DE19707708A1 - Strombegrenzungsschaltung - Google Patents
StrombegrenzungsschaltungInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Strombegrenzungs
schaltung für gesteuerte Halbleiter-Leistungsbauelemente, und
insbesondere eine Strombegrenzungsschaltung für Lei
stungstransistoren.
Integrierte Leistungsschaltungen benötigen einen wirksamen
Schutz gegen eine Stromüberlastung ihrer Ausgänge, um im Fall
eines möglichen Kurzschlusses eine thermische Zerstörung zu
verhindern.
Obwohl prinzipiell für alle gesteuerten Halbleiter-Leistungs
bauelemente anwendbar, werden die vorliegende Erfindung und
die ihr zugrundeliegende Problematik anhand von Leistungs-ICs
in Mischtechnologie, welche neben MOS-Leistungstransistoren
auch bipolare Bauelemente und CMOS-Bauelemente zur Verfügung
stellen, erläutert.
Das übliche Grundprinzip für eine solche Strombegrenzungs
schaltung besteht darin, daß der Gesamtstrom, welcher durch
den Leistungstransistor fließt, oder über das Sensezellen
prinzip ein Teil dieses Gesamtstroms einen Spannungsabfall an
einem Widerstand (auch als Shuntwiderstand bezeichnet) er
zeugt.
Falls der Spannungsabfall einen vorgegebenen Maximalwert
überschreitet, belastet die Strombegrenzungsschaltung das An
steuersignal des Leistungstransistors so stark, daß der Aus
gangsstrom des Leistungstransistors, welcher sich aus dem An
steuersignal über das Ausgangskennlinienfeld bestimmen läßt,
unter einem zulässigen Grenzwert bleibt.
Zur schaltungstechnischen Realisierung dieses Grundprinzips
gibt es im Stand der Technik eine Reihe von Ansätzen.
Allgemein unterscheidet man zwischen Stromregelungs-
Begrenzungsschaltungen und Spannungsregelungs-Begrenzungs
schaltungen.
Stromregelungs-Begrenzungsschaltungen benötigen in der Regel
ein Filter zur Maskierung von Einschaltspitzen. Spannungsre
gelungs-Begrenzungsschaltungen benötigen Temperaturkompensa
tionsschaltungen. Weiterhin erfordern die bekannten Schaltun
gen beider Schaltungstypen wiederum selbst eine aufwendige
Schutzbeschaltung für den Kurzschlußfall.
Beispiele dieses Standes der Technik finden sich in B. Mura
ri, F. Bertotti und G. A. Vignola, "Smart Power ICs - Techo
logies and Applications", S. 328, 400, 426, Springer Verlag,
Berlin - Heidelberg - New York, 1996.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine
Strombegrenzungsschaltung anzugeben, welche einfach reali
sierbar ist und weitgehend unabhängig von ihrer Spannungsver
sorgung funktioniert.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch den Gegenstand des
Anspruches 1 gelöst, also durch eine Strombegrenzungsschal
tung für gesteuerte Halbleiter-Leistungsbauelemente, und ins
besondere für Leistungstransistoren, mit:
- - einem Erfassungswiderstand, welcher in Reihe mit dem Hauptstrompfad des gesteuerten Halbleiter-Leistungs bauelements geschaltet ist, zum Erzeugen eines den Strom durch das gesteuerte Halbleiter-Leistungsbauelement wie dergebenden Spannungsabfalls; und
- - einer Stromspiegel-Schaltungseinrichtung mit:
- a) einer ersten Stromquelleneinrichtung zum Erzeugen eines ersten Stroms zwischen einem ersten und einem zweiten Bezugspotential;
- b) einer zweiten Stromquelleneinrichtung zum Erzeugen eines zweiten Stromes zwischen dem Steuerpotential des Steueranschlusses des Halbleiter-Leistungs bauelements und einem dritten Bezugspotential; und
- c) einer Stromquellen-Kopplungsschaltung zum Koppeln der ersten und zweiten Stromquelleneinrichtung an sprechend auf den Spannungsabfall des Erfassungswi derstandes, so daß, wenn der Spannungsabfall größer als ein vorbestimmter Wert ist, der zweite Strom zur Erniedrigung des Steuerpotentials erhöht wird, um den Strom durch das Halbleiter- Leistungsbauelement zu begrenzen.
Bevorzugte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen ange
geben.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung enthält die erste
Stromquelleneinrichtung einen ersten und einen zweiten Bipo
lartransistor, die so verschaltet sind, daß sich deren Kol
lektorströme proportional zueinander verhalten; enthält die
zweite Stromquelleneinrichtung einen dritten und einen vier
ten Bipolartransistor, wobei der dritte Bipolartransistor an
seinem Emitter einen Strom eingeprägt erhält, der zu dem Kol
lektorstrom des vierten Bipolartransistors proportional ist;
und enthält die Emitter-Basis-Spannung des vierten Bipolar
transistors als Spannungsanteile den Spannungsabfall am Er
fassungswiderstand, die Emitter-Basis-Spannung des zweiten
und dritten Bipolartransistors mit positivem Vorzeichen und
die Emitter-Basis-Spannung des ersten Bipolartransistors mit
negativem Vorzeichen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist minde
stens einer der vier Bipolartransistoren eine von den anderen
Bipolartransistoren abweichende Emitterfläche auf.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform enthält die
Emitter-Basis-Spannung des vierten Bipolartransistors weitere
konstante Spannungsanteile, deren Beträge sich aus der Diffe
renz der Emitter-Basis-Spannungen weiterer mit unterschiedli
cher Emitterstromdichte betriebener Bipolartransistoren erge
ben.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die
Stromspiegel-Schaltungseinrichtung auf:
- - einen ersten und einen zweiten Bipolartransistor, welche zusammen mit einer Stromquelle in Reihe zwischen das erste Bezugspotential und einen mit dem Sourceanschluß des Halblei ter-Leistungsbauelements verbundenen Anschluß des Erfassungs widerstandes geschaltet sind;
- - einen dritten und einen vierten Bipolartransistor, wel che in Reihe zwischen das Ansteuerpotential und das dritte Bezugspotential geschaltet sind;
- - wobei der erste Bipolartransistor an seinem Kollektor und seiner Basis zusammengeschlossen ist und der erste und der dritte Bipolartransistors an ihrer Basis zusammenge schlossen sind;
- - wobei die Basis des zweiten Bipolartransistors mit einem zwischen dem Emitter des dritten und dem Kollektor des vier ten Bipolartransistors liegenden Knoten verbunden ist; und
- - wobei die Basis des vierten Bipolartransistors mit einem zwischen dem Emitter des ersten und dem Kollektor des zweiten Bipolartransistor liegenden Knoten verbunden ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist- die
Stromspiegel-Schaltungseinrichtung auf:
- - einen ersten und einen zweiten Bipolartransistor, welche zusammen mit einer Stromquelle in Reihe zwischen das erste Bezugspotential und einen mit dem Sourceanschluß des Halblei ter-Leistungsbauelements verbundenen Anschluß des Erfassungs widerstandes geschaltet sind;
- - einen dritten und einen vierten Bipolartransistor, wel che in Reihe zwischen das Ansteuerpotential und das dritte Bezugspotential geschaltet sind;
- - wobei der erste Bipolartransistor an seinem Kollektor und seiner Basis zusammengeschlossen ist und der erste und der dritte Bipolartransistor an ihrer Basis zusammengeschlos sen sind;
- - einen fünften und einen sechsten Bipolartransistor, wel che jeweils in Reihe mit einer zugehörigen Stromquelle zwi schen das erste und das zweite Bezugspotential geschaltet sind;
- - wobei die Basis des zweiten Bipolartransistors mit einem zwischen dem Emitter des fünften Bipolartransistors und der entsprechenden Stromquelle liegenden Knoten verbunden ist und die Basis des fünften Bipolartransistors mit einem zwischen dem Emitter des dritten und dem Kollektor des vierten Bipo lartransistors liegenden Knoten verbunden ist; und
- - wobei die Basis des vierten Bipolartransistors mit einem zwischen dem Emitter des sechsten Bipolartransistors und der entsprechenden Stromquelle liegenden Knoten verbunden ist und die Basis des sechsten Bipolartransistors mit einem zwischen dem Emitter des ersten und dem Kollektor des zweiten Bipolar transistors liegenden Knoten verbunden ist.
Bei dieser Variante ist die Empfindlichkeit der erfindungsge
mäßen Strombegrenzungsschaltung erhöht.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind die
Stromquellen des fünften und sechsten Bipolartransistors je
weils ein Widerstand.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind die
Stromquellen des fünften und sechsten Bipolartransistors je
weils ein NMOS-Transistor.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist das ge
meinsame Gatepotential der NMOS-Transistoren das Potential
des gemeinsamen Basisanschlusses des ersten und dritten Bipo
lartransistors.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weist die Stromspiegel-
Schaltungseinrichtung auf:
- - einen ersten Stromspiegel bestehend aus einem ersten und einem zweiten PNP-Bipolartransistor, deren Emitter jeweils mit dem Ansteuerpotential des Halbleiter-Leistungsbauelements verbunden ist;
- - einen zweiten Stromspiegel bestehend aus einem dritten und einem vierten PNP-Bipolartransistor, deren Emitter je weils mit dem Ansteuerpotential des Halbleiter- Leistungsbauelements verbunden ist;
- - einen dritten Stromspiegel bestehend aus einem ersten und einem zweiten MOS-Transistor, deren Source jeweils mit dem mit einem Bezugspotential verbunden ist;
- - einen vierten Stromspiegel bestehend aus einem dritten und einem vierten MOS-Transistor, deren Source jeweils mit dem Bezugspotential verbunden ist;
- - einen ersten NPN-Bipolartransistor, dessen Emitter mit dem Drain des dritten MOS-Transistors verbunden ist;
- - einen zweiten NPN-Bipolartransistor, der zwischen den Kollektor des vierten PNP-Bipolartransistors und den mit dem Halbleiter-Leistungsbauelement verbundenen Anschluß des Er fassungswiderstands geschaltet ist;
- - einen dritten NPN-Bipolartransistor, dessen Emitter mit dem Drain des zweiten MOS-Transistors verbunden ist;
- - einen vierten NPN-Bipolartransistor, der zwischen den Kollektor des ersten PNP-Bipolartransistors und den mit dem Lastausgangsanschluß verbundenen Anschluß des Erfassungswi derstands geschaltet ist;
- - wobei die Basisanschlüsse des ersten und dritten NPN- Bipolartransistors zusammengeschlossen sind und die Kollek toranschlüsse des ersten und dritten NPN-Bipolartransistors über eine Diode in Flußrichtung mit dem Ansteuerpotential des Halbleiter-Leistungsbauelements verbunden sind;
- - wobei der Emitter der ersten NPN-Bipolartransistors mit der Basis des vierten NPN-Bipolartransistors verbunden ist und der Emitter der dritten NPN-Bipolartransistors mit der Basis des zweiten NPN-Bipolartransistors verbunden ist;
- - einen fünften MOS-Transistor und einen sechsten MOS- Transistor, die in Reihe zwischen das Bezugspotential des vierten Stromspiegels und den mit einem Versorgungspotential verbundenen Anschluß des Halbleiter-Leistungsbauelements ge schaltet sind;
- - wobei das Gate des fünften MOS-Transistors mit dem Kol lektor des dritten PNP-Bipolartransistors und das Gate des sechsten MOS-Transistors mit dem Ansteuerpotential des Halb leiter-Leistungsbauelements verbunden ist; und
- - wobei ein Knoten zwischen dem fünften und dem sechsten MOS-Transistor mit der gemeinsamen Basis des ersten und drit ten NPN-Bipolartransistors verbunden ist.
Diese Variante eignet sich insbesondere für Highside-
Schalter.
Nachstehend wird die vorliegende Erfindung anhand von Ausfüh
rungsbeispielen unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeich
nungen erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen
Strombegrenzungsschaltung;
Fig. 2 ein Schaltbild einer ersten bevorzugten Ausfüh
rungsform der erfindungsgemäßen Strombegrenzungs
schaltung;
Fig. 3 ein Schaltbild einer zweiten bevorzugten Ausfüh
rungsform der erfindungsgemäßen Strombegrenzungs
schaltung;
Fig. 4 ein Schaltbild einer dritten bevorzugten Ausfüh
rungsform der erfindungsgemäßen Strombegrenzungs
schaltung; und
Fig. 5 ein Schaltbild einer üblichen Referenzstromquellen
schaltung als Ausgangspunkt für die vorliegende Er
findung.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder
funktionsgleiche Bestandteile.
Die erfindungsgemäße Strombegrenzungsschaltung geht von einer
üblichen Referenzstromquellenschaltung aus, welche in Fig. 5
dargestellt ist.
In Fig. 5 bezeichnen die Bezugszeichen 51, 52, 53 und 54 NPN-
Bipolartransistoren, wobei die Transistoren 52 und 54 sowie
51 und 53 jeweils in Reihe geschaltet sind und einen ersten
und zweiten Hauptstrompfad 501 bzw. 502 definieren.
Der erste Hauptstrompfad 501 liegt zwischen dem positiven
Batteriepotential VB und dem negativen Batteriepotential
(Masse) und enthält eine Konstantstromquelle 56.
Die Emitterflächen der Transistoren 52 und 51 stehen im Ver
hältnis m : 1, die Emitterflächen der Transistoren 54 und 53 im
Verhältnis 1 : n. Vernachlässigt man alle Basisströme, so sind
die Kollektorströme der Transistoren 54 und 52 gleich, sowie
die Kollektorströme der Transistoren 53 und 51.
Aus der Kreuzkopplung der Transistoren 54 und 53 ergibt sich
zusammen mit der für Bipolartransistoren typischen exponenti
ellen Abhängigkeit des Kollektorstroms von der Emitter-Basis-
Spannung eine Differenz der Emitterpotentiale der Transisto
ren 53 und 54 von
UR = ln(m . n) . kT/e
unabhängig vom Verhältnis der Ströme in den Pfaden 501 und
502.
Die Differenz der Emitterpotentiale UR ist gleichzeitig der
Spannungsabfall UR am Widerstand 55, der ebenfalls im
Strompfad 502 liegt. Der Widerstandswert des Widerstands 55
bestimmt somit den am AUSGANG abnehmbaren Strom Iref unabhän
gig vom Strom der Stromquelle 56.
Fig. 1 zeigt eine Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen
Strombegrenzungsschaltung.
Die in Fig. 1 dargestellte erfindungsgemäße Strombegrenzungs
schaltung für gesteuerte Halbleiter-Leistungsbauelemente ist
für einen MOS-Leistungstransistor 60 vorgesehen.
Bezugszeichen 20 bezeichnet einem Erfassungswiderstand, wel
cher in Reihe mit dem Hauptstrompfad des MOS-
Leistungstransistors 60 geschaltet ist, zum Erzeugen eines
den Strom durch den MOS-Leistungstransistor 60 wiedergebenden
Spannungsabfalls.
Eine Stromspiegel-Schaltungseinrichtung 30 umfaßt eine erste
Stromquelleneinrichtung 31 zum Erzeugen eines ersten Stroms
zwischen einem ersten und einem zweiten Bezugspotential, hier
der positiven Batteriespannung VB und und der negativen Bat
teriespannung (Masse), und durch den Erfassungswiderstand 20.
Weiterhin umfaßt die Stromspiegel-Schaltungseinrichtung 30
eine zweite Stromquelleneinrichtung 32 zum Erzeugen eines
zweiten Stromes zwischen dem Steuerpotential VG des Steueran
schlusses des MOS-Leistungstransistors 60 und einem dritten
Bezugspotential (hier Masse).
Schließlich ist in der Stromspiegel-Schaltungseinrichtung 30
eine Stromquellen-Kopplungsschaltung 33 zum Koppeln der er
sten und zweiten Stromquelleneinrichtung 31, 32 ansprechend
auf den Spannungsabfall des Erfassungswiderstandes vorgese
hen, welche so funktioniert daß, wenn der Spannungsabfall
größer als ein vorbestimmter Wert ist, der zweite Strom zur
Erniedrigung des Steuerpotentials erhöht wird, um den Strom
durch das Halbleiter-Leistungsbauelement zu begrenzen.
Fig. 2 zeigt ein Schaltbild einer ersten bevorzugten Ausfüh
rungsform der erfindungsgemäßen Strombegrenzungsschaltung.
In Fig. 2 bezeichnen die Bezugszeichen 51', 52', 53' und 54'
NPN-Bipolartransistoren, wobei die Transistoren 52' und 54'
sowie 51' und 53' jeweils in Reihe geschaltet sind und einen
ersten und zweiten Hauptstrompfad 501' bzw. 502' definieren.
Der erste Hauptstrompfad 501' liegt zwischen dem positiven
Batteriepotential VB und dem negativen Batteriepotential
(Masse) und enthält eine Konstantstromquelle 56' sowie den
Widerstand 55'.
Der zweite Hauptstrompfad 502' liegt zwischen dem Steueran
schluß (Gate) eines MOS-Leistungstransistors 60 und dem nega
tiven Batteriepotential (Masse). Durch ihn wird die Ansteuer
signalquelle, welche das Ansteuerpotential VG liefert, mit
einem Strom IA belastet.
Die Emitterflächen der Transistoren 52' und 51' stehen im
Verhältnis 1 : m, die Emitterflächen der Transistoren 54' und
53' im Verhältnis n : 1.
Wendet man die für diese Schaltung gültigen Maschengleichun
gen analog wie bei der bereits beschriebenen Stromquellen
schaltung nach Fig. 5 an, so ergibt sich für die Differenz
der Emitterpotentiale der Transistoren 54' und 53'
UR' = ln(m . n) . kT/e
unabhängig vom Verhältnis der Ströme in den Pfaden 501' und
502'.
Die Differenz der Emitterspannungen wird als Spannungsabfall
UR' an den Erfassungswiderstand 55' eingeprägt.
Ist der Spannungsabfall an UR' ungleich ln(m . n) . kT/e, so kön
nen die Ströme in den Pfaden 501' und 502' so weit voneinan
der abweichen, bis die Basisströme nicht mehr vernachlässig
bar sind.
Ist UR' kleiner als ln(m . n) . kT/e, so nimmt der Strom im Zweig
502' einen um eine bis zwei Größenordnungen kleineren Wert an
als der vorgegebene Strom im Zweig 501'.
Steigt die Spannung UR' über ln(m . n) . kT/e an, so steigt der
Strom im Pfad 502' innerhalb weniger Millivolt Spannungsände
rung um mehrere Dekaden an.
Diese Eigenschaft nutzt die Erfindung aus, um eine genaue und
verzögerungsfreie Strombegrenzung zu realisieren, indem der
Strom des Pfades 502' dazu benutzt wird, das Ansteuerpotenti
al des Halbleiter-Leistungsschalters zu vermindern.
Der Widerstand 55', der zwischen den Transistor 54' und Masse
geschaltet ist, liegt weiterhin in Reihe mit dem
Hauptstrompfad des gesteuerten MOS-Leistungstransistors 60
und erzeugt einen den dadurch fließenden Strom wiedergebenden
Spannungsabfall.
Die in Fig. 2 gezeigte erste Ausführungsform unterscheidet
sich von der in Fig. 5 gezeigten Referenzstromquellenschal
tung dadurch, daß anstelle des Widerstandes 55 gemäß Fig. 5
der Widerstand 55' als Shuntwiderstand vorgesehen ist, der
vom Laststrom durchflossen wird. Er wirkt wegen seines um
Größenordnungen niedrigeren Widerstandswerts wie eine last
stromabhängige Spannungsquelle. Außerdem sind die Emitterver
hältnisse gegenüber denjenigen von Fig. 5 vertauscht.
Aufgrund der internen Kopplung der beiden Strompfade 501' und
502' ist der Ausgangsstrom IA, der im zweiten Strompfad 502'
fließt, wesentlich kleiner als der Eingangsstrom, der im er
sten Strompfad 501' fließt, wenn der Spannungsabfall UR' an
dem Widerstand 55' kleiner als ln(m . n) . kT/e ist.
Andererseits ist der Ausgangsstrom IA, der im zweiten
Strompfad 502' fließt, wesentlich größer als der Ein
gangsstrom, der im ersten Strompfad 501' fließt, wenn der
Spannungsabfall an dem Widerstand 55' größer als ln(m . n) . kT/e
ist.
Im Bereich des Spannungsabfalls mit dem Wert ln(m . n) . kT/e
steigt der Ausgangsstrom innerhalb einer Änderung des Span
nungsabfalls von einigen wenigen Millivolt um mehrere Dekaden
an.
So kann man die gewünschte Strombegrenzung dadurch erreichen,
daß man den Eingangsstrom größenordnungsmäßig richtig wählt
und den Ausgangsstrom IA vom Steueranschluß des MOS-
Leistungstransistors 60 abzweigt.
Fig. 3 zeigt ein Schaltbild einer zweiten bevorzugten Ausfüh
rungsform der erfindungsgemäßen Strombegrenzungsschaltung.
Diese zweite bevorzugte Ausführungsform ist eine Erweiterung
der in Fig. 2 gezeigten ersten Ausführungsform und enthält
zusätzlich die NPN-Bipolartransistoren 59' und 60' sowie die
Stromquellen 57' und 58'.
Diese zusätzlichen Bauelemente dienen zu einer modifizierten
Kopplung des ersten und zweiten Strompfades 501' bzw. 502'.
Insbesondere ist bei dieser zweiten Ausführungsform die Basis
des zweiten Transistors 54' nicht wie bei der ersten Ausfüh
rungsform mit dem zwischen dem Emitter des dritten Transi
stors 51' und dem Kollektor des vierten Transistors 53' lie
genden Knoten verbunden, sondern dazwischen liegt eine weite
re Stromübersetzungsstufe, bestehend aus dem Transistor 60'
und der Stromquelle 58'.
Analog ist bei dieser zweiten Ausführungsform die Basis des
vierten Transistors 54' nicht wie bei der ersten Ausführungs
form mit dem zwischen dem Emitter des ersten Transistors 52'
und dem Kollektor des zweiten Transistors 54' liegenden Kno
ten verbunden, sondern dazwischen liegt noch eine weitere
Stromübersetzungsstufe, bestehend aus dem Transistor 59' und
der Stromquelle 57'.
Das Emitterflächenverhältnis zwischen der Stromübersetzungs
stufe, bestehend aus dem Transistor 60' und der Stromquelle
58', und der Stromübersetzungsstufe, bestehend aus dem Transi
stor 59' und der Stromquelle 57' beträgt l : 1, wobei das Ver
hältnis der durch die Stromquellen 58' und 57' erzeugten
Ströme 1 : k beträgt.
Die in Fig. 3 gezeigte Schaltung gemäß der zweiten bevorzug
ten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ermöglicht ei
nen noch steileren Anstieg des Ausgangsstroms IA im Bereich
des Spannungsabfalls mit dem Wert ln(m . n . k . l) . kT/e, denn die
beiden Stromübersetzungsstufen führen einen dritten und vier
ten Faktor in den Logarithmus ein, was einen größeren Span
nungsabfall UR' am Widerstand 55' ermöglicht.
Durch weitere Stromübersetzungsstufen ist also die relative
Genauigkeit der Schaltung kontinuierlich erhöhbar.
Die Stromquellen 58' und 57' mit dem Emitterverhältnis 1 : k
können im einfachsten Fall als Widerstände, bevorzugterweise
allerdings als NMOS-Transistoren ausgebildet sein, wobei als
gemeinsames Gatepotential dieser NMOS-Transistoren der ge
meinsame Basisanschluß der Transistoren 52' und 51' in Frage
kommt.
Fig. 4 zeigt ein Schaltbild einer dritten bevorzugten Ausfüh
rungsform der erfindungsgemäßen Strombegrenzungsschaltung.
Während die oben beschriebene erste und zweite Ausführungs
form vorzugsweise für einen Lowside-Schalter eingesetzt wer
den, betrifft die nachstehend erläuterte dritte Ausführungs
form speziell einen Highside-Schalter.
Bei solchen Highside-Schaltern steht bezogen auf das Ansteu
ersignal des MOS-Leistungstransistors 60 und den mit der Last
verbundenen Sourceanschluß des MOS-Leistungstransistors 60
keine Potentialversorgung zur Verfügung. Bei ihnen ist damit
zu rechnen, daß beim Abschalten induktiver Lasten sowohl das
Ansteuerpotential als auch das Sourcepotential negativer als
das Substratpotential werden, so daß keine Kollektoren von
NPN-Transistoren und keine Basen von lateralen PNP-
Transistoren mit der Source oder dem Gate des MOS-
Leistungstransistors 60 verbunden sein dürfen.
Die in Fig. 4 gezeigte dritte Ausführungsform der vorliegen
den Erfindung erfüllt diese Voraussetzungen.
In Fig. 4 bezeichnet die Bezugszeichen 61, 62, 63 und 64 NPN-
Bipolartransistoren und die Bezugszeichen 65, 66, 67 und 68
PNP-Bipolartransistoren.
Weiterhin bezeichnen die Bezugszeichen 71, 72, 73 und 74 so
wie 76 und 78 MOS-Transistoren.
Bezugszeichen 75 steht für eine Diode, VD bezeichnet das
Drain-Versorgungspotential und VG das Gateansteuerpotential
des MOS-Leistungstransistors 60.
Ein erster Stromspiegel besteht aus dem ersten und dem zwei
ten PNP-Bipolartransistor 65, 67, deren Emitter jeweils mit
dem Ansteuerpotential des Halbleiter-Leistungsbauelements 60
verbunden ist.
Ein zweiter Stromspiegel besteht aus dem dritten und dem
vierten PNP-Bipolartransistor 66, 68, deren Emitter jeweils
mit dem Ansteuerpotential des Halbleiter-Leistungsbauelements
60 verbunden ist.
Ein dritter Stromspiegel besteht aus dem ersten und dem zwei
ten MOS-Transistor 71, 73, deren Source jeweils mit einem Be
zugspotential, zweckmäßigerweise mit dem mit dem Lastaus
gangsanschluß verbundenen Anschluß des Erfassungswiderstands
55', verbunden ist.
Ein vierter Stromspiegel besteht aus dem dritten und dem
vierten MOS-Transistor 72, 74, deren Source jeweils mit einem
Bezugspotential, zweckmäßigerweise mit dem mit dem Lastaus
gangsanschluß verbundenen Anschluß des Erfassungswiderstands
55', verbunden ist.
Der Emitter des ersten NPN-Bipolartransistors 62 ist mit dem
Drain des dritten MOS-Transistors 72 verbunden.
Der zweite NPN-Bipolartransistor 64 ist zwischen den Kollek
tor des vierten PNP-Bipolartransistors 68 und den mit dem
Halbleiter-Leistungsbauelement 60 verbundenen Anschluß des
Erfassungswiderstands 55' geschaltet.
Der Emitter des dritten NPN-Bipolartransistor 61 ist mit dem
Drain des zweiten MOS-Transistors 73 verbunden.
Der vierte NPN-Bipolartransistor 63 ist zwischen den Kollek
tor des ersten PNP-Bipolartransistors 65 und den mit dem
Lastausgangsanschluß verbundenen Anschluß des Erfassungswi
derstands 55' geschaltet.
Die Basisanschlüsse des ersten und dritten NPN-Bipolar
transistors 62, 61 sind zusammengeschlossen, und die Kollek
toranschlüsse des ersten und dritten NPN-Bipolartransistors
62, 61 sind über eine Diode 75 in Flußrichtung mit dem An
steuerpotential VG des Halbleiter-Leistungsbauelements 60
verbunden.
Der Emitter der ersten NPN-Bipolartransistors 62 ist mit der
Basis des vierten NPN-Bipolartransistors 63 verbunden, und
der Emitter der dritten NPN-Bipolartransistors 61 ist mit der
Basis des zweiten NPN-Bipolartransistors 64 verbunden.
Der fünfte MOS-Transistor 76 und der sechste MOS-Transistor
78 sind in Reihe zwischen das Bezugspotential, also den mit
dem Lastausgangsanschluß verbundenen Anschluß des Erfassungs
widerstands 55', und den mit einem Versorgungspotential VD
verbundenen Anschluß des Halbleiter-Leistungsbauelements 60
geschaltet.
Dabei ist das Gate des fünften MOS-Transistors 76 mit dem
Kollektor des dritten PNP-Bipolartransistors 66 und das Gate
des sechsten MOS-Transistors 78 mit dem Ansteuerpotential des
Halbleiter-Leistungsbauelements 60 verbunden.
Schließlich ist ein Knoten zwischen dem fünften und dem sech
sten MOS-Transistor 76, 78 mit der gemeinsamen Basis des er
sten und dritten NPN-Transistors 62, 61 verbunden.
Im Gegensatz zur zuvor beschriebenen ersten und zweiten Aus
führungsform sind somit die vier NPN-Bipolartransistoren 61,
62, 63 und 64 nicht mehr paarweise in Reihe geschaltet, son
dern die jeweiligen zwei Stromspiegel, die aus PNP-
Bipolartransistoren 65, 66, 67 und 68 sowie MOS-Transistoren
71, 72, 73 und 74 aufgebaut sind, nehmen den Kollektorstrom
des unteren NPN-Bipolartransistors 63, 64 ab und speisen ihn
wieder in den oberen NPN-Bipolartransistor 61, 62 ein.
Damit ist kein Kollektor eines NPN-Transistors über in Fluß
richtung gepolte PN-Übergänge mit dem Sourceanschluß des MOS-
Leistungstransistors 60 verbunden.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebe
nen Ausführungsformen beschränkt. Insbesondere können zur Er
höhung der Empfindlichkeit weitere Stromspiegel mit entspre
chendem Stromverhältnis in die Schaltung eingefügt werden.
20
Erfassungswiderstand
30
Stromspiegel-Schaltungseinrichtung
31
1. Stromquelleneinrichtung
32
2. Stromquelleneinrichtung
33
Stromquellen-Kopplungsschaltung
60
MOS-Leistungstransistor
VB
VB
positives Batteriepotential
VG
VG
Ansteuerpotential
VD
VD
Drain-Versorgungspotential
51
,
51
' 3. NPN-Transistor
52
,
52
' 1. NPN-Transistor
53
,
53
' 4. NPN-Transistor
54
,
54
' 2. NPN-Transistor
56
,
56
' Stromquelle
501
,
501
' 1. Strompfad
502
,
502
' 2. Strompfad
55
,
55
' Erfassungswiderstand
Iref
Iref
Ausgangsstrom
UR
UR
, UR
' Spannungsabfall am Erfassungswiderstand
57
' Stromquelle
58
' Stromquelle
59
' 6. NPN-Transistor
60
' 5. NPN-Transistor
61
3. NPN-Transistor
62
1. NPN-Transistor
63
4. NPN-Transistor
64
2. NPN-Transistor
65
1. PNP-Transistor
66
3. PNP-Transistor
67
2. PNP-Transistor
68
4. PNP-Transistor
71
1. MOS-Transistor
72
3. MOS-Transistor
73
2. MOS-Transistor
74
4. MOS-Transistor
75
Diode
76
5. MOS-Transistor
78
6. MOS-Transistor
Claims (10)
1. Strombegrenzungsschaltung für gesteuerte Halbleiter-
Leistungsbauelemente (60), und insbesondere für Lei
stungstransistoren, mit:
- - einem Erfassungswiderstand (20, 55'), welcher in Reihe
mit dem Hauptstrompfad des gesteuerten Halbleiter-
Leistungsbauelements (60) geschaltet ist, zum Erzeugen
eines den Strom durch das gesteuerte Halbleiter-
Leistungsbauelement (60) wiedergebenden Spannungsab
falls;
gekennzeichnet durch - - eine Stromspiegel-Schaltungseinrichtung (30) mit:
- a) einer ersten Stromquelleneinrichtung (31) zum Er zeugen eines ersten Stroms zwischen einem ersten und einem zweiten Bezugspotential (VB, MASSE);
- b) einer zweiten Stromquelleneinrichtung (32) zum Er zeugen eines zweiten Stromes zwischen dem Steuerpo tential (VG) des Steueranschlusses des Halbleiter- Leistungsbauelements (60) und einem dritten Bezugs potential (MASSE); und
- c) einer Stromquellen-Kopplungsschaltung (33) zum Kop peln der ersten und zweiten Stromquelleneinrichtung (31, 32) ansprechend auf den Spannungsabfall (UR') des Erfassungswiderstandes (20, 55'), so daß, wenn der Spannungsabfall (UR') größer als ein vorbe stimmter Wert ist, der zweite Strom zur Erniedri gung des Steuerpotentials (VG) erhöht wird, um den Strom durch das Halbleiter-Leistungsbauelement (60) zu begrenzen.
2. Strombegrenzungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß
- - die erste Stromquelleneinrichtung (31) einen ersten und einen zweiten Bipolartransistor (52', 54'; 62, 64) enthält, die so verschaltet sind, daß sich deren Kollektorströme pro portional zueinander verhalten;
- - die zweite Stromquelleneinrichtung (32) einen dritten und einen vierten Bipolartransistor (51', 53'; 61, 63) ent hält, wobei der dritte Bipolartransistor (51'; 61) an seinem Emitter einen Strom eingeprägt erhält, der zu dem Kollektor strom des vierten Bipolartransistors (53'; 63) proportional ist; und
- - die Emitter-Basis-Spannung des vierten Bipolartransi stors (53'; 63) als Spannungsanteile den Spannungsabfall am Erfassungswiderstand, die Emitter-Basis-Spannung des zweiten und dritten Bipolartransistors (54', 51'; 64, 61) mit positi vem Vorzeichen und die Emitter-Basis-Spannung des ersten Bi polartransistors (52', 62) mit negativem Vorzeichen enthält.
3. Strombegrenzungsschaltung nach Anspruch 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß mindestens einer der vier Bipolartransisto
ren (51'-54'; 61-64) eine von den anderen Bipolartransi
storen abweichende Emitterfläche aufweist.
4. Strombegrenzungsschaltung nach Anspruch 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Emitter-Basis-Spannung des vierten Bi
polartransistors (53'; 63) weitere konstante Spannungsanteile
enthält, deren Beträge sich aus der Differenz der Emitter-
Basis-Spannungen weiterer mit unterschiedlicher Emitterstrom
dichte betriebener Bipolartransistoren ergeben.
5. Strombegrenzungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis
3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromspiegel-
Schaltungseinrichtung (30) aufweist:
- - einen ersten und einen zweiten Bipolartransistor (52', 54'), welche zusammen mit einer Stromquelle (56') in Reihe zwischen das erste Bezugspotential (VB) und einen mit dem Sourceanschluß des Halbleiter-Leistungsbauelements (60) ver bundenen Anschluß des Erfassungswiderstandes (55') geschaltet sind;
- - einen dritten und einen vierten Bipolartransistor (51', 53'), welche in Reihe zwischen das Ansteuerpotential (VG) und das dritte Bezugspotential (MASSE) geschaltet sind;
- - wobei der erste Bipolartransistor (52') an seinem Kol lektor und seiner Basis zusammengeschlossen ist und der erste und der dritte Bipolartransistor (52', 51') an ihrer Basis zusammengeschlossen sind;
- - wobei die Basis des zweiten Bipolartransistors (54') mit einem zwischen dem Emitter des dritten (54') und dem Kollek tor des vierten Bipolartransistors (53') liegenden Knoten verbunden ist; und
- - wobei die Basis des vierten Bipolartransistors (53') mit einem zwischen dem Emitter des ersten (52') und dem Kollektor des zweiten Bipolartransistors (54') liegenden Knoten verbun den ist.
6. Strombegrenzungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis
4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromspiegel-
Schaltungseinrichtung aufweist:
- - einen ersten und einen zweiten Bipolartransistor (52', 54'), welche zusammen mit einer Stromquelle (56') in Reihe zwischen das erste Bezugspotential (VB) und einen mit dem Sourceanschluß des Halbleiter-Leistungsbauelements (60) ver bundenen Anschluß des Erfassungswiderstandes (55') geschaltet sind;
- - einen dritten und einen vierten Bipolartransistor (51', 53'), welche in Reihe zwischen das Ansteuerpotential (VG) und das dritte Bezugspotential (MASSE) geschaltet sind;
- - wobei der erste Bipolartransistor (52') an seinem Kol lektor und seiner Basis zusammengeschlossen ist und der erste und der dritte Bipolartransistor (52', 51') an ihrer Basis zusammengeschlossen sind;
- - einen fünften und einen sechsten Bipolartransistor (60', 59'), welche jeweils in Reihe mit einer zugehörigen Strom quelle (57', 58') zwischen das erste und das zweite Bezugspo tential (VB, MASSE) geschaltet sind;
- - wobei die Basis des zweiten Bipolartransistors (54') mit einem zwischen dem Emitter des fünften Bipolartransistors (60') und der entsprechenden Stromquelle (58') liegenden Kno ten verbunden ist und die Basis des fünften Bipolartransi stors (59') mit einem zwischen dem Emitter des dritten (51') und dem Kollektor des vierten Bipolartransistors (53') lie genden Knoten verbunden ist; und
- - wobei die Basis des vierten Bipolartransistors (53') mit einem zwischen dem Emitter des sechsten Bipolartransistors (59') und der entsprechenden Stromquelle (57') liegenden Kno ten verbunden ist und die Basis des sechsten Bipolartransi stors (59') mit einem zwischen dem Emitter des ersten (51') und dem Kollektor des zweiten Bipolartransistors (54') lie genden Knoten verbunden ist.
7. Strombegrenzungsschaltung nach Anspruch 6, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Stromquellen (57', 58') des fünften und
sechsten Bipolartransistors (60', 59') jeweils ein Widerstand
sind.
8. Strombegrenzungsschaltung nach Anspruch 6, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Stromquellen (57', 58') des fünften und
sechsten Bipolartransistors (60', 59') jeweils ein NMOS-
Transistor sind.
9. Strombegrenzungsschaltung nach Anspruch 8, dadurch ge
kennzeichnet, daß das gemeinsame Gatepotential der NMOS-
Transistoren das Potential des gemeinsamen Basisanschlusses
des ersten und dritten Bipolartransistors (52', 51') ist.
10. Strombegrenzungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis
4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromspiegel-
Schaltungseinrichtung (30) aufweist:
- - einen ersten Stromspiegel bestehend aus einem ersten und einem zweiten PNP-Bipolartransistor (65, 67), deren Emitter jeweils mit dem Ansteuerpotential (VG) des Halbleiter- Leistungsbauelements (60) verbunden ist;
- - einen zweiten Stromspiegel bestehend aus einem dritten und einem vierten PNP-Bipolartransistor (66, 68), deren Emit ter jeweils mit dem Ansteuerpotential (VG) des Halbleiter- Leistungsbauelements (60) verbunden ist;
- - einen dritten Stromspiegel bestehend aus einem ersten und einem zweiten MOS-Transistor (71, 73), deren Source je weils mit einem Bezugspotential verbunden ist;
- - einen vierten Stromspiegel bestehend aus einem dritten und einem vierten MOS-Transistor (72, 74), deren Source je weils mit einem Bezugspotential verbunden ist;
- - einen ersten NPN-Bipolartransistor (62), dessen Emitter mit dem Drain des dritten MOS-Transistors (72) verbunden ist;
- - einen zweiten NPN-Bipolartransistor (64), der zwischen den Kollektor des vierten PNP-Bipolartransistors (68) und den mit dem Halbleiter-Leistungsbauelement (60) verbundenen An schluß des Erfassungswiderstands (55') geschaltet ist;
- - einen dritten NPN-Bipolartransistor (61), dessen Emitter mit dem Drain des zweiten MOS-Transistors (73) verbunden ist;
- - einen vierten NPN-Bipolartransistor (63), der zwischen den Kollektor des ersten PNP-Bipolartransistors (65) und den mit dem Lastausgangsanschluß verbundenen Anschluß des Erfas sungswiderstands (55') geschaltet ist;
- - wobei die Basisanschlüsse des ersten und dritten NPN- Bipolartransistors (62, 61) zusammengeschlossen sind und die Kollektoranschlüsse des ersten und dritten NPN-Bipolar transistors (62, 61) über eine Diode (75) in Flußrichtung mit dem Ansteuerpotential (VG) des Halbleiter- Leistungsbauelements (60) verbunden sind;
- - wobei der Emitter der ersten NPN-Bipolartransistors (62) mit der Basis des vierten NPN-Bipolartransistors (63) verbun den ist und der Emitter der dritten NPN-Bipolartransistors (61) mit der Basis des zweiten NPN-Bipolartransistors (64) verbunden ist;
- - einen fünften MOS-Transistor (76) und einen sechsten MOS-Transistor (78), die in Reihe zwischen das Bezugspotenti al des vierten Stromspiegels und den mit einem Versorgungspo tential (VD) verbundenen Anschluß des Halbleiter- Leistungsbauelements (60) geschaltet sind;
- - wobei das Gate des fünften MOS-Transistors (76) mit dem Kollektor des dritten PNP-Bipolartransistors (66) und das Ga te des sechsten MOS-Transistors (78) mit dem Ansteuerpotenti al (VG) des Halbleiter-Leistungsbauelements (60) verbunden ist; und
- - wobei ein Knoten zwischen dem fünften und dem sechsten MOS-Transistor (76, 78) mit der gemeinsamen Basis des ersten und dritten NPN-Bipolartransistors (62, 61) verbunden ist.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: INFINEON TECHNOLOGIES AG, 81669 MUENCHEN, DE |
|
D2 | Grant after examination | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |