DE3335475A1

DE3335475A1 - Schalter mit in serie geschalteten feldeffekttransistoren

Info

Publication number: DE3335475A1
Application number: DE19833335475
Authority: DE
Inventors: Eckhardt 7151 Allmersbach Grünsch
Original assignee: ANT Nachrichtentechnik GmbH
Current assignee: Bosch Telecom GmbH
Priority date: 1983-09-30
Filing date: 1983-09-30
Publication date: 1985-05-02
Also published as: DE3335475C2

Description

Schalter mit in Serie geschalteten Feldeffekttransistoren
Die Erfindung betrifft einen Schalter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein solcher Schalter ist bekannt aus der DE 30 26 040 C 2.
Beim Schalten gemäß DE 30 26 0>40 C 2 ist eine Steuerspannungsquelle direkt mit dem Gateanschluß des ersten Feldeffekttransistors und über Dioden jeweils mit den Gateanschlüssen der auf diesen ersten Feldeffekttransistor folgenden Feldeffekttransistoren verbunden. Die Steuerspannung der Steuerspannungsquelle muß also jeden Feldeffekttransistor aufsteuern. Die Steuerspannungsquelle wird hierdurch stark belastet. Zur Erzielung einer kurzen Ausschaltzeit muß beim Schalter gemäß der DE 30 26 040 C 2 ein niederohmiger Verlustwiderstand zwischen Gateanschluß und Sourceelektrode jedes Feldeffekttransistors vorgesehen sein.
Aufgabe der Erfindung ist es einen Schalter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 so auszubilden, daß die Steuerspannungsquelle weitgehend entlastet ist und ein schnelles verlustarmes Ein- und Ausschalten der Feldeffekttransistoren gewährleistet ist. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung angegeben. Die Erfindung weist den Vorteil auf, daß nach Abschalten des vorhergehenden Feldeffekttransistors der Drain-Source-Strom des nachfolgenden Transistors über die jeweilige Zenerdiode zwischen den Gateanschlüssen weiterfließen kann und damit ein schnelles Umladen der Gatekapazität des nachfolgenden Feldeffekttransistors ermöglicht. Desweiteren gewährleistet die Diode zwischen Gateanschluß und Sourceelektrode einen wirksamen Schutz vor zu hoher Sperrspannungsbeanspruchung für den darauffolgenden Feldeffekttransistor. Der Schalter nach der Erfindung eignet sich insbesondere zum schnellen Schalten von Lasten mit hohem induktiven Anteil, beispielsweise als Schalter für Schaltregler mit transformatorischer Kopplung.
Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung nun näher erläutert.
Es zeigen Fig. 1 ein Prinzipschaltbild für einen Schalter nach der Erfindung mit zwei Feldeffekttransistoren, Fig. 2 und Fig. 3 jeweils einen Schalter mit mehreren Feldeffekttransistoren und zusätzlicher Schutzbeschaltung.
Der Schalter in Fig. 1 besteht aus zwei in Serie geschalteten Feldeffekttransistoren F1 und F2. Die Sourceelektrode S des ersten Feldeffekttransistors F1 ist mit Masse verbunden und die Drainelektrode D ist an die Sourceelektrode S des zweiten Feldeffekttransistors F2 angeschlossen. Der Drainelektrode D des zweiten Feldeffekttransistors F2 wird die positive Versorgungsspannung Uv zugeführt. Der Gateanschluß des ersten Feldeffekttransistors F1 ist direkt mit einer Steuerspannung Ust verbunden. Die Steuerspannung kann einem Impulsgenerator oder, falls der Schalter geregelt betrieben werden soll, einem Pulsbreitenmodulator entnommen werden. Zwischen Gateanschluß G und Sourceelektrode S von F1 liegt eine Zenerdiode ZG, die zum Schutz der Drain-Gate-Strecke dient. Sie kann gegebenenfalls entfallen. Zwischen Sourceelektrode S und Gateanschluß von F2 liegt die Diode D11 und zwar ist diese Diode D11 anodenseitig mit der Sourceelektrode S und katodenseitig mit dem Gateanschluß G verbunden. Der Gateanschluß G von F2 ist über die Zenerdiode Zil mit Masse und über die Diode D21 mit einer Hilfsspannungsquelle UH verbunden. Die KatOde von Zil weist dabei zum Gateanschluß G und die Anode zur Masse. Die Diode D21 ist so gepolt, daß von der Hilfsspannungsquelle UH ein Strom I zum Gateanschluß G von F2 fließen kann. Die Gate-Source-Kapazität C11 ist in Fig. 1 gestrichelt eingezeichnet. Gelangt ein positiver Steuerimpuls der Steuerspannung Ust an den Gateanschluß G des ersten Feldeffekttransistors F1 schaltet dieser Feldeffekttransistor durch. Das Sourcepotential des Feldeffekttransistors F2 wird dadurch auf 0 Volt geschaltet. Die Gate-Source-Kapazität C11 von F2 wird nun von der Hilfsspannungsquelle UH über die Diode D21 niederohmig aufgeladen. Der Feldeffekttransistor F2 wird hierdurch sehr schnell leitend gesteuert. Die Steuerspannung Ust braucht den Impulsstrom für F2 nicht aufzubringen. Beide Feldeffekttransistoren F1 und F2 befinden sich nun im leitenden Zustand. Bei Ausbleiben der Steuerspannung Ust wird der Drain-Source-Strom durch den Feldeffekttransistor F1 zu O. Der Drain-Source-Strom durch den Feldeffekttransistor F2 fließt jedoch weiter auf die Zenerdiode Zil und räumt die Ladungsträger der Gate-Source-Kapazität C11 aus. Dieser Äusräumstrom fließt nicht nur bis die Gate-Source-Kapazität Cii entladen ist, sondern so lange bis die Gate-Source-Kapazität C11 bis auf die negative Schwellspannung der Zenerdiode Zil umgeladen ist. Die Diode D11 wirkt in Zusammenarbeit mit der Zenerdiode Zil als Schutzbeschaltung für die Sperrspannungsbeanspruchung des Feldeffekttransistors F1. Der Feldeffekttransistor F1 muß maximal als Sperrspannung nur jene Spannung aushalten, die die Summe des Spannungsabfalles an der Diode D11 und der Zenerdiode Zil vorgibt. Die Zenerdiode Zil muß so ausgewählt sein, daß für ihre Zenerspannung U11 gilt: Uz11 U UH.
Desweiteren muß für die Zenerspannung UZ11 gelten: UZil < UDS max F1.
UDS max F1 ist die am Feldeffekttransistor F1 maximal auftretende Drain-Source-Spannung.
In Fig. 1 ist eine zusätzliche Schutzbeschaltung gestrichelt eingezeichnet. Sie besteht aus der Diode DT in Serie zum Kondensator CT.
Fig,. 2 zeigt einen Schalter mit drei Feldeffekttransistoren F1, F2, F3. Er arbeitet prinzipiell wie der Schalter nach Fig. 1.
Nach Einschalten des ersten Feldeffekttransistors F1 durch einen Steuerimpuls USt sinkt das Sourcepotential von F2 auf 0 Volt.
Die Gate-Source-Kapazität C11 von F2 wird über die Diode D21 aus der Hilfsspannungsquelle UH niederohmig aufgeladen. Feldeffekttransistor F2 geht in den leitenden Zustand über. Dadurch sinkt das Sourcepotential von F3 auf 0 Volt. über die Diode D22 kann sich die Gate-Source-Kapazität C12 von F3 aufladen. Der Feldeffekttransistor F3 schaltet durch. Bei mehr als drei Feldeffekttransistoren, nicht dargestellt, in Serie wiederholt sich dieser Einschaltvorgang entsprechend der Zahl der Feldeffekttransistoren.
Beim Ausbleiben eines Steuerimpulses Ust wird wie beim Schalter nach Fig. 1 der Drain-Source-Strom durch F1 zu O. Die Drain-Source-Ströme durch die Feldeffekttransistoren F2 und F3 fließen weiter und laden die Gate-Source-Kapazitäten C11 und C12 um. Die Zenerdiode Zil übernimmt den weiterfließenden Gate-Source-Strom des Feldeffekttransistors F2 und die Serienschaltung aus den Zenerdioden Zil und Z12 jenen des Feldeffekttransistors F3. Die Schutzbeschaltungsdioden D11 und D12 gegen zu hohe Sperrspannungsbeanspruchung sind beim Schalter nach Fig. 2 als Zenerdioden ausgebildet. Bei mehr als drei Feldeffekttransistoren in Serie läuft dieser Ausschaltvorgang analog ab. Die Steuerspannung Ust ist bei Fig. 2 über einen Verstärker V auf den Gateanschluß G von F1 geführt. Der Verstärker V dient zur weiteren Entlastung der Steuerspannungsquelle. In Abweichung zu Fig. 1 ist in Fig. 2 der vom ersten Feldeffekttransistor F1 am weitesten entfernte Feldeffekttransistor F3 mit einer überspannungsschutz-Zenerdiode üZ beschaltet. Diese Uberspannungsschutz-Zenerdiode ÜZ, deren Katode mit der Drainelektrode D und deren Anode mit der Sourceelektrode S von F3 verbunden ist, ist insbesondere dann erforderlich, wenn die Aufteilung der Versorgungsspannung Uv auf die drei Feldeffekttransistoren F1, F2, F3, bzw. auf die drei Zenerdioden Zoll, Z12 nicht gleichmäßig erfolgt; d. h. wenn F3 eine höhere Sperrspannung zu verkraften hat als F1 und F2.
In Fig. 3 ist eine Variante zu Fig. 2 gezeigt. Die überspannungsschutz-Zenerdiode üZ ist hier durch ein Netzwerk, bestehend aus einer Diode DS, einem Kondensator CS, einem Widerstand RS und einer Hilfsspannungsquelle U ersetzt. Die Anode der Diode DS ist mit der Drainelektrode D von F3 verbunden. Die Katode von DS ist über den Widerstand RS mit der Hilfsspannungsquelle UQ und über den Kondensator CS mit der Sourceelektrode von F1 verbunden.
Wird der Schalter bestehend aus F1, F2 und F3 beispielsweise in Serie zu einer Transformatorwicklung betrieben, so kann die Energie der Streuinduktivität des Transformators auf den Weg DS, CS oder auf den Weg üZ, D12, Z12, Zil abgegeben werden; d. h. die Feldeffekttransistoren F1, F2 und F3 werden auch für diesen Betriebsfall wirksam geschützt.
- L e e r s e i t e -

Claims

Patentansprüche Schalter mit mindestens zwei in Serie geschalteten Feldeffekttransistoren, wobei die Drainelektrode des vorhergehenden Feldeffekttransistors jeweils mit der Sourceelektrode des darauffolgenden Feldeffekttransistors verbunden ist, wobei der Gateanschluß des ersten Feldeffekttransistors an eine Steuerspannungsquelle angeschlossen ist, und wobei der Gateanschluß des vorhergehenden Feldeffekttransistors mit dem Gateanschluß des darauffolgenden Feldeffekttransistors über eine Diode verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die mit Ausnahme des ersten Feldeffekttransistors (F1} zwischen den Gateanschlüssen (G) der Feldeffekttransistoren (F2, F3,...) gelegenen Dioden als Zenerdioden (Z11, Z12,...) ausgebildet sind, die derart gepolt sind, daß bei abgeschaltetem Feldeffekttransistor (F2, F3,. .) ein Ausräumstrom von der Gatekapazität (Ct9, C12,...) des Feldeffekttransistors auf die Zenerdioden (Z11, Z12,...) fließen kann, daß zwischen den Gateanschluß (G) und die Sourceelektrode (.S) der auf den ersten Feldeffekttransistor (F1) folgenden Feldeffekttransistoren (F2, F3, ..) eine Diode (D11, D12...) geschaltet ist, die bezüglich der Zenerdiode (Z11, Z12,...3 und des Feldeffekttransistors derart gepolt ist, daß der jeweils vorhergehende Feldeffekttransistor gegen überhöhte Sperrspannung geschützt ist, und daß die Gateanschlüsse (G) der Feldeffekttransistoren jeweils über eine Diode (D21, D22,...) mit einer Hilfsspannungsquelle (UH) verbunden sind, wobei diese Dioden (D21, D22,...) in Flußrichtung für den aus der Hilfsspannungsquelle (UH) getriebenen Strom (I) geschaltet sind.
2. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen Gateanschluß (G) und Sourceelektrode (S) geschalteten Dioden (D11, D12,...) als Zenerdioden ausgebildet sind.
3. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drainelektrode (D) des vom ersten Feldeffekttransistor (F1) am weitesten entfernten Feldeffekttransistors (F3,...) über eine Serienschaltung, bestehend aus einer Diode (DS) und einem Kondensator (CS) mit der Sourceelektrode (S) des ersten Feldeffekttransistors (F1) verbunden ist, und daß der Verbindungspunkt dieser Diode (DS) mit dem Kondensator (CS) über einen Widerstand (RS) mit einer Hilfsspannungsquelle (UQ) verbunden ist.
4. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drain-Source-Strecke des vom ersten Feldeffekttransistor (F1) am weitesten entfernten Feldeffekttransistors (F3,...) mit einer überspannungsschutz-Zenerdiode (üZ) beschaltet ist.