DE4007564A1 - Leistungsverstaerker zur speisung induktiver lasten mit mos-feldeffekttransistoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Leistungsverstärker zur Speisung induktiver Lasten mit MOS-Feldeffekttransistoren in Brücken­ schaltung, wobei jedem MOS-Feldeffekttransistor eine Freilauf­ diode zugeordnet ist.

MOS-Feldeffekttransistoren, im folgenden als MOS-FETs bezeich­ net, weisen eine niedrige Durchlaßspannung sowie kurze Schalt­ zeiten auf, so daß sie sich besonders gut für verlustarme Lei­ stungsverstärker eignen. Wie in der Publikation "Power MOS-FET Application Notes" AN 934 der Firma International Rectifier, El Segundo, Kalifornien, USA, erläutert wird, weisen MOS-Feldef­ fekttransistoren eine inhärente Diode auf, die gleichzeitig als Freilaufdiode verwendet werden könnte. In der genannten Publi­ kation ist jedoch auch darauf hingewiesen, daß die inhärente Freilaufdiode im Vergleich zum MOS-FET selbst eine relativ lan­ ge Schaltzeit, d. h. Sperrverzögerungszeit, aufweist. Bei schnel­ ler Kommutierung werden bei einer Brückenschaltung die Versor­ gungsspannungsanschlüsse durch die Reihenschaltung eines einge­ schalteten MOS-FETs und einer aufgrund der Sperrverzögerung noch nicht sperrenden inhärenten Diode überbrückt, so daß sich eine hohe Stromanstiegsgeschwindigkeit in einem Querzweig er­ gibt. Dies führt zu einer Erhöhung der Schaltverluste, im Ex­ tremfall sogar zu einer Zerstörung der MOS-FETs. Zur Lösung des Problems wird in der bereits genannten Druckschrift vorge­ schlagen, externe Freilaufdioden zu verwenden, die mit wesent­ lich kürzeren Sperrverzögerungszeiten als die inhärenten Dioden verfügbar sind.

Bei dem genannten Leistungsverstärker handelt es sich um eine Puls-Weiten-modulierte Brückenschaltung, die als geregelte Stromquelle beliebige Stromkurvenformen mit möglichst hohen Stromanstiegsgeschwindigkeiten liefern muß. Für die Speisung einer induktiven Last ist daher eine hohe Betriebsspannung nö­ tig. In der genannten Druckschrift wird vorgeschlagen, die in­ härente Diode DI des MOS-Fet′s T durch eine parallelgeschaltete Schottky-Diode DS abzukoppeln, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist. Da die Schottky-Diode DS eine niedrigere Durchlaßspannung besitzt als die inhärente Diode DI, übernimmt sie im Freilauf­ betrieb den Strom. Aufgrund ihrer wesentlich kürzeren Speicher­ zeit ist es möglich, wesentlich schneller zu schalten. Schott­ ky-Dioden sind allerdings nur für niedrige Sperrspannungen ver­ fügbar und daher insbesondere für Leistungsverstärker für in­ duktive Lasten ungeeignet.

Anstelle der Schottky-Diode DS könnte man auch daran denken, schnelle Dioden mit höherer Sperrspannung zu verwenden, aller­ dings sind diese wegen ihrer höheren Durchlaßspannung ungeeig­ net, weil eine günstige Stromaufteilung zwischen inhärenter MOS-FET-Diode und externer Diode nicht möglich ist.

Ein weiterer Vorschlag, die inhärente MOS-FET-Diode abzukop­ peln, ist in Fig. 2 dargestellt. In Serie zum MOS-FET T wird ei­ ne Diode DA in Durchlaßrichtung geschaltet und über diese Seri­ enschaltung eine schnelle Freilaufdiode DEX in Sperrichtung pa­ rallelgeschaltet. Nachteilig an dieser Anordnung sind die höhe­ ren Durchlaßverluste sowie ein höherer Bauelementeaufwand.

Eine dritte Möglichkeit bietet der Einsatz von im Handel erhält­ lichen sogenannten "FRED-FETs" (Fast-Recovery-Epitaxial-Dioden Feldeffekt-Transistoren). Die inhärente Inversdiode ist bei die­ sem Transistor um einiges schneller als bei normalen FETs. Er­ reicht wird dieses durch eine spezielle Schwermetalldotierung. Im Vergleich zu den heute verfügbaren Ultra-schnellen Dioden sind diese inhärenten FRED-Dioden jedoch zu langsam, wenn es auf möglichst schnelles Schalten ankommt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Schaltung der eingangs genannten Art mit niedriger Verlustleistung, geringem Aufwand und ohne Verlust an Schaltgeschwindigkeit so aufzubauen, daß die mit den inhärenten Dioden verbundenen Probleme vermieden werden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merk­ male des Anspruches 1 gelöst. Durch die Drosseln wird erzwun­ gen, daß der Laststrom nicht auf die inhärenten Dioden, sondern auf die schnelleren externen Freilaufdioden kommutiert.

Durch die Einfügung einer Drossel in jede Verbindungsleitung zwischen den Lastanschlüssen und den Brückenzweigen werden sym­ metrische Verhältnisse beim Umschalten erreicht, so daß das Re­ gelverhalten verbessert wird.

Vorteilhafterweise werden die dem ersten und vierten bzw. zwei­ ten und dritten Brückenzweig zugeordneten Drosseln jeweils in­ duktiv so gekoppelt, daß der Laststrom in den Drosseln keinen resultierenden Fluß erzeugt. Damit kommt man mit kleinen Dros­ selkernen aus.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Fig. 3 dargestellt. Dabei sind zwischen zwei Versorgungs­ spannungsklemmen vier Brückenzweige I bis IV angeordnet. Jeder Brückenzweig besteht aus der Reihenschaltung eines Transistors T1 bis T4 und einer Diode D1 bis D4. Dabei ist in den Brücken­ zweigen II und IV jeweils die Diode D2 bzw. D4 kathodenseitig mit dem positiven Versorgungsspannungsanschluß V1 verbunden. In den Brückenzweigen I und III ist jeweils die Diode D1 bzw. D3 anodenseitig mit dem Minuspol V1 der Versorgungsspannungs­ quelle verbunden. Jeder Transistor T1 bis T4 wird von einer Treiberschaltung Tr1 bis Tr4 angesteuert. Ein erster Anschluß La1 ist über eine Drossel Dr1 mit dem Verbindungspunkt von Transistor T1 und Diode D1 des Brückenzweiges I und über eine Drossel Dr2 mit dem Verbindungspunkt von Transistor T2 und Diode D2 des Brückenzweiges II verbunden. Der zweite Anschluß La2 der Last La ist über eine Drossel Dr4 mit dem Verbindungs­ punkt von Transistor T4 und Diode D4 des vierten Brückenzweiges IV und über eine Drossel Dr3 mit dem Verbindungspunkt von Tran­ sistor T3 und Drossel D3 des dritten Brückenzweiges III verbun­ den.

Wenn die Transistoren T1 und T4 eingeschaltet sind, ist über den Transistor T1 und die Drossel Dr1 der erste Anschluß La1 der Last La mit der positiven Betriebsspannung und über den Transistor T4 und die Drossel Dr4 der zweite Anschluß La2 der Last La mit der negativen Betriebsspannung verbunden. Die Span­ nungsrichtung wird umgekehrt, wenn die Transistoren T2 und T4 eingeschaltet werden.

Bei den Transistoren T1 bis T4 ist jeweils die inhärent vorhan­ dene Diode gestrichelt eingezeichnet. Wie bereits in der Be­ schreibungseinleitung erwähnt, weisen die inhärenten Dioden eine Sperrverzögerungszeit auf, die im Verhältnis zur Schalt­ zeit der MOS-FETs T1 bis T4 lang ist.

Während dieser Sperrverzögerungszeit kann es zu hohen Stroman­ stiegsgeschwindigkeiten kommen, da der Strom dann direkt vom Pluspol V1 der Versorgungsspannung über die Transistor-Dioden- Strecken (T1-D1, D2-T2 bzw. T3-D3, D4-T4) zum Minuspol V2 fließt. Dieser Strom wird im folgenden als Querstrom be­ zeichnet.

Wenn man die Drosseln Dr bis Dr4 außer Betracht läßt, liegen die externen Freilaufdioden D1 bis D4 parallel zu den inhären­ ten Dioden der MOS-FETs T1 bis T4, was aus den vorgenannten Gründen nicht zur Abkopplung dieser langsameren Dioden aus­ reicht.

Die externen Freilaufdioden D1 bis D4 sind den MOS-FETs räum­ lich so zugeordnet, daß die parasitären Induktivitäten zwischen T1 und D1 bis T4 und D4 extrem niedrig sind. Dadurch werden Überspannungsspitzen beim Schalten vermieden. Durch die Dros­ seln Dr1 bis Dr4 wird sichergestellt, daß der Strom im Kommu­ tierungsaugenblick auf die den MOS-FETs T1 bis T4 zugeordneten Freilaufdioden D1 bis D4 wechselt. Wenn nun z. B. der MOS-FET T1 wieder einschaltet, übernimmt er den Strom unmittelbar von der Diode D1 (entsprechend T2-D2, T3-D3, T4-D4). Da es sich bei dieser Diode D1 um eine Ausführung mit extrem kurzer Sperr­ verzögerungszeit handelt, kann sich kein großer Querstrom auf­ bauen, der zu erhöhten Schaltverlusten oder sogar zu einer Zer­ störung der MOS-FETs T1 bis T4 führen würde.

Die inhärenten Dioden sind durch die Drosseln Dr1 bis Dr4 vom Schaltvorgang entkoppelt und damit ist ihr störender Effekt eliminiert.

Im folgenden wird noch ein weiterer Vorteil dieser Drossel Dr1 bis Dr4 beschrieben: Bei einer konventionellen Brückenschaltung, wie sie zur Erläuterung in Fig. 4 dargestellt ist, haben die Transistoren T1 und T2 sowie T3 und T4 jeweils einen gemeinsa­ men Lastanschluß La1 bzw. La2. Um Querströme zu vermeiden, muß zwischen dem Ausschalten des einen Tranistors und dem Einschal­ ten des anderen Transistors mit gemeinsamem Lastanschluß immer eine Sicherheitszeit eingehalten werden, um gleichzeitiges Lei­ ten zu vermeiden. Dies beeinträchtigt die Regeldynamik des Aus­ gangsstromes, da der Regelkreis während dieser Zeit unterbro­ chen ist. Besonders störend wirkt sich das beim Nulldurchgang des Ausgangsstromes aus. Bei einer Schaltung gemäß der Erfin­ dung liegen, wie in Fig. 3 dargestellt, in dem Querstrompfad die Drossel Dr1 bis Dr4. Die Drosseln begrenzen die Anstiegsgeschwin­ digkeit der Querströme. Damit ist es möglich, die Sicherheits­ zeit wegzulassen oder sogar überlappend zu schalten, so daß der Regelkreis nicht mehr unterbrochen wird. Die resultierenden Re­ geleigenschaften sind mit dem guten Regelverhalten von Linear­ verstärkern vergleichbar.

Um das Bauvolumen der Drosseln Dr1 bis Dr4 in Grenzen zu hal­ ten, ist es erforderlich, die Sättigung der Drosselkerne durch den Laststrom zu vermeiden. Dies wird dadurch erreicht, daß die Drosseln Dr1 und Dr4 bzw. Dr2 und Dr3 jeweils mit geeigneter Wicklungsrichtung auf einen gemeinsamen Kern gewickelt sind. Dadurch wird der durch den Laststrom erzeugte Fluß jeweils kom­ pensiert, d. h. die Drosseln Dr1 bis Dr4 sind stromkompensiert. Die Stromkommutierung wird dabei nicht beeinträchtigt.

Claims (3)

1. Leistungsverstärker zur Speisung induktiver Lasten mit MOS- Feldeffekttransistoren (T1 bis T4) in Brückenschaltung, wobei jedem MOS-Feldeffekttransistor (T1 bis T4) eine Freilaufdiode (D1 bis 4) zugeordnet ist, dadurch gekenn­ zeichnet, . daß zwischen einem ersten und einem zwei­ ten Versorgungsanschluß (V1, V2) vier Brückenzweige (I bis IV) mit jeweils der Reihenschaltung eines MOS-Feldeffekttransistors (T1 bis T4) und einer Freilaufdiode (D1 bis D4) liegen, daß beim ersten und beim dritten Brückenzweig (I, III) die Anode der Freilaufdiode (D1, D3) jeweils mit dem Minus-Pol der Ver­ sorgungsspannung und beim zweiten und beim vierten Brückenzweig (II, IV) die Kathode der Freilaufdiode (D2, D3) jeweils mit dem Plus-Pol der Versorgungsspannung (U_v) verbunden ist, daß ein erster Anschluß (La1) der Last (La) mit den Verbindungspunkten der MOS-Feldeffekttransistoren (T1, T2) und Freilaufdioden (D1, D2) des ersten und zweiten Brückenzweiges (I, II) verbunden ist und daß ein zweiter Anschluß (La2) der Last mit den Verbindungs­ punkten der MOS-Feldtransistoren (T3, T4) und Freilaufdioden (D3, D4) des dritten und vierten Brückenzweiges (III, IV) ver­ bunden ist und daß in die lastseitigen Verbindungen zwischen dem ersten und dem zweiten Brückenzweig (I, II) bzw. dem drit­ ten und dem vierten Brückenzweig (III, IV) jeweils mindestens eine Drossel (Dr) eingefügt ist.

2. Leistungsverstärker nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in jede Verbindungsleitung zwischen den Lastanschlüssen und den Brückenzweigen (I bis IV) eine Drossel (Dr1 bis Dr4) eingefügt ist.

3. Leistungsverstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dem ersten und vierten bzw. dem zweiten und dritten Brückenzweig (I bis IV) zugeordne­ ten Drosseln (Dr1 bis Dr4) jeweils induktiv so gekoppelt sind, daß der Laststrom in den Drosseln (Dr1 bis Dr4) keinen resul­ tierenden Fluß erzeugt.