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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit einem
Leistungstransistor und einer Ansteuerschaltung zum Ansteuern des
Leistungstransistors gemäß den Merkmalen
des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Derartige
Schaltungsanordnungen mit einem Leistungstransistor und einer Ansteuerschaltung
mit Stromquellen zur Ansteuerung des Leistungstransistors sind hinlänglich bekannt
und beispielsweise in der
DE
198 55 604 C1 beschrieben.
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Beim
Schalten von Leistungstransistoren entstehen an der Last und in
den Versorgungs- und Verbindungsleitungen Spannungs- und Stromänderungen,
die zu elektromagnetischen Störabstrahlungen
führen.
Zur Vermeidung dieser Störabstrahlungen
ist es bekannt, die Spannungsflanken einer sich über dem Leistungstransistor
bzw. über
der Last beim Schalten ändernden
Spannung durch geeignete Ansteuerung des Leistungstransistors abzuflachen,
um so die elektrische Störabstrahlung
zu reduzieren. Hierzu ist es aus der oben genannten
DE 198 55 604 C1 bekannt,
zur leitenden Ansteuerung des Leistungstransistors zunächst einen
ersten Ladestrom bereitzustellen, bis ein Laststrom durch den Transistor
einen ersten Schwellenwert überschreitet, und
anschließend
einen zweiten kleineren Ladestrom bereitzustellen.
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Die
US 4,540,893 beschreibt
eine Schaltungsanordnung mit einem Leistungstransistor und einer
Ansteuerschaltung für
den Leistungstransistor zum Schalten einer Last. Die Ansteuerschaltung
umfasst zwei Stromquellen, von denen eine einen konstanten Strom
liefert, und von denen die andere einen Strom liefert, der eine
Funktion einer Lastcharakteristik, also der Änderung der Lastspannung oder des
Laststromes über
der Zeit, ist.
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Ziel
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung mit
einem Leistungstransistor und einer Ansteuerschaltung für den Leistungstransistor
zur Verfügung
zu stellen, die einfach realisierbar ist und bei welcher beim Schalten
des Leistungstransistors auftretende elektromagnetische Störabstrahlungen
effektiv reduziert werden.
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Dieses
Ziel wird durch eine Schaltungsanordnung gemäß der Merkmale des Anspruchs
1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
umfasst einen Leistungstransistor, der einen Steueranschluss und
eine Laststrecke aufweist, eine in Reihe zu der Laststrecke geschaltete
Last und eine Ansteuerschaltung, die einen Ausgang aufweist, der an
den Steueranschluss des Leistungstransistors angeschlossen ist.
Die Ansteuerschaltung umfasst eine erste Ansteuereinheit zum leitenden
Ansteuern des Leistungstransistors mit einer zwischen ein erstes Ansteuerpotential
und den Ausgang geschalteten ersten Stromquelle und eine zweite
Ansteuereinheit zum sperrenden Ansteuern des Leistungstransistors mit
einer zwischen den Ausgang und ein zweites Ansteuerpotential geschalteten
zweiten Stromquelle. Erfindungsgemäß umfasst die erste Ansteuereinheit außerdem eine
dritte Stromquelle, die an den Ausgang angeschlossen ist und die
einen von einer Spannung über
der Last abhängigen
Strom bereitstellt, der zu der Lastspannung über eine nicht-lineare Kennlinie
in Beziehung steht. Die zweite Ansteuereinheit umfasst außerdem eine
vierte Stromquelle, die ebenfalls an den Ausgang angeschlossen ist
und die einen von der Spannung über
der Last abhängigen
Strom bereitstellt, der zu dieser Lastspannung über eine nicht-lineare Kennlinie
in Beziehung steht.
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In
Reihe zu den Stromquellen oder zwischen die Ansteuereinheiten und
die Ausgangsklemme sind vorzugsweise Schalter geschaltet, die wechselweise angesteuert
werden, um zur leitenden Ansteuerung des Leistungstransistors die
Stromquellen der ersten Ansteuereinheit an den Ausgang der Ansteuerschaltung
anzuschließen
und zum sperrenden Ansteuern des Leistungstransistors die Stromquellen
der zweiten Ansteuereinheit an den Ausgang der Ansteuerschaltung
anzuschließen.
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Zur
leitenden Ansteuerung des Leistungstransistors stehen die von der
ersten Stromquelle und der dritten Stromquelle der ersten Ansteuereinheit gelieferten
Ströme
an der Ausgangsklemme bzw. dem Ansteueranschluss des Leistungstransistors
zur Verfügung.
Der von der ersten Stromquelle gelieferte Strom ist dabei vorzugsweise
konstant, während
der von der dritten Stromquelle gelieferte Strom, wie bereits erläutert, von
der Spannung über
der Last abhängig
ist. Dieser Strom der dritten Stromquelle nimmt abhängig davon,
ob er zu dem Strom der ersten Stromquelle für die Bereitstellung des Ladestroms
addiert oder von diesem Strom subtrahiert wird, mit zunehmender
Lastspannung ab oder zu, um so einen Ladestrom zu erhalten, der
mit zunehmender Lastspannung stetig zunimmt und dabei zu der Lastspannung über eine
nicht-lineare Kennlinie in Beziehung steht.
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Zum
sperrenden Ansteuern des Leistungstransistors stehen der von der
zweiten Stromquelle und der vierten Stromquelle gelieferte Strom
der zweiten Ansteuereinheit an dem Ausgang der Ansteuerschaltung
und damit am Ansteueranschluss des Leistungstransistors zur Verfügung, wobei
der von der zweiten Stromquelle gelieferte Strom vorzugsweise konstant
ist und der von der vierten Stromquelle gelieferte Strom, wie erläutert, von
der Lastspannung abhängig
ist. Abhängig
davon, oh der Strom der vierten Stromquelle zu dem Strom der zweiten
Stromquelle addiert oder von dieser subtrahiert wird, um den Entladestrom
bereitzustellen, nimmt der Strom der vierten Stromquelle mit abnehmender
Lastspannung ab oder mit abnehmender Lastspannung zu, um insgesamt
einen Entladestrom zu erhalten, der mit abnehmender Lastspannung nicht-linear
zunimmt.
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Die
nicht-lineare Beziehung zwischen der Lastspannung und dem von der
zweiten und vierten Stromquelle gelieferten Strom ist so gewählt, dass sowohl
beim Einschalten als auch beim Ausschalten des Leistungstransistors
harmonische, das heißt
abgerundete Flanken der Spannung über der Last vorliegen. Dies wird
beispielsweise dadurch erreicht, dass die von der zweiten und vierten
Stromquelle gelieferten Ströme
eine von der Lastspannung abhängige
Kennlinie besitzen, bei welcher diese Ströme mit zunehmender Lastspannung
stetig abnehmen oder stetig zunehmen, wobei die Steilheit der Kennlinie
mit zunehmender Lastspannung ebenfalls stetig zunimmt oder abnimmt.
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Bei
einer Ausführungsform
der Erfindung ist vorgesehen, die zweite und/oder vierte Stromquelle jeweils
als selbstleitenden Transistor zu realisieren, dessen Substratanschluss
an eine Spannungsquelle angeschlossen ist, die an dem Substratanschluss
ein von der Lastspannung abhängiges
Potential bereitstellt. Der Strom durch einen solchen selbstleitenden Transistor,
dessen Gate-Anschluss vorzugsweise mit dessen Source-Anschluss kurzgeschlossen
ist, ist über
diese Substratsteuerung dann von der Spannung über der Last abhängig.
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Die
vorliegende Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand von
Figuren näher erläutert. In
den Figuren zeigt
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1 ein
Schaltbild einer ersten Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
mit einem Leistungstransistor, einer Last und einer Ansteuerschaltung
für den
Leistungstransistor,
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2 Kennlinien des Stromes abhängig von der
Lastspannung für
eine zweite und vierte Stromquelle in der Ansteuerschaltung gemäß 1,
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3 ein
Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
mit einer Ansteuerschaltung, die Stromquellen aufweist, die als selbstleitende
Transistoren ausgebildet sind,
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4 einen
beispielhaften zeitlichen Verlauf der Lastspannung über der
Zeit.
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In
den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen
gleiche Bauteile und Schaltungsstrukturen mit gleicher Bedeutung.
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1 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
mit einem Leistungstransistor T1, der einen Ansteueranschluss G
und eine Laststrecke D-S
aufweist. Der Leistungstransistor T1 ist in dem Beispiel als n-Kanal-MOSFET
ausgebildet, dessen Gate-Anschluss G den Steueranschluss und dessen
Drain-Source-Strecke D-S die Laststrecke des Transistors bildet.
Zur Ansteuerung dieses Leistungstransistors T1 ist eine Ansteuerschaltung 10 vorgesehen,
die eine Ausgangsklemme AK aufweist, die an den Gate-Anschluss G
des Transistors T1 angeschlossen ist. In Reihe zu der Laststrecke
D-S des Leistungstransistors T1 ist eine Last geschaltet, wobei
die Reihenschaltung mit der Last und dem Leistungstransistor T1
zwischen eine Klemme für
Versorgungspotential V1 und eine Klemme für Bezugspotential GND geschaltet
ist. In dem Ausführungsbeispiel
gemäß 1 sind
zwei mögliche
Varianten zum Anschließen
der Last gestrichelt eingezeichnet. Bei einer ersten Schaltungsvariante
ist die Last zwischen das Versorgungspotential V1 und den Drain-Anschluss
D des Leistungstransistors T1 geschaltet, während der Source-Anschluss S des Leistungstransistors
T1 auf Bezugspotential GND liegt. Der Transistor funktioniert dann
als sogenannter Low-Side-Schalter. Bei einer zweiten Schaltungsvariante
liegt die Last zwischen dem Source-Anschluss S des Leistungstransistors
T1 und Bezugspotential GND, während
der Drain-Anschluss
D an Versorgungspotential V1 liegt. Der Transistor funktioniert
dann als sogenannter High-Side-Schalter.
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Leistungs-MOSFET,
wie der Leistungstransistor T1, leiten bekanntlich abhängig von
einer zwischen deren Gate-Anschluss G und deren Source-Anschluss
S anliegenden Spannung Ugs. Diese Spannung Ugs ist abhängig vom
Ladezustand einer in dem Transistor T1 intern vorhandenen Gate-Source-Kapazität, die in 1 als
Kondensator C1 eingezeichnet ist. Zur leitenden Ansteuerung des
Transistors T1 muss diese Gate-Source-Kapazität C1 aufgeladen werden und
zur sperrenden Ansteuerung des Transistors T1 muss diese Kapazität C1 entladen werden.
Die Zeitdauer, innerhalb derer der Transistor vom leitenden in den
sperrenden Zustand, und umgekehrt, übergeht und die Form der Spannungsflanken
der über
der Laststrecke D-S des Leistungstransistors T1 anliegenden Spannung
Uds und der über der
Last anliegenden Spannung UL ist abhängig von einem Ladestrom Ic1,
der von der Ansteuerschaltung 10 an der Ausgangsklemme
AK bereitgestellt wird.
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Die
Ansteuerschaltung 10 umfasst zur leitenden Ansteuerung
des Transistors T1 eine erste Ansteuereinheit mit einer ersten Stromquelle
Iq1, die zwischen eine Klemme für
ein erstes Ansteuerpotential Vin und die Ausgangsklemme AK geschaltet
ist. Zur sperrenden Ansteuerung des Leistungstransistors T1 umfasst
die Ansteuerschaltung 10 eine zweite Ansteuereinheit mit
einer zweiten Stromquelle Iq2, die zwischen die Ausgangsklemme AK
und eine Klemme für
ein zweites Ansteuerpotential geschaltet ist, wobei diese Klemme
in dem Ausführungsbeispiel dem
Source-Anschluss S des. Leistungstransistors T1 entspricht.
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Die
erste Ansteuereinheit zur leitenden Ansteuerung umfasst weiterhin
eine dritte Stromquelle Iq3, die zwischen die Ausgangsklemme AK
und das zweite Ansteuerpotential, also das Source-Potential Vs,
geschaltet ist. Die zweite Ansteuereinheit zur sperrenden Ansteuerung
des Leistungstransistors T1 umfasst neben der zweiten Stromquelle
Iq2 eine vierte Stromquelle Iq4, die zwischen ein weiteres Ansteuerpotential,
in dem Ausführungsbeispiel
das Versorgungspotential V1, und die Ausgangsklemme AK, geschaltet
ist. In Reihe zu den Stromquellen Iq1, Iq3 der ersten Ansteuereinheit
sind jeweils Schalter S1on, S3on geschaltet, die durch eine Schalteransteuereinheit 20 angesteuert
sind, und die zur leitenden Ansteuerung des Leistungstransistors
T1 geschlossen und zur sperrenden Ansteuerung des Leistungstransistors
T1 geöffnet
werden. Entsprechend sind in Reihe zu den Stromquellen Iq2, Iq4
der zweiten Ansteuereinheit Schalter S2off, S4off geschaltet, die
ebenfalls durch die Schalteransteuereinheit 20 angesteuert
sind und die zur sperrenden Ansteuerung des Leistungstransistors
T1 geschlossen und zur leitenden Ansteuerung geöffnet werden.
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Die
erste und zweite Stromquelle Iq1, Iq2 liefern in dem Ausführungsbeispiel
jeweils konstante Ströme
I1 bzw. I2, während
die von den dritten und vierten Stromquellen Iq3, Iq4 gelieferten
Ströme
I3 bzw. I4 von einer Spannung UL über der Last abhängig sind.
Eine Spannungsmessanordnung 11, 12, die die Spannung
UL über
der Last erfasst, stellt ein von der Lastspannung UL abhängiges Spannungssignal US
zur Verfügung,
das der dritten und vierten Stromquelle Iq3, Iq4 zugeführt ist.
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Bei
der in 1 dargestellten Verschaltung der ersten Stromquelle
Iq1 und der dritten Stromquelle Iq3 in der ersten Ansteuereinheit
ergibt sich der Ladestrom Ic1 während
des Ladevorgangs gemäß: Ic1 = I1–I3. (1)
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Entsprechend
ergibt sich der Entladestrom –Ic1
während
des Entladevorgangs gemäß: –Ic1
= I2–I4. (2)
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2a zeigt
beispielhaft den Verlauf des dritten und vierten Stromes I3, I4 über der
Lastspannung UL bzw. über
dem Spannungsmesssignal US. Ausgehend von einer Lastspannung UL
= 0 nehmen die Ströme
I3, I4 mit zunehmender Lastspannung UL stetig ab, bis der Wert einer
Schwellenspannung UL0 erreicht ist, bei welcher die Ströme I3, I4
Null werden. Ein maximaler, von den Stromquellen Iq3, Iq4 gelieferter
Strom I0 ist dabei jeweils kleiner als die von der ersten und zweiten Stromquelle
Iq1, Iq2 gelieferten Ströme
I1, I2. Die Steilheit der Kennlinie der Ströme I3, I4 nimmt dabei mit zunehmender
Lastspannung UL ab, das heißt
die Ströme
I3, I4 nehmen bei kleinen Lastspannungen UL stark ab und bei größer werdender
Lastspannung UL flacht der Verlauf der Kennlinien für die Ströme I3, I4
ab.
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2b zeigt
die Kennlinie eines Ladestroms Ic1, der aus der Summe des konstanten
Stromes I1 und des von der Lastspannung U1 abhängigen Stromes I3 resultiert.
Dieser Strom beginnt bei einem Wert von I1–I0 für eine Lastspannung UL = 0
und steigt mit zunehmender Lastspannung UL auf den Wert I1 an. Der
Anstieg des Ladestroms erfolgt dabei nicht-linear über der
Lastspannung UL, wobei der Strom stetig zunächst steil und mit zunehmender Lastspannung
UL weniger steil ansteigt. Die Steilheit der Kennlinie der Ströme I3, I4
nimmt vorzugsweise mit wachsender Lastspannung stetig ab.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass der dritte und vierte Strom I3, I4
lediglich beispielhaft für
eine Lastspannung UL = 0 bei einem Stromwert I0 beginnen. Selbstverständlich können die
Stromverläufe dieser
beiden Ströme
I3, I4 auch unterschiedlich sein, sofern grundsätzlich für den Ladestrom bzw. Entladestrom
Ic1 ein Stromverlauf gemäß 2b mit zunächst steil
und mit zunehmender Lastspannung UL weniger steil ansteigendem Verlauf
resultiert.
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Der
Verlauf des Entladestroms bei der Lastspannung UL ist entsprechend,
das heißt
der Entladestrom ist zunächst
gering und steigt steil und bei zunehmender Lastspannung mit abnehmender
Steilheit bis auf den Wert des zweiten Stromes I2 an.
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Der
nicht-lineare abgerundete Verlauf des Ladestromes bzw. des Entladestromes
bewirkt harmonische Schaltflanken der Spannung über der Last UL, woraus reduzierte
elektromagnetische Störabstrahlungen
resultieren.
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3 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,
bei der der Leistungstransistor T1 als High-Side-Schalter dient und
bei der die Stromquellen Iq1–Iq4
der ersten und zweiten Ansteuereinheit in der Ansteuerschaltung 10 als
selbstleitende MOSFET (Depletion-MOSFET) ausgebildet sind. Zur leitenden
Ansteuerung des als High-Side-Schalter
eingesetzten MOSFET T1 ist ein erstes Ansteuerpotential erforderlich,
das größer als das
erste Versorgungspotential V1 ist. Dieses erste Ansteuerpotential
Vin wird in dem Ausführungsbeispiel
durch eine Ladungspumpe 10 bereitgestellt.
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Die
erste Stromquelle Iq1 ist als selbstleitender MOSFET realisiert,
dessen Gate-Anschluss an dessen Source-Anschluss angeschlossen ist.
Die Drain-Source-Strecke D-S ist in Reihe zu dem ersten Schalter
Son zwischen die Ladungspumpe 10 und die Ausgangsklemme
AK geschaltet. Ein Substratanschluss ST dieses Transistors ist in
dem Ausführungsbeispiel
an dessen Source-Anschluss
S angeschlossen. Die zweite Stromquelle Iq2 ist ebenfalls als selbstleitender
MOSFET realisiert, dessen Gate-Anschluss,
dessen Substratanschluss und dessen Source-Anschluss kurzgeschlossen sind, wobei die
Drain-Source-Strecke
dieses selbstleitenden MOSFET in Reihe zu dem zweiten Schalter S2off zwischen
die Ausgangsklemme AK und den Source-Anschluss des Leistungstransistors T1
geschaltet ist.
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Die
dritte Stromquelle Iq3 der ersten Ansteuereinheit zur leitenden
Ansteuerung des Leistungs-MOSFET T2 ist ebenfalls als selbstleitender MOSFET
realisiert, dessen Gate-Anschluss G und dessen Source-Anschluss
S kurzgeschlossen sind. Die Drain-Source-Strecke ist in Reihe zu
dem dritten Schalter S3on zwischen die Ausgangsklemme AK und den
Source-Anschluss des Leistungstransistors T1 geschaltet. An den
Substratanschluss ST ist eine Spannungsquelle angeschlossen, die
in dem Ausführungsbeispiel
als Spannungsteiler mit einem ersten und zweiten Widerstand R1,
R2 realisiert ist, wobei die Widerstände R1, R2 in Reihe zwischen
den Source-Anschluss des selbstleitenden MOSFET und Bezugspotential
GND geschaltet sind und wobei der Mittenabgriff dieses Spannungsteilers
an den Substratanschluss ST des Transistors Iq3 angeschlossen ist.
Der Substratanschluss ST liegt somit auf einem Potential, welches über das
Teilerverhältnis
des Spannungsteilers zu der Lastspannung UL in Beziehung steht.
Der den selbstleitenden MOSFET Iq3 durchfließende Strom I3 ist dabei bei
einem gegebenen Gate-Potential umso kleiner, je größer die
Lastspannung UL ist, bzw. umso größer, je kleiner die Lastspannung
UL ist. Sperrt der Leistungs-MOSFET T1 zunächst, so ist diese Spannung
UL noch Null und der die dritte Stromquelle Iq3 durchfließende Strom I3
zu Beginn des Ladevorgangs ist groß, während dieser Strom mit zunehmendem
Potential an dem Substratanschluss ST abnimmt.
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Die
vierte Stromquelle Iq4 ist entsprechend als selbstleitender MOSFET
realisiert, dessen Gate-Anschluss und dessen Source-Anschluss kurzgeschlossen
sind und dessen Drain-Source-Strecke in
Reihe zu dem Schalter S4off zwischen das Versorgungspotential V1
und die Ausgangsklemme AK geschaltet ist. An den Substratanschluss
ST ist eine Spannungsquelle angeschlossen, die einen Spannungsteiler
mit dritten und vierten Widerständen
R3, R4 fasst, wobei die Reihenschaltung mit dem dritten und vierten
Widerstand R3, R4 zwischen Bezugspotential GND und den Source-Anschluss
des MOSFET Iq4 geschaltet ist, wobei der Mittenabgriff des Spannungsteilers
an dem Substratanschluss ST angeschlossen ist.
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Eine
Diode D1 zwischen dem Transistor Iq4 und der Ausgangsklemme AK 1
verhindert, dass die Stromquelle Iq4 aktiviert wird, solange während des Ausschaltvorganges
das Potential in dem Gate-Anschluss G größer ist als die positive Versorgungsspannung
V1.
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4 zeigt
den zeitlichen Verlauf der Lastspannung UL über der Zeit für eine Schaltperiode, wobei
ab dem Zeitpunkt t1 der Leistungstransistor T1 leitend angesteuert
und ab dem Zeitpunkt t2 sperrend angesteuert wird. Wie anhand von 4 ersichtlich
ist, sind mittels der Ansteuerschaltungen gemäß der 1 und 3 harmonische
Schaltflanken, das heißt
abgerundete Schaltflanken für
die Spannung UL über
der Last, und entsprechend für die
Spannung Ugs über
dem Leistungstransistor T1 einstellbar, wobei bei diesen harmonischen
Schaltflanken elektromagnetische Störabstrahlungen reduziert sind.
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- 12
- Spannungsmessanordnung
- 20
- Schalter-Ansteuereinheit
- D
- Drain-Anschluss
- D1
- Diode
- G
- Gate-Anschluss
- GND
- Bezugspotential
- Iq1–Iq4
- Stromquellen
selbstleitende MOSFET
- R1–R4
- Widerstände
- S
- Source-Anschluss
- S1on,
S3on
- Schalter
- S2off,
S3off
- Schalter
- ST
- Substratanschluss
- T1
- Leistungstransistor
- UL
- Lastspannung
- V1
- Versorgungspotential
- Vin
- erstes
Ansteuerpotential
- Vs
- Source-Potential