DE102011079569B4

DE102011079569B4 - Leistungs- oder Stromverteilungssystem eines Flugzeuges mit einer aktiven Transistor-Klemmschaltung sowie zugehöriges Verfahren zum aktiven Pegelhalten

Info

Publication number: DE102011079569B4
Application number: DE102011079569A
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: HS Elektronik Systems GmbH
Current assignee: HS Elektronik Systems GmbH
Priority date: 2011-07-21
Filing date: 2011-07-21
Publication date: 2013-11-07
Anticipated expiration: 2031-07-22
Also published as: EP2549649A1; US20130021700A1; DE102011079569A1

Abstract

Leistungsverteilungssystem oder Stromverteilungssystem (20) eines Flugzeuges (10) mit einer aktiven Transistor-Klemmschaltung (200) als Leistungsverteilungsschalter (32), wobei die aktive Transistor-Klemmschaltung (200) einen Metalloxid-Feldeffekt-Halbleitertransistor (110) mit Source(S)-, einem Gate(G)- und einem Drain(D)-Anschluss aufweist und bei der dann, wenn die Spannung zwischen Drain(D)- und Source(S)-Anschluss eine Schwellenspannung überschreitet, der Transistor (110) eingeschaltet wird, wodurch Strom- bzw. Leistung durch den Transistor (110) fließt und eine übermäßige Drain(D)-Source(S)-Spannung verhindert wird; und wobei zwischen den Gate(G)- und den Drain(D)-Anschluss des Metalloxid-Feldeffekt-Halbleitertransistors (110) eine bidirektionale TVS-Überspannungsschutz-Diode (120) geschaltet ist, und die aktive Transistor-Klemmschaltung keine Gleichrichterdioden aufweist.

Description

Hintergrund
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leistungsverteilungssystem oder Stromverteilungssystem gemäß Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zum aktiven Pegelhalten einer Transistor-Drain-Source-Spannung gemäß dem Patentanspruch 7.
Moderne Fahrzeug- oder Flugzeug-Leistungssteuerungssysteme verwenden typischerweise Schalttransistoren wie etwa Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs), um die Leistungsverteilung bzw. Stromverteilung im gesamten Fahrzeug beziehungsweise Flugzeug zu regeln oder zu steuern. In einer derartigen Konfiguration werden die Transistoren unter Verwendung von Klemmschaltungen, die verhindern, dass die Spannung über dem Transistor einen Klemmwert überschreitet, gegen Überspannungen geschützt. Klemmschaltungen können entweder aktive Klemmschaltungen sein, die die Schaltung nur dann beeinflussen, wenn die Klemmenspannung überschritten wird, oder passive Klemmschaltungen, die eine fortgesetzte Wirkung auf die Schaltung aufweisen.
Aktive Klemmschaltungen für Transistoren schließen Strom bzw. Leistung von einem Transistor-Drain-Anschluss zu dem Transistor-Gate-Anschluss kurz, wenn die Spannung zwischen dem Drain-Anschluss und dem Source-Anschluss des Transistors eine Schwellenspannung übersteigt. Wenn Strom bzw. Leistung zum Transistor-Gate kurzgeschlossen wird, wird der Transistor eingeschaltet, wodurch es ermöglicht wird, dass Strom bzw. Leistung durch den Transistor fließt und übermäßige Drain-Source-Spannungen verhindert werden.
Die DE 101 37 764 A1 zeigt in der dortigen 1 als ein Beispiel für eine aktive Klemmschaltung als Überspannungsschutz gegen periodisch oder einmalig auftretende Schaltüberspannungen einer Verwendung eines spannungsbegrenzenden Bauelements, wie einer unidirektionale Transient Voltage Suppressor-(TVS-)-Diode mit Zener-Charakteristik, das zwischen Drain und Gate eines MOSFET geschaltet ist und bei auftretender Überspannung das Gate des MOSFET solange aufsteuert, wie die Überspannung anhält. Weiter ist dort in Reihe zu der TVS-Diode eine Gleichrichterdiode als Sperrdiode geschaltet, die ein Kurzschließen der positiven Gate-Steuerspannung über die Drain-Source-Strecke des MOSFET verhindern soll.
Eine typische aktive Klemmschaltung beinhaltet also entweder eine Zener-Diode oder eine unidirektionale TVS-Diode in Reihe geschaltet mit einer Vorwärts-Sperrgleichrichter-Diode. Die Zener-Diode oder die TVS-Diode und die Vorwärts-Sperrgleichrichter-Diode sind zwischen den Gate-Anschluss und den Drain-Anschluss des Transistors geschaltet. In einer derartigen. Konfiguration erlaubt die Zener-Diode, dass ein Strom fließt, wenn die Spannung die Zener-Durchbruchspannung überschreitet, und die Vorwärts-Sperrgleichrichter-Diode verhindert einen umgekehrten Stromfluss, wenn der Transistor eingeschaltet ist.
Chundru, R. [u. a.], „An Evaluation of TVS Devices for ESD Protection”, IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility (EMC), August 2011, S. 62–67, beschreibt, dass TVS-Dioden Sperrschichten mit großen Querschnittsflächen zur Aufnahme hoher transienter Energien aufweisen. Unter normalen Betriebsbedingungen verhalten sich TVS-Dioden wie ein Leerlauf. Sobald die normale Betriebsspannung an einem zu schützenden Bauteil überschritten wird, bricht die Sperrschicht der TVS-Diode im Lawinendurchbruch durch und stellt einen niederohmigen Stromweg für den transienten Strom zur Verfügung, um die transiente Energie vom zu schützenden Bauteil abzuhalten. Die Spannung-Strom-Kennlinie einer TVS-Diode ist grundsätzlich ähnlich zu der einer Zener-Diode, jedoch sind TVS-Dioden speziell eingerichtet, transiente Entladungspulse zu klemmen, wohingegen Zener-Dioden bestimmt sind, eine relative stabile Spannung zu regeln.
US 2008/0 258 224 A1 zeigt in 1A eine in einen MOSFET integrierte Schutzschaltung, bei der eine Zener-Diode mit einer Vorwärts-Sperrgleichrichter-Diode zwischen Drain und Gate des MOSFET in Reihe geschaltet sind. Weiter zeigt US 2008/0 258 224 A1 einen MOSFET, bei dem auf Halbleiterebene Zener-Dioden als bi-direktionale Überspannungsschutzdiode zwischen Gate- und Drain-Anschluss des MOSFET integriert sind, wobei die Durchbruchspannung der Zener-Dioden von Drain nach Gate kleiner ist als die Source-Drain-Durchbruchspannung des MOSFET.
JP 06-342 915 A offenbart einen MOS-Leistungstransistor, bei dem zum Schutz der Gate-Elektrode vor elektrostatischen Entladungen auf Halbleiterebene eine bi-direktionale Zener-Diode zwischen Gate und Source parallel zu einer Reihenschaltung aus einem Widerstand und der Gate-Elektrode integriert ist.
US 5 521 414 A zeigt einen MOSFET mit einer Serienschaltung mehrere Zener-Dioden und einer Diode zwischen Drain und Gate, wobei die Diode in Sperrpolarität bezüglich der Zener-Dioden geschaltet ist, um eine Vorwärtsleitung vom Gate zum Drain zu hemmen.
Zusammenfassung
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, Leistungsverteilungssystem oder Stromverteilungssystem mit einer verbesserten aktiven Klemmschaltung vorzuschlagen.
Die Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsbeispiele und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Diese und andere Merkmale der vorliegenden Erfindung können am besten aus der folgenden Beschreibung der Zeichnungen verstanden werden, wobei im Folgenden eine Kurzbeschreibung davon gegeben wird.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 veranschaulicht ein beispielhaftes Flugzeug-Leistungsverteilungssystem.
2 veranschaulicht eine aktive Transistor-Klemmschaltung.
3 veranschaulicht eine andere aktive Transistor-Klemmschaltung.
Detaillierte Beschreibung
1 veranschaulicht ein Flugzeug 10 mit einem an Bord befindlichen Leistungsverteilungssystem bzw. Stromverteilungssystem 20. Das an Bord befindliche Leistungsverteilungssystem 20 beinhaltet eine Steuerung 30, die in der Lage ist, die Verteilung von Leistung über das Flugzeug hin an mehrere unterschiedliche elektronische Komponenten 40 zu steuern. In die Steuerung 30 eingeschlossen sind mehrere Leistungsschalter-Schaltungen 32. Während 1 vier Leistungsschalter-Schaltungen 32 veranschaulicht, würde eine praktische Implementation des Leistungsverteilungssystem 20 signifikant mehr Schalter-Schaltungen 32 beinhalten.
2 veranschaulicht eine aktive Transistor-Klemmschaltung 100 mit einem Transistor 110. Die aktive Transistor-Klemmschaltung 100 ist angeordnet, um als ein Leistungsschalter zu arbeiten, wie etwa die Leistungsschalter-Schaltung 32 aus 1. Der Transistor 110 weist einen Drain-Knoten 112, einen Source-Knoten 114 und einen Gate-Knoten 116 auf. Ein Steuersignaleingang 140 wird durch einen Konditionierungswiderstand 130 geleitet und steuert den Betriebszustand des Transistors 110. Der Konditionierungswiderstand 130 stellt sicher, dass das durch den Transistor 110 entgegengenommene Steuerungssignal geeignet ist, den Transistor 110 zu steuern. Wenn auf dem Steuerungssignaleingang 140 ein Signal vorhanden ist, ist der Transistor 110 eingeschaltet und erlaubt einen Leistungsfluss von dem Drain-Anschluss zum Source-Anschluss, und wenn an dem Steuersignaleingang 140 kein Signal anliegt, ist der Transistor 110 ausgeschaltet und verhindert einen Leistungsfluss vom Drain-Anschluss zum Source-Anschluss. Der Steuerungssignaleingang 140 stammt aus der Steuerung 30 (in 1 veranschaulicht).
Elektronische Komponenten, wie etwa Dioden und Transistoren, welche Stromfluss blockieren, beinhalten eine Maximalspannungsangabe, unter welcher die Komponente fortfahren kann, einen Stromfluss zu blockieren. Wenn die Spannungsangabe überschritten wird, bricht die elektronische Komponente durch und beginnt, einen Stromfluss zu erlauben. Die Maximalspannungsangabe wird als Lawinendurchbruchspotential bezeichnet, und wenn das Lawinendurchbruchspotential überschritten wird, wird gesagt, dass die elektrische Komponente in dem Lawinendurchbruchszustand sei. Einige Komponenten wie Überspannungsschutzdioden (TVS) sind konstruiert, um innerhalb des Lawinendurchbruchszustandes betrieben zu werden und können ohne Schaden für die Komponente zwischen einem Betrieb im Normalmodus und in einem Betrieb in einem Lawinendurchbruch wechseln. Andere elektrische Komponenten, wie etwa Metalloxid-Feldeffekthalbleitertransistoren (MOSFETs) können beschädigt oder zerstört werden, wenn sie in den Lawinendurchbruchszustand eintreten.
In dem Beispiel aus 2 verbindet eine bidirektionale TVS-Diode 120 den Konditionierungswiderstand 130 mit dem Drain-Knoten 112 des Transistors 110. Der Transistor 110 kann ein MOSFET sein. Die bidirektionale TVS-Diode 120 erlaubt es, dass Leistung aus dem Drain-Knoten 112 und durch die bidirektionale TVS-Diode 120 fließt, wenn die Spannung zwischen Drain-Anschluss und Gate-Anschluss des Transistors 110 das Lawinendurchbruchspotential der bidirektionalen TVS-Diode 120 überschreitet. Wenn die Spannung zwischen dem Drain-Anschluss und dem Gate-Anschluss das Lawinendurchbruchspotential der bidirektionalen TVS-Diode 120 nicht länger überschreitet, setzt sich die bidirektionale TVS-Diode 120 zurück und kehrt in den Grundzustand des Blockierens eines Stromflusses zurück. Infolge der Verbindung zwischen Drain-Anschluss und Gate-Anschluss der bidirektionalen TVS-Diode 120 braucht die TVS-Diode nicht dimensioniert zu werden, um die gesamte Klemmenenergie während des aktiven Klemmens zu absorbieren. Stattdessen nutzt die aktive Transistor-Klemmschaltung 100 aus 2 den Transistor 110, um den größeren Teil der Klemmenenergie zu absorbieren.
Die veranschaulichte bidirektionale TVS-Diode 120 erlaubt einen Stromfluss in jede Richtung, wenn das Lawinendurchbruchspotential überschritten wird. Darüber hinaus liefert die bidirektionale TVS-Diode 120 einen signifikanten Schaltgeschwindigkeits-Vorteil gegenüber unidirektionalen TVS-Diode/Gleichrichterdioden und Zener-Dioden/Gleichrichterdiodenschaltung, während die Schaltung bei niedrigen Temperaturen betrieben wird. Dieser Vorteil wird teilweise kompensiert durch signifikant höhere Kosten bidirektionaler TVS-Dioden im Vergleich zu unidirektionalen TVS-Dioden/Gleichrichterdioden oder Zener-Dioden/Gleichrichterdioden-Schaltungen.
Der Leistungsfluss bzw. Stromfluss durch die bidirektionale TVS-Diode 120 während einer Überspannung liefert durch den Konditionierungswiderstand 130 ein Steuerungssignal an den Gate-Knoten 116. Auf diese Art und Weise wird der Transistor 110 eingeschaltet, wenn die Spannung zwischen Drain-Anschluss und Gate-Anschluss des Transistors 110 das Lawinendurchbruchspotential der bidirektionalen TVS-Diode 120 überschreitet. Die bidirektionale TVS-Diode 120 verhindert einen Stromfluss zu allen anderen Zeiten, wodurch sie im Ergebnis keinen Einfluss auf die Schaltung hat, wenn keine Überspannung vorhanden ist.
3 veranschaulicht eine zweite aktive Transistor-Klemmschaltung 200 mit einem Transistor 110. Die aktive Transistor-Klemmschaltung 200 aus 3 beinhaltet identische Elemente aus dem Beispiel aus 2, wobei gleiche Bezugszeichen die gleichen Elemente bezeichnen. Darüber hinaus beinhaltet die aktive Transistor-Klemmschaltung aus 3 eine Zener-Diode 250, die zwischen die bidirektionale TVS-Diode und den Drain-Knoten 112 geschaltet ist. Die Zener-Diode 250 wird verwendet, um die Durchbruchspannung der bidirektionalen TVS-Diode 120 einzustellen.
Die aktive Klemmschaltung (die bidirektionale TVS-Diode 120 im Beispiel von 2) in einem Leistungsschalter weist eine langsamere Antwortzeit als die Schaltrate des Transistors 110 auf; der Transistor 110 kann zeitweise in einem Lawinendurchbruchszustand beim Beginn einer Überspannung eintreten. Ein Eintritt in den Lawinendurchbruchszustand tritt ein, weil der Transistor 110 in den Lawinendurchbruchszustand schneller schaltet als die aktive Klemmschaltung den Transistor 110 öffnet, um die Überspannung zu verhindern, wenn die Schaltgeschwindigkeit des Transistors 110 höher ist als die Antwortzeit der aktiven Klemmschaltung. Wenn der Transistor 110 in den Lawinendurchbruchszustand eintritt, kann der Transistor 110 beschädigt oder zerstört werden. Daher ist die Schaltrate des Transistors 110 effektiv begrenzt, größer zu sein als die Antwortzeit der aktiven Klemmschaltung. Durch Sicherstellen, dass die bidirektionale TVS-Diode 120 aus 2 schneller antwortet als der Transistor 110 seinen Zustand ändern kann, wird die bidirektionale TVS-Diode 120 den Transistor 110 in jedem Fall aktivieren, bevor der Transistor 110 in den Lawinendurchbruchszustand eintritt. Die schnellere Antwortzeit der bidirektionalen TVS-Diode 120 erlaubt es der aktiven Spannungs-Klemmschaltung aus 2, für einen MOSFET 110 nach dem Stand der Technik eine aktive Klemme zu liefern, die eine schnelle Schaltgeschwindigkeit aufweist. Die aktiven Transistor-Klemmschaltungen 100 und 200 sind gekennzeichnet durch eine Abwesenheit von Gleichrichterdioden.
Obgleich die vorstehende aktive Klemmschaltung unter Bezugnahme auf Leistungsdistribution in Flugzeugen beschrieben wird, versteht es sich, dass die offenbarte Schaltung im Zusammenhang mit jeglicher Transistorschaltschaltung verwendet werden könnte.

Claims

Leistungsverteilungssystem oder Stromverteilungssystem (20) eines Flugzeuges (10) mit einer aktiven Transistor-Klemmschaltung (200) als Leistungsverteilungsschalter (32), wobei die aktive Transistor-Klemmschaltung (200) einen Metalloxid-Feldeffekt-Halbleitertransistor (110) mit Source(S)-, einem Gate(G)- und einem Drain(D)-Anschluss aufweist und bei der dann, wenn die Spannung zwischen Drain(D)- und Source(S)-Anschluss eine Schwellenspannung überschreitet, der Transistor (110) eingeschaltet wird, wodurch Strom- bzw. Leistung durch den Transistor (110) fließt und eine übermäßige Drain(D)-Source(S)-Spannung verhindert wird; und wobei zwischen den Gate(G)- und den Drain(D)-Anschluss des Metalloxid-Feldeffekt-Halbleitertransistors (110) eine bidirektionale TVS-Überspannungsschutz-Diode (120) geschaltet ist, und die aktive Transistor-Klemmschaltung keine Gleichrichterdioden aufweist.
Leistungsverteilungssystem oder Stromverteilungssystem (20) eines Flugzeuges (10) nach Anspruch 1, ferner aufweisend: einen das Gate (G) des Metalloxid-Feldeffekt-Halbleitertransistors (110) mit einem Knoten der bidirektionalen TVS-Überspannungsschutz-Diode (120) verbindenden Konditionierungswiderstand (130).
Leistungsverteilungssystem oder Stromverteilungssystem (20) eines Flugzeuges (10) nach Anspruch 2, wobei die bidirektionale TVS-Überspannungsschutz-Diode (120) und der Konditionierungswiderstand (130) in Reihe geschaltet sind.
Leistungsverteilungssystem oder Stromverteilungssystem (20) eines Flugzeuges (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Antwortzeit der bidirektionalen TVS-Überspannungsschutz-Diode (120) kleiner als eine Schaltzeit des Transistors (110) ist.
Leistungsverteilungssystem oder Stromverteilungssystem (20) eines Flugzeuges (10) nach irgendeinem der vorstehenden Ansprüche, ferner eine Zener-Diode aufweisend, die die bidirektionale TVS-Überspannungsschutz-Diode mit dem Drain-Anschluss des Transistors verbindet.
Leistungsverteilungssystem oder Stromverteilungssystem (20) eines Flugzeuges (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend: eine Mehrzahl von Leistungsverteilungsschaltern (32), von denen jeder eine aktive Transistor-Klemmschaltung (200) nach einem der vorherigen Ansprüche aufweist.
Verfahren zum aktiven Pegelhalten einer Transistor-Drain-Source-Spannung an einem Metalloxid-Feldeffekt-Halbleitertransistor (110) als Leistungsverteilungsschalter (32) in einem Leistungsverteilungssystem bzw. Stromverteilungssystem (20) eines Flugzeuges (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.