DE19509572A1 - Treiberschaltung für MOSFET-Kompaktmodule - Google Patents
Treiberschaltung für MOSFET-KompaktmoduleInfo
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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.
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).
Priority Applications (1)
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DE19509572A DE19509572B4 (de) | 1995-03-16 | 1995-03-16 | Treiberschaltung für MOSFET-Kompaktmodule |
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DE19509572A DE19509572B4 (de) | 1995-03-16 | 1995-03-16 | Treiberschaltung für MOSFET-Kompaktmodule |
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DE19509572A1 true DE19509572A1 (de) | 1996-09-19 |
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CN102931963A (zh) * | 2012-11-06 | 2013-02-13 | 苏州工业园区华锐装饰工程有限公司 | 一种开关电路 |
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1995
- 1995-03-16 DE DE19509572A patent/DE19509572B4/de not_active Expired - Fee Related
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