DE3405847C1

DE3405847C1 - Serienregler mit einem MOSFET-Leistungstransistor

Info

Publication number: DE3405847C1
Application number: DE19843405847
Authority: DE
Inventors: Josef 8039 Puchheim Immler
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1984-02-17
Filing date: 1984-02-17
Publication date: 1985-08-22

Description

rationsverstärkcrs OPX verbunden, an dem auch das Gate G des Serientransistors Tangeschaltet ist.

Die Regelstufe RS enthält einen weiteren Operationsverstärker OP2, dessen invertierender Eingang mit der Ausgangsklemme A, dessen nicht invertierender Hingang mit einer Rcl'ercnzspannungsklemme U, und dessen Ausgang über einen Widerstand /?6 mit dem Gate G des Scrientransistors Tverbunden ist.

Im folgenden wird die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Strombegrenzung SB beschrieben. Es wird hierbei davon ausgegangen, daß die Regelstufe RS in an sich bekannter Weise das Gate G des Serientransistors T derart ansteuert, daß an der Ausgangsklemme A eine konstante Ausgangsspannung UA abgreifbar ist.

Der erfindungsgemäßen Strombegrenzung SB liegt folgender Gedanke zugrunde. Im zulässigen Strombereich des Serientransistors Γ wird, während die Drain-Source-Spannung niedrig ist, eine hohe Steuerspannung am Gate G und damit ein geringer Widerstand zwischen der Drain D und der Source S des Serientransistors T eingestellt. Der Spannungsmittelwert kann somit auf einen niedrigeren Wert eingestellt werden. Im Serientransistor Tentsteht eine geringe Verlustleistung und damit geringe Verlustwärme. Im einzelnen wird dies durch folgende Maßnahmen erreicht.

Der Operationsverstärker OPX der Strombegrenzung SB ist durch einen Baustein realisiert, der einen hier nicht dargestellten Ausgangstransistor mit einem offenen Kollektor, Frequenzkompensation, sowie einen Eingangsgleichtaktbereich bis zum negativen Wert der Spannung an der Source Sdes Serientransistors Taufweist.

Es wird von einem Zustand ausgegangen, bei dem durch den Serientransistor T, dessen Drain-Source-Spannung einen mittleren Wert aufweist und damit auch durch den Lastwiderstand RL der maximal zulässige Grenzstrom fließt. Am nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP1 liegt auf Grund der Zenerdiode Z eine Referenzspannung UR an, die auf die Spannung an der Source S des Serientransistors Tbezogen ist.

Ab diesem Zustand hin zu geringeren Lastwiderständen RL, die bei Einhaltung der Ausgangsspannung UA höhere Ströme bedingen würden, wird der Strom durch den Serientransistor T über die Widerstände R 4 und R 5 am Operationsverstärker OPl konstant gehalten. Das bedeutet, unzulässig hohe Ströme werden durch Konstanthaltung der Spannung am Gate G des Serientransistors T, d. h. durch eine Reduzierung des Widerstandes des Ausgangstransistors des Operationsverstärkers OP X verhindert. Die Spannung am Gate G bleibt konstant, obwohl die Regelstufe RS auf Grund der Unterschreitung der vorgegebenen Ausgangsspannung UA am Ausgang des Operationsverstärkers OP2 eine höhere Spannung einstellen will. Bei einer weiteren Verkleinerung des Lastwiderstandes RL steigt bei einer konstanten Spannung am Gate G die Drain-Source-Spannung an. Aus diesem Grund sinkt die Ausgangsspannung UA, und damit auch die Spannung an der Source s ab. Dies bewirkt, daß auch die Spannung am nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OPi, und über den Ausgang des Operationsverstärkers OP1 auch die Spannung am Gate G sinken. Zusammen mit den Widerständen R 4 und R 5 bewirkt die an der Source 5 angeschaltete Zenerdiode Z die rückläufige Strom-Spannungskennlinie des Serientransistors Tbei sehr hohen Strömen.
Ausgehend von dem Zustand, bei dem der Grenzstrom durch den Serientransistor T fließt, wird hin zu einer niedrigeren Drain-Source-Spannung die Spannung am Gate G stark erhöht. Beim Grenzstrom ist die am Widerstand R 3 abgreifbare Spannung gleich der an der Diode D1. Die am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OfI anliegende Spannung sinkt mit einer sinkenden Gate-Source-Spannung, da über die Diode D X und den Widerstand R 2 ein Strom zur Drain D fließt. Dieser Strom kann über den Widerstand R 4 nur fließen, da der Ausgang des Operationsverstärkers OP1 hochohmig wird, und infolgedessen die Gate-Source-Spannung ansteigt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

- Leerseite

Claims

1 2 Schaltungsbeispiele hierfür sind den Datenbüchern über Patentansprüche: SIPMOS-Transistoren der Firma Siemens, Jahrgang 83/84 zu entnehmen. Solche Regelstufen weisen den

1. Serienregler mit einem MOSFET-Leistungs- Nachteil auf, daß auch schon bei Strömen, die geringer transistor als Serientransistor (T) mit einer einen er- 5 als ein zulässiger Grenzstrom sind, die MOS FET-Leisten Operationsverstärker (OP 2) aufweisenden Re- stungstransistoren nicht mehr voll durchsteuerbar sind, gelstufe (RS) zur Einhaltung einer vorbestimmten und dadurch Verlustleistung und Verlustwärme entste-Ausgangsspannung (UA) an einem externen Lastwi- hen.

derstand (RL), mit einer einen zweiten Operations- Aus der »Funk-Technik« 37 (1982), Heft 9, Seiten 385 verstärker (OPi) und einen Rückkopplungswider- io bis 388 ist ein mit einem Serienregler gemäß dem Oberstand (RA) aufweisenden Strombegrenzungsstufe begriff des Anspruchs 1 ausgestattetes Netzgerät mit (SB), deren Ausgang mit jenem der Regelstufe (RS) variabler Ausgangsspannung und einstellbarer Strom- und der Gate-Elektrode (G^des Serientransistors (T) begrenzung (siehe Bild 8) bekannt. Dieses Netzgerät gekoppelt ist, wobei bei hohem Laststrom die weist zwei parallel geschaltete MOSFET-Leistungs-Strombegrenzungsstufe (SB) als Stromsenke an der 15 transistoren auf, wobei zur Stromwerterfassung ein Wi-Gate-Elektrode (G) wirkt, dadurch gekenn- derstand in den Lastkreis geschaltet ist. Der an diesem zeichnet, Widerstand abgreifbare Spannungswert liegt an den daß ein erster Eingang des zweiten Operationsver- Eingängen eines Operationsverstärkers an, dessen Ausstärkers (OP1) über ein Halbleiterelement mit Kon- gang im Kurzschlußfall als Stromsenke für den Ausgang stantspannungscharakteristik (Z) mit der Source- 20 eines weiteren Operationsverstärkers dient, der die EinElektrode (2^des Serientransistors (^verbunden ist, haltung einer konstanten Ausgangsspannung bewirkt,
und Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine daß ein zweiter Eingang des zweiten Operationsver- Strombegrenzung für einen Serienregler mit MOSFET-stärkers (OP1) über einen Widerstand (R S) mit ei- Leistungstransistoren anzugeben, bei der im Lastkreis nem Bezugspotential fOV^ verbunden ist, wobei mit- 25 ein zusätzlicher, durch die Strombegrenzungsstufe betels des Widerstandes (R S) und des Rückkopplungs- dingter Spannungsabfall vermieden wird.
Widerstandes (R 4) eine rückläufige Stromspan- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im nungskennlinie erzeugbar ist. kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebe-

2. Serienregler nach Anspruch 1, dadurch gekenn- nen Merkmale gelöst.

zeichnet, daß der zweite Operationsverstärker 30 Der hierdurch sich ergebende Vorteil liegt darin, daß (OPi) einen Ausgangstransistor mit offenem KoI- kein Strommeßwiderstand nötig ist.
lektor, Frequenzkompensation, und einen Eingangs- Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Regelgleichtaktbereich bis zum negativen Wert einer stufe liegt darin, daß in den MOSFET-Leistungstransi-Spannung an der Source-Elektrode (S) des Serien- stören nur eine geringe Verlustleistung und damit nur transistors (T) aufweist. 35 wenig Wärme entstehen.

3. Serienregler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der gekennzeichnet, daß das Halbleiterelement mit Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles erläu-Konstantspannungscharakteristik (Z) einer Zenerdi- tert.

ode ist. Der in der Figur dargestellte Serienregler weist eine

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprü- 40 Eingangsklemme E, eine Ausgangsklemme A, sowie ein ehe 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strom- gemeinsames Bezugspotential OV auf. An der Einbegrenzungsstufe (SB) am zweiten Eingang des gangsklemme E liegt eine Eingangsspannung UE, und zweiten Operationsverstärkers (OP1) eine mit der an der Ausgangsklemme A ist eine Ausgangsspannung Drain-Elektrode (D) des Serientransistors (T) ver- £M abgreifbar, jeweils bezogen auf das Bezugspotential bundene Diode (D 1) aufweist, über die die Ein- 45 OV. Die Eingangsklemme E ist über die Drain-Sourcegangsspannungsdifferenz am zweiten Operations- Strecke eines Serientransistors T mit der Ausgangsverstärker (OP1) erhöhbar ist. klemme A verbunden. Ein Gate G des Serientransistors

T, der durch einen MOSFET-Leistungstransistor reali-

siert ist, wird gemeinsam von einer Regelslufe RS und

50 von einer Strombegrenzung SB angesteuert. Zwischen Äusgangsklemme A und dem Bezugspotential OV ist

Die Erfindung betrifft einen Serienregler gemäß dem ein externer Lastwiderstand RL angeschaltet.

Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Die Strombegrenzung SB enthält einen Operations-

Stetig geregelte Stromversorgungen sind allgemein verstärker OP!,der zur Stromversorgung zwischen ei-

bekannt. Die hierzu verwendeten Serienregler (oder 55 ne Hilfsspannungsklemme UH und das Bezugspotential

Verlustregler) bestehen aus einem Transistor, dessen OV geschaltet ist. Der nicht invertierende Eingang des

Kollektor-Emitter-Widerstand von einer Regelstufe Operationsverstärkers OP1 ist über einen Widerstand

derart angesteuert wird, daß eine Ausgangsspannung R1 mit der Hilfsspannungsklemme UH und über eine in

konstant gehalten wird. In letzter Zeit werden hierfür Sperrichtung gepolte Zenerdiode Z mit der Source 5

MOSFET-Leistungstransistoren verwendet, die einen 60 des Serientransistors Tverbunden.

sehr geringen Durchlaßwiderstand aufweisen, so daß in Der invertierende Eingang des Operationsverstär-

den Serienreglern bei hohen Strömen nur wenig Ver- kers OP1 ist über eine in Flußrichtung gepolte Diode

lustleistung bzw. Verlustwärme erzeugt wird. D1 und einen Widerstand R 2 mit der Drain D des

Um eine Zerstörung der Serienregler durch unzuläs- Serientransistors T, und ebenfalls über die Diode D1

sig hohe Ströme zu vermeiden, weisen die Regelstufen 65 und einen Widerstand R 3 mit dem nicht invertierenden

eine Strombegrenzung auf. Diese besteht im allgemei- Eingang verbunden. Der invertierende Eingang ist über

nen aus einem zwischen Gate und Source der MOS- einen Widerstand R 5 mit dem Bezugspotential O V, und

FET-Leistungstransistoren geschalteten Zenerdiode. über einen Widerstand R 4 mit einem Ausgang des Ope-