DE3703838A1 - Ansteuerverfahren zum schutz von mos-leistungstransistoren an induktiven lasten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Ansteuerverfahren zum Schutz von MOS-Leistungstransistoren an induktiven Lasten, bei dem wenigstens zeitweise der Stromfluß invers vom Source zum Drain verläuft.

Wichtige Einsatzbereiche von MOS-Leistungstransistoren sind Motorsteuerungen, insbesondere Umrichter. Da Elektro­ motoren im allgemeinen eine induktive Last darstellen, müssen die Leistungsschalter für den Betrieb an indukti­ ven Lasten geeignet sein, was bei Leistungsschaltern, die nur in einer Richtung Strom führen können, durch eine dem Schalter parallelgeschaltete Diode erreicht wird. Bei MOS-Leistungstransistoren ist diese parallele Diode integraler Bestandteil der Transistorstruktur. In der Praxis hat sich nun gezeigt, daß für den Transistor beim Ausschalten, wenn er mit inversem Strom betrieben wird - also bei vorher leitender Diodenstruktur - schon auf­ grund sehr kleiner Ströme, die nur einen Bruchteil des zulässigen Schalterstromes ausmachen, die Gefahr der Zer­ störung besteht. Diese Problematik des Schutzes von MOS- Transistoren ist in Severns "dVDS/dt Turn-on in MOSFETS", Siliconix Technical Article TA84-4, April 1984, beschrie­ ben. Eine externe Beschaltung zum Schutz der Transisto­ ren geht aus Hebenstreit "Overcoming the dv/dt-problem in power MOSFET switching stages during commutation", Proceedings of International PCI 1982, Geneva, hervor. Neben den hohen Kosten für zusätzliche Leistungsbauele­ mente ist eine genaue Anpassung an die Schaltung erfor­ derlich.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, den Aufwand für den Schutz der MOS-Leistungstransistoren zu reduzieren, indem die Ansteuerung des Gatesignals den Schutz übernimmt. Hierdurch wird es möglich, ohne zusätzliche Leistungsbau­ elemente eine Entlastung zu erreichen, die sich leicht in einen monolithischen Schaltkreis integrieren läßt.

Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß das Gate derart abgeschaltet wird, daß in einem er­ sten Vorgang das Gate über einen elektronischen Schalter entladen, danach dieser Schalter wieder geöffnet und beim Anstieg der Drainspannung über einen kapazitiven Span­ nungsteiler das Gate des Transistors aufgeladen wird, um den Transistor teilweise in einen Leitzustand zu verset­ zen, und anschließend das Gate nach Erreichen einer Drain­ spannung von 1-50% der Abschaltspannung kurzfristig ent­ laden wird. Dabei soll beim Abschalten des Transistors das Gate möglichst schlagartig entladen und wieder frei­ gegeben werden. Steigt die Spannung am Drain des Transi­ stors an, so wird über den kapazitiven Spannungsteiler von Drain-Gate- und Gate-Source-Kapazität (oder einen anderen kapazitiven Spannungsteiler an den gleichen An­ schlußpunkten) eine positive Gatespannung erzeugt, die den Kanal des MOS-Leistungstransistors leitfähig macht. Damit wird die Spannungsanstiegsgeschwindigkeit am Drain des Transistors reduziert und die Minoritätsträgerladun­ gen können rekombinieren, ohne zu partieller Überhitzung (Second Breakdown) bzw. zu überhöhten Feldstärken zu füh­ ren. Die Spannungsanstiegsgeschwindigkeit läßt sich durch einen Gate-Source-Widerstand einstellen. Die Gatespannung des Transistors würde jedoch auch nach dem Schaltvorgang ohne weitere Maßnahmen zu lange oberhalb der Gate-Thres­ hold-Spannung bleiben und damit den Kanal weiter leit­ fähig halten. Das würde innerhalb kurzer Zeit zu einer Überhitzung des Transistors aufgrund des hohen Drain­ stromes führen, da beide Transistoren in eine Halbbrücke eingeschaltet sind und somit ein Brückenkurzschluß mit sehr hohen Verlustleistungen vorliegt. Um diesen Zustand zu vermeiden, wird der Transistor beim Erreichen einer Drainspannung, die etwa zwischen 1 und 50% der zu schal­ tenden Drainspannung liegt, über einen elektronischen Schalter abgeschaltet.

Die Höhe der Spannung, bei der der Transistor abgeschal­ tet werden soll, ist im wesentlichen von technologischen Randbedingungen bei der Transistorherstellung (Dotierungs­ profile usw.) sowie von parasitären Elementen im Aufbau des Leistungsteils (Streuinduktivitäten) bestimmt. Die Spannung muß höher als die zulässige Durchlaßspannung (Drain-Source-Spannung) des eingeschalteten Transistors und möglichst kleiner als die halbe Schaltspannung sein, um bei dem im Entlastungsfall auftretenden Brückenkurz­ schluß ein sicheres Auslösekriterium zu bieten, da im Entlastungsfall am Transistor maximal die halbe Brücken­ spannung entstehen kann.

Eine besonders günstige Wahl ist es, die Abschaltspannung auf die kurzzeitig zulässige maximale Drainspannung des Transistors im eingeschalteten Zustand zu begrenzen (maxi­ maler Drainstrom × RDSON). Hierdurch wird neben dem Ent­ lastungseffekt auch noch ein Überstromschutz des Tran­ sistors im Vorwärtsbetrieb erreicht.

Claims (4)

1. Ansteuerverfahren zum Schutz von MOS-Leistungstran­ sistoren an induktiven Lasten, bei dem wenigstens zeitweise der Stromfluß invers vom Source zum Drain verläuft, dadurch gekennzeichnet, daß das Gate derart abgeschal­ tet wird, daß in einem ersten Vorgang das Gate über einen elektronischen Schalter entladen, danach dieser Schalter wieder geöffnet und beim Anstieg der Drain­ spannung über einen kapazitiven Spannungsteiler das Gate des Transistors aufgeladen wird, um den Transi­ stor teilweise in einen Leitzustand zu versetzen, und anschließend das Gate nach Erreichen einer Drainspan­ nung von 1-50% der Abschaltspannung kurzfristig ent­ laden wird.

2. Ansteuerverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der kapazitive Spannungsteiler durch die inherente Drain-Gate- und Gate-Source-Kapazität gebildet ist.

3. Ansteuerverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der kapazitive Spannungsteiler durch einen geschalteten Widerstand gegen Source be­ lastet wird, um den Spannungsanstieg am Drain ein­ stellbar zu machen.

4. Ansteuerverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschaltspannung auf die kurzzeitig zulässige maximale Drainspannung des Transistors im eingeschalteten Zustand begrenzt wird.