DE102017124743A1

DE102017124743A1 - System und verfahren zum schaltungsschutz

Info

Publication number: DE102017124743A1
Application number: DE102017124743.2A
Authority: DE
Inventors: Karl Norling; Erwin Huber
Original assignee: Infineon Technologies Austria AG
Current assignee: Infineon Technologies Austria AG
Priority date: 2016-10-24
Filing date: 2017-10-23
Publication date: 2018-04-26
Also published as: CN107977035B; CN107977035A; US20180115148A1; US10454266B2

Abstract

Ein Verfahren zum Betrieb einer Gatetreiberschaltung umfasst das Zuführen von Leistung an die Gatetreiberschaltung von einer Leistungsversorgung, die eine positive Leistungsversorgungsspannung und eine negative Leistungsversorgungsspannung aufweist. Das Verfahren umfasst außerdem das Vergleichen der negativen Leistungsversorgungsspannung mit einer ersten Spannung an einem Ausgangsanschluss eines Transistors, wobei die Gatetreiberschaltung mit einem Gateanschluss des Transistors gekoppelt ist. Das Verfahren umfasst außerdem das Betreiben der Gatetreiberschaltung, wenn die negative Leistungsversorgungsspannung negativer als eine Auslösespannung ist, wobei die Auslösespannung eine vorgegebene Spannung oberhalb der ersten Spannung ist. Das Verfahren umfasst außerdem das Deaktivieren zumindest eines Teils der Gatetreiberschaltung, wenn die negative Leistungsversorgungsspannung positiver als die Auslösespannung ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein System und ein Verfahren für eine Spannungsschutzschaltung und, bei bestimmten Ausgestaltungen, ein System und ein Verfahren zum Schaltungsschutz.
Gatetreiberschaltungen sind bei vielen elektronischen Anwendungen angefangen bei Computern über Automobile bis hin zur solaren Leistungserzeugung weit verbreitet. Eine Gatetreiberschaltung kann verwendet werden, um einen Teil einer getakteten (engl.: „switched-mode“) Schaltung einschließlich, zum Beispiel, einer getakteten Leistungsversorgung oder einer anderen getakteten Schaltung zu implementieren. Getaktete Schaltungen können unter Verwendung einer Gatetreiberschaltung zum Ansteuern der Gates von einem oder mehr Schalttransistoren wie beispielsweise IGBT- oder MOSFET-Leistungsbauelementen implementiert werden.
In einigen Fällen kann eine negative Spannungsversorgung für eine Gatetreiberschaltung aufgrund eines physikalischen Defekts wie beispielsweise des Abhebens eines Bonddrahts, des Bruchs eines Bonddrahts, des Abheben einer Lotverbindung oder anderer Faktoren wie beispielsweise dem Ausfall einer externen Leistungsversorgung oder einer anderen Schaltung floatend oder unbestimmt werden. Bei einem Ereignis wie diesem kann eine parasitäre Diode zwischen der negativen Versorgungsspannung und einer anderen Spannungsreferenz in Vorwärtsrichtung vorgespannt (engl.: „forward-biased“) werden und einen Hochstrompfad erzeugen. Zum Beispiel kann es sich bei der negativen Spannungsversorgung um eine VEE-Versorgung handeln, und bei der Spannungsreferenz kann es sich um einen GND, der mit dem Emitter oder der Source des angesteuerten Schalttransistors verbunden ist, handeln. In einigen Fällen kann eine Gatetreiberschaltung eine Schaltung zur Unterspannungsabschaltung (engl.: „under-voltage lock out“; UVLO), die die VEE-Spannung mit der GND-Spannung vergleicht und die Schaltung deaktiviert, wenn sich VEE innerhalb einer bestimmten Spannung von GND befindet, aufweisen. Allerdings kann es in manchen Fällen wünschenswert sein, dass ein Teil der oder die gesamte Schaltung auch dann weiterarbeitet, wenn VEE nahe bei oder gleich GND ist, wobei in diesem Fall eine UVLO-Schaltung ungeeignet ist. Darüber hinaus wird bei einigen Ausgestaltungen, die eine Gatetreiberschaltung verwenden, VEE mit GND verbunden, weshalb es nicht möglich ist, eine UVLO-Schaltung, die VEE mit GND vergleicht, zu verwenden. Zum Beispiel können VEE und GND bei einigen Gatetreiberschaltungen, die eine aktive Miller-Klemme verwenden, um ein Wiedereinschalten des Schalttransistors zu vermeiden, verbunden sein. Einige Gatetreiberschaltungen können eine Schutzschaltung enthalten, die das Einsetzen eines Hochstrom-Zustands erfasst und eine präventive Maßnahme ergreift, um den hohen Strom zu vermeiden oder zu verringern.
Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zum Betrieb einer Gatetreiberschaltung das Zuführen von Leistung an die Gatetreiberschaltung von einer Leistungsversorgung, die eine positive Leistungsversorgungsspannung und eine negative Leistungsversorgungsspannung enthält. Das Verfahren umfasst auch das Vergleichen der negativen Leistungsversorgungsspannung mit einer ersten Spannung an einem Ausgangsanschluss eines Transistors, wobei die Gatetreiberschaltung mit einem Gateanschluss des Transistors gekoppelt ist. Das Verfahren umfasst auch das Betreiben der Gatetreiberschaltung, wenn die negative Leistungsversorgungsspannung negativer ist als eine Auslösespannung, wobei die Auslösespannung eine vorgegebene Spannung oberhalb der ersten Spannung ist. Das Verfahren umfasst außerdem das Deaktivieren zumindest eines Teils der Gatetreiberschaltung, wenn die negative Leistungsversorgungsspannung positiver als die Auslösespannung ist.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst eine Gatetreiberschaltung einen ersten Spannungsreferenzanschluss, der dazu ausgebildet ist, mit einem Ausgangsanschluss eines Transistors gekoppelt zu werden. Die Gatetreiberschaltung umfasst außerdem eine Spannungserkennungsschaltung, die mit einem Leistungsversorgungsanschluss und dem ersten Spannungsreferenzanschluss gekoppelt ist, wobei die Spannungserkennungsschaltung dazu ausgebildet ist, einen ersten Versorgungsspannungszustand, einen zweiten Versorgungsspannungszustand und einen dritten Versorgungsspannungszustand zu erkennen. Im ersten Versorgungsspannungszustand ist die Spannung an dem Leistungsversorgungsanschluss relativ zu der Spannung an dem ersten Spannungsreferenzanschluss negativ, im zweiten Spannungsversorgungszustand ist die Spannung an dem Leistungsversorgungsanschluss relativ zu der Spannung an dem ersten Spannungsreferenzanschluss positiv und die Spannung an dem Leistungsversorgungsanschluss ist geringer als eine positive Auslösespannung, und in dem dritten Versorgungsspannungszustand ist die Spannung an dem Leistungsversorgungsanschluss relativ zu der Spannung an dem ersten Spannungsanschluss positiv und die Spannung an dem Leistungsversorgungsanschluss ist größer als die positive Auslösespannung. Die Gatetreiberschaltung enthält außerdem eine Abschalt-Schaltung, die dazu ausgebildet ist, zumindest einen Teil der Gatetreiberschaltung zu deaktivieren, wenn die Spannungserkennungsschaltung den dritten Versorgungsspannungszustand erkennt.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst eine Schaltung eine Spannungsüberwachungsschaltung. Die Spannungsüberwachungsschaltung enthält einen ersten Komparator, einen zwischen einen Referenzspannungsknoten und einen ersten Leistungsversorgungsanschluss gekoppelten ersten Spannungsteiler, wobei ein Ausgang des ersten Spannungsteilers mit einem ersten Eingang des Komparators gekoppelt ist, und einen zweiten Spannungsteiler, der zwischen einen Referenzspannungsknoten und einen Ausgangsanschluss eines Transistors gekoppelt ist, wobei ein Ausgang des zweiten Spannungsteilers mit einem zweiten Eingang des Komparators gekoppelt ist. Die Spannungsüberwachungsschaltung enthält außerdem eine Gatetreiberschaltung, die mit der Spannungsüberwachungsschaltung gekoppelt ist, wobei ein Teil der Gatetreiberschaltung dazu ausgebildet ist, aktiv zu sein, wenn sich der Ausgang des Komparators in einem ersten Zustand befindet, wobei der Teil der Gatetreiberschaltung dazu ausgebildet ist, inaktiv zu sein, wenn sich der Ausgang des Komparators in einem zweiten Zustand befindet, wobei sich der Ausgang des Komparators im ersten Zustand befindet, wenn der erste Leistungsversorgungsanschluss eine Spannung aufweist, die negativer als eine positive Auslösespannung ist, und wobei sich der Ausgang des Komparators im zweiten Zustand befindet, wenn der erste Leistungsversorgungsanschluss eine Spannung aufweist, die größer oder gleich der positiven Auslösespannung ist.
Für ein vollständigeres Verständnis der vorliegenden Erfindung und deren Vorteile wird nun Bezug genommen auf die folgenden Beschreibungen, die in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen erfolgen, bei denen:

1 ein Schaltbild einer Gatetreiberschaltung, die eine Schutzschaltung aufweist, ist;
2 eine Ausgestaltung einer Schutzschaltung, die eine Spannungsklemme aufweist, ist;
3 eine Ausgestaltung einer Schutzschaltung, die einen spannungsbegrenzenden Transistor aufweist, ist; und
4 eine Ausgestaltung einer Schutzschaltung, die auf GND bezogene Komparatorschaltungseingänge aufweist, ist.

Bevor Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung in der folgenden Bezugnahme auf die Figuren ausführlicher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass dieselben oder funktional gleiche Elemente in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen sind und dass eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente weggelassen wird. Daher ist die Beschreibung der mit denselben Bezugszeichen versehenen Elemente bei den verschiedenen Ausgestaltungen gegenseitig austauschbar und/oder anwendbar.
Gemäß einer Ausgestaltung kann eine Schutzschaltung einen Teil einer integrierten Schaltung abschalten, wenn die Spannung einer negativen Leistungsversorgung (z.B. VEE2) um eine bestimmte Auslösespannung über eine andere Spannungsreferenz (z.B. GND) erhöht wird. Die Schutzschaltung kann es zulassen, dass die integrierte Schaltung selbst dann arbeitet, wenn zum Beispiel die Spannung VEE2 dieselbe ist wie die Spannung GND oder die Spannung VEE2 höher ist als die Spannung GND aber um weniger als die Auslösespannung höher als die Spannung GND. Die Schutzschaltung kann mit einer integrierten Schaltung wie beispielsweise einer Gatetreiberschaltung oder einer anderen Art von Schaltung verbunden oder Teil von dieser sein.
In einigen Fällen kann ein integrierter Gatetreiber eine bipolare Leistungsversorgung für den Gatetreiberteil der Schaltung enthalten. Zum Beispiel kann der integrierte Gatetreiber eine positive Leistungsversorgung, eine negative Leistungsversorgung und eine Spannungsreferenz enthalten. In einigen Fällen und als illustratives Beispiel kann die positive Leistungsversorgung VCC2 bei +15 V liegen, die negative Leistungsversorgung kann bei VEE2 bei -5 bis -15 V liegen, und die Spannungsreferenz GND kann bei 0 V sein. In anderen Fällen kann es sich bei dem integrierten Gatetreiber um eine unipolare Einrichtung, die eine positive Leistungsversorgung (z.B. VCC2 bei +15 V) und eine Spannungsreferenz (z.B. GND und/oder VEE2 bei 0 V) enthält, handeln. Bei einigen integrierten Chips, die p-dotierte Substrate aufweisen, wird die negativste Leistungsversorgung (z.B. VEE2) verwendet, um das Substrat des Chips vorzuspannen.
In einigen Fällen wie beispielsweise durch Abheben oder Bruch eines Bonddrahtes, Abheben einer Lötverbindung oder Ausfall einer externen Leistungsversorgung kann die Vorspannung des VEE2-Potentials verloren gehen. In Situationen wie beispielsweise diesen könnte VEE2 floatend oder unbestimmt sein. In Fällen, in denen ein p-dotiertes Substrat nominal durch VEE2 vorgespannt ist, kann das Substrat aufgrund des floatenden VEE2-Potentials geladen werden. Wenn VEE2 unbestimmt ist, besteht ein Risiko, dass Schaltungen, die zwischen VCC2 und VEE2 platziert sind, durch eine parasitäre Diode oder eine ESD-Diode von VEE2 nach GND, die in Vorwärtsrichtung vorgespannt wird, unbeabsichtigt mit Leistung versorgt werden kann. Zum Beispiel kann eine parasitäre Diode zwischen einem p-dotierten Substrat, das nominal durch VEE2 vorgespannt ist, und einer n-Wanne, die nominal durch GND vorgespannt ist, eingeschaltet werden. Strom, der auf diese Weise von VEE2 nach GND fließt, kann das Risiko eines Latch-ups, eines Überhitzens aufgrund von Überstrom, oder anderer unerwünschter Zustände, die zu einem Betriebsausfall der Anwendung führen, erhöhen.
Manche Gatetreiber überwachen die Differenzspannung zwischen GND und VEE2 und stoppen den Betrieb des Gatetreibers, wenn diese Differenzspannung Null oder geringer als eine vorgegebene Differenzspannung, in einigen Fällen gleich einigen Volt, ist. Auf diese Weise kann eine parasitäre Diode zwischen VEE2 und GND abgeschaltet werden oder am Einschalten gehindert werden, oder der durch eine eingeschaltete parasitäre Diode fließende Strom kann begrenzt werden, um eine mögliche Beschädigung des Bauelements zu verringern. Allerdings kann es in einigen Situationen oder Schaltungskonfigurationen wünschenswert sein, dass die Einrichtung selbst dann weiter arbeitet, wenn die GND-VEE2-Differenzspannung Null ist. Zum Beispiel kann die Einrichtung dazu ausgelegt sein, unter Verwendung einer bipolaren Leistungsversorgung oder einer unipolaren Leistungsversorgung zu arbeiten. Gemäß einem weiteren Beispiel kann der fortgesetzte Betrieb der Einrichtung eine höhere Priorität als das Verringern eines Überstroms oder das Verringern des Risikos einer Beschädigung der Einrichtung darstellen.
Die vorliegende Offenbarung beschreibt Schutzschaltungsverfahren und - systeme, die es einer integrierten Schaltung ermöglichen, selbst dann zu arbeiten, wenn zum Beispiel die VEE2-Spannung höher als die GND-Spannung ist. Die Schutzschaltung kann die gesamte oder einen Teil der integrierten Schaltung abschalten, wenn die Spannung VEE2 um eine bestimmte Auslösespannung höher als die Spannung GND ist. Um einen Schutz gegen irgendwelche parasitären Dioden zwischen VEE2 und GND zu bilden, kann die Auslösespannung irgendwo zwischen GND und die Vorwärtsspannung einer Diode gelegt werden. Zum Beispiel kann die Schutzschaltung aktiv werden, wenn VEE2 0,3 V oberhalb GND, 0,5 V oberhalb GND oder eine andere Spannung oberhalb GND ist. Auf diese Weise kann die Schutzschaltung den Betrieb von einem Teil oder der gesamten integrierten Schaltung selbst dann zulassen, wenn VEE2 = GND, oder wenn VEE2 positiver als GND ist. Dies kann eine größere Flexibilität und einen größeren Arbeitsbereich der Gatetreiberschaltung erlauben, und es kann auch einen Schaltungsschutz für unipolare Konfigurationen von Gatetreiberschaltungen, bei denen VEE2 mit GND verbunden ist, erlauben. Daher kann die Schutzschaltung bei einer Gatetreiberschaltung, die keine UVLO-Schaltung einsetzen kann, verwendet werden. In einigen Fällen kann die Schutzschaltung in die integrierte Schaltung integriert sein und eine Gatetreiberschaltung und einen Teil der internen Hilfsschaltung der integrierten Schaltung in dem Fall abschalten, in dem VEE2 eine Spannung oberhalb der Auslösespannung aufweist. Gemäß einigen Ausgestaltungen kann die Schutzschaltung ein Einschalten der integrierten Schaltung in dem Fall, in dem das VEE2-Potential höher als das GND-Potential beim Einschalten ist, ein Einschalten der integrierten Schaltung verhindern.
Bei einigen Ausgestaltungen kann die Schutzschaltung dazu ausgebildet sein, einen Teil der oder die gesamte integrierte Schaltung in dem Fall abzuschalten, in dem die Spannung VCC2 geringer als die Spannung GND ist. Zum Beispiel kann die Schutzschaltung aktiv werden, wenn VCC2 um weniger als eine Auslösespannung unterhalb der GND-Spannung liegt, um irgendwelche parasitären Dioden von GND nach VCC2 am Einschalten zu hindern. Ausgestaltungen der hierin beschriebenen Schutzschaltungen können zwischen einer positiven Leistungsversorgungsspannung (z.B. VCC2) und einer Referenzspannung (z.B. GND) konfiguriert werden und liegen innerhalb des Geltungsbereichs dieser Offenbarung.
1 zeigt eine schematische Zeichnung einer Ausgestaltung einer Schutzschaltung 102. Die Schutzschaltung 102 kann zum Beispiel Teil einer integrierten Schaltung, einer Gatetreiberschaltung, einer getakteten Schaltung oder einer anderen Schaltung sein. Die Beispielschaltung 102 ist in 1 als Teil einer Gatetreiberschaltung 100 gezeigt, auch wenn die Schutzschaltung 102 bei anderen Ausgestaltungen Teil einer anderen Art von integrierten Schaltung oder einer anderen Schaltung sein kann. Die Gatetreiberschaltung 100 verwendet eine bipolare Leistungsversorgung, die VCC2, GND und VEE2 enthält, wobei VCC2 eine nominal höhere Spannung als GND aufweist, und VEE2 eine nominal geringere Spannung als GND aufweist. Bei anderen Ausgestaltungen kann die Schutzschaltung 102 Teil einer Schaltung, die eine unipolare Leistungsversorgung verwendet, oder Teil einer anderen Art von Schaltung sein. Die Beispiel-Schutzschaltung 102 ist außerdem in 1 so gezeigt, dass sie dazu ausgebildet ist, die Differenzspannung GND - VEE2 zu vergleichen, aber die Schutzschaltung 102 kann bei anderen Ausgestaltungen dazu ausgebildet sein, die Differenzspannung VCC2 - GND oder eine andere Differenzspannung zu vergleichen.
Die Schutzschaltung 102 enthält eine Abschalt-Schaltung 104, die mit einer Komparatorschaltung 106 verbunden ist. Die Komparatorschaltung 106 ist mit dem Referenzspannungs-GND-Pin und dem Referenzspannungs-VEE2-Pin der Gatetreiberschaltung verbunden. Die Abschalt-Schaltung 104 ist außerdem mit einer Treiberschaltung 108 der Gatetreiberschaltung 100 verbunden. Die Abschalt-Schaltung 104 und die Treiberschaltung 108 können auch mit anderen Schaltkreisen 110 innerhalb der Gatetreiberschaltung 100 verbunden sein. Die Treiberschaltung 106 ist durch den Pin AUSGANG der Gatetreiberschaltung 100 mit einer externen Leistungseinrichtung 112 verbunden und dazu ausgebildet, diese zu steuern. Die externe Leistungseinrichtung 112 ist außerdem mit GND verbunden. Zum Beispiel kann eine externe Leistungseinrichtung 112, bei der es sich um einen IGBT handelt, mit ihrem Emitteranschluss mit GND verbunden sein und mit ihrem Gateanschluss mit dem OUTPUT verbunden sein. Bei anderen Ausgestaltungen ist die externe Leistungseinrichtung 112 eine andere Art von Transistor, und GND kann mit dem Emitteranschluss oder dem Sourceanschluss der externen Leistungseinrichtung 112 verbunden sein. In einigen Fällen kann die Gatetreiberschaltung 100 auch eine Schaltung aufweisen, die die Spannung über der externen Leistungseinrichtung 112 unter Verwendung von GND als Bezugsspannung detektiert (z.B. eine DESAT-Erkennungsschaltung). Die Komparatorschaltung 106 überwacht die Differenzspannung zwischen GND und VEE2. Im Fall, dass die Spannung von VEE2 auf mehr als eine Auslösespannung über GND ansteigt, sendet die Komparatorschaltung 106 ein Signal an die Abschalt-Schaltung 104, die so arbeitet, dass sie einen Teil oder die gesamte Gatetreiberschaltung 100 abschaltet. Bei einigen Ausgestaltungen kann ein optionales Filter 114 mit dem Ausgang der Komparatorschaltung 106 und/oder mit einem oder beiden der Eingänge der Komparatorschaltung 106 gekoppelt sein. Das optionale Filter 114 kann so arbeiten, dass es Spannungsrauschen oder Spannungsfluktuationen an den Eingängen oder Ausgängen der Komparatorschaltung 106 verringert und damit die Möglichkeit eines ungewollten Auslösens der Abschalt-Schaltung 104 verringert.
2 zeigt ein Schaltbild einer Ausgestaltung einer Schutzschaltung 200. Die Schutzschaltung 200 ist für eine bipolare Leistungsquelle, die VCC2, GND und VEE2 enthält, ausgebildet, und bei dieser Ausgestaltung wird die Differenzspannung zwischen GND und VEE2 überwacht.
Die in 2 gezeigte Beispiel-Schutzschaltung 200 enthält eine Komparatorschaltung 202, deren Ausgang mit einer Abschalt-Schaltung 104 verbunden ist. Die Eingänge 204, 206 der Komparatorschaltung 202 sind mit einem Teilernetzwerk 208, das sowohl mit VEE2 als auch GND verbunden ist, verbunden. Das in 2 gezeigte Beispiel-Teilernetzwerk 208 enthält vier resistive Elemente R1, R2, R3 und R4. Ein erster Zweig des Teilernetzwerks 208 enthält R1 und R2 in Reihe, wobei ein Ende des ersten Zweigs bei R1 mit einem internen Referenzknoten 210 verbunden ist (was unten ausführlicher erläutert wird), und das entgegengesetzte Ende des ersten Zweigs bei R2 mit VEE2 verbunden ist. Der erste Komparatoreingang 204 ist zwischen R1 und R2 mit dem ersten Zweig verbunden. Ein zweiter Zweig des Teilernetzwerks 208 enthält R3 und R4 in Reihe, wobei ein Ende des zweiten Zweigs bei R3 mit dem internen Referenzknoten 210 verbunden ist und das entgegengesetzte Ende des zweiten Zweigs bei R4 mit GND verbunden ist. Der zweite Komparatoreingang 206 ist zwischen R3 und R4 in dem zweiten Zweig angeschlossen. Bei den resistiven Elementen R1, R2, R3 oder R4 kann es sich bei jedem um einen oder mehr Widerstände, Schaltungen, Transistoren oder andere Arten von Elementen handeln. Bei einigen Ausgestaltungen können das Teilernetzwerk 208 und/oder die resistiven Elemente R1, R2, R3 oder R4 eine andere Konfiguration, Verbindungen oder Anordnungen aufweisen. Bei einigen Konfigurationen ist ein Filter vor und/oder nach der Komparatorschaltung 202 implementiert, um Rauschen von den Versorgungsleitungen VEE2 und GND zu verringern. Bei anderen Ausgestaltungen können andere Konfigurationen, andere Komparatorschaltungen oder andere Erkennungsschaltungen verwendet werden. Zum Beispiel können Schaltungen, die einen ADC, geschaltete Kondensatoren oder andere Schaltungen einsetzen, verwendet werden.
Der interne Referenzknoten 210 weist eine geregelte Spannung von Vref, die durch die interne Referenzschaltung 212 bereitgestellt wird, auf. Bei der internen Beispiel-Referenzschaltung 212 handelt es sich um einen Spannungsregler, der eine Referenzspannungsquelle Vref, einen OP-AMP 214, einen Transistor NM1 und einen optionalen Transistor NM2 enthält. Die interne Referenzschaltung 212 führt dem internen Referenzknoten 210 eine geregelte Spannung zu und ist dazu ausgebildet, DC-Strombelastungen zu widerstehen. Der optionale Transistor NM2 ist mit einer Spannungsreferenz VDD und mit NM1 verbunden und kann dazu ausgebildet sein, hohe Spannungen zu verarbeiten. Zum Beispiel kann NM1 ein relativ dickes Gatedielektrikum aufweisen. Auf diese Weise kann NM2 dabei helfen, NM1 oder die Komparatorschaltung 202 oder den OP-AMP 214 vor hohen Spannungen zu schützen. Bei einigen Konfigurationen kann NM2 mit einer anderen Spannungsreferenz verbunden sein, und bei einigen Konfigurationen kann NM2 weggelassen werden, wobei der Drainanschluss von NM1 direkt mit VDD verbunden ist. Bei der internen Referenzschaltung 212 handelt es sich um eine Beispielschaltung zum Bereitstellen einer geregelten Spannung; andere Schaltungen und Konfigurationen sind möglich. Bei einigen Ausgestaltungen ist die interne Referenzschaltung 212 optional. Zum Beispiel muss die interne Referenzschaltung 212 bei Ausgestaltungen, bei denen die geregelte Spannung Vref dem internen Referenzknoten 210 durch eine separate Schaltung zugeführt wird, bei Ausgestaltungen, bei denen der interne Referenzknoten 210 direkt oder über einen Widerstand mit VCC2 gekoppelt ist, oder bei anderen Ausgestaltungen, nicht vorhanden sein.
Die Schutzschaltung 200 enthält außerdem eine optionale Klemmschaltung 216, die mit dem zweiten Eingang 206 der Komparatorschaltung 202 verbunden ist. 2 zeigt die Klemmschaltung 216 mit VDD verbunden, auch wenn die Klemmschaltung 216 bei anderen Ausgestaltungen mit VEE2 oder einer anderen Spannungsversorgung verbunden sein kann. Die Klemmschaltung 216 arbeitet so, dass sie die Spannung des zweiten Eingangs 206 begrenzt, um die Komparatorschaltung 202 gegenüber hohen Spannungen zu schützen. Die Schutzschaltung 200 kann dazu ausgebildet sein, die Spannung an dem zweiten Eingang 206 auf unter einen bestimmten Wert über der Spannung VEE2 zu begrenzen. In einigen Fällen kann die Komparatorschaltung 202 dazu ausgebildet sein, gegenüber hohen Spannungen an seinen Eingängen weniger empfindlich zu sein, und die Klemmschaltung 216 kann nicht erforderlich sein. Bei anderen Konfigurationen kann die Klemmschaltung 216 den ersten Eingang 204 auf eine bestimmte Spannung begrenzen.
Die Komparatorschaltung 202 vergleicht die Spannungen zwischen ihrem ersten Eingang 204 und ihrem zweiten Eingang 206 und aktiviert die Abschalt-Schaltung 104, wenn die Spannung an dem ersten Eingang 204 um eine vorgegebene Auslösespannung höher als die Spannung an dem zweiten Eingang 206 ist. Die Auslösespannung kann aus der Spannung Vref und den Widerständen von R1, R2, R3 und R4 bestimmt werden. Zum Beispiel kann die Komparatorschaltung 202 ausgelöst werden, wenn GND eine Spannung gleich GND_trig aufweist. Gleichung 1 gibt einen Ausdruck für GND_trig, wobei VEE2 als 0 V angenommen wird: $G N D_t r i g = (1 - \frac{R_{2} (R_{3} + R_{4})}{R_{4} (R_{1} + R_{2})}) V r e f$
Abhängig von der Referenzspannung Vref und den Widerstandswerten von R1, R2, R3 und R4 kann die Auslösespannung (d.h. GND_trig) für eine bestimmte Spannung für GND relativ zu VEE2 ausgelegt sein. Insbesondere kann die Auslösespannung entweder auf eine positive oder auf eine negative Spannung für GND relativ zu VEE2 ausgelegt sein. Insbesondere kann die Auslösespannung auf eine Spannung derart ausgelegt sein, dass die Differenzspannung (GND - VEE2) geringer als die Einschaltspannung einer Diode in Vorwärtsrichtung ist. Zum Beispiel kann die Auslösespannung auf GND - VEE2 = -0,3 V ausgelegt sein, in einem Beispielfall, in dem VEE2 größer als GND ist. In anderen Fällen kann die Auslösespannung auf eine Spannung wie beispielsweise GND - VEE2 = +0,3 V, 0 V, -0,2 V, -0,4 V oder eine andere Spannung ausgelegt sein.
3 zeigt ein Schaltbild einer Ausgestaltung einer Schutzschaltung 300. Die Beispiel-Schutzschaltung 300 ist ähnlich zu der in 2 gezeigten Schutzschaltung 200 und enthält eine Komparatorschaltung 202, eine Abschalt-Schaltung 104, ein Teilernetzwerk 208 und eine interne Referenzschaltung 212. Die Schutzschaltung 300 enthält keine Klemmschaltung, wie die in 2 gezeigte Klemmschaltung 216. Bei der Schutzschaltung 300 ist das resisitive Element R4 über einen Transistor NM3 mit GND verbunden, und der Gateanschluss von NM3 ist mit VDD verbunden. Der Transistor NM3 hilft, den zweiten Eingang 206 der Komparatorschaltung 202 gegen Überstrom und -spannung zu schützen. Zum Beispiel ist NM3 während des Normalbetriebs, bei dem GND größer als VEE2 ist, gesättigt und wirkt als Kaskoden-Transistor, der den durch das Teilernetzwerk 208 fließenden Strom begrenzt. Auf diese Weise kann die Verwendung eines Transistors wie des in 3 gezeigten NM3 einen geringeren Strom- oder einen geringeren Leistungsverbrauch aufweisen als die Verwendung einer Klemmschaltung wie beispielsweise der in 2 gezeigten Klemmschaltung 216. Ähnlich zu der Schutzschaltung 200 kann die Auslösespannung durch die Werte der Referenzspannung Vref und der resistiven Elemente R1, R2, R3 und R4 bestimmt sein. In einigen Fällen, wenn sich NM3 in einem linearen Bereich befindet (z.B. in einigen Fällen, in denen VEE2 relativ nah bei GND liegt), wirkt NM3 wie ein Widerstand und dieser effektive Widerstand von NM3 kann, zusätzlich zu der Referenzspannung Vref und den resistiven Elementen R1, R2, R3 und R4, ebenfalls die Auslösespannung bestimmen.
4 zeigt ein Schaltbild einer Ausgestaltung einer Schutzschaltung 400. Die Beispiel-Schutzschaltung 400 ist ähnlich zu der in 2 gezeigten Schutzschaltung 200 und enthält eine Komparatorschaltung 202, eine Abschalt-Schaltung 104, ein Teilernetzwerk 208 und eine interne Referenzschaltung 212. Bei der Schutzschaltung 400 bezieht die Komparatorschaltung 202 die Spannung an den Eingängen 204, 206 auf GND (vergleiche die Schutzschaltung 400 mit den Schutzschaltungen 200 und 300, bei denen die Spannungen an den Eingängen 204, 206 auf VEE2 bezogen waren). Die Schutzschaltung 400 weist keine Klemmschaltung oder einen Transistor NM3 auf, aber es können bei anderen Ausgestaltungen eine Klemmschaltung oder andere Arten von Spannungsbegrenzung vorhanden sein. Bei der Schutzschaltung 400 ist das resistive Elemente R4 mit VEE2 verbunden, und das resistive Element R2 ist mit GND verbunden. Diese Art von Schutzschaltungs-Konfiguration kann auch bei einer unipolaren Leistungsversorgung verwendet werden. Ähnlich zu der Schutzschaltung 200 kann die Auslösespannung durch Werte der Referenzspannung Vref und der resistiven Elemente R1, R2, R3 und R4 bestimmt sein.
Vorteile einiger Ausgestaltungen der Schutzschaltung enthalten die Konfigurierbarkeit der Schutzschaltung, um mit bipolaren und unipolaren Leistungsversorgungen zu arbeiten. Die Differenz-Auslösespannung zwischen GND und VEE2 (oder zwischen VCC2 und GND) kann abhängig davon, was für eine Anwendung gewünscht ist, bestimmt werden. Die Polarität der Differenz-Auslösespannung kann ebenfalls angepasst werden, zum Beispiel kann die Auslösespannung so eingestellt werden, dass die Differenzspannung (GND - VEE2) eine positive Spannung oder eine negative Spannung oder sogar Null ist. Auf diese Weise kann die Schutzschaltung Teilen der integrierten Schaltung erlauben, bei einem größeren Bereich von Differenzspannungen der Leistungsversorgung zu arbeiten.

Claims

Verfahren zum Betrieb einer Gatetreiberschaltung, das aufweist: Zuführen von Leistung an die Gatetreiberschaltung von einer Leistungsversorgung, die eine positive Leistungsversorgungsspannung und eine negative Leistungsversorgungsspannung aufweist; Vergleichen der negativen Leistungsversorgungsspannung mit einer ersten Spannung an einem Ausgangsanschluss eines Transistors, wobei die Gatetreiberschaltung mit einem Gateanschluss des Transistors gekoppelt ist; Betreiben der Gatetreiberschaltung, wenn die negative Leistungsversorgungsspannung negativer als eine Auslösespannung ist, wobei es sich bei der Auslösespannung um eine vorgegebene Spannung oberhalb der ersten Spannung handelt; und Deaktivieren zumindest eines Teils der Gatetreiberschaltung, wenn die negative Leistungsversorgung positiver als die Auslösespannung ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem die Auslösespannung zwischen etwa 0,1 V und etwa 0,5 V oberhalb der ersten Spannung liegt.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem die Auslösespannung um weniger als eine Vorwärts-Betriebsspannung einer Diode oberhalb der ersten Spannung liegt.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Ausgangsanschluss des Transistors ein Emitteranschluss oder ein Sourceanschluss ist.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Transistor ein MOSFET ist.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Vergleichen aufweist: Teilen der negativen Leistungsversorgungsspannung bezüglich einer Referenzspannung, um eine erste geteilte Spannung zu bilden; Teilen der ersten Spannung bezüglich der Referenzspannung, um eine zweite geteilte Spannung zu bilden; und Vergleichen der ersten geteilten Spannung mit der zweiten geteilten Spannung.
Verfahren gemäß Anspruch 6, bei dem: das Teilen der negativen Leistungsversorgungsspannung bezüglich der Referenzspannung das Verwenden einer ersten Spannungsteilerschaltung, die eine Mehrzahl von resistiven Elementen aufweist, umfasst; das Teilen der ersten Spannung bezüglich der Referenzspannung das Verwenden einer zweiten Spannungsteilerschaltung, die eine zweite Mehrzahl von resistiven Elementen aufweist, umfasst.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Vergleichen das Verwenden einer Komparatorschaltung aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 8, das ferner das Begrenzen einer Spannung an einem Eingangsanschluss der Komparatorschaltung umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 9, bei dem das Begrenzen der Spannung an dem Eingangsanschluss der Komparatorschaltung das Verwenden einer mit dem Eingangsanschluss der Komparatorschaltung gekoppelten Klemmschaltung umfasst.
Gatetreiberschaltung, die aufweist: einen ersten Spannungsreferenzanschluss, der dazu ausgebildet ist, mit einem Ausgangsanschluss eines Transistors gekoppelt zu werden; eine Spannungserkennungsschaltung, die mit einem Leistungsversorgungsanschluss und dem ersten Spannungsreferenzanschluss gekoppelt ist, wobei die Spannungserkennungsschaltung dazu ausgebildet ist, einen ersten Versorgungsspannungszustand, einen zweiten Versorgungsspannungszustand und einen dritten Versorgungsspannungszustand zu erkennen, wobei: im ersten Versorgungsspannungszustand die Spannung an dem Leistungsversorgungsanschluss relativ zu der Spannung an dem ersten Spannungsreferenzanschluss negativ ist; im zweiten Versorgungsspannungszustand die Spannung an dem Leistungsversorgungsanschluss relativ zu der Spannung an dem ersten Spannungsreferenzanschluss positiv ist und die Spannung an dem Leistungsversorgungsanschluss geringer als eine positive Auslösespannung ist; und im dritten Versorgungsspannungszustand die Spannung an dem Leistungsversorgungsanschluss relativ zu der Spannung an dem ersten Spannungsreferenzanschluss positiv ist und die Spannung an dem Leistungsversorgungsanschluss größer als die positive Auslösespannung ist; und eine Abschalt-Schaltung, die mit der Spannungserkennungsschaltung gekoppelt ist, wobei die Abschalt-Schaltung dazu ausgebildet ist, zumindest einen Teil der Gatetreiberschaltung zu deaktivieren, wenn die Spannungserkennungsschaltung den dritten Versorgungsspannungszustand detektiert.
Schaltung gemäß Anspruch 11, bei der die Spannungserkennungsschaltung einen Komparator, der mit dem Leistungsversorgungsanschluss und dem ersten Spannungsreferenzanschluss gekoppelte Eingänge aufweist, aufweist.
Schaltung gemäß Anspruch 12, bei der die Spannungserkennungsschaltung ferner aufweist: einen ersten Spannungsteiler, der zwischen einen zweiten Spannungsreferenzanschluss und den Leistungsversorgungsanschluss gekoppelt ist, wobei ein Ausgang des ersten Spannungsteilers mit einem ersten Eingang des Komparators gekoppelt ist; und einen zweiten Spannungsteiler, der zwischen einen zweiten Spannungsreferenzanschluss und den ersten Spannungsreferenzanschluss gekoppelt ist, wobei ein Ausgang des zweiten Spannungsteilers mit einem zweiten Eingang des Komparators gekoppelt ist.
Schaltung gemäß Anspruch 13, bei der: der erste Spannungsteiler ein erstes resisitives Element, das zwischen den ersten Eingang des Komparators und den Leistungsversorgungsanschluss gekoppelt ist, und ein zweites resisitives Element, das zwischen den ersten Eingang des Komparators und den zweiten Spannungsreferenzanschluss gekoppelt ist, aufweist; und der zweite Spannungsteiler ein drittes resistives Element, das zwischen den zweiten Eingang des Komparators und den ersten Spannungsreferenzanschluss gekoppelt ist, und ein zweites resistives Element, das zwischen den zweiten Eingang des Komparators und den zweiten Spannungsreferenzanschluss gekoppelt ist, aufweist.
Schaltung gemäß Anspruch 13 oder 14, die ferner einen mit dem zweiten Spannungsreferenzanschluss gekoppelten Spannungsregler aufweist, wobei der Spannungsregler dazu ausgebildet ist, die Spannung an dem zweiten Spannungsreferenzanschluss zu regeln.
Schaltung gemäß einem der Ansprüche 13 bis 15, die ferner eine mit dem zweiten Spannungsreferenzanschluss gekoppelte zweite Spannungsreferenzversorgungsschaltung aufweist.
Schaltung gemäß einem der Ansprüche 11 bis 16, bei der die positive Auslösespannung geringer als eine Betriebsspannung einer Diode in Vorwärtsrichtung ist.
Schaltung gemäß einem der Ansprüche 11 bis 17, bei der der Leistungsversorgungsanschluss ein erster Leistungsversorgungsanschluss ist, und bei der die Spannungserkennungsschaltung mit einem von dem ersten Leistungsversorgunganschluss verschiedenen zweiten Leistungsversorgungsanschluss gekoppelt ist.
Schaltung gemäß einem der Ansprüche 11 bis 18, bei der der Transistor ein IGBT ist.
Schaltung gemäß einem der Ansprüche 11 bis 19, bei der der Ausgangsanschluss des Transistors ein Emitteranschluss oder ein Sourceanschluss ist.
Schaltung, die aufweist: eine Spannungsüberwachungsschaltung, die aufweist: einen Komparator; einen ersten Spannungsteiler, der zwischen einen Referenzspannungsknoten und einen ersten Leistungsversorgungsanschluss gekoppelt ist, wobei ein Ausgang des ersten Spannungsteilers mit einem ersten Eingang des Komparators gekoppelt ist; und und einen zweiten Spannungsteiler, der zwischen einen Referenzspannungsknoten und einen Ausgangsanschluss eines Transistors gekoppelt ist, wobei ein Ausgang des zweiten Spannungsteilers mit einem zweiten Eingang des Komparators gekoppelt ist; und eine Gatetreiberschaltung, die mit der Spannungsüberwachungsschaltung gekoppelt ist, wobei ein Teil der Gatetreiberschaltung dazu ausgebildet ist, aktiv zu sein, wenn sich der Ausgang des Komparators in einem ersten Zustand befindet, wobei der Teil der Gatetreiberschaltung dazu ausgebildet ist, inaktiv zu sein, wenn sich der Ausgang des Komparators in einem zweiten Zustand befindet, wobei sich der Ausgang des Komparators im ersten Zustand befindet, wenn der erste Leistungsversorgungsanschluss eine Spannung aufweist, die negativer als eine positive Auslösespannung ist, und wobei sich der Ausgang des Komparators in einem zweiten Zustand befindet, wenn der erste Leistungsversorgungsanschluss eine Spannung aufweist, die größer oder gleich der positiven Auslösespannung ist.
Schaltung gemäß Anspruch 21, bei der die Gatetreiberschaltung dazu ausgebildet ist, mit einem Gateanschluss des Transistors gekoppelt zu werden.
Schaltung gemäß Anspruch 21 oder 22, bei der der Transistor ein IGBT ist.
Schaltung gemäß einem der Ansprüche 21, bis 23, bei der der Ausgangsanschluss des Transistors ein Emitteranschluss oder ein Sourceanschluss ist.
Schaltung gemäß einem der Ansprüche 21 bis 24, bei der die positive Auslösespannung zwischen etwa 0,1 V und etwa 0,5 V positiver als die Spannung am Ausgangsanschluss des Transistors ist.
Schaltung gemäß einem der Ansprüche 21 bis 25, bei der: der erste Spannungsteiler einen zwischen den ersten Eingang des Komparators und den ersten Leistungsversorgungsanschluss gekoppelten ersten Widerstand aufweist und einen zwischen den ersten Eingang des Komparators und den Referenzspannungsknoten gekoppelten zweiten Widerstand aufweist; und der zweite Spannungsteiler einen zwischen den zweiten Eingang des Komparators und den Ausgangsanschluss des Transistors gekoppelten dritten Widerstand und einen zwischen den zweiten Eingang des Komparators und den Referenzspannungsknoten gekoppelten vieren Widerstand aufweist.
Schaltung gemäß Anspruch 26, die ferner einen Kaskodentransistor, der einen zwischen den dritten Widerstand und den Ausgangsanschluss des Transistors gekoppelten Lastpfad aufweist.
Schaltung gemäß einem der Ansprüche 21 bis 27, die ferner eine mit dem ersten Eingang des Komparators gekoppelte Filterschaltung aufweist.
Schaltung gemäß einem der Ansprüche 21 bis 28, die ferner einen zwischen einen zweiten Leistungsversorgungsanschluss und den Referenzspannungsknoten gekoppelten Spannungsregler aufweist.
Schaltung gemäß einem der Ansprüche 21 bis 29, die ferner eine zwischen einen zweiten Leistungsversorgungsanschluss und den Referenzspannungsknoten gekoppelte Klemmschaltung aufweist.