DE69026195T2

DE69026195T2 - Anpassungsfähige Gate-Ladeschaltung für Leistungs-Fets

Info

Publication number: DE69026195T2
Application number: DE69026195T
Authority: DE
Inventors: Milton Wilcox
Original assignee: National Semiconductor Corp
Current assignee: National Semiconductor Corp
Priority date: 1989-11-08
Filing date: 1990-10-26
Publication date: 1996-11-07
Anticipated expiration: 2010-10-27
Also published as: KR0177145B1; EP0427065A2; KR910010868A; JPH03185916A; US5023474A; EP0427065B1; DE69026195D1; EP0427065A3

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich generell auf elektronische Schaltkreise und im einzelnen auf einen adaptiven Ladeschaltkreis, der einen anfänglichen Stromimpuls bereitstellt zum Durchschalten eines Leistungs-FET und dann einen niedrigen, angepaßten Haltestrom liefert, um das Gate des Leistungs-FET auf dem "Ein-Potential zu halten, mit minimalem Stromabfluß von der Ladequelle.
Die Gate-Impedanz eines großen Leistungs-MOSFET-Transistors ist hochgradig kapazitiv. Demgemäß werden die Ausdrücke "Ladung" bzw. "Entladung" verwendet, um das Durchschalten bzw. Abschalten des Leistungstransistors zu beschreiben.
Bei allen hochseitigen Treiberanwendungen (und bei niederseitigen Treibern, die ausgehend von niedrigen Versorgungsspannungen arbeiten), muß das Gate des Leistungs-FET auf oberhalb des Versorgungspotentials mittels Gate-Ladungsschaltkreisanordnungen gehoben werden, um ein niedriges Rds (ein) in dem FET zu erzielten. Dies erfordert die Verwendung einer Ladungspumpe zum Versorgen des Gate-Ladekreises. Da Ladungspumpen typischerweise sehr hohe Ausgangswiderstände aufweisen, muß die Konstruktion des Gate-Ladekreises extra Stromabfluß von der Ladungspumpe minimieren. Das heißt, Strom, der von der Ladungspumpe abfließt, jedoch nicht in das Gate des Leistungs-FET strömt, sollte minimiert werden.
Typischerweise wird niedriger Stromabfluß erzielt durch Verwendung von MOS-Ladekreisen, da MOS-Komponenten als wahre Ein-/Ausschalter arbeiten können.
Die US-Patentanmeldung Aktenzeichen Nr. 07/353,123, hinterlegt am 17. Mai 1989, von Stephen W. Hobrecht und zusammen mit der vorliegenden zediert, offenbart eine Ladeschaltung für eine diffundierte Metalloxidhalbleiter-Transistorleistungskomponente (DMOST). Der Hobrecht-Ladekreis, der eine Kombination von Bipolarkomponenten und MOS-Schaltern verwendet, setzt einen Differentialverstärker Gate-Treiber ein, der bei einem relativ niedrigen Ruhestrom arbeitet, wenn der DMOST aus ist. Wenn der DMOST von aus auf ein zu schalten ist, wird der Differentialverstärkerreststrom kurzzeitig auf einen erheblich höheren Wert angehoben, so daß die parasitäre Gate-Kapazität des DMOST schnell auf den Ein-Pegel gehoben werden kann. Während die Hobrecht-Ladeschaltung definitive Vorteile gegenüber vorher bekannten Ladeschaltungen bereitstellt, ist ein Hauptnachteil von MOS-Schaltern derjenige, daß unter bestimmten schwierigen Betriebsumständen die Durchbruchspannungen der MOS-Transistoren ungenügend sind, daß die Transistoren hohen Spannungsübergängen standhalten könnten. Beispielsweise haben bei Kraftfahrzeugsystemen die Möglichkeit von unabsichtlichen Batterieumpolungen oder losen Batteriekabeln einige Kraftfahrzeughersteller veranlaßt zu spezifizieren, daß in diesen Anwendungsfällen eingesetzte integrierte Schaltkreise in der Lage sein müßten, bis zu 60 V standzuhalten, weit oberhalb der Durchbruchspannung von üblicherweise verfügbaren MOS-Transistoren. Demgemäß ist zusätzlicher Schutzschaltungsaufwand erforderlich, um die schaltenden MOS-Transistoren gegen Spannungsübergänge abzuschirmen. Diese zusätzlichen Schaltungen machen nicht nur das Produkt teurer, sondern verbrauchen auch IC-Fläche mit einem damit einhergehenden Verlust in der Ausbeute.
Ein anderer Nachteil konventioneller Ladekreise ist die Verwendung von Treiberspannung am Leistungs-FET-Gate, um ein hochgeschwindes Ein-/Ausschalten zu erzielen. Ausgehend davon, daß
I = C (dV/dt)
ist, kann man leicht erkennen, daß schnelle Änderungen in der Spannung hohen Stromfluß bewirken. Dieser hohe Stromfluß erzeugt ein elektrisches Feld, das für andere Schaltungen zerstörerisch sein kann, die sich nahe bei der Ladeschaltung befinden. Beispielsweise kann bei Kraftfahrzeuganwendungen das elektrische Feld, hervorgerufen durch eine Spannungstreiberladeschaltung, an Bord befindliche Computer beeinflussen, welche die Bremsung und/oder Beschleunigung steuern.
Das Dokument US-A-4,471,245 offenbart eine adaptive Gate-Ladeschaltung, angeschlossen zwischen der Ladeversorgung und dem Gate eines Leistungs-FET für das Steuern des Stromes, der dem Gate des Leistungs- FET zugeführt wird. Die Schaltung umfaßt Lademittel, die auf Steuersignale ansprechen zum Bereitstellen eines Stromimpulses von der Ladequelle zu dem Leistungs-FET-Gate während einer anfänglichen Zeitperiode, innerhalb der der Leistungs-FET eingeschaltet wird. Das Lademittel umfaßt ferner adaptive Aufrechterhaltungsmittel, angeschlossen zwischen der Ladeversorgung und dem Leistungs-FET-Gate für die Zufuhr von Haltestrom zum Halten des Leistungs-FETs im leitenden Zustand nach der anfänglichen Zeitperiode und für die Kompensation von Ladeleckstrom von dem Gate des Leistungs-FET. Die Schaltung umfaßt Strombegrenzungsmittel, angeschlossen zwischen den adaptiven Aufrechterhaltungsmitteln und dem Leistungs- FET-Gate, derart, daß der Stromabfluß von der Ladeversorgung auf den Haltestrom nach der anfänglichen Zeitperiode plus einen minimalen zusätzlichen Stromwert begrenzt wird.
Wie in dem unabhängigen Anspruch definiert, schafft die vorliegende Erfindung eine adaptive Gate-Ladeschaltung für das Einschalten eines Leistungs-FET in Reaktion auf ein Steuersignal. Die adaptive Gate- Ladeschaltung umfaßt Treiberschaltkreise, die auf die Feststellung eines Steuersignals mit dem Bereitstellen eines Ladestromes von einem Ladepumpenvorratskondensator zu dem Gate des Leistungs-FET reagieren während einer anfänglichen Zeitperiode, die ausreicht, um den Leistungs-FET einzuschalten. Nach der anfänglichen Zeitperiode liefern Halteschaltkreise Haltestrom von der Ladungspumpe zu dem Gate des Leistungs-FET zwecks Kompensation bezüglich Ladeleckstrom. Während die Halteschaltung das Einschaltpotential am Leistungs-FET-Gate hält, begrenzt eine Strombegrenzungsschaltung verbunden mit der Halteschaltung den Stromabfluß von der Ladepumpe auf den Haltestrom, der erforderlich ist, den Ladeleckstrom zu kompensieren, zuzüglich eines vorgewählten minimalen Zusatzstromes.
Die vorstehenden und zusätzliche Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlicher verständlich und gewürdigt bei Beachtung der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung, die in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen zu lesen ist.
Die Zeichnung illustriert ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform eines adaptiven Gate-Ladeschaltkreises gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die Zeichnung ist ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform einer adaptiven Gate-Ladeschaltung 10 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die dargestellte Schaltung kann in integrierter Form unter Anwendung bekannter Herstellungsprozesse realisiert werden.
Wie in der Zeichnung wiedergegeben, ist die adaptive Gate-Ladeschaltung 10 zwischen eine konventionelle Ladepumpe 12 und einen konventionellen Leistungs-FET 14 geschaltet. Der Leistungs-FET 14 ist in der Zeichnung als Hochseitentreiberkonfiguration gezeigt, bei der die andere Seite der Last 16 mit Masse verbunden ist. Es versteht sich für Fachleute, daß die Konzepte der Erfindung ebenso anwendbar sind auf Gate-Ladeschaltungen, die in Niederseitentreiberkonfigurationen eingesetzt werden.
Das Eingangssignal zur Schaltung 10 liefert Basistreiberstrom an den NPN-Eingangstransistor Q5. Der Transistor Q5 ist mit seinem Emitter an Masse gelegt und mit seinem Kollektor über den 13-KOhm-Widerstand R3 mit dem 2X-Emitter des Kaskode-NPN-Transistor Q11 verbunden. Der Kollektor des Transistors Q11 ist mit der Basis-Kollektor-Sperrschicht eines Mehrfachkollektor-PNP-Stromspiegeltransistors Q26 verbunden. Der 2X-Emitter des Transistors Q26 ist mit einem der mehreren Kollektoren des 6X-PNP-Stromspiegeltransistors Q27 verbunden. Die Ausgänge der Stromspiegeltransistoren Q26 und Q27 sind gemeinsam an das Gate des Leistungs-FET 14 angeschlossen.
Eine 4,8-V-Versorgung liefert Basistreiberstrom an den NPN- Transistor Q11 über den 10-KOhm-Widerstand R6 und an den PNP-Transistor Q10 über den 27-KOhm-Widerstand R4. Die Basis des Transistors Q10 ist außerdem mit Masse über den 13-KOhm-Widerstand R5 und die NPN-Transistoren Q12 und Q13 verbunden. Der Kollektor des Transistors Q13 ist mit dem Emitter des Kaskodetransistors Q11 verbunden und sein Emitter ist mit Masse über den 20-KOhm-Widerstand R7 verbunden.
Wie in der Zeichnung gezeigt, wird zum Zeitpunkt Ton der Transistor Q5 durch einen kurzen (etwa 25 µ Sekunden) Treiberimpuls durchgeschaltet, und etwa 150 µA Strom fließen in den Transistor Q11. Dieser Strom wird multipliziert mit einem Faktor von 10 in dem Stromspiegeltransistor Q26 und treibt den Stromspiegel Q27, der den Strom weiter multipliziert. Der kombinierte Kollektorstrom der Transistoren Q26 und Q27 (der etwa 6 mA beträgt, obwohl, wie Fachleute erkennen werden, der tatsächliche Wert um die Basisstromverluste verringert wird), lädt dann das Gate des Leistungs-FET 14 aus dem Vorratskondensator C1.
Nach dem anfänglichen Treiberimpuls schaltet der Transistor Q5 aus, und die Ladeschaltung 10 kehrt zu einem adaptiven Haltemodus zurück mit nur noch 3 µA vom Transistor Q13, die in den Transistor Q11 fließen. Selbst bei einer Multiplikation um einen Faktor von 10 im Stromspiegeltransistor Q26 genügt der Pegel des Stromes, der in dem 5-KOhm-Widerstand R15 fließt, nicht für die Schwelle des VBE des Transistors Q27, d.h. diesen einzuschalten. Demgemäß bleibt der Transistor Q27 aus, und der Stromspiegeltransistor Q26 liefert allein den Strom an das Gate des Leistungs-FET 14. Wenn zusätzlich Ladung erforderlich ist, um die Gate- Durchschaltung zu komplettieren, stehen bis zu 27 µA (9x3 µA) vom Stromspiegeltransistor Q26 zur Verfügung, was dazu führt, daß 30 µA von der Ladepumpe 12 gezogen werden. Wenn das Gate des Leistungs-FET 14 auf das Ladungspumpenpotential ansteigt, sättigt sich der primäre Kollektor des Stromspiegeltransistors Q26, und ein konzentrischer Kollektor, der den primären Kollektor umschließt, führt exzessiven Strom zur Basis zurück. Diese "ineinandergefügte Kollektorgeometrie" des PNP wird von Dobkin in Fig. 3 und zugehörigem Text des US-Patents 4,153,909 offenbart, auf welches Patent hier durch Bezugnahme verwiesen wird.
Wenn von dem Gate des Leistungs-FET 14 kein Strom benötigt wird, kehrt der gesamte Emitterstrom des Stromspiegeltransistors Q26 zu seiner Basis zurück, was bewirkt, daß der Stromspiegeltransistor Q26 sich wie eine Diode verhält. Dies verringert den Stromabfluß von der Ladungspumpe 12 auf gerade 3 µA. Jeglicher Leckstrom (bis zu 27 µA), erforderlich zum Halten des Gates des Leistungs-FET 14 auf hohem Pegel, wird von der Ladungspumpe 12 durch den Stromspiegeltransistor Q26 geliefert. Demgemäß paßt sich das wirksame Stromverhältnis des Transistors Q26 automatisch an die Bedürfnisse des Leistungs-FET 14 an, wodurch der Stromabfluß von der Ladungspumpe 12 minimiert wird.

Claims

1. Ein adaptiver Gate-Ladungsschaltkreis, angeschlossen zwischen der Ladungsquelle (12) und dem Gate eines Leistungs-FET (14) für das Steuern des dem Gate des Leistungs-FET zuzuführenden Stroms, welcher adaptive Gate-Ladungsschaltkreis Lademittel umfaßt, die auf ein Steuersignal reagieren für das Bereitstellen eines Stromimpulses von der Ladungsquelle zu dem Leistungs-FET-Gate während einer Anfangszeitperiode, ausreichend zum Einschalten des Power FET, welche Ladungsmittel adaptive Aufrechterhaltungsmittel (Q26, Q27) umfassen, angeschlossen zwischen der Ladungsquelle und dem Leistungs-FET-Gate für das Bereitstellen eines ausreichenden Haltestroms für das Leistungs-FET-Gate nach der Anfangszeitperiode zur Kompensation für das Lecken von Ladung von dem Leistungs-FET-Gate sowie Strombegrenzungsmittel (R15), angeschlossen zwischen den adaptiven Aufrechterhaltungsmitteln und dem Leistungs-FET-Gate für das Begrenzen des Stromabflusses von der Ladungsquelle nach der anfänglichen Zeitperiode zu dem Haltestrom plus einem Minirnalzusatzstromwert, welcher Gate-Ladungsschaltkreis ferner umfaßt

Mittel (Q5, Q13) für das Bereitstellen eines Anfangsstroms für die Anfangszeitperiode und bei dem das adaptive Aufrechterhaltungsmittel umfaßt:

(a) einen ersten Mehrkollektorstromspiegel-PNP-Transistor (Q27), der mit seinem Emitter mit der Ladungsquelle verbunden ist, mit seinem Primärkollektor mit dem Gate des Leistungs-FET verbunden ist und mit seiner Basis mit einem Sekundärkollektor und weiter mit der Ladequelle über ein Widerstandselement (R15) verbunden ist, und

(b) einen zweiten Mehrkollektorstromspiegel-PNP-Transistor (Q26), der mit seinem Emitter mit der Verbindungsstelle zwischen der Basis und dem Sekundärkollektor des ersten Stromspiegeltransistors verbunden ist, mit seinem Primärkollektor mit dem Leistungs-FET-Gate verbunden ist, einem Sekundärkollektor mit seiner Basis, mit den Mitteln für das Bereitstellen eines Anfangstroms und mit einem konzentrischen Kollektor, der den primären Kollektor umschließt, verbunden ist.

2. Ein adaptiver Gate-Ladungsschaltkreis nach Anspruch 1, der Mittel (Q11, Q13) umfaßt für das Erzeugen eines Aufrechterhaltungsstroms zur Basis des zweiten Stromspiegeltransistors (Q26) nach der anfänglichen Zeitperiode, die ausreicht, um den zweiten Stromspiegeltransistor einzuschalten, jedoch nicht ausreicht zum Einschalten des ersten Stromspiegeltransistors (Q27), wodurch der zweite Stromspiegeltransistor den einzigen Strom zum dem Leistungs-FET-Gate nach der anfänglichen Zeitperiode liefert.

3. Ein adaptiver Gate-Ladungsschaltkreis nach Anspruch 1, bei dem der konzentrische Kollektor des zweiten Stromspiegeltransistors (Q26) Überschußstrom zu seiner Basis zurückführt derart, daß dann, wenn der primäre Kollektor des zweiten Stromspiegeltransistors sich sättigt, der gesamte Emitterstrom des zweiten Stromspiegeltransistors zu seiner Basis zurückgeführt wird, was bewirkt, daß der zweite Stromspiegeltransistor sich wie eine Diode verhält.