DE10245046B3 - Leistungsschaltvorrichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Leistungsschaltvorrichtung mit einem seriell in einem Lastkreis mit induktivem Lastanteil (L1) liegenden Leistungsschalttransistor (T1) und mit einer parallel zu dessen Gate-Drain- bzw. Basis-Kollektor-Strecke liegenden Abkommutierschaltung, die wenigstens eine Abkommutierklemmspannung (U¶KL¶) zum Einschalten des Leistungsschalttransistors beim Abkommutieren bestimmende Zenerdiode (D¶1b¶) und eine seriell und gegensinnig dazu liegende normale Diode (D2) aufweist. Die erfindungsgemäße Leistungsschaltvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Abkommutierschaltung Steuerelemente (T2, D¶1a¶) aufweist, um während einer kurzen Zeit (T¶K¶) die Abkommutierklemmspannung (U¶KL¶) zu Beginn jedes Abkommutierzyklus (T¶ab¶) oder nach einer einstellbaren Verzögerung (T¶Z¶) ab Beginn jedes Abkommutierzyklus (T¶ab¶) zu verringern.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Leistungsschaltvorrichtung mit einem seriell in einem Lastkreis mit induktivem Lastanteil liegenden Leistungsschalttransistor und mit einer parallel zu dessen Gate-Drain- bzw. Basis-Kollektor-Strecke liegenden Abkommutierschaltung, die wenigstens eine die Klemmspannung des Leistungsschalttransistors beim Abkommutieren bestimmende Zenerdiode und eine seriell und gegensinnig dazu liegende normale Diode aufweist.
• Typische Anwendungsgebiete für Leistungsschaltvorrichtungen sind unter anderem Synchrongleichrichter und Schaltregler. Dabei sind derartige entweder einen Bipolarleistungsschalttransistor oder einen Feldeffektleistungsschalttransistor aufweisende Leistungsschaltvorrichtungen entweder in einer so genannten Low-Side-Konfiguration, wo die Leistungsschaltvorrichtung auf der Seite der Last mit niedrigerem Potential liegt oder in einer so genannten High-Side-Konfiguration realisiert, in der die Leistungsschaltvorrichtung auf der Seite der Last mit höherem Potential liegt.
• Die erhöhte Integrationsdichte bei integrierten Schaltungen führt auch bei MOS-Leistungsfeldeffekttransistoren zu kleineren Chipflächen bei gleichem Einschaltwiderstand. Dies hat unter anderem eine Verringerung der maximalen Energiefestigkeit beim Abkommutiervorgang in Lastkreisen mit induktiven Lasten zur Folge.
• Die beiliegenden 4 bis 6 verdeutlichen den Stand der Technik von Leistungsschaltvorrichtungen jeweils anhand einer Low-Side-Konfiguration und einer High-Side-Konfiguration. T1 bezeichnet den Leistungsschalttransistor, der in diesem Fall beispielhaft ein NMOS-Feldeffekttransistor ist. Der Leis tungsschalttransistor T1 liegt in Reihe zu einer induktiven Last L1 in einem Lastkreis und zwar in 4 in Low-Side-Konfiguration und in 5 in High-Side-Konfiguration. Zwischen einer Versorgungsspannung V_bb und Masse fließt im eingeschalteten Zustand des Leistungsschalttransistors T1 ein Strom IL1, der zu einer in 6 gezeigten Spannung UL1 an der Last L1 führt. Die parallel zur Gate-Draindiode des Leistungsschalttransistors T1 liegende Reihenschaltung aus einer Zenerdiode D1 und einer gegensinnig dazu geschalteten normalen Diode D2 bildet eine Abkommutierschaltung. Darin bestimmt die Zenerdiode D1 eine Klemmspannung U_KL (6) , bei der der Transistor T1 beim Abkommutieren leitend gesteuert wird. Der Zenerwert der Zenerdiode Dl ist durch die maximale Betriebsspannung an Vbb bestimmt, bei der der Transistor T1 nicht leitend gesteuert werden darf. Die Diode D2 sorgt im eingeschalteten Zustand dafür, dass die Gate-Drain-Diodenstrecke gesperrt ist. Die beim Ausschalten der induktiven Last L1 im Leistungsschalttransistor T1 umgesetzte Abkommutierungsenergie ergibt sich aus dem über der Zeit aufintegrierten Wert des Laststroms I_L1 multipliziert mit dem Spannungsabfall über dem Leistungsschalttransistor T1. Diese Abkommutierungsenergie führt zur Erwärmung des Leistungsschalttransistors T1, wobei sich der maximal mögliche Energiewert aus der maximal möglichen Zerstörungstemperatur des Leistungsschalttransistors T1 und dem absoluten Materialvolumen (des Leistungsschalttransistors) in dem die Energie umgesetzt wird, ergibt.
• DE 100 61 371 A1 (Infineon Technologies AG), die eine Anmeldung mit älterem Zeitrang ist, beschreibt eine Schaltungsanordnung mit einer steuerbaren Strombegrenzungsschaltung zur Ansteuerung einer Last. Gemäß 4 dieser Druckschrift wird das einem Steuertransistor T2 zur Überbrückung der Zenerdiode Z2 angelegte Schaltsignal durch ein Invertierglied gegenüber dem dem Leistungstransistor T1 zugeführten Steuer signal S1 invertiert und durch ein Verzögerungsglied um eine Zeitdauer T verzögert.
• DE 196 40 433 C2 beschreibt eine Leistungsendstufe zum Schalten induktiver Verbraucher, bei der Mittel vorhanden sind, um den scharfen Knick beim Einsetzen der Zenerung im Zeitpunkt t3 (vgl. 3 dieser Druckschrift) zu verrunden, um die Störstrahlung zu minimieren. Die den Zenerdioden in 2 dieser Druckschrift parallel geschalteten Kombinationen von Kapazitäten und Widerständen sorgen dafür, dass der Einsatz der Begrenzung der Drainspannung auf die Zehnerspannung nicht mit einem scharfen Knick einsetzt, so dass dieser die Störstrahlung verursachende Knick abgerundet wird.
• DE 40 29 794 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Einrichtung zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Verbrauchers, die so gestaltet ist, dass eine unzulässige thermische Beanspruchung des Leistungstransistors vermieden wird, wenn die Betriebsspannung bei abgeschaltetem Transistor größer wird als die Zenerspannung, wie es z. B. zwischen den Zeitpunkten T3 und T4 in 7 dargestellt ist. Zu dieser Zeit wird einem zwischen dem Gateanschluss des Leistungstransistors und dem Masseanschluss desselben geschalteten zweiten Schaltmittel ein Steuersignal (C) zugeführt, das von einem Ansteuermittel 15 erzeugt wird, welches einen Überspannungszustand erkennt.
• Aufgabe der Erfindung ist es, eine Leistungsschaltvorrichtung so anzugeben, dass die Abkommutierungsenergie bei gegebener Chipfläche des Leistungsschalttransistors erhöht werden kann.
• Dem diese Aufgabe lösenden erfindungsgemäßen Prinzip liegt der Gedanke zugrunde, durch eine spezielle Schaltungstechnik die Abkommutierspannung während des Abkommutiervorgangs dynamisch zu verändern.
• Um dies auszuführen, weist die Abkommutierschaltung der erfindungsgemäßen Leistungsschaltvorrichtung Steuerelemente auf, um die Abkommutierklemmspannung nur während einer im Verhältnis zur Zeitdauer des Abkommutierzyklus kurzen Zeit nach einer einstellbaren Verzögerung ab dem Beginn jedes Abkommutierzyklus zu verringern. Damit wird die im Leistungsschalttransistor umgesetzte Leistung auf eine größere Zeitspanne verteilt, ohne dass die statische Abkommutierspannung verändert wird. Dies führt im ersten Moment des Abkommutierens zu einer kleineren Leistung im Leistungsschalttransistor, wodurch dessen Temperaturerhöhung kleiner ist. Dadurch kann die Energie besser über das Material abgeführt werden.
• In einer bevorzugten Ausführungsform umfassen die Steuerelemente der Abkommutierschaltung eine zweite Zenerdiode, die gleichsinnig wie die erste Zenerdiode und in Reihe zu dieser geschaltet ist sowie einen Steuertransistor, der parallel zur zweiten Zenerdiode liegt und der durch einen Steuerimpuls für die genannte kurze Zeit leitend geschaltet wird und dabei die zweite Zenerdiode niederohmig überbrückt. Die Zenerwerte der beiden Zenerdioden bestimmen in Summe wieder den statischen Zenerwert, der für die Klemmspannung maßgeblich ist.
• Wie schon erwähnt, kann der Leistungsschalttransistor zum Beispiel ein NMOS-Feldeffekttransistor sein. Dann kann der Steuertransistor als PMOS-Feldeffekttransistor ausgeführt sein. Alternativ kann der Leistungsschalttransistor auch ein Bipolartransistor, z.B. ein IGBT sein.
• Die obigen Merkmale und weitere erfindungsgemäße Merkmale werden nachstehend anhand der Zeichnung näher beschrieben, die zwei verschiedene Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Leistungsschaltvorrichtung veranschaulicht.
• Die Zeichnungsfiguren zeigen im Einzelnen:
• 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Leistungsschaltvorrichtung in Low-Side-Konfiguration;
• 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Leistungsschaltvorrichtung in High-Side-Konfiguration;
• 3 ein Impulszeitdiagramm, um eine nicht von der Erfindung umfasste erste Funktionsweise der in den 1 und 2 dargestellten Leistungsschaltvorrichtungen zu erläutern;
• 3a ein Impulszeitdiagramm, um eine erfindungsgemäße Funktionsweise der in den 1 und 2 dargestellten Leistungsschaltvorrichtungen zu erläutern;
• 4 die bereits besprochene herkömmliche Leistungsschaltvorrichtung in Low-Side-Konfiguration;
• 5 die bereits besprochene herkömmliche Leistungsschaltvorrichtung in High-Side-Konfiguration; und
• 6 das die Funktionsweise der in den 4 und 5 dargestellten bekannten Leistungsschaltvorrichtungen erläuternde Impuls-Zeitdiagramm (bereits erläutert).
• Die in den 1 und 2 dargestellten beiden Ausführungsbeispiele 1 und 1A einer erfindungsgemäßen Leistungsschaltvorrichtung sind jeweils in Low-Side-Konfiguration und in High-Side-Konfiguration angeordnet.
• Identische Elemente sowie Spannungs- und Stromwerte, wie sie bereits in den die herkömmlichen Leistungsschaltvorrichtungen beschreibenden 4 bis 6 verwendet sind, haben in den 1 bis 3 identische Bezeichnungen. Der Leistungsschalttransistor T1 ist in beiden in den 1 und 2 dargestellten Konfigurationen beispielhaft ein NMOS-Feldeffekttransistor. Die Leistungsschaltvorrichtung in 1 ist allgemein mit 1 und die Leistungsschaltvorrichtung in 2 allgemein mit 1A bezeichnet. Die für beide Ausführungsbeispiele 1 und 1A der Leistungsschaltvorrichtung verwendete Abkommutierschaltung ist jeweils dieselbe. Die Zenerdiode Dl der Abkommutierschaltung gemäß den 4 und 5 ist in den erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen 1 und 1A durch eine Reihenschaltung zweier gleichsinnig liegender Zenerdioden D_{1 a} und D_1b ersetzt, deren Zenerwerte in Summe wieder den statischen Zenerwert gemäß den 4 und 5 und damit die zum Einschalten des Leistungstransistors beim Abkommutieren benötigte Klemmspannung definieren. Parallel zur zweiten Zenerdiode D_{1 a} liegt ein Steuertransistor T2, der in den Ausführungsbeispielen 1 und 1A als PMOS-Feldeffekttransistor realisiert ist. An die Gate-Source-Diode des Steuertransistors T2 wird ein kurzzeitiger Steuerimpuls U_ST angelegt, der gemäß der in 3 dargestellten nicht von der Erfindung umfassten Funktionsweise unmittelbar an die Rückflanke der Eingangsspannung U_IN für den Leistungsschalttransistor T1 anschließt, das heißt unmittelbar zu Beginn des Abkommutierzyklus T_ab kommt. Gemäß 3a, die die erfindungsgemäße Funktionsweise darstellt, wird der Steuerimpuls U_ST an die Gate-Source-Diode des Steuertransistors T₂ nach einer einstellbaren Verzögerungszeit T_z auf die Rückflanke der Eingangsspannung U_IN angelegt. Die Impulsbreite der Steuerspannung U_ST bestimmt die kurze Zeit T_k, während der die Abkommutierklemmspannung U_KL um die Zenerspannung U_Dla an der zweiten Zenerdiode D_{1 a} verringert wird. Dadurch ist in dieser kurzen Zeit T_k des Abkommutierzyklus T_ab die Temperaturerhöhung im Leistungsschalttransistor T1 kleiner, so dass die Energie besser über dessen Körper abgeführt werden kann. Während der kurzen Zeit T_k überbrückt der Steuertransistor T2 niederohmig die zweite Zenerdiode D_{1 a}, so dass, die in der induktiven Last L1 gespeicherte Energie, dargestellt durch den Strom I_L1 auf eine größere Zeitspanne verteilt ist. Dies bedeutet, dass die Steilheit der Rückflanke von I_L1 während der kurzen Zeitspanne T_k geringer ist als während der restlichen Zeit.
• Durch die anhand der 3a veranschaulichte erfindungsgemäße Funktionsweise, bei der die Abkommutierklemmspannung U_KL erst nach der einstellbaren Verzögerungszeit T_z nach der Rückflanke der Eingangsspannung U_IN für die kurze Zeitspanne T_K verringert wird, ergibt sich eine nochmalige Erhöhung der maximalen Abkommutierenergie, da in der ersten Zeit T_Z, durch die hohe Abkommutierspannung eine hohe anteilige Energie vorab abgebaut wird. Erst in der anschließenden Zeitspanne T_K wird die Abkommutierung zeitlich in die Länge gezogen.
• Es bleibt zu erwähnen, dass die in den 1 und 2 gezeigten Elemente der Abkommutierschaltung, nämlich die zusätzliche Diode D_1a und der Steuertransistor T2 leicht und Platz sparend in einem Chip der Leistungsschaltvorrichtung zusammen mit dem Leistungsschalttransistor T1 integriert werden können. Statt für den Leistungsschalttransistor T1 einen Feldeffekttransistor, zum Beispiel wie in den 1 und 2 einen NMOS-Feldeffekttransistor zu verwenden, kann, ohne vom Prinzip der Erfindung abzuweichen, auch ein Bipolartransistor eingesetzt werden. Ähnliches gilt für den Steuertransistor T2, wobei derartige Modifikationen und ihre veränderten Parameterwerte dem Durchschnittsfachmann geläufig sind.

1, 1A

Leistungsschaltvorrichtung

T1

Leistungsschalttransistor

L1

induktive Last

IL1

Laststrom

UL1

Spannungsabfall an der induktiven Last L1

V_bb

Versorgungsspannung

R1

Gatewiderstand

U_ST

Steuerspannung

U_IN

Eingangsspannung

U_KL

Klemmspannung

D_1a, D_1b

Zenerdioden

D2

Diode

U_D1a

Zenerspannung der Zenerdiode Dia

T_ab

Zeitspanne des Abkommutiervorgangs

T_k

kurze Zeitspanne zu Beginn des Abkommutiervor

gangs T_ab

T_z

einstellbare Verzögerungszeit ab Beginn des Ab

kommutiervorgangs

Claims (6)

1. Leistungsschaltvorrichtung mit einem seriell in einem Lastkreis mit induktivem Lastanteil (L1) liegenden Leistungsschalttransistor (T1) und mit einer parallel zu dessen Gate-Drain- bzw. Basis-Kollektor-Strecke liegenden Abkommutierschaltung, die wenigstens eine eine Abkommutierklemmspannung (U_KL) zum Einschalten des Leistungsschalttransistors beim Abkommutieren bestimmende Zenerdiode (D_lb) und eine seriell und gegensinnig dazu liegende normale Diode (D2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Abkommutierschaltung Steuerelemente (T2, D_1a) aufweist, um nur während einer im Verhältnis zur Zeitdauer des Abkommutierzyklus kurzen Zeit (T_K) die Abkommutierklemmspannung (U_KL) nach einer einstellbaren Verzögerung (T_Z) ab Beginn jedes Abkommutierzyklus (T_{a b}) zu verringern.
2. Leistungsschaltvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerelemente (T2, D_1a) der Abkommutierschaltung eine zweite Zenerdiode (D_1a), die gleichsinnig wie die erste Zenerdiode (D_1b) und in Reihe zu dieser geschaltet ist und einen Steuertransistor (T2) parallel zur zweiten Zenerdiode (D1a) aufweist,. der durch einen Steuerimpuls (U_{S T}) für die kürze Zeit (T_K) nach einer einstellbaren Verzögerung (T_Z) ab Beginn jedes Abkommutierzyklus (T_ab) leitend geschaltet wird und dabei die zweite Zenerdiode (D_1a) niederohmig überbrückt, wobei die Summe der Zenerspannungen der zwei Zenerdioden (D_1a, D_1b) wieder die Klemmspannung (U_KL) bestimmen.
3. Leistungsschaltvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungsschalttransistor (T1) ein NMOS-Feldeffekttransistor ist.
4. Leistungsschaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuertransistor (T2) ein PMOS-Feldeffekttransistor ist.
5. Leistungsschaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsschaltvorrichtung (1) auf der Seite der Last (L1) mit niedrigerem Potential (Low-Side) vorgesehen ist.
6. Leistungsschaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsschaltvorrichtung (1A) auf der Seite der Last (L1) mit höherem Potential (High-Side) vorgesehen ist.