DE4013997C2 - Gleichstrom-Steuerschaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Gleichstrom-Steuerschaltung zum Ein- und Ausschalten des Stromflusses in einem induktivitätsbe­ hafteten Laststromkreis durch Ansteuern eines Halbleiterschal­ ters, mit dem ein Freilauf-Halbleiterbauteil in Reihe geschal­ tet ist, zu dem der Laststromkreis parallel liegt. Der Begriff "induktivitätsbehafteter Laststromkreis" ist hier weitreichend zu verstehen. Die Induktivität kann allein durch die Induktivi­ tät von Leitungen des Stromkreises verursacht sein, aber auch durch Lastwiderstände mit induktivem Anteil oder durch induk­ tive Bauteile oder durch eine Kombination derartiger Induktivi­ täten.

Zum Ein- und Ausschalten von Gleichstrom muß eine Reihenschal­ tung von Spannungsversorgung, Halbleiterschalter und Last vor­ handen sein. Ist die Last induktivitätsbehaftet, wird eine Freilaufdiode parallel zum induktivitätsbehafteten Teil des Stromkreises geschaltet, wenn zu befürchten ist, daß ohne eine solche Diode beim Schalten unerwünschte Effekte auftreten.

Probleme, die beim Ein- und Ausschalten des Stromes auftreten, sind in der Offenlegungsschrift DE 37 30 503 A1 angesprochen. Zum Veranschaulichen dieser Probleme sei angenommen, daß der Halbleiterschalter durch einen N-Kanal-MOSFET gebildet ist. Ein solcher wird mit Hilfe der Gate-Source-Spannung gesteuert. So­ lange ein solcher Transistor leitet, liegt bei der o.g. Rei­ henschaltung der Verbindungspunkt zwischen dem Transistor und der Last, und demgemäß auch der Freilaufdiode, im wesentlichen auf Versorgungspotential, d. h. z. B. fast auf +24 V bei einer Versorgungsspannung von +24 V. Wird nun die Gate-Source-Spannung zum Sperren des Transistors erniedrigt, wird der Innenwiderstand des Transistors immer höher, was dazu führt, daß die in ihm in Wärme umgewandelte Leistung immer größer wird, da der Strom aufgrund der Wirkung der Induktivi­ tät im Laststromkreis nur wenig abnimmt. Es ist daher erfor­ derlich, daß die Freilaufdiode den Stromfluß übernimmt, bevor im Transistor so viel Wärme entwickelt wird, daß dieser zer­ stört wird. Da die Diode nicht schlagartig durchschaltet, muß die Gate-Source-Steuerspannung ausreichend langsam erniedrigt werden, damit dann, wenn die Spannung am Verbindungspunkt zwischen Transistor und Freilaufdiode einen Wert erreicht, ab dem die Freilaufdiode durchschalten muß, genügend Zeit für ein solches Durchschalten besteht bevor der Widerstand des Transistors aufgrund weiter verringerter Gate-Source-Spannung so hoch geworden ist, daß er bei nach wie vor im wesentlichen unverändertem Stromfluß durch ihn zerstört würde.

Beim Einschalten des Stromes besteht ein anderes Problem, nämlich dasjenige der Gefahr eines Kurzschlusses. Erfolgte erst kurz vor einem Wiedereinschalten ein Ausschalten, fließt noch Strom im Laststromkreis, der mit Hilfe der Freilaufdiode geschlossen wird. Sinkt der Widerstand des Transistors mit zunehmender Gate-Source-Spannung zum Einschalten des Transis­ tors, wird das Potential am Verbindungspunkt zwischen Tran­ sistor und Freilaufdiode positiv, so daß die Diode sperrt.

Jedoch erfolgt auch dieses Sperren nicht schlagartig, so daß die Gefahr besteht, daß bei schnellem Erhöhen der Gate-Sour­ ce-Spannung des Transistors dieser bereits voll leitet, wenn die Diode noch nicht gesperrt hat. Dies hätte offensichtlich einen Kurzschluß zur Folge, mit der Gefahr des Zerstörens des Transistors und/oder der Diode. Es muß daher auch beim Ein­ schalten die Gate-Source-Spannung langsam geändert werden, um der Freilaufdiode genügend Zeit zum Sperren zu geben.

Die vorstehend genannten Probleme bestehen nicht nur im Fall von N-Kanal-MOSFETs, sondern auch bei P-Kanal-MOSFETs oder bei bipolaren Transistoren, seien es NPN- oder PNP-Transisto­ ren. Die bipolaren Transistoren werden allerdings nicht über eine Gate-Source-Spannung gesteuert, sondern über einen Basis­ strom-. Dieser darf im Fall des Abschaltens nicht schlagartig unterbrochen und im Fall des Einschaltens nicht schlagartig auf den gewünschten Endwert geschaltet werden.

Es sind besondere Steuerschaltungen erforderlich, die dafür sorgen, daß der Steuerstrom zum Laden oder Entladen der Gate- Source-Kapazität, im Falle eines MOSFETs, oder zum Einstellen des Basisstroms im Falle eines bipolaren Transistors, nur so groß ist, daß sich die Öffnungs- bzw. Sperreigenschaften des Transistors nur so langsam ändern, daß die Freilaufdiode aus­ reichend Zeit zum Sperren bzw. zum Öffnen hat. Das Begrenzen der Steuerströme, im Fall von MOSFETs, bzw. das Begrenzen der Steuerstromänderungen, im Fall von bipolaren Transistoren, bringt jedoch den Nachteil mit sich, daß die Gesamtschaltzeiten ansteigen. Die Steuerströme bzw. Steuerstromänderungen werden daher so gewählt, daß die Gesamtschaltzeiten zwar möglichst kurz werden, aber andererseits unerwünschte Effekte beim Schal­ ten so weit wie möglich verringert werden, also die Beschädi­ gungsgefahr der Halbleiterbauteile so niedrig wie möglich ist und das Entstehen von Störspannungen so gut wie möglich unter­ drückt wird.

Zur Lösung der bekannten, vorstehend geschilderten Probleme wird gemäß der DE 37 30 503 A1 eine Zeitsteuerung vorgeschla­ gen, bei der die Gate-Source-Spannung genau eingestellt wird, wobei dann festgelegt wird, innerhalb welcher Zeitspanne die Stromleitfähigkeit des Transistors variiert wird, um zu errei­ chen, daß die Freilaufdiode genügend Zeit zum Schalten hat. Um der Freilaufdiode diese notwendige Zeit zum Schalten zur Verfü­ gung zu stellen, wird das Durchlaßverhalten des Transistors durch die Steuerschaltung gemäß dem Stand der Technik zeitlich so geführt, daß beim Ausschalten des Transistors ausreichend Zeit für die Freilaufdiode zur Verfügung steht, um vom sperren­ den in den leitenden Zustand überzugehen, bevor der Schalttran­ sistor weitgehend sperrt, und beim Einschalten des Transistors die Freilaufdiode sperrt, bevor der Transistor durchschaltet.

Der Nachteil der bekannten Steuerschaltung besteht darin, daß infolge des niederen Steuerstroms während des gesamten Schalt­ vorgangs insgesamt sehr viel Zeit beansprucht wird, was bei ei­ ner getakteten Steuerung des Transistors beispielsweise die Größe der Taktfrequenz begrenzt.

Bei einer aus der DE 37 09 149 A1 bekannten Gleichstrom-Steuer­ schaltung wird ein COMFET so angesteuert, daß zu seinem Aus­ schalten der Steuerstrom zunächst auf einem niederen Wert ge­ halten wird und er dann, wenn die DS-Spannung eine bestimmte Höhe überschritten hat, auf einen höheren Wert geschaltet wird. Die Lehre dieser Druckschrift beinhaltet daher lediglich, daß es bei CMOS-Transistoren zum Latch-up-Effekt kommen kann, wenn beim Ausschaltvorgang ein zu hoher Steuerstrom verwendet wird. Dagegen enthält diese Druckschrift keinerlei Anregung dafür, daß man auch bei diesbezüglich unkritischen Schalttransistoren hinsichtlich der Schaltgeschwindigkeit vorsichtig sein muß und unterschiedliche Steuerströme verwenden muß.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Umschaltzeitpunkte von Schalttransistoren exakt zu erken­ nen, um damit insgesamt schnellere Schaltzeiten zu erreichen. Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des An­ spruchs 1 gelöst.

Anstelle der bekannten Zeitsteuerung tritt erfindungsgemäß eine Schwellen-Zeit-Steuerung, die den kritischen Umschaltzeitpunkt exakt erkennt. Hierzu wird die Spannung am Verbindungspunkt zwischen dem Halbleiterschalter und dem Freilauf-Halbleiterbau­ teil erfaßt und deren Größe mit einem Schwellenwert verglichen.

Beim Ausschalten entspricht der Schwellenwert einer Spannung, bei der das Freilauf-Halbleiterbauteil durchschalten muß und beim Einschalten einer Spannung, bei der das Freilauf-Halblei­ terbauteil gesperrt hat. Beim Ausschalten wird nun der Steuer­ strom bzw. die Steuerstromänderung zunächst auf einem relativ hohen Wert gehalten, bis die gemessene Spannung den entspre­ chenden Schwellenwert erreicht hat, und dann wird auf einen niedrigeren Wert umgeschaltet. Beim Einschalten wird umgekehrt der Steuerstrom bzw. die Steuerstromänderung zunächst klein ge­ halten bis der entsprechende Schwellenwert erreicht wird, und dann wird auf einen höheren Wert umgeschaltet. Bei gleicher zur Verfügung stehender Schaltzeit für die Diode kann erfindungsge­ mäß eine Umsteuerung des Transistors in einer wesentlich kürze­ ren Zeit erfolgen.

Um den Aufbau der Steuerschaltung möglichst einfach zu halten, ist es von Vorteil, wenn der zweite Schwellenwert mit dem er­ sten Schwellenwert übereinstimmt. Die gewünschten unterschied­ lichen Stromwerte bzw. Stromänderungswerte werden vorteilhaf­ terweise über steuerbare Stromquellen eingestellt.

Bei Ausführungsbeispielen mit einem N-Kanal-MOSFET wurde als Signal zum Vergleich mit Schwellenwerten eine am Verbindungs­ punkt zwischen Halbleiterschalter und Freilauf-Halbleiterbau­ teil abgegriffene Spannung verwendet. Die erste und die zweite Schwellenspannung wiesen jeweils einen Wert von einigen hundert Millivolt auf. Der hohe Wert des Steuerstroms wurde größtmög­ lich gewählt. Der niedrige Wert des Steuerstroms wurde in An­ passung an die Eigenschaften des jeweils zu schaltenden Strom­ kreises so eingestellt, daß die Schaltvorgänge mit gewünschtem geringen Ausmaß von Störeffekten abliefen, insbesondere ohne jede Beschädigungsgefahr des N-Kanal-MOSFET.

Beim eben beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde eine Frei­ laufdiode verwendet, die zwischen Nasse und den Transistor ge­ schaltet war. Bei einem Ausführungsbeispiel mit einer Freilauf­ diode zwischen dem Transistor und einer Versorgungsspannung von +24 V wurde eine Steuerschaltung eingesetzt, die bei Schwellen­ werten von +23 V ein Umschalten der Stromstärken bewerkstel­ ligte.

Entsprechende Schwellenwerte wurden für eine Schaltung mit ei­ nem NPN- bzw. einem PNP-Transistor verwendet. Bei diesen Schal­ tungen wurde der große Wert der Stromstärkeänderung so groß wie möglich gewählt, während der niedrige Wert wieder in Anpassung an das Verhalten des jeweils zu schaltenden induk­ tivitätsbehafteten Stromkreises so eingestellt wurde, daß störende Schalteffekte unter vorgegebenen Werten blieben.

Die niedrigen Werte von Steuerstrom bzw. Steuerstromänderung entsprechen somit den Werten, wie sie von herkömmlichen Steuerschaltungen über den gesamten Schaltbereich ausgegeben werden. Die bekannten Schaltungen schalten jedoch nicht auf hohe Werte um.

Es sei daraufhingewiesen, daß beim Ausschalten ein Umschal­ ten des Wertes von Steuerstrom bzw. Steuerstromänderung be­ reits erfolgt, wenn die Spannung am Verbindungspunkt anzeigt, daß das Freilauf-Halbleiterbauteil durchschalten muß, daß aber beim Einschalten das Umschalten der Werte erst erfolgt, wenn festgestellt wird, daß das Freilauf-Halbleiterbauteil bereits gesperrt hat. Dadurch ist gewährleistet, daß die Schaltvorgänge am Freilauf-Halbleiterbauteil immer während der Dauer der niedrigen Werte von Steuerstrom bzw. Steuer­ stromänderung ablaufen.

Bei den Ausführungsbeispielen wurde, wie erwähnt, eine Diode als Freilauf-Halbleiterbauteil verwendet. Es kann jedoch auch ein weiterer Transistor verwendet werden, der dann von der Steuerschaltung mit Steuerströmen versorgt wird, die zeitlich so mit den Strömen zum Steuern des Ein/Ausschalt-Transistors korreliert sind, daß durch ihn der Strom weiterfließen kann, der aufgrund der Wirkung der Induktivität im induktivitätsbe­ hafteten Stromkreis weiterfließen muß, wenn es nicht zu einem Beschädigen des Ein/Ausschalt-Transistors kommen soll oder unerwünscht starke Schalteffekte auftreten sollen.

Das Auswertesignal muß nicht notwendigerweise durch die Span­ nung am Verbindungspunkt zwischen Halbleiterschalter und Freilauf-Halbleiterbauteil gegeben sein. Auch eine andere Spannung, die sich entsprechend wie die genannte Spannung än­ dert, kann verwendet werden. Auch ist es möglich, Spannungs­ änderung, bei konstantem Ladestrom, zu messen. So ist es be­ kannt, daß bei allen MOSFETs der zeitliche Verlauf der Gate­ spannung, bei konstantem Strom zum Laden der Gate-Source-Ka­ pazität, sich dann stark ändert, wenn die Gatespannung in die Nähe der Drainspannung gelangt. Das Änderungssignal be­ treffend die Gatespannung kann leicht z. B. durch einen Kon­ densator oder eine Induktivität als Auswertesignal ausgekop­ pelt werden.

Claims (3)

1. Gleichstrom-Steuerschaltung zum Ein- und Ausschalten des Stromflusses in einem induktivitätsbehafteten Laststromkreis durch Ansteuern eines Halbleiterschalters, mit dem ein Frei­ lauf-Halbleiterbauteil in Reihe geschaltet ist, zu dem der Laststromkreis parallel liegt, gekennzeichnet durch Mittel zum Messen der Spannung am Verbindungspunkt zwischen dem Halblei­ terschalter und dem Freilauf-Halbleiterbauteil oder einer sich entsprechend verhaltenden Spannung, und Mittel zum Steuern des Steuerstromes für den Halbleiterschalter so, daß beim Aus­ schalten des Halbleiterschalters im Falle eines MOSFET der Steuerstrom oder im Falle eines bipolaren Transistors die Steuerstromänderung in Ausschaltrichtung solange auf einem ho­ hen Wert gehalten wird, bis die gemessene Spannung einen ers­ ten Schwellenwert erreicht, der anzeigt, daß das Freilauf- Halbleiterbauteil durchschalten muß, und dann der Steuerstrom bzw. die Steuerstromänderung in Ausschaltrichtung auf einen niedrigeren Wert geschaltet wird, und beim Einschalten des Halbleiterbauteils der Steuerstrom bzw. die Steuerstromände­ rung in Einschaltrichtung so lange klein gehalten wird, bis die gemessene Spannung einen zweiten Schwellenwert erreicht, der anzeigt, daß das Freilauf-Halbleiterbauteil gesperrt hat und dann der Steuerstrom bzw. die Steuerstromänderung auf einen höheren Wert geschaltet wird.

2. Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Schwellenwert und der zweite Schwellenwert übereinstimmen.

3. Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet durch steuerbare Stromquellen zum Einstellen der unterschiedli­ chen Werte der Steuerströme bzw. der Steuerstromänderun­ gen.