DE19739999A1

DE19739999A1 - Ansteuerschaltung für ein Feldeffekt gesteuertes Leistungs-Halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE19739999A1
Application number: DE19739999A
Authority: DE
Inventors: Jenoe Dr Ing Tihanyi
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 1997-09-11
Filing date: 1997-09-11
Publication date: 1999-03-18
Anticipated expiration: 2017-09-12
Also published as: US6169441B1; DE19739999C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Ansteuerschaltung für ein Feldef fekt gesteuertes Leistungs-Halbleiterbauelement gemäß der deutschen Patentanmeldung 196 3 1362.7.

Prinzip dieser Ansteuerschaltung ist es, daß als Serienwider stand ein Steuerwiderstand eingesetzt wird, welcher in Abhän gigkeit vom Zustand der Schutzschaltung (aktiv oder inaktiv) hochohmig oder niederohmig geschaltet wird. Im Kurzschlußfall wird der Steuerwiderstand hochohmig geschaltet, wodurch die Gate-Source-Spannung am Leistungs-Halbleiterbauelement über ein geeignetes Schaltmittel reduziert werden kann und somit der Kurzschlußstrom begrenzt wird. Vorzugsweise kann der steuerbare Widerstand nur dann niederohmig geschaltet werden, wenn ein entsprechendes Ansteuersignal vorliegt. Eine beson ders einfache Realisierung ergibt sich durch eine Schaltdi ode, welche in Flußrichtung das Gate eines Depletion-MOSFET ansteuert, dessen Laststrecke den steuerbaren Widerstand bil det.

Bei der in der deutschen Patentanmeldung 196 31 362.7 be schriebenen Ansteuerschaltung ist der steuerbare Widerstand, der bei Aktivierung der Schutzschaltung hochohmig geschaltet und bei Deaktivierung der Schutzschaltung niederohmig ge schaltet wird, ein Depletion-MOSFET. Dieser Depletion-MOSFET verfügt über eine interne Gate-Source-Kapazität, die sich bei einem positiven Ansteuersignal an der Steuereingangsklemme auf die Ansteuerspannung der Eingangsklemme auflädt und somit den Steuerwiderstand, also den Depletion-MOSFET, niederohmig schaltet. Solange die Schaltung normal arbeitet und kein Überstrom vorliegt, bleibt dieser Zustand erhalten. Im Kurz schlußfall wird eine Überstrombegrenzungsschaltung aktiviert, welche die interne Gate-Source-Kapazität des Depletion-MOSFET entlädt.

Eine solche Ansteuerschaltung zeichnet sich durch eine im Vergleich zu anderen Schaltungsanordnungen verkürzte Ein schaltzeit im Normalfall und eine Begrenzung der Gate-Source- Spannung des Leistungs-Halbleiterbauelementes im Kurzschluß fall ermöglicht aus.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die in der deut schen Patentanmeldung 196 31 362.7 beschriebene Ansteuer schaltung weiterzubilden.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1, 2 oder 3 gelöst.

Zusätzliche Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprü che.

Bei der Erfindung wird das Prinzip der in deutschen Patentan meldung 196 31 362.7 beibehalten. Allerdings wird als Steuer widerstand jetzt ein Enhancement-MOSFET eingesetzt. Es kann parallel zur Gate-Source-Kapazität des durch einen MOSFET ge bildeten Steuerwiderstandes auch eine externe Kapazität ge schaltet sein. Schließlich kann parallel zu der Drain-Source- Strecke des Steuerwiderstandes ein ohmscher Widerstand paral lel geschaltet sein.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von drei Figuren näher erläutert: Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsge mäßen Anordnung,

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemä ßen Anordnung, bei welcher nur die relevanten Schal telemente dargestellt sind, und

Fig. 3 den zeitlichen Verlauf der an der Eingangsklemme 1 anliegenden Steuersignals sowie der Gate-Source spannung mit und ohne der erfindungsgemäßen Anord nung.

In Fig. 1 ist mit 1 eine Eingangsklemme bezeichnet, an wel che das Ansteuersignal anlegbar ist. Diese Klemme 1 ist über die Laststrecke eines Enhancement-MOSFET 4 mit dem Gate eines Leistungs-MOSFET 9 verbunden. Des weiteren ist die Eingangs klemme 1 über einen Widerstand 2 und eine in Flußrichtung ge schaltete Diode 3 mit dem Gate des Enhancement-MOSFET 4 ver schaltet. Das Gate des Enhancement-MOSFET 4 ist über die Laststrecke eines Enhancement-MOSFET 6 mit Masse verbunden. Der Substratanschluß des Enhancement-MOSFET 4 ist ebenso mit Masse verschaltet. Mit 5' ist gestrichelt die Gate-Source Ka pazität des Enhancement-MOSFET 4 dargestellt. Das Bezugszei chen 5 steht für eine externe, parallel zur Gate-Source Kapa zität 5' geschaltete Kapazität. Eine Schutzschaltung 8 ist vorgesehen, welche die Spannung zwischen Drain und Source des Leistungs-MOSFET 9 abgreift. Die Schutzschaltung 8 erzeugt ein Ausgangssignal, das einerseits dem Gate des MOSFET 6 so wie andererseits dem Gate eines weiteren Enhancement-MOSFET 7 zugeführt wird. Die Laststrecke des MOSFET 7 ist zwischen Ga teanschluß des Leistungs-MOSFET 9 und Masse geschaltet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Leistungs-MOSFET 9 ein Low-Side-Schalter, dessen Drainanschluß mit einer An schlußklemme 10 und dessen Sourceanschluß mit Masse verbunden ist. Zwischen Source und Drain des Enhancement-MOSFET 4 ist zusätzlich ein Widerstand geschaltet.

Im Normalfall wird durch ein positives Ansteuersignal an der Eingangsklemme 1 sowohl die Gatekapazität 5' des Enhancement- MOSFET 4 als auch die externe Kapazität 5 durch die Diode 3 auf eben diese Ansteuerspannung aufgeladen und steuert somit den Enhancement-MOSFET 4 niederohmig. So lange die Schaltung normal arbeitet und kein Überstrom vorliegt, bleibt dieser Zustand erhalten.

Im Kurzschlußfall wird die Überstrombegrenzungsschaltung 8 aktiviert und steuert sowohl den MOSFET 6 wie auch den MOSFET 7 an. Dadurch wird der MOSFET 6 leitend geschaltet und ent lädt die Gatekapazität 5 des Enhancement-MOSFET 4. Durch die se Maßnahme erhöht sich der Widerstand der Laststrecke des Enhancement-MOSFET 4 und die Strombegrenzung des Leistungs- MOSFET 9 wird nun dadurch aktiviert, daß der MOSFET 7 leitend geschaltet wird und die Gate-Sourcespannung des Leistungs- MOSFET 9 verringert.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für den Widerstand 2 und die Diode 3 gemäß Fig. 1. Alle übrigen Bauelemente ent sprechen denen gemäß Fig. 1, wobei die Elemente 8, 9 und 10 in Fig. 2 nicht dargestellt sind. Der Widerstand 2 und die Diode 3 werden gemäß Fig. 2 durch einen Enhancement-MOSFET 11 realisiert. Dessen Laststrecke ist zwischen Versorgungs spannungsklemme und Gateanschluß des Enhancement-MOSFET 4 ge schaltet. Der Gateanschluß des MOSFET 11 ist ebenfalls mit der Eingangsklemme 1 verbunden. Der Substratanschluß des MOSFET 11 ist mit Masse verschaltet.

Gemäß Fig. 3 ist zu sehen, welche Auswirkungen eine erfin dungsgemäße Anordnung auf das Schaltverhalten des Leistungs- MOSFET hat. Zum Zeitpunkt t₀ wird das Ansteuersignal U_IN an die Anschlußklemme 1 angelegt. Bei einer Schaltungsanordnung gemäß dem Stand der Technik ist der Verlauf der Gate-Source spannung am Leistungs-MOSFET 9 durch den Verlauf der Kurve U_GSIST dargestellt. Die Spannung steigt zuerst auf einen mitt leren Wert U₁ an und beginnt zum Zeitpunkt t₂ sich mit einem E-funktionsförmigen Verlauf der Spannung U₂, welche im we sentlichen der Eingangsspannung U_IN entspricht, zu nähern.

U_GSSOLL stellt den Verlauf der Gate-Sourcespannung am Lei stungs-MOSFET beim Einsatz einer erfindungsgemäßen Anordnung dar. Im Gegensatz zum bisherigen Verlauf steigt nun die Gate- Sourcespannung am Leistungs-MOSFET 9 bereits zu einem Zeit punkt t₁, der zwischen dem Zeitpunkt t₀ und dem Zeitpunkt t₂ liegt, rasch an und nähert sich so erheblich früher dem ei gentlichen Endwert U₂.

Die Erfindung ist sowohl bei Low-Side-Schaltern, gemäß Fig. 1 bzw. Fig. 2, wie auch bei High-Side-Schaltern anwendbar. Wesentlich ist, daß durch die Erfindung erreicht wird, daß der Gatewiderstand des Leistungs-MOSFET, d. h. die Laststrecke des Enhancement-MOSFET 4, im Normalbetrieb klein und im Kurz schlußfall groß ist. Die Erfindung kann in allen bekannten Technologien in integrierter Form ausgeführt werden.

Bezugszeichenliste

1

Eingangsklemme

2

Widerstand

3

Diode

4

steuerbarer Widerstand, Enhancement-MOSFET

5

externe Kapazität

5

' Gate-Source-Kapazität

6

MOSFET

7

MOSFET

8

Schutzschaltung

9

Leistungs-MOSFET

10

Anschlußklemme

11

MOSFET

12

Widerstand
U_IN

Ansteuersignal, Eingangsspannung
U_GSSOLL

Gate-Sourcespannung am Leistungs-MOSFET

9

beim Stand der Technik
U_GSIST

Gate-Sourcespannung gemäß Erfindung
U₁

, U₂

Spannungswerte
t₀

, t₁

, t₂

Zeitpunkte

Claims

1. Ansteuerschaltung für ein Feldeffekt gesteuertes Lei stungs-Halbleiterbauelement mit einem Widerstand, über den ein Ansteuersignal dem Gate des Leistungs-Halbleiterbauele ments zugeführt wird, mit steuerbaren Mitteln zum Begrenzen der Gatespannung des Leistungs-Halbleiterbauelements, die zwischen Gate und Sourceanschluß des Leistungs-Halbleiter bauelements geschaltet sind, mit einer Schutzschaltung, die die steuerbaren Mitteln ansteuert, wobei der Widerstand ein steuerbarer Widerstand ist, der bei Aktivierung der Schutz schaltung hochohmig geschaltet wird und bei Deaktivierung der Schutzschaltung niederohmig geschaltet wird, gemäß P 196 31 362.7, dadurch gekennzeichnet, daß der steuerbare Widerstand die Laststrecke eines Enhance ment-MOSFET (4) ist.

2. Ansteuerschaltung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß der steuerbare Widerstand die Laststrecke eines MOSFET (4) ist mit einer internen Gate-Source-Kapazität (5'), der eine externe Kapazität (5) parallel geschaltet ist.

3. Ansteuerschaltung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß der steuerbare Widerstand die Laststrecke eines MOSFET (4) ist, welcher ein ohmscher Widerstand (12) parallel ge schaltet ist.

4. Ansteuerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Schaltmittel vorgesehen sind, die in Abhängigkeit des An steuersignals den als MOSFET (4) ausgebildeten, steuerbaren Widerstand niederohmig schalten.

5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Gateanschluß des den steuerbaren Widerstand bildenden MOSFET (4) und Masse die Laststrecke eines Enhance ment-MOSFET (6) geschaltet ist, der durch die Schutzschaltung angesteuert wird.

6. Ansteuerschaltung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltmittel ein Widerstand (2) und eine Diode (3) sind, die in Reihe zwischen Eingangsklemme (1) und Gate des Depletion-MOSFET (4) geschaltet sind.

7. Ansteuerschaltung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltmittel ein Enhancement-MOSFET (11) sind, dessen Last strecke zwischen Eingangsklemme (1) und Gate des Depletion- MOSFET (4) geschaltet sind und dessen Gateanschluß mit der Eingangsklemme (1) verbunden ist.