DE19508685A1 - Current control module for load circuit having several parallel-connected power semiconductors - Google Patents

Current control module for load circuit having several parallel-connected power semiconductors

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Abstract

The current control module is operated in linear fashion and contains several parallel connected power semiconductors (20-22). The load circuit of each power semiconductor contains an actual current sensor (6), e.g. a Hall sensor. Each power semiconductor has an associated difference amplifier (7) which receives a demand current signal and the actual current signal. The difference of these two signals is amplified by a factor in the difference amplifier and fed to the corresp. power semiconductor as a control signal. The difference amplifier can selectively have integral and/or differential properties.

Description

Die Erfindung betrifft ein linear betriebenes Stromsteuermo­ dul für einen Laststromkreis mit mehreren parallel geschal­ teten Leistungshalbleitern des Stromsteuermoduls.The invention relates to a linearly operated current control valve dul for a load circuit with several formworks in parallel Power semiconductors of the current control module.

Linear gesteuerter Halbleiter, wie bipolare Transistoren, MOSFETs, IGBTs und ähnliche, werden immer mehr auch in Hochleistungsanwendungen eingesetzt. Typische Beispiele sind Verstärker oder linear geregelte Netzteile. Häufig reicht die durch die Chipgröße und Gehäuse vorgegebene maximale Verlustleistung bzw. Strombelastbarkeit eines Einzelhalbleiters nicht für solche Anwendungen aus. Daher kann es notwendig sein, mehrere solche Leistungshalbleiter parallel zu schalten.Linear controlled semiconductors like bipolar transistors MOSFETs, IGBTs and the like are increasingly being used in High performance applications used. Typical examples are amplifiers or linearly regulated power supplies. Frequently the range specified by the chip size and housing is sufficient maximum power loss or current carrying capacity of a Single semiconductors are not suitable for such applications. Therefore it may be necessary to use several such power semiconductors to connect in parallel.

Bei einer solchen Parallelschaltung treten schwerwiegende technische Probleme auf. Wären alle Halbleiter identisch aufgebaut und wäre die Schaltungsanordnung absolut symme­ trisch, so ergäbe sich eine symmetrische Strom- bzw. Lei­ stungsverteilung auf alle Halbleiter. In der Praxis ergibt sich durch fertigungsbedingte Toleranzen eine nicht ver­ nachlässigbare Streuung wichtiger Parameter wie z. B. der Basis-Ermitterspannung, der Gate-Source-Schwellspannung, der Stromverstärkung und der Steilheit. Damit ergäben sich bei einfacher Parallelschaltung mehrerer Halbleiter unter­ schiedliche Einsatzpunkte der Stromführung, sowie bei höherer Aussteuerung starke Abweichungen in den einzelnen Transistorströmen. Es wurden hier Toleranzen aus Halblei­ tern des gleichen Fertigungsloses von bis zu 50% gemessen. Werden in einer solchen Parallelschaltung Transistoren un­ terschiedlicher Fertigungslose oder sogar unterschiedlicher Hersteller eingesetzt, so kann dies zu einer weitaus höher­ en Fehlverteilung führen.With such a parallel connection, serious problems occur technical problems. If all semiconductors were identical built and the circuit arrangement would be absolutely symme trisch, there would be a symmetrical current or Lei distribution of power to all semiconductors. In practice results not tolerate due to manufacturing tolerances negligible spread of important parameters such. B. the Base emitter voltage, the gate-source threshold voltage, the current gain and the slope. This would result with simple parallel connection of several semiconductors different application points of the current supply, as well as at higher levels of variation in the individual Transistor currents. There were tolerances from half lead measured in the same production lot of up to 50%. Are transistors in such a parallel connection un  different production lots or even different ones Manufacturers used, so this can be much higher lead misalignment.

Eine derart starke Fehlverteilung des Stromes kann zur vor­ zeitigen Zerstörung einzelner Halbleiter führen, während andere Halbleiter nur minimal belastet sind. Um dieser Zerstörung vorzubeugen, werden üblicherweise die folgenden Maßnahmen angewendet: Einsatz von Halbleitern des gleichen Herstellers und des gleichen Fertigungsloses, Selektierung der Halbleiter, Überdimensionierung der Halbleiterstufe, so daß bei maximaler Abweichung noch keine Überlastung auf­ tritt, Einsatz von aktiven und passiven Schaltungsmaßnah­ men, z. B. Gegenkopplung, zur Reduzierung der Steilheit. All diese Maßnahmen sind zeitaufwendig und teuer, z. B. bei der Selektierung, und bringen logistische Probleme, z. B. bei der Bereitstellung eines Fertigungsloses oder bei der Bin­ dung an den Hersteller, mit sich oder verschlechtern, z. B. bei der Gegenkopplung, die elektrischen Eigenschaften.Such a strong distribution of the current can lead to lead to premature destruction of individual semiconductors while other semiconductors are only minimally loaded. To this Preventing destruction are usually the following Measures applied: use of semiconductors of the same Manufacturer and the same production lot, selection the semiconductor, oversizing the semiconductor stage, so that at maximum deviation there is still no overload occurs, use of active and passive circuit measures men, e.g. B. negative feedback, to reduce the slope. Alles these measures are time consuming and expensive, e.g. B. at the Selection, and bring logistical problems, e.g. B. at the provision of a production lot or at the bin to the manufacturer, with itself or deteriorate, e.g. B. in the negative feedback, the electrical properties.

Insbesondere der Einsatz eines Emitterwiderstandes ist bei Bipolartransistoren ein gängiges Verfahren. Dieser Emitter­ widerstand stellt eine zusätzliche Gegenkopplung dar. Er verringert die Verstärkung jedes einzelnen Transistors und sorgt damit für eine Angleichung der Verstärkungen aller Transistoren. Bei dieser Lösung tritt an einem solchen Wi­ derstand ein zusätzlicher Spannungsabfall und damit eine zusätzliche Verlustleistung auf. Das mag bei Bipolartransi­ storen noch akzeptiert werden. Bei Leistungsstufen mit MOS- FETs ist eine solche Gegenkopplung oft nicht mehr sinnvoll. So kann ein typischer MOSFET mit einer Drain-Source-Span­ nung von ca. 0,5V betrieben werden. Die Gate-Source- Schwellspannungen mehrerer MOSFETs aus unterschiedlichen Losen können aber bereits um Werte von 1V variieren. Daher müßte ein möglicherweise angebrachter Saurcewiderstand ei­ nen Spannungsabfall in einer ähnlichen Größenordnung auch bei niedrigen Strömen verursachen, um diese unterschiedli­ che Schwellspannung auszugleichen. Damit ist die Verlust­ leistung im Gegenkopplungswiderstand bereits um den Faktor 2 höher als im Leistungshalbleiter selbst.The use of an emitter resistor is particularly important Bipolar transistors are a common procedure. This emitter resistance is an additional negative feedback. He reduces the gain of each individual transistor and thus ensures an equalization of everyone's reinforcements Transistors. With this solution occurs on such a Wi there was an additional voltage drop and thus one additional power loss. That may be the case with Bipolartransi still be accepted. For power levels with MOS Such negative feedback is often no longer useful for FETs. So a typical MOSFET with a drain-source span 0.5V can be operated. The gate source Threshold voltages of several MOSFETs from different Lots can vary by 1V. Therefore a possibly installed Saurce resistor would have to voltage drop of a similar magnitude  at low currents cause them to differ equalize threshold voltage. So that's the loss power in the negative feedback resistor by a factor 2 higher than in the power semiconductor itself.

Um die guten Eigenschaften von MOSFETs und anderen modernen Leistungshalbleitern beizubehalten, müssen hier neue Wege zur Symmetrierung des Stromes bzw. der Last bei mehreren parallelgeschalteten Halbleitern gefunden werden.To the good properties of MOSFETs and other modern ones Maintaining power semiconductors must find new ways to symmetrize the current or the load with several parallel semiconductors can be found.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein linear betriebenes Stromsteuermodul für einen Laststrom­ kreis mit mehreren parallel geschalteten Leistungshalblei­ tern des Stromsteuermoduls zu schaffen, bei welchen im Laststromkreis des Stromsteuermoduls alle parallel geschal­ teten Leistungshalbleiter im wesentlichen gleichen Strom­ fluß aufweisen.The invention is based on the object linearly operated current control module for a load current circuit with several power semiconductors connected in parallel tern of the current control module to create, in which Load circuit of the current control module all connected in parallel Power semiconductors essentially have the same current have flow.

Die Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Stromsteuermodul erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des An­ spruches 1 gelöst.The task is with a generic current control module according to the invention by the characterizing features of the An Proverb 1 solved.

Vorteilhafte Ausgestaltungen eines erfindungsgemäßen Strom­ steuermoduls sind in den Unteransprüchen beansprucht.Advantageous embodiments of a current according to the invention control module are claimed in the subclaims.

Als Leistungshalbleiter soll hier nicht nur ein einzelner Halbleiterchip verstanden werden. Vielmehr bezeichnet die­ ser Begriff auch Hybridschaltungen und diskret aufgebaute Halbleitermodule, in denen mehrere gleichartige Halbleiter­ chips mit gleichartigen elektrischen Daten unmittelbar par­ allel geschaltet sind.As a power semiconductor, not just a single one Semiconductor chip can be understood. Rather, it denotes This term also includes hybrid circuits and discrete ones Semiconductor modules in which several similar semiconductors chips with similar electrical data immediately par are switched allel.

Die Steuerung des Stromes erfolgt mit Hilfe mehrerer paral­ lel geschalteter Stromsteuereinheiten, in welche der Strom zu Eingangsanschlüssen hinein und zu Ausgangsanschlüssen wieder hinausfließt. Alle Stromsteuereinheiten erhalten einen gemeinsamen Stromsollwert, welcher über einen weiteren Anschluß zugeführt wird.The current is controlled with the help of several in parallel lel switched current control units, in which the current to input ports and to output ports flows out again. Receive all current control units  a common current setpoint, which over another Connection is fed.

Jede Stromsteuereinheit besteht aus einem Leistungshalblei­ ter, einem Stromsensor, welcher in dem Leistungsstrompfad zwischen den Anschlüssen zur Stromzuführung und den An­ schlüssen zur Stromabführung an beliebiger Stelle ange­ bracht ist, sowie einem Differenzverstärker.Each current control unit consists of a power semi-conductor ter, a current sensor, which in the power current path between the power supply connections and the on Connections for power dissipation at any point is brought, as well as a differential amplifier.

Der Differenzverstärker ermittelt die Differenz zwischen dem zugeführten Stromsollwert und dem vom Stromsensor er­ mittelten Stromistwert und führt diesen, um einen Faktor k verstärkt, als Steuersignal dem Leistungshalbleiter zu. Wählt man den Verstärkungsfaktor k groß genug, so stellt sich durch den Leistungshalbleiter ein Strom proportional zum Sollwert ein. Die Größe dieses Stromes wird nicht mehr durch die elektrischen Eigenschaften des Leistungshalblei­ ters, sondern durch den Stromsensor bestimmt. Damit wird gewährleistet, daß alle Stromsteuereinheiten den gleichen Strom führen und die gleiche Verlustleistung aufnehmen.The differential amplifier determines the difference between the supplied current setpoint and that from the current sensor averaged current actual value and leads it by a factor k amplified as a control signal to the power semiconductor. If one chooses the amplification factor k large enough, it represents a current proportional through the power semiconductor to the setpoint. The size of this stream is no longer increasing through the electrical properties of the power semi-conductor ters, but determined by the current sensor. So that will ensures that all current control units are the same Conduct electricity and absorb the same power loss.

Die Technologie des Stromsensors kann den Anforderungen entsprechend ausgewählt werden. Im einfachsten Falle kann dieser ein Widerstand im Leistungsstrompfad sein. Besonders wirtschaftlich ist es dann, die Verbindungsleitung bzw. die Stromanschlußschiene, welche die einzelne Leistungssteuer­ einheit mit einer Gesamtstromsammelschiene verbindet, als Widerstand zu verwenden. Zur Erzielung höherer Genauigkeit­ en können Hall-Sensoren oder Zero-Flux-Sensoren vorgesehen sein.The technology of the current sensor can meet the requirements be selected accordingly. In the simplest case it can this be a resistor in the power current path. Especially It is then economical to use the connecting line or the Power connection rail, the single power tax unit connects with a total current busbar, as Resistance to use. To achieve higher accuracy Hall sensors or zero-flux sensors can be provided his.

Der Regelverstärker muß entsprechend den Anforderungen dimensioniert werden. So soll die Verstärkung ausreichend hoch sein. Eine zu hohe Verstärkung führt allerdings zu einer Schwingneigung. Zur Verbesserung des Regelverhaltens kann auch ein Integral- oder Differentialanteil hinzugefügt werden. Die Polarität des Regelverstärkers muß immer den Polaritäten des Stromsensors und des Leistungshalbleiters angepaßt sein, so daß sich der richtige Regelsinn ergibt.The control amplifier must meet the requirements be dimensioned. So the reinforcement should be sufficient be high. However, too high a gain leads to  a tendency to vibrate. To improve the control behavior can also add an integral or differential component will. The polarity of the control amplifier must always be the Polarities of the current sensor and the power semiconductor be adjusted so that the correct sense of control results.

Die Erfindung wird anhand der beigefügten schematischen Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:The invention is illustrated by the attached schematic Drawing explained in more detail. In this show:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Strom­ steuermoduls mit drei parallel geschalteten Strom­ steuereinheiten und Fig. 1 is a block diagram of a current control module according to the invention with three current control units connected in parallel and

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer einzelnen erfindungsge­ mäßen Stromsteuereinheit. Fig. 2 is a block diagram of a single fiction, current control unit.

Fig. 1 zeigt die Parallelschaltung mehrerer Stromsteuer­ einheiten 20, 21 und 22 in einem erfindungsgemäßen Strom­ steuermodul 1 zur Steuerung des Stromflusses in einem Last­ kreis. Fig. 1 shows the parallel connection of several current control units 20 , 21 and 22 in a current control module 1 according to the invention for controlling the current flow in a load circuit.

Die Steuerung des Stromes über die gesamte Anordnung 1 er­ folgt mit Hilfe mehrerer parallel geschalteter Stromsteuer­ einheiten 20, 21 und 22. In diesen Stromsteuereinheiten 20, 21 und 22 fließt der Strom zu den Eingangsanschlüssen 10, 11 und 12 hinein und zu den Ausgangsanschlüssen 40, 41, 42 wieder hinaus. Alle Stromsteuereinheiten 20, 21, 22 erhal­ ten einen gemeinsamen Stromsollwert 3, welcher über die Anschlüsse 30, 31 und 32 zugeführt wird.The control of the current over the entire arrangement 1 it follows with the aid of a plurality of current control units 20 , 21 and 22 connected in parallel. In these current control units 20 , 21 and 22 , the current flows in to the input connections 10 , 11 and 12 and out again to the output connections 40 , 41 , 42 . All current control units 20 , 21 , 22 receive a common current setpoint 3 , which is supplied via connections 30 , 31 and 32 .

Jede Stromsteuereinheit, Fig. 2 zeigt ein detailliertes Blockschaltbild der Stromsteuereinheit 20 entsprechend dem Ausschnitt 20a an Fig. 1, besteht aus einem Leistungshalb­ leiter 5, einem Stromsensor 6, welcher im Leistungsstrom­ pfad 40 zwischen dem Anschluß 10 zur Stromzuführung und dem Anschluß 40 zur Stromabführung an beliebiger Stelle ange­ bracht ist, sowie aus einem Differenzverstärker 7.Each current control unit, Fig. 2 shows a detailed block diagram of the current control unit 20 corresponding to the section 20 a of Fig. 1, consists of a power semiconductor 5 , a current sensor 6 , which path 40 in the power current between the connector 10 for power supply and the connector 40 for Current dissipation is brought anywhere, and from a differential amplifier 7th

Der Differenzverstärker 7 ermittelt die Differenz zwischen dem über den Anschluß 30 zugeführten Stromsollwert 3 und dem vom Stromsensor 6 ermittelten Stromistwert und führt diesen, um einen Faktor k verstärkt, als Steuersignal dem Leistungshalbleiter 5 zu. Wählt man den Verstärkungsfaktor k groß genug, so stellt sich durch den Leistungshalbleiter 5 ein Strom proportional zum Stromsollwert ein. Der Strom wird nicht mehr durch die elektrischen Eigenschaften des Leistungshalbleiters 5, sondern durch den Stromsensor 6 be­ stimmt. Damit wird gewährleistet, daß alle Stromsteuerein­ heiten 20, 21 und 22 den gleichen Strom führen und damit die gleiche Verlustleistung aufnehmen.The differential amplifier 7 determines the difference between the current setpoint 3 supplied via the connection 30 and the current actual value determined by the current sensor 6 and, amplified by a factor k, supplies this to the power semiconductor 5 as a control signal. If the gain factor k is chosen to be large enough, a current proportional to the current setpoint is established by the power semiconductor 5 . The current is no longer determined by the electrical properties of the power semiconductor 5 , but by the current sensor 6 be. This ensures that all Stromsteuerein units 20 , 21 and 22 carry the same current and thus absorb the same power loss.

Die Technologie des Stromsensors 6 kann den Anforderungen entsprechend ausgewählt werden. So kann dieser im einfach­ sten Falle nur ein Widerstand im Leistungsstrompfad sein. Besonders wirtschaftlich ist es dann, die Verbindungslei­ tung bzw. die Stromanschlußschiene, welche die einzelne Leistungssteuereinheit mit einer Gesamtstromsammelschiene verbindet als Widerstand zu verwenden. Zur Erzielung höhe­ rer Genauigkeiten können auch Hall-Sensoren oder Zero-Flux- Sensoren verwendet werden.The technology of the current sensor 6 can be selected according to the requirements. In the simplest case, this can only be a resistor in the power current path. It is then particularly economical to use the connecting line or the power connection rail, which connects the individual power control unit with a total current busbar, as a resistor. Hall sensors or zero-flux sensors can also be used to achieve higher accuracies.

Der Regel- bzw. Differenzverstärker 7 muß entsprechend den Anforderungen dimensioniert werden. So soll die Verstärkung ausreichend hoch sein. Eine zu hohe Verstärkung führt al­ lerdings zu einer Schwingneigung. Zur Verbesserung des Re­ gelverhaltens kann auch ein Integral- oder ein Differenti­ alanteil hinzugefügt werden. Die Polarität des Regelver­ stärkers 7 muß immer den Polaritäten des Stromsensors 6 und des Leistungshalbleiters 5 angepaßt werden, so daß sich der richtige Regelsinn ergibt. The control or differential amplifier 7 must be dimensioned according to the requirements. So the gain should be sufficiently high. However, too high a gain leads to a tendency to oscillate. To improve the control behavior, an integral or a differential component can also be added. The polarity of Regelver amplifier 7 must always be adapted to the polarities of the current sensor 6 and the power semiconductor 5 , so that the correct sense of control results.

Zur Veranschaulichung ist in Fig. 2 als Leistungshalbleiter 5 ein Bipolartransistor gezeigt. Selbstverständlich können erfindungsgemäß auch FETs, IGBTs oder andere linear steuer­ bare Halbleiter vorgesehen sein.For illustration purposes, a bipolar transistor is shown in FIG. 2 as power semiconductor 5 . FETs, IGBTs or other linearly controllable semiconductors can of course also be provided according to the invention.

Claims (6)

1. Linear betriebenes Stromsteuermodul (1) für einen Laststromkreis mit mehreren parallel geschalteten Leistungshalbleitern (20, 21, 22) des Stromsteuermoduls (1), dadurch gekennzeichnet,
daß im Laststromkreis eines jeden Leistungshalbleiters (5) ein Iststrom-Sensor (6) vorgesehen ist,
daß jedem Leistungshalbleiter (5) ein Differenzverstärker (7) zugeordnet ist, welchem ein Sollstrom-Signal und das Iststrom-Signal zugeführt ist, und
daß im Differenzverstärker (7) die Differenz des Sollstrom-Signals und des Iststrom-Signals, um einen Faktor k verstärkt, als Steuersignal dem zugehörigen Leistungshalbleiter zugeführt ist.
1. A linearly operated current control module ( 1 ) for a load circuit with several power semiconductors ( 20 , 21 , 22 ) of the current control module ( 1 ) connected in parallel, characterized in that
that an actual current sensor ( 6 ) is provided in the load circuit of each power semiconductor ( 5 ),
that each power semiconductor ( 5 ) is assigned a differential amplifier ( 7 ), which is supplied with a desired current signal and the actual current signal, and
that in the differential amplifier ( 7 ) the difference between the target current signal and the actual current signal, amplified by a factor k, is supplied as a control signal to the associated power semiconductor.
2. Stromsteuermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Differenzverstärker (7) wahlweise integrales und/oder differentielles Verhalten aufweist.2. Current control module according to claim 1, characterized in that the differential amplifier ( 7 ) optionally has integral and / or differential behavior. 3. Stromsteuermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Stromsensor (6) ein Widerstand vorgesehen ist. 3. Current control module according to one of claims 1 to 2, characterized in that a resistor is provided as a current sensor ( 6 ). 4. Stromsteuermodul nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Widerstand der Widerstand der Verbindungsleitung bzw. der Stromanschlußschiene, welche die einzelnen Stromsteuereinheiten (20, 21, 22) mit einer Gesamtstromsammelschiene verbindet, vorgesehen ist.4. Current control module according to claim 3, characterized in that the resistance of the connecting line or the current connecting rail, which connects the individual current control units ( 20 , 21 , 22 ) with a total current busbar, is provided as a resistor. 5. Stromsteuermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Stromsensor (6) ein Hall-Sensor vorgesehen ist.5. Current control module according to one of claims 1 to 2, characterized in that a Hall sensor is provided as the current sensor ( 6 ). 6. Stromsteuermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Stromsensor (6) ein Zero-Flux-Sensor vorgesehen ist.6. Current control module according to one of claims 1 to 2, characterized in that a zero-flux sensor is provided as the current sensor ( 6 ).
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