DE4137452A1 - Verpolschutzanordnung fuer leistungsendstufen-feldeffekt-transistoren - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Verpolschutzanordnung für Leistungs­ endstufen-Feldeffekt-Transistoren (FET) mit einem in Reihe zum Endstufen-FET geschalteten Verpolschutzelement, das bei ver­ polter Versorgungsspannung sperrt.

Bei der Herstellung von Leistungs-FET entsteht prozeßbedingt parallel zum Drain-Source-Kanal eine Diode, die im Normalbetrieb gesperrt ist. Bei Verpolung der Versorgungsspannung wird sie jedoch leitend und überbrückt in störender Weise den Drain- Source-Kanal. Hierdurch wird ein im Lastkreis befindlicher Verbraucher in unerwünschter Weise angesteuert. Bei Endstufen­ transistoren bzw. Verbrauchern, die nicht für den Dauerbetrieb ausgelegt sind, kann dies neben Fehlfunktionen zu einer Zer­ störung dieser Bauelemente führen.

Um einen Verpolschutz sicherzustellen , ist es bekannt, in Reihe um Leistungs-FET eine Diode zu schalten, die bei einer Verpolung der Versorgungsspannung sperrt. Im Normalbetrieb bringt jedoch diese Diode einen Spannungsabfall mit sich, um den sich die für den Verbraucher zur Verfügung stehende Spannung vermindert, was vor allem bei niedrigeren Versorgungsspannungen, wie zum Beispiel der Spannungsversorgung in einem Kraftfahrzeug, von wesentlichem Nachteil sein kann.

Aus der DE-OS 39 30 896 ist die Verwendung eines FET als Verpol­ schutzelement in allgemeiner Form bekannt, nicht dagegen die Anwendung für FET-Endstufen.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Verpolschutzanordnung mit den kennzeichnenden Merkmal des Hauptanspruchs hat den Vorteil, daß bei sicherem Verpolschutz in der Leistungs-Endstufe nur geringe Spannungsver­ luste bei nichtverpoltem Betrieb auftreten. Dabei kann ein sehr kleiner Einschaltwiederstand erreicht werden. Für voll­ ständig integrierte Endstufen ist diese Verpolschutzanordnung in besonderer Weise geeignet.

Durch die in den unter Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Haupt­ anspruch angegebenen Verpolschutzanordnung möglich.

Der Endstufen-FET und der Verpolschutz-FET können zweckmäßiger­ weise identisch ausgebildet sein, um die Herstellung der End­ stufe insgesamt zu vereinfachen. Auch bei der vollständigen Integration ist dies von Vorteil.

Eine vorteilhafte Schaltungsausführung besteht darin, daß die Source-Anschlüsse der beiden FETs miteinander verbunden sind,wo­ bei insbesondere dar Drain-Anschluß des zweiten FET mit Masse und der Drain-Anschluß des Endstufen-FET über einen durch diesen gesteuerten Verbraucher mit dem positiven Pol der Versorgungs­ spannung verbunden ist.

Zum Schutz gegen Überspannungen ist eine mit wenigstens einem Teil der Versorgungsspannung beaufschlagte Spannungsbegren­ zungsvorrichtung mit wenigstens dem Gate-Anschluß des zweiten FET zur Begrenzung der Gate-Spannung auf einen unterhalb des kritischen Werts liegenden Wert verbunden. Hierdurch wird nicht nur ein Schutz des FET erreicht, sondern dieser wird auch bei unverpolter Versorgungsspannung sicher im stromleitenden Zustand gehalten. Als derartige Spannungsbegrenzungsvorrichtung eignet sich insbesondere eine Z-Diode.

Um mit einer einzigen, insbesondere als Z-Diode ausgebildeten Spannungsbegrenzungsvorrichtung beide FETs zu schützen wird die Spannungsbegrenzungsvorrichtung über Entkopplungsdioden mit den Gate-Anschlüssen aller FETs verbunden.

Um den zweiten FET bei unverpolter Versorgungsspannung aufzu­ steuern und im verpolten Zustand zu sperren, ist der positive Pol der Versorgungsspannung zweckmäßigerweise über wenigstens einen Widerstand mit dem Gate-Anschluß dieses zweiten FET verbunden (inverser Betrieb ist bei FETs möglich).

Derartige Leistungsendstufen können in Spannungsnetzen ein­ gesetzt sein, bei denen unterschiedliche geschaltete Versorgungs­ spannungen vorliegen, beispielsweise im Kraftfahrzeug, wo Lei­ stungsendstufen von einer ersten Versorgungsspannung versorgt werden (ständig anliegende Batteriespannung), während ein Steuersignalteil für die Leistungsendstufe von einer anderen zweiten Versorgungsspannung (die über ein Zündschloß geschaltete Batteriespannung) versorgt wird. Um bei diesen Verhältnissen einen sicheren Verpolschutz zu erreichen, ist vorteilhafter­ weise der Gate-Anschluß des zweiten FET mit von beiden Versorgungs­ spannungen abgeleiteten, jeweils diesen zweiten FET bei korrekt gepolten Versorgungsspannungen aufsteuernden Steuerspannungen beaufschlagt. Hierdurch ist auch beispielsweise der Verpolschutz noch gewährleistet, wenn bei abgeschalteter zweiter Versorgungs­ spannung die erste Versorgungsspannung verpolt ist, also beispiels­ weise die Batterie falsch angeschlossen ist. Durch diese Anord­ nung kann der Anschluß für die aus der ersten Versorgungsspannung gewonnenen Steuerspannung zwischen dem Endstufen-FET und dem von diesem gesteuerten Verbraucher angeordnet sein, muß also bei-­ spielsweise nicht an der sogenannten "Klemme 30" in einem Kraftfahrzeug angeschlossen sein.

Eine vorteilhafte Schaltungsanordnung besteht darin, daß die zweite Versorgungsspannung über eine Diode an einer Widerstands­ ordnung liegt, über die die erste Versorgungsspannung an den Gate-Anschluß des zweiten FET gelegt ist.

Zeichnung

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schaltungsanordnung eines ersten Ausführungs­ beispiels mit einer Versorgungsspannung und

Fig. 2 eine Schaltungsanordnung eines zweiten Ausführungs­ beispiels mit 2 Versorgungsspannungen.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Drain-Source-Kanal eines Leistungsendstufen-Feldeffekt-Tran­ sistors 10 - im folgenden Endstufen-FET genannt - in Reihe zu einem Verbraucher 11 und dem Drain-Source-Kanal eines zweiten als Verpolschutzelement dienenden FET 12 geschaltet. Dabei sind die beiden Source-Anschlüsse (S) miteinander verbunden, während der Drain-Anschluß (D) des Endstufen-FET 10 mit dem Ver­ braucher 11 und der Drain-Anschluß des zweiten FET 12 mit Masse verbunden ist. Der Verbraucher ist mit seinem zweiten An­ schluß mit dem positiven Pol 13 einer Versorgungsspannungs­ quelle (Ub) verbunden.

Der positive Pol 13 ist weiterhin über einen Wiederstand 14 mit dem Gase-Anschluß (G) des zweiten FET 12 und über einen Widerstand 15 mit dem Gase-Anschluß (G) des Endstufen-FET 10 verbunden. Eine Z-Diode 16 liegt mit ihrer Anode an Masse, während ihre Kathode über eine erste Diode 17 mit dem Gase-Anschluß des zweiten FET 12 und über eine zweite Diode 18 mit dem Gase-Anschluß des Endstufen-FET 10 verbunden ist. Die Dioden 17, 18 sind dabei gegensinnig zur Z-Diode 16 geschaltet. Schließlich ist ein Steueranschluß 19 für den Endstufen-FET 10 über einen Widerstand 20 mit dem Gase-Anschluß dieses End­ stufen-FET 10 verbunden.

Die Wirkungsweise des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbei­ spiels besteht darin, daß der als Verpolschutz dienende FET 12 invers zum Endstufen-FET 10 betrieben wird. Die prozeßbedingt parallel zum Drain-Source-Kanal derartiger FETs ent­ stehende Diode (Inversdiode) ist jeweils symbolisch dargestellt. Im nichtverpolten, korrekten Betrieb ist der zweite FET 12 ständig leitend, da sein Gase-Anschluß über den Wiederstand 14 mit einem entsprechenden positiven Potential beaufschlagt wird. Dieses wird durch die Z-Diode 16 auf einen für den FET 12 un­ gefährlichen Wert unter 10 Volt begrenzt, beispielsweise auf 9,1 Volt. Eine entsprechende Spannungsbegrenzung erfolgt auch durch dieselbe Z-Diode und die Diode 18 für den Endstufen FET 10. Dieser kann durch entsprechende Steuersignalfolgen am Steueranschluß 19 über die Widerstände 15, 20 angesteuert werden. An der Drain-Source-Strecke des zweiten FET 12 ent­ stehen dabei geringe Spannungsverluste bei kleinem Einschalt- Widerstand.

Bei verpoltem Betrieb, also bei vertauschten Anschlüssen von Masse und positivem Pol der Versorgungsspannung Ub liegt der Gase-Anschluß des zweiten FET 12 an Masse, also an 0 Volt. Auch der Source-Anschluß dieses zweiten FET 12 liegt über die Reihenschaltung der Invers-Diode des Endstufen-FET 10 und dem Verbraucher 11 an 0 Volt. Somit ist der zweite FET 12 gesperrt und die Kathode der Invers-Diode des zweiten FET 12 liegt jetzt an +Ub, wodurch auch sie gesperrt ist. Hier­ durch ist eine sichere Verpolfestigkeit der Endstufe gewähr­ leistet.

Das in Fig. 2 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel entspricht weitgehend dem ersten Ausführungsbeispiel, so daß gleiche oder gleichwirkende Bauteile mit demselben Bezugszeichen versehen und nicht nochmals beschrieben sind.

Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel ist der Wider­ stand 14 nicht mit dem positiven Pol 13, sondern über einen weiteren Widerstand 21 mit dem Drain-Anschluß des Endstufen- FET 10 verbunden. Die Spannungsversorgung des Widerstands 15 erfolgt nicht über den positiven Pol 13, sondern über ein Span­ nungsversorgungsteil 22. Dieses wird versorgungsseitig über eine Klemme 23 gespeist, die an eine weitere Versorgungsspannung Ub′ angeschlossen ist. In einem Kraftfahrzeug entspricht der positive Pol 13 beispielsweise der sog. "Klemme 30" die ständig mit dem positiven Pol der Kraftfahrzeugbatterie verbunden ist. Demgegenüber entspricht die Klemme 23 der sog. "Klemme 15" im Kraftfahrzeug, die in Abhängigkeit der Schaltstellung eines hier nicht dargestellten Zündschalters entweder mit der Klemme 30 verbunden oder von dieser getrennt ist.

Die Klemme 23 ist über die Reihenschaltung einer Diode 24 mit einem Widerstand 25 mit dem Widerstand 15 verbunden, wobei der Verknüpfungspunkt zwischen den Widerständen 25, 15 über eine Z-Diode 26 zur Spannungsstabilisierung an Masse liegt. Weiterhin ist die Klemme 23 über eine Diode 27 mit dem Verknüpfungspunkt zwischen den Widerständen 14, 21 verbunden. Die Dioden 24, 27 dienen dabei zur Spannungsentkoppelung.

In diesem Ausführungsbeispiel wird der Verbraucher 11 von der Versorgungsspannung Ub und die Gate-Ansteuerung des Endstufen-FET 10 von einer anderen Versorgungsspannung versorgt, nämlich von der Versorgungsspannung Ub′. Beide Versorgungsspannungen steuern jedoch über den Widerstand 14 den zweiten FET 12, nämlich die Versorgungsspannung Ub über den Widerstand 21 sowie die Last 11 und die Versorgungsspannung Ub′ über die Diode 27. Bei einge­ schalteter Versorgungsspannung Ub′, also im falle einer einge­ schalteten Zündung bei der Verwendung in einem Kraftfahrzeug, wird der zweite FET 12 über die Diode 27 und den Widerstand 14 stromleitend. Bei abgeschalteter Versorgungsspannung Ub′ , also zum Beispiel bei ausgeschalteter Zündung im Kraftfahrzeug, wird der zweite FET 12 dagegen über den Verbraucher 11 und die Wider­ stände 21, 14 stromleitend. Zur Versorgung der Schaltung bzw. des zweiten FETs 12 ist daher lediglich eine Verbindung zur Klemme 23 erforderlich, nicht mehr dagegen zum positiven Pol 13, da hier die Verbindung mit dem Verbraucher 11 ausreicht. Die Endstufe ist in jedem Fall verpolgesichert, beispielsweise auch bei abgeschalteter Versorgungsspannung Ub′ und verpolter Versorgungsspannung Ub.

Claims (12)

1. Verpolschutzanordnung von Leistungs-Endstufen-Feldeffekt- Transistoren (FET) mit einem in Reihe zum Endstufen-FET ge­ schalteten Verpolschutzelement, das bei verpolter Versorgungs­ spannung sperrt, dadurch gekennzeichnet, daß das Verpol­ schutzelement als zum Endstufen-FET (10) invers gepolter zweiter FET (12) ausgebildet ist, dessen Gase-Anschluß mit einer von der Versorgungsspannung abgeleiteten, den zweiten FET (12) bei korrekt gepolter Versorgungsspannung aufsteuernden Steuer­ spannung beaufschlagt ist.

2. Verpolschutzanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, das die beiden FETs (10, 12) im wesentlichen ident­ isch sind.

3. Verpolschutzanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Source-Anschlüsse (S) der beiden FETs (10, 12) miteinander verbunden sind.

4. Verpolschutzanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Drain-Anschluß (D) des zweiten FET (12) mit Masse und der Drain-Anschluß (D) des Endstufen FET (10) über einen durch diesen gesteuerten Verbraucher (11) mit dem positiven Pol (13) der Versorgungsspannung verbunden ist.

5. Verpolschutzanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß eine mit wenigstens einem Teil der Versorgungsspannung beaufschlagte Spannungsbegrenzungs­ vorrichtung (16) mit wenigstens dem Gate-Anschluß (G) des zweiten FET (12) zur Begrenzung der Gate-Spannung auf den unterhalb des kritischen Werts liegenden Wert verbunden ist.

6. Verpolschutzanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet daß die Spannungsbegrenzungsvorrichtung (16) als Z-Diode ausgebildet ist.

7. Verpolschutzanordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Spannungsbegrenzungsvorrichtung (16) über Entkopplungsdioden (17, 18) mit dem Gate-Anschlüssen (G) aller FETs (10, 12) verbunden ist.

8. Verpolschutzanordnung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der positive Pol (13) der Versorgungsspannung über wenigstens einen Wider­ stand (14, 21) mit dem Gate-Anschluß (G) des zweiten FET (12) verbunden ist.

9. Verpolschutzanordnung nach einem der Ansprüche 1-7 für eine Leistungsendstufe, die von einer ersten Versorgungsspannung (Ub) versorgt wird, während ein Steuersignalteil für die Leistungsendstufe von einer anderen, zweiten Versorgungs­ spannung (Ub′) versorgt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Gase-Anschluß (G) des zweiten FET (12) mit von beiden Ver­ sorgungsspannungen (Ub, Ub′) abgeleiteten, jeweils diesen FET (12) bei korrekt gepolter Versorgungsspannung auf­ steuernden Steuerspannungen beaufschlagt wird.

10. Verpolschutzordnung nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Anschluß für die aus der ersten Ver­ sorgungsspannung (Ub) gewonnenen Steuerspannung für den zweiten FET (12) der Drain-Anschluß (D) des End­ stufen FET (10) ist.

11. Verpolschutzanordnung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Versorgungsspannung (Ub′) über eine Diode (27) an einer Widerstandsanordnung (14, 21) liegt, über die die erste Versorgungsspannung (Ub) an den Gate-Anschluß des zweiten FET (12) gelegt ist.

12. Verpolschutzanordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 10 für die Anordnung in einem Kraftfahrzeug dadurch gekenn­ zeichnet, daß die erste Versorgungsspannung (Ub) die ständig anliegende Batteriespannung und die zweite Ver­ sorgungsspannung (Ub′) die über ein Zündschloß ge­ schaltete Batteriespannung ist.