DE19945432A1

DE19945432A1 - Schaltungsanordnung zum Ansteuern einer Last mit reduzierter Störabstrahlung

Info

Publication number: DE19945432A1
Application number: DE19945432A
Authority: DE
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 1999-09-22
Filing date: 1999-09-22
Publication date: 2001-04-12
Also published as: EP1094605A3; EP1094605A2; EP1094605B1; US6747505B1; DE50015779D1

Abstract

Es wird eine Schaltungsanordnung zum Ansteuern einer Last mit reduzierter Störabstrahlung vorgeschlagen, die eine Schaltvorrichtung, die seriell mit der Last zwischen zwei Versorgungspotentialanschlüssen verschalten ist, aufweist. Eine Steuervorrichtung steuert die Schaltvorrichtung an. Die Schaltvorrichtung weist einen ersten und mindestens einen zweiten Halbleiterschalter auf, deren Laststrecken parallel geschalten sind und wobei die Einsatzspannung des ersten Halbleiterschalters größer als die des zweiten Halbleiterschalters ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Ansteuern einer Last mit reduzierter Störabstrahlung mit einer Schalt vorrichtung, die seriell mit der Last zwischen zwei Versor gungspotentialanschlüssen verschalten ist und mit einer Steuervorrichtung, die die Schaltvorrichtung ansteuert.

Derartige Schaltungsanordnungen werden häufig im pulsweiten modulierten Betrieb angesteuert, um dadurch eine Stromrege lung im Lastpfad zu erzielen. Der pulsförmige Stromverbrauch führt jedoch zu einer unerwünschten Störabstrahlung. Diese Störabstrahlungen können insbesondere benachbarte Schaltungs anordnungen in ihrer Funktion stören. Die Störabstrahlung (EMV-Störung)ist insbesondere angegeben, wenn die mit der Last seriell verschaltete Schaltvorrichtung komplett an- bzw. abgeschaltet wird. Die EMV-Störungen entstehen insbeson dere durch diejenigen Bereiche der Stromverläufe, die eine besonders abrupte relative Abnahme oder Zunahme des Strom flusses aufweisen. Beim Einschalten ist die Stromzunahme von Null auf einen von Null verschiedenen Wert als besonders kri tisch anzusehen. Die störende Strahlung würde dann vermieden, wenn der Stromverlauf einen sinusähnlichen Verlauf annimmt. Bei der Pulsweitenmodulation wird das Störspektrum durch die Form der Ein- und Abschaltflanken bestimmt. Das Maß der Störabstrahlung wird insbesondere durch die Flankensteilheit des Stromverlaufes bestimmt. Je flacher die Flankensteilheit ausfällt, desto geringer würde die Störabstrahlung werden. Eine flache Stromflanke hat jedoch den Nachteil, daß hier durch die Schaltverluste drastisch erhöht werden. Zur Vermei dung von Schaltverlusten und somit einer thermischen Erwär mung des Halbleiterschalters ist es deshalb sinnvoll, die Stromflanke sowohl im Anstieg als auch während des Abfallens so steil wie möglich auszuführen. Andererseits erhöht sich hierdurch die elektromagnetische Störabstrahlung.

Werden als Halbleiterschalter MOS-Schalter verwendet, so sind insbesondere die unteren Ecken der Ein- und der Abschalt flanke bezüglich der Störstrahlung kritisch.

Es existiert deshalb das Bestreben, einen möglichst guten Kompromiß zwischen der Verlustleistung das Halbleiterschal ters und der erzeugten Störstrahlung zu finden. In der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung 198 48 829.7 wird zur Lösung dieser Problematik vorgeschlagen, eine Steue rung bzw. Regelung der Gatespannung des Leistungstransistors vorzunehmen. Neben einer aufwendigen Steuerschaltung weist die dort vorgeschlagene Lösung den Nachteil auf, daß hier durch nur die Abschaltflanke beeinflußt, daß heißt abgerundet wird. Für die Steuerschaltung ist zu dem ein hoher Schal tungsaufwand notwendig, der einerseits einen zusätzlichen Platzbedarf in einer integrierten Schaltungsanordnung benö tigt und somit teuer ist und andererseits während der Ein schaltflanke weiterhin EMV-Störungen verursacht.

Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung deshalb darin, eine Schaltungsan ordnung zum Ansteuern einer Last vorzusehen, die eine wesent lich geringere Störabstrahlung verursacht.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patenanspruchs 1 ge löst.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die von ei nem Halbleiterschalter verursachte Störabstrahlung dadurch verringert werden kann, daß die Ein- und Abschaltflanken des Stromverlaufes abgerundet werden. Dies wird dadurch erreicht, daß die Schaltvorrichtung einen ersten und mindestens einen zweiten Halbleiterschalter aufweist, deren Laststrecken par allel geschalten sind und wobei die Einsatzspannung des er sten Halbleiterschalters größer als die des zweiten Halblei terschalters ist. Die Einsatzspannungen der Halbleiterschal ter können z. B. entweder durch unterschiedliche Dotierungen deren Bulk-Gebiete oder durch unterschiedliche Dicken deren Gateoxide festgelegt werden.

Beim Einschalten fängt deshalb der Halbleiterschalter mit der niedrigeren Einsatzspannung bereits bei kleineren Steuerspan nungen durch die Steuervorrichtung an, Strom zu führen. Dies bedeutet, dieser Halbleiter leitet früher einen Strom. Wenig später schaltet auch der erste Halbleiterschalter mit der hö heren Einsatzspannung ein. Entsprechend bleibt beim Abschal ten der zweite Halbleiterschalter (mit der kleineren Einsatz spannung) länger leitfähig als der erste Halbleiterschalter. Durch die Überlagerung der Ströme des ersten und des zweiten Halbleiterschalters werden die unteren Ecken der Schaltflan ken beim Ein- und Abschalten abgerundet. Hierdurch entstehen weniger Oberwellenkomponenten im Störspektrum.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Steueran schlüsse des ersten und des zweiten Halbleiterschalters mit einander verbunden. Dies hat zufolge, daß alle drei An schlüsse - Steueranschluß sowie die zwei Hauptanschlüsse - des ersten und des zweiten Halbleiter schalters miteinander verbunden sind. Die Ansteuerung der Schaltvorrichtung wird somit über eine einzige Leitung durch die Steuervorrichtung vorgenommen. Das unterschiedliche Schaltverhalten, daß heißt die Zeitpunkte des Ein- bzw. Aus schalten der jeweiligen Halbleiterschaltung ist somit aus schließlich durch die Einsatzspannungen des ersten und des zweiten Halbleiterschalters bestimmt.

Ferner ist es vorteilhaft, den ersten Halbleiterschalter mit einer größeren Zellenanzahl als den zweiten Halbleiterschal ter auszustatten. Bevorzugt beträgt die Zellenanzahl des zweiten Halbleiterschalters zwischen zwei und fünf Prozent der Zellenanzahl des ersten Halbleiterschalters.

Alternativ weist der erste Halbleiterschalter ein wesentlich größeres W/L-Verhältnis auf als der zweite Halbleiterschal ter. W repräsentiert hierbei die Kanalweite und L die Ka nallänge eines feldeffektgesteuerten Bauelementes.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung kann entweder in mo nolithisch integrierter Weise ausgeführt werden oder aber aus diskreten Bauelementen bestehen. Der äußerst einfache Aufbau der Schaltungsanordnung eignet sich für diskret aufgebaute Halbleiterbauelemente, da diese in der Regel keine eigenen Logikschaltungen besitzen. Bisher war es zur Beeinflussung der Flankensteuerung deshalb notwendig, weitere externe Bau elemente vorzusehen, die beispielsweise die Gate Spannung in geeigneter Weise steuern oder regeln.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zeichnet sich insbe sondere dadurch aus, daß diese äußerst einfach aufgebaut ist und auf jegliche Arten einer Steuerung oder einer Regelung verzichten kann. Somit ist eine sehr kostengünstige Fertigung möglich, da bei einer integrierten Ausführung kein zusätzli cher Platz auf dem Halbleiterchip benötigt wird. In den mei sten modernen integrierten Technologien stehen Zellen mit un terschiedlichen Einsatzspannungen zur Verfügung. Somit kann die Herstellung mit den bekannten Fertigungstechnologien ohne zusätzliche Fertigungsschritte oder Masken realisiert werden. Die Erfindung beeinflußt vorteilhafterweise gleichermaßen die Ein- und Abschaltflanke des Stromverlaufes. Sie ist sowohl in High-Side als auch in Low-Side-Konfigurationen anwendbar.

Die Erfindung und deren Vorteile werden anhand der nachfol genden Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schal tungsanordnung in einer High-Side-Konfiguration,

Fig. 2 einen beispielhaften Stromverlauf mit einer Ein- und einer Abschaltflanke und

Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel an der Erfindung in einer Low-Side-Konfiguration.

Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungs gemäßen Schaltungsanordnung. Zwischen einem ersten Versor gungspotentialanschluß 4 und einen zweiten Versorgungspoten tialanschluß 5 ist die Reihenschaltung aus einer Schaltvor richtung 7 und einer Last 1 verschalten. An dem ersten Ver sorgungspotentialanschluss 4 liegt ein hohes Versorgungspo tential V_bb an, während am zweiten Versorgungspotentialan schluß 5 ein niedrigeres Versorgungspotential, zum Beispiel das Massepotential vorgesehen ist. Die Last 1 kann sowohl ka pazitiver, induktiver, resistiver Art, als auch gemischter Art sein. Die Last könnte beispielsweise eine Lampe, ein Ven til oder einen Motor darstellen.

Die Schaltvorrichtung 7 weist zwei Halbleiterschalter 2, 3 auf, die im vorliegenden Beispiel als MOSFETs ausgeführt sind. Die Laststrecken des ersten und des zweiten Halbleiter schalters 2, 3 sind parallel geschalten. Drainseitig sind der erste und der zweite Halbleiterschalter 2, 3 mit dem ersten Versorgungspotentialanschluß 4 verschalten. Die Sourcean schlüsse des ersten und des zweiten Halbleiterschalters 2, 3 sind mit der Last 1 verbunden. Eine Steuervorrichtung 6, die nach Maßgabe eines zum Beispiel von außen herangeführten Si gnales die Halbleiterschalter leitend oder sperrend schaltet, ist mit den Gateanschlüssen der beiden Halbleiterschalter verbunden. Die Gateanschlüsse des ersten und des zweiten Halbleiterschalters 2, 3 sind folglich miteinander verbunden. Die Ausgestaltung der Steuervorrichtung 6 für eine High-Side- Konfiguration ist aus dem Stand der Technik hinlänglich be kannt und nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Es wird deshalb auf eine genaue Beschreibung der Ausgestaltung an dieser Stelle verzichtet. Die Steuervorrichtung 6 könnte beispielsweise eine Ladungspumpenschaltung aufweisen.

Erfindungsgemäß weist der zweite Halbleiterschalter 3 eine geringere Einsatzspannung als der erste Halbleiterschalter 2 auf. Der zweite Halbleiterschalter 3 hat weiterhin eine ge ringere Zellenanzahl als der erste Halbleiterschalter 2 oder aber ein kleineres W/L-Verhältnis. W stellt dabei die Kanal weite dar, L die Kanallänge eines MOSFETs. Beim Erhalt eines Ansteuersignales durch die Steuervorrichtung 6 fängt der zweite Halbleiterschalter 3 mit der niedrigeren Schwellen spannung bereits bei kleineren Gatespannungen an Strom zu führen. Erreicht die Spannung am Gate der beiden Halbleiter schalter 2, 3 die Einsatzspannung des ersten Halbleiterschal ters 2, so liefert der zweite Halbleiterschalter 3 kurzzeitig einen größeren Strom, da die Drain-Source-Spannung während des Einschaltmomentes des ersten Halbleiterschalters kurzzei tig ansteigt. Gleiches gilt für den Moment des Ausschaltens, daß heißt während des Abfalls der Stromflanke des ersten Halbleiterschalters 2.

In Fig. 2 ist der Stromverlauf durch den ersten und den zweiten Halbleiterschalter 2, 3 während einer Ein- und einer Ausschaltflanke dargestellt. I₃ bezeichnet dabei den Strom durch den zweiten Halbleiterschalter 3, I₂ den Strom durch den ersten Halbleiterschalter 2. Die Summenfunktion der bei den Ströme ist mit I₂ + I₃ dargestellt. Zum Zeitpunkt t₁ wird durch die Steuervorrichtung 6 eine Gatespannung bereitge stellt, die der Einsatzspannung des zweiten Halbleiterschal ters 3 entspricht. Dieser beginnt folglich zu leiten. Zum Zeitpunkt t₂ ist die Einsatzspannung des ersten Halbleiter schalters 2 erreicht. In der Zeitspanne zwischen t₂ und t₁ wird der Strom durch die Last im wesentlichen durch den zwei ten Halbleiterschalter 3 bestimmt. Der Übergang vom nichtlei tenden in den leitenden Zustand ist in diesem Zeitraum durch eine relativ flache Stromanstiegsflanke bestimmt.

Ab dem Zeitpunkt t₂ beginnt der erste Halbleiterschalter 2 zu leiten. Dieser ist in der Lage, ein Vielfaches des Stromes des zweiten Halbleiterschalters 3 zu tragen. Hierdurch ergibt sich eine sehr hohe Stromanstiegsgeschwindigkeit. Bis zum Zeitpunkt t₃ ist der erste Halbleiterschalter 2 vollkommen aufgesteuert, daß heißt vollständig leitend. Während des Ein schaltvorganges des ersten Halbleiterschalters 2, daß heißt in der Zeitspanne zwischen t₃ und t₂ steigt die Drain-Source Spannung stark an. Dies bedingt im zweiten Halbleiterschalter 3 aufgrund der physikalischen Zusammenhänge einen größeren Stromfluß durch die Last. Diese macht sich zwar in der Summe nicht stark bemerkbar, er ist jedoch für die "Verrundung" der Einschaltflanke zwischen t₁ und t₂ verantwortlich.

Im Abschaltvorgang laufen die Vorgänge in umgekehrter Weise ab. Zum Zeitpunkt t₄ ist die Einsatzspannung des ersten Halb leiterschalters 2 erreicht, daß heißt der Strom durch ihn wird verringert. Dadurch bedingt ergibt sich wiederum eine erhöhte Dain-Source Spannung, wodurch der zweite Halbleiter schalter 3 einen erhöhten Strom liefert. Zum Zeitpunkt t₅ ist der erste Halbleiterschalter 2 vollständig abgeschalten, wäh rend der zweite Halbleiterschalter 3 bis zum erreichen seiner Einsatzspannung zum Zeitpunkt t₆ noch einen großen Strom lie fert. Hierdurch wird auch während der Abschaltflanke eine Verrundung des Stromverlaufs hervorgerufen.

Durch die Erfindung ist es folglich auf einfache Weise mög lich, die elektromagnetische Abstrahlung stark zu reduzieren, da diese ausschließlich durch den Verlauf der Flanken beim Übergang in den leitenden beziehungsweise beim Übergang in den nichtleitenden Übergang Zustand hervorgerufen wird. Da auf eine teure und aufwendige Steuerung zur Flankenformung verzichtet werden kann, kann die erfindungsgemäße Schaltungs anordnung sehr einfach realisiert werden. Die Erfindung eig net sich insbesondere für den Einsatz in Kraftfahrzeugen, da dort die elektromagnetische Verträglichkeit der verschiedenen elektrischen Komponenten eine große Rolle spielt. Die Schal tungsanordnung eignet sich gleichermaßen für Versorgungsspan nungen von 12 Volt bis 42 Volt, wie diese im Kraftfahrzeug eingesetzt werden. Es ist jedoch auch denkbar, Versorgungs spannungen von 220 Volt oder 380 Volt, zum Beispiel bei dis kreten Schaltern in einem Dreiphasennetz vorzusehen.

In den vorliegenden Ausführungsbeispielen nach Fig. 1 oder Fig. 3 ist jeweils nur eine Schaltvorrichtung dargestellt. Selbstverständlich ist es auch denkbar eine Halbbrücke, eine Vollbrücke oder aber eine Dreiphasen-Brücke vorzusehen, bei der jede Schaltvorrichtung einen ersten und mindestens einen zweiten Halbleiterschalter aufweist, um die elektromagneti sche Abstrahlung zu verringern. Die Erfindung weist zu dem den Vorteil auf, daß der Anstieg bzw. Abfall der Stromflanken des ersten Halbleiterschalters, daß heißt eigentlichen Lei stungs-Halbleiterschalters, sehr steil ausgeführt werden kann, daß die Schaltverluste gering bleiben.

Die Schaltvorrichtung könnte auch aus mehr als zwei parallel geschalteten Halbleiterschaler bestehen. In diesem Fall wären dann die Einsatzspannungen sowie die Zellenanzahl bzw. W/L Verhältnisse unterschiedlich. Je größer die Anzahl der parallel geschalteten Halbleiterschalter ist, desto gezielter kann die Flankenform des Stromverlaufes beeinflußt werden.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei dort eine Low-side-Konfiguration dargestellt ist. Dies bedeutet die Last 1 ist mit einem hohen Versorgungspotential V_bb an einem ersten Versorgungspotentialanschluß 4 verbunden. Zwischen dem anderen Anschluß der Last 1 und dem zweiten Ver sorgungspotentialanschluß 5, an dem ein niedriges Bezugspo tential anliegt, ist die Schaltvorrichtung 7 vorgesehen, die wie in Fig. 1 beschrieben, aufgebaut ist.

Bezugszeichenliste

1

Last

2

Halbleiterschalter

3

Halbleiterschalter

4

Versorgungspotentialanschluß

5

Versorgungspotentialanschluß

6

Steuervorrichtung

7

Schaltvorrichtung

2

a,

3

a Hauptanschluß

2

b,

2

b Hauptanschluß

2

c,

3

c Steueranschluß
I₁

, I₂

, I₃

Strom

Claims

1. Schaltungsanordnung zum Ansteuern einer Last (1) mit redu zierter Störabstrahlung mit einer Schaltvorrichtung (7), die seriell mit der Last (1) zwischen zwei Versorgungspoten tialanschlüssen (4, 5) verschalten ist und einer Steuervor richtung, die die Schaltvorrichtung (1) ansteuert, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltvorrichtung (7) einen ersten und mindestens einen zweiten Halbleiterschalters (2, 3) aufweist, deren Laststrecke parallel geschalten sind und wobei die Einsatzspannung des ersten Halbleiterschalters (2) größer als die des zweiten Halbleiterschalters (3) ist.

2. Schaltungsanordnung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steueranschlüsse (2c, 3c) des ersten und des zweiten Halbleiterschalter (2, 3) miteinander verbunden sind.

3. Schaltungsanordnung nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschalter (2, 3) feldeffektgesteuerte Bauelemente sind.

4. Schaltungsanordnung nach Patentanspruch 3 dadurch gekennzeichnet, daß der erste Halbleiterschalter (2) ein größeres W/L-Verhältnis aufweist als der zweite Halbleiterschalter, wobei W die Ka nalweite und L die Kanallänge repräsentiert.

5. Schaltungsanordnung nach Patentanspruch 3 dadurch gekennzeichnet, daß der erste Halbleiterschalter (2) eine größere Zellenanzahl als der zweite Halbleiterschalter aufweist.

6. Schalteranordnung nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellenanzahl des zweiten Halbleiterschalters (3) zwischen 2 und 5% des ersten Halbleiterschalters (2) beträgt.

7. Schalteranordnung nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung monolithisch integriert oder diskret aufgebaut ist.