DE19745218C2

DE19745218C2 - Steuerschaltung und Verfahren zur Steuerung des Schaltens von MOS-Gate-gesteuerten Leistungshalbleiterbauteilen

Info

Publication number: DE19745218C2
Application number: DE19745218A
Authority: DE
Inventors: Stefano Clemente
Original assignee: International Rectifier Corp USA
Current assignee: Infineon Technologies Americas Corp
Priority date: 1996-10-21
Filing date: 1997-10-13
Publication date: 2002-10-10
Anticipated expiration: 2017-10-14
Also published as: FR2754958A1; KR100334761B1; GB9722243D0; GB2318467B; DE19745218A1; US6127746A; KR19980032986A; GB2318467A; ITMI972357A1; TW437084B; JP3212924B2; IT1295361B1; JPH10173500A; FR2754958B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Steuerschaltung sowie ein Verfahren zum Steuern des Schaltens von MOS-Gate- gesteuerten Leistungshalbleiterbauteilen der im Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 4 und 5 genannten Art.

Mit einer Klemmschaltung versehene induktive Lastschaltungen werden in vielen Fällen durch MOS-Gate-gesteuerte Leistungs halbleiterbauteile angesteuert, die durch eine Steuerschaltung ein- und ausgeschaltet werden.

Leistungstransistorbauteile lenken beim Ein- oder Ausschalten den Stromfluß um und ändern die Spannungsverteilung beispiels weise einer Leistungswandlerschaltung. Transistoren mit MOS- Gate-Steuerung, wie z. B. MOSFET-Bauteile oder IGBT-Bauteile, führen diesen Vorgang innerhalb eines Bruchteils einer Mikro sekunde mit sehr hohen Spannungs- und Stromanstiegsgeschwindig keiten aus. Die schnellen Schalt-Wellenfronten ihrer Schwin gungsformen sind aus Gründen einer Verringerung der Schaltver luste und zur Vergrößerung der Betriebsfrequenz wünschenswert, haben jedoch auch die nachteilige Auswirkung der Erzeugung unerwünschter elektromagnetischer Störungen (EMI) in der Umgebung. Bei Umgebungen, in denen die EMI-Störanfälligkeit kritisch ist oder in denen die EMI-Störungen gesetzlich geregelt sind, ist es wünschenswert, die Spannungs- und Strom-Schwin gungsformen unabhängig voneinander einzustellen, um diese For derungen ohne unnötige Vergrößerung der Schaltverluste zu erfüllen.

Eine mit einer Klemmschaltung versehene induktive Lastschaltung ist eine Leistungsschaltung, deren Lastinduktivität verhindert, daß ihr Strom innerhalb einer Periode der Betriebsfrequenz auf Null gebracht wird. Die meisten Leistungswandlerschaltungen sind mit einer Klemmschaltung versehene induktive Lastschaltungen. Fig. 1A zeigt eine vereinfachte Darstellung einer mit einer Klemmschaltung versehenen induktiven Lastschaltung, bei der ein MOSFET 103 in den leitenden und nicht-leitenden Zustand geschal tet wird. Der Schalt-Einschwingvorgang kann in eine Anzahl von Intervallen unterteilt werden, wie dies in den Fig. 1B und 1C gezeigt ist, in denen das Stromanstiegsintervall und das Spannungsabfallintervall einander folgen und unabhängig vonein ander steuerbar sind.

Während die Gate-Ansteuerschaltung einen Strom in die Gate-Elek trode einspeist, steigt die Gate-Spannung nach Art eines Konden sators, der geladen wird, wie dies im Intervall 1 nach Fig. 1B gezeigt ist. Wenn die Gate-Spannung V_gs die Schwellenwert spannung des MOSFET 103 erreicht, so steigt der Drain-Strom I_d an und leitet Strom von der Freilaufdiode 102 ab, wie dies in dem Intervall 2 gezeigt ist. Solange, wie die Diode 102 Strom führt, ist die Drain-Spannung auf die Versorgungsspannung ge klemmt. Wenn der gesamte Strom (einschließlich des Sperrverzöge rungsstromes, falls vorhanden) von der Diode auf den MOSFET umgeleitet wurde, sinkt die Drain-Spannung auf ihren endgültigen vollständig angereicherten Wert ab. Entsprechend beginnt die Drain-Spannung lediglich dann abzusinken, wenn der Drain-Strom anstieg abgeschlossen ist, was eine getrennte Steuerung beider Schwingungsformen ermöglicht. Dieser Vorgang ist ausführlich in der Application Note AN-944 der Fa. International Rectifier mit dem Titel 'A New Gate Charge Factor Leads to Easy Drive Design for Power MOSFET Circuits' beschrieben.

Während des Drain-Stromanstiegs, der im Intervall 2 gezeigt ist, ist der Drain-Strom proportional zur Gate-Spannung, und die Anstiegsgeschwindigkeit der Gate-Spannung bestimmt den Wert von di/dt beim Schaltvorgang. Weil sich die Gate-Kapazität des MOSFET 103 wie ein Kondensator 103B verhält, kann die Stromanstiegszeit durch eine Steuerung der Strommenge gesteuert werden, die dem Gate zugeführt wird. Die Sperrverzögerung der Diode verlängert das Intervall 2.

Während des Absinkens der Drain-Spannung, die als Intervall 3 gezeigt ist, entladen sich die Ausgangskapazität 103A und die Rückwirkungskapazität 103C des MOSFET 103. Die Geschwindigkeit, mit der diese beiden Kapazitäten entladen werden, bestimmt die Geschwindigkeit, mit der die Drain-Spannung absinkt. Während sich die Ausgangskapazität sehr schnell über den Kanalwiderstand entlädt, entlädt sich die Rückwirkungskapazität lediglich über die Gate-Ansteuerschaltung. Der flache Abschnitt der Gate- Spannungskurve, der im Intervall 3 gezeigt ist, zeigt an, daß der dem Gate-Anschluß zugeführte Strom fast vollständig der Rückwirkungskapazität zugeführt wird, während sich die Spannung längs der Eingangskapazität nicht ändert. Entsprechend kann der Wert von dv/dt an dieser Stelle durch Zuführen einer geeigneten Strommenge an das Gate gesteuert werden.

Am Ende des Intervalls 3 ist der Schalt-Einschwingvorgang abge schlossen und ein zusätzlicher, dem Gate zugeführter Strom, ändert weder die Drain-Spannung, noch den Drain-Strom, wie dies im Intervall 4 gezeigt ist.

Der Abschaltvorgang ist allgemein ein Spiegelbild des Einschalt vorganges. Zunächst wird die Gate-Spannung V_gs auf einen Wert verringert, der kaum den Drain-Strom aufrechterhält, wie dies im Intervall 1 der Fig. 1C gezeigt ist. Dann steigt die Spannung längs des Bauteils an, während der Drain-Strom konstant ist, wie dies im Intervall 2 gezeigt ist. Wenn die Spannung längs des MOSFET 103 die Versorgungsspannung um einen Wert gleich dem Diodenspannungsabfall übersteigt, so beginnt die Diode zu leiten, und der Laststrom wird von dem MOSFET zu der Diode über führt, wie dies im Intervall 3 gezeigt ist. Wie beim Einschalten des Bauteils erfolgen der Anstieg der Drain-Spannung und das Absinken des Drain-Stromes aufeinanderfolgend. Die Drain- Spannungsanstiegszeit wird somit im wesentlichen durch das Laden der Rückwirkungskapazität über die Gate-Schaltungsimpedanz 104 bestimmt, während die nachfolgende Drain-Stromabfallzeit durch die Entladung der Eingangskapazität bestimmt ist. Ein Spannungsüberschwinger tritt in vielen Fällen an der Drain- Elektrode auf, wenn das Intervall endet, wodurch dieses Inter vall verlängert wird.

Bauteile mit MOS-Gate-Steuerung und einer wesentlichen Minori tätsträgerkomponente des Stromes, wie z. B. IGBT-Bauteile, MCT- Bauteile und andere Abwandlungen hiervon, verhalten sich etwas anders beim Abschalten, weil ihre Stromabfallzeit durch die Rekombination der Minoritätsträger beeinflußt wird. In ähnlicher Weise wird die Stromanstiegszeit derartiger Bauteile beim Ein schalten durch den Trägerinjektionswirkungsgrad beeinflußt.

Typischerweise werden Widerstände in die Gate-Ansteuerschaltung eingefügt, um das Schalten zu verlangsamen. Ein zusätzlicher Widerstand 201 und eine Diode 202 gemäß Fig. 2A können der Schaltung nach Fig. 1A hinzugefügt werden, um die Schwingungs form beim Einschalten und beim Ausschalten zu ändern, und um insbesondere den Sperrverzögerungsstrom von der Diode zu be grenzen. Weil unterschiedliche jeweilige Stromwerte erforderlich sind, um die gewünschten Werte von di/dt und dv/dt zu erzielen, erfordert die Auswahl des zusätzlichen Widerstandes einen Kom promiß zwischen dem Erzielen des gewünschten Wertes von di/dt und dem Erzielen des gewünschten Wertes von dv/dt. Die zusätz lichen Widerstände in der Gate-Ansteuerschaltung machen die Schaltung weiterhin anfälliger für ein durch dv/dt hervorgeru fenes Einschalten, nämlich einen unerwünschten leitfähigen Zustand, der durch einen Einschwingstrom an der Drain-Elektrode hervorgerufen wird, der über die Rückwirkungskapazität der Gate-Elektrode zugeführt wird.

Im Gegensatz hierzu überbrückt die Diode 202 den in Fig. 2A gezeigten Widerstand 201 und umgeht den Widerstand, wodurch ein Pfad mit niedriger Impedanz für schnelle Einschwingvorgänge gebildet wird, die von der Drain-Elektrode injiziert werden, wobei jedoch die Möglichkeit einer Abschalt-Schwingungsform- Formung beseitigt wird.

Die Steuerung des Wertes von dv/dt wurde von der Fa. Siliconix unter Verwendung einer integrierten Gate-Treiberschaltung versucht, wie z. B. der Treiberschaltung vom Typ Si9910. Wie dies in Fig. 3 gezeigt ist, wird die Spannungsanstiegsgeschwindigkeit unter Verwendung einer kleinen Kapazität 308 gemessen, die mit der Drain-Elektrode des Leistungsbauteils 310 verbunden ist. Der gemessene Wert von dv/dt wird durch eine Rückführungsschleife gesteuert. Die Schaltung verwendet jedoch eine lineare Regel schleife, die zu Schwingungen neigt. Die integrierte Schaltung ergibt weiterhin eine Steuerung des Spitzenstroms, doch wird der Wert von di/dt in dem Leistungsbauteil lediglich dann ge steuert, wenn eine entsprechende Rückführung vorgesehen ist.

Zusätzlich schaltet das Kurzschlußschutzschema, das bei dieser Schaltung verwendet wird, den Leistungstransistor typischerweise in zwei Schritten ab, um Spannungsüberschwinger zu vermeiden, die häufig beim schnellen Abschalten eines großen Stromes auf treten. Die Gate-Spannung wird anfänglich auf die Hälfte ihres Anfangswertes verringert und dann vollständig abgeschaltet. Diese Lösung ermöglicht es, daß ein Leistungsbauteil bei einem Kurzschlußzustand langsam abgeschaltet wird, nämlich in zwei Schritten. Die Schaltung steuert jedoch nicht den Wert von di/dt während des Schaltens, weil sie zum Schutz des Bauteils gegen Überspannungs-Überschwinger bestimmt ist, die beim Abschalten eines Fehlers, wie z. B. eines Kurzschlusses auftreten, und die Schaltung wird durch den Fehler ausgelöst und ist im Normalbe trieb unwirksam. Derartige Verfahren sind in der Druckschrift 'IGBT Fault Current Limiting Circuit' vom R. Chokhawala und G. Castino, IR IGBT Data Book IGBT-3, Seite E-127 beschrieben.

Aus der EP 0 493 185 A1 ist eine Regelschaltung zur Regelung des dem Gate eines Leistungstransistors zugeführten Stromes bekannt. Zur Bildung des geschlossenen Regelkreises werden sowohl di/dt als auch du/dt gegengekoppelt, wodurch im Ver gleich zur ungeregelten Ausführungsform insbesondere bei den Schaltvorgängen des Leistungstransistors auftretende Oberwellen verringert werden, was unter anderem zu einer weniger starken EMI-Störung führt.

Aus der DE 34 20 008 A1 ist ein Verfahren und eine Anordnung zum gesteuerten Schalten von nicht regenerativen Leistungs halbleitervorrichtungen bekannt, um für eine weniger schnelle zeitliche Änderung des Laststroms zu sorgen, während sich der Leistungshalbleiter in seinem aktiven Bereich befindet, um dadurch elektromagnetischen Brumm zu reduzieren. Auch diese Druckschrift sieht einen geschlossenen Regelkreis vor, bei dem entweder die Lastspannung (dv/dt) oder der Laststrom (di/dt) gegengekoppelt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steuerschaltung und ein Verfahren zu schaffen, die bzw. bei der ein Leistungs transistorbauteil mit MOS-Gate-Steuerung angesteuert wird und sowohl der Wert von di/dt als auch der Wert von dv/dt beim Schalten steuerbar ist.

Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 bzw. 4 und 5 angegebenen Merkmale gelöst.

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

Bei der erfindungsgemäßen Steuerschaltung bzw. dem Verfahren, werden die Werte von di/dt und dv/dt beim Schalten eines Lei stungshalbleiterbauteils mit MOS-Gate-Steuerung, beispielsweise eines Transistors, dadurch gesteuert, daß die Spannungs- bzw. Strom-Wellenfronten der Schwingungsform gesteuert werden. Der Wert von di/dt wird in vorzugsweise in einer verlustlosen und wenig aufwendigen Weise gemessen.

Entsprechend einem Grundgedanken der Erfindung wird eine Steuerung des Wertes von di/dt sowie des Wertes von dv/dt beim Schaltvorgang zum Einschalten des Bauteils mit MOS-Gate-Steue rung durch Anschalten eines gemeinsamen Anschlusses einer Stromgeneratorschaltung, die einen Strom an die Gate-Elektrode des Bauteils mit MOS-Gate-Steuerung liefert, an einen ersten Widerstand zum Steuern des Wertes von di/dt erzielt. Wenn ein negativer Wert von dv/dt festgestellt wird, wird der gemeinsame Anschluß der Stromgeneratorschaltung von dem ersten Widerstand abgeschaltet und dann mit einem zweiten Widerstand zum Steuern des Wertes von dv/dt beim Schaltvorgang verbunden. Die ersten und zweiten Widerstände sind ihrerseits mit dem Source-Anschluß des Halbleiterbauteils mit MOS-Gate-Steuerung verbunden. Ein analoger Betrieb unter Verwendung dieser Schaltung ergibt eine Abschaltsteuerung der Werte von dv/dt und di/dt beim Schaltvor gang des Leistungsbauteils mit MOS-Gate-Steuerung.

Die Erfindung wird im folgenden von anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen noch näher erläutert.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Schaltbild, das eine bekannte induktive Lastschaltung mit Klemmschaltung zeigt,

Fig. 1B die Einschaltschwingungsformen des Leistungs transistors der Schaltung nach Fig. 1A,

Fig. 1C die Abschaltschwingungsformen des Leistungs transistors der Schaltung nach Fig. 1A,

Fig. 2A u. 2B bekannte Schaltungen zur Verlangsamung des Einschaltens und Abschaltens des Leistungs transistors der Schaltung nach Fig. 1A,

Fig. 3 ein funktionelles Blockschaltbild, das eine bekannte Schaltung mit einer als Regelschaltung ausgebildeten dv/dt-Messung und einem Überstrom schutz zeigt,

Fig. 4A eine Schaltungsanordnung zur Steuerung der Werte von di/dt und dv/dt beim Schaltvorgang gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 4B die Einschaltschwingungsformen des Leistungs transistors der Schaltung nach Fig. 4A,

Fig. 4C die Abschaltschwingungsformen der Schaltung nach Fig. 4A,

Fig. 5A ein Beispiel einer Ausführungsform der Klemmung der Schaltung nach Fig. 4A,

Fig. 5B ein Beispiel einer Ausführung des Detektor- und Schalterkreises der Schaltung nach Fig. 4A,

Fig. 6 eine Schaltungsanordnung zur Messung des Wertes von di/dt beim Schaltvorgang, bei dem ein bekannter Wert einer Drahtkontaktierungsverbin dungs-Induktivität verwendet wird.

Unter Bezugnahme auf Fig. 4A ist eine Schaltung gemäß einem Grundgedanken der Erfindung zu erkennen, bei der eine Steuerung (mit offener Schleife) der Strom- und Spannungs-Schwingungs formen vorgesehen ist. Hier steuert eine Gate-Treiberschaltung 400, die eine integrierte Schaltung sein kann, die Gate-Elektro de eines Leistungstransistors 418, der seinerseits einen (nicht gezeigten) Lastkreis ansteuert. Obwohl ein Leistungs-MOSFET gezeigt ist, ist die Erfindung in gleicher Weise auf andere Halbleiterbauteile mit MOS-Gate-Steuerung anwendbar, wie z. B. IGBT-Bauteile.

Die Gate-Treiberschaltung 400 schließt eine Stromgenerator schaltung 411 ein, die ein Gate-Ansteuersignal V_GATE empfängt und einen Gate-Ansteuerstrom an das Gate des MOSFET 418 liefert. Die Stromgeneratorschaltung 411 lädt oder entlädt das Gate des MOSFET 418, wobei einer von zwei möglichen Werten des Gate- Ansteuerstromes verwendet wird, die bei diesem Beispiel durch einen di/dt-Steuerwiderstand 413 und einen dv/dt-Steuerwider stand 414 bestimmt sind, die die Strom- bzw. Spannungs schwingungsformen steuern. Im einzelnen ist der gemeinsame Anschluß der Stromgeneratorschaltung 411 mit einem Schaltkreis verbunden, der den gemeinsamen Anschluß der Stromgenerator schaltung 411 mit einem der Widerstände 413 und 414 verbindet, die ihrerseits mit dem Source-Anschluß des MOSFET 418 verbunden sind. An dieser Stelle kann ein bekannter Schalterkreis verwendet werden.

Anfänglich wird nach dem Abschalten des Leistungstransistors 418 in einem vorhergehenden Schaltzyklus und nach dem Ablauf des Abschalt-Einschwingvorganges ein eine niedrige Impedanz aufwei sender Kurzschluß zwischen dem Gate und der Source des MOSFET 418 dadurch geschaffen, daß ein direkter Klemmtransistor 416 eingeschaltet wird, der sehr schnell die Gate-/Source-Kapazität entlädt. Die nachfolgenden Schalteinschwingvorgänge von einer Betriebsart zur anderen werden nachfolgend beschrieben.

Die Einschaltfolge der Schaltung ist wie folgt:
Zuerst wird die direkte Klemmung dadurch aufgehoben, daß der MOSFET 416 abgeschaltet wird. Vorzugsweise wird der MOSFET 418 durch eine D-Flip-Flop-Schaltung 420 gemäß Fig. 5A gesteuert, die den Klemm-MOSFET als eine Funktion des Gate-Ansteuersignals V_GATE steuert.

Die Stromgeneratorschaltung wird dann mit dem externen di/dt- Steuerwiderstand 413 verbunden. Ein erster Gate-Ansteuerstrom, dessen Wert durch den Wert des di/dt-Steuerwiderstandes 413 bestimmt ist, wird dem Gate des MOSFET 418 von der Stromgenera torschaltung 411 zugeführt. Der gewünschte Stromwert wird über den Betriebstemperaturbereich aufrechterhalten, und zwar ebenso wie die reziproke Steilheit der Gate-Ansteuerversorgung, wie dies in den Intervallen 1 und 2 in Fig. 4B gezeigt ist. Während dieses Intervalls steigen die Gate-/Source-Spannung und der Drain-Strom rampenförmig in einer Weise auf ihre Maximalwerte an, die ähnlich der nach Fig. 1B ist, wobei jedoch der Wert von di/dt durch den Widerstand 413 gesteuert wird.

Sobald die Gate-/Source-Spannung und der Drain-Strom ihre Maximalwerte erreichen, beginnt die Versorgungsspannung abzu sinken. Der resultierende negative Wert von dv/dt wird festge stellt und löst die Abgabe eines zweiten Wertes des Gate- Ansteuerstromes durch die Stromgeneratorschaltung 411 aus, um eine dv/dt-Steuerung zu liefern, wie dies in den Intervallen 3 und 4 gezeigt ist. Der neue Wert des Gate-Ansteuerstromes wird durch Umschalten des Anschlusses der Schaltung 411 von dem di/dt-Steuerwiderstand 413 auf den externen dv/dt-Steuerwider stand 414 eingestellt.

Vorzugsweise wird der negative Wert von dv/dt unter Verwendung einer Detektorschaltung für diesen negativen Wert von dv/dt unter Verwendung eines Kondensators 417 und eines Widerstandes 415 festgestellt, der mit einer Diode 420 gekoppelt sein kann, die ein negatives dv/dt-Signal an eine Anordnung von D-Flip- Flop-Schaltung 430 und 432 nach Fig. 5B liefert. Die Flip-Flop- Schaltungen 430 und 432 liefern Steuersignale, die das Umschal ten zwischen den Widerständen 413 und 414 steuern.

Dann wird der zweite Strom abgeschaltet, wenn die von dem Strom generator 411 gelieferte Spannung den Wert der Gate-Versorgungs spannung erreicht, insbesondere an der Grenze der negativen Steilheit des Stromgenerators oder an irgendeiner anderen geeig neten vordefinierten Grenze.

In vorteilhafter Weise weist die in Fig. 4A gezeigte Schaltung keine Rückführungsschleifen auf, und sie arbeitet ohne jede Instabilität. Die Schaltung arbeitet weiterhin in jedem der Intervalle in einer vorgegebenen Gate-Ansteuerstrom-Betriebsart. Obwohl die Werte der Voreinstellwiderstände 413 und 414 von dem speziellen verwendeten MOSFET-Bauteil und dem angesteuerten Lastkreis abhängen, ist das Verfahren allgemein auf andere Lastkreise anwendbar. Der Übergang von einer Betriebsart zur nächsten Betriebsart wird durch die jeweiligen di/dt- und dv/dt- Ereignisse in der Schaltung ausgelöst.

Die Abschaltfolge wird nunmehr wie folgt beschrieben:
Zunächst wird das Gate des MOSFET 418 mit einer Geschwindigkeit entladen, die durch den dv/dt-Steuerwiderstand 414 bestimmt ist, was in Form der Intervalle 1 und 2 in Fig. 4C gezeigt ist. Hier verhalten sich die Drain-/Source-Spannung und der Drain-Strom in einer Weise ähnlich zu der der Intervalle 1 und 2 nach Fig. 1C, doch wird der Wert von dv/dt durch den Widerstand 414 gesteuert.

Wenn die Source-/Drain-Spannung längs des Leistungs-MOSFET 418 dann den Wert der Versorgungsspannung erreicht, wird der Aus gangsstrom des Stromgenerators 411 dadurch auf einen zweiten Wert geändert, daß von dem externen Widerstand 414 auf den externen di/dt-Steuerwiderstand 413 umgeschaltet wird, wie dies in den Intervallen 3 und 4 gezeigt ist. Während dieses Inter valls wird der Wert von di/dt des Drain-Stromes durch den Wert des Widerstandes 413 gesteuert.

Wenn nachfolgend die Gate-Spannung unter die Schwellenwert spannung absinkt, wird der direkte Klemmtransistor 416 einge schaltet.

Bei dem vorstehenden Beispiel wurde angenommen, daß die Werte von di/dt und von dv/dt beim Einschalten und Abschalten die gleichen sind. Es können alternativ jedoch unterschiedliche Werte für die Einschalt- und Abschaltwerte von di/dt angenommen werden, wenn dies erforderlich ist, um die Sperrverzögerung der Diode zu begrenzen.

Es sei weiterhin bemerkt, daß die Stromgeneratorschaltung 411 eine Stromsenke für den Gate-Ansteuerstrom während des Abschal tens und eine Quelle für den Gate-Ansteuerstrom während des Einschaltens darstellt.

Eine Regelung der Strom- oder Spannungs-Wellenfronten erfordert die Messung von di/dt oder von dv/dt. Die Messung von dv/dt ist relativ einfach und kann unter Verwendung einer kleinen Kapazi tät 417 durchgeführt werden, die mit der Drain-Elektrode des MOSFET 418 verbunden ist, wie dies weiter oben beschrieben wurde und in Fig. 4A gezeigt ist. Die Messung von di/dt erforderte jedoch typischerweise eine kompliziertere und aufwendigere Anordnung. Wenn der Wert des Bauteilstromes zum Betrieb der Schaltung verwendet wird, kann das gleiche Stromrückführungs signal ebenfalls zur Steuerung der Stromanstiegs- und Abfall zeiten, nämlich des Wertes von di/dt verwendet werden. Wenn dieses Signal nicht zur Verfügung steht und die Hinzufügung einer Stromrückführung nicht gerechtfertigt ist, werden mit offener Schleife betriebene Steuerverfahren in der vorstehend beschriebenen Weise verwendet.

Eine einfache verlustfreie und wenig aufwendige Lösung zur Messung von di/dt ist durch eine Hybridschaltung unter Verwen dung einer geeichten Drahtkontaktierungsverbindung 540, 542 gemäß Fig. 6 möglich. Ein Kontaktierungsdraht mit vorgegebener Länge und vorgegebenem Durchmesser weist einen bekannten Induk tivitätswert auf und erzeugt eine Spannungsdifferenz entlang seiner Länge, die proportional zum Wert von di/dt ist. Typischerweise ist ein Kontaktierungsdraht in einem Hybrid- Leistungsbauteil 10 mm lang, und er weist eine Induktivität von 5 bis 10 nH auf. Wenn dieser Kontaktierungsdraht einen Strom mit einem Wert von di/dt von 0,1 bis 0,5 A/ns leitet, erzeugt er typischerweise eine Spannungsdifferenz von 0,5 Volt bis 5 Volt über seine Länge. Diese Spannungsdifferenz kann einer di/dt- Rückführungsschaltung 500 zugeführt werden, um den dem Gate der Bauteile 508 und 526 zugeführten Strom zu steuern, die Bauteile mit MOS-Gate-Steuerung sein können, um auf diese Weise den gewünschten Wert von di/dt unter Verwendung bekannter Rückführungsverfahren zu erreichen.

Diese gleiche Technik kann auf ein diskretes Bauteil angewandt werden, das mit einer Kelvin-Source- oder Emitter-Verbindung versehen ist. Die längs der Induktivität der Source- oder Emit ter-Kontaktierungsverbindung wird längs der Kelvin-Quellen- Drähte gemessen, wie dies in Fig. 6 gezeigt ist. Weil die Länge des Kontaktierungsdrahtes mit sehr guter Genauigkeit durch den Herstellungsvorgang steuerbar ist, kann der Wert von di/dt mit hoher Genauigkeit gemessen werden.

Der gemessene Wert von di/dt kann in Verbindung mit dem vorher beschriebenen gemessenen Wert von dv/dt dazu verwendet werden, eine Regelung unter Verwendung einer Schaltung ähnlich der zu schaffen, wie sie in Fig. 4A gezeigt ist. Die Widerstände 413 und 414 werden jedoch durch eine Anordnung von Operationsver stärkern zur Steuerung der Werte von di/dt und dv/dt beim Schaltvorgang als Funktion der gemessenen Werte ersetzt.

Claims

1. Steuerschaltung zur Steuerung des Schaltens eines Leistungshalbleiterbauteils mit MOS-Gate-Steuerung, das eine Versorgungsspannung an einen Lastkreis liefert, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung die folgenden Teile aufweist:
eine Stromgeneratorschaltung (411), die einen mit einem Gate-Anschluß des Halbleiterbauteils (418) mit Gate-Steuerung gekoppelten Ausgang aufweist, um einen Strom an den Gate- Anschluß zu liefern,
eine Detektorschaltung (415, 417, 420), die ein Ausgangs signal bei Feststellung eines negativen dv/dt-Wertes liefert,
einen durch das Ausgangssignal der Detektorschaltung (415, 417, 420) gesteuerten Schalterkreis (412) zum Ankoppeln eines gemeinsamen Anschlusses der Stromgeneratorschaltung (411) an einen ersten Anschluß eines von ersten und zweiten Widerständen (413, 414),
wobei der erste Widerstand (413) einen ersten Widerstandswert aufweist und mit seinem zweiten Anschluß mit einem Source-Anschluß des Halbleiterbauteils (418) mit MOS- Gate-Steuerung gekoppelt ist, um einen ersten Gate-Strom zur Steuerung des Wertes von di/dt des Halbleiterbauteils (418) zu bestimmen,
wobei der zweite Widerstand (414) einen zweiten Widerstandswert aufweist und mit seinem zweiten Anschluß mit dem Source-Anschluß des Halbleiterbauteils (418) mit MOS- Gate-Steuerung verbunden ist, um einen zweiten Gate-Strom zur Steuerung des Wertes von dv/dt des Halbleiterbauteils (418) zu bestimmen, und
wobei beim Einschalten des Halbleiterbauteils (418) der gemeinsame Anschluß mit dem ersten Widerstand (413) verbunden wird und bei Feststellung eines negativen Wertes von dv/dt von diesem abgeschaltet und mit dem zweiten Widerstand (414) verbun den wird.

2. Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Abschalten des Halbleiter bauteils (418) mit MOS-Gate-Steuerung der gemeinsame Anschluß mit dem zweiten Widerstand (414) verbunden wird und von diesem abgeschaltet und mit dem ersten Widerstand (413) verbunden wird, wenn die Source-Drain-Spannung des Halbleiterbauteils (418) mit MOS-Gate-Steuerung den Wert der Versorgungsspannung erreicht.

3. Steuerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Klemmschaltung (416) zwischen dem Gate-Anschluß und einem Source-Anschluß des Halbleiterbau teils (418) mit MOS-Gate-Steuerung angeschaltet ist und in Abhängigkeit von einem vorgegebenen Wert des zugeführten Gate signals eingeschaltet wird.

4. Verfahren zur Steuerung des Einschaltens eines Halbleiterbauteils mit MOS-Gate-Steuerung, das die Zuführung einer Versorgungsspannung an einen Lastkreis steuert, wobei ein Strom von einer Stromgeneratorschaltung an ein Gate des Halb leiterbauteils geliefert wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren die folgende Schritte umfaßt:
Ankoppeln eines gemeinsamen Anschlusses der Stromgene ratorschaltung an einen ersten Widerstand, der mit einem Source-Anschluß des Halbleiterbauteils mit MOS-Gate-Steuerung verbunden ist, um einen ersten Strom an das Gate des Halbleiter bauteils zu liefern und damit den Wert von di/dt des Halbleiter bauteils zu steuern,
Abschalten der Stromgeneratorschaltung von dem ersten Widerstand und Verbinden der Stromgeneratorschaltung mit einem zweiten Widerstand, der ebenfalls mit dem Source-Anschluß des Halbleiterbauteils mit MOS-Gate-Steuerung verbunden ist, um einen zweiten Strom an das Gate zu liefern und damit den Wert von dv/dt des Halbleiterbauteils zu steuern, wenn ein negativer Wert von dv/dt festgestellt wird.

5. Verfahren zur Steuerung des Ausschaltens eines Halbleiterbauteils mit MOS-Gate-Steuerung, das die Zuführung einer Versorgungsspannung an einen Lastkreis steuert, wobei ein Strom von einer Stromgeneratorschaltung an ein Gate des Halb leiterbauteils geliefert wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren die folgende Schritte umfaßt:
Ankoppeln eines gemeinsamen Anschlusses der Stromgene ratorschaltung an einen ersten Widerstand, der mit einem Source-Anschluß des Halbleiterbauteils mit MOS-Gate-Steuerung verbunden ist, um einen ersten Strom an das Gate des Halbleiter bauteils zu liefern und damit den Wert von dv/dt des Halbleiter bauteils zu steuern,
Abschalten der Stromgeneratorschaltung von dem ersten Widerstand und Verbinden der Stromgeneratorschaltung mit einem zweiten Widerstand, der ebenfalls mit dem Source-Anschluß des Halbleiterbauteils mit MOS-Gate-Steuerung verbunden ist, um einen zweiten Strom an das Gate zu liefern und damit den Wert von di/dt des Halbleiterbauteils zu steuern, wenn die Source- Drain-Spannung längs des Halbleiterbauteils den Wert der Versorgungsspannung erreicht.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren weiterhin den Schritt des Klemmens des Gate-Anschlusses des Halbleiterbauteils umfaßt, wenn die Spannung an dem Gate-Anschluß unter einem vorgegebenen Wert liegt.