DE102013223184A1

DE102013223184A1 - Treiberschaltung mit straffer Steuerung der Gate-Spannung

Info

Publication number: DE102013223184A1
Application number: DE201310223184
Authority: DE
Inventors: Reinhold Bayerer
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2012-11-19
Filing date: 2013-11-14
Publication date: 2014-05-22
Anticipated expiration: 2033-11-15
Also published as: CN103825461B; US20140139268A1; US8773172B2; DE102013223184B4; CN103825461A

Abstract

Eine Treiberschaltung umfasst eine Treiberausgangsstufe und einen Operationsverstärker. Die Treiberausgangsstufe weist einen High-Pegel-Spannungseingang und einen Low-Pegel-Spannungseingang auf und ist zum Erzeugen einer Ausgangsspannung ausgebildet, die auf eine an die Treiberausgangsstufe angelegte Gate-Spannung reagiert. Der Operationsverstärker ist zum Einstellen der an die Treiberausgangsstufe angelegten Gate-Spannung ausgebildet, so dass die Ausgangsspannung einem Steuersignal entspricht, das am Operationsverstärker eingegeben wird. Eine erste Versorgungsspannung, die mit dem High-Pegel-Spannungseingang der Treiberausgangsstufe verbunden ist, ist größer als ein Maximalwert des Steuersignals, und eine zweite Versorgungsspannung, die mit dem Low-Pegel-Spannungseingang der Treiberausgangsstufe verbunden ist, ist kleiner als ein Minimalwert des Steuersignals.

Description

GEBIET
Die vorliegende Anmeldung bezieht sich auf Treiberschaltungen für spannungsgesteuerte Leistungshalbleiter und insbesondere auf Treiberschaltungen mit straffer Gate-Spannungssteuerung.
HINTERGRUND
Treiberausgangsstufen-Schaltungen bestehen normalerweise aus einer primärseitigen Schaltung und einer sekundärseitigen Schaltung, die voneinander galvanisch getrennt sind. Die Primärseite liegt normalerweise an Masse. Die potentialgetrennte Sekundärseite erfordert eine potentialgetrennte Versorgung. Auf der Sekundärseite werden Befehle von der Primärseite normalerweise so behandelt, dass sie das richtige Format – wenigstens den richtigen Spannungspegel – aufweisen, um den Leistungshalbleiter zu steuern. Zum AnsteuernBetreiben des Gates eines Leistungshalbleiters, wie zum Beispiel eines MOSFET (metal oxide semiconductor field-effect transistor, Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor), IGBT (insulated gate bipolar transistor, Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode), JFET (junction field-effect transistor, Sperrschicht-Feldeffekttransistor) oder HEMT (high-electron-mobility transistor, etwa: Transistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit) umfassen Treiberausgangsstufen konventionell eine Ausgangsstufe zur Verstärkung von Eingangssignalen, die in die Treiberausgangsstufen-Schaltung eingegeben werden, oder von Signalen, die innerhalb der Treiberausgangsstufen-Schaltung erzeugt werden. Die Treiberausgangsstufe der Treiberausgangsstufen-Schaltung enthält typischerweise eine Emitterfolgerstufe in einer Gegentaktkonfiguration. Das Eingangssignal oder das in der Treiberausgangsstufen-Schaltung erzeugte Signal, das an die Treiberausgangsstufe angelegt wird, weist die gewünschte Spannungsamplitude und -form über der Zeit auf, wobei dieses an das Gate des Leistungshalbleiters angelegt werden sollte. Die Treiberausgangsstufe sollte nur Stromverstärkung bewirken, und sie sollte Form oder Pegel der Spannung beibehalten. Die Treiberausgangsstufe wird typischerweise von einer (z. B. 15 V) oder zwei Versorgungsspannungen (z. B. +15 V, –5 V) versorgt. Die High- und Low-Pegel des Eingangssignals sind normalerweise gleich den positiven bzw. negativen Versorgungsspannungen. Im Fall von n-Kanal-MOSFETs oder n-Kanal-IGBTs im Durchlasszustand wird die positive Versorgungsspannung der Treiberausgangsstufe idealerweise ohne Spannungsabfall zum Gate des Leistungstransistors geschaltet. Gleichermaßen wird im Sperrzustand die negative Versorgungsspannung der Treiberausgangsstufe idealerweise ohne Spannungsabfall zum Leistungstransistor-Gate geschaltet. Im Fall von p-Kanal-MOSFETs sind die Polaritäten gemäß den Steuerungscharakteristika dieser Bauelemente invertiert. Für selbstleitende Leistungstransistoren können die Spannungspegel für den „Durchlass-“ und den „Sperr-“Zustand 0 V bzw. –15 V oder irgendeine für das Bauelement erforderliche negative Spannung (z. B. –5 V, –20 V) sein.
Falls die Treiberausgangsstufe eine Emitterfolgerschaltung umfasst, wird ein Spannungsabfall entsprechend der Vorwärtsspannung einer Basis-Emitter-Diode des Emitterfolgers vorhanden sein. Bei Darlington-Konfigurationen kann der Spannungsabfall zwei- oder dreimal größer sein, abhängig von der Anzahl der Darlington-Stufen. Derartige Spannungsabfälle sind insbesondere aktiv, wenn Spitzenströme in das Gate des Leistungshalbleiters hinein oder daraus heraus und durch die Treiberausgangsstufe fließen. Derartige Ströme treten während Übergängen auf, z. B. beim Einschalten und Abschalten und während Spannungsänderungen an den Lastanschlüssen des Leistungshalbleiters oder im Fall von Spannungsänderungen an den Lastanschlüssen des Leistungshalbleiters, d. h. bei Drain- oder Kollektor-Spannungsübergängen am Leistungshalbleiter. Derartige Drain- oder Kollektor-Spannungsübergänge können durch Gründe verursacht werden, die außerhalb des Leistungsbauelements liegen, wie zum Beispiel ein im leitenden Modus des Leistungshalbleiters auftretender Kurzschluss der Last. Ein anderes Beispiel tritt durch Diodenstromkommutierung wegen Umkehr des Laststroms am Phasenausgang einer Halbbrückenschaltung innerhalb eines Leistungswechselrichters usw. auf. Diese Spannungsabfälle führen, außer wenn sie abgeschwächt werden, in der Ausgangsstufe der Treiberschaltung zu höheren Schaltverlusten oder zu unzuverlässigem Betrieb des Leistungshalbleiters unter bestimmten Kurzschlussbedingungen oder unter Stromkommutierung von der Freilaufdiode. Der Vorteil der Emitterfolgerschaltung besteht, trotz des inhärenten Spannungsabfalls, in ihrer exzellenten Antwortzeit auf das Eingangssignal.
Eine Treiberausgangsstufe, die die exzellente Antwortzeit beibehält, jedoch Spannungsabfall zwischen dem Eingang und dem Ausgang der Treiberausgangsstufe verhindert, ist daher erwünscht.
KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einer Ausführungsform einer Treiberschaltung umfasst die Treiberschaltung eine Treiberausgangsstufe, die einen High-Pegel-Spannungseingang und einen Low-Pegel-Spannungseingang aufweist. Die Treiberausgangsstufe ist dazu ausgebildet, eine Ausgangsspannung zu erzeugen, die auf eine an die Treiberausgangsstufe angelegte Gate-Spannung reagiert. Die Treiberschaltung umfasst weiterhin einen Operationsverstärker, der dazu ausgebildet ist, die an die Treiberausgangsstufe angelegte Gate-Spannung einzustellen, so dass die Ausgangsspannung einem Steuersignal entspricht, das am Operationsverstärker eingegeben wird. Eine erste Versorgungsspannung, die mit dem High-Pegel-Spannungseingang der Treiberausgangsstufe verbunden ist, ist größer als ein Maximalwert des Steuersignals, und eine zweite Versorgungsspannung, die mit dem Low-Pegel-Spannungseingang der Treiberausgangsstufe verbunden ist, ist kleiner als ein Minimalwert des Steuersignals.
Gemäß einer Ausführungsform einer Schaltung umfasst die Schaltung ein Leistungshalbleiterbauelement und eine Treiberausgangsstufe, die einen High-Pegel-Spannungseingang und einen Low-Pegel-Spannungseingang aufweist. Die Treiberausgangsstufe ist dazu ausgebildet, ein Leistungshalbleiterbauelement mit einer Spannung anzusteuern, die von der Treiberausgangsstufe ausgegeben wird, die auf eine an die Treiberausgangsstufe angelegte Gate-Spannung reagiert. Die Schaltung umfasst weiterhin einen Operationsverstärker, der dazu ausgebildet ist, die an die Treiberausgangsstufe angelegte Gate-Spannung einzustellen, so dass die von der Treiberausgangsstufe ausgegebene Spannung einem Steuersignal entspricht, das am Operationsverstärker eingegeben wird. Eine erste Versorgungsspannung, die mit dem High-Pegel-Spannungseingang der Treiberausgangsstufe verbunden ist, ist größer als ein Maximalwert des Steuersignals, und eine zweite Versorgungsspannung, die mit dem Low-Pegel-Spannungseingang der Treiberausgangsstufe verbunden ist, ist kleiner als ein Minimalwert des Steuersignals.
Gemäß einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Betreiben einer Treiberschaltung umfasst das Verfahren Folgendes: das Schalten einer Treiberausgangsstufe, so dass die Treiberausgangsstufe eine Ausgangsspannung erzeugt, die auf eine an die Treiberausgangsstufe angelegte Gate-Spannung reagiert; das Einstellen der an die Treiberausgangsstufe angelegten Gate-Spannung durch einen Operationsverstärker, so dass die Ausgangsspannung einem Steuersignal entspricht, das am Operationsverstärker eingegeben wird; das Verbinden einer ersten Versorgungsspannung, die größer als ein Maximalwert des Steuersignals ist, mit dem High-Pegel-Spannungseingang der Treiberausgangsstufe; und das Verbinden einer zweiten Versorgungsspannung, die kleiner als ein Minimalwert des Steuersignals ist, mit dem Low-Pegel-Spannungseingang der Treiberausgangsstufe.
Der Fachmann wird zusätzliche Merkmale und Vorteile beim Lesen der folgenden ausführlichen Beschreibung und bei Betrachtung der zugehörigen Zeichnungen erkennen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Komponenten in den Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu, weil stattdessen die Betonung darauf gelegt wird, die Grundlagen der Erfindung zu veranschaulichen. Außerdem bezeichnen in den Figuren gleiche Referenznummern die entsprechenden Teile. Dabei zeigt:
1 eine Ausführungsform einer Treiberschaltung;
2 eine weitere Ausführungsform einer Treiberschaltung;
3 noch eine weitere Ausführungsform einer Treiberschaltung;
4 noch eine weitere Ausführungsform einer Treiberschaltung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die hierin beschriebenen Ausführungsformen beschreiben eine Treiberschaltung, die eine Treiberausgangsstufe zum Ansteuern eines Leistungshalbleiterbauelements umfasst, wie zum Beispiel eines MOSFET, IGBT, JFET, HEMT oder irgendeines anderen spannungsgesteuerten Leistungshalbleiterbauelements. Die Treiberausgangsstufe weist eine Gegentaktkonfiguration auf und erzeugt eine Ausgangsspannung (Vout), die an das Gate des Leistungshalbleiterbauelements angelegt wird, meist über einen Gate-Widerstand, der vorzugsweise klein genug ist, um lediglich parasitäre Schwingungen am Gate zu dämpfen. Die Treiberausgangsstufe weist eine exzellente Antwortzeit auf und stellt straffe Steuerung der Ausgangsspannung durch Einstellung der Ausgangsspannung mit Bezug auf ein Steuersignal bereit, das an der Treiberschaltung eingegeben oder von ihr erzeugt wird. Anstelle eines Emitterfolgers können eine oder mehrere Darlington-Stufen oder Logikpegel-MOSFETs, die als Source-Folger ausgelegt sind, als die Treiberausgangsstufe verwendet werden. In der Treiberschaltung können noch andere Treiberausgangsstufen mit einer Gegentaktkonfiguration verwendet werden. In jedem Fall behält die Treiberausgangsstufe exzellente Antwortzeit, und die Treiberschaltung verhindert Spannungsabfall zwischen dem Ausgang der Treiberausgangsstufe und dem Eingangssignal (Vin) am Operationsverstärker der Treiberschaltung.
1 veranschaulicht eine Ausführungsform einer Treiberschaltung 100, die eine Treiberausgangsstufe 110 zum Ansteuern eines Leistungshalbleiterbauelements (Z1) über einen optionalen Gate-Widerstand R2 enthält. Die Treiberschaltung 100 enthält weiterhin einen Operationsverstärker 120 und eine Ausgangsspannungs-Rückkopplungsschaltung 130. Die Treiberausgangsstufe 110 erzeugt eine Ausgangsspannung (Vout), die das Gate des Leistungshalbleiterbauelements über den optionalen Gate-Widerstand R2 ansteuert. Die Treiberausgangsstufe 110 weist einen High-Pegel-Spannungseingang (V_HL) und einen Low-Pegel-Spannungseingang (V_LL) auf. Gemäß der in 1 gezeigten Ausführungsform ist die Treiberausgangsstufe 110 ein Gegentaktausgangstreiber, der bipolare PNP- und NPN-Sperrschichttransistoren (Q1, Q2) umfasst, die als Emitterfolger ausgelegt sind. Der Ausgang der Treiberausgangsstufe 110 wird in 1 mit dem Gate des Leistungshalbleiterbauelements über einen Widerstand R2 verbunden gezeigt und gibt somit eine Gate-Spannung (Vg) an das Gate des Leistungshalbleiterbauelements ab.
Die Gate-Spannung (Vsw), die an die Treiberausgangsstufe 110 angelegt wird, wird vom Operationsverstärker 120 gesetzt. Der Operationsverstärker 120 setzt Vsw so, dass die Ausgangsspannung (Vout) einem Steuersignal (Vin) am positiven Eingang (+) des Operationsverstärkers 120 entspricht. Ein Spannungsabfall tritt zwischen den Basen der Ausgangsstufen-Transistoren (Q1, Q2) und dem Ausgang (Vout) auf, wenn Strom in das Gate hinein oder aus diesem heraus fließt. Um diesem Spannungsabfall entgegenzuwirken oder ihn auszugleichen, ist die High-Pegel-Versorgungsspannung (V1), die mit dem High-Pegel-Spannungseingang (V_HL) der Treiberausgangsstufe 110 verbunden ist, größer als der Maximalwert des Steuersignals Vin, und die Low-Pegel-Versorgungsspannung (V2), die mit dem Low-Pegel-Spannungseingang (V_LL) der Treiberausgangsstufe 110 verbunden ist, ist kleiner als der Minimalwert von Vin. Gemäß dieser Ausführungsform nutzen der Operationsverstärker 120 und die Treiberausgangsstufe 110 gemeinsam die gleichen High-Pegel-und Low-Pegel-Spannungsversorgungen, wobei V+ in 1 der High-Pegel-Spannungseingang des Operationsverstärkers 120 und V– der Low-Pegel-Spannungseingang des Operationsverstärkers 120 ist. In anderen Ausführungsformen sind der Operationsverstärker 120 und die Treiberausgangsstufe 110 mit unterschiedlichen High-Pegel- und Low-Pegel-Spannungsversorgungen verbunden.
Das Sicherstellen, dass die Versorgungsspannungen (V1, V2) an den High-Pegel-und Low-Pegel-Spannungseingängen (V_HS, V+, V_LS, V–) der Treiberausgangsstufe 110 und des Operationsverstärkers 120 einen Spielraum aufweisen, der außerhalb der Maximal- und Minimalwerte des Steuersignals (Vin) am positiven Eingang (+) des Operationsverstärkers 120 liegt, stellt in beiden Fällen sicher, dass jeder Spannungsabfall kompensiert wird, der durch die Emitterfolger (Q1, Q2) der Treiberausgangsstufe 110 verursacht wird. Der Operationsverstärker ist eine Hochgeschwindigkeitsbauform mit kurzer Antwortzeit. Auf diese Weise behält die Treiberausgangsstufe 110 eine schnelle Antwortzeit, und die Ausgangsspannung (Vout), die am Leistungshalbleiterbauelement (Z1) angelegt wird, entspricht dem Steuersignal (Vin), ohne gegenüber Spannungsabfällen zwischen Vin und Vout empfindlich zu sein.
In einer Ausführungsform ist die High-Pegel-Versorgungsspannung (V+) wenigstens 3 V höher als der Maximalwert des Steuersignals (Vin) am positiven Eingang (+) des Operationsverstärkers 120, und/oder die Low-Pegel-Versorgungsspannung (V–) ist wenigstens 3 V kleiner als der Minimalwert von Vin. Die Gate-Spannung im Durchlasszustand, die von der Treiberausgangsstufe 110 am Leistungshalbleiterbauelement (Z1) angelegt wird, kann z. B. 5 V, 12 V, 15 V usw. betragen, abhängig von der Ansteuerbedingung von Z1. Gleichermaßen kann die Gate-Spannung im Sperrzustand, die von der Treiberausgangsstufe 110 an Z1 abgegeben wird, z. B. –15 V, –10 V, –5 V, 0 V usw. betragen, wiederum abhängig von der Ansteuerbedingung. Für selbstleitende Bauelemente kann die Spannung im Durchlasszustand 0 V und die Spannung im Sperrzustand –10 V, –15 V, –20 V oder irgendwelche anderen geeigneten Werte betragen. Alle Kombinationen von Spannungen im Durchlass-/Sperrzustand können aufgenommen werden, jedoch vorzugsweise auf weniger als +24 V und mehr als –24 V begrenzt.
Um das Steuersignal (Vsw) an der Basis der Transistoren Q1/Q2 der Ausgangsstufe 110 so einzustellen, dass die Ausgangsspannung (Vout) so ausgeführt wird, dass sie fast gleich Vin ist, ist der negative Anschluss (–) des Operationsverstärkers 120 mit dem Ausgang der Treiberausgangsstufe 110 verschaltet. Der Operationsverstärker 120 stellt Vsw auf Basis der Differenz zwischen Vin und der Ausgangsspannung (Vout) der Treiberausgangsstufe 110 so ein, dass Vout Vin nachzeichnet, z. B. die gleiche (oder skalierte) Amplitude und Form wie Vin aufweist. Das Steuersignal Vin ist ein Spannungssteuersignal, das aus einem PWM-(Pulsweitenmodulation)Steuersignal abgeleitet ist. Das PWM-Signal kann optional von der Treiberschaltung 100 modifiziert werden. Das PWM-Steuersignal kann ein Niederspannungs-Eingangssignal von einer Steuerung auf der Primärseite oder ein Signal sein, das von einer sekundärseitigen Logik und/oder Analogschaltung, die in der Treiberschaltung 100 enthalten ist, erzeugt wird. Das PWM-Steuersignal produziert ein geeignetes Hochstrom-Gate-Ansteuersignal (Vg) für das Leistungshalbleiterbauelement (Z1) über eine optionale Logik- oder Analogschaltung, den Operationsverstärker 120 und die Treiberausgangsstufe 110. Zum Beispiel weist das PWM-Steuersignal Übergänge auf, die das Schaltverhalten der Treiberausgangsstufe 110 steuern. Die Treiberausgangsstufe 110 wiederum stellt den Ausgangsstrom bereit, der zum Ansteuern des Gates des Leistungshalbleiterbauelements erforderlich ist, d. h. des Gates eines Leistungs-MOSFET, IGBT, HEMT oder JFET.
Im Fall eines MOSFET-Leistungshalbleiterbauelements stellt die Treiberausgangsstufe 110 den Ausgangsstrom bereit, der zum Ansteuern der Gate-Kapazität des MOSFET erforderlich ist. Das heißt, dass die Treiberausgangsstufe 110 ausreichend Ansteuerstrom bereitstellt, um schnell die Eingangskapazität aufzuladen oder zu entladen sowie den Bereich des Miller-Plateaus in den Schaltübergängen zu durchlaufen. Im dem Fall, dass dV/dt an die Lastanschlüsse des Leistungshalbleiterbauelements (Z1) angelegt wird, gibt die Treiberausgangsstufe 110 genug Strom ab, um die Kapazität Drain-/Kollektor zu Gate aufzuladen und die Gate-Spannung (Vg) auf dem vom Eingangssignal Vin definierten Wert zu halten. Im Allgemeinen kann die Treiberschaltung 100 als eine zweckmäßige integrierte Schaltung (IC, integrated circuit), diskrete Transistoren und/oder Umformer umgesetzt werden, oder sie kann in einem Steuerungs-IC integriert werden.
In jedem Fall wird das PWM-Steuersignal in ein Spannungssteuersignal (Vin) am positiven Eingang (+) des Operationsverstärkers 120 durch einen Widerstand R1 gewandelt. Der Operationsverstärker 120 vergleicht die Ausgangsspannung (Vout) der Treiberausgangsstufe 110 mit Vin und steuert die Basen der Bipolartransistoren Q1 und Q2 der Treiberausgangsstufe 110, um Vout so zu justieren, dass diese zu jeder Zeit gleich Vin ist. Es ist beabsichtigt, dass der Begriff „gleich“, wie er hierin in diesem Kontext verwendet wird, geringe Abweichungen in Spannung und Antwortzeit (z. B. < 1 V, < 30 ns) zwischen Vout und Vin abdeckt, so dass Vout nicht exakt zu jedem Zeitpunkt Vin gleichkommen muss, sondern vielmehr optional geringfügig abweichen kann. Um den Spannungsabfall über den Transistoren Q1 und Q2 der Treiberausgangsstufe 110 zu kompensieren, wird die High-Pegel-Versorgungsspannung (V1) höher als die Maximalspannung für Vin gewählt. Die Low-Pegel-Versorgungsspannung (V2) wird analog so gewählt, dass sie kleiner als die Minimalspannung für Vin ist. Der Operationsverstärker 120 ist an den entsprechenden Spannungseingängen (V+, V–) mit Versorgungsspannungen verbunden, die größer oder kleiner als diese Maximal- und Minimalspannungspegel sind. Diese können optional die gleichen oder andere Versorgungsspannungen als diejenigen sein, die die Ausgangsstufen-Transistoren Q1 und Q2 mit Energie versorgen.
Der negative Anschluss (–) des Operationsverstärkers 120 ist mit dem Ausgang der Treiberausgangsstufe 110 über eine Ausgangsspannungs-Rückkopplungsschaltung 130 verbunden. In einer Ausführungsform ist die Rückkopplungsschaltung 130 eine direkte Verbindung zwischen dem negativen Anschluss des Operationsverstärkers 120 und dem Ausgang der Treiberausgangsstufe 110. In einer anderen Ausführungsform ist die Rückkopplungsschaltung 130 ein Widerstand, der den negativen Anschluss des Operationsverstärkers 120 mit dem Ausgang der Treiberausgangsstufe 110 verbindet. In einer weiteren anderen Ausführungsform ist die Rückkopplungsschaltung 130 eine RC-Schaltung, deren Widerstand den negativen Anschluss des Operationsverstärkers 120 mit dem Ausgang der Treiberausgangsstufe 110 verbindet und deren Kondensator den negativen Anschluss des Operationsverstärkers 120 mit Masse verschaltet. In noch einer anderen Ausführungsform ist die Rückkopplungsschaltung 130 eine aktive Schaltung, die Schalter umfasst, die betreibbar sind, um die Rückkopplung vom Ausgang der Treiberausgangsstufe 110 zum Operationsverstärker 120 für gewisse Zeiträume zu deaktivieren und um die Rückkopplung vom Treiberausgangsstufenausgang zum negativen Ausgang des Operationsverstärkers 120 für andere Zeiträume zu aktivieren. Eine derartige aktive Schaltung kann von den gleichen Versorgungsspannungen (V+, V–) wie die Treiberausgangsstufe 110 und der Operationsverstärker 120 mit Energie versorgt werden, wie in 1 gezeigt wird, oder von anderen Versorgungsspannungen. Um die Rückkopplungsschaltung 130 ein- und auszuschalten, kann das PWM-Steuersignal auch für den Bezug zum PWM-Steuersignal und für gewisse Zeiträume des PWM-Steuersignals in die Rückkopplungsschaltung 130 eingespeist werden. In jedem Fall stellt die Rückkopplungsschaltung 130 dem Operationsverstärker 120 die Ausgangsspannung (Vout) der Treiberausgangsstufe 110 als Rückkopplung bereit.
Die Rückkopplungsschaltung 130 kann eine Schnittstellenschaltung enthalten, die Schwingungen dämpft oder optional sogar Logik- oder Analogschaltungen zum Modifizieren der Rückkopplung für optimale Leistung hinsichtlich der Steuerung der Gate-Spannung (Vg) des Leistungshalbleiterbauelements über das PWM-Steuersignal umfasst kann. Wie hierin vorher beschrieben wurde, ermöglicht es die Rückkopplungsschaltung 130 der Treiberschaltung 100, in Verbindung mit den in die High-Pegel- und Low-Pegel-Spannungsversorgungen (V1, V2) eingebauten Spielräumen, Spannungsabfällen in der Treiberausgangsstufe 110 entgegenzuwirken oder sie auszugleichen. Zusätzliche Rückkopplung kann beim Operationsverstärker 120 optionalvorgesehen werden, um die Betriebsstabilität der Treiberschaltung 100 weiter zu verbessern.
2 veranschaulicht eine andere Ausführungsform der Treiberschaltung 100, die der in 1 gezeigten Ausführungsform ähnlich ist. Allerdings wird eine zusätzliche Rückkopplungsschaltung 140 bereitgestellt, um die Drain-/Kollektor-Spannung (Vd/c) des Leistungshalbleiterbauelements (Z1) mit dem positiven Anschluss (+) des Operationsverstärkers 120 zu verschalten. Diese zusätzliche Rückkopplungsschaltung 140 stellt dem Operationsverstärker 120 die Rückkopplung dV/dt und/oder di/dt bereit. Die dV/dt- und/oder di/dt-Informationen werden vom Kollektor/Drain des Leistungstransistors Z1 durch die Rückkopplungsschaltung 140 rückgekoppelt. Die Rückkopplungsschaltung 140 koppelt Strom in den Widerstand (R1) ein, der das PWM-Steuersignal (PWM) mit dem positiven Eingang (+) des Operationsverstärkers 120 verschaltet. Der Strom im Widerstand R1 führt zu einer entsprechenden Spannung, die den Operationsverstärker 120 zwingt, ansteigenden und abfallenden Übergängen im PWM-Steuersignal durch entsprechendes Justieren der Ausgangsspannung (Vout) der Treiberausgangsstufe 110 entgegenzuwirken. Indem Vout auf diese Weise justiert wird, können am Leistungshalbleiterbauelement Z1 beobachtete dV/dt und/oder di/dt verlangsamt werden. Die in 2 veranschaulichten Pfeile geben Signalflüsse an.
Die Rückkopplungsschaltung 140 wird von den High-Pegel- und Low-Pegel-Spannungsversorgungen (V+, V–) der Treiberausgangsstufe 110 und des Operationsverstärkers 120 gemäß der in 2 gezeigten Ausführungsform mit Energie versorgt. Alternativ können andere Versorgungsspannungen verwendet werden. In beiden Fällen weist die Rückkopplungsschaltung 140 aktive Schalter und Logikschaltungen auf, um die Rückkopplung hinsichtlich der Impulse des PWM-Steuersignals ein- und auszuschalten. Aus diesem Grund, dass die Rückkopplung hinsichtlich des PWM-Steuersignals ein- und ausgeschaltet wird, ist das PWM-Steuersignal auch mit der Rückkopplungsschaltung 140 verbunden. Die Rückkopplungsschaltung 140 ist optional mit der Rückkopplungsschaltung 130 verbunden, um in Bezug auf die Rückkopplungsschaltung 130 ein- und auszuschalten, oder um in Hinsicht auf Befehle, die von der Rückkopplungsschaltung 140 kommen, ein- und auszuschalten.
In einer Ausführungsform ist die dV/dt- und di/dt-Steuerung und -Rückkopplung nur während ansteigender und abfallender Übergänge (d. h. Einschalt- und Ausschaltübergänge) des PWM-Steuersignals aktiv. Während des Durchlasszustands, wenn Vout konstant ist (z. B. bei 15 V), wird die Rückkopplungsschaltung 140 abgeschaltet. Zum Beispiel kann die Rückkopplungsschaltung 140 vom positiven Anschluss (+) des Operationsverstärkers 120 abgekoppelt werden, wenn das Leistungshalbleiterbauelement Z1 nicht schaltet. Als solches tritt kein Konflikt auf, wenn die Gate-Spannung des Leistungshalbleiterbauelements fest bleiben soll (z. B. bei 15 V), z. B. wenn ein Kurzschluss an der Last zu einem dV/dt-Ereignis führt. Hier wird dV/dt nicht gesteuert, weil dies eine Erhöhung der Gate-Spannung (Vg) am Leistungshalbleiterbauelement verursachen würde. Weiterhin begrenzt die Anforderung zur Kurzschlussstrom-Begrenzung die Gate-Spannung bei der beabsichtigten Spannung im Durchlasszustand, z. B. 15 V. Mit anderen Worten: Falls die dV/dt-Steuerung unter dieser Bedingung aktiv wäre, würde die Rückkopplungssteuerung eine Zunahme der Gate-Spannung Vg für kleinere dV/dt verursachen, aber der Kurzschlussstrom würde ebenfalls steigen, was nicht beabsichtigt ist. Die Kurzschlussstrom-Begrenzung wird während der Durchlassphase Priorität eingeräumt.
Die di/dt-Rückkopplung kann durch die Kollektor-/Drain-Spannung (Vd/c) des Leistungshalbleiterbauelements (Z1) bereitgestellt werden, weil die Kollektor-/Drain-Spannung von di/dt aufgrund einiger parasitärer Induktivitäten in der Leistungsschaltung beeinflusst wird. Die Rückkopplungsschaltung 140 kann di/dt-Rückkopplung von parasitärer Induktivität zwischen dem Chip (Die) oder von einem Hilfs-Emitter und/oder einem Leistungs-Emitter/-Source des Leistungshalbleiters Z1 umsetzen.
In einer Ausführungsform umfasst die Rückkopplungsschaltung 140 einen oder mehrere Kondensatoren, die dV/dt-Rückkopplung bereitstellen, und eine oder mehrere Zenerdioden, die Überspannungsinformationen bereitstellen, die di/dt-Rückkopplung darstellen. Die Treiberschaltung 100 kann mit oder ohne die zusätzliche Rückkopplungsschaltung 140 umgesetzt werden.
3 veranschaulicht noch eine andere Ausführungsform der Treiberschaltung 100. Gemäß dieser Ausführungsform wird die Rückkopplungsschaltung 130 der Treiberausgangsstufe durch eine direkte Verbindung zwischen dem negativen Eingang (–) des Operationsverstärkers 120 und dem Ausgang der Treiberausgangsstufe 110 bereitgestellt, und die zusätzliche (dV/dt-, di/dt-) Rückkopplungsschaltung 140 ist zur Vereinfachung der Veranschaulichung weggelassen, könnte aber, wenn gewünscht, enthalten sein. Die in 3 mit „V3“ gekennzeichnete Signalquelle entspricht dem Steuersignal der Treiberschaltung 100, z. B. dem in den 1 und 2 gezeigten PWM-Steuersignal. Im Unterschied zu den 1 und 2 ist die in 3 gezeigte Treiberausgangsstufe 110 ein Gegentaktausgangstreiber, der p-Kanal- und n-Kanal-Logikpegel-MOSFETs (Q1/Q2, Q4/Q7, Q5/Q8, Q6/Q9) umfasst, die als Source-Folger ausgelegt sind. Der Begriff „Logikpegel“, wie er hierin verwendet wird, bedeutet, dass die Schwellenspannung der MOSFETs im Bereich von 1 V liegt. Die Transistoren Q1, Q4, Q5 und Q6 sind parallel geschaltet, ebenso wie die Transistoren Q2, Q7, Q8 und Q9. Der Leistungstransistor Q3 wird von der Treiberausgangsstufe 110 durch einen Widerstand (R1) angesteuert. Der Widerstand R1 ist optional und kann optional auch weggelassen werden.
4 veranschaulicht noch eine andere Ausführungsform der Treiberschaltung 100. Wie bei der in 3 gezeigten Ausführungsform wird die Rückkopplungsschaltung 130 der Treiberausgangsstufe durch eine direkte Verbindung bereitgestellt, und die zusätzliche (dV/dt-, di/dt-) Rückkopplungsschaltung 140 ist weggelassen, könnte aber, wenn gewünscht, enthalten sein. Die mit „V1“ gekennzeichnete Signalquelle entspricht dem Steuersignal der Treiberschaltung 100, z. B. dem in den 1 und 2 gezeigten PWM-Steuersignal. Im Unterschied zu den 1 und 2 umfasst die in 4 gezeigte Treiberausgangsstufe 110 mehrere Darlington-Stufen 110a, 110b, 110c. Die erste Darlington-Stufe 110a enthält die Transistoren Q1 und Q12, die zweite Darlington-Stufe umfasst zwei Paar parallel geschalteter Transistoren Q8/Q6 und Q2/Q5, und die dritte Darlington-Stufe 110c umfasst vier Paar parallel geschalteter Transistoren Q3/Q13, Q9/Q14, Q10/Q15 und Q11/Q4. Der Leistungstransistor Q7 wird von der Treiberausgangsstufe 110 durch einen Widerstand (R1) angesteuert. Der Widerstand R1 ist optional und kann optional weggelassen werden.
In den in den 3 und 4 veranschaulichten Ausführungsformen werden parallel geschaltete Transistoren in der Treiberausgangsstufe 110 der Treiberschaltung 100 eingesetzt. In einer Ausführungsform wird die Treiberausgangsstufe 110 durch mehrere parallel verschaltete Treiberausgangsstufen-Chips implementiert, und das von der Ausgangsstufe 110 angesteuerte Leistungshalbleiterbauelement enthält analog mehrere parallel verschaltete Leistungstransistor-Chips. Die Leistungstransistor-Chips sind voneinander beabstandet und weisen eine Breite auf, die sich zwischen gegenüberliegenden Kanten der am weitesten außen gelegenen Leistungstransistor-Chips erstreckt. Die Treiberausgangsstufen-Chips können eine ähnliche, breitenorientierte Abstandsanordnung aufweisen. Eine derartige Anordnung reduziert die Gate-Schaltungsinduktivität, die am Gate-Eingang des Leistungshalbleiterbauelements gesehen wird, das von der Ausgangsstufe 110 der Treiberschaltung 100 angesteuert wird.
Begriffe wie zum Beispiel „erster“, „zweiter“ und ähnliche werden verwendet, um verschiedene Elemente, Bereiche, Abschnitte usw. zu beschreiben und sollen nicht einschränkend sein. Gleiche Begriffe beziehen sich in der Beschreibung durchweg auf gleiche Elemente.
Die Begriffe „aufweisen“, „enthalten“, „umfassen“ und ähnliche sind, wie sie hierin verwendet werden, offene Begriffe, die das Vorhandensein der angegebenen Elemente oder Merkmale anzeigen, jedoch zusätzliche Elemente oder Merkmale nicht ausschließen. Es ist beabsichtigt, dass die Artikel „ein“ und „der“, „die“, „das“ sowohl den Plural als auch den Singular enthalten, es sei denn, der Kontext zeigt eindeutig etwas anderes an.
Unter Berücksichtigung des oben genannten Bereichs von Variationen und Anwendungen sollte verstanden werden, dass die vorliegende Erfindung weder durch die vorhergehende Beschreibung eingeschränkt wird, noch wird sie durch die zugehörigen Zeichnungen eingeschränkt. Stattdessen ist die vorliegende Erfindung nur durch die folgenden Ansprüche und ihre rechtlichen Äquivalente eingeschränkt.

Claims

Treiberschaltung, die Folgendes umfasst: eine Treiberausgangsstufe, die einen High-Pegel-Spannungseingang und einen Low-Pegel-Spannungseingang aufweist, wobei die Treiberausgangsstufe zum Erzeugen einer Ausgangsspannung ausgebildet ist, die auf eine an die Treiberausgangsstufe angelegte Gate-Spannung reagiert; einen Operationsverstärker, der zum Einstellen der an die Treiberausgangsstufe angelegten Gate-Spannung ausgebildet ist, so dass die Ausgangsspannung einem Steuersignal entspricht, das am Operationsverstärker eingegeben wird; eine erste Versorgungsspannung, die mit dem High-Pegel-Spannungseingang der Treiberausgangsstufe verbunden ist, wobei die erste Versorgungsspannung größer als ein Maximalwert des Steuersignals ist; und eine zweite Versorgungsspannung, die mit dem Low-Pegel-Spannungseingang der Treiberausgangsstufe verbunden ist, wobei die zweite Versorgungsspannung kleiner als ein Minimalwert des Steuersignals ist.
Treiberschaltung nach Anspruch 1, wobei der Operationsverstärker einen ersten Anschluss, der mit dem Steuersignal verschaltet ist, und einen zweiten Anschluss, der mit dem Ausgang der Treiberausgangsstufe verschaltet ist, aufweist und wobei der Operationsverstärker zum Einstellen der Gate-Spannung, die an die Treiberausgangsstufe angelegt wird, auf Basis einer Differenz zwischen dem Steuersignal und der Ausgangsspannung der Treiberausgangsstufe ausgebildet ist.
Treiberschaltung nach Anspruch 2, wobei der zweite Anschluss des Operationsverstärkers direkt mit dem Ausgang der Treiberausgangsstufe verbunden ist.
Treiberschaltung nach Anspruch 2, wobei der zweite Anschluss des Operationsverstärkers durch einen Widerstand mit dem Ausgang der Treiberausgangsstufe verbunden ist.
Treiberschaltung nach Anspruch 2, wobei der zweite Anschluss des Operationsverstärkers mit dem Ausgang der Treiberausgangsstufe über eine RC-Schaltung verbunden ist, die einen Widerstand, der den zweiten Anschluss des Operationsverstärkers mit dem Ausgang der Treiberausgangsstufe verbindet, und einen Kondensator, der den zweiten Anschluss des Operationsverstärkers mit Masse verschaltet, umfasst.
Treiberschaltung nach Anspruch 2, wobei der zweite Anschluss des Operationsverstärkers mit dem Ausgang der Treiberausgangsstufe durch eine aktive Schaltung verbunden ist, die Schalter umfasst, die dazu ausgebildet sind, um Rückkopplung vom Ausgang der Treiberausgangsstufe zum zweiten Anschluss des Operationsverstärkers für gewisse Zeiträume zu deaktivieren und die Rückkopplung für andere Zeiträume zu aktivieren.
Treiberschaltung nach Anspruch 2, die weiterhin eine Rückkopplungsschaltung umfasst, die den High-Pegel-Spannungseingang der Treiberausgangsstufe mit dem ersten Anschluss des Operationsverstärkers verschaltet, wobei die Rückkopplungsschaltung zum Bereitstellen von dV/dt- und/oder di/dt-Rückkopplung für den Operationsverstärker ausgebildet ist.
Treiberschaltung nach Anspruch 7, wobei die Rückkopplungsschaltung zum Einkoppeln von Strom in einen Widerstand ausgebildet ist, der das Steuersignal mit dem ersten Anschluss des Operationsverstärkers verschaltet, wobei der eingekoppelte Strom eine Geschwindigkeit von Übergängen im Steuersignal verringert.
Treiberschaltung nach Anspruch 7, wobei die Rückkopplungsschaltung einen oder mehrere Kondensatoren, die zum Bereitstellen von dV/dt-Rückkopplung ausgebildet sind, und eine oder mehrere Zenerdioden, die zum Bereitstellen von Überspannungsinformationen, die die di/dt-Rückkopplung darstellen, ausgebildet sind sind, umfasst.
Treiberschaltung nach Anspruch 7, wobei die Rückkopplungsschaltung eine aktive Schaltung ist, die von den gleichen Versorgungsspannungen wie die Treiberausgangsstufe mit Energie versorgt wird.
Treiberschaltung nach Anspruch 7, wobei die Rückkopplungsschaltung Schalter umfasst, die zum Abkoppeln der Rückkopplungsschaltung vom ersten Anschluss des Operationsverstärkers ausgebildet sind, wenn die Ausgangsspannung konstant ist.
Treiberschaltung nach Anspruch 2, wobei der Operationsverstärker einen High-Pegel-Spannungseingang, der größer als der Maximalwert des Steuersignals ist, und einen Low-Pegel-Spannungseingang, der kleiner als der Minimalwert des Steuersignals ist, aufweist.
Treiberschaltung nach Anspruch 12, wobei der Operationsverstärker und die Treiberausgangsstufe die gleiche High-Pegel-Spannungsversorgung und die gleiche Low-Pegel-Spannungsversorgung gemeinsam nutzen.
Treiberschaltung nach Anspruch 1, wobei die erste Versorgungsspannung wenigstens 3 V größer als der Maximalwert des Steuersignals und/oder die zweite Versorgungsspannung wenigstens 3 V kleiner als der Minimalwert des Steuersignals ist.
Treiberschaltung nach Anspruch 1, wobei die Treiberausgangsstufe ein Gegentaktausgangstreiber ist, der bipolare PNP- und NPN-Sperrschichttransistoren umfasst, die als Emitterfolger ausgelegt sind.
Treiberschaltung nach Anspruch 1, wobei die Treiberausgangsstufe ein Gegentaktausgangstreiber ist, der p-Kanal- und n-Kanal-MOSFETs umfasst, die als Source-folger ausgelegt sind.
Treiberschaltung nach Anspruch 1, wobei die Treiberausgangsstufe eine oder mehrere Darlington-Stufen umfasst.
Schaltung, die Folgendes umfasst: ein Leistungshalbleiterbauelement; eine Treiberausgangsstufe, die einen High-Pegel-Spannungseingang und einen Low-Pegel-Spannungseingang aufweist, wobei die Treiberausgangsstufe zum Ansteuern des Leistungshalbleiterbauelements mit einer Spannung ausgebildet ist, die von der Treiberausgangsstufe ausgegeben wird, die auf eine an der Treiberausgangsstufe angelegte Gate-Spannung reagiert; einen Operationsverstärker, der zum Einstellen der an die Treiberausgangsstufe angelegten Gate-Spannung ausgebildet ist, so dass die von der Treiberausgangsstufe ausgegebene Spannung einem Steuersignal entspricht, das am Operationsverstärker eingegeben wird; eine erste Versorgungsspannung, die mit dem High-Pegel-Spannungseingang der Treiberausgangsstufe verbunden ist, wobei die erste Versorgungsspannung größer als ein Maximalwert des Steuersignals ist; und eine zweite Versorgungsspannung, die mit dem Low-Pegel-Spannungseingang der Treiberausgangsstufe verbunden ist, wobei die zweite Versorgungsspannung kleiner als ein Minimalwert des Steuersignals ist.
Schaltung nach Anspruch 18, wobei der Operationsverstärker einen ersten Anschluss, der mit dem Steuersignal verschaltet ist, und einen zweiten Anschluss, der mit dem Ausgang der Treiberausgangsstufe verschaltet ist, aufweist und wobei der Operationsverstärker zum Einstellen der Gate-Spannung, die an die Treiberausgangsstufe angelegt wird, auf Basis einer Differenz zwischen dem Steuersignal und der Gate-Spannung ausgebildet ist.
Schaltung nach Anspruch 19, die weiterhin eine Rückkopplungsschaltung umfasst, die den High-Pegel-Spannungseingang der Treiberausgangsstufe und einen High-Pegel-Spannungseingang des Leistungstransistors mit dem ersten Anschluss des Operationsverstärkers verschaltet, wobei die Rückkopplungsschaltung zum Bereitstellen von dV/dt- und/oder di/dt-Rückkopplung für den Operationsverstärker betreibbar ist.
Schaltung nach Anspruch 20, wobei die Rückkopplungsschaltung zum Einkoppeln von Strom in einen Widerstand ausgebildet ist, der das Steuersignal mit dem ersten Anschluss des Operationsverstärkers verschaltet, wobei der eingekoppelte Strom eine Geschwindigkeit von Übergängen im Steuersignal verringert.
Verfahren zum Betreiben einer Treiberschaltung, das Folgendes umfasst: Schalten einer Treiberausgangsstufe, so dass die Treiberausgangsstufe eine Ausgangsspannung erzeugt, die auf eine an die Treiberausgangsstufe angelegte Gate-Spannung reagiert; Einstellen der an die Treiberausgangsstufe angelegten Gate-Spannung durch einen Operationsverstärker, so dass die Ausgangsspannung einem Steuersignal entspricht, das am Operationsverstärker eingegeben wird; Verbinden einer ersten Versorgungsspannung, die größer als ein Maximalwert des Steuersignals ist, mit dem High-Pegel-Spannungseingang der Treiberausgangsstufe; und Verbinden einer zweiten Versorgungsspannung, die kleiner als ein Minimalwert des Steuersignals ist, mit dem Low-Pegel-Spannungseingang der Treiberausgangsstufe.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei die an die Treiberausgangsstufe angelegte Gate-Spannung vom Operationsverstärker auf Basis einer Differenz zwischen dem an einen ersten Anschluss des Operationsverstärkers angelegten Steuersignal und der an einen zweiten Anschluss des Operationsverstärkers angelegten Ausgangsspannung der Treiberausgangsstufe eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 23, das weiterhin das Verschalten des High-Pegel-Spannungseingangs der Treiberausgangsstufe mit dem ersten Anschluss des Operationsverstärkers umfasst, um für den Operationsverstärker dV/dt- und/oder di/dt-Rückkopplung bereitzustellen.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei das Bereitstellen von dV/dt- und/oder di/dt-Rückkopplung für den Operationsverstärker das Einkoppeln von Strom in einen Widerstand umfasst, der das Steuersignal mit dem ersten Anschluss des Operationsverstärkers verschaltet, um eine Geschwindigkeit von Übergängen im Steuersignal zu verringern.