DE10344572B4

DE10344572B4 - Gateansteuerungseinrichtung zur Reduktion einer Stoßspannung und einem Schaltverlust

Info

Publication number: DE10344572B4
Application number: DE10344572A
Authority: DE
Inventors: Takaaki Shirasawa; Tsuyoshi Fukuoka Takayama
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-01-24
Filing date: 2003-09-25
Publication date: 2010-02-25
Anticipated expiration: 2023-09-26
Also published as: JP2004229057A; JP4113436B2; US20040145407A1; DE10344572A1; US6819149B2

Abstract

Gateansteuerungseinrichtung (100) zum Ansteuern einer Wechselrichterschaltung mit einem ersten und einem zweiten miteinander in Reihe geschalteten MOS-Transistor (1, 2), mit
einer ersten Treiberschaltung (10) zum Ansteuern des ersten MOS-Transistors (1), und
einer zweiten Treiberschaltung (20) zum Ansteuern des zweiten MOS-Transistors (1, 2),
dadurch gekennzeichnet, dass
die erste und zweite Treiberschaltung (10, 20) so arbeiten, dass, wenn sich einer der beiden MOS-Transistoren (1, 2) im ausgeschalteten Zustand befindet, während der andere MOS-Transistor nachfolgend gemäß einer vorbestimmten Taktung aus dem ausgeschalteten in den eingeschalteten Zustand geschaltet wird, dem einen MOS-Transistors eine vorbestimmte Spannung (G1) angelegt wird, bevor der andere MOS-Transistor aus dem ausgeschalteten in den eingeschalteten Zustand geschaltet wird, die knapp unterhalb dessen Schwellenspannung (Vth) liegt, so dass die Gate-Source-Spannung des einen MOS-Transistors aufgrund einer Stromschwankung, die in der Wechselrichterschaltung aufgrund des Einschalten des anderen MOS-Transistors stattfindet, die Schwellenspannung des einen MOS-Transistors überschreitet und den einen MOS-Transistor zeitweilig...

Description

Folgende Erfindung bezieht sich auf eine Gateansteuerungseinrichtung zum Ansteuern von MOS-Transistoren und speziell auf eine Gateansteuerungseinrichtung zum Ansteuern von MOS-Transistoren mit hoher elektrischer Leistung (Leistungs-MOS-Transistoren).
Heutzutage werden Wechselrichterschaltungen als Drehstrommotor-Treiberschaltungen verwendet. Solche Wechselrichterschaltungen verwenden Leistungs-MOS-Transistoren.
Bei einer solchen Wechselrichterschaltung mit Leistungs-MOS-Transistoren tritt zwischen deren Hauptelektroden (zwischen dem Kollektor und dem Emitter) eine Erholungsstoßspannung auf (im folgenden als Stoßspannung bezeichnet), wenn ein mit einem induktiven Verbraucher verschalteter MOS-Transistor, beispielsweise ein Motor, abgeschaltet wird. Im allgemeinen wird eine solche Stoßspannung aufgrund schlechter Recovery-Eigenschaften der parasitären Diode des Leistungs-MOS-Transistors recht groß. Die Stoßspannung kann möglicherweise zur Zerstörung des Leistungs-MOS-Transistors führen. Deshalb sind Leistungs-MOS-Transistor-Ansteuerungsschaltungen entwickelt worden, die dazu geeignet sind, die Stoßspannung zu verringern (als Referenz dient beispielsweise die japanische Offenlegungsschrift Nr. 2001-24492 , Seiten 3–5, 1–6).
Bei der dort gezeigten Treiberschaltung ist eine Diode zwischen der Source eines Leistungs-MOS-Transistors und dem mit dessen Gate verbundenen Ausschaltkreis angeordnet. Wenn die Gateladung durch den Ausschaltkreis abgezogen wird, um den Leistungs-MOS-Transistor auszuschalten, wird die Gate-Source-Spannung dann auf einem vorbestimmten Wert gehalten (die Durchlassspannung der Diode). Das bedeutet, dass durch die Durchlassspannung der Diode ein bestimmtes Ladungsniveau zwischen Gate und Source verbleibt und es dann möglich ist, die Höhe der durch das Entladen der kapazitiven Komponente des Leistungs-MOS-Transistors verursachten Stoßspannung zu reduzieren.
Jetzt kann die Stoßspannung auch während der Sperrzeiten der Leistungs-MOS-Transistoren auftreten. Beispielsweise tritt bei einem Wechselrichter, der zwei in Reihe geschaltete Leistungs-MOS-Transistoren aufweist, in der parasitären Diode des ausgeschalteten Leistungs-MOS-Transistors ein Recoveryeffekt auf, was eine Stoßspannung zwischen dem Kollektor und dem Emitter dieses Leistungs-MOS-Transistors erzeugt, wenn ein Leistungs-MOS-Transistor abschaltet und dann der andere Leistungs-MOS-Transistor anschaltet wird.
Diese Stoßspannung kann durch die Ansteuerungs- bzw. Treiberschaltung reduziert werden, auf die weiter oben verwiesen wurde. Jedoch verschlechtert die Anordnung einer Diode zwischen dem Ausschaltkreis und der Source die Ladungsentzugscharakteristik des Gates des Leistungs-MOS-Transistors, was zu einem großen Schaltverlust beim Ausschalten führt.
Die US 4375074 lehrt eine Ansteuerungseinrichtung zum Ansteuern einer Wechselrichterschaltung mit einem ersten und einem zweiten miteinander in Reihe geschalteten Transistor, mit einer ersten Treiberschaltung zum Ansteuern des ersten Transistors, und einer zweiten Treiberschaltung zum Ansteuern des zweiten Transistors. Die DE 198 55 900 A1 lehrt eine Gateansteuerungseinrichtung zum Ansteuern einer Wechselrichterschaltung mit einem ersten und einem zweiten miteinander in Reihe geschalteten MOS-Transistor, mit einer ersten Treiberschaltung zum Ansteuern des ersten MOS-Transistors, und einer zweiten Treiberschaltung zum Ansteuern des zweiten MOS-Transistors.
Ausgehend von diesem Stand der Technik stellt sich dem Fachmann die obengenannte Aufgabe, eine Gateansteuerungseinrichtung mit reduzierter, während der Sperrzeiten auftretender Stoßspannung zur Verfügung zu stellen, wobei ein Ansteigen des Schaltverlusts beim Ausschalten des MOS-Transistors verhindert wird.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Gateansteuerungseinrichtung gemäß Anspruch 1 bzw. 3 gelöst. Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Offenbarung sind ein erster und ein zweiter MOS-Transistor einer Gateansteuerungseinrichtung miteinander in Reihe ge schaltet. Wenn von dem ersten und dem zweiten MOS-Transistor einer ausgeschaltet wurde und dann der andere nach einem vorbestimmten Zeitregime Taktung angeschaltet wurde, wird in der Ansteuerungseinrichtung der eine MOS-Transistor zeitweilig für einen vorbestimmten Zeitraum, der mit dem vorbestimmten Zeitregime zeitlich übereinstimmt, in einen Einschaltzustand versetzt.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Offenbarung weist eine Gateansteuerungseinrichtung eine Treiberschaltung zum Betrieb eines MOS-Transistors auf. Die Treiberschaltung weist erste und zweite Anschlüsse auf, die an ein Gate bzw. eine Source des MOS-Transistors anschließbar sind, erste und zweite Spannungsquellen, erste bis dritte Schaltelemente, einen Widerstand und eine Steuerschaltung zur Steuerung der ersten bis dritten Schaltelemente und der zweiten Spannungsquelle. Die erste Spannungsquelle liefert eine Betriebs- bzw. Steuerspannung zum Betrieb des MOS-Transistors. Die zweite Spannungsquelle ist mit dem ersten Anschluss verschaltet und liefert eine vorbestimmte Spannung, die niedriger ist als die Schwellenspannung, bei der der MOS-Transistor anschaltet. Das erste Schaltelement ist zwischen die erste Spannungsquelle und den ersten Anschluss geschaltet. Das zweite Schaltelement ist zwischen den ersten Anschluss und den zweiten Anschluss geschaltet. Das dritte Schaltelement und der Widerstand sind miteinander in Reihe und mit dem zweiten Schaltelement parallel geschaltet. Nach dem Ausschalten des ersten Schaltelements und dem Anschalten des zweiten Schaltelements bringt die Steuerschaltung das erste und das zweite Schaltelement zeitweilig, gemäß eines vorbestimmten Zeitregimes und für einen vorbestimmten Zeitraum, in einen Ausschaltzustand und das dritte Schaltelement in einen Einschaltzustand und legt die vorbestimmte Spannung der zweiten Spannungsquelle an den ersten Anschluss an.
Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Offenbarung weist eine Gateansteuerungseinrichtung eine Treiberschaltung zum Ansteuern eines MOS-Transistors auf. Die Treiberschaltung beinhaltet erste und zweite Anschlüsse, die an ein Gate bzw. eine Source des MOS-Transistors anschließbar sind, eine Spannungsquelle, erste bis dritte Schaltelemente, erste und zweite Widerstände und ei ne Steuerschaltung zum Ansteuern der ersten, zweiten und dritten Schaltelemente.
Die Spannungsquelle liefert eine Betriebsspannung zum Ansteuern des MOS-Transistors. Das erste Schaltelement und der erste Widerstand sind miteinander in Reihe und zwischen die Spannungsquelle und den ersten Anschluss geschaltet. Das zweite Schaltelement ist zwischen den ersten Anschluss und den zweiten Anschluss geschaltet. Das dritte Schaltelement und der zweite Widerstand sind miteinander in Reihe und zu dem zweiten Schaltelement parallel geschaltet. Nach dem Ausschalten des ersten Schaltelements und dem Anschalten des zweiten Schaltelements und gemäß einem vorbestimmten Zeitregime und einem vorbestimmten Zeitraum, bringt die Steuerschaltung das erste und das dritte Schaltelement zeitweise in einen Einschaltzustand und das zweite Schaltelement in einen Ausschaltzustand.
Wenn von dem ersten und dem zweiten MOS-Transistor einer ausgeschaltet wurde und danach dann der andere mit einem vorbestimmten Zeitregime angeschaltet wurde, befindet sich der eine MOS-Transistor für einen vorbestimmten Zeitraum, der mit dem vorbestimmten Zeitregime zeitlich abgestimmt ist, zeitweise in einer Einschaltstellung. Das reduziert die Stoßspannung, die in dem einen MOS-Transistor entsteht, wenn der anderes MOS-Transistor einschaltet wird. Da darüber hinaus zwischen Gate und Source des ersten und zweiten MOS-Transistors keine Diode geschaltet ist, kann eine Vergrößerung des Schaltverlusts bei deren Abschaltung verhindert werden.
In Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen werden diese und andere Aufgaben, Eigenschaften, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung durch die folgende detaillierte Beschreibung noch offensichtlicher. Dabei zeigt:
1 ein Schaltbild, das die Anordnung einer Gateansteuerungseinrichtung gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform darstellt;
2 ein Diagramm das verwendet wird, um den Betrieb der Gateansteuerungseinrichtung gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform zu beschreiben;
3 ein Schaltbild, das eine Modifikation der Gateansteuerungseinrichtung gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform darstellt;
4 ein Schaltbild, das die Anordnung einer Gateansteuerungseinrichtung gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform darstellt;
5 ein Schaltbild, das eine Modifikation der Gateansteuerungseinrichtung gemäß der zweiten bevorzugten Ausführungsform darstellt;
6 ein Schaltbild, das die Anordnung einer Gateansteuerungseinrichtung gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform darstellt;
7 ein Diagramm dazu verwendet, um den Betrieb der Gateansteuerungseinrichtung gemäß der dritten bevorzugten Ausführungsform zu beschreiben;
8 ein Diagramm dazu verwendet, um den Betrieb einer Gateansteuerungseinrichtung gemäß einer vierten bevorzugten Ausführungsform zu beschreiben;
9 ein Schaltbild, das eine Modifikationen der Gateansteuerungseinrichtung der vierten bevorzugten Ausführungsform darstellt;
10 ein Schaltbild, das die Anordnung einer Gateansteuerungseinrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform darstellt;
11 ein Diagramm dazu verwendet, den Betrieb einer Gateansteuerungseinrichtung gemäß der fünften bevorzugten Ausführungsform zu beschreiben;
12 ein Schaltbild, das die Modifikationen der Gateansteuerungseinrichtung gemäß der fünften Ausführungsform darstellt;
13 ein Diagramm dazu verwendet, um den Betrieb einer Gateansteuerungseinrichtung gemäß einer sechsten Ausführungsform zu beschreiben; und
14 ein Schaltbild, das eine Modifikationen der Gateansteuerungseinrichtung gemäß der sechsten Ausführungsform veranschaulicht.
Die Ausführungsbeispiele gemäß der 1 bis 5 dienen dem besseren Verständnis der erfindungsgemäßen Lehre und können Merkmale enthalten, die nicht von der beanspruchten Lehre erfaßt werden.
Ausführungsform 1
1 zeigt ein Schaltbild einer Gateansteuerungseinrichtung eines Leistungs-MOS-Transistors gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform; 1 zeigt einen Einphasenteil eines 3-phasigen 6-Element-Wechselrichters, der MOSFETs als Leistungs-MOS-Transistoren verwendet. Ein erster Leistungs-MOSFET 1 und ein zweiter Leistungs-MOSFET 2 sind miteinander in Reihe geschaltet, um eine Wechselrichterschaltung zum Schalten einer Hauptenergieversorgung 3 zu bilden. Ein Verbraucher 4, beispielsweise ein Motor, ist mit dem ersten Leistungs-MOSFET 1 parallel geschaltet. Die Gateansteuerungseinrichtung 100 beinhaltet eine erste Treiberschaltung 10 und eine zweite Treiberschaltung 20. Der erste Leistungs-MOSFET 1 und der zweite Leistungs-MOSFET 2 werden durch die erste Treiberschaltung 10 bzw. die zweite Treiberschaltung 20 angesteuert.
Die erste Treiberschaltung 10 hat einen Gateanschluss 11, der mit dem Gate des ersten anzusteuernden Leistungs-MOSFET 1 verschaltet ist, einen Sourceanschluss 12, der mit seiner Source verschaltet ist, und eine Betriebsspannungsquelle 15, um dem Gate des ersten Leistungs-MOSFET 1 eine Betriebsspannung zum Einschalten zur Verfügung zu stellen.
Ein ON-Transistor 13 ist als ein erstes Schaltelement zwischen der Betriebsspannungsquelle 15 und dem Gateanschluss 11 und als ein zweites Schaltelement ein OFF-Transistor 14 zwischen den Gateanschluss 11 und den Sourceanschluss 12 geschaltet. Eine erste Steuerschaltung 16 steuert das An- /Ausschalten des ON-Transistors 13 und des OFF-Transistors 14, um die am Gateanschluss 11 anliegende Spannung zwischen der von der Spannungsquelle 15 gelieferten Betriebsspannung und der Spannung am Sourceanschluss 12 (das ist die Sourcespannung des ersten Leistungs-MOSFET 1) umzuschalten.
Wenn die erste Steuerschaltung 16 den ON-Transistor 13 anschaltet und den OFF-Transistor 14 ausschaltet, liegt die Betriebsspannung der Betriebsspannungsquelle 15 am Gateanschluss 11 an und der ersten Leistungs-MOSFET 1 schaltet an (in einen Durchlasszustand). Wenn sie andererseits den ON-Transistor 13 ausschaltet und den OFF-Transistor 14 anschaltet, wird die Spannung des Sourceanschlusses 12 an den Gateanschluss 11 angelegt und der erste Leistungs-MOSFET 1 ausgeschaltet (in einen Nicht-Durchlasszustand). Das heißt, dass die erste Steuerschaltung 16 abwechselnd den ON-Transistor 13 und den OFF-Transistor 14 anschaltet, um den ersten Leistungs-MOSFET 1 anzusteuern.
In 1 wird deutlich, dass die zweite Treiberschaltung 20 im wesentlichen dieselbe Konfiguration aufweist wie die erste Treiberschaltung 10. Das heißt, dass die zweite Treiberschaltung 20 einen Gateanschluss 21 aufweist, der mit dem Gate des anzusteuernden zweiten Leistungs-MOSFET 2 verschaltet ist, einen mit seiner Source verschalteten Sourceanschluss 22 und eine Betriebsspannungsquelle 25, zum Bereitstellen einer Betriebsspannung am Gate des zweiten Leistungs-MOSFET 2, um diesen anzuschalten.
Zwischen der Betriebsspannungsquelle 25 und dem Gateanschluss 21 ist als ein erstes Schaltelement ein ON-Transistor 23 und zwischen dem Gateanschluss 21 und dem Sourceanschluss 22 ein OFF-Transistor 24 als ein zweites Schaltelement geschaltet. Eine zweite Steuerschaltung 26 steuert das An-/Ausschalten des ON-Transistors 23 und des OFF-Transistors 24, um die am Gateanschluss 21 anliegende Spannung zwischen der von der Betriebsspannungsquelle 25 bereitgestellten Betriebsspannung und der Spannung am Sourceanschluss 22 (das ist die Sourcespannung des zweiten Leistungs-MOSFET 2) umzuschalten. Das heißt, dass die zweite Steuerschaltung 26 ab wechselnd den ON-Transistor 23 und den OFF-Transistor 24 anschaltet, um den zweiten Leistungs-MOSFET 2 anzusteuern.
2 ist ein Diagramm, das dazu verwendet wird, den Betrieb der Gateansteuerungseinrichtung 100 dieser bevorzugten Ausführungsform zu beschreiben. Der Betrieb der Gateansteuerungseinrichtung 100 dieser bevorzugten Ausführungsform wird nun mit Verweis auf 2 beschrieben.
Wie in 2 gezeigt, schaltet die erste Steuerschaltung 16 in der ersten Treiberschaltung 10 zuerst den ON-Transistor 13 ab und den OFF-Transistor 14 an; die Gate-Source-Spannung (V_GS) des ersten Leistungs-MOSFET 1 erreicht 0 V und der erste Leistungs-MOSFET 1 schaltet somit aus. In der zweiten Steuerschaltung 20 schaltet anschließend die zweite Steuerschaltung 26 den ON-Transistor 23 an und den OFF-Transistor 24 gemäß einem vorbestimmten Zeitregime aus, so dass der zweite Leistungs-MOSFET 2 angeschaltet wird.
Mit demselben Zeitregime schaltet dann die erste Steuerschaltung 16 der ersten Treiberschaltung 10 zeitweilig den ON-Transistor 13 an und den OFF-Transistor 14 aus, so dass die Gate-Source-Spannung des ersten Leistungs-MOSFET 1 die Schwellenspannung V_th überschreitet. Das bedeutet, dass in zeitlicher Übereinstimmung mit dem Zeitregime des An-/Ausschaltens des zweiten Leistungs-MOSFET 2, der erste Leistungs-MOSFET 1 nur für einen kurzen Zeitraum, diesen Zeitpunkt mit eingeschlossen, in einen Einschaltzustand versetzt wird. Dadurch fließt der Freilaufstrom, der beim Einschalten des zweiten Leistungs-MOSFET 2 auftritt, nicht in den parasitären Diodenteil des ersten Leistungs-MOSFET 1, sondern in seinen Transistorteil, wodurch die zwischen Source und Drain des ersten Leistungs-MOSFET 1 auftretende Stoßspannung reduziert wird.
Darüber hinaus ist im Gegensatz zur eingangs erwähnten Veröffentlichung, zwischen ON-Transistor 13 und Source des ersten Leistungs-MOSFET 1 (dem Sourceanschluss 12) keine Diode geschaltet, wodurch die Gateentladungs-Kennlinie (gate charge extraction characteristic) des ersten Leistungs-MOSFET 1 nicht verschlechtert wird. Wie in 2 gezeigt, heißt das, dass die Gate-Source-Spannung des ersten Leistungs-MOSFET 1 schnell auf 0 V abfällt, sobald sich der ON-Transistor 13 ab- und der OFF-Transistor 14 anschaltet. Das verhindert eine Erhöhung des Schaltverlustes zum Ausschaltzeitpunkt des ersten Leistungs-MOSFET 1. Um zusätzlich ein Ansteigen des Verlustes am ersten Leistungs-MOSFET 1 zu verringern, wird vorzugsweise der zuvor erwähnte kurze Zeitraum auf einige Zehntel Nanosekunden (ns) bis eine Mikrosekunde (μs) gesetzt. Während dieser Zeitspanne überschreitet V_GS die Schwellenspannung V_th um etwa 0,1 V.
Als nächstes schaltet in der zweiten Treiberschaltung 20 der ON-Transistor 23 aus und der OFF-Transistor 24 schaltet ein, so dass der zweite Leistungs-MOSFET 2 ausgeschaltet wird. Nach einem vorbestimmten Zeitregime schaltet danach die erste Steuerschaltung 16 den ON-Transistor 13 ein und den OFF-Transistor 14 aus, so dass der erste Leistungs-MOSFET 1 angeschaltet wird.
Mit dem gleichen Zeitregime schaltet die zweite Steuerschaltung 26 zeitweilig den ON-Transistor 23 an und den OFF-Transistor 24 aus, was ein Ansteigen der Gate-Source-Spannung des zweiten Leistungs-MOSFET 2 über die Schwellenspannung V_th bewirkt. Das heißt, dass in Übereinstimmung mit dem Zeitregime des An-/Ausschaltens des ersten Leistungs-MOSFET 1, der zweite Leistungs-MOSFET 2 nur für einen kurzen Zeitraum, diesen Zeitpunkt mit eingeschlossen, in einen Einschaltzustand versetzt wird. Dadurch fließt der beim Anschalten des ersten Leistungs-MOSFET 1 auftretende Freilaufstrom nicht in den parasitären Diodenteil des zweiten Leistungs-MOSFET 2, sondern in dessen Transistorteil, wodurch die zwischen Source und Drain des zweiten Leistungs-MOSFET 2 auftretende Stoßspannung reduziert wird.
Da darüber hinaus zwischen dem ON-Transistor 23 und der Source des zweiten Leistungs-MOSFET 2 (dem Sourceanschluss 22) keine Diode geschaltet ist, wird die Gateentladungs-Kennlinie des zweiten Leistungs-MOSFET 2 nicht verschlechtert. Dies verhindert ein Ansteigen des Schaltverlusts zum Ausschaltzeitpunkt des zweiten Leistungs-MOSFET 2. Um auch in diesem Fall die Verluste am zweiten Leistungs-MOSFET 2 weiter zu verringern, wird die eingangs genannte kurze Zeitperiode vorzugsweise auf einige Zehntel Nanosekunden (ns) bis eine Mikrosekunde (μs) gesetzt. V_GS überschreitet während dieses Zeitraums die Schwellenspannung V_th vorzugsweise ungefähr um etwa 0,1 V.
Auf diese Weise arbeitet die Gateansteuerungseinrichtung 100 dieser bevorzugten Ausführungsform derart, dass, wenn entweder der erste Leistungs-MOSFET 1 oder der zweite Leistungs-MOSFET 2 ausgeschaltet wird und dann der andere mit einem vorbestimmten Zeitregime angeschaltet wird, der eine MOSFET zeitweise, in zeitlicher Übereinstimmung mit diesem Zeitregime, für einen vorbestimmten kurzen Zeitraum, diesen Zeitpunkt mit eingeschlossen, einschaltet. Das reduziert die Stoßspannung an dem einen Leistungs-MOSFET, die beim Einschalten des anderen Leistungs-MOSFET auftritt. Darüber hinaus kann ein Ansteigen des Schaltverlustes beim Abschalten des ersten Leistungs-MOSFET 1 und des zweiten Leistungs-MOSFET 2 verhindert werden, da zwischen dem OFF-Transistor 14 und dem Sourceanschluss 12 und zwischen dem OFF-Transistor 24 und dem Sourceanschluss 22 keine Diode geschaltet ist.
Die obige Beschreibung hat eine Anordnung aufgezeigt, in der die erste Steuerschaltung 16 den ON-Transistor 13 und den OFF-Transistor 14 mit getrennten Steuersignalen ansteuert. Allerdings können die zwei Transistoren auch durch dasselbe Steuersignal angesteuert werden. Auf ähnliche Weise kann die zweite Steuerschaltung 26 mit demselben Steuersignal den ON-Transistor 23 und den OFF-Transistor 24 ansteuern. Wie beispielsweise in 3 gezeigt, kann dies dadurch erreicht werden, dass der ON-Transistor 13 und der ON-Transistor 23 als npn-Transistoren und der OFF-Transistor 14 und der OFF-Transistor 24 als pnp-Transistoren ausgebildet werden. In diesem Fall steuert sowohl die erste Steuerschaltung 16 als auch die zweite Steuerschaltung 26 mit einem einzigen Steuersignal die zwei Transistoren gemäß einem sogenannten Push-Pull-System, wobei dabei die in 2 gezeigten Arbeitsschritte implementiert werden. Das verringert die Steuersignalwege der Gateansteuerungseinrichtung dieser bevorzugten Ausführungsform, was zu einer Vereinfachung der Schaltungsanordnung der Gateansteuerungseinrichtung beiträgt.
Ausführungsform 2
4 ist ein Diagramm, das die Anordnung einer Gateansteuerungseinrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt. Die Elemente in 4, die dieselbe Funktion aufweisen wie diejenigen aus 1, sind mit denselben Bezugszeichen darstellt und werden nicht wieder detailliert beschrieben.
In dieser bevorzugten Ausführungsform senden/empfangen die erste Treiberschaltung 10 und die zweite Treiberschaltung 20 gegenseitig Informationssignale, die das Zeitregime des Anschaltens der entsprechenden MOS-Transistoren anzeigen. Das heißt, dass die erste Steuerschaltung 16 in der ersten Treiberschaltung 10 ein Informationssignal über das Zeitregime des Anschaltens des ersten Leistungs-MOSFET 1 an die zweite Steuerschaltung 26 der zweiten Treiberschaltung 20 sendet und auch das Zeitregime des Anschaltens des zweiten Leistungs-MOSFET 2 aufgrund eines von der zweiten Steuerschaltung 26 empfangenen Informationssignals registriert. Auf ähnliche Weise sendet die zweite Steuerschaltung 26 der zweiten Treiberschaltung 20 ein Informationssignal über das Zeitregime des Anschaltens des zweiten Leistungs-MOSFET 2 an die erste Steuerschaltung 16 und registriert ebenfalls das Zeitregime des Anschaltens des ersten Leistungs-MOSFET 1 auf Basis des von der ersten Steuerschaltung 16 empfangenen Informationssignals.
Die Treiberschaltung 100 dieser Ausführungsform arbeitet im Prinzip wie in 2 dargestellt. Jedoch steuert die erste Steuerschaltung 16 den ON-Transistor 13 und den OFF-Transistor 14 auf Basis des von der zweiten Steuerschaltung 26 empfangenen Informationssignals und versetzt entsprechend des Zeitregimes des Anschaltens des zweiten Leistungs-MOSFET 2 den ersten Leistungs-MOSFET 1 zeitweilig (für ungefähr einige Zehntel Nanosekunden bis eine Mikrosekunde) in einen Einschaltzustand. Darüber hinaus steuert die zweite Steuerschaltung 26 den ON-Transistor 23 und den OFF-Transistor 24 auf Basis des von der ersten Steuerschaltung 16 empfangenen Informationssignals und versetzt den zweiten Leistungs-MOSFET 2 entsprechend des Zeitregimes des Anschaltens des ersten Leistungs-MOSFET 1 zeitweilig (für ungefähr einige Zehntel Nanosekunden bis eine Mikrosekunde) in einen Einschaltzustand.
Aufgrund der von ihnen empfangenen Signale legen auf diese Weise die erste Treiberschaltung 10 bzw. die zweite Treiberschaltung 20 die Zeitspanne fest, in der der erste Leistungs-MOSFET 1 und der zweite Leistungs-MOSFET 2 angeschaltet bleiben. Zusätzlich zu den Wirkungen der ersten Ausführungsform ermöglicht dies eine genauere und verbesserte Echtzeitsteuerung. Die Betriebssicherheit der Gateansteuerungseinrichtung 100 der Erfindung wird somit verbessert.
Wie in 5 gezeigt, können bei dieser Ausführungsform beispielsweise die ON-Transistoren 13 und 23 ebenfalls als npn-Transistoren und die OFF-Transistoren 14 und 24 als pnp-Transistoren ausgebildet sein, so dass sowohl die erste Steuerschaltung 16 als auch die zweite Steuerschaltung 26 die beiden Transistoren mit demselben Steuersignal steuern können. Es ist selbstverständlich, dass solch eine Anordnung wie in 2 dargestellt arbeiten kann. Dies reduziert die Steuersignalwege der Gateansteuerungseinrichtung dieser Ausführungsform, was zu einer Vereinfachung der Schaltungsanordnung der Gateansteuerungseinrichtung beiträgt.
Ausführungsform 3
6 ist ein Schaltbild, das die Gateansteuerungseinrichtung eines Leistungs-MOS-Transistors nach einer dritten Ausführungsform zeigt. In 6 haben die Komponenten, die dieselbe Funktion aufweisen wie diejenigen aus 1, dieselben Bezugzeichen.
In dieser bevorzugten Ausführungsform weist die erste Treiberschaltung 10 zum Betrieb des ersten Leistungs-MOSFET 1 zwischen dem Gateanschluss 11 und dem Sourceanschluss 12 den OFF-Transistor 14 auf, einen MOSFET 17 als ein drittes Schaltelement und einen Widerstand 18, welche zu dem OFF-Transistor 14 parallel geschaltet sind. Der MOSFET 17 und der Widerstand 18 sind miteinander in Reihe geschaltet. Ebenfalls weist sie den ON-Transistor 13 auf, der zwischen die Betriebsspannungsquelle 15 als einer ersten Spannungsquelle und den Gateanschluss 11 geschaltet ist. In dieser bevorzugten Ausführungsform steuert die erste Steuerschaltung 16 das An-/Ausschalten des ON-Transistors 13 und des OFF-Transistors 14 und den MOSFET 17. Die erste Steuerschaltung 16 hat darüber hinaus ein Funktion als eine zweite Spannungsquelle und steuert darüber hinaus das An-/Ausschalten einer vorbestimmten Ausgangsspannung G1. Der Ausgangsanschluss der Spannung G1 der ersten Steuerschaltung 16 ist mit dem Gateanschluss 11 verschaltet.
Wie aus 6 ersichtlich, ist die zweite Treiberschaltung 20 zum Betrieb des zweiten Leistungs-MOSFET 2 im wesentlichen genauso wie die erste Treiberschaltung 10 aufgebaut. Das heißt, dass die zweite Treiberschaltung 20 zwischen dem Gateanschluss 21 und dem Sourceanschluss 22 den OFF-Transistor 24, einen MOSFET 27 als ein drittes Schaltelement und einen Widerstand 28 aufweist, die mit dem OFF-Transistor 24 parallel geschaltet sind. Der MOSFET 27 und der Widerstand 28 sind miteinander in Reihe geschaltet. Ebenfalls weist sie den ON-Transistor 23 auf, der zwischen die Betriebsspannungsquelle 25 als einer ersten Spannungsquelle und den Gateanschluss 21 geschaltet ist. Die zweite Steuerschaltung 26 steuert das An-/Ausschalten des ON-Transistors 23 und des OFF-Transistors 24 und den MOSFET 27 und steuert darüber hinaus als eine zweite Spannungsquelle das An-/Ausschalten der vorbestimmten Ausgangsspannung G1. Der Ausgangsanschluss der Spannung G1 der zweiten Steuerschaltung 26 ist mit dem Gateanschluss 21 verschaltet.
Das Diagramm gemäß 7 wird dazu verwendet, um den Betrieb der Gateansteuerungseinrichtung 100 dieser Ausführungsform zu erläutern. Der Betrieb der Gateansteuerungseinrichtung 100 dieser Ausführungsform wird nun mit Bezug auf 7 beschrieben. Man beachte, dass die zweite Treiberschaltung 20 auf dieselbe Weise arbeitet, die Beschreibung sich aber zur Vereinfachung auf den Betrieb der ersten Treiberschaltung 10 konzentriert.
Wie in 7 dargestellt, schaltet in der ersten Treiberschaltung 10 zuerst die erste Steuerschaltung 16 den ON-Transistor 13 aus und den OFF-Transistor 14 an, woraufhin dann die Gate-Source-Spannung (V_GS) des ersten Leistungs-MOSFET 1 0 V erreicht und der erste Leistungs-MOSFET 1 somit ausschaltet. Da zwischen dem ON-Transistor 13 und der Source des ersten Leistungs-MOSFET 1 (dem Sourceanschluss 12) keine Diode geschaltet ist, fällt an diesem Punkt die Gate-Source-Spannung des ersten Leistungs- MOSFET 1 schnell auf 0 V ab. Dies verhindert einen erhöhten Schaltverlust zum Ausschaltzeitpunkt des ersten Leistungs-MOSFET 1.
Bevor der zweite Leistungs-MOSFET 2 einschaltet, schaltet anschließend die erste Steuerschaltung 16 den OFF-Transistor 14 aus und den MOSFET 17 ein und gibt die vorbestimmte Spannung G1 aus, wobei der ON-Transistor 13 ausgeschaltet verbleibt. Als Resultat erreicht die Gate-Source-Spannung (V_GS) des ersten Leistungs-MOSFET 1 die Spannung G1. Der Wert der Spannung G1 ist knapp unterhalt der Schwellenspannung V_th angesetzt, an der der erste Leistungs-MOSFET 1 einschaltet.
Danach legt die zweite Treiberschaltung 20 die Betriebsspannung zwischen Gate und Source des zweiten Leistungs-MOSFET 2 nach dem vorbestimmten Zeitregime an, um diesen anzuschalten. Aufgrund des Einflusses einer Stromschwankung (di/dt), die in der Wechselrichterschaltung auftritt, wenn der zweite Leistungs-MOSFET 2 anschaltet, tritt an diesem Punkt eine Spannungsänderung zwischen Gate und Source des ersten Leistungs-MOSFET 1 auf, wie dies in 7 gezeigt ist, was zu einem zeitweisen Übersteig der Gate-Source-Spannung des ersten Leistungs-MOSFET 1 über die Schwellenspannung V_th führt, wobei der erste Leistungs-MOSFET 1 während dieser Zeitspanne in einen Einschaltzustand versetzt wird. Als Konsequenz hiervon schaltet zum selben Zeitpunkt, zu dem der zweite Leistungs-MOSFET 2 anschaltet, die erste Treiberschaltung 10 den ersten Leistungs-MOSFET 1 zeitweise ein. Folglich fließt der beim Einschalten des zweiten Leistungs-MOSFET 2 entstehende Freilaufstrom nicht in den parasitären Diodenteil des ersten Leistungs-MOSFET 1, sondern in dessen Transistorteil, wodurch die zwischen Source und Drain des ersten Leistungs-MOSFET 1 auftretende Stoßspannung reduziert wird.
Die zweite Treiberschaltung 20 arbeitet so, dass der zweite Leistungs-MOSFET 2 zum Einschaltzeitpunkt des ersten Leistungs-MOSFET 1 zeitweilig einschaltet. Wie zuvor erwähnt, ist sein Arbeitsablauf identisch zu dem der ersten Treiberschaltung 10 und wird daher nicht beschrieben.
Somit arbeitet die Gateansteuerungseinrichtung 100 dieser bevorzugten Ausführungsform derart, dass, wenn entweder der erste Leistungs-MOSFET 1 oder der zweite Leistungs-MOSFET 2 ausgeschaltet wird und dann der andere mit einem vorbestimmten Zeitregime angeschaltet wird, der eine, zuvor genannte MOSFET zeitweise für einen vorbestimmten kurzen Zeitraum, der mit diesem Zeitregime zeitlich übereinstimmt, in einen Einschaltzustand versetzt wird. Das reduziert die auf den einen Leistungs-MOSFET aufgebrachte Stoßspannung beim Einschalten des anderen MOSFET. Da der eine MOSFET zeitweise durch die Ausnutzung eines Einflusses einer durch das Einschalten des anderen MOSFET verursachten Stromschwankung einschaltet, kann die Betriebssteuerung akkurat und in Echtzeit erfolgen, ohne dass das Zeitregime des Anschaltens des anderen MOSFET registriert werden muss, wie dies in der zweiten Ausführungsform erläutert wurde.
Darüber hinaus können Erhöhungen des Schaltverlusts beim Ausschalten des ersten Leistungs-MOSFET 1 und des zweiten Leistungs-MOSFET 2 verhindert werden, da zwischen dem OFF-Transistor 14 und dem Sourceanschluss 12 und zwischen dem OFF-Transistor 24 und dem Sourceanschluss 22 keine Diode geschaltet ist.
Ausführungsform 4
In der dritten Ausführungsform ist beispielsweise der erste Leistungs-MOSFET 1 in zeitlicher Übereinstimmung mit dem Zeitregime des Anschaltens des zweiten Leistungs-MOSFET 2 nur für einen sehr kurzen Zeitraum angeschaltet. Wie jedoch in 7 sichtbar ist, wird zwischen Gate und Source des ersten Leistungs-MOSFET 1 die Spannung G1 für einen Zeitraum angelegt, der erheblich länger ist als dieser kurze Zeitraum. Die Spannung G1 liegt etwas unter der Schwellenspannung V_th. Durch diese Einstellungen überschreiten die Gate-Source-Spannungen des ersten Leistungs-MOSFET 1 und des zweiten Leistungs-MOSFET 2 die Schwellenspannung V_th aufgrund eines Einflusses einer in der Wechselrichterspannung auftretenden Stromschwankung, wobei die in 7 gezeigten Arbeitsschritte ausgeführt werden. Während den Zeiträumen, in denen die Spannung G1 zwischen Gate und Source anliegt, neigt jedoch die Gate-Source-Spannung dazu, die Schwellen spannung V_th auch infolge von Rauschen zu überschreiten; das heißt, der erste Leistungs-MOSFET 1 und der zweite Leistungs-MOSFET 2 neigen zur Fehlfunktion.
8 ist ein Diagramm, das dazu verwendet wird, den Betrieb einer Gateansteuerungseinrichtung 100 gemäß der vierten Ausführungsform zu beschreiben. Der Betrieb der Gateansteuerungseinrichtung 100 dieser Ausführungsform wird nun mit Bezug auf 8 beschrieben. Obgleich sich die Beschreibung der Einfachheit halber auf den Betrieb der ersten Treiberschaltung 10 konzentriert, arbeitet die zweite Treiberschaltung 20 auf dieselbe Weise. Der Aufbau der Gateansteuerungseinrichtung 100 dieser bevorzugten Ausführungsform ist derselbe wie er in 6 dargestellt ist und wird hier nicht wieder beschrieben.
Wie in 8 gezeigt, schaltet als erstes in der ersten Treiberschaltung 10 die erste Steuerschaltung 16 den ON-Transistor 13 aus und den OFF-Transistor 14 an, die Gate-Source-Spannung (V_GS) des ersten Leistungs-MOSFET 1 fällt dann schnell auf 0 V und der erste Leistungs-MOSFET 1 schaltet somit ab. Anschließend legt die zweite Treiberschaltung 20 die Betriebsspannung zwischen Gate und Source des zweiten Leistungs-MOSFET 2 mit einem vorbestimmten Zeitregime an.
Dann schaltet die erste Steuerschaltung 16 in der ersten Treiberschaltung 10 zeitweilig mit dem selben Zeitregime den MOSFET 17 an und den OFF-Transistor 14 aus (der ON-Transistor 13 bleibt ausgeschaltet) und produziert die vorbestimmte Spannung G1. Die Spannung G1 wird somit zwischen Gate und Source des ersten Leistungs-MOSFET 1 angelegt. Die Spannung G1 ist etwas geringer als die Schwellenspannung V_th eingestellt bei der der erste Leistungs-MOSFET 1 anschaltet. Aufgrund des Einflusses einer Stromschwankung (di/dt), die in der Wechselrichterschaltung stattfindet, wenn der zweite Leistungs-MOSFET 2 angeschaltet wird, variiert jedoch die Gate-Source-Spannung des ersten Leistungs-MOSFET 1 mit der Spannung G1, wie dies in 8 dargestellt ist, und überschreitet zeitweise die Schwellenspannung V_th, wobei der erste Leistungs-MOSFET 1 während dieser Zeit in einen Einschaltzustand versetzt wird.
Das Ergebnis ist, dass die erste Treiberschaltung 10 zeitweilig den ersten Leistungs-MOSFET 1 zum selben Zeitpunkt einschaltet zu dem auch der zweite Leistungs-MOSFET 2 einschaltet. Dies verringert wie bei der dritten Ausführungsform die zwischen Source und Drain des ersten Leistungs-MOSFET 1 auftretende Stoßspannung.
Die zweite Treiberschaltung 20 arbeitet so, dass der zweite Leistungs-MOSFET 2 zur selben Zeit zeitweise einschaltet, zu der auch der erste Leistungs-MOSFET 1 einschaltet. Wie eingangs erwähnt, ist dessen Betriebsweise die selbe wie die der ersten Treiberschaltung 10 und wird hier nicht wieder beschrieben.
Wenn einer der beiden ersten und zweiten Leistungs-MOSFETs 1 und 2 ausgeschaltet ist und dann der andere mit einem vorbestimmten Zeitregime angeschaltet wird, legt folglich die Gateansteuerungseinrichtung 100 dieser Ausführungsform nur für einen kurzen Zeitraum, der mit diesem vorbestimmten Zeitregime zeitlich synchron läuft, eine vorbestimmte Spannung G1 zwischen Gate und Source des einen MOSFET an, so dass dieser eine MOSFET zeitweise in einen Einschaltzustand versetzt wird.
Das heißt, dass die Länge von Zeiträumen verringert wird, in der die vorbestimmte Spannung G1 zwischen Gate und Source des einen MOSFET anliegt (die Zeiträume, in denen Funktionsstörungen infolge Rauschen entstehen können), was die Rauschwiderstandsfähigkeit der Gateansteuerungseinrichtung 100, verglichen mit der der dritten Ausführungsform verbessert. Dies verringert ebenfalls den Energieverbrauch des Betriebs der Gateansteuerungseinrichtung 100. Weiter ist es überflüssig zu erwähnen, dass, wie in der dritten Ausführungsform, die am ersten Leistungs-MOSFET 1 und am zweiten Leistungs-MOSFET 2 anliegende Stoßspannung reduziert werden kann.
Auch bei dieser bevorzugten Ausführungsform können die erste Treiberschaltung 10 und die zweite Treiberschaltung 20 wie in 9 dargestellt so aufgebaut werden, dass sie gegenseitig Informationssignale senden/empfangen, welche das Zeitregime des An-/Ausschaltens des entsprechenden MOS-Transistors anzeigen. Wie in der zweiten Ausführungsform legen dann die erste Treiberschaltung 10 bzw. die zweite Treiberschaltung 20 auf Basis der empfangenen Informationssignale die Zeiträume fest, in denen der erste Leistungs-MOSFET 1 und der zweite Leistungs-MOSFET 2 eingeschaltet bleiben. Dies ermöglicht eine genauere und bessere Echtzeitsteuerung. Die Betriebssicherheit der Gateansteuerungseinrichtung 100 dieser Erfindung wird somit verbessert.
Ausführungsform 5
10 zeigt ein Schaltbild, das den Aufbau einer Gateansteuerungseinrichtung eines Leistungs-MOS-Transistors gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung zeigt. Die Bauteile, die dieselbe Funktion haben wie die aus 1, weisen dieselben Bezugszeichen auf.
Bei dieser bevorzugten Ausführungsform weist die erste Treiberschaltung 10 zum Ansteuern des ersten Leistungs-MOSFET 1 zwischen dem Gateanschluss 11 und dem Sourceanschluss 12 den OFF-Transistor 14 auf und den MOSFET 17, als ein drittes Schaltelement, und den Widerstand 18, welche mit dem OFF-Transistor 14 parallel geschaltet sind. Der MOSFET 17 und der Widerstand 18 sind miteinander in Reihe geschaltet. Außerdem ist der ON-Transistor 13 und ein mit diesem in Reihe geschalteter Widerstand 19 zwischen die Betriebsspannungsquelle 15 und den Gateanschluss 11 geschaltet. Bei dieser Ausführungsform steuert die erste Steuerschaltung 16 das An-/Ausschalten des ON-Transistors 13 und des OFF-Transistors 14 und den MOSFET 17.
Wie aus 10 ersichtlich, ist die zweite Treiberschaltung 20 zum Ansteuern des zweiten Leistungs-MOSFET 2 im wesentlichen genauso wie die erste Treiberschaltung 10 aufgebaut. Das heißt, dass die zweite Treiberschaltung 20 zwischen dem Gateanschluss 21 und dem Sourceanschluss 22 den OFF-Transistor 24, den MOSFET 27 als ein drittes Schaltelement und den Widerstand 28 aufweist, die mit dem OFF-Transistor 24 parallel geschaltet sind. Der MOSFET 27 und der Widerstand 28 sind miteinander in Reihe verschaltet. Außerdem ist der ON-Transistor 23 und ein mit diesem in Reihe geschalteter Widerstand 29 zwischen die Betriebsspannungsquelle 25 und den Gate anschluss 21 geschaltet. Die zweite Steuerschaltung 26 steuert das An-/Ausschalten des MOSFET 27 wie auch das des ON-Transistors 23 und des OFF-Transistors 24.
11 ist ein Diagramm, das dazu verwendet wird, den Betrieb der Gateansteuerungseinrichtung 100 dieser Ausführungsform zu beschreiben. Der Betrieb der Gateansteuerungseinrichtung 100 wird nun mit Bezug auf 11 beschrieben. Man beachte, dass sich zur Vereinfachung die Beschreibung auf den Betrieb der ersten Treiberschaltung 10 konzentriert, die zweite Treiberschaltung 20 allerdings genauso arbeitet.
Wie in 11 gezeigt, schaltet in der ersten Treiberschaltung 10 zuerst die erste Steuerschaltung 16 den ON-Transistor 13 aus und den OFF-Transistor 14 an; die Gate-Source-Spannung (V_GS) des ersten Leistungs-MOSFET 1 erreicht 0 V und der erste Leistungs-MOSFET 1 schaltet somit ab. Da zwischen dem ON-Transistor 13 und der Source-Elektrode des ersten Leistungs-MOSFET 1 (dem Sourceanschluss 12) keine Diode geschaltet ist, fällt die Gate-Source-Spannung des ersten Leistungs-MOSFET 1 an diesem Punkt schnell auf 0 V ab. Dies verhindert ein Ansteigen des Schaltverlustes zum Ausschaltzeitpunkt des ersten Leistungs-MOSFET 1.
Anschließend schaltet die erste Steuerschaltung 16, bevor der zweite Leistungs-MOSFET 1 anschaltet, den ON-Transistor 13 und den MOSFET 17 an und den OFF-Transistor 14 aus. Als Resultat erreicht die Gate-Source-Spannung (V_GS) des ersten Leistungs-MOSFET 1 eine Spannung G2, die ein Bruchteil der durch die Widerstände 18 und 19 aufgeteilten Betriebsspannung der Betriebsspannungsquelle 15 bezogen auf den Sourceanschluss 12 ist. Die Widerstandswerte der Widerstände 18 und 19 sind so gesetzt, dass die Spannung G2 knapp unter der Schwellenspannung V_th liegt, bei der der erste Leistungs-MOSFET 1 einschaltet.
Danach legt die zweite Treiberschaltung 20 die Betriebsspannung zwischen Gate und Source des zweiten Leistungs-MOSFET 2 mit einem vorbestimmten Zeitregime an, so dass dieser angeschaltet wird. Durch den Einfluss einer Stromschwankung (di/dt), die in der Wechselrichterschaltung beim Anschal ten auftritt, tritt, wie in 11 gezeigt, zu diesem Zeitpunkt eine Spannungsschwankung zwischen Gate und Source des ersten Leistungs-MOSFET 1 auf; die Gate-Source-Spannung überschreitet zeitweilig die Schwellenspannung V_th, wobei der erste Leistungs-MOSFET 1 während dieser Zeit in einen Einschaltzustand versetzt wird.
Das bedeutet, dass als Konsequenz die erste Treiberschaltung 10 den ersten Leistungs-MOSFET 1 zeitweilig zur selben Zeit einschaltet, zu der der zweite Leistungs-MOSFET 2 anschaltet. Folglich fließt der beim Anschalten des zweiten Leistungs-MOSFET 2 auftretende Freilaufstrom nicht in den parasitären Diodenteil des ersten Leistungs-MOSFET 1, sondern in dessen Transistorteil, wobei die zwischen Source und Drain des ersten Leistungs-MOSFET 1 auftretende Stoßspannung reduziert wird.
Die zweite Treiberschaltung 20 arbeitet derart, dass der zweite Leistungs-MOSFET 2 zeitweilig zu dem Zeitpunkt angeschaltet wird, zu dem der erste Leistungs-MOSFET 1 einschaltet. Wie eingangs erwähnt arbeitet diese wie die erste Treiberschaltung 10 und wird hier nicht wieder beschrieben.
Die Gateansteuerungseinrichtung 100 dieser Ausführungsform arbeitet auf diese Art derart, dass, wenn einer der beiden ersten und zweiten Leistungs-MOSFETs 1 und 2 ausgeschaltet ist und dann der andere mit einem vorbestimmten Zeitregime angeschaltet wird, der zuvor genannte MOSFET zeitweilig für einen vorbestimmten kurzen Zeitraum, der mit diesem Zeitregime zeitlich übereinstimmt, in einen Einschaltzustand versetzt wird. Dies reduziert die Stoßspannung, die an dem einen Leistungs-MOSFET anliegt, wenn der andere MOSFET anschaltet. Da außerdem der eine MOSFET zeitweilig unter Ausnutzung des Einflusses einer beim Einschalten des anderen MOSFET auftretenden Stromschwankung anschaltet, kann die Betriebssteuerung genau und in Echtzeit erfolgen, ohne dass es nötig ist, das Zeitregime des Anschaltens des anderen MOSFET zu überwachen, wie dies beispielsweise in der zweiten Ausführungsform erläutert wird.
Während bei der vierten Ausführungsform die erste Treiberschaltung 10 und die zweite Treiberschaltung 20 jeweils eine erste und zweite Spannungsquel le benötigen, brauchen die erste und die zweite Treiberschaltung 10 und 20 dieser bevorzugten Ausführungsform jeweils eine einzelne Spannungsquelle (die Betriebsspannungsquellen 15 und 25). Dies dient der Vereinfachung des Schaltungsaufbaus der Ansteuerungseinrichtung.
Außerdem kann, wie in 12 gezeigt, beispielsweise jede der beiden ersten und zweiten Steuerschaltungen 16 und 26 derart konfiguriert sein, die zwei Transistoren mit einem einzigen Steuersignal anzusteuern, wobei der ON-Transistor 13 und der ON-Transistor 23 als npn-Transistoren und der OFF-Transistor 14 und der OFF-Transistor 24 als pnp-Transistoren ausgebildet sind. Auch solch eine Zusammenstellung kann die in 11 dargestellten Arbeitsschritte durchführen. Dies verringert die Steuersignalwege und führt darüber hinaus zu einer Vereinfachung der Schaltungsanordnung der Gateansteuerungseinrichtung.
Ausführungsform 6
In der fünften bevorzugten Ausführungsform ist die Spannung G2 etwas unterhalb der Schwellenspannung V_th angesetzt. Durch diese Einstellung überschreiten die Gate-Source-Spannungen des ersten Leistungs-MOSFET 1 und des zweiten Leistungs-MOSFET 2 die Schwellenspannung V_th durch den Einfluss einer Stromschwankung in der Wechselrichterschaltung, wobei die in 11 dargestellten Arbeitsschritte durchgeführt werden. Während der Zeiträume in denen die Spannung G2 zwischen Gate und Source anliegt, neigen der erste Leistungs-MOSFET 1 und der zweite Leistungs-MOSFET 2 dennoch zur Fehlfunktion aufgrund Rauschen.
13 ist ein Diagramm, das dazu verwendet wird, den Betrieb der Gateansteuerungseinrichtung 100 dieser Ausführungsform zu beschreiben. Der Betrieb der Gateansteuerungseinrichtung 100 dieser bevorzugten Ausführungsform wird nun mit Bezug auf 13 beschrieben. Zur Vereinfachung konzentriert sich die Beschreibung auf den Betrieb der ersten Treiberschaltung 10, wobei die zweite Treiberschaltung 20 auf dieselbe Weise arbeitet. Der Aufbau der Gateansteuerungseinrichtung 100 dieser bevorzugten Ausfüh rungsform entspricht der in 10 gezeigten und wird hier nicht wieder beschrieben.
Wie in 13 gezeigt, schaltet in der ersten Treiberschaltung 10 die erste Steuerschaltung 16 zuerst den ON-Transistor 13 aus und den OFF-Transistor 14 an; die Gate-Source-Spannung (V_GS) des ersten Leistungs-MOSFET 1 fällt dann schnell auf 0 V ab und der erste Leistungs-MOSFET 1 schaltet dadurch aus. Anschließend legt die zweite Treiberschaltung 20 die Betriebsspannung zwischen Gate und Source des zweiten Leistungs-MOSFET 2 entsprechend des vorbestimmten Zeitregimes an, wodurch dieser angeschaltet wird.
Mit dem selben Zeitregime schaltet dann die erste Steuerschaltung 16 in der ersten Treiberschaltung 10 zeitweilig den ON-Transistor 13 und den MOSFET 17 an und den OFF-Transistor 14 aus. Als Resultat liegt eine Spannung G2 zwischen Gate und Source des ersten Leistungs-MOSFET 1 an, wobei die Spannung G2 ein Bruchteil der durch die Widerstände 18 und 19 aufgeteilten Betriebsspannung der Betriebsspannungsquelle 15 bezogen auf den Sourceanschluss 12 ist. Auch hier wird die Spannung G2 etwa geringer als die Schwellenspannung V_th eingestellt. Wegen des Einflusses einer Stromschwankung (di/dt), die beim Einschalten des zweiten Leistungs-MOSFET 2 in der Wechselrichterschaltung auftritt, wird, wie in 13 gezeigt, die Gate-Source-Spannung des ersten Leistungs-MOSFET 1 dennoch größer als die Spannung G2, und überschreitet zeitweilig die Schwellenspannung V_th, wobei der erste Leistungs-MOSFET 1 während dieses Zeitraums in einen Einschaltzustand versetzt wird.
Das heißt, als Resultat schaltet die erste Treiberschaltung 10 zeitweise den ersten Leistungs-MOSFET 1 zur gleichen Zeit ein, zu der der zweite Leistungs-MOSFET 2 einschaltet. Wie schon in der fünften Ausführungsform verringert dies die zwischen Source und Drain des ersten Leistungs-MOSFET 1 auftretende Stoßspannung.
Die zweite Treiberschaltung 20 arbeitet derart, dass der zweite Leistungs-MOSFET 2 zur selben Zeit wie der erste Leistungs-MOSFET 1 zeitweilig an schaltet. Wie bereits eingangs erwähnt, sind dessen Arbeitsschritte dieselben wie die der ersten Treiberschaltung 10 und hier nicht näher erwähnt.
Wenn einer der beiden ersten oder zweiten Leistungs-MOSFETs 1 und 2 ausgeschaltet ist und dann der andere mit einem vorbestimmten Zeitregime angeschaltet wird, legt die Gateansteuerungseinrichtung 100 dieser Ausführungsform, wie oben gezeigt, nur für einen kurzen Zeitraum, der mit diesem vorbestimmten Zeitregime zeitlich übereinstimmt, eine vorbestimmte Spannung G2 zwischen Gate und Source des zuvor genannten einen MOSFET an, so dass dieses eine MOSFET zeitweise in einen Einschaltzustand versetzt wird.
Das heißt, dass die Zeiträume minimiert sind, in denen die vorbestimmte Spannung G2 zwischen Gate und Source des einen MOSFET anliegt (das sind die Zeiträume, in denen Fehlfunktionen aufgrund von Rauschen möglich sind), was den Rauschwiderstand der Gateansteuerungseinrichtung im Vergleich zu der fünften Ausführungsform verbessert. Dies verringert auch den Energieverbrauch während des Betriebs der Gateansteuerungseinrichtung 100. Darüber hinaus ist es unnötig zu erwähnen, dass die am ersten Leistungs-MOSFET 1 und am zweiten Leistungs-MOSFET 2 anliegenden Stoßspannungen wie bei der fünften Ausführungsform reduziert werden können.
Auch bei dieser Ausführungsform können die erste Treiberschaltung 10 und die zweite Treiberschaltung 20 so aufgebaut werden, dass sie, wie in 14 gezeigt, Informationssignale gegenseitig senden/empfangen, die das Zeitregime des Anschaltens des entsprechenden MOS-Transistors anzeigen. Wie in der zweiten Ausführungsform legen dann die erste Treiberschaltung 10 bzw. die zweite Treiberschaltung 20 auf Basis der von ihnen empfangenen Informationssignale den Zeitraum fest, während dem der ersten Leistungs-MOSFET 1 und der zweite Leistungs-MOSFET 2 eingeschaltet bleiben. Dies ermöglicht genauere und eher echtzeitartige Ansteuerung. Somit wird die Betriebssicherheit bzw. Zuverlässigkeit der Gateansteuerungseinrichtung 100 der Erfindung verbessert.
Obwohl die Erfindung detailliert beschrieben wurde, wirkt die vorhergehende Beschreibung in allen Punkten erläuternd und nicht einschränkend. Es ist selbstverständlich, dass zahlreiche andere Modifikationen und Abänderungen erdacht werden können, ohne sich dabei vom Geltungsbereich der Erfindung zu entfernen.

Claims

Gateansteuerungseinrichtung (100) zum Ansteuern einer Wechselrichterschaltung mit einem ersten und einem zweiten miteinander in Reihe geschalteten MOS-Transistor (1, 2), mit einer ersten Treiberschaltung (10) zum Ansteuern des ersten MOS-Transistors (1), und einer zweiten Treiberschaltung (20) zum Ansteuern des zweiten MOS-Transistors (1, 2), dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Treiberschaltung (10, 20) so arbeiten, dass, wenn sich einer der beiden MOS-Transistoren (1, 2) im ausgeschalteten Zustand befindet, während der andere MOS-Transistor nachfolgend gemäß einer vorbestimmten Taktung aus dem ausgeschalteten in den eingeschalteten Zustand geschaltet wird, dem einen MOS-Transistors eine vorbestimmte Spannung (G1) angelegt wird, bevor der andere MOS-Transistor aus dem ausgeschalteten in den eingeschalteten Zustand geschaltet wird, die knapp unterhalb dessen Schwellenspannung (Vth) liegt, so dass die Gate-Source-Spannung des einen MOS-Transistors aufgrund einer Stromschwankung, die in der Wechselrichterschaltung aufgrund des Einschalten des anderen MOS-Transistors stattfindet, die Schwellenspannung des einen MOS-Transistors überschreitet und den einen MOS-Transistor zeitweilig zum selben Zeitpunkt einschaltet, zu dem der andere MOS-Transistor einschaltet.
Gateansteuerungseinrichtung (100) gemäß Anspruch 1, wobei dem einen MOS-Transistor die vorbestimmte Spannung angelegt wird von einem Zeitpunkt, bevor der andere MOS-Transistor aus dem ausgeschalteten in den eingeschalteten Zustand geschaltet wird, bis zu einem Zeitpunkt, bei dem der eine MOS-Transistor gemäß der vorbestimmten Taktung nach Ausschalten des anderen MOS-Transistors eingeschaltet wird.
Gateansteuerungseinrichtung (100) zum Ansteuern einer Wechselrichterschaltung mit einem ersten und einem zweiten miteinander in Reihe geschalteten MOS-Transistor (1, 2), mit einer ersten Treiberschaltung (10) zum Ansteuern des ersten MOS-Transistors (1), und einer zweiten Treiberschaltung (20) zum Ansteuern des zweiten MOS-Transistors (2), dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Treiberschaltung (10, 20) so arbeiten, dass, wenn sich einer der beiden MOS-Transistoren (1, 2) im ausgeschalteten Zustand befindet, während der andere MOS-Transistor nachfolgend gemäß einer vorbestimmten Taktung aus dem ausgeschalteten in den eingeschalteten Zustand geschaltet wird, dem einen MOS-Transistor eine vorbestimmte Spannung (G1), die knapp unterhalb dessen Schwellenspannung (Vth) liegt, mit derselben Taktung, mit der der andere MOS-Transistor aus dem ausgeschalteten in den eingeschalteten Zustand geschaltet wird, zeitweilig angelegt wird, so dass die Gate-Source-Spannung des einen MOS-Transistors aufgrund einer Stromschwankung, die in der Wech selrichterschaltung aufgrund des Einschalten des anderen MOS-Transistors stattfindet, die Schwellenspannung des einen MOS-Transistors überschreitet und den einen MOS-Transistor zeitweilig zum selben Zeitpunkt einschaltet, zu dem der andere MOS-Transistor einschaltet.
Gateansteuerungseinrichtung (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jede der ersten und zweiten Treiberschaltung (10, 20) Folgendes aufweist: erste und zweite Anschlüsse (11, 12, 21, 22), die mit einem Gate bzw. einer Source des entsprechenden MOS-Transistors verschaltbar sind, eine erste Spannungsquelle (15, 25) zum Bereitstellen einer Betriebsspannung zum Ansteuern des entsprechenden MOS-Transistors, eine zweite Spannungsquelle (G1), die mit dem ersten Anschluss (11, 21) geschaltet ist, zum Bereitstellen der vorbestimmten Spannung, ein erstes Schaltelement (13, 23), das zwischen die erste Spannungsquelle (15, 25) und den ersten Anschluss (11, 21) geschaltet ist, ein zweites Schaltelement (14, 24), das zwischen den ersten Anschluss (11, 21) und den zweiten Anschluss (12, 22) geschaltet ist, ein drittes Schaltelement (17, 27) und einen Widerstand (18, 28), welche beide miteinander in Reihe und parallel zu dem zweiten Schaltelement (14, 24) geschaltet sind, und eine Steuerschaltung (16, 26) zum Steuern des ersten, zweiten und dritten Schaltelements (13, 14, 17, 23, 24, 27) und der zweiten Spannungsquelle (G1), wobei die Steuerschaltung (16, 26), die in einer der ersten und zweiten den MOS-Transistor ansteuernden Treiberschaltung (10, 20) vorgesehen ist, während eines vorbestimmten Zeitraums, der mit der vorbestimmten Taktung syn chronisiert ist, das erste und das zweite Schaltelement (13, 14, 23, 24) in einen Ausschaltzustand und das dritte Schaltelement (17, 27) in einen Einschaltzustand bringt und die vorbestimmte Spannung der zweiten Spannungsquelle (G1) an den ersten Anschluss (11, 21) anlegt.
Gateansteuerungseinrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei jede der ersten und zweiten Treiberschaltungen (10, 20) Folgendes aufweist: erste und zweite Anschlüsse (11, 12, 21, 22), die mit dem Gate bzw. der Source des betreffenden MOS-Transistors verschaltbar sind, eine Spannungsquelle (15, 25) zum Bereitstellen einer Betriebsspannung zum Ansteuern des MOS-Transistors, ein erstes Schaltelement (13, 23) und einen ersten Widerstand (19, 29), der zwischen der Spannungsquelle (15, 25) und dem ersten Anschluss (11, 21) geschaltet ist und die miteinander in Reihe geschaltet sind, ein zweites Schaltelement (14, 24), das zwischen den ersten Anschluss (11, 21) und den zweiten Anschluss (12, 22) geschaltet ist, ein drittes Schaltelement (17, 27) und einen zweiten Widerstand (18, 28), welche beide miteinander in Reihe und parallel zu dem zweiten Schaltelement (14, 24) geschaltet sind, und eine Steuerschaltung (16, 26) zum Steuern des ersten, zweiten und dritten Schaltelements (13, 14, 17, 23, 24, 27), wobei die Steuerschaltung (16, 26), die in einer der ersten und zweiten den MOS-Transistor ansteuernden Treiberschaltung (10, 20) vorgesehen ist, während eines vorbestimmten Zeitraums, der mit der vorbestimmten Taktung synchronisiert ist, das erste und das dritte Schaltelement (13, 17, 23, 27) in einen Einschaltzustand und das zweite Schaltelement (14, 24) in einen Ausschaltzustand bringt.
Gateansteuerungseinrichtung (100) gemäß Anspruch 5, wobei die Steuerschaltung (16, 26) das erste und zweite Schaltelement (13, 14, 23, 24) mit demselben Steuersignal ansteuert.
Gateansteuerungseinrichtung (100) gemäß Anspruch 4, 5 oder 6, wobei sowohl die erste als auch die zweite Treiberschaltung (10, 20) dazu fähig ist, Informationssignale über die Taktung des An-/Ausschaltens des betreffenden MOS-Transistors zu senden und zu empfangen und den vorbestimmten Zeitraum auf Basis dieser empfangenen Informationssignale festzusetzen.