SE467854B - Drivkrets foer effekt-mos-transistorer med n-kanal i mottaktssteg - Google Patents

Description

467 854 10 15 20 25 30 35 2 att låta bootstrap-systemet anbringa en spänning på effekttransistorns styre i förhållande till emittern som är lika med matningsspänningen. En sådan spänning är.alltför hög eftersom det för att god drivning skall åstadkommas är nödvändigt att anbringa en spänning VGS mellan ca 10 och 14 V, under det att spänningar som är högre än 20 V kan vara farliga för själva effekt- -MOS-transistorn.

För att lösa ovan beskrivna problem som hör samman med växelströmsdriften är det möjligt att mata bootstrap- -kretsen med en lägre spänning, exempelvis 12 V. En sådan lösning visas såsom ett exempel i fig 2, där element som också förekommer i fig 1 har betecknats med samma hänvisningsnummer. Speciellt bör noteras att kretsen i fig 2 skiljer sig från den i fig l endast i det att diodens 10 anod inte längre är ansluten till spänningsmatningen VCC utan är kopplad till en lämplig lägre konstant spänning (12 V).

Den i fig 2 visade konfigurationen löser verkligen de med växelströmsdriften sammanhörande problem genom anslutningen av transistorns 2 styre till en lägre spänning, men den kan inte längre ge effekt till lik- strömslasten. För att leda ström behöver MOS-transistorn 2 faktiskt ett spänningsfall VGS på ca 10 V. Eftersom styrkretsen vid likströmsdrift matas vid en lägre spänning (12 V i det visade exemplet) har den inte en spänning som räcker för matning av lasten och den visade kretsen kan inte arbeta vid likström.

För att lösa de problem som uppstår med de i fig l och 2 visade kretsarna, d v s för att åstadkomma en krets som kan arbeta tillförlitligt vid likström och växelström, har en lösning enligt fig 3 studerats av sökanden. En sådan krets (i vilken element som återfinns i de föregående kretsarna har angivits med samma hänvisningsnummer) skiljer sig från de föregående kretsarna i det att mellan bootstrap-kretsen och mat- ningsspänningen VCC ar två zenerdioder ll' och ll" 10 15 20 25 30 35 467 854 3 anordnade, vilka dioder exempelvis har en genombrottsspän- ning av 7 V och är seriekopplade för att tillsammans hålla 14 V. En sådan krets kan arbeta tillförlitligt i både likströmsmod, i vilken transistorns 2 styrkrets ansluts till matningsspänningens VCC med hjälp av de båda dioderna och därför kan mata tillräcklig effekt till lasten, och i växelströmsmod, eftersom diodernas genombrott sker vid 14 V så att spänningsfallet VGS förblir låst vid detta värde.

En sådan anordning har emellertid den nackdelen att den drar högre effekt för sin drift utan att denna effekt kan användas eller överföras till lasten. I varje driftscykel laddas i själva verket kondensatorn 5 till matningsspänningens VCC och urladdar därefter under bootstrap-fasen överskottsspänningen via de båda zenerdioderna ll' och ll", som låser spänningen till det förinställda värdet. I varje cykel tas följaktli- gen effekt för laddning av kondensatorn, vilken effekt därefter går förlorad vid urladdning av kondensatorn genom zenerdioderna ll' och ll". Även om kretsen i fig 3 löser problemet med att på ett adekvat sätt mata lasten i likströmsmod och säkerställa växelströmsdrift har den följaktligen den nackdelen att den förlorar alltför mycket effekt, vilket gör den oanvändbar eller åtminstonde ofördelaktig i de flesta fall. Ändamålet med föreliggande uppfinning består följaktligen i att åstadkomma en krets för drivning av effekt-MOS-transistorer i mottaktssteg, vilken krets kan lösa problemen med den tidigare kända tekniken.

Ett speciellt ändamål med föreliggande uppfinning är att åstadkomma en drivkrets, vilken på ett adekvat sätt kan mata en last i likströmsmod, vilken kan arbeta tillförlitligt i växelströmsmod och vilken har liten effektförlust vid drift.

Ett annat ändamål med föreliggande uppfinning är att åstadkomma en drivkrets, vilken kan arbeta med låg effektförlust i både likströms- och växelströmsmod. 467 854 10 15 20 25 30 35 4 Ett ytterligare ändamål med föreliggande uppfinning är att åstadkomma en drivkrets som innehåller begrepps- mässigt enkla element, som kan integreras i en enda struktur enligt redan kända tekniker, så att låga tillverkningskostnader erhålles.

Ovannämnda och andra ändamål, som kommer att framgå bättre i det följande, uppnås medelst en drivkrets för effekt-MOS-transistorer i mottaktssteg, som innefattar en första effekt-MOS-transistor och en andra effekt-MOS-tran- sistor, vilka transistorer är kopplade i en mottaktskon- figuration och definieras som en övre resp en nedre MOS-transistor; en växelströmssignalingång, vilken är kopplad till styrelektroden på den första och den andra MOS-transistorn; en bootstrap-krets med en bootstrap-kon- densator anbringad mellan den övre MOS-transistorns emitterelektrod och en referensspänningspunkt via ett första strömställarelement, varvid den övre MOS-transis- torns kollektorelektrod är ansluten till en matningsspän- ning. Drivkretsen kännetecknas av ett andra strömställar- element, som är anordnat mellan matningsspänningen och den övre MOS-transistorns styrelektrod, och ett tredje strömställarelement, som är anordnat mellan den övre MOS-transistorns styrelektrod och en gemensam punkt, som definieras av den första strömställaren och kondensatorn, varvid det andra strömställarelementet är slutet och det första och det tredje strömställarelementet öppet under likströmsdrift, varigenom elektrisk koppling av den övre MOS-transistorns styrelektrod till matningsspänning- en medges, varvid det första och det andra strömställare- lementet är slutet och det tredje strömställarelementet öppet under växelströmsdrift med en insignal på nämnda växelströmssignalingång vid en första nivå, varigenom kondensatorn laddas till referensspänningspunktens spänning, varvid det första och det andra strömställare- lementet är öppet och det tredje strömställarelementet slutet under växelströmsdrift med växelströmssignalen pâ växelströmssignalingången vid en andra nivå. 10 15 20 25 30 35 467 854 5 Andra särdrag och fördelar kommer att framgå av beskrivningen av en föredragen, men inte uteslutande utföringsform, som visas som ett icke-begränsande exempel på bifogade ritningar, på vilka: Fig 1-3 är ekvivalenta elektriska scheman för tidigare kända eller möjliga utföringsformer för drivkret- sar för effekt-MOS-transistorer i mottaktssteg; Fig 4 är ett ekvivalent elektriskt schema för anordningen enligt uppfinningen; Fig 5 är en drivkrets för anordningen enligt uppfinningen för likströmsdrift; Fig 6 är ett blockschema som hör samman med anord- ningen enligt fig 5; och Fig 7 är det ekvivalenta elektriska schemat för en sammansatt utföringsform av anordningen enligt uppfinningen.

I det följande kommer fig 1-3, som redan har förklarats i detalj i den inledande delen av föreliggande beskrivning, inte att beskrivas.

I fig 4 visas det elektriska schemat för kretsen enligt uppfinningen. Kretsen innefattar vissa komponenter som har motsvarigheter i utföringsformen i fig 1.

Dessa komponenter har samma hänvisningsnummer som. i fig l. Anordningen enligt uppfinningen innefattar därför två, i ett par anordnade MOS-transistorer l och 2 med n-kanal, vilka matas med insignalen via ingången 3 och driver en last 4. Kretsen innefattar liksom i de föregående utföringsformerna en bootstrap-kon- densator 5, transistorn 6, strömkällan 7, dioden 8 samt en MOS-transistor 9. Liksom i fig l är en diod 10 placerad mellan bootstrap-kretsen och matningen VCC.

Enligt uppfinningen innefattar drivkretsen för MOS- -transistorerna tvâ, i ett par anordnade dioder 15 och 16, vilka lämpligen kopplar en ytterligare likström- källa (exempelvis 12 V) till bootstrap-kretsen. Närmare bestämt är diodens 15 anod ansluten till den konstanta 467 854 10 15 20 25 30 35 6 spänningen (12 V) och dess katod till en av kondensatorns 5 elektroder, under det att diodens 16 anod är ansluten till diodens 15 katod och dess katod till bootstrap- -kretsen, som innefattar transistorn 6, källan 7 och f dioden 8. Dioderna l5 och 16 arbetar tillsammans med dioden 10 som strömställare och slår till eller från ' . 5 i beroende av kretsens driftsmod så att anslutning av transistorns 2 styre till matningen VCC medges eller ett förutbestämt spänningsfall mellan transistorns 2 styre och emitter bibehålls under växelströmsdrift.

Kretsen enligt uppfinningen fungerar i detalj på följande sätt: Under likströmsdrift med VIN i sitt låga till- stånd är dioden 10 direkt förspänd, under det att dioderna l5 och 16 är omvänt förspända. Transistorns 2 styre är följaktligen direkt ansluten till matnings- spänningen V via dioden 10 och styrkretsen, så att CC det är möjligt att mata lasten med effekt, och därför styrs lasten på riktigt sätt.

När insignalen V N vid växelströmsdrift blir hög laddas kondensatošn 5 till ca 12 V. Den nedre MOS-transistorn l är i själva verket i TILL-tillståndet via dioden 15 som är TILL, under det att dioden 16 fortfarande är FRÅN och avkopplar dioden 10 (vilken är TILL) från dioden 15. När insignalen VIN i den efterföljande fasen blir låg slås dioden 10 FRÅN eftersom utspänningen V0 ökar, under det att dioden 16 är direkt förspänd och därför matar transistorns 2 styrkrets genom anslutning av den till bootstrap-kondensatorn S. Spänningen över kondensatorn 5, vilken är laddad och har ett 12 V spänningsfall över sina elektroder, stiger följaktligen och förspänner därför omvänt dioden 15, vilken slås från. Pâ detta sätt förblir kondensatorn 'I 5 laddad med likspänningen med det lägre värdet (i detta fall 12 V) och drivkretsen behöver bara återställa sin laddningsförlust genom laddning av MOS-transistorns 2 styre. Kretsen förlorar följaktligen inte effekt» 10 15 20 25 30 35 467 854 7 på drivkretsen, såsom skulle ske i kretsen enligt fig 3.

Den i fig 4 visade kretsen har därför en förbättrad växelströmsprestanda med låg effektförlust. I denna krets säkerställes emellertid inte likströmsdrift med ett effektsnålt tillstånd för effekt-MOS-transistorn 2. För effektsnål likströmsdrift är det i själva verket nödvändigt att drivkretsen matar en styrlikspänning till effekttransistorn 2 som är approximativt 10 V högre än matningsspänningen.

För att förbättra den i fig 4 visade kretsens prestanda vad gäller effektförlusten vid likströms- drift kan en laddningspump, som är lämpad att hålla en lämplig spänning på transistorns 2 styre, anordnas.

I fig 5 och 6 visas en möjlig utföringsform för laddnings- pumpen och dennas anslutning till resten av kretsen.

Laddningspumpen, vilken allmänt betecknas med 30 i fig 6, består närmare bestämt av två, i ett par anordnade strömställare 20 och 21, vilka är placerade mellan likströmsmatningen VCC och jord 22 och vilkas öppnande och slutande styrs medelst en oscillerande signal (exempelvis med en frekvens av 500 kHz), som matas till anslutningen 23. Den till strömställarna 20 och 21 matade styrsignalen fasskiftas företrädesvis l80° så att när en strömställare är öppen är den andra sluten och vice versa. Sådan motfas erhålles exempelvis med hjälp av en logisk inverterare 28. Kretsen innefattar vidare en kondensator 24, vars ena elektrod är ansluten till en punkt mellan de både strämställarna 20 och 21 och vars andra elektrod är ansluten till en likströms- matning (exempelvis 12 V) via en diod 25. En ytterligare diods 26 anod är ansluten till anslutningspunkten mellan diodens 25 katod och kondensatorn 24 och dess katod är ansluten till en ytterligare kondensator 27, vars andra elektrod är ansluten till matnings- spänningen VCC.

Den i fig 5 visade kretsen fungerar på följande 467 854 10 15 20 25 30 35 8 sätt. Kondensatorn 27 hålls vid en spänningsnivå som approximativt är lika med 12 V (d v s spänningen på ledningen 29) med hjälp av kondensatorn 24, som via de båda strömställarna 20 och 2l och dioden 25 kontinu- erligt laddas till 12 V med en frekvens av 500 kHz och därför i varje cykel återställer den laddning som kondensatorn 27 förlorar. När den i fig 5 visade kretsen är ansluten till drivanordningen enligt uppfin- ningen på det i fig 6 visade sättet hålls transistorns 2 styre i likströmsmoden vid en spänningsnivå som är approximativt 10 V högre än den på emittern, när det är önskvärt att hålla denna övre transistor 2 tillslagen.

Den i fig 6 visade kopplingen är emellertid o- fördelaktig för växelströmsdrift. I detta fall svarar kretsen i fig 6 mycket långsamt, eftersom det i fig 5 visade laddningspumpsystemet måsta ladda effekt-MOS- -transistorns 2 ingångskapacitans (av storleksordningen l nF), under det att pumpens kapacitans är approximativt 100 pF. Ett sådant system kan följaktligen inte arbeta med höga omställningsfrekvenser (100-200 kHz), såsom erfordras av föreliggande omställningssystem.

För att lösa detta problem kopplas laddningskretsen enligt fig 5 uppfinningsenligt på det i fig 7 visade sättet.

I fig 7 åskådliggörs drivkretsen enligt uppfinningen i sin kompletta utföringsform, som är avsedd för lik- ströms- och växelströmsdrift och som innefattar bootstrap- -systemet, som säkerställer en tillförlitlig och effekt- snål växelströmsdrift, liksom den i fig 5 visade laddnings- pumpen, som säkerställer effektsnål likströmsdrift.

Kretsen i fig 7 är, såsom framgår, en kombination av kretsen i fig 4 och laddningspumpen i fig 5, i vilken gemensamma element har försetts med samma hänvis- ningsnummer. Det bör emellertid noteras att kondensatorn 27 i fig 5 har utelämnats i fig 7 eftersom transistorns 2 styrkapacitans har samma funktion och är exakt den 10 15 20 25 30 35 'r 9 kapacitans som måste laddas till den önskade likspänningen.

Den i fig 5 visade kretsen har därför huvudsakligen anslutits till den i fig 4 visade kretsen via en transis- tor 35, vilken fungerar som en strömställare och är placerad mellan diodens 25 anod och ledningen 29 med den lägre konstanta spänningen (exempelvis 12 V).

I figuren visas också den parasitiska dioden 37, vilken bildas mellan transistorns 35 kollektor och emitter.

Den i fig 7 visade anordningens funktion kommer endast att beskrivas med hänvisning till likströmsdriften vad det gäller laddningspumpen, eftersom växelströmsdrif- ten är helt och hållet densamma som för fig 4.

När effekttransistorn 2 skall likströmsstyras är den till ingången 3 matade signalen sådan att transis- torn 9 (vilken arbetar som en strömställare) hålls frånslagen, medan transistorn 35 hålls tillslagen.

När strömställaren 20 är sluten laddas på detta sätt kondensatorn 24 genom dioden 25 till den på ledningen 29 befintliga spänningen (12 V), medan när strömställaren 20 öppnas och strömställaren 21 sluts kondensatorn 24 överför sin laddning till effekttransistorns 2 styrkapacitans via dioden 26. I detta tillstånd avkopp- lar dioden 25 kondensatorn 24 från strömställaren 35 varigenom den förhindrar att den med transistorn 35 parallella parasitiska dioden 37 samtidigt slås till. På detta sätt erhålles anslutning mellan laddnings- pumpkretsen och drivkretsen enligt fig 4 med likströms- drift, medan vid växelströmsdrift, eftersom strömställaren 35 styrs i motfas mot stömställaren 9, transistorn 35 själv avkopplar dioden 25 från matningsledningen 29 och därför passiverar laddningspumpen.

Den i fig 4 visade kretsen arbetar därför, såsom förklarats, tillförlitligt i både likströms- och växel- strömsmod, varvid den medger drivning av en last i vilken som helst situation. En sådan krets, vilken har fullständigats på det i fig 7 beskrivna sättet, medger dessutom likströmsdrift med låg effektförlust. 467 854 10 15 20 25 10 Det bör vidare framhållas att de båda dioderna 10 och 16, som utgör fundamentala delar av bootstrap- -kretsen och är oundgängliga för att den förenklade kretsen i fig 4 skall fungera på korrekt sätt, också har funktionen att avkoppla drivtransistorn 2 från likströmsmatningen VCC och från den lägre spänningsmat- ningen (12 V), när transistorns 2 styre blir högt under likströmsdrift.

Ett viktigt särdrag för uppfinningen består i det faktum att när laddningspumpen arbetar uppnås det erfordrade laddningstillstàndet snabbt eftersom transistorns 2 styrkapacitans laddas till VCC till följd av att dioden 10 är ansluten till matningsspänning- en, och laddningspumpen behöver endast tillföra den spänning som finns på ledningen 29, d v s ca 12 V.

På detta sätt uppnås snabba övergångar mellan växelströms- och likströmsmod.

Det bör noteras att avskiljandet av dioden 25 från l2 V-matningen vid tillslag av transistorn eller strömställaren 9 och därför vid frånslag av transistorn 35 förhindrar att dioderna 25, 26 och 8 från att serie- kopplas mellan l2 V-matningen och jord under strömställa- rens 9 tillslagsperioder.

Föreliggande uppfinning kan modifieras och varieras på åtskilliga sätt inom ramen för bifogade patentkrav.

Speciellt kan alla element ersättas med andra tekniskt ekvivalenta element. f; rm

Claims (7)

10 15 20 25 30 467 854 ll PATENTKRAV

1. Drivkrets för effekt-MOS-transistorer i mottakts- steg, innefattande en första effekt-MOS-transistor (2) och en andra effekt-MOS-transistor (l), vilka _ MOS-transistorer är kopplade i en mottaktskonfiguration och definieras som en övre resp en undre MOS-transistor; en växelströmssignalingång (3), vilken är ansluten till den första och den andra MOS-transistorns styrelek- troder; och en boqtstrap-krets (5-8) med en bootstrap- -kondensator (5), vilken är ansluten mellan en emitter- elektrod (S) på den övre MOS-transistorn (2) och en referensspänningspunkt (29) via ett första strömställar- element (15), varvid den övre MOS-transistorns (2) kollektorelektrod (D) är ansluten till en matnings- spänning (VCC), k ä n n e t e c k n a d av ett andra strömställarelement (10), som är anordnat mellan matnings- spänningen (VCC) och den övre MOS-transistorns (2) styrelektrod (G), och ett tredje strömställarelement (16), som är anordnat mellan den övre MOS-transistorns (2) styrelektrod (G) och en gemensam punkt som definie- ras av den första strömställaren (15) och kondensatorn (5), varvid det andra strömställarelementet (10) är slutet och det första (15) och det tredje (16) ström- ställarelementet är öppet under likströmsdrift, varigenom elektrisk koppling av den övre MOS-transistorns (2) styrelektrod (G) till matningsspänningen medges, varvid det första (15) och det andra (10) strömställarelementet är slutet och det tredje strömställarelementet (16) är öppet under växelströmsdrift med en insignal (VIN) på växelströmssignalingången (3) vid en första nivå, varigenom kondensatorn (5) laddas till spänningen i referensspänningsnivân (29), varvid det första (15) och det andra (10) strömställarelementet är öppet och det tredje strömställarelementet (16) är slutet under växelströmsdrift med växelströmssignalen på 467 854 210 15 20 25 30 35 12 växelströmssignalingången vid en andra nivå.

2. Krets enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att strömställarelementen (10, 15, 16) utgöres av dioder. f

3. Krets enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av en laddningspumpssektion (fig 5), som innefattar ß en ytterligare kondensator (24), vars första elektrod är ansluten till en ytterligare referensspänningspunkt via ett fjärde strömställarelement (35, 25) och vars andra elektrod är ansluten till en strömställarsektion (20, 21), som är anordnad att alternativt ansluta den ytterligare kondensatorn (24) till matningsspänningen (VCC) och till jord, varvid den ytterligare kondensatorns (24) första elektrod dessutom är ansluten till den övre MOS-transitorns (2) styrelektrod (G), varvid det fjärde strömställarelementet innefattar en strömställ- nings-MOS-transistor (35), vilken styrs med en till sin styrelektrod matad signal som är i motfas relativt insignalen.

4. Krets enligt något av föregående krav, k ä n n e - t e c k n a d av att referensspänningspunkten och den ytterligare referensspänningspunkten (29) har samma potential.

5. Krets enligt krav 3, k ä n n e t e c k n a d av att den ytterligare kondensatorns (24) första elektrod är ansluten till den övre MOS-transistorns (2) styr- elektrod (G) via ett femte strömställarelement (26).

6. Krets enligt krav 5, k ä n n e t e c k n a d av att det femte strömställarelementet (26) är en diod, vars anod är ansluten till den ytterligare kondensa- torn (24) och vars katod är ansluten till styrelektroden (G).

7. Krets enligt krav 3, k ä n n e t'e c k n a d f) av att det fjärde strömställarelementet dessutom inne- fattar en diod (25), vars anod är ansluten till ström- ställnings-MOS-transistorn (35) och vars katod är ansluten till nämnda första elektrod på den ytterligare kondensatorn.