DE10216287A1

DE10216287A1 - Integrable driver circuit for driving a power semiconductor

Info

Publication number: DE10216287A1
Application number: DE2002116287
Authority: DE
Inventors: Mark Nils Muenzer
Original assignee: EUPEC GmbH
Current assignee: EUPEC GmbH
Priority date: 2002-04-12
Filing date: 2002-04-12
Publication date: 2003-11-06
Also published as: WO2003088490A1

Abstract

Eine integrierbare Treiberschaltung (1) zum Ansteuern eines Leistungshalbleiters (2, 3) weist zumindest eine interne Verstärkerschaltung (7, 8) auf, deren Ausgang mit einem externen Leistungshalbleiter (2, 3) verbindbar ist. Zur Begrenzung der Schaltgeschwindigkeit des Ausgangsstromes ist ein Rückkopplungseingang (12, 22) vorgesehen, der mit dem Eingang der Verstärkerschaltung (7, 8) verbunden ist, um eine Lastspannung am Ausgang des Leistungshalbleiters (2, 3) auf den Eingang der Verstärkerschaltung (7, 8) zurückzukoppeln. Zusätzlich ist in dem Rückkopplungszweig (10, 11) eine Signalbegrenzungsschaltung (13, 14; 15, 16) vorgesehen.An integrable driver circuit (1) for driving a power semiconductor (2, 3) has at least one internal amplifier circuit (7, 8), the output of which can be connected to an external power semiconductor (2, 3). To limit the switching speed of the output current, a feedback input (12, 22) is provided, which is connected to the input of the amplifier circuit (7, 8) in order to apply a load voltage at the output of the power semiconductor (2, 3) to the input of the amplifier circuit (7, 8) feedback. In addition, a signal limiting circuit (13, 14; 15, 16) is provided in the feedback branch (10, 11).

Description

Die Erfindung betrifft eine integrierbare Treiberschaltung zum Ansteuern eines Leistungshalbleiters, wie zum Beispiel eines MOSFET-Leistungsbauelements. The invention relates to an integrable driver circuit for driving a power semiconductor, such as of a MOSFET power device.

Bei der Ansteuerung von Leistungshalbleitern ist es erwünscht, dass die Schaltgeschwindigkeit des Laststromes oder Ausgangsstromes begrenzt wird. Dazu ist es zumindest firmenseitig bekannt, den Spannungsabfall zwischen Emitter und Hilfsemitter des Leistungshalbleiters auf den Steueranschluss (Gate) zurückzukoppeln. Werden integrierte Treiberschaltungen (Ansteuer-IC) verwendet, so kann nur zwischen dem Treiber-IC, dem Gatewiderstand und dem Gateanschluss zurückgekoppelt werden. Dies führt jedoch dazu, dass die Rückkopplung gegen die volle Treiberleistung arbeitet. When it comes to controlling power semiconductors, it is desires that the switching speed of the load current or Output current is limited. At least it is known by the company, the voltage drop between emitter and Auxiliary emitter of the power semiconductor on the control connection (Gate) feed back. Become integrated driver circuits (Control IC) is used, so only between the driver IC, the gate resistor and the gate connection fed back become. However, this leads to the feedback against the full driver power is working.

Falls die rückgekoppelte Leistung nicht ausreicht, um das Ansteuersignal wirksam zu überlagern, könnte ein Emitterfolger zwischen Treiberschaltung und Gatewiderstand geschaltet werden. Bei einer solchen Anordnung kann das rückgekoppelte Signal (Strom/Spannung) zwischen Treiberschaltung und dem Emitterfolger (Verstärkerschaltung) eingespeist werden. An der dortigen Stelle ist die benötigte Leistung zur wirksamen Beeinflussung des Ansteuersignals wesentlich geringer. Ist jedoch eine solche Beschaltung mit einem Emitterfolger nicht möglich, so ist eine Beeinflussung der Stromänderungsgeschwindigkeit (di/dt oder auch als Stromsteilheit bezeichnet) nicht möglich. If the feedback power is not sufficient to do that An emitter follower could effectively superimpose the control signal switched between driver circuit and gate resistor become. With such an arrangement, the feedback Signal (current / voltage) between the driver circuit and the Emitter follower (amplifier circuit) can be fed. At the there is the required performance for effective Influencing the control signal is significantly less. is however, such a connection with an emitter follower is not possible, it is possible to influence the Current change rate (di / dt or also called current steepness) not possible.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine integrierbare Treiberschaltung zum Ansteuern eines Leistungshalbleiters zu schaffen, mit der eine Kontrolle der Stromänderungsgeschwindigkeit ermöglicht wird. The invention is based on the problem of being integrable Driver circuit for driving a power semiconductor create a control over the Current change rate is made possible.

Diese Aufgabe wird durch eine integrierbare Treiberschaltung mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst. Dabei weist die Treiberschaltung zumindest eine interne Verstärkerschaltung auf, deren Ausgang mit dem externen Leistungshalbleiter verbunden wird. Des Weiteren weist sie einen Rückkopplungseingang auf, der mit dem Eingang der Verstärkerschaltung verbunden ist, um eine Lastspannung am Ausgang des Leistungshalbleiters auf den Eingang der Verstärkerschaltung zurückzukoppeln. This task is accomplished through an integrable driver circuit solved with the features of claim 1. It points the driver circuit at least one internal Amplifier circuit on whose output is connected to the external power semiconductor is connected. Furthermore, it has one Feedback input on that matches the input of the amplifier circuit is connected to a load voltage at the output of the Power semiconductor on the input of the amplifier circuit feed back.

Dies hat den Vorteil, dass eine einfache Strom-/Spannungsbegrenzungsschaltung zur Kontrolle der Stromänderungsgeschwindigkeit entweder außerhalb oder innerhalb der integrierten Treiberschaltung zwischen dem Ausgang des Leistungshalbleiters und dem Eingang der Verstärkerschaltung angeordnet sein kann. This has the advantage of being a simple one Current / voltage limiting circuit to control the Current change rate either outside or inside the integrated Driver circuit between the output of the Power semiconductor and the input of the amplifier circuit can be arranged can.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Advantageous further developments of the invention result from the subclaims.

So können zwei antiparallel in Reihe geschaltete Zenerdioden entweder außerhalb oder innerhalb der integrierten Treiberschaltung zwischen dem Ausgang des Leistungshalbleiters und dem Eingang der Verstärkerschaltung zur Kontrolle der Stromänderungsgeschwindigkeit angeordnet sein. Statt der beiden Zenerdioden können auch eine Zenerdiode mit in Reihe geschaltetem Transistor, vorzugsweise einem MOS-FET, verwendet werden. So two Zener diodes connected in antiparallel in series either outside or inside the built-in Driver circuit between the output of the power semiconductor and the input of the amplifier circuit to control the Current change rate can be arranged. Instead of the two Zener diodes can also have a Zener diode in series switched transistor, preferably a MOS-FET used become.

Die integrierte Treiberschaltung kann als Highside-Treiber und/oder als Lowside-Treiber ausgebildet sein, um jeweils einen Highside-Leistungshalbleiter und/oder einen Lowside- Leistungshalbleiter anzusteuern. Hierzu weist die Treiberschaltung zwei voneinander getrennte Steuerzweige auf, und zwar einen Highside-Treiber-Zweig und einen Lowside-Treiber- Zweig. Jeder Zweig weist vor seinem Ausgang jeweils eine Verstärkerschaltung auf. Ebenso ist für jeden Zweig je ein Rückkopplungseingang vorgesehen, damit in jedem Zweig eine Kontrolle der Stromänderungsgeschwindigkeit stattfinden kann. The integrated driver circuit can act as a highside driver and / or designed as a low-side driver, in each case a high-side power semiconductor and / or a low-side To control power semiconductors. The Driver circuit two separate control branches on, and a high-side driver branch and a low-side driver branch Branch. Each branch has one in front of its exit Amplifier circuit on. There is also one for each branch Feedback input provided, so that in each branch Control of the rate of current change can take place.

Falls die integrierte Treiberschaltung sowohl einen Highside- Treiber-Zweig als auch einen Lowside-Treiber-Zweig aufweist, so ist es vorteilhaft, wenn in dem einen Zweig eine Potenzialtrennstufe vor dem Eingang der Verstärkerschaltung angeordnet ist, um eine Potenzialtrennung von dem anderen Zweig vorzunehmen, und in dem anderen Zweig eine Signalverzögerungsstufe vor dem Eingang der Verstärkerschaltung angeordnet ist, damit die beiden Verstärkerschaltungen gleiche Laufzeiten aufweisen. If the integrated driver circuit has both a highside Driver branch as well as a lowside driver branch, it is advantageous if there is a branch in one branch Isolation stage before the input of the amplifier circuit is arranged to provide electrical isolation from the other branch and one in the other branch Signal delay stage is arranged in front of the input of the amplifier circuit, so that the two amplifier circuits have the same runtimes exhibit.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Several embodiments of the invention are in The following explains the schematic drawings. It demonstrate:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Treiberschaltung mit nicht integrierter Stromänderungskontrolle mittels Zenerdioden, Fig. 1 is a block diagram of a first embodiment of a drive circuit according to the invention with non-integrated current change control means of Zener diodes,

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Treiberschaltung mit integrierter Stromänderungskontrolle mittels Zenerdioden und Fig. 2 is a block diagram of a second embodiment of a driver circuit according to the invention with integrated current change control by means of Zener diodes and

Fig. 3 ein Blockschaltbild eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Treiberschaltung mit integrierter Stromänderungskontrolle mittels Transistor. Fig. 3 is a block diagram of a third embodiment of a driver circuit according to the invention with integrated current change control using a transistor.

In den Fig. 1 bis 3 tragen funktionell gleichwertige Teile dieselben Bezugszeichen. In Figs. 1 to 3 functionally equivalent parts bear the same reference numerals.

Ein integrierte Treiberschaltung (auch als Treiber-IC 1 oder Ansteuer-IC bezeichnet) weist bei allen drei in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispielen jeweils einen Highside-Treiber-Zweig (HS) oder HS-Pfad und jeweils einen Lowside-Treiber-Zweig (LS) oder LS-Pfad auf. Über den HS-Pfad wird ein Highside-Leistungstransistor 2 und über den LS-Pfad wird ein Lowside-Leistungstransistor 3 gesteuert. Der HS-Pfad weist zumindest einen Eingang HS auf, der mit einem Schmitt- Trigger 4 verbunden ist. Der Ausgang des Schmitt-Triggers 4 ist mit einer Potenzialtrennstufe 6 (ISO = Isolation oder auch als level shift stage bezeichnet) verbunden, deren Ausgang vor einer Verstärkerschaltung 7 angeordnet ist. Der Ausgang der Verstärkerschaltung 7 ist mit einem Steueranschluss (hier Basis oder Gate) des Leistungstransistors 2 verbunden. Durch den Ausgangsstrom der Verstärkerschaltung 7 wird der Leistungstransistor 2 geschaltet oder abhängig von Ausgangsstrom/-spannung entsprechend gesteuert. An integrated driver circuit (also referred to as driver IC 1 or drive IC) in each of the three exemplary embodiments shown in FIGS . 1 to 3 each has a highside driver branch (HS) or HS path and a low side driver driver. Branch (LS) or LS path on. On the HS-path is a high-side power transistor 2 and on the LS-path low-side power transistor is controlled. 3 The HS path has at least one input HS, which is connected to a Schmitt trigger 4 . The output of the Schmitt trigger 4 is connected to a potential isolation stage 6 (ISO = isolation or also referred to as a level shift stage), the output of which is arranged in front of an amplifier circuit 7 . The output of the amplifier circuit 7 is connected to a control connection (here base or gate) of the power transistor 2 . The power transistor 2 is switched by the output current of the amplifier circuit 7 or is controlled accordingly depending on the output current / voltage.

Der LS-Pfad weist einen Eingang LS auf, der ebenfalls mit einem Schmitt-Trigger 5 verbunden ist. In dem LS-Pfad ist statt der Potenzialtrennstufe 6 ein Verzögerungsglied 9 (DLY = Delay) angeordnet, das dafür sorgt, dass die Signallaufzeiten zu den beiden Leistungstransistoren 2, 3 gleich ist. Am Ausgang des LS-Pfads ist ebenfalls eine Verstärkerschaltung 8 angeordnet, die den Leistungstransistor 3 unmittelbar ansteuert. The LS path has an input LS, which is also connected to a Schmitt trigger 5 . Instead of the potential isolation stage 6, a delay element 9 (DLY = delay) is arranged in the LS path, which ensures that the signal propagation times to the two power transistors 2 , 3 are the same. An amplifier circuit 8 , which drives the power transistor 3 directly, is also arranged at the output of the LS path.

Die beiden Leistungstransistoren 2, 3 sind in Reihe zueinander angeordnet und weisen einen Mittelabgriff dazwischen auf, der als Ausganganschluss für eine elektrischen Last dient. Die jeweils mit dem Emitter der Leistungstransistoren 2, 3 verbundenen Induktivitäten L_σ stellen die Leitungsinduktivität der Zuleitungen dar, die insbesondere bei Schaltvorgängen zu unerwünschten, hohen induzierten Spannungen führen können. The two power transistors 2 , 3 are arranged in series with one another and have a center tap between them, which serves as an output connection for an electrical load. The inductances L _σ each connected to the emitter of the power transistors 2 , 3 represent the line inductance of the leads, which can lead to undesired, high induced voltages, in particular during switching operations.

Damit die Schaltgeschwindigkeit des Ausgangsstromes kontrolliert (hier begrenzt) werden kann (dies wird auch als di/dt- Kontrolle oder Stromänderungskontrolle bezeichnet), weist jeder Zweig HS und LS einen Rückkoppelpfad 10, 11 vom jeweiligen Emitter (oder Source) des Leistungstransistors 2, 3 auf den Eingang der jeweiligen Verstärkerschaltung 7, 8 auf. So that the switching speed of the output current can be controlled (limited here) (this is also referred to as di / dt control or current change control), each branch HS and LS has a feedback path 10 , 11 from the respective emitter (or source) of the power transistor 2 , 3 to the input of the respective amplifier circuit 7 , 8 .

Hierzu weist der Treiber-IC 1 jeweils einen Rückkoppeleingang 12, 22 auf. For this purpose, the driver IC 1 each has a feedback input 12 , 22 .

Zur Signalbegrenzung (Strom-/Spannungsbegrenzung) sind zwei antiparallel und in Reihe geschaltete Zenerdioden 13, 14 vorgesehen, die jeweils in den Rückkoppelpfaden 10, 11 liegen. To limit the signal (current / voltage limitation), two anti-parallel and series-connected Zener diodes 13 , 14 are provided, each of which lies in the feedback paths 10 , 11 .

Gemäß Fig. 1 können die Zenerdioden 13, 14 außerhalb des Treiber-ICs 1 angeordnet sein. Die gleiche Wirkung wird erzielt, wenn die Zenerdioden 13, 14 in den Treiber-IC 1 integriert in den Rückkoppelpfaden 10, 11 angeordnet sind, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. In den Rückkoppelpfaden 10, 11 können außerhalb des Treiber-ICs 1 gegebenenfalls noch weitere, nicht dargestellte Bauelemente angeordnet sein. Daher ist jeder Rückkoppelpfad 10, 11 außerhalb des Treiber-ICs 1 gestrichelt dargestellt. Be according to Fig. 1, the Zener diodes 13, 14 may be outside the driver ICs 1 are arranged. The same effect is achieved if the Zener diodes 13 , 14 are integrated in the driver IC 1 in the feedback paths 10 , 11 , as shown in FIG. 2. In the feedback paths 10 , 11 , additional components (not shown ) can optionally be arranged outside the driver IC 1 . Therefore, each feedback path 10 , 11 outside the driver IC 1 is shown in dashed lines.

Statt der beiden Zenerdioden 13, 14 kann auch eine Zenerdiode 15 in Reihe mit einem MOS-FET 16 wie in Fig. 3 dargestellt in den Treiber-IC 1 und in den jeweiligen Rückkoppelpfad 10, 11 integriert sein. Als Eingangsbeschaltung für den MOS-FET 16 ist bei dem Ausführungsbeispiel jeweils ein Gate- Widerstand 17 und ein Drain-Gatewiderstand 18 außerhalb des Treiber-ICs 1 vorgesehen. Instead of the two Zener diodes 13 , 14 , a Zener diode 15 can also be integrated in series with a MOS-FET 16 as shown in FIG. 3 in the driver IC 1 and in the respective feedback path 10 , 11 . In the exemplary embodiment, a gate resistor 17 and a drain-gate resistor 18 outside the driver IC 1 are provided as input circuits for the MOS-FET 16 .

Bei der Erfindung können nicht nur MOS-Bauelemente verwendet werden, sondern auch alle funktionell gleichwertigen Bauelemente wie MOS-FET, IGBTs, Bipolartransistoren usw. Für alle Bauelemente ist jedoch gleich, dass die di/dt-Kontrolle (d. h. Stromänderungskontrolle, um Schaltgeschwindigkeit des Ausgangsstromes zu kontrollieren) vollständig oder Teile der di/dt-Kontrolle in den Treiber-IC 1 integriert sind. Hierzu ist jeweils ein Rückkopplungseingang 12, 22 vorgesehen und es wird der Eingang der Ausgangsverstärkerschaltung 7, 8 des Treiber-ICs 1 dazu mitbenutzt. Bezugszeichen 1 Treiber-IC
2, 3 Leistungstransistor
4, 5 Schmitt-Trigger
6 Potenzialtrennstufe
7, 8 Verstärkerschaltung
9 Verzögerungsstufe
10, 11 Rückkoppelzweig
12, 22 Rückkoppeleingang
13, 14, 15 Zenerdiode
16 MOS-FET
17 Gatewiderstand
18 Drain-Gate-Widerstand
HS Highside
L_σ Leitungsinduktivität
LS Lowside
In the invention, not only MOS components can be used, but also all functionally equivalent components such as MOS-FET, IGBTs, bipolar transistors, etc. However, for all components it is the same that the di / dt control (ie current change control, switching speed of the output current to be checked) completely or parts of the di / dt control are integrated in the driver IC 1 . For this purpose, a feedback input 12 , 22 is provided in each case and the input of the output amplifier circuit 7 , 8 of the driver IC 1 is also used for this purpose. Reference numeral 1 driver IC
2 , 3 power transistor
4 , 5 Schmitt triggers
6 electrical isolation level
7 , 8 amplifier circuit
9 delay stage
10 , 11 feedback branch
12 , 22 feedback input
13 , 14 , 15 zener diode
16 MOS-FET
17 gate resistance
18 drain-gate resistor
HS Highside
L _σ line inductance
LS Lowside

Claims

1. Integrable driver circuit for driving a power semiconductor ( 2 , 3 ) with at least one amplifier circuit ( 7 , 8 ), the output of which can be connected to the power semiconductor ( 2 , 3 ) and with a feedback input ( 12 , 22 ) which is connected via a feedback path ( 10 , 11 ) is connected to the input of the amplifier circuit ( 7 , 8 ).

2. Integrable driver circuit according to claim 1, characterized in that a signal limiting circuit ( 13 , 14 ; 15 , 16 ) is arranged in the feedback path ( 10 , 11 ).

3. Integrable driver circuit according to claim 1 or 2, characterized in that between the feedback input ( 12 , 22 ) and the input of the amplifier circuit ( 7 , 8 ) two antiparallel in series Zener diodes ( 13 , 14 ) are arranged as a signal limiting circuit.

4. Integrable driver circuit according to claim 1 or 2, characterized in that between the feedback input ( 12 , 22 ) and the input of the amplifier circuit ( 7 , 8 ), a transistor ( 16 ) and in series a zener diode ( 15 ) are connected as a signal limiting circuit ,

5. Integrable driver circuit according to one of the preceding claims, characterized in that it has a high-side driver branch (HS) and a low-side driver branch (LS), each of which has an amplifier circuit ( 7 , 8 ) and each have a feedback input ( 12 , 22 ).

6. Integrable driver circuit according to claim 5, characterized in that in the high-side driver branch (HS) is a potential isolation stage ( 6 ) before the input of the high-side driver amplifier circuit ( 7 ).