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Die vorliegende Erfindung betrifft eine
Spannungs-/Strom-Charakteristik-Steuerungsschaltung insbesondere zum Schutz von Leistungstransistoren.
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Bei integrierten Leistungsschaltungen wird zunehmender Bedarf nach
ausreichendem Schutz von Leistungstransistoren, entweder in MOS-Technologie oder in
Bipolartechnologie, vor Überlasten spürbar. Leistungstransistoren haben, wie alle
Transistoren, in der Spannungs-/Strom-Ebene, wie in Fig. 1 klar dargestellt ist,
einen Betriebsbereich, der gewöhnlich als SOA (Safe Operating Area) bezeichnet
wird, welches das Akronym für sicherer Betriebsbereich ist.
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Der Arbeitspunkt muß bei der Gefahr der Zerstörung der Vorrichtung selbst stets
innerhalb des SOA sein, denn solch ein Ereignis führt zu offensichtlich sofortigen
und drastischen Wartungseingriffen und erhöht so die Verwaltungskosten der
Maschine oder des Gerätes, in welchem dieses Ereignis auftritt.
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Die Grenzen des SOA sind gewöhnlich gebildet durch drei Begrenzungen: der
maximale Strom IMAX, welchem die Ausgabevorrichtung widerstehen kann, ihre
maximale Spannung VMAX und die maximale Leistung, welche durch die
Vorrichtung umgesetzt werden kann.
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Im Fall von Bipolarvorrichtungen ist die Situation weiterhin begrenzt durch das
bekannte Phänomen des 11. Durchbruches, in Fig. 1 durch die gestrichelte Linie
gezeigt, welcher letztendlich die Haupteinschränkung bei der Fertigung bipolarer
Leistungsvorrichtungen für Hochspannungen ist, d.h., mit einer Abgabespannung
Vcc von mehr als 30 Volt.
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Weiterhin kann unter besonderen Bedingungen wie bei einem Verstärker mit
einer teilweise induktiven Last der SOA häufig durch die Position der Punkte der
Spannungs-/Strom-Ebene, welche die Arbeitspunktregion repräsentieren,
verlassen werden, wie deutlicher in Fig. 2 dargestellt. Dieses Übertreten der Grenze
führt unvermeidlich zur endgültigen Zerstörung der Vorrichtung.
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Das technische Problem besteht daher in der Herstellung von
Schutzschaltungen, welche erfassen, wann der Leistungstransistor die Grenze des SOA
überschreitet und ihn in diesem Fall abschalten.
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Die Situation ist ebenfalls ungünstig, wenn die Differenz zwischen der Grenze
des SOA und dem Arbeitspunkt sehr gering ist; die Schutzschaltungen müssen
daher eine solche Auflösung haben, daß sie dem SOA so eng wie möglich folgen
können, um das Abschalten des Transistors zu vermeiden, wenn er noch
innerhalb des SOA ist, d.h. unter normalen Betriebsbedingungen.
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Schließlich ist die Herstellung einer solchen Schutzschaltung und vor allem die
Betriebsstabilität, bezogen auf die Variationen des Produktionsprozesses für ihre
Herstellung, eines der Hauptprobleme der Schutzschaltungen.
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Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die oben bei bekannten Typen
bekannter Steuerungsschaltungen beschriebenen Nachteile durch Angeben einer
Spannungs-/Strom-Charakteristik-Steuerungsschaltung, insbesondere zum
Schutz von Leistungstransistoren, welche den Grenzen des SOA exakt folgt, um
den Leistungstransistor abzuschalten, wenn der Arbeitspunkt die Grenze
überschreitet, zu beseitigen oder wesentlich zu verringern.
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Innerhalb des Umfangs dieses Zieles ist es eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, eine Steuerungsschaltung anzugeben, welche stabil arbeitet, auch
wenn der Herstellungsprozeß variiert.
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Nicht zuletzt ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
Spannungs/Strom-Charakteristik-Steuerungsschaltung insbesondere zum Schutz von
Leistungstransistoren anzugeben, welche bei wettbewerbsfähigen Kosten relativ
leicht herstellbar ist.
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Dieses Ziel, diese Aufgaben und andere, welche nachfolgend erkennbar werden,
werden erfindungsgemäß verwirklicht durch eine
Spannungs-/Strom-Charakteristik-Steuerungsschaltung zum Schützen von wenigstens einem
Leistungstransistor, mit: einem ersten Transistor mit einem Emitteranschluß, welcher an
den Ausgang des Leistungstransistors durch einen ersten Widerstand
angeschlossen ist, einem zweiten Transistor mit einem Emitteranschluß, welcher
direkt an den Ausgang des Leistungstransistors angeschlossen ist, wobei der
Kollektoranschluß und der Basisanschluß des zweiten Transistors an eine
Stromquelle angeschlossen sind, der Basisanschluß des ersten Transistors an
den Basisanschluß des zweiten Transistors angeschlossen ist, und einer
Schutzschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschaltung an den
Kollektoranschluß des ersten Transistors durch eine Differenzstufe angeschlossen ist,
welche einen dritten Transistor und einen vierten Transistor umfaßt, wobei der
dritte und der vierte Transistor entsprechend zweite und dritte Widerstände
aufweisen, die in Reihe dazu angeordnet sind, und daß Teilereinrichtungen
zwischen dem Eingangsanschluß des Leistungstransistors und den
Basisanschlüssen des dritten Transistors und des vierten Transistors vorgesehen sind,
um die Differenzstufe mit einer Differenzspannung zu versorgen, welche eine
Funktion der Spannung am Eingangsanschluß des Leistungstransistors ist.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der Beschreibung einer
erfindungsgemäßen, bevorzugten aber nicht ausschließlichen Ausführungsform
einer Spannungs-/Strom-Charakteristik-Steuerungsschaltung insbesondere zum
Schutz von Leistungstransistoren erkennbar, die nur als nicht beschränkendes
Beispiel durch die beigefügten Zeichnungen illustriert ist. Dabei zeigen:
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Fig. 1 eine Spannungs-/Strom-Kennlinie des sicheren Betriebsbereiches
(SOA);
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Fig. 2 eine Spannungs-/Strom-Kennlinie des SOA mit einer Arbeitspunkt-
Region;
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Fig. 3 ein Schaltbild einer bekannten Schutzschaltung;
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Fig. 4 ein Schaltbild einer anderen bekannten Schutzschaltung;
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Fig. 5 eine Spannungs-/Strom-Kennlinie des SOA der Schaltung aus Fig. 4;
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Fig. 6 ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Schutzschaltung;
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Fig. 7 eine Spannungs-/Spannungs-Kennlinie des Verhaltens einer
Differenzspannung der erfindungsgemäßen Schaltung;
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Fig. 8 eine Spannungs-/Strom-Kennlinie des SOA der Schaltung aus Fig. 7;
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Fig. 9 ein Schaltbild eines in der Schaltung aus Fig. 6 enthaltenen,
nichtlinearen Teilers;
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Fig. 10 eine Spannungs-/Spannungs-Kennlinie des Verhaltens einer
Differenzspannung in dem Teiler aus Fig. 9; und
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Fig. 11 eine Spannungs/Strom-Kennlinie des SOA der Schaltung aus Fig. 6,
vervollständigt mit dem Teiler aus Fig. 9.
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Fig. 3 zeigt vereinfacht die Grundschaltung zum Erfassen des Stromes, welcher
in einer Leistungsvorrichtung 1 fließt. Die Schaltung umfaßt eine
Schutzschaltung 2 und eine Stromquelle 3, welche jeweils an entsprechende
Kollektoranschlüsse eines ersten NPN-Transistors 4 und eines zweiten NPN-Transistors 5
angeschlossen sind, die als Stromspiegel geschaltet sind. Mit anderen Worten,
die Basisanschlüsse der zwei Transistoren 4 und 5 sind miteinander verbunden
und an den Kollektoranschluß des zweiten Transistors 5 und die Stromquelle 3
angeschlossen.
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Der Emitteranschluß des ersten Transistors 4 ist an einen Anschluß eines ersten
Widerstandes 6 angeschlossen und an Masse angeschlossen, wohingegen der
Emitteranschluß des zweiten Transistors 5 an einen Ausgangsanschluß der
Leistungsvorrichtung 1 und an den anderen Anschluß des ersten Widerstandes 6
angeschlossen ist.
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Wenn der Strom des Ausgangssignales von Vorrichtung 1, bezeichnet als I&sub0; Null
ist, ist der Spannungsabfall über dem ersten Widerstand 6 Null und der Strom I&sub2;,
welcher durch die Transistoren 4 und 5 gespiegelt wird, ist gleich dem Strom I&sub1;,
der durch die Quelle 3 erzeugt wird.
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Wenn ein von Null abweichender Strom I&sub0; in der Vorrichtung 1 fließt, veranlaßt
der Spannungsabfall über dem ersten Widerstand 6 den Strom I&sub2;, anzusteigen,
bis er den Schwellwert &sub2; erreicht, dessen Überschreiten den Eingriff der
Schutzschaltung 2 bewirkt.
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In dieser Schaltung reagiert der Schutz 2 daher nur auf den Ausgangsstrom und
ist daher für Hochspannungsschaltungen nicht geeignet.
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Die in Fig. 4 dargestellte Schaltung ist eine Verbesserung der oben
beschriebenen Schaltung. Bei diesem bekannten Schaltungstyp ist, ohne die bereits
eingeführten Bezugszeichen zu ändern, eine Reihenschaltung, die aus einem an
die Anode einer Zenerdiode 8 angeschlossenen Widerstand gebildet ist, an den
Basisanschluß, den Kollektoranschluß des zweiten Transistors 5 und an die
Stromquelle 3 angeschlossen. Die Kathode der Zenerdiode 8 ist an den
Eingangsanschluß der Leistungsvorrichtung 1 angeschlossen.
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In dieser letzten Schaltung begrenzt die Schaltung den Strom I&sub0; auf den Wert
IOMAX, wie in der vorhergehenden Schaltung, solange die Spannung V&sub0; über der
Leistungsvorrichtung 1 geringer ist als die Zenerspannung VZ; wenn die
Spannung V&sub0; die Zenerspannung VZ überschreitet, steigt der Strom, welcher in dem
ersten Transistor 4 fließt, ebenfalls an und ein geringerer Spannungsabfall über
dem ersten Widerstand 6 ist demzufolge erforderlich, um den Strom wert &sub2; zu
erreichen, welcher die Schutzschaltung 2 aktiviert. Die Schutzkennlinie der
Schaltung aus Fig. 4 ist in Fig. 5 gezeigt.
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In Fig. 6 umfaßt eine Spannungs-/Strom-Charakteristik-Steuerungsschaltung,
insbesondere zum Schutz von Leistungstransistoren, die obigen Komponenten,
deren Bezugszeichen in Fig. 6 aus Gründen der Klarheit beibehalten werden. Die
Schutzschaltung 2 ist an den Kollektoranschluß des ersten Transistors 4 durch
eine Differenzstufe angeschlossen, welche einen dritten Transistor 9 und einen
vierten Transistor 10 umfaßt. Der dritte und vierte Transistor weisen einen
entsprechenden zweiten Widerstand 12 und dritten Widerstand 13 auf, die in
Reihe daran angeschlossen sind. Eine Teilereinrichtung 14, die nachfolgend
beschrieben wird, ist weiterhin vorgesehen und zwischen dem Eingangsanschluß
des Leistungstransistors oder der Leistungsvorrichtung 1 und den
Basisanschlüssen des dritten Transistors 9 und des vierten Transistors 10 eingefügt.
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Der dritte Transistor 9 ist mit seinem Kollektoranschluß an eine Quellenspannung
15 angeschlossen, welche im Wert gleich Vcc ist, und sein Emitteranschluß ist
durch den zweiten Widerstand 12 an den Kollektoranschluß des ersten
Transistors 4 und an den Emitteranschluß des vierten Transistors 10 durch den dritten
Widerstand 13 angeschlossen.
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Der Kollektoranschluß des vierten Transistors 10 ist an die Schutzschaltung 2
angeschlossen.
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Der Strom I&sub2; ist eine Funktion des Stromes I&sub0; gemäß der folgenden Gleichung:
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I&sub2; = I&sub1; (A&sub4;/A&sub5;) exp (I&sub0;R&sub6;/VT),
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wobei R&sub6; der Widerstandswert des Widerstandes 6 ist; VT ist die thermische
Spannung, welche gewöhnlich gleich 26 mV ist, und (A&sub4;/A&sub5;) ist das
Flächenverhältnis zwischen dem ersten Transistor 4 und dem zweiten Transistor 5.
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Um die Schaltung ebenfalls für die Spannung V&sub0; der zu schützenden Vorrichtung
empfindlich zu machen, wird der Strom I&sub2; geteilt durch die durch den dritten
Transistor 9 und durch den vierten Transistor 10 gebildete Differenzstufe. Die
Differenzstufe ist weiterhin absichtlich durch das Vorhandensein des zweiten
Widerstandes 12 und des dritten Widerstandes 13 abgewandelt.
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Die beschriebene Differenzstufe wird angesteuert durch die Teilereinrichtung 14,
welche nachfolgend eingehender erläutert wird, und versorgt sie mit einer
Vorspannung und der Differenzspannung VD. Die Spannung VD ist eine Funktion
der Spannung V&sub0; und zeigt ein Verhalten, welches qualitativ in Fig. 7 dargestellt
ist.
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Für hohe Spannungen V&sub0; ist die Spannung VD positiv und der gesamte Strom I&sub2;
fließt durch den vierten Transistor 10. Wenn der Strom I&sub2; den Schwellwert &sub2;
erreicht, greift der Schutz ein und schaltet die Vorrichtung 1 ab. In dieser Region
SOA ist der Strom I&sub0;, wie in Fig. 8 dargestellt, für V&sub0; > V&sub0;&sub2; auf den Wert I&sub0;&sub2;
begrenzt.
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Bei geringeren Spannungen V&sub0; wird VD anfänglich Null und wird dann
zunehmend negativ. Der Strom I&sub2; fließt damit teilweise in den dritten Transistor 9
und teilweise in den vierten Transistor 10. Ein höherer Strom I&sub0; ist daher
erforderlich, um den Schwellenstrom &sub2; zu erreichen, und um den Schutz
eingreifen zu lassen. Die resultierende Kennlinie ist in Fig. 8 gezeigt.
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Wie aus der Kennlinie in Fig. 8 erkennbar ist, ist es, wenn die Vorrichtung 1
unterhalb der Spannung V&sub0; = V&sub0;&sub1; bei einem konstanten Strom I&sub0; = I&sub0;&sub1; zu
schützen ist, notwendig, die Differenzspannung VD am Ausgang der
Teilereinrichtung 14 auf einem konstanten Wert zu halten, der gleich VD = VD1 ist.
Daher muß die Übertragungsfunktion der Teilereinrichtung 14, d.h. VD =
VD(V&sub0;), berechnet werden, um der SOA-Kennlinie so genau wie möglich zu
folgen.
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In Fig. 9 umfaßt die Teilereinrichtung 14 einen vierten Widerstand 16, welcher
an die Quellenspannung 15 und an die Anode einer Diode 17 angeschlossen ist,
deren Kathode an einen fünften Widerstand 18 angeschlossen ist, welcher an
Masse angeschlossen ist. Die Anode der Diode 17 ist an den Basisanschluß des
dritten Transistors 9 angeschlossen.
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Die Kathode einer Zenerdiode 19 ist an die Kathode der Diode 17
angeschlossen; die Anode der Zenerdiode ist durch einen sechsten Widerstand 20 an den
Eingangsanschluß der Leistungsvorrichtung 1 angeschlossen und an den
Basisanschluß des vierten Transistors 10 durch einen siebten Widerstand 21
angeschlossen.
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Die Teilereinrichtung 14 ist daher ein nicht-linearer Teiler mit verschiedenen
Steigungen, welche es ermöglichen, der SOA-Kennlinie mit guter Näherung zu
folgen, und die Kennlinie der Übertragungsfunktion VD = VD(V&sub0;) der oben
beschriebenen Teilereinrichtung ist in Fig. 10 gezeigt. Die dadurch erhaltene
Schutzkennlinie ist in Fig. 11 grafisch dargestellt.
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Die vorliegende Erfindung erlaubt zufriedenstellend eine sehr enge und leicht
reproduzierbare Annäherung an die Schutzkennlinie der Leistungsvorrichtung 1,
auch mit einem einfachen dreistufigen, nicht-linearen Teiler 14, wie dem
beispielhaft in Fig. 9 dargestellten.
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Die durch den Teiler 14 gebildete Kennlinie ist in Fig. 10 gezeigt und die durch
die Schaltung aus Fig. 6 erhaltene Schutzkennlinie der Vorrichtung 1 ist die in
Fig. 11 dargestellte.
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Bei der bereits beschriebenen, bekannten Schaltung aus Fig. 4 wird V&sub0; durch
Zunahme des Referenzstromes I&sub1; durch die Zenerdiode 8 und den Widerstand 7
erfaßt, und es ist schwierig, diesen zusätzlichen Strom an den Triggerstrom I&sub2; zu
koppeln, insbesondere aus Sicht der Temperaturveränderungen und der
Veränderungen der Zenerspannung VZ in Folge des Herstellungsprozesses.
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Vorteilhafterweise arbeitet die erfindungsgemäße Schaltung durch genaues
Teilen des Stromes I&sub2; durch die durch die Transistoren 9 und 10 und durch den
Teiler 14 gebildete Differenzstufe, welche ausschließlich von den
Widerstandsverhältnissen abhängt, wie in Fig. 6 dargestellt und erhält Schutzkurven, welche
besser reproduzierbar und temperaturstabil sind.
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Die somit vorgestellte Erfindung ist vielfältigen Modifikationen und Variationen
innerhalb des Umfangs des Erfindungsgedankens zugänglich, wie in den
beigefügten Ansprüchen beschrieben. Vom konstruktiven Standpunkt aus sind die
Transistoren 4, 5, 9 und 10 bipolare NPN-Transistoren, jedoch verbietet
konzeptionell nichts die Ausführung einer erfindungsgemäßen Schaltung mit
bipolaren PNP-Transistoren mit den offensichtlich erforderlichen
Schaltungsanpassungen. Einzelheiten können weiterhin durch andere, technisch äquivalente
Elemente ersetzt werden.
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Praktisch können die verwendeten Materialien und die Dimensionen abhängig
von den Anforderungen variieren.
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Wo technische Merkmale in einem Anspruch von Bezugszeichen gefolgt sind,
sind diese Bezugszeichen einzig zum Zweck des Verbesserns der
Verständlichkeit der Ansprüche enthalten und daher haben diese Bezugszeichen keine
begrenzende Wirkung auf den Umfang des beispielhaft durch solche
Bezugszeichen bezeichneten Elementes.