DE19509572A1 - Treiberschaltung für MOSFET-Kompaktmodule - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Treiberschaltung zum schnellen An- und Ausschalten von MOSFET-betriebenen Lastkreisen, wobei das Gate eines MOSFET-Moduls über einen Widerstand mit einer Ansteuerschaltung verbunden ist, die das Gate taktweise auf Masse und auf eine Gatespannung schaltet.

Eine Treiberschaltung der genannten Art wird beispielsweise als Impulssteuerung für Gleichstrommotoren eingesetzt. Die Leistungseinheit besteht aus mehreren MOSFET-Chips, die in einem Kompaktmodul parallel geschaltet sind, wodurch Ströme von 100 bis 500 A geschaltet werden können. Der Gleichstrommotor wird in bekannter Weise von der Impulssteuerung mit einem PWM(pulse width mode)-Verfahren angesteuert. Hierbei wird der Batteriestrom mit hoher Frequenz taktweise unterbrochen. Bei dieser Steuerungsart wird beispielsweise bei konstanter Periodendauer der Batteriestrom für jeweils nur eine kurze Zeit, die einen bestimmten Prozentsatz der Periodendauer be­ trägt, abgeschaltet. Da das Schalten des MOSFET-Moduls mit Geräuschen verbunden ist und auch eine Welligkeit des Stroms auftritt, versucht man die Taktfrequenz jenseits des hörbaren Bereichs auf Frequenzen oberhalb 16 kHz zu legen.

Eine bisher verwendete Treiberschaltung, speziell zur Ansteuerung von MOSFET-Mo­ dulen (6) für Gleichstrommotoren (4), ist in Fig. 1 schematisch dargestellt. An das Gate des MOSFET-Moduls (6) wird über den Widerstand (R) eine Gatespannung ange­ legt, die den MOSFET einschaltet. Das Ausschalten des MOSFET′s wird durch Unter­ schreiten der notwendigen Durchlaßspannung bewirkt, indem beispielsweise die Gate-Leitung über den Widerstand (R) auf Masse gelegt wird. Hierzu ist das Gate über den Widerstand (R) mit einer Ansteuerschaltung verbunden, bestehend aus zwei, emitter­ seitig untereinander und mit dem Gate verbundenen npn- bzw. pnp-Transistoren (V1, V2), deren Basisleitungen gemeinsam mit einem Ansteuergenerator (1) für das PWM-Signal (schematisch als Rechteckspannung dargestellt) verbunden sind. Die derart geschalteten Transistoren (V1, V2) sind mit einer Versorgungsspannung (2) für eine Gatespannung (z. B. 10 oder 15 V) und mit Masse verbunden. Ist der Transistor (V1) durchgeschaltet, liegt am Gate des MOSFET-Moduls über dem Widerstand (R) die Gatespannung an, ist hingegen der Transistor (V1) gesperrt, so schaltet der Transistor (V2) durch und legt die Gate-Leitung auf Masse. Die Kondensatoren (C2, C3) dienen zur Pufferung der Versorgungsspannung (2).

Das An- und Abschaltverhalten bei einer gemäß Fig. 1 dargestellten Treiberschaltung ist in starkem Maße von dem Wert des Widerstandes (R) abhängig. Die Verwendung dreier verschiedener Gate-Widerstände (33; 5,6; 8,2 Ω) dokumentiert das in Fig. 2 für zwei Widerstände (R = 5,6 und 8,2 Ω) dargestellte Ausschaltverhalten:

Die Drain-Spannung (Kurven 3 und 4) steigt beim Ausschalten des MOSFET-Moduls (6) von einem Wert in der Nähe von 0 V (entsprechend dem Drain-Source-Widerstand) auf einen Wert in der Nähe der Batteriespannung (30 V) (3) (entsprechend dem Innenwiderstand des Motors (4)) an. Die Kurven 1 und 2 stellen den Verlauf der Gate-Source-Spannung beim Ausschalten dar. Der Anstieg der Drain-Spannung ist mit einem Überschwinger verbunden, der, wie Messungen ergeben, mit dem Gate-Widerstand (R) korreliert ist. Die Höhe des Überschwingers nimmt mit wachsendem Gate-Widerstand (R) ab, während die benötigte Ausschaltzeit mit wachsendem Gate-Wi­ derstand (R) zunimmt. Die Folge dieses Abschaltverhaltens begrenzt die kleinst­ mögliche Ausschaltdauer. Sie beträgt im Verhältnis zu einer Gesamtperiode bei 16 kHz etwa 2%. Eine durch Absenken des Gate-Widerstandes (R) verringerte Abschaltdauer führt zu Überhöhungen der Drain-Spannung oberhalb einer maximal zulässigen Span­ nung (etwa 50 V), wodurch der MOSFET zerstört werden kann. In der Praxis beträgt das Ausschaltverhältnis ca. 3%, hingegen sind Werte um 1% anzustreben, um insge­ samt die Taktfrequenz effektiv erhöhen zu können.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, eine Treiberschaltung der eingangs erwähnten Art für MOSFET-Module zu entwickeln, durch die auf kostengünstige Art mit möglichst geringem Aufwand das MOSFET-Modul schneller geschaltet werden kann, und gleich­ zeitig die Überspannungen der Drain-Source-Spannung möglichst gering gehalten werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß vor den Widerstand am Gate ein weiterer Widerstand geschaltet ist, zu dem eine Diode mit Durchlaßrichtung zum Gate und ein Kondensator parallel geschaltet sind, wobei der Kondensator über einen Schalter diodenseitig auf Masse gelegt ist.

Der Schalter legt hierbei den Kondensator im gleichen Takt wie die Ansteuerschaltung das MOSFET-Gate auf Masse. Durch die erfindungsgemäße Treiberschaltung wird, wie im folgenden beschrieben, sowohl der Ein- wie auch der Ausschaltvorgang beschleu­ nigt:
Beim Einschalten lädt sich über die vorgeschaltete Diode zunächst der Kondensator auf, wobei der Spannungsanstieg in diesem Fall im Vergleich zum Anstieg über den Ohmschen Widerstand R rascher erfolgt (Die Ein- und Ausschaltvorgänge bei MOSFET-Leistungstransistoren finden sich beispielsweise in Siemens: "Semiconductor Group" 1987188, Seite 28 bis 49, beschrieben). Beim Ausschalten wird gleichzeitig mit der Gate-Leitung auch der Kondensator C1 diodenseitig auf Masse gelegt, wodurch der Strom mit exponentiellem Zeitverhalten aus dem MOSFET gezogen wird. Die MOSFET Eingangskapazität entlädt sich hierdurch wesentlich schneller als beim bisherigen Ausschalten über einen Ohmschen Widerstand. Diese hohe Abschaltgeschwindigkeit, d. h. die schnelle Änderung der Gate-Source-Spannung führt zu einer starken Änderung des Drain-Stromes, wodurch bei den vorhandenen inneren parasitären Induktivitäten Spannungsspitzen in der Drain-Source-Strecke entstehen können, die den MOSFET möglicherweise zerstören. Im vorliegenden Fall wird jedoch die hohe Abschaltge­ schwindigkeit wieder dadurch gebremst, daß die weitere Entladung über den parallel geschalteten Widerstand R1 erfolgt, wodurch schließlich die verbleibende Gate-Source-Ka­ pazität einerseits und die Kapazität des Kondensators C1 andererseits langsam entladen werden. Die zeitliche Änderung des Drain-Stromes wird hierdurch verringert, was einen nur geringe Spannungsüberhöhung der Drain-Source-Spannung über die im statischen Zustand vorliegende (Batterie-)Spannung zur Folge hat.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der oben beschriebenen Treiberschaltung besteht die Ansteuerschaltung, die das Gate taktweise auf Masse und auf eine Gatespannung schaltet, aus zwei, emitterseitig untereinander und mit dem Gate verbundenen npn- bzw. pnp-Transistoren, deren Basisleitungen gemeinsam mit einem Ansteuergenerator verbunden sind, wobei die Transistoren mit einer Versorgungsspannung für die Gate­ spannung und mit Masse verbunden sind.

Die Funktionsweise dieser Ansteuerschaltung für sich ist aus dem Stand der Technik, wie in der Beschreibungseinleitung ausgeführt, bekannt. Die erfindungsgemäße Trei­ berschaltung läßt sich bequem in die aus dem Stand der Technik bekannte Ansteuer­ schaltung integrieren, wodurch die Investitionskosten zur Modifizierung derartiger Schaltungen gesenkt werden.

Um den Schalter, der den Kondensator der Treiberschaltung diodenseitig auf Masse legt, geeignet zu realisieren, ist es sinnvoll, einen pnp-Transistor einzusetzen, dessen Basis mit derjenigen der Transistoren der eben beschriebenen Ansteuerschaltung verbunden ist. Hierdurch wird erreicht, daß der Kondensator im genau gleichen Takt wie das Gate des MOSFET-Moduls geschaltet wird.

Die beschriebene erfindungsgemäße Treiberschaltung zum schnellen An- und Aus­ schalten von MOSFET-Modulen ist - wie bereits erwähnt - als Impulssteuerung für Gleichspannungselektromotoren besonders geeignet. Weitere Verwendungen betreffen den Einsatz dieser Treiberschaltung in 3-Phasen-Drehstrombrücken sowie Halbbrückenanwendungen.

Im folgenden soll anhand Fig. 3 die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Treiber­ schaltung beim Einsatz als Impulssteuerung für Gleichspannungselektromotoren aus­ führlicher dargelegt werden:

Fig. 3 zeigt die erfindungsgemäße Treiberschaltung mit einem Ansteuergenerator (1), der das PWM-Signal (dargestellt durch eine Rechteckspannung) auf die Basisleitung der Transistoren (V1, V2 und V3) legt. Daran schließt sich, wie durch Vergleich mit Fig. 1 festgestellt werden kann, eine bekannte Ansteuerschaltung an, bestehend aus der Versorgungsspannung (2) von 10 oder 15 V, die an den Kollektor des npn-Tran­ sistors (V1) angeschlossen ist, der wiederum emitterseitig mit einem pnp-Transistor (V2) verbunden ist, der seinerseits auf Masse gelegt ist. Die beiden Transistoren (V1, V2) liegen basisseitig an der Eingangsspannung des Ansteuergenerators (1). Zur Pufferung sind wiederum zusätzlich die Kondensatoren (C2) und (C3) in die Versor­ gungsspannungsleitung integriert. Die Gate-Leitung des MOSFET-Moduls (6) ist mit der Emitterseite der beiden Transistoren (V1) und (V2) über die beiden Widerstände (R1) und (R2) verbunden. Zu dem Widerstand (R1) ist erfindungsgemäß eine Diode (V4) und ein Kondensator (C1) parallel geschaltet, wobei der Kondensator diodenseitig über den Transistor (V3) auf Masse gelegt ist. Da die Entladung des Kondensators (C1) phasengleich mit dem Ausschalten des MOSFET′s (6) erfolgen soll, ist die Basis des pnp-Transistors (V3) mit den Basen der beiden anderen (V1) und (V2) verbunden. Das MOSFET-Modul (6), hier als einzelner MOSFET schematisch dargestellt, schaltet den Lastkreis, bestehend aus einem Gleichstrommotor (4), der an die Batteriespannung (3) gelegt ist. Bei unterbrochenem Lastkreis fließt der Motorstrom in bekannter Weise über die Freilauf-Diode (5).

Gibt der Ansteuergenerator (1) ein entsprechendes positives Spannungssignal ab, schaltet der Transistor (V1) durch und legt über die Parallelschaltung von Widerstand (R1) und Kondensator (C1) die Versorgungsspannung (2) an das Gate des MOSFET′s (6). Die MOSFET-Eingangskapazität wird durch den anfänglich exponentiellen Spannungsverlauf schneller als bisher geladen, wodurch der MOSFET (6) schneller eingeschaltet wird. Im statischen Einschaltzustand liegt am Gate eine Spannung von ca. 10 V an.

Erfolgt durch das Eingangssignal des Ansteuergenerators (1) ein Spannungsabfall, so sperrt der Transistor (V1) und die Gate-Leitung sowie der Kondensator (C1) werden durch die Transistoren (V2) bzw. (V3) auf Masse gelegt. Hierdurch werden die MOSFET-Kapazitäten über den Widerstand (R2), der circa 1 Ω beträgt, sehr schnell entladen. Die bisher die Abfallgeschwindigkeit der Gate-Source-Spannung begren­ zende Miller-Kapazität verliert durch diese schnelle Entladung ihren Einfluß. Im weiteren Verlauf des Ausschaltvorgangs erfolgt die Entladung sowohl der MOSFET-Ka­ pazität wie auch derjenigen des Kondensators (C1) über die Ohmschen Wider­ stände (R1) und (R2) sowie über den Transistor (V2). Dies hat einen positiven Einfluß auf die Änderungsgeschwindigkeit des Drain-Stromes zur Folge, dessen Änderungs­ geschwindigkeit aufgrund versteckter Induktivitäten zur Überspannung in der Drain- Source-Strecke proportional ist. Bei einer Wahl des Widerstands (R1) beispielsweise von 5,5 Ω und etwa 220 nF für die Kapazität (C1) ergibt sich eine Spannungserhöhung (bezogen auf den statischen Ausschaltzustand) von nur ca. 50 bis 60% über der Batteriespannung (3) bei einer Ausschaltzeit von weniger als 400 ns.

Dieses Ausschaltverhalten ist für eine erfindungsgemäße Schaltung in Fig. 4 graphisch dargestellt. Kurve 1 gibt die Drain-Spannung, Kurve 2 die Gate-Source-Spannung wider.

Mit einer Schaltung wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, erhält man je nach Gate-Wider­ stand (R) vergleichbare Spannungsüberschwinger, jedoch bei Ausschaltzeiten zwi­ schen 1,0 und 1,5 µs.

Durch die erfindungsgemäße Treiberschaltung ist es nunmehr möglich, MOSFET-Mo­ dule mit einer Frequenz von mehr als 16 kHz zu schalten, wobei der komplette Ausschaltvorgang in weniger als 400 ns abgeschlossen ist, ohne daß die MOSFET′s gefährdende Überspannungen der Drain-Source-Spannung auftreten.

Claims (4)

1. Treiberschaltung zum schnellen An- und Ausschalten von MOSFET-betriebenen Lastkreisen, wobei das Gate eines MOSFET-Moduls über einen Widerstand (R) mit einer Ansteuerschaltung verbunden ist, die das Gate taktweise auf Masse und auf eine Gatespannung schaltet, dadurch gekennzeichnet, daß vor den Wider­ stand (R2) am Gate ein weiterer Widerstand (R1) geschaltet ist, zu dem eine Dio­ de (V4) mit Durchlaßrichtung zum Gate und ein Kondensator (C1) parallel geschal­ tet sind, wobei der Kondensator (C1) über einen Schalter (V3) diodenseitig auf Masse gelegt ist.

2. Treiberschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuer­ schaltung, die das Gate taktweise auf Masse und auf eine Gatespannung schaltet, aus zwei, emitterseitig untereinander und mit dem Gate verbundenen npn- bzw. pnp-Transistoren (V1, V2) besteht, deren Basisleitungen gemeinsam mit einem Ansteuergenerator (1) verbunden sind, wobei die Transistoren (V1, V2) mit einer Versorgungsspannung (2) für die Gatespannung und mit Masse verbunden sind.

3. Treiberschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schal­ ter (V3), der den Kondensator diodenseitig auf Masse legt, aus einem pnp-Tran­ sistor (V3) besteht, dessen Basis mit derjenigen der Transistoren (V1, V2) der Ansteuerschaltung verbunden ist.

4. Verwendung der Treiberschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen als Impulssteuerung für Gleichspannungselektromotoren (4).