DE19620034C2

DE19620034C2 - Schaltnetzgerät

Info

Publication number: DE19620034C2
Application number: DE19620034A
Authority: DE
Inventors: Jenoe Dr Ing Tihanyi
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1996-05-17
Filing date: 1996-05-17
Publication date: 1998-04-09
Anticipated expiration: 2016-05-18
Also published as: WO1997044900A1; DE19620034A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Schaltnetzgerät.

In zunehmendem Maße werden einfache und preiswerte Schalt netzgeräte für batteriebetriebene Geräte gefordert. Hierzu sollen Halbleiterschalter zur Verfügung gestellt werden, welche hohe Spannungen aushalten, einen Kurzschlußschutz ge währen und kostengünstig herzustellen sind.

Aus dem Datenblatt der Firma Power Integrations, Inc., "A Low Cost, Low Part Count TOPSwitch^TM Supply", August 1994 ist eine Schaltungsanordnung für ein gattungsgemäßes Schaltnetz gerät bekannt. Das darin einbezogene Halbleiterbauelement enthält in monolithisch integrierter Form alle notwendigen Normal- und Schutzfunktionen. Zur Herstellung eines derar tigen Bauelements ist jedoch eine spezielle Technologie not wendig, die nicht immer verfügbar ist.

Ein derartiges, gattungsgemäßes Schaltnetzgerät ist bei spielsweise auch aus der US 5,418,702 sowie aus der US 5,285,369 bekannt.

Ein weiteres gattungsgemäßes Schaltnetzgerät ist aus H.P. Hempel, Leistungselektronik und Stromrichtergesteuerte An triebe, etz., Band 105 (1984) , Heft 2, S. 90 bis 92, bekannt. Insbesondere in Bild 3 ist hier ein Schaltnetzteil mit Lei stungsstufe in Kaskodenschaltung nach von der Wouw angegeben. Dieses Schaltnetzteil weist einen Leistungs-Bipolartransistor auf, dessen Laststrecke in Reihe zu einer Spulenwicklung eines Übertragers geschaltet ist und dessen Basisanschluß über eine Spannungsversorgungsschaltung gesteuert wird. Des weiteren ist hier ein zweiter Bipolartransistor vorgesehen, dessen Laststrecke in Reihe zur Laststrecke des Leistungs- Bipolartransistors geschaltet ist. Der zweite Bipolartransistor wird an seinem Basisanschluß durch ein Signal von einer Steuerschaltung angesteuert. Allerdings ist das Schaltnetzteil schaltungstechnisch sehr aufwendig. Insbe sondere die Ansteuerung des Leistungs-Bipolartranistors ist sehr aufwendig.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es daher die Auf gabe der vorliegenden Erfindung, ein Schaltnetzgerät anzuge ben, welches schaltungstechnisch auf einfache Weise mit mög lichst geringem Aufwand an Bauelementen herstellbar ist und welches Mittel zur definierten Ansteuerung des Leistungs- MOSFET aufweist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des An spruchs 1 gelöst. Weiterbildungen sind Kennzeichen der Un teransprüche.

Vorteil des erfindungsgemäßen Schaltnetzgerätes ist es, daß kein spezielles Halbleitersteuerelement benötigt wird. Erfin dungsgemäß wird dies dadurch bewerkstelligt, daß die Last strecke eines Hochvolt-MOSFET mit der Laststrecke eines zu sätzlichen Leistungs-MOSFET in Reihe geschaltet wird. Eine Steuerschaltung, die aus der Gatespannung des Hochspannungs- MOSFET gespeist wird, dient nun zur Ansteuerung des zweiten Leistungs-MOSFET.

Vorteilhafterweise kann die Steuerschaltung in den zweiten Leistungs-MOSFET integriert werden, wodurch sich ein einfa ches und kostengünstiges Steuer- und Schutz-IC ergibt.

Vorteilhafterweise erzeugt die Steuerschaltung ein pulswei ten-moduliertes Steuersignal. Des weiteren kann die Steuer schaltung vorteilhafterweise den Kurzschlußstrom des Lei stungs-MOSFET begrenzen, sowie eine Temperaturüberwachung und Abschaltung enthalten. Schließlich ist auch noch ein Limitie ren des di/dt bei Kurzschluß möglich.

Anstelle einer vollständigen Integration der Steuerschaltung mit dem zweiten Leistungshalbleiter kann auch eine in einem Gehäuse untergebrachte Zwei-Chip-Lösung gewählt werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Figur näher er läutert.

In der Figur ist mit 3 eine Anschlußklemme bezeichnet, an welche eine Versorgungsspannung V_bb anlegbar ist. Diese An schlußklemme 3 ist über eine Wicklung 8, welche Teil eines Übertragers ist, mit dem Drainanschluß D₁ eines Hochspan nungs-MOSFET 1 verbunden. Der Sourceanschluß S₁ des Hochspan nungs-MOSFET 1 ist mit dem Drainanschluß D₂ eines niederohmi gen MOSFET 2, welcher für kleine Spannungen geeignet ist, verbunden. Der Sourceanschluß S₂ des MOSFET 2 ist mit einem Bezugspotential, z. B. Masse verschaltet. Der Übertrager weist eine zweite Wicklung 7 auf, deren einer Anschluß über eine Diode 5 in Flußrichtung mit dem ersten Anschluß eines Kondensators 6 verschaltet ist, dessen zweiter Anschluß mit dem anderen Anschluß der Wicklung 7 und mit Masse verschaltet ist. Am Knotenpunkt aus Reihenschaltung der Diode 5 und des Kondensators 6 ist ein Abgriff vorgesehen, der mit dem Gateanschluß G₁ des Hochspannungs-MOSFET 1 verbunden ist. Ein Stromversorgungsbauelement 4 ist vorgesehen, welches zwischen der Versorgungsspannungsklemme 3 und Masse geschaltet ist und ein Ausgangssignal erzeugt, welches dem Gateanschluß G₁ des Hochspannungs-MOSFET 1 zugeführt wird. Dieses Start versorgungsbauelement 4 ermöglicht das Anlaufen der Schal tungsanordnung.

Des weiteren ist eine Steuerschaltung 14 vorgesehen, die ei nerseits mit Masse und andererseits mit dem Gateanschluß G₁ des Hochspannungs-MOSFET 1 verbunden ist. Diese Steuerschal tung 14 erzeugt ein Ausgangssignal, welches dem Gateanschluß des MOSFET 2 zugeführt wird. Des weiteren weist sie einen Eingang auf, der mit dem Drainanschluß D₂ des MOSFET 2 ver bunden ist.

Der Übertrager weist eine weitere Wicklung 9 auf, die einer seits über eine Diode 10 in Flußrichtung mit einer Anschluß klemme 12 und dem ersten Anschluß eines Kondensators 11 ver bunden ist, und dessen zweiter Anschluß mit dem zweiten An schluß des Kondensators 11 und einer Anschlußklemme 13 ver schaltet ist. An den Klemmen 12 und 13 ist in bekannter Weise die Ausgangsspannung des Schaltnetzgerätes abgreifbar.

Anstelle eines Hochleistungs-MOSFET 1 kann z. B. auch ein IGBT verwendet werden. Dieses Bauelement kann z. B. für Spannungen bis 600 Volt ausgelegt. Der zweite niederohmige MOSFET 2 hin gegen muß lediglich für Spannungen von ca. 20 Volt dimensio niert sein.

Der Hochspannungs-MOSFET 1, oder ein entsprechender IGBT, werden über den Gateanschluß G₁ mit einer konstanten Gate spannung versorgt. Hierzu dienen die zusätzliche Wicklung 7 und die sich daran anschließende Diode 5 und der Kondensator 6, an welchem sich die Gatespannung im Betrieb einstellt. zum Anlaufen, und damit zum Erzeugen der Gatespannung dient ein Startversorgungsbauelement 4. Die eigentlich notwendigen Auf gaben zur Steuerung des Schaltnetzteils werden von der Steu erschaltung 14 in Verbindung mit dem niederohmigen MOSFET 2 übernommen. Dieser MOSFET 2 kann sehr klein sein, weil er nur für kleine Spannungen ausgerüstet ist und er den Strom durch den Transistor 1 in Kaskode-Konfiguration schaltet. Wegen seiner demgemäß kleinen Eingangskapazität muß für seine An steuerung keine aufwendige Schaltung konzipiert werden. Dem gemäß muß der Treiberteil in der Steuerschaltung 14 keine ho hen Ströme liefern.

Die Steuerschaltung 14 erzeugt ein pulsweites moduliertes Rechtecksignal mit einer Frequenz von < 50 KHz. Die Regelung der Pulsbreite des Gatespannungssignals des Transistors 2 er folgt auf die Weise, daß das Steuersignal an der Klemme G₂ konstant bleibt. Dieses Signal dient gleichzeitig auch für die Stromversorgung des Steuerteils 14. Desweiteren kann die Steuerschaltung 14 den Kurzschlußstrom des Transistors 2 zum Beispiel durch Erfassung der Drainsourcespannung limitieren. Dadurch wird automatisch auch der Kurzschlußstrom des Tran sistors 1 limitiert. Schließlich kann eine Temperaturüberwa chungsschaltung in bekannter Weise vorgesehen sein, die ein völliges Abschalten des Stromes bei Überschreitung einer vor gegebenen Ciptemperatur des Transistors 2 durchführt. Eine weitere Funktion kann das Limitieren von di-dt beim Kurz schluß im eingeschalteten Zustand des Transistors 2 sein. Durch eine entsprechend mitintegrierte Logik kann ein Weiter laufen der Schaltung nach Beseitigung aller Störungen durch die Steuerschaltung 14 gestattet werden.

Die Steuerschaltung 14 kann wie durch die gestrichelte Linie angedeutet, zusammen mit dem Transistor 2 in monolithischer Form erstellt werden, so daß sie extern die drei Anschlüsse G₂, D₂ und S₂ aufweist. Es kann aber auch eine Zwei-Chip-Form in einem Gehäuse integriert sein, wobei die Steuerschaltung 14 und der Transistor 2 jeweils einen Chip bilden. Für die Schutzwirkung sollte die Wärmekapazität des Transistors 1 und der Schaltung 15 etwa in folgendem Verhältnis stehen:

Für die Wärmekapazitätswerte sollen die Gesamtwerte von Chip und Gehäuse maßgebend sein. Da im Allgemeinen der Hochvolt- MOSFET-Chip wesentlich größer ist, als der Chip des zweiten Steuertransistors 2 und der Anteil der Steuerschaltung 14 kleinflächig ist, wird diese Forderung in der Praxis automa tisch erfüllt sein.

Claims

1. Schaltnetzgerät

- mit einem Hochspannungs-MOSFET (1), dessen Laststrecke in Reihe zu einer Spulenwicklung (8) eines Übertragers (7, 8, 9) geschaltet ist,
- mit einem zweiten MOSFET (2), dessen Laststrecke in Reihe zur Laststrecke des Hochspannungs-MOSFET (1) geschaltet ist und der niederohmig ausgebildet ist,
- mit einer Gatespannungsversorgungsschaltung (4), deren Aus gangssignal dem Gateanschluß (G₁) des Leistungs-MOSFET (1) zugeführt wird und
- mit einer Steuerschaltung (14) , die aus dem am Gateanschluß (G₁) des Hochspannungs-MOSFET (1) anliegenden Signal ge speist wird und ein Signal zur Ansteuerung des zweiten MOSFET (2) derart erzeugt, daß die Gatespannung des Hoch spannungs-MOSFET (1) im wesentlichen konstant bleibt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (14) ein pulsweiten moduliertes Steu ersignal erzeugt.

3. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (14) den Kurzschlußstrom des zweiten MOSFET (2) begrenzt.

4. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (14) eine Temperaturüberwachungs schaltung zur Überwachung der Temperatur des zweiten MOSFET (2) aufweist.

5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (14) eine Überwachungsschaltung zur Begrenzung des di/dt des zweiten MOSFET (2) aufweist.

6. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite MOSFET (2) und die Steuerschaltung (14) mono lithisch integriert sind.

7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite MGSFET (2) und die Steuerschaltung (14) in Chipform in einem Gehäuse integriert sind.

8. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmekapazität des Mochspannungs-MOSFET (1) im Ver hältnis zur Wärmekapazität des zweiten MOSFET (2) in etwa im Verhältnis der Versorgungsspannung zur Ansteuerspannung des Hochspannungs-MOSFET (1) steht.