DE4007564A1 - Leistungsverstaerker zur speisung induktiver lasten mit mos-feldeffekttransistoren - Google Patents
Leistungsverstaerker zur speisung induktiver lasten mit mos-feldeffekttransistorenInfo
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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 (Uv) 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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4007564A DE4007564A1 (de) | 1990-03-09 | 1990-03-09 | Leistungsverstaerker zur speisung induktiver lasten mit mos-feldeffekttransistoren |
Applications Claiming Priority (1)
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DE4007564A DE4007564A1 (de) | 1990-03-09 | 1990-03-09 | Leistungsverstaerker zur speisung induktiver lasten mit mos-feldeffekttransistoren |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE4007564A1 true DE4007564A1 (de) | 1991-09-12 |
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ID=6401842
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE4007564A Withdrawn DE4007564A1 (de) | 1990-03-09 | 1990-03-09 | Leistungsverstaerker zur speisung induktiver lasten mit mos-feldeffekttransistoren |
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