DE69223719T2

DE69223719T2 - Feldeffekttransistor mit isoliertem Gate vom Anreicherungstyp mit gesteuerter Anstiegszeit an der Drain-Ausgangselektrode

Info

Publication number: DE69223719T2
Application number: DE69223719T
Authority: DE
Inventors: Francesco Carobolante
Original assignee: SGS Thomson Microelectronics Inc
Current assignee: STMicroelectronics lnc USA
Priority date: 1991-08-28
Filing date: 1992-08-25
Publication date: 1998-04-16
Anticipated expiration: 2012-08-26
Also published as: US5157351A; DE69223719D1; EP0535797A3; JP3093046B2; EP0535797B1; JPH0613231A; EP0535797A2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektronische Schaltung, die einen Feldeffekttransistor vom Anreicherungstyp mit isoliertem Gate enthält, und insbesondere eine Schaltung, die eine Lastspannungsanstiegsgeschwindigkeitssteuerung an dem Drainausgang des Feldeffekttransitors hat. Bei vielen Antriebsanwendungen mit induktiven Lasten, wie etwa zum Beispiel Motoren und Wicklungen bzw. Spulen, ist es von Interesse, die Spannungsanstiegsgeschwindigkeit an der induktiven Last zu begrenzen. Dies ist insbesondere beim Abschalten der Last wünschenswert, um die elektromagnetischen Störungen und andere Bezugsprobleme zu vemngem. Wegen der Struktur und der elektrischen Eigenheiten eines Feldeffekttransistors von Anreicherungstyp mit isoliertem Gate, ist herausgefunden worden, daß dies besonders schwierig zu erreichen ist. Die lokale Rückkopplung, die für die Gate-Drain-Kapazitanz repräsentativ ist, ist im allgemeinen für die Instabilität und Oszillationen verantwortlich, wenn eine derartige Anstiegsgeschwindigkeitssteuerung mit einer induktiven Last in Angriff genommen wird. Die Anstiegsgeschwindigkeitsspannung an einer Last kann als die maximale Änderungsrate der Ausgangsspannung der Last festgelegt werden.
Die GB-A-2, 140,996 beschreibt eine Schaltung zum gesteuerten Schalten eines Feldeffekttransistors mittels eines Rückkopplungskondensators. Im Betrieb gibt es drei aufeinanderfolgende Stufen, wobei anfangs eine schnelle Aufwärtsänderung zu dem Schaltpunkt, gefolgt durch eine langsame Änderung aufgrund des Rückkopplungskondensators während des Schaltens und letztlich eine schnelle Änderung erfolgt, während derer die Rückkopplung wiederum unwirksam ist.
Gemäß einem ersten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird eine elektronische Schaltung zur Verfügung gestellt, die ein Feldeffekttransistormittel vom Anreicherungstyp mit isoliertem Gate, das ein Gate, eine Source und eine Drain enthält, und ein induktives Lastmittel aufweist, das in einem Schaltkreis bzw. einer Schaltung mit der Drain des Feldeffekttransistormittels angeschlossen ist, wobei die Schaltung ein Mittel zur Steuerung der Spannungsanstiegsgeschwindigkeit der Last enthält, das an das Gate und die Drain des Feldeffekttransistormittels angeschlossen ist, das mit dem Feldeffekttransistormittel zusammenwirkt, um einen Stromintegrator zu bilden, der einen Eingangsstrom empfängt und einen Spannungsausgang an der Drain bereitstellt, der durch das Zeitintegral des Eingangsstroms festgelegt ist, wobei das Anstiegsgeschwindigkeitssteuermittel ein Kondensatormittel hat, das mit einem Ende an die Schaltung zwischen der Last und der Drain des Feldeffekttransistormittels angeschlossen ist, wobei das andere Ende des Kondensatormittels angeschlossen ist an
1. eine Stromquellenschaltung und
2. an den Eingang eines Einheitsverstärkungs-Trennverstärkermittels, dessen Ausgang an das Gate des Feldeffekttransistormittels angeschlossen ist,
wodurch die lokale Rückkopplung an dem Gate des Feldeffekttransistormittels aufgrund der Gate-Drain-Kapazitanz wirksam zerstört wird.
Gemäß einem zweiten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Steuern der Anstiegsgeschwindigkeit der Spannung der Last an einer induktiven Last unter Verwendung eines Feldeffekttransistors vom Anreicherungstyp bereitgestellt, das aufweist:
Ein Kondensator mit einem ersten Anschluß in einer Schaltung zwischen der Last und der Drain des Feldeffekttransistors und einem zweiten Anschluß wird bereitgestellt, der an eine Stromquelle angeschlossen ist;
ein Einheitsverstärkungs-Trennverstärker wird in einer Schaltung zwischen dem zweiten Anschluß und dem Gate des Feldeffekttransistors bereitgestellt, um einen Stromintegrator zum Integrieren des Stroms von der Stromquelle zu bilden; und
das Gate wird durch den Trennverstärker bzw. Pufferverstärker so betrieben, daß Spannungsänderungen an der Drain über den Kondensator und den Trennverstärker zu dem Gate gekoppelt werden, um die Wirkung der Gate-Drain-Kapazitanz zu zerstören.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Lastspannungsanstiegsgeschwindigkeitssteuerung bereit, die einen Stromintegrator enthält. Der Strom kann zum Beispiel konstant oder zeitabhängig sein, wobei der Stromintegrator in die Schaltung zwischen dem Gate und der Drain des Feldeffekttransistors angeschlossen ist, wodurch die lokale Rückkopplung an das Gate des Feldeffekttransistors aufgrund der Gate-Drain- Kapazitanz durch den Stromintegrator wirksam vernichtet wird.
Der Stromintegrator enthält einen Kondensator, der mit einem Ende in die Schaltung zu der Drain des Feldeffekttransistors und mit dem anderen Ende des Kondensators in einer Schaltung zu einer Konstantstromquelle angeschlossen ist. Ein Trenn- bzw. Pufferverstärker ist vorgesehen, der einen vorbestimmten Betriebsfrequenzbereich hat. Der Trennverstärker bzw. Pufferverstärker ist in die Schaltung zwischen dem anderen Ende des Kondensators und dem Gate des Feldeffekttransistors angeschlossen.
Wünschenswerterweise hat der Trennverstärker eine vorbestimmte Ausgangsimpedanz von weniger als 500 Ohm über seinem Betriebsfrequenzbeieich. Es ist als wünschenswert herausgefunden worden, daß der Betriebsfrequenzbereich des Trennverstärkers derart ist, daß die Bandbreite des Pufferverstärkers mindestens zehnmal die Resonanzfrequenz der induktiven Last einschließlich der verbundenen Komponenten und dem Feldeffekttransistor ist.
Zum besseren Verständnis der Erfindung kann auf die begleitenden Darstellungen bezuggenommen werden, die für die Erfindung beispielhaft sind, in denen:
Figur 1 eine schematische Darstellung der vorliegenden Erfindung ist;
Figur 2 eine schematische Darstellung ist, die eine äquivalente Schaltung des Stromintegrators zeigt; und
Figur 3 eine detaillierte schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
Bezugnehmend auf Figur 1 wird in Kombination einer Schaltung 10 gezeigt, die einen Feldeffeltttransistor 12 vom Anreicherungstyp mit isoliertem Gate zeigt. Ein derartiger Transistor enthält typischerweise ein isoliertes Polysiliciumgate 14, eine Source 16 und eine Drain 18. Eine induktive Last 20 ist, wie in Figur 1 gezeigt, in einer Schaltung bzw. in einem Schaltkreis mit der Drain 18 und einer Spannungsquelle 22 angeschlossen. Wie zuvor aufgeführt, ist es häufig wünschenswert, die Spannungsanstiegsgeschwindigkeit an der Last 20 insbesondere beim Ausschalten zu begrenzen, um die elektromagnetischen Störungen und andere Bezugsprobleme zu verringern. Wie bereits aufgeführt, hat es sich als schwierig erwiesen, dies wegen der lokalen Rückkopplung zu erzielen, die durch die Gate-Drain-Kapazitanz des Transistors 12 repräsentiert wird, die häufig eine Instabilität und Oszillationen verursacht, wenn die Anstiegsgeschwindigkeitssteuerung mit einer induktiven Last in Angriff genommen wird.
Die vorliegende Erfindung verwendet eine Anstiegsgeschwindigkeitssteuerung für die Spannung einer Last, die einen Stromintegrator 26 aufweist.
Der Stromintegrator weist bevorzugt einen Kondensator 28 auf, dessen eines Ende 30a in einer Schaltung zwischen der Last 20 und der Drain 18 des Transistors 12 angeschlossen ist. Eine Stromquelle 32 ist in einer Schaltung mit dem anderen Ende des Kondensators 28 angeschlossen. Der Trenn- bzw. Pufferverstärker 34 ist in einer Schaltung zwischen dem anderen Ende 30b des Kondensators 28 und dem Gate 14 des Feldeffekttransistors 12 angeschlossen.
Die vorliegende Erfindung setzt die Gain des Pufferverstärkers bzw. Trennverstärkers zur Integration des Stromes von der Stromquelle 32 ein. Die Figur 2 zeigt, daß die Schaltung zu einem Integrator äquivalent ist, und der Strom, Iin, ob positiv oder negativ, der Stromquelle 32 durch die Kapazitanz bzw. Kapazität C des Kondensators 28 zu einer linearen Ausgangsspannungsänderung integriert wird, wobei angenommen wird, daß Iin konstant ist:
Der in Figur 2 gezeigte Verstärker 36 stellt die allgemeine Verstärkung -K des Puffer- bzw. Trennverstärkers 34 zusammen mit der Verstärkung des Feldeffekttransistors 12, der in Figur 1 gezeigt ist, dar.
Bevorzugt hat der Trennverstärker eine vorbestimmte Ausgangsimpedanz von weniger als ungefähr 500 Ohm über seinem Betriebsfrequenzbereich. Es ist wünschenswert, daß der Trennverstärker 34 einen vorbestimmten Frequenzbereich hat, so daß die Bandbreite des Puffer- bzw. Trennverstärkers zumindest gleich zehnmal der Resonanzfrequenz der Last einschließlich des Parasitären ist, wobei sich ein "Hochgeschwindigkeits"-Trennverstärker bzw. -Pufferverstärker ergibt.
Bezugnehmend auf Figur 3 ist es ermittelt worden, daß die Pufferstufe bzw. Trennstufe 38 des Trenn- bzw. Pufferverstärkers 34 bevorzugt eine Verstärkerstufe vom Klasse-AB-Typ ist. Dies stellt einen Vorstrom an der Ausgangsstufe des Verstärkers 34 zur Verfügung. Die Erfindung erfordert einen Einheitsverstärkungs- Trennverstärker 34 mit "hoher Geschwindigkeit". Der Ausdruck "hohe Geschwindigkeit" bedeutet, daß die Bandbreite des Verstärkers 34 sehr viel größer ist, wenn sie mit der Resonanzfrequenz des Feldeffekttransistors 12 und damit verbundene Komponenten und der Last verglichen wird. Für eine Abschätzung erster Ordnung ist eine derartige Resonanzfrequenz
wobei L die Induktivität der Last ist und C die gesamte parasitäre Kapazität der Last und angeschlossener Komponenten und des Transistors 12 ist. Wenn zum Beispiel L in dem Bereich von 0,5 bis 10 mH und C in dem Bereich von 0,5 bis 5 nF ist, ist die Resonanzfrequenz FR geringer als 500 kH und ein Puffer 34 mit einer Bandbreite von 5 MHz ist angemessen.
Wie zuvor bemerkt, muß die Impedanz des Pufferverstärkers 34 vernünftig gering über einem ausgedehnten Frequenzbereich, wie etwa von 0 bis 5 MHz sein. Bezugnehmend auf Figur 3 wird die Gate-zur-Drain-Kapazität 40 des Feldeffekttransistors 12 gezeigt. Typischerweise ist die Kapazität bzw. Kapazitanz 40 mit einer Vorspannung 0, d.h. einer Spannung 0 zwischen der Gate und der Drain, abhängig von der Einrichtung bei ungefähr zum Beispiel 100 bis 500 pF. Ähnlich beträgt die Gate-zur-Source-Kapazitanz 42 zum Beispiel 50 bis 500 pF.
Das folgende ist eine Tabelle der Komponenten bzw. Bestandteile der Schaltung, die in den Figuren 1, 2 und 3 gezeigt werden. Tabelle der Komponenten
Die Vorspannungsstromquelle 52 kann auf zum Beispiel 40 µA eingestellt sein. Die Konstantstromquelle 32 kann auf 5 µA eingestellt sein. In diesem Beispiel ist die Spannungsanstiegsgeschwindigkeit, angenommen der Basisstrom des Transistors 44a ist vernachlässigbar, eine Funktion von
Die Spannungszufuhr 54 kann zum Beispiel auf 12 V eingestellt sein. Wird der in Figur 3 gezeigte Trennverstärker verwendet, ist die Trennstufe 38 ein Verstärker vom Klasse-AB-Typ, der einen Vorspannungsstrom bzw. Vorstrom an die Ausgangsstufe des Puffers bzw. der Trennung anliegt, der vorteilhaft ist, um niedrige Ausgängsimpedanzpegel während des Betriebs aufrecht zu erhalten.

Claims

1. Elektronische Schaltung mit einem Feldeffekttransistormittel (12) vom Anreicherungstyp mit isoliertem Gate, die ein Gate (14), eine Source (16) und eine Drain (18) enthält, und eine induktive Lasteinrichtung (20) aufweist, die in einer Schaltung mit der Drain des Feldeffekttransistormittels (12) angeschlossen ist, wobei die Schaltung eine Anstiegsgeschwindigkeitssteuerschaltung (28, 32, 34) für die Lastspannung enthält, die an das Gate (14) und die Drain (18) des Feldeffekttransistormittels angeschlossen ist, die mit dem Feldeffekttransistormittel zusammenwirkt, um einen Stromintegrator zu bilden, der einen Eingangsstrom empfängt und einen Spannungsausgang an der Drain zur Verfügung stellt, der durch das Zeitintegral des Eingangsstroms definiert ist, wobei das Anstiegsgeschwindigkeitssteuermittel Kondensatormittel (28) hat, dessen eines Ende in einer Schaltung zwischen der Last (20) und der Drain des Feldeffekttransistormittels angeschlossen ist, wobei das andere Ende des Kondensatormittels angeschlossen ist

1. an eine Stromquellenschaltung (32) und

2. an den Eingang eines Einheitsverstärker-Trennverstärkermittels bzw. - Pufferverstärkermittels (34), dessen Ausgang an das Gate des Feldeffekttransistormittels (12) angeschlossen ist,

wodurch eine lokale Rückkopplung an dem Gate (14) des Feldeffekttransistormittels aufgrund der Gate-Drain-Kapazitanz effektiv bzw. wirksam zerstört wird.

2. Schaltung nach Anspruch 1, wobei das Einheitsverstärkungs-Trennverstärkermittel bzw. -Pufferverstärkermittel (34) einen vorbestimmten Betriebsfrequenzbereich hat.

3. Schaltung nach Anspruch 2, wobei die Stromquellenschaltung (32) eine Konstantstromquelle ist.

4. Schaltung nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, wobei das Einheitsverstärkungs- Pufferverstärkungsmittel bzw. -Trennverstärkermittel (38) Transistoren vom NPN- Typ (44a, 44b, 46) aufweist.

5. Verfahren zum Steuern einer Spannungsanstiegsgeschwindigkeit einer Last an einer induktiven Last unter Verwendung eines Feldeffekttransistors (12) vom Anreicherungstyp, das aufweist:

einen Kondensator (28) mit einem ersten Anschluß in einer Schaltung zwischen der Last und der Drain (18) des Feldeffekttransistors, und ein zweiter Anschluß, der an eine Stromquelle angeschlossen ist, wird bereitgestellt;

ein Einheitsverstärkungs-Trennverstärker bzw. -Pufferverstärker (34) wird in einer Schaltung zwischen dem zweiten Anschluß und dem Gate (14) des Feldeffekttransistors bereitgestellt, um einen Stromintegrator zum Integrieren des Stroms von der Stromquelle auszubilden; und

das Gate (14) wird durch den Pufferverstärker bzw. Trennverstärker (34) so betrieben bzw. angetrieben, daß Spannungsänderungen an der Drain über den Kondensator (28) und dem Puffer- bzw. Trennverstärker (34) zu dem Gate gekoppelt werden, um die Wirkung der Gate-Drain-Kapazitanz (40) zu zerstören.