DE19641840A1

DE19641840A1 - Treiberschaltung für Hochleistungs-Halbleiterbauteile mit MOS-Gatesteuerung

Info

Publication number: DE19641840A1
Application number: DE19641840A
Authority: DE
Inventors: Ajit Dubhashi; Leon Aftandilian
Original assignee: International Rectifier Corp USA
Current assignee: Infineon Technologies Americas Corp
Priority date: 1995-10-10
Filing date: 1996-10-10
Publication date: 1997-06-05
Also published as: ITMI962097A1; GB2307605A; SG72706A1; KR970024605A; US5801557A; TW405295B; GB2307605B; JP3762491B2; FR2739735A1; JPH09219977A; IT1285497B1; GB9621139D0; KR100323243B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Treiberschaltung für Hochleistungs-Halbleiterbauteile mit MOS-Gatesteuerung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art, und insbesondere auf derartige Treiberschaltungen, die eine verbesserte Umempfind lichkeit gegenüber den nachteiligen Auswirkungen vom Kommutie rungsströmen haben.

Derartige Treiberschaltungen mit einer Pegelverschiebung zur Ansteuerung von in Brücke geschalteten Hochspannungs-Halblei terbauteilen mit MOS-Gatesteuerung, wie z. B. IGBT und Leistungs- MOSFET′s sind gut bekannt. Eine Familie derartiger Treiber schaltungen in Form von integrierten Schaltungen wird unter den Typenbezeichnungen IR21XX von der Firma International Rectifier Corporation vertrieben. Diese Bauteile sind inte grierte Hochspannungs-Schaltungen (HVIC), die jeweils zwei derartige Halbleiterbauteile mit MOS-Gatesteuerung pro Zweig einer Brücke ansteuern. Die Fig. 1 und 2 zeigen typische Konfigurationen für eine IR21XX-Treiberschaltung (beispielsweise eine IR2155) für die oberspannungs- und unterspannungsseitigen oder oberen und unteren IGBT′s 10 bzw. 11, die mit jeweiligen Dioden 12 bzw. 13 mit kurzer Erholzeit verbunden sind. Die H_O- und L_O-Ausgänge an den Anschlußstiften 4 bzw. 2 schalten die Halbleiterbauteile 10 und 11 aufeinanderfolgend ein und aus und steuern den Leistungsfluß an die (nicht gezeigte) Ausgangsschaltung.

Wenn im Betrieb das oberspannungsseitige oder obere Leistungs halbleiterbauteil 10 abgeschaltet wird, so kommutiert der Strom I₁₀ zur unteren Diode 13 als I₁₃, wie dies in Fig. 3 ge zeigt ist. Der Strom I₁₃ fließt durch die Eigeninduktivitäten L_S1 und L_S2 in Serie mit der Diode 13, so daß die Spannung am Verbindungspunkt V_O zwischen den Leistungshalbleiterbau teilen, der mit der Last verbunden ist, einen Pegel von -V_S annimmt. Diese negative Spannung kann eine Fehlfunktion oder sogar eine Zerstörung der integrierten Treiberschaltung 20 hervorrufen. Dieses Problem verstärkt sich weiter unter Kurz schlußbedingungen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Treiberschaltung der eingangs genannten Art zu schaffen, die so ausgebildet ist, daß sie den nachteiligen Wirkungen von Kommutationsströmen widerstehen kann.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die erfindungsgemäße Treiberschaltung ist so ausgebildet, daß die internen Eigeninduktivitäten L_S1 und L_S2 verringerte Werte aufweisen, was dadurch erreicht wird, daß die Anschluß leitungen so kurz wie möglich gehalten werden und die D_b- und Bezugs- (COM-) Anschlüsse in einer derartigen Weise ange ordnet werden, daß der Induktivitätspfad verringert wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird weiter hin die Ausgangskapazität C_b am Ausgangsanschluß der ober spannungsseitigen Treiberschaltung vergrößert, um die an diesem Kondensator entstehende Spannung bei Fehlerbedingungen oder aufgrund von Kommutierungsströmen zu verringern.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Größe der Kapazität C_VCC in der Bootstrap-Schaltung vergrößert, um die C_VCC-Spannung so stabil wie möglich zu halten, um sicher zustellen, daß die interne Diode D_S der integrierten Schal tung nicht frühzeitig einschaltet. Der Kapazitätswert des Kondensators C_VCC sollte vorzugsweise angenähert den zehn fachen Kapazitätswert aller C_b-Kondensatoren in dem System haben.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird weiterhin der Widerstandswert R_b des Bootstrap-Pfades so klein wie möglich gehalten, um einen verringerten Stromfluß durch die Substratdiode hervorzurufen.

Schließlich ist erfindungsgemäß gemäß einer Ausgestaltung vor gesehen, daß ein Widerstand R_COM vorgesehen ist, der dem Widerstand in dem Pfad der Substratdiode D_S vergrößert und die Aufladung von C_VCC und den Substratstrom verringert.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen noch näher erläutert.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild einer bekannten Treiberschaltung, bei der eine integrierte Treiberschaltung zur Ansteuerung von zwei Hochspannungs-Halbleiterbauteilen angeschaltet ist,

Fig. 2 ein Schaltbild, das die Betriebsweise der Schaltung nach Fig. 1 erläutert,

Fig. 3 ein Schaltbild, das den Pfad des Kommutations stromes zeigt, wenn das obere Halbleiterbauteil abgeschaltet wird,

Fig. 4 eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,

Fig. 5 eine Schaltung, die ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung zeigt,

Fig. 6 eine Darstellung der Kondensatorspannung bei unterschiedlichen Kapazitätswerten, um die verringerte Spitzen spannung an dem Kondensator bei höheren Kapazitätswerten zu zeigen.

Um das von der vorliegenden Erfindung zu lösende Problem besser beschreiben zu können, wird zunächst auf Fig. 4 Bezug genommen, die die wesentlichen Schaltungsbauteile und die wesentlichen parasitären Bauteile zeigt. Die Schaltungsbauteile schließen eine Bootstrapdiode D_b 22 und einen Kondensator C_VCC 26 ein. Weiterhin ist die parasitäre Substratdiode D_S 24 der integrierten Schaltung und der Eingangskondensator C_VCC in Serie mit der Diode 22 gezeigt. Es gibt zwei Ausfallbetriebs arten, wenn V_O den Wert von -V_S annimmt.

Bei der ersten Ausfallbetriebsart beginnt die Bootstrap-Diode D_b 22 nach Fig. 4 zu leiten und lädt den Kondensator C_b 28 zwischen den Anschlüssen V_O und V_b auf. Wenn die Spannung an dem Kondensator C_b 28 dem Lawinendurchbruchs-Nennwert an der oberspannungsseitigen oder oberen Treiberschaltung (als Zenerdiode 30 gezeigt) übersteigt, so zerstört sie die inte grierte Schaltung 20. In der zweiten Ausfallbetriebsart kann sich der Bootstrap-Kondensator C_b 28 außerdem über die para sitäre Substratdiode D_S 24 des Substrates der integrierten Schaltung aufladen. Wenn ein erheblicher Strom durch die Diode D_S 24 fließt, so kann die integrierte Schaltung eine Fehl funktion aufweisen, beschädigt oder zerstört werden.

Beim Stand der Technik wurde der Bauteilauslegung nicht genug Aufmerksamkeit geschenkt, was dazu führt, daß die Eigeninduk tivitäten L_S1 und L_S2 der Dioden 12 und 13 und insbesondere der Diode 13 ansteigen. Weiterhin wurde der Kondensator C_b 28 so bemessen, daß er die Treiberspannung für die maximale Impuls- Einschaltzeit aufrechterhält, und er wurde nicht zur Verringe rung eines Spannungsaufbaus ausgelegt.

Bekannte Lösungen dieser Probleme schlossen die Hinzufügung eines Strombegrenzungswiderstandes zu dem Bootstrap-Pfad und die Hinzufügung von Widerständen, wie z. B. des Widerstandes 32 und von Hochspannungsdioden, wie z. B. der Diode 34 (Fig. 5) ein, um die Größe von -V_S zu begrenzen. Dies führt jedoch zu Gatespannungsspitzen und erfordert zusätzliche Hochspannungs dioden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung sind die folgenden Maßnahmen vorgesehen, die einzeln oder in Kombination miteinander ver wendet werden können, um die genannten Probleme zu beseitigen:

(a) Die Werte der Eigeninduktivitäten L_S1 und L_S2 werden dadurch verringert, daß die Anschlußleiterlängen kurz gehalten werden und daß die V_S-Verbindung 38 und die gemein same oder Bezugsverbindung 36 (COM) in Fig. 4 so angeordnet werden, daß der Induktivitätspfad verringert wird.
(b) Der Kapazitätswert des Kondensators C_b 28 wird vergrößert, um zu bewirken, daß die Spannung längs dieser Kapa zität nur auf einen verringerten Wert ansteigt, wie dies in Fig. 6 gezeigt ist. Für ein Halbleiterplättchen mit einem IGBT der Größe 3 (verfügbar von der Firma International Rectifier Corporation, El Segundo, CA, USA) und bei Anordnung der Teile auf einem IMS-Substrat wird vorzugsweise ein Kondensator mit einem Kapazitätswert von 0,47 µF verwendet.
(c) Die Größe des C_VCC-Kondensators 26 wird ver größert, um die V_CC-Versorgung (Fig. 4) so "steif" wie möglich zu halten, weil, wenn Spannungseinbrüche in der V_CC- Spannung während der Bootstrap-Ladung auftreten, die interne Diode D_S 24 der integrierten Schaltung früher einschalten kann. Vorzugsweise sollte der Kondensator V_VCC 26 einen Kapazitätswert aufweisen, der zehnmal so groß wie die Gesamt kapazität aller C_b-Kondensatoren in dem System ist.
(d) Der Widerstand R_b 40 in dem Bootstrap-Pfad wird so weit wie möglich verringert. Der Widerstand R_b 40 be schränkt die Ladung des Kondensators C_b 28, wodurch ein ver größerter Stromfluß durch die parasitäre Substratdiode hervor gerufen wird, was zu Fehlfunktionen führt. Der empfohlene Widerstandswert ist 0 Ohm.
(e) Ein Widerstand R_COM 42 kann in die Leitung 41 zwischen dem Bezugsanschluß COM der integrierten Schaltung und dem negativen oder Erdanschluß der Brückenschaltung mit den Leistungshalbleiterbauteilen eingefügt werden, um den Widerstand im Pfad der Substratdiode D_S 24 zu vergrößern. Der Widerstand R_COM 42 verringert weiterhin die Aufladung des Kondensators C_b 26 und den Substratstrom.

Claims

1. Treiberschaltung für Hochleistungs-Halbleiterbauteile, wobei die Schaltung eine Treiberschaltung für Leistungshalb leiterbauteile mit MOS-Gatesteuerung und eine Leistungsschalter- Schaltung aufweist, die einen ersten Transistor mit MOS-Gate steuerung und einen zweiten Transistor mit MOS-Gatesteuerung einschließt, wobei die Treiberschaltung mit den ersten und zweiten Transistoren mit MOS-Gatesteuerung verbunden ist und dazu dient, diese abwechselnd einzuschalten, und wobei die Leistungsschalter-Schaltung einen Spannungsausgangsknoten V_O zwischen dem ersten Transistor mit MOS-Gatesteuerung und dem zweiten Transistor mit MOS-Gatesteuerung aufweist und dem zweiten Transistor mit MOS-Gatesteuerung eine Diode mit kurzer Erholzeit und Eigeninduktivitäten L_S1 und L_S2 zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Treiberschaltung eine inte grierte Schaltung umfaßt und einen externen Kondensator C_b einschließt, der zwischen einem Spannungsversorgungs-Schaltungs knoten V_b und einem Schaltungsknoten V_S der Treiberschaltung eingeschaltet ist, daß die Treiberschaltung weiterhin einen Bezugsknoten (COM) und eine Serienschaltung einschließt, die einen Ladekondensator C_VCC, einen Widerstand R_b und eine Diode D_b einschließt, die zwischen den Bezugsknoten und dem V_b-Knoten eingeschaltet sind, und daß die Treiberschaltung und die Leistungsschalter-Schaltung so nahe wie möglich aneinander angeordnet sind, um kurze Leiterlängen zwischen den Knoten V_S und V_O und zwischen dem Bezugsknoten und einem weiteren Bezugsknoten der Leistungsschalter-Schaltung zu erzielen, um auf diese Weise die Werte der Eigeninduktivitäten L_S1 und L_S2 zu verringern.

2. Treiberschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator C_b einen ver größerten Kapazitätswert aufweist, der wesentlich größer als eine Kapazität ist, die erforderlich ist, um eine Spannung an dem ersten Transistor mit MOS-Gatesteuerung für eine maximale Impuls-Einschaltzeit aufrechtzuerhalten, wobei der vergrößerte Wert durch die Induktivitäten L_S1 und L₂ und weiterhin durch die Größe und Art der Transistoren mit MOS-Gatesteuerung bestimmt ist.

3. Treiberschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kapazitätswert des Kondensators C_b größer als ungefähr 0,47 µF für IGBT-Halbleiterbauteile vom "k"-Typ mit der Größe 3 ist.

4. Treiberschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator C_VCC einen Kapazitätswert aufweist, der zumindestens ungefähr zehnmal so groß wie der Kapazitätswert des Kondensators C_b in der Schaltung ist.

5. Treiberschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandswert des Widerstandes R_b auf den kleinstmöglichen Wert verringert ist.

6. Treiberschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandswert des Widerstandes R_b ungefähr 0 Ohm beträgt.

7. Treiberschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Widerstand R_COM von ungefähr 1 bis 20 Ohm zwischen dem Bezugsknoten der Treiberschaltung und dem Bezugsknoten der Leistungsschalter-Schaltung vorgesehen ist.