschaltung mit der Gate-Elektrode verbindet. Dieser Widerstand dient der Begrenzung des Gate-Ladestroms beim Einschaltvorgang. In diesem Fall ist die Ausräumschaltung vorzugsweise inaktiv. Um dies zu erzielen, enthält die Ausräumschaltung vorzugsweise zwischen der Treiberschaltung und der Gate-Elektrode eine Diode. Im Fall positiver Betriebsspannung und negativerem Bezugspotenzial ist die Kathode der Diode zu der Treiberschaltung hin gepolt.The evacuation circuit is preferably connected in parallel with a resistor which connects the driver circuit to the gate electrode. This resistor serves to limit the gate charging current during the switch-on process. In this case, the evacuation circuit is preferably inactive. To achieve this, the scavenging circuit preferably includes a diode between the driver circuit and the gate electrode. In the case of positive operating voltage and negative reference potential, the cathode of the diode is poled to the driver circuit.
Die Ausräumschaltung weist einen Schaltungsknoten auf, an dem sich der Ausräumstrom in einem direkt zu der Treiberschaltung fließenden Anteil und in einen zu dem Bezugspotenzial fließenden Anteil aufteilt. Der letztgenannte Anteil fließt über den gesteuerten Strompfad. Vorzugsweise wird dieser Stromanteil durch einen Widerstand begrenzt, wobei ein Verstärker den Spannungsabfall über diesen Widerstand anhand des Spannungsabfalls steuert bzw. regelt, der über den von dem Gate des Feldeffekttransistors zu der Treiberschaltung führenden Widerstand abfällt. Auf diese Weise kann z. B. der zur Treiberschaltung fließende Ausräumstrom und der zum Bezugspotenzial fließende Ausräumstrom in einem festen Verhältnis oder wenigstens in einem Verhältnisbereich aufgeteilt werden. Dadurch wird eine sehr zuverlässige Stromaufteilung auch bei widrigen Umgebungsbedingungen, wie sehr niedrigen oder sehr hohen Temperaturen, möglich. Es kann sichergestellt werden, dass auch bei Worst-Case Betrachtungen ein Ausräumstrom, der an sich für die Treiberschaltung zu hoch wäre, niemals zur Überlastung der Treiberschaltung führt, weil immer ein ausreichender Anteil direkt gegen das Bezugspotenzial abgeführt wird. Andererseits kann zur Abfuhr auf das Bezugspotenzial ein relativ schwacher Transistor eingesetzt werden, weil umgekehrt sichergestellt wird, dass auch dieser Transistor nie den gesamten Ausräumstrom übernehmen muss. Dieser Umstand liefert doppelten Nutzen. Zum einen wird die Zuverlässigkeit erhöht und zum anderen können kleine und kostengünstige Bauelemente eingesetzt werden.The scavenging circuit has a circuit node at which the scavenging flow splits into a component flowing directly to the driver circuit and into a component flowing to the reference potential. The latter part flows over the controlled current path. Preferably, this current component is limited by a resistor, wherein an amplifier controls the voltage drop across this resistor by means of the voltage drop which drops across the resistor leading from the gate of the field effect transistor to the driver circuit. In this way, z. Example, the current flowing to the driver circuit Ausräumstrom and flowing to the reference potential Ausräumstrom be divided into a fixed ratio or at least in a ratio range. This allows a very reliable current distribution even in adverse environmental conditions, such as very low or very high temperatures possible. It can be ensured that even with worst-case considerations, a clearing stream, which would be too high for the driver circuit, never leads to overloading of the driver circuit, because always a sufficient portion is dissipated directly against the reference potential. On the other hand, a relatively weak transistor can be used for dissipation to the reference potential, because conversely it is ensured that even this transistor never has to take over the entire evacuation stream. This circumstance provides double benefits. On the one hand the reliability is increased and on the other hand small and inexpensive components can be used.
Weitere Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der Zeichnung, der Beschreibung oder Unteransprüchen. Es zeigen:Further details of advantageous embodiments of the invention will become apparent from the drawings, the description or subclaims. Show it:
In
Zum Betrieb der Last
Mit seiner Source-Elektrode
Die Steuerimpulse fur den Feldeffekttransistor
Zwischen dem Ausgang
Zu der Ausräumschaltung
In dem zweiten Ausräumstrompfad
Der pnp-Transistor
Die in soweit beschriebene Schaltungsanordnung
Zu einem gegebenen Zeitpunkt t1 wird wie in
At a given time t1, as in
Nach Ablauf einer bestimmten Zeitspanne soll der Feldeffekttransistor
Der Spannungsabfall uber dem Widerstand
Weiter wird darauf hingewiesen, dass das Gate des Transistors
Die Verwendung einer Ausraumschaltung fur den oberen Transistor
In allen vorgenannten Ausführungsbeispielen konnen auch parallel geschaltete Transistoren uber die Ausraumschaltung angesteuert werden. Dabei können die Gates parallel geschalteter Transistoren individuell jeweils mit einer eigenen Ausraumschaltung verbunden sein. Es ist aber auch möglich, die Gates parallel geschalteter Transistoren miteinander zu verbinden und über eine gemeinsame, nach einem der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele ausgebildete Ausraumschaltung anzusteuern.In all the aforementioned embodiments, parallel-connected transistors can also be driven via the space circuit. In this case, the gates of transistors connected in parallel can each be individually connected to a separate room circuit. However, it is also possible to connect the gates of transistors connected in parallel to each other and to control them via a common, designed according to one of the embodiments described above Ausraumschaltung.
Zur Entlastung einer Treiberschaltung für einen Schalter mit kapazitiver Steuerelektrode sieht die Erfindung eine Ausraumschaltung
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- Schaltungsanordnungcircuitry
- 1111
- Lastload
- 1212
- Feldeffekttransistor (MOSFET, IGBT o. a.)Field effect transistor (MOSFET, IGBT or others)
- 1313
- Betriebsspannungoperating voltage
- 1414
- Masse-NullpotenzialGround zero potential
- 1515
- Gate-ElektrodeGate electrode
- 1616
- Kondensatorcapacitor
- 1717
- Source-ElektrodeSource electrode
- 1818
- Drain-ElektrodeDrain
- 1919
- Treiberschaltungdriver circuit
- 2020
- Ausgangs-TreibertransistorOutput driver transistor
- 2121
- Ausgangs-TreibertransistorOutput driver transistor
- 2222
- Ausgangoutput
- 2323
- AusräumschaltungAusräumschaltung
- 2424
- EinschaltstrompfadEinschaltstrompfad
- 2525
- Widerstandresistance
- 2626
- erster Ausräumstrompfadfirst Ausgäumstrompfad
- 2727
- zweiter Ausräumstrompfadsecond clearing path
- 2828
- Diodediode
- 2929
- Verstärkerbauelementamp device
- 3030
- pnp-TransistorPNP transistor
- 3131
- erster Widerstandfirst resistance
- 3232
- zweiter Widerstandsecond resistance
- 3333
- Vorderflankeleading edge
- 3434
- Hinterflanketrailing edge
- 3535
- Diodediode
- 3636
- Kondensatorcapacitor
- 3737
- Shuntshunt
- 3838
- Abgrifftap
- 3939
- Schalttransistor (MOSFET, IGBT o. ä.)Switching transistor (MOSFET, IGBT or similar)
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