DE4120478C2

DE4120478C2 - Steuerschaltung für einen Feldeffekttransistor

Info

Publication number: DE4120478C2
Application number: DE19914120478
Authority: DE
Inventors: Adolf Dipl Ing Nathan
Original assignee: ANT Nachrichtentechnik GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1991-06-21
Filing date: 1991-06-21
Publication date: 1994-03-03
Anticipated expiration: 2011-06-22
Also published as: DE4120478A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Steuerschaltung eines Feldeffekttransistors. Um einen sicheren Betrieb von Feldeffekttransistoren zu gewährleisten, die insbesondere in Schutzschaltungen eingesetzt werden, sind besondere Steuerschaltungen notwendig. Aus der DE 34 24 040 A1 ist eine solche Steuerschaltung bekannt, die den Strom durch den Feldeffekttransistor ab einer bestimmten Höhe begrenzt. Eine ähnliche Strombegrenzungsschaltung für eine Bipolartransistor ist aus der DE 28 22 897 C2 bekannt. Der Transistor wird dort in Abhängigkeit des Laststromes und einer Fehlerspannung gesteuert, die über eine Vergleichseinrichtung aus der Lastspannung und einer Referenzspannung gewonnen wird.

Aus der DE 35 19 791 C2 ist eine Schutzschaltung für einen steuerbaren Bipolartransistor gegen Überlast und Kurzschluß bekannt. Dort wird über einen Strommeßwiderstand der Strom über den Bipolartransistor erfaßt. Überschreitet der Strom einen vorgegebenen Wert, sperrt eine Überwachungsschaltung den Bipolartransistor über dessen Basis. Außerdem wird eine Meßschaltung in Form eines Komparators angesteuert, die einen Meßstrom aus einer Konstantstromquelle in den Lastkreis schickt. Sofern der Nennlastwiderstand im Lastkreis überschritten wird, triggert die Meßschaltung die Überwachungsschaltung, so daß die Überwachungsschaltung die Sperrung des Bipolartransistors durch entsprechende Ansteuerung der Basis des Bipolartransistors aufhebt.

Aus der DE 31 04 015 ist es bekannt, den Schaltzustand eines Halbleiterschalters über eine steuerbare Stromquelle zu verändern. Dort wird der Hauptstrom des Halbleiterschalters, welcher als Bipolartransistor realisiert ist, erfaßt und einer Vergleichseinrichtung zugeführt, die eine annähernd stromproportionale Spannung mit einer Referenz-Spannung vergleicht. Überschreitet der Strom durch den Bipolartransistor einen vorgegebenen Wert, so wird die Basis- Emitterstrecke des Transistors über einen vom Ausgangssignal der Vergleichseinrichtung gesteuerten weiteren Transistor, der Bestandteil der steuerbaren Stromquelle ist, kurzgeschlossen und damit der Bipolartransistor unabhängig von einem extern zugeführten Steuersignal gesperrt. Nach Behebung des Überstromes wird der Kurzschluß der Basis-Emitterstrecke wieder aufgehoben. In der Fühlleitung für den Überstrom des Bipolartransistors ist eine Diode vorgesehen, die lediglich der Abblockung von positiven Spannungen am Bipolartransistor von einem Meßpunkt der Vergleichseinrichtung aus dient, wenn der Ansteuerimpuls für den Bipolartransistor verschwindet.

Aus der US 43 16 243 ist ein Feldeffekttransistor in einer Verstärkerschaltung bekannt mit schwimmender (floating) Sourceelektrode. Zwischen Gate und Source dieses Feldeffekttransistors ist ein elektronischer Schalter vorgesehen, der über externe Steuerimpulse steuerbar ist. Dieser elektronische Schalter ist als Bipolartransistor realisiert. Die Basis-Emitterstrecke des Bipolartransistors ist mit einer Diode beschaltet, die verhindert, daß sich die Kollektorbasis-Kapazität eines Stromquellentransistors, der ebenfalls durch externe Steuerimpulse steuerbar ist, während des Vorhandenseins der Steuerimpulse entladen kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Steuerschaltung für einen Feldeffekttransistor mit insbesondere schwimmender Source- und/oder Drainelektrode anzugeben, die ein sicheres Ein- und Ausschalten gewährleistet. Außerdem soll eine Anwendung einer solchen Steuerschaltung aufgezeigt werden. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 bzw. 9 gelöst. Die übrigen Ansprüche zeigen Ausgestaltungen der Steuerschaltung auf.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß für Feldeffekttransistoren mit schwimmender Sourceelektrode besondere Maßnahmen getroffen werden müssen, um insbesondere ein sicheres Abschalten des Feldeffekttransistors auch im Kurzschlußfall zu ermöglichen. Diese Forderung wird durch die Erfindung erfüllt. Externe Steuersignale sind hierfür nicht notwendig. Die Zahl der benötigten Bauelemente ist gering, wodurch die Zuverlässigkeit der Steuerschaltung hoch ist. Die Steuerschaltung nach der Erfindung verhindert wirksam Versorgungsausfälle bei kurzzeitigen Kurzschlüssen und Ausfälle, die durch Überbeanspruchung des Feldeffekttransistors auftreten könnten. Durch geringe Modifikation - Einfügung einer zeitgesteuerten Torschaltung zwischen dem Ausgang der Vergleichseinrichtung und dem Steuereingang des Schalters bzw. der steuerbaren Stromquelle - lassen sich Betriebsunterbrechungen, hervorgerufen durch zeitweise auftretende Störungen, z. B. Kurzschlüsse, vermeiden. Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist die Möglichkeit der zuverlässigen Steuerung des Feldeffekttransistors unabhängig von Spannungssprüngen am Sourceanschluß des Feldeffekttransistors.

Anhand der Zeichnungen werden einige Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer Steuerschaltung nach der Erfindung,

Fig. 2 ein Prinzipschaltbild einer Steuerschaltung mit gesteuerter Stromquelle zwischen Gate und Source des Feldeffekttransistors,

Fig. 3 ein Prinzipschaltbild einer Steuerschaltung mit einer weiteren gesteuerten Stromquelle,

Fig. 4 ein Prinzipschaltbild einer Steuerschaltung mit einer zusätzlichen Stromquelle zwischen Hilfsspannungsquelle und den Mitteln zum Wiedereinschalten des Feldeffekttransistors,

Fig. 5 Signalverläufe ausgewählter Steuersignale,

Fig. 6 ein Prinzipschaltbild einer Steuerschaltung mit steuerbarer zusätzlicher Stromquelle und

Fig. 7 ein Prinzipschaltbild einer Steuerschaltung mit zeitgesteuerter Torschaltung.

Der Feldeffekttransistor F1 mit seiner in Fig. 1 dargestellten Steuerschaltung wirkt als elektronische Drossel zwischen einer Versorgungsgleichspannungsquelle Q, an der die Spannung UQ abfällt, und einem Verbraucher V. In Serie zur Drain-Source-Strecke des Feldeffekttransistors F1 ist ein Strommeßwiderstand RM vorgesehen. Die Sourceelektrode weist in diesem Ausführungsbeispiel zum Verbraucher V. Alternativ hierzu könnte auch die Drainelektrode zur Last weisen, wenn für die richtigen Polaritätsverhältnisse und den Feldeffekttransistortyp gesorgt ist. Der Spannungsabfall am Strommeßwiderstand RM wird mittels der Vergleichseinrichtung - hier in Form des Komparators K1 - erfaßt und mit einer Referenzspannung U_r verglichen. Der Komparator K1 besitzt einen invertierenden Ausgang. Demzufolge erscheint an seinem Ausgang LOW-Potential, wenn der Spannungsabfall am Strommeßwiderstand RM den Wert der Referenzspannung erreicht hat. Der Strom durch den Feldeffekttransistor F1 hat dann seinen maximal zugelassenen Wert erreicht. Der Schalter S1, der parallel zur Gate-Source-Strecke des Feldeffekttransistors F1 angeordnet ist, ist so ausgebildet, daß er von diesem LOW-Potential am Ausgang des Komparators K1 in den Leitendzustand überführt wird. Bei geschlossenem Schalter S1 entlädt sich die Gate-Source Kapazität C_g des Feldeffekttransistors F1 und der Feldeffekttransistor F1 schaltet ab. Der Spannungsabfall am Strommeßwiderstand RM geht dann auf den Wert 0 zurück. Über die Hilfsspannungsquelle QH, an der die Spannung UH abfällt, wird die Gate-Source-Kapazität C_g wieder geladen, um den Feldeffekttransistor F1 wieder einzuschalten. Die Mittel zum Wiederaufladen der Gate-Source-Kapazität bestehen aus der Serienschaltung des Widerstandes R1, der zur Gateelektrode weist, und der Zenerdiode ZD1, deren Anode zur Sourceelektrode weist. Die Hilfsspannungsquelle QH ist an den gemeinsamen Verbindungspunkt von Widerstand R1 und Zenerdiode ZD1 angeschlossen. Wegen des ständigen Springens des Spannungsabfalls am Strommeßwiderstand RM zwischen U_r und Null bei Überstrom, Zeit t1, hervorgerufen durch das Ein- und Ausschalten des Feldeffekttransistors F1, erscheinen am Ausgang des Komparators K1 Pulspakete (Fig. 5 erste Zeile), die von der Gate-Source-Kapazität des Feldeffekttransistor F1 integriert werden und so zu einer Steuerspannung UGS (Fig. 5 zweite Zeile) für den Feldeffekttransistor F1 führen, die im wesentlichen rechteckig ist und zwar unabhängig von Sprüngen an der Sourceelektrode bei Belastungsänderungen des Verbrauchers V.

Bei der Ausgestaltung nach Fig. 2 ist der Schalter S1 durch eine gesteuerte Stromquelle Q1 ersetzt, ansonsten ist die Funktionsweise wie zuvor geschildert.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 ist zum Unterschied gegenüber den Steuerschaltungen nach Fig. 1 und Fig. 2 eine weitere steuerbare Stromquelle Q2 vorgesehen, die zwischen der Hilfsspannungsquelle QH und dem Steuereingang des Schalters S1 bzw. der Stromquelle Q1 angeordnet ist. Der Steuereingang der Stromquelle Q2 ist mit dem Ausgang der Vergleichseinrichtung K1 verbunden. Der Zweck der Stromquelle Q2 ist es, die Hilfsspannungsquelle QH weniger zu belasten, insbesondere wenn ein hohes Potential überwunden werden muß und die Hilfsspannungsquelle QH hochohmig ist. Aus dem gleichen Grund kann eine zusätzliche Stromquelle Q3 zwischen der Hilfsspannungsquelle QH und dem gemeinsamen Verbindungspunkt von Widerstand R1 und Zenerdiode ZD1 (Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4) vorgesehen sein. Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 ist diese zusätzliche Stromquelle Q3 als ungesteuerte Stromquelle dargestellt. Diese Ausgestaltung ist dann vorteilhaft, wenn der Widerstand R1 genügend hochohmig, z. B. 500 Kiloohm, ist. Anderenfalls ist es vorteilhaft, auch die Stromquelle Q3 in Abhängigkeit des Ausgangssignals des Komparators K1 steuerbar auszubilden (Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6). Die Steuerung dieser Stromquelle Q3 hat jedoch entgegengesetzt zur Steuerung der Stromquelle Q1 zu erfolgen, d. h. ist die Stromquelle Q1 eingeschaltet, muß die Stromquelle Q3 ausgeschaltet sein und umgekehrt. Je nachdem, ob der Komparator K1 invertierend oder nichtinvertierend ausgebildet ist, muß zwischen seinem Ausgang und einem der Steuereingänge der Stromquellen Q1 und Q3 ein Inverter vorgesehen sein. Im dargestellten Beispiel (Fig. 6) ist der Komparator K1 nichtinvertierend ausgebildet; demzufolge ist der Inverter IN1 in der Verbindungsleitung - Ausgang des Komparators K1, Steuereingang der Stromquelle Q2 - vorgesehen.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung zeigt Fig. 7, deren Prinzip sich bei allen bisher gezeigten Ausführungsbeispielen einsetzen läßt. Zwischen dem Ausgang des Komparators K1 und den Steuereingängen der Stromquellen Q1, Q2 und/oder Q3, soweit diese vorgesehen sind, bzw. dem Schalter S1 ist eine über einen Zeitgeber ZG steuerbare Torschaltung TOR vorgesehen, die bei andauernden Überströmen zur Wirkung kommt. Bei Strömen unter z. B. 5 A ist der Feldeffekttransistor F1 über das Ausgangssignal des Komparators ständig voll leitend gesteuert. Bei Überstrom wird der Feldeffekttransistor F1 im aktiven Bereich auf einen maximal zulässigen Strom entsprechend den integrierten Pulspaketen (Fig. 5) gesteuert. Erst wenn der Überstrom länger andauern sollte, wird der Feldeffekttransistor F1 für eine vom Zeitgeber ZG vorgegebene Zeit, z. B. 10 µs, abgeschaltet, indem die Torschaltung die Ausgangssignale des Komparators K1 sperrt, und nach Ablauf dieser Zeit werden Wiedereinschaltversuche gestartet, d. h. wenn der Überstrom inzwischen abgeklungen ist, kehrt die Steuerschaltung in ihre bisherige Betriebsweise zurück - die Torschaltung läßt die Ausgangssignale des Komparators K1 unverändert passieren. Für die zeitgesteuerte Torschaltung kann beispielsweise das in DE 39 32 399 C1 oder in DE 40 30 123.0 aufgezeigte Prinzip verwendet werden.

Bei den bisher vorgestellten Ausführungsbeispielen wurde die Vergleichseinrichtung als Komparator betrieben; d. h. eine Änderung des Ausgangssignals der Vergleichseinrichtung erfolgte immer nur dann, wenn der stromproportionale Spannungsabfall am Strommeßwiderstand RM gerade die durch die Referenzspannung vorgegebene Schwelle über- oder unterschritt. Als Alternative hierzu kann die Vergleichseinrichtung als Fehlverstärker ausgebildet sein, d. h. am Ausgang des Fehlerverstärkers erscheint dann ein Signal proportional zum Spannungsabfall am Strommeßwiderstand RM, welches die Höhe des Stromes der Stromquelle Q1 bestimmt und damit den Strom des Feldeffekttransistors F1 linear steuert.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann zu Überwachungszwecken das Erreichen eines Überstromes - Ansprechen des Komparators und/oder der Torschaltung - separat ausgewertet werden, z. B. für die Anzeige auf einem Beobachtungsfeld.

Claims

1. Steuerschaltung für einen Feldeffekttransistor, welcher zwischen einer Versorgungsspannungsquelle (Q) und einem Verbraucher (V) vorgesehen ist und dessen schwimmende Source- oder Drainelektrode zum Verbraucher weist, bestehend aus:

- einer Einrichtung (RM) zum Erfassen eines zum Hauptstrom durch den Feldeffekttransistor (F1) proportionalen Signals,
- einer Vergleichseinrichtung (K1) zum Vergleichen des stromproportionalen Signals mit einem Referenzsignal (U_r),
- einem von der Vergleichseinrichtung (K1) steuerbaren Schalter (S1), welcher zwischen Gate und der schwimmenden Elektrode des Feldeffekttransistors (F1) liegt, wobei dieser Schalter (S1) an seinem von der schwimmenden Elektrode abgewandten Ende über eine Zenerdiode (ZD1) an den Verbraucher (V) angeschlossen ist,
- und einer Hilfsgleichspannungsquelle (QH), welche an die Steuerelektrode des Feldeffekttransistors (F1) sowie an die Zenerdiode (ZD1) angeschlossen ist.

2. Steuerschaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Ausbilden des Schalters (S1) in Form einer steuerbaren Stromquelle (Q1).

3. Steuerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine über einen Zeitgeber (ZG) steuerbare Torschaltung (TOR) zwischen dem Ausgang der Vergleichseinrichtung (K1) und dem Steuereingang des Schalters (S1) bzw. der steuerbaren Stromquelle (Q1).

4. Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine weitere steuerbare Stromquelle (Q2), die zwischen der Hilfsspannungsquelle (QH) und dem Steuereingang des Schalters (S1) bzw. dem Steuereingang der steuerbaren Stromquelle (Q1) angeordnet ist, und deren Steuereingang mit dem Ausgang der Vergleichseinrichtung (K1) verbunden ist.

5. Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsspannungsquelle (QH) bzw. die Zenerdiode (ZD1) über einen Widerstand (R1) mit dem Gate des Feldeffekttransistors (F1) verbunden ist.

6. Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine zusätzliche, gegebenenfalls steuerbar ausgebildete Stromquelle (Q3) zwischen Hilfsspannungsquelle (QH) und der Zenerdiode (ZD1) vorgesehen ist.

7. Steuerschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß entweder der Steuereingang der weiteren oder der zusätzlichen steuerbaren Stromquelle (Q2, Q3) mit dem Ausgang der Vergleichseinrichtung (K1) über einen Inverter (IN1) in Verbindung steht.

8. Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichseinrichtung (K1) aus einem Fehlerverstärker besteht, der den Strom der steuerbaren Stromquelle (Q1) proportional zur Fehlerabweichung des Fehlerverstärkers steuert.

9. Verwendung der Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 als elektronische Drossel, insbesondere in einer Stromversorgungseinrichtung.