WO2006114363A2 - Endstufe mit zenerspannungs-symmetrierung - Google Patents

Endstufe mit zenerspannungs-symmetrierung Download PDF

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WO2006114363A2
WO2006114363A2 PCT/EP2006/061230 EP2006061230W WO2006114363A2 WO 2006114363 A2 WO2006114363 A2 WO 2006114363A2 EP 2006061230 W EP2006061230 W EP 2006061230W WO 2006114363 A2 WO2006114363 A2 WO 2006114363A2
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switching
zener
zener voltage
transistor
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Uwe Lueders
Juergen Eckhardt
Bernd Mueller
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Robert Bosch Gmbh
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    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/12—Modifications for increasing the maximum permissible switched current
    • H03K17/122—Modifications for increasing the maximum permissible switched current in field-effect transistor switches
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/08—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage
    • H03K17/082—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage by feedback from the output to the control circuit
    • H03K17/0822—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage by feedback from the output to the control circuit in field-effect transistor switches

Definitions

  • the invention relates to an output stage or a switching output stage for switching inductive loads with at least two parallel-connected individual output stages according to the preamble of patent claim 1.
  • Modern vehicles are equipped with a large number of relays, valves and other components that represent ohmic-inductive loads in terms of their electrical properties.
  • the transistors are designed differently sized depending on the power to be switched.
  • the transistors are connected in voltage feedback (as diodes), wherein in the negative feedback path, a device is connected, which determines the Zener voltage of the transistors.
  • the transistors act as zener diodes, which derive the turn-off.
  • Integrated power stage modules currently contain up to 18 individual output stages, which are designed to switch different switching currents.
  • the object of the present invention is to reduce the load on individual transistors of the parallel-connected individual output stages or individual switching output stages during a turn-off operation and to effect the most uniform possible current distribution to all the transistors of the individual output stages and to achieve such that the Sum of shutdown energy substantially equal to the sum of Einzelabschaltergien.
  • the output stage or switching output stage according to the invention for switching inductive loads with at least two parallel-connected individual output stages has the advantage that any individual output stages, can be connected in parallel, even from different power classes, without the limitation of a reduced cut-off energy is acceptable.
  • This advantage is achieved by symmetrizing the output stage zener voltage.
  • the zener voltage must be higher under load and / or temperature, i. have a positive load and / or temperature coefficient. In such a case, the Zener voltage increases so high that it reaches the level of the Zener voltage of the parallel-connected output stage and thus this single output stage will also take over cut-off energy.
  • the already existing Zener diode or even an existing Zenerkaskade can be exploited and they are integrated into the final stage surface of the chip. Since the zener diodes used in output stages with the required zener voltages usually have a positive temperature effect anyway, the zener voltage automatically increases as the transistor becomes hotter. This can according to the invention by appropriate spatial
  • An essential aspect of the invention is the present in the negative feedback path of the switching transistors components, for.
  • the thermal coupling of the Zener diodes to the switching transistors is therefore It is possible to quickly match the zener voltages of the individual transistor stages and thus distribute the shutdown energy equally to all the transistors of the switching output stage, without overloading individual transistors.
  • the components arranged in the negative-feedback path or components which are present anyway are preferably Zener diodes or thermal resistors.
  • components with a very high temperature coefficient in particular an exponential temperature coefficient are selected.
  • the Zener voltages match each other very quickly.
  • the invention can be extended to a parallel connection of a plurality of individual output stages, in which case one transistor after the other or one output stage after the other takes over due to the rising by heating Zener voltage cut-off.
  • FIG. 2 shows an output stage or switching output stage with parallel connection of two output stages according to an embodiment of the invention
  • FIG. 4 shows a section of a semiconductor chip with an output stage or switching output stage according to the invention.
  • FIG. 1 shows, by way of example, an output stage circuit diagram with parallel connection of two individual output stages, which is realized in particular as an IC.
  • Each of the output stages comprises a switching transistor and an associated diode arrangement.
  • the parallel circuit 10 of the two individual output stages 10a, 10b comprises the parallel-connected transistors Ia and Ib.
  • a diode array 2a, 3a and 2b, 3b is provided, which is located between the control terminal (gate) and a power terminal (drain) of the transistor Ia or Ib.
  • the diode arrangement 2a, 3a or 2b, 3b respectively comprises a reverse-connected zener diode 2a, 2b and a diode 3a or 3b connected in the direction of flow.
  • the transistors Ia, Ib are driven by a control unit, not shown, by means of a control signal S in order to switch the ohmic-inductive load 4.
  • the supply of the signal S via the resistors 6a and 6b.
  • the current I flowing through the load 4 is distributed as a function of resistance to the transistors Ia, Ib of the individual output stages 10a or 10b.
  • the ohmic-inductive load 4 is switched off, the stored magnetic energy of the load has to be reduced.
  • high voltages occur, whereby the zener diodes 2a, 2b break through in the reverse direction.
  • the transistors Ia, Ib go into the Zener mode, ie they themselves act as Zener diodes and conduct the current to ground GND, wherein the entire electrical power in the transistors Ia, Ib is converted into heat.
  • the zener diodes 2 a, 2 b of a parallel circuit 10 of two (switching) end stages are usually designed identically. Due to diffusion differences, material differences, temperature drifts, etc., the Zener voltages, ie the voltages at which the relevant Zener diode 2a, 2b breaks through, can deviate considerably from one another. In the turn-off then breaks that Zener diode 2a or 2b with the lowest Zener voltage first. This leads to a considerable load of the associated transistor Ia or Ib, which must at least temporarily absorb the entire electrical power until the next transistor goes into the Zener mode. The first transistor Ia or Ib can be damaged or destroyed.
  • FIG. 2 shows a parallel circuit 10 of two (switching) output stages, which is of essentially identical design as in the example of FIG. 1.
  • the Zener diodes 2a and 2b are thermally coupled to the associated switching transistors Ia and Ib, for example MOSFETs here.
  • the Zener diodes 2a, 2b are arranged close to the associated transistor Ia, Ib or part of a corresponding transistor stage or a chip.
  • the thermal coupling is indicated in Figure 2 by dashed areas 13a and 13b.
  • the switching transistor used in the final stage is used as Zenerelemet. In several parallel-connected power amplifiers goes while the
  • Amplifier with the lower Zener voltage e.g. the output stage with the switching transistor Ia, and the diodes 2 a and 3 a first in the zener mode over.
  • the other transistor Ib is then still in the blocking state, so that the transistor Ia has to absorb the entire power loss or shutdown energy in the short term.
  • the Zener diode 2a Due to the thermal coupling of Zener diode 2a and switching transistor Ia, the Zener diode 2a heats up very rapidly, with its Zener voltage increasing. As a result, the Zener voltage of the first transistor stage 1a, 2a, 3a increases.
  • the Zener voltage of the second transistor stage Ib, 2b, 3b is reached, this assumes a part of the cut-off energy. Since the equalization of the Zener voltages of the transistor stages happens relatively quickly, the first breaking through transistor stage is not overloaded and there is a balancing of the Zener voltage instead.
  • FIG. 3 shows the current and voltage profile at transistors Ia and Ib with different zener voltage (drain-gate voltage) during a turn-off operation
  • the associated region is designated A.
  • the reference numeral 9 denotes the current waveform I and the reference numerals 6 and 7, the voltage waveforms at the two parallel-connected transistors Ia and Ib with different Zener voltage. Examples of different Zener voltages at the same temperature of the two Zener diodes 2a and 2b are registered as U z2a and U z2b .
  • the inductive load 4 is turned off at the time t 0 , whereby the
  • the associated output stage then derives the current I to ground GND.
  • the transistor Ia and thus also the Zener diode 2a is heated, as a result of which its zener voltage U z2a rises.
  • the increase in the rising temperature is due to the
  • U z2a - is indicated by a dashed line 8. If the zener voltage reaches U z2a - the value U z2a and the next parallel connected output stage can also take over cut-off energy .
  • Zener voltage under load and / or temperature is higher, that has a positive load and / or temperature coefficient.
  • a positive Zener voltage characteristic can be achieved with parallel connection of several power amplifiers.
  • Fig. 4 shows a plan view of a planar semiconductor chip 11, e.g. of silicon, with a transistor structure, which is shown here schematically as a region 12 and corresponds, for example, to the switching transistor Ia of the final stage 10a.
  • the associated Zener diode 2a which is present in any case, can be arranged within this region or close to the region 12 and, in particular, integrated into the final stage surface and is thus thermally coupled as well as possible to the switching transistor transistor.
  • the zener diode 2a has a low zener voltage U z , the associated transistor Ia will heat up relatively quickly during a turn-off operation, since it leads a large part of the electrical power to be reduced as a turn-off current and converts it into heat. In this case, the zener diode 2 a heats to the same extent, whereby the Zener voltage U z increases. As soon as the zener voltage U z2a is at the same level as the zener voltage U z2b , the other switching transistor Ib (not shown) also takes over part of the electrical energy to be degraded. The entire electrical power or electrical energy that has to be managed when switching off an ohmic-inductive load can thus be distributed uniformly to a plurality of parallel-connected transistors Ia, Ib or a plurality of output stages connected in parallel 10a, 10b.
  • a thermal resistance with a positive temperature coefficient or another suitable component with a positive temperature coefficient can be used.

Landscapes

  • Electronic Switches (AREA)
  • Amplifiers (AREA)
  • Power Conversion In General (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Endstufe, insbesondere eine Schalt-Endstufe (10) zum Schalten induktiver Lasten (4), mit mehreren parallel geschalteten Einzel-Endstufen, die gegengekoppelte Transistoren (1), in deren Gegenkopplungspfad jeweils eine Zenerdiode (2) vorhanden ist, umfassen. Die elektrische Leistung während eines Abschaltvorgangs kann besonders gleichmäßig auf die einzelnen Einzel-Endstufen bzw. Transistoren (1) verteilt werden, wenn die Zenerdioden (2) in Nähe der zugehörigen Transistoren (1a, 1b) angeordnet sind, so dass sie thermisch an den jeweils zugehörigen Transistor (1a, 1b) gekoppelt sind und sich ihre Zenerspannung bei steigender Temperatur erhöht.

Description

Endstufe mit Zenerspannungs-Symmetrierung
Die Erfindung betrifft eine Endstufe bzw. eine Schalt- Endstufe zum Schalten induktiver Lasten mit wenigstens zwei parallel geschalteten Einzelendstufen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Stand der Technik
Moderne Fahrzeuge sind mit einer Vielzahl von Relais, Ventilen und anderen Bauelementen ausgestattet, die bezüglich ihrer elektrischen Eigenschaften ohmsch- induktive Lasten darstellen. Zum Schalten dieser Elemente sind sogenannte Schalt-Endstufen vorgesehen, deren Transistoren je nach zu schaltender Leistung unterschiedlich groß ausgelegt sind. Die Transistoren sind in Spannungsgegenkopplung (als Dioden) geschaltet, wobei im Gegenkopplungspfad ein Bauelement angeschlossen ist, das die Zenerspannung der Transistoren bestimmt. Beim Abschalten der induktiven Last wirken die Transistoren als Zenerdioden, die den Abschaltstrom ableiten.
Zur Erhöhung der Schaltleistung können Schalt-Endstufen prinzipiell beliebig parallel geschaltet werden. Der zulässige Schaltstrom ergibt sich dann aus der Summe der Einzel-Schaltströme der parallel geschalteten Schalt- Endstufen. Beim Abschalten erhöht sich die Abschaltenergie bzw. die Abschaltleistung jedoch nicht entsprechend der erwarteten Werte auf Grund der Parallelschaltung. Es wird also nicht die Summe der Einzel -Abschaltenergien der parallel geschalteten Einzel-Endstufen erhalten. Dies gilt in besonders extremer Weise für eine
Parallelschaltung von Schalt-Endstufen bzw. Endstufen mit unterschiedlicher Schaltleistung oder unterschiedlicher ZenerSpannung, die beispielsweise auch toleranzbedingt auftreten kann. Bei solchen Parallelschaltungen kann zwar der zulässige Schaltstrom bzw. die zulässige Schaltleistung gesteigert werden, jedoch nicht die zulässige Abschaltleistung bzw. Abschaltenergie. Vielmehr liegt die zulässige Abschaltenergie nur in der Größenordnung der schwächsten Endstufe. Durch diese Tatsache wird der Einsatzbereich der Endstufen stark eingeschränkt und es werden heute zum Schalten von ohmsch- induktiven Lasten nur Endstufen bzw. Endstufentransistoren gleicher Leistungsklasse parallel geschaltet.
Aber selbst bei der Parallelschaltung von Endstufen gleicher Leistungsklasse können toleranzbedingte Probleme auftreten, denn heute eingesetzte Endstufen bzw. Endstufenbausteine haben auf einem monolithischen integrierten Endstufen-Chip fertigungsbedingte Toleranzen in der Zenerspannung von +/- 1.5 Volt bei gleich spezifiziertem Zenerspannungswert .
Integrierte Endstufenbausteine enthalten zur Zeit bis zu 18 Einzel-Endstufen, die zum Schalten unterschiedlicher Schaltströme ausgelegt sind. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, die Belastung einzelner Transistoren der parallel geschalteten Einzel-Endstufen bzw. Einzel-Schalt- Endstufen bei einem Abschaltvorgang zu reduzieren und eine möglichst gleichmäßige Stromverteilung auf alle Transistoren der Einzel -Endstufen zu bewirken und so zu erreichen, dass die Summe der Abschaltenergie im Wesentlichen der Summe der Einzelabschaltenergien entspricht .
Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale, die eine Symmetrierung der Endstufenlöschspannung bewirken. Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Endstufe bzw. Schalt-Endstufe zum Schalten induktiver Lasten mit wenigstens zwei parallel geschalteten Einzel-Endstufen hat den Vorteil, dass beliebige Einzel -Endstufen, auch aus unterschiedlichen Leistungsklassen parallel geschaltet werden können, ohne dass die Einschränkung einer verminderten Abschaltenergie hinzunehmen ist. Erzielt wird dieser Vorteil, indem eine Symmetrieren der Endstufen-ZenerSpannung erfolgt. Dabei muss beim Symmetrieren die Zenerspannung unter Last und/oder Temperatur höher werden, d.h. einen positiven Last- und/oder Temperaturkoeffizienten aufweisen. In einem solchen Fall steigt die Zenerspannung so hoch, dass sie die die Höhe der Zenerspannung der parallel geschalteten Endstufe erreicht und somit diese Einzel-Endstufe ebenfalls Abschaltenergie übernehmen wird.
In besonders vorteilhafter Weise kann die ohnehin vorhandene Zenerdiode oder auch eine vorhandene Zenerkaskade ausgenutzt werden und diese in die Endstufenfläche des Chips integriert werden. Da die in Endstufen eingesetzten Zenerdioden mit den benötigten Zenerspannungen üblicher Weise ohnehin einen positiven Temperatureffekt aufweisen, erhöht sich die Zenerspannung automatisch bei heißer werdendem Transistor. Dies kann erfindungsgemäß durch entsprechende räumliche
Zuordnung von Zenerdiode und Transistor bzw. Schalttransistor ausgenutzt werden.
Weitere Vorteile der Erfindung werden durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen erzielt.
Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, die im Gegenkopplungspfad der Schalttransistoren vorhandenen Bauelemente, z. B. Zenerdioden in oder nahe der Halbleiter- Struktur der Schalttransistoren anzuordnen, so dass sie thermisch an die Transistoren gekoppelt sind. Dies hat folgenden Effekt: Wenn durch einen der Transistoren ein hoher Strom fließt, wird dieser heiß und erwärmt dadurch auch die Zenerdiode . Bei Bauelementen mit positivem Temperaturkoeffizient (d.h. der Widerstand bzw. bei Zenerdioden die Durchbruchschwelle steigt mit zunehmender Temperatur) steigt dadurch ebenfalls die Zenerspannung der Endstufe. Wenn die Zenerspannung das Niveau einer anderen Endstufe, die noch nicht in den Zenerbetrieb übergegangen ist, erreicht, kann die andere Endsstufe somit ebenfalls Abschaltenergie übernehmen, wodurch diese wiederum heiß wird, usw.. Durch die thermische Kopplung der Zenerdioden an die Schalttransistoren ist es daher möglich, die Zenerspannungen der einzelnen Transistorstufen schnell aneinander anzugleichen und somit die Abschaltenergie gleichmäßig auf alle Transistoren der Schalt-Endstufe zu verteilen, ohne einzelne Transistoren zu überlasten.
Bei den im Gegenkopplungspfad angeordneten Bauelementen oder ohnehin vorhandenen Komponenten handelt es sich vorzugsweise um Zenerdioden oder thermische Widerstände.
Vorzugsweise werden Bauelemente mit einem sehr hohen Temperaturkoeffizienten, insbesondere einem exponentiellen Temperaturkoeffizienten gewählt. Dadurch gleichen sich die Zenerspannungen besonders schnell aneinander an.
In vorteilhafter Weise lasst sich die Erfindung auf eine Parallelschaltung einer Vielzahl von Einzel-Endstufen ausdehnen, wobei dann ein Transistor nach dem anderen bzw. eine Endstufe nach der anderen aufgrund der durch Erwärmung steigenden Zenerspannung Abschaltenergie übernimmt.
Zeichnung
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Figuren der Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 ein Endstufenprinzipschaltbild bei Parallelschaltung zweier Endstufen;
Fig. 2 eine Endstufe bzw. Schalt-Endstufe bei Parallelschaltung zweier Endstufen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 3 den Strom- und Spannungsverlauf an den Transistoren der erfindungsgemäßen Endstufenschaltung; und
Fig. 4 einen Ausschnitt eines Halbleiterchips mit einer erfindungsgemäßen Endstufe bzw. Schalt-Endstufe .
Beschreibung
Fig. 1 zeigt beispielhaft ein Endstufenprinzipschaltbild bei Parallelschaltung zweier Einzel -Endstufen, die insbesondere als IC realisiert ist. Jede der Endstufen umfasst einen Schalttransistor und eine zugehörige Diodenanordnung. Die Parallelschaltung 10 der zwei Einzel-Endstufen 10a, 10b umfasst dabei die parallel geschalteten Transistoren Ia und Ib. Im Gegenkopplungspfad der Transistoren Ia bzw. Ib ist eine Diodenanordnung 2a, 3a bzw. 2b, 3b vorhanden, die zwischen den Steueranschluß (Gate) und einen Leistungsanschluß (Drain) des Transistors Ia bzw. Ib liegt. Die Diodenanordnung 2a ,3a bzw. 2b, 3b umfasst jeweils eine in Sperrichtung geschaltete Zenerdiode 2a, 2b und eine in Flussrichtung geschaltete Diode 3a bzw. 3b.
Die Transistoren Ia, Ib werden von einem nicht dargestellten Steuergerät mittels eines Steuersignals S angesteuert, um die ohmsch- induktive Last 4 zu schalten. Die Zuführung des Signales S erfolgt über die Widerstände 6a bzw. 6b. Im eingeschalteten Zustand verteilt sich der durch die Last 4 fließende Strom I widerstandsabhängig auf die Transistoren Ia, Ib der Einzel-Endstufen 10a bzw. 10b. Beim Abschalten der ohmsch- induktiven Last 4 muss die gespeicherte magnetische Energie der Last abgebaut werden kommt es an den Transistoren Ia, Ib zu hohen Spannungen, wodurch die Zenerdioden 2a, 2b in Sperrichtung durchbrechen. Die Transistoren Ia, Ib gehen dabei in den Zenerbetrieb über, d.h. sie wirken selbst als Zenerdioden und leiten den Strom gegen Masse GND ab, wobei die gesamte elektrische Leistung in den Transistoren Ia, Ib in Wärme umgesetzt wird.
Die Zenerdioden 2a, 2b einer Parallelschaltung 10 zweier (Schalt) -Endstufen sind üblicherweise identisch ausgelegt. Aufgrund von Diffusionsunterschieden, Materialunterschieden, Temperaturdriften, etc. können die ZenerSpannungen, also die Spannungen, bei denen die betreffende Zenerdiode 2a, 2b durchbricht, aber erheblich voneinander abweichen. In den Abschaltphasen bricht dann diejenige Zenerdiode 2a bzw. 2b mit der geringsten Zenerspannung zuerst durch. Dies führt zu einer erheblichen Belastung des zugehörigen Transistors Ia bzw. Ib, der zumindest kurzfristig die gesamte elektrische Leistung aufnehmen muss, bis der nächste Transistor in den Zenerbetrieb übergeht. Der erste Transistor Ia bzw. Ib kann dadurch geschädigt oder zerstört werden.
Fig. 2 zeigt eine Parallelschaltung 10 zweier (Schalt) - Endstufen, die im wesentlichen identisch aufgebaut ist wie im Beispiel nach Fig. 1. Bezüglich der Erläuterung der identischen Elemente wird auf die Beschreibung der Figur 1 verwiesen. Im Unterschied zur Schaltung nach Fig. 1 sind die Zenerdioden 2a bzw. 2b hier thermisch an die zugehörigen Schalttransistoren Ia bzw. Ib, beispielsweise MOSFETs gekoppelt. Die Zenerdioden 2a, 2b sind dabei nahe am zugehörigen Transistor Ia, Ib angeordnet oder Bestandteil einer entsprechenden Transistorstufe bzw. eines Chips. Die thermische Kopplung ist in Figur 2 durch gestrichelte Bereiche 13a bzw. 13b angedeutet. Beim Abschalten der induktiven bzw. ohmsch- induktiven Last 4, also wenn das Steuersignal S auf low schaltet, muss die gespeicherte magnetische Energie bzw. die Abschaltenergie der Last abgebaut werden. Dazu wird der verwendete Schalttransistor der Endstufe als Zenerelemet benutzt. Bei mehreren parallel geschalteten Endstufen geht dabei die
Endstufe mit der geringeren ZenerSpannung, z.B. die Endstufe mit dem Schalttransistor Ia, und den Dioden 2a und 3a zuerst in den Zenerbetrieb über. Der andere Transistor Ib befindet sich dann noch im Sperrzustand, so dass der Transistor Ia kurzfristig die gesamte Verlustleistung bzw. Abschaltenergie aufnehmen muss. Aufgrund der thermischen Kopplung von Zenerdiode 2a und Schalttransistor Ia heizt sich die Zenerdiode 2a sehr schnell auf, wobei deren Zenerspannung steigt . Dadurch steigt die Zenerspannung der ersten Transistorstufe Ia, 2a, 3a. Wenn die Zenerspannung der zweiten Transistorstufe Ib, 2b, 3b erreicht ist, übernimmt diese einen Teil der Abschaltenergie. Da die Angleichung der Zenerspannungen der Transistorstufen relativ schnell geschieht, wird die zuerst durchbrechende Transistorstufe nicht überlastet und es findet eine Symmetrierung der Zenerspannung statt .
Fig. 3 zeigt den Strom- und Spannungsverlauf an Transistoren Ia bzw. Ib mit unterschiedlicher Zenerspannung (Drain-Gate- Spannung) während eines Abschaltvorgangs, in Figur 3 ist der zugehörige Bereich mit A bezeichnet. Das Bezugszeichen 9 bezeichnet den Stromverlauf I und die Bezugszeichen 6 und 7 die Spannungsverläufe an den zwei parallel geschalteten Transistoren Ia bzw. Ib mit unterschiedlicher Zenerspannung. Beispiele für unterschiedliche Zenerspannungen bei gleicher Temperatur der beiden Zenerdioden 2a und 2b sind eingetragen als Uz2a und Uz2b.
Im vorliegenden Beispiel nach Figur 2 und 3 wird die induktive Last 4 zum Zeitpunkt t0 abgeschaltet, wodurch der
Strom I exponentiell gegen Null sinkt. Die Spannung U steigt sprungartig an, bis die Zenerspannung Uz:La erreicht ist, und die Zenerdiode (in diesem Beispiel mit Uz2a < Uz2b also die Zenerdiode 2a) durchbricht.
Die zugehörige Endstufe leitet dann den Strom I gegen Masse GND ab. Dabei erwärmt sich der Transistor Ia und damit auch die Zenerdiode 2a, wodurch deren Zenerspannung Uz2a steigt.
Die Zunahme der mit steigendender Temperatur wird durch die
Richtung des Pfeils 14 dargestellt. Die höhere Zenerspannung
Uz2a- ist dabei durch eine gestrichelte Linie 8 angedeutet. Erreicht die Zenerspannung Uz2a- den Wert Uz2a und die nächste parallel geschaltete Endstufe kann ebenfalls Abschaltenergie übernehmen .
Diese Vorgehensweise, die einem Symmetrieren der Endstufen- Zenerspannung entspricht, ist dann möglich, wenn die
Zenerspannung unter Last und/oder Temperatur höher wird, also einen positiven Last- und/oder Temperaturkoeffizienten aufweist. Damit kann eine positive Zenerspannungsausprägung bei Parallelschaltung mehrerer Endstufen erzielt werden.
Fig. 4 zeigt eine Aufsicht auf einen flächigen Halbleiterchip 11, z.B. aus Silizium, mit einer Transistor-Struktur, die hier schematisch als ein Bereich 12 dargestellt ist und beispielsweise dem Schalttransistor Ia der Endstufe 10a entspricht. Die zugehörige, ohnehin vorhandene Zenerdiode 2a kann innerhalb dieses Bereichs oder nahe des Bereichs 12 angeordnet sein und insbesondere in die Endstufenfläche integriert sein und ist damit thermisch möglichst gut an den Schalttransistor Transistor gekoppelt.
Falls die Zenerdiode 2a eine niedrige Zenerspannung Uz hat, wird sich der zugehörige Transistor Ia bei einem Abschaltvorgang relativ schnell erwärmen, da er einen Großteil der abzubauenden elektrischen Leistung als Abschaltstrom führt und in Wärme umsetzt. Dabei erwärmt sich die Zenerdiode 2a in gleichem Maße, wodurch die Zenerspannung Uz ansteigt. Sobald sich die Zenerspannung Uz2a auf gleichem Niveau wie die Zenerspannung Uz2b befindet, übernimmt auch der andere Schalttransistor Ib (nicht gezeigt) einen Teil der abzubauenden elektrischen Energie. Die gesamte elektrische Leistung bzw. elektrische Energie, die beim Abschalten einer ohmsch- induktiven Last zu bewältigen ist, kann somit auf mehrere parallel geschaltete Transistoren Ia, Ib bzw. mehrere parallel geschaltete Endstufen gleichmäßig 10a, 10b verteilt werden.
Anstelle der Zenerdioden 2a bzw. 2b kann beispielsweise auch ein thermischer Widerstand mit positivem Temperaturkoeffizienten oder eine sonstige geeignete Komponente mit positivem Temperaturkoeffizienten eingesetzt werden.
Bezugszeichenliste
1 Transistoren
2a, 2b Zenerdioden
3a, 3b Dioden
4 Induktive Last
5 Erregerkreis
6,7 Spannungskurven
8 Spannungskurve bei höherer Temperatur
9 Stromkurve
10 Schalt-Endstufe
11 Chip
12 Transistor-Struktur
13 Thermische Kopplung
14 Erhöhung der Zenerspannung to AbschaltZeitpunkt uz2 Zenerspannung

Claims

Patentansprüche
1. Endstufe, insbesondere Schalt-Endstufe (10) zum Schalten induktiver oder ohmsch- induktiver Lasten (4), umfassend mehrere parallel geschaltete Einzel -Endstufen mit wenigstens einer Komponente (2a, 2b) mit beliebiger ZenerSpannung, die die Zenerspannung (Uz) der Einzel -Endstufe bestimmt und einem Transistor (Ia, Ib) , insbesondere einem Schalttransistor, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponente (2a, 2b) , insbesondere eine Zenerdiode ist, die in oder nahe dem Schalttransistor (Ia, Ib) angeordnet sind, so dass sie thermisch mit dem Transistor (Ia, Ib) gekoppelt ist.
2. Schalt-Endstufe (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere parallel geschaltete, gegengekoppelte Transistoren (Ia, Ib) , in deren Gegenkopplungspfad jeweils eine Komponenten 2a, 2b) vorhanden ist, die die Zenerspannung (Uz) der Einzel-Enstufen (10a, 10b) bestimmt
3. Schalt-Endstufe (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten (2a, 2b) einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweisen.
4. Schalt-Endstufe (10) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten (2a, 2b) einen exponentiellen Temperaturkoeffizienten aufweisen.
5. Schalt-Endstufe (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponente (2a, 2b) als Zenerdioden oder als thermische Widerstände realisiert sind und zu einer positiv gearteten Zenerspannungsausprägung führen.
6. Schalt-Endstufe (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren parallel geschaltete Einzel -Endstufen unterschiedlichen Stromklassen angehören .
7. Schalt-Endstufe (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Endstufen- ZenerSpannung symmetriert wird, wobei die ZenerSpannung der Einzel -Endstufen unter Last und/oder Temperatur höher wird.
8. Schalt-Endstufe (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beim Abschalten abzubauende Abschaltenergie auf mehrere Einzel -Endstufen verteilt wird.
PCT/EP2006/061230 2005-04-05 2006-03-31 Endstufe mit zenerspannungs-symmetrierung WO2006114363A2 (de)

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