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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines Leistungstransistors nach dem Oberbegriff des Patentanspruch 1.
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Für die Ansteuerung von Leistungstransistoren bzw. -Schaltern, insbesondere MOSFETs und IGBTs wird üblicherweise eine Gegentaktstufe verwendet (unter MOSFET wird hierbei ein Metalloxid-Halbleiter-Feldefekttransistor, und unter IGBT ein bipolarer Transistor mit einem isolierten Gate-Anschluß (engl.: insulated gate bipolar transistor) verstanden). Eine Gegentaktstufe besteht typischerweise aus komplementären Schaltelementen sowie diesen jeweils zugeordneten Widerständen. Bei Verwendung von Transistoren als Schaltelementen bieten sich ebenfalls MOSFETs an. Einem hierbei als Einschaltstransitor dienenden Transistor ist typischerweise wenigstens ein Einschaltwiderstand zugeordnet, über den die Schaltgeschwindigkeit beim Einschalten des anzusteuernden Leistungsschalters bestimmt wird. Entsprechend kann über einen Ausschaltwiderstand, welcher dem komplementär zu dem ersten Transistor ausgebildeten Ausschalttransistor zugeordnet ist, die Abschaltgeschwindigkeit des Leistungsschalters eingestellt bzw. bestimmt werden.
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Zur Verringerung der Schaltverluste in dem Leistungstransistor wird die Schaltgeschwindigkeit soweit wie möglich erhöht. Bei dieser Vorgehensweise entsteht jedoch beim Abschalten aufgrund von parasitären Induktivitäten eine nennenswerte Überspannung am Leistungsschalter. Bei einer gegebenen maximalen Sperrspannung wird hierdurch die zulässige Abschaltgeschwindigkeit des Leistungstransistors begrenzt.
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Es sind aus dem Stand der Technik verschiedene Verfahren zur Optimierung des Abschaltvorganges bekannt, welche jedoch auf einer relativ aufwendigen Erfassung und Auswertung der Spannung am Leistungsschalter beruhen.
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Aus der
DE 196 28 131 A1 ist eine Schaltungsanordnung zur Gatespannungsbegrenzung Bei einem Leistungsschalter bekannt. Dabei sind zwei Treiberstufen vorhanden, die über je einen Widerstand mit dem Gate des Leistungsschalters verbunden sind und diesen aus- bzw. einschalten.
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Aus der
US-PS 5,204,504 ist ein Inverter zur Ansteuerung einer Hochfrequenz-Heizeinrichtung mittels eines PWM-Oszillators bekannt, bei der ein Gate-Treiber über einen Widerstand und einen parallel geschalteten Kondensator mit dem Gate eines Leistungsschalters verbunden ist. Der Gate-Treiber umfasst eine Gegentaktstufe, deren beide Transistoren miteinander über einen Widerstand verbunden sind. Dieser Widerstand steht über die bereits erwähnte Parallelschaltung eines Widerstandes und eines Kondensators mit dem Gate des Leistungsschalters in Verbindung und schaltet diesen in vorgebbarew Weise ein bzw. aus.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine unaufwendige Verbesserung der Ansteuerung eines insbesondere als MOSFET oder IGBT ausgebildeten Leistungsschalters.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines Leistungsschalters mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Mittels der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist in einfacher Weise eine optimierte Ansteuerung eines Leistungsschalters möglich. Durch geeignete Beeinflussung des Verlaufs der Gatespannung des Leistungstransistors wird erreicht, daß gegenüber herkömmlichen Leistungsschaltern bei vergleichbaren Schaltverlusten auftretende Überspannungen reduziert werden. Entsprechend ist es mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung möglich, gegenüber dem Stand der Technik bei vergleichbaren Überspannungen die auftretenden Schaltverluste zu reduzieren.
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Als weiterer vorteilhafter Effekt bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sei angegeben, daß die beim Abschalten eines Leistungstransistors typischerweise auftretenden hochfrequenten Ausschwingvorgänge stark gedämpft werden. Hierdurch wird die für die elektromagnetische Verträglichkeit relevante Abstrahlung von Störungen verringert.
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Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zeichnet sich ferner dadurch aus, das sie gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen nur zwei zusätzliche passive Bauelemente benötigt. Sie ist hierdurch sehr preisgünstig verfügbar.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Zweckmäßigerweise sind das erste und das zweite Schaltelement als Schalttransistoren, insbesondere als MOSFETs ausgebildet. Derartige Schalttransistoren sind in preiswerter Weise verfügbar und erweisen sich in der Praxis als besonders robust und zuverlässig.
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Es ist bevorzugt, daß der dem Ausschaltwiderstand parallel geschaltete weitere Widerstand wesentlich kleiner als der Ausschaltwiderstand gewählt ist. Mit dieser Maßnahme ist nach dem Ausschalten des Leistungstransistors ein besonders schneller Abfall der Gatespannung des Leistungstransistors bzw. ein Umladen des mit dem weiteren Widerstand in Serie geschalteten Kondensators möglich.
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Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung eignet sich insbesondere zur Ansteuerung von Leistungsschaltern in Pulswechselrichtern, insbesondere für Starter-Generatoren im Kraftfahrzeugbereich. Durch Verwendung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung bei derartigen Pulswechselrichtern können diese besonders robust und zuverlässig ausgebildet werden.
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Bei Pulswechselrichtern hängt der spezifische Drain-Source-Widerstand (RDS,on) quadratisch von der zulässigen Sperrspannung ab. Durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird es möglich, bei nahezu gleichbleibenden Schaltverlusten Leistungstransistoren mit geringerer Sperrspannung zu verwenden. Damit reduziert sich bei gleichbleibenden Wirkungsgrad die einzusetzende Siliziummenge, wodurch die Kosten sowie der Platzbedarf für derartige Wechselrichter deutlich vermindert werden können.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird nun anhand der beigefügten Zeichnung im Einzelnen beschrieben. In dieser zeigt
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1 eine Ansteuerschaltung für einen MOSFET gemäß dem Stand der Technik,
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2 eine bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines MOSFETs, und
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3 ein Diagramm zur Darstellung der bei Verwendung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sowie bei einer Schaltungsanordnung gemäß dem Stand der Technik auftretenden Drain-Source-Spannung bzw. Ventilspannung des angesteuerten MOSFET.
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Zunächst wird eine Schaltungsanordnung gemäß dem Stand der Technik anhand der 1 im einzelnen beschrieben. Zur Ansteuerung eines als MOSFET ausgebildeten Leistungstransistors T3 wird hier eine Gegentaktstufe verwendet. Die Gegentaktstufe weist die komplementären Transistoren T1 und T2 sowie die Widerstände R1 und R2 auf. Hierbei ist der Transistor T1 (Einschalttransistor) als p-Kanal-MOSFET, und der Transistor T2 (Entlade bzw. Ausschalttransistor) als n-Kanal-MOSFET ausgebildet. Über den Wert des dem Transistor T1 nachgeschalteten Einschaltwiderstands R1 kann die Schaltgeschwindigkeit beim Einschalten des MOSFET T3 bestimmt werden. Über den Wert des Ausschaltwiderstands R2 wird die Abschaltgeschwindigkeit des MOSFET T3 bestimmt.
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Die die Transistoren T1 und T2 aufweisende Gegentaktstufe liegt hier an einer Versorgungsspannung VDD an, wobei die jeweiligen Gateanschlüsse der Transistoren T1, T2 mittels eines rechteckförmigen Ansteuersignals A beaufschlagbar sind. Den jeweiligen Gateanschlüssen der Transistoren T1, T2 sind geeignete Widerstände RT vorgeschaltet. Bei Vorliegen eines 0-Pegel-Signals schaltet der als p-Kanal-MOSFET ausgebildete Transistor T1 durch und ist leitend, wodurch der Gateanschluß G des MOSFETs T3 über die Versorgungsspannung VDD mit Strom beaufschlagt wird, so daß MOSFET T3 leitend wird, d. h. eingeschaltet ist. Bei Umschalten des Ansteuersignals A auf den 1-Pegel schaltet der Transistor T1 aus und der als n-Kanal-MOSFET ausgebildete Transistor T2 wird leitend, so daß die an dem Gate-Anschluß G des MOSFET T3 anliegende Spannung über den Widerstand R2 und den Transistor T2 abgebaut wird. Transistor T3 geht hierbei in den sperrenden bzw. Aus-Zustand über.
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In 3, unten ist schematisch ein bei einer derartigen Schaltungsanordnung auftretender Spannungsverlauf am MOSFET T3 (Drain-Source-Spannung bzw. Ventilspannung) gegen die Zeit (in willkürlichen Einheiten) aufgetragen (Kurve I). Man erkennt einen ausgeprägten Ausschwingvorgang mit starken Überspannungen.
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Zur gezielten Beeinflussung des Gatespannungsverlaufs des MOSFET T3 weist die in 2 dargestellte erfindungsgemäße Schaltungsanordnung parallel zu dem Ausschaltwiderstand R2 eine Serienschaltung mit einem Kondensator C1 und einem weiteren Widerstand R3 auf. Durch diese parallel zu dem Ausschaltwiderstand R2 geschaltete Serienschaltung C1, R3 kommt es im Falle eines Ausschaltens des MOSFET T3 (analog zur Schaltung gemäß dem Stand der Technik bei Vorliegen eines Ansteuersignals A auf 1-Pegel) zunächst zu einer schnellen Entladung des Gates G des MOSFET T3, bis der Kondensator C1 aufgeladen ist. Hierbei ist der zu dem Kondensator C1 seriell geschaltete Widerstand R3 zweckmäßigerweise kleiner als der Ausschaltwiderstand R2 ausgebildet. Nach Aufladung des Kondensators C1 ist nur der Ausschaltwiderstand R2 wirksam. Die Gatespannung am Gate G des MOSFET T3 fällt also zunächst sehr schnell ab, wodurch ein rascher Anstieg der am MOSFET T3 anliegenden Ventilspannung bewerkstelligt wird. Wenn die Gatespannung einen charakteristischen Wert erreicht hat, beginnt der Ventilstrom (d. h. der Strom durch den MOSFET T3) merklich zu sinken. Da der Kondensator C1 inzwischen aufgeladen ist, sinkt die Gatespannung jedoch nun langsamer. Dadurch wird die Stromänderungsgeschwindigkeit des Ventilstroms bzw. Laststroms und damit eine am MOSFET T3 aufgrund parasitärer Induktivitäten auftretende Überspannung reduziert. Anschaulich gesprochen bewirkt die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ein rasches Absinken der Gatespannung durch einen Spannungsbereich, bei welchem der Ventilstrom des MOSFETs keine wesentliche Änderung erfährt. Bei Erreichen von Gatespannungen, bei welchen kleine Gatespannungsänderungen zu merklichen Änderungen des Ventilstroms am MOSFET führen, sinkt hingegen die Gatespannung wesentlich langsamer ab. Insgesamt ist mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung eine wesentlich schnellere Abschaltung eines MOSFETs bei gleicher auftretender Überspannung erzielbar.
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In der bereits erwähnten 3 ist ferner (Kurve II) ein mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung erzielbarer Ventilspannungsverlauf gegen die Zeit (schematisch, in willkürlichen Einheiten) dargestellt. Ein Vergleich der Kurve II mit der Kurve I der herkömmlichen Schaltungsanordnung macht deutlich, daß mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wesentlich niedrigere Überspannungen auftreten. Ferner ist der bei herkömmlichen Schaltungsanordnungen auftretende Ausschwingvorgang bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung stark gedämpft.
