DE19505326A1 - Power semiconductor switch circuit - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für Kommutierungskreise, bestehend mindestens aus einem MOSFET und einer Diode mit einem weichen Schaltverhalten nach den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1.The invention relates to a circuit arrangement for commutation circuits at least from a MOSFET and a diode with a soft switching behavior according to the Features of the preamble of claim 1.
Der Einsatz von MOSFET als Leistungsschalttransistoren in Verbindung mit ihrer integrierten Invers- Diode wird nach dem Stand der Technik dadurch beschrieben, daß kein gut geeignetes weiches Schaltverhalten erzielt werden kann. Die dem Stand der Technik zuordenbaren Schaltungsanordnungen mit MOSFET zeigen eine beachtenswerte Schwingungsneigung am Ende des Kommutierungsvorganges. Durch sehr aufwendige Schaltungen wird in der Praxis versucht, diesen negativen Erscheinungsbildern der Schaltungsanordnungen mit Leistungs- MOSFET-Schaltern zu begegnen.The use of MOSFET as power switching transistors in connection with their integrated Inverse diode is described according to the prior art in that no well-suited soft switching behavior can be achieved. Those that can be assigned to the state of the art Circuit arrangements with MOSFET show a remarkable tendency to oscillate on End of the commutation process. Through very complex circuits is in practice tries to compensate these negative appearances of the circuit arrangements with power Counter MOSFET switches.
Entweder wird das Auftreten von Überspannungen nur durch den Einsatz von Suppresser- Dioden vermieden, oder es wird zur Ausschaltung der Inversdiode eine zusätzliche Schottky- Diode in Reihe zum MOSFET geschaltet.Either the occurrence of overvoltages is only prevented by the use of suppressors. Diodes avoided, or an additional Schottky is used to switch off the inverse diode. Diode connected in series to the MOSFET.
Eigene Arbeiten geben in P 41 35 259 C1, P 43 10 444.4 A1 und P 43 37 329.1 A1 einen guten Überblick über den erreichten Stand der Technik, jedoch wird dort nicht die hier dargestellte zusätzlich bei dem Einsatz von MOSFET-Leistungsschaltern auftretende Problematik zum Gegenstand der Erfindung gemacht. Own work is given in P 41 35 259 C1, P 43 10 444.4 A1 and P 43 37 329.1 A1 good overview of the state of the art achieved, but not the one here shown additionally occurring when using MOSFET circuit breakers Problem made the subject of the invention.
In DE 42 10 183 A1 wird auf Seite 4 in Zeile 2 eine Streuinduktivität Li erwähnt. Li ist dort graphisch in Fig. 2 dargestellt. Auf Seite 6 wird in der Zeile 44 die Streuinduktivität Li näher definiert und mit 9,1 nH beispielhaft angegeben. Dort wird die Schlußfolgerung als Anspruch 14 dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Anodenelektroden (1, 2) der Teildioden (D1, D2) eine Induktivität geschaltet ist.DE 42 10 183 A1 mentions a leakage inductance L i on page 4 in line 2 . L i is shown graphically there in FIG. 2. On page 6, the leakage inductance L i is defined in more detail in line 44 and is given as an example with 9.1 nH. There the conclusion is characterized as claim 14, characterized in that an inductance is connected between anode electrodes ( 1 , 2 ) of the partial diodes (D1, D2).
Ebenfalls wird in DE 42 01 183 A1 bereits erwähnt, daß als snappige Diode die integrierte Diode eines MOSFET verwendet werden kann. Wird dieser Gedanke jedoch realisiert, dann treten mit einem üblichen MOS-Schalter ohne Trägerlebensdauereinstellungen Probleme auf, der gewünschte Effekt wird nicht erreicht.DE 42 01 183 A1 also mentions that the integrated diode is a snappy diode Diode of a MOSFET can be used. However, if this idea is realized, then problems occur with a conventional MOS switch without carrier life settings, the desired effect is not achieved.
Schaltet man eine schnelle soft-recovery Diode parallel und übernimmt diese den in DE 42 01 183 spezifizierten Teil des Vorwärtsstromes von 1/4 bis 1/8, so rekombiniert während der langen Phase der Kommutierung des MOSFET die Speicherladung der soft-recovery Diode ebenfalls, und nachdem die inverse MOS-Diode den Schaltvorgang beendet hat, sind die Vorgänge in der soft-recovery Diode ebenfalls beendet. Es tritt nicht der gewünschte Effekt ein. Es ist keine Verbesserung des Schaltverhaftens zu bemerken.If you connect a fast soft recovery diode in parallel and do this in DE 42 01 183 specified part of the forward current from 1/4 to 1/8, so recombined during the long Phase of the commutation of the MOSFET also the storage charge of the soft recovery diode, and after the inverse MOS diode has finished switching, the processes are in the soft recovery diode also ended. The desired effect does not occur. It is not Noticeable improvement in switching behavior.
Möchte man den Stromanteil der soft-recovery Diode erhöhen, so muß man, auch aufgrund der sehr niedrigen Flußspannung des MOSFET, im Bereich < 1V eine soft-recovery Diode mit sehr hoher Speicherladung zur Verfügung stellen. Das führt aber zu einem unakzeptablen Anstieg der Rückstromspitze. Die erreichte Diodenanordnung wäre soft, aber aufgrund ihrer Rückstromspitze nicht einsetzbar.If you want to increase the current share of the soft recovery diode, you have to, also because of the very low forward voltage of the MOSFET, with a soft recovery diode in the range <1V very high storage charge available. But that leads to an unacceptable Increase in reverse current peak. The diode arrangement achieved would be soft, but because of its Reverse current peak cannot be used.
Die Aufgabe dieser Erfindung besteht darin, ein schwingungsfreies Verhalten von Schaltungsanordnungen mit MOSFET-Leistungsschaltern bei parallelgeschalteten soft recovery Dioden im Kommutierungsablauf zu erzielen, dabei jedoch die Rückstromspitze nicht oder nur unwesentlich zu erhöhen.The object of this invention is to provide vibration-free behavior Circuit arrangements with MOSFET circuit breakers with soft in parallel to achieve recovery diodes in the commutation process, but not the reverse current peak or only increase insignificantly.
Die Lösung dieser Aufgabe wird bei einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art durch die Maßnahmen des kennzeichnenden Teiles des Anspruches 1. erreicht, vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben. The solution to this problem is in a circuit arrangement of the type mentioned achieved by the measures of the characterizing part of claim 1. advantageous Refinements are specified in the subclaims.
Der entscheidende Gedanke dabei ist, daß durch das Einbringen zweier Induktivitäten und deren Verhältnis zueinander der Schaltvorgang gesteuert werden kann. Damit kann erreicht werden, daß die Speicherladung der soft-recovery Diode erst nach der Rückstromspitze der inversen MOS-Diode auftritt, was zu einem schwingungsfreien Verhalten der Schaltungsanordnung führt.The crucial idea is that by introducing two inductors and whose relationship to each other the switching process can be controlled. So that can be achieved be that the storage charge of the soft recovery diode only after the reverse current peak inverse MOS diode occurs, resulting in a vibration-free behavior of the Circuit arrangement leads.
Fig. 1 zeigt in Skizze im Querschnitt eine DMOS-Zelle mit eingezeichneter inverser Diode. Fig. 1 shows a sketch in cross section a DMOS cell with marked inverse diode.
Fig. 2 zeigt das Strom- und Spannungs- Diagramm zum Zeitpunkt der Kommutierung einer Schaltung nach Fig. 1. FIG. 2 shows the current and voltage diagram at the time of commutation of a circuit according to FIG. 1.
Fig. 3 stellt den Ausschnitt einer MOSFET-Schaltungsanordnung mit Schottky-Diode und antiparallel geschalteter Freilaufdiode dar. Fig. 3 illustrates the detail of a MOSFET circuit arrangement with Schottky diode and anti-parallel freewheeling diode.
Fig. 4 zeigt das vereinfachte Ersatzschaltbild eines MOSFET. Fig. 4 shows the simplified equivalent circuit diagram of a MOSFET.
Fig. 5 stellt die erfinderische Lösung der Schaltungsanordnung dar. Fig. 5 shows the inventive solution of the circuit arrangement.
Fig. 6 gibt den Versuchsaufbau mit Hilfssource-Anschluß an und zeigt das entsprechende Schaltbild. Fig. 6 shows the experimental setup with auxiliary resource connection and shows the corresponding circuit diagram.
Fig. 7 gibt in Form des Diagramms des Strom-/Spannungsverlaufes das Ergebnis der erfinderischen Untersuchungen bekannt. Fig. 7 of the diagram is in the form of the current / voltage curve, the result of the inventive testing known.
Fig. 8 zeigt das Schaltverhaken einer MOSFET-Freilaufdiode mit Hilfssource. Fig. 8 shows the hooking of a MOSFET freewheeling diode with auxiliary source.
Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer DMOS (double-diffiised MOS)-Zelle aus denen ein Leistungs-MOSFET aufgebaut ist. Dabei werden etwa 10⁵ Zellen/cm² integriert. Bei der DMOS-Technologie werden dabei die p- und n- Wannen auf der Oberseite in einem gemeinsamen Diffusionsschritt erzeugt, wobei der höhere Diffusionskoeffizient des p- Dotierstoffes verglichen mit dem n⁻-Dotierstoff zu den unterschiedlich tiefen Wannen führt. Die nötige Sperrspannung wird, wie bei der pin-Diode, durch eine entsprechend dotierte n⁻-Driftzone aufgenommen, der sich ein n⁺-Gebiet und der Drainkontakt anschließt. Fig. 1 shows the basic structure of a DMOS (double-diffiised MOS) cell in which a power MOSFET is constructed. Around 10⁵ cells / cm² are integrated. With DMOS technology, the p- and n-wells are created on the top in a common diffusion step, the higher diffusion coefficient of the p-dopant compared to the n⁻-dopant leading to the differently deep wells. As with the pin diode, the necessary reverse voltage is picked up by a correspondingly doped n⁻ drift zone, which is followed by an n⁺ region and the drain contact.
Der MOSFET sperrt nur bei positiver Drain-Source-Spannung und kurzgeschlossenem Gate- Source-Kreis, weil bei negativer Drain-Source-Spannung die eingezeichnete pin-Diode den Strom übernimmt. Damit ist in jedem MOSFET die Freilaufdiode bereits integriert, die beispielsweise in Vollbrückenschaltungen und Vierquadrantenbetrieb benötigt wird.The MOSFET only blocks with positive drain-source voltage and short-circuited gate Source circuit, because with a negative drain-source voltage, the pin diode shown Electricity takes over. The free-wheeling diode is thus already integrated in each MOSFET for example in full-bridge circuits and four-quadrant operation.
In vielen Fällen erfüllt diese eingebaute pin-Diode nicht die Anforderungen an das Schaltverhalten. Da es sich bei MOSFET um Majoritätsträgerbauelemente handelt, kann das n⁻-Gebiet nicht mit Ladungsträgern überschwemmt werden. Damit steigt der Einschaltwiderstand rDSon. mit jeder Verbreiterung der n⁻-Zone an und die Weite dieser n⁻-Zone muß so gering wie möglich sein. Als Diode betrieben wird sie damit ein snappiges Schaltverhaken aufweisen. Aufgrund des unipolaren Charakters des MOSFET kann die integrierte Diode kaum mit den bekannten Methoden optimiert werden.In many cases, this built-in pin diode does not meet the switching behavior requirements. Since MOSFETs are majority carrier components, the n⁻ region cannot be flooded with charge carriers. This increases the on resistance r DSon . with each widening of the n⁻ zone and the width of this n⁻ zone must be as small as possible. Operated as a diode, it will have a snappy switch hook. Due to the unipolar nature of the MOSFET, the integrated diode can hardly be optimized with the known methods.
In Fig. 2 ist das Ergebnis von Messungen an der MOS-Diode in Diagrammform dargestellt. Die Schwingungen nach Abschluß der Kommutierung sind deutlich zu erkennen.In Fig. 2 shows the result of measurements of the MOS diode is shown in diagram form. The vibrations after completion of commutation can be clearly seen.
Bei den Erfordernissen eines weichen Schaltverhaltens besteht die in Fig. 3 dargestellte mögliche Lösung nach dem Stand der Technik in dem Dazuschalten einer Schottky-Diode in Reihe zu dem MOSFET bei gleichzeitiger antiparalleler Einbindung einer soft-recovery- Diode. Auf diese Wiese wird die inverse Diode außer Betrieb gesetzt. Jedoch besitzt diese Schaltungsanordnung den Nachteil, daß der Spannungsabfall in Durchlaßrichtung um den Spannungsabfall in der Schottky-Diode ansteigt. Die Schaltungsanordnung wird außerdem sehr aufivendig und damit teuer, da eine Schottky-Diode und eine Freilaufdiode den gesamten Vorwärtsstrom tragen muß.In the case of the requirements for soft switching behavior, the possible prior art solution shown in FIG. 3 consists in connecting a Schottky diode in series with the MOSFET with simultaneous anti-parallel integration of a soft recovery diode. In this way, the inverse diode is deactivated. However, this circuit arrangement has the disadvantage that the forward voltage drop increases by the voltage drop in the Schottky diode. The circuit arrangement is also very complex and therefore expensive, since a Schottky diode and a freewheeling diode must carry the entire forward current.
Fig. 4 zeigt das vereinfachte Ersatzschaltbild eines MOSFET. Im ausgeschalteten Zustand soll das Gate über den Widerstand RG mit der Spannungsquelle UG verbunden sein. Nach dem Stromnulldurchgang wird der MOSFET in Blockierrichtung betrieben und sobald der pn- Übergang der Diode frei wird, kommt es zu einem steilen Spannungsanstieg der Diode. Fig. 4 shows the simplified equivalent circuit diagram of a MOSFET. In the switched-off state, the gate should be connected to the voltage source U G via the resistor R G. After the current zero crossing, the MOSFET is operated in the blocking direction and as soon as the pn junction of the diode becomes free, the diode voltage rises steeply.
Dies führt zu einem Verschiebungsstrom durch CGD This leads to a displacement current through C GD
Dabei wird jetzt der Spannungsanstieg durch die Dimensionierung des Gate-Widerstandes RG und der Gatespannung UG aufThe voltage rise is now due to the dimensioning of the gate resistance R G and the gate voltage U G
beschränkt. VT bezeichnet die threshold-Spannung des MOSFET. Durch Wahl des Gate widerstandes und VG kann daher auch der Rückstromverlauf nach dem Freiwerden des pn- Überganges beeinflußt werden.limited. V T denotes the threshold voltage of the MOSFET. By choosing the gate resistance and V G , the return current profile can therefore also be influenced after the pn junction becomes free.
Die Steigung des Rückstromes wird aufgrund des Induktionsgesetzes zum Ende des Kommutierungsvorganges immer größer. Es kommt zu keinem exponentiellen Abfall des Rückstromes nach der Rückspannungsspitze, sondern vielmehr zu einem zweiten Stromnulldurchgang, woraufhin die inverse Diode den Strom übernimmt und die Spannung über dem MOSFET folglich zusammenbricht. Danach wiederholt sich der Kommutierungsvorgang und es kommt zu den unerwünschten Schwingungen, weil keine Ladung am Ende des Rückstromabfalles bereitsteht.The slope of the reverse current is due to the law of induction at the end of Commutation process always bigger. There is no exponential decrease in the Reverse current after the reverse voltage peak, but rather to a second Current zero crossing, whereupon the inverse diode takes over the current and the voltage consequently breaks down over the MOSFET. Then the repeats itself Commutation process and undesirable vibrations occur because none Charge is available at the end of the reverse current drop.
Fig. 5 zeigt die erfinderische Lösung der Schaltungsanordnung. Dabei wird in Reihe zu der antiparallel geschalteten Freilaufdiode eine Induktivität (LS) geschaltet. Durch diese Induktivität wird eine Aufteilung der Kommutierungssteilheit erreicht und die Ladung kann an das Ende des Kommutierungsvorganges verschoben werden. Die Folge ist das Verhindern der HF-Schwingungen am Ende der Kommutierung. Fig. 5 shows the inventive solution of the circuit arrangement. An inductance (L S ) is connected in series with the freewheeling diode connected in anti-parallel. This inductance divides the commutation steepness and the charge can be shifted to the end of the commutation process. The result is that the RF oscillations are prevented at the end of commutation.
Bei der Parallelschaltung werden die Dioden so angelegt, daß der Großteil des Gesamtstromes durch die inverse MOS-Diode fließt. Nur etwa 20% trägt die soft-recovery Diode. Der Spannungsabfall u über Diode und Zwischeninduktivität beträgtWhen connected in parallel, the diodes are applied so that the majority of the total current flows through the inverse MOS diode. The soft recovery diode only carries about 20%. Of the Voltage drop u across diode and intermediate inductance is
Zu Beginn des Kommutierungsvorganges bis zum Zeitpunkt, an dem der erste pn-Übergang frei wird, bestimmen Junctionspannung und der Spannungsabfall in der überfluteten Basis die Diodenspannungen uM und uS, die folglich im Bereich von Volt liegen. Bereits 1 cm Leitung (im Versuchsaufbau L = 10 nH) führt bei Kommutierungsgeschwindigkeiten von 1000 A/µs zu einem induktiven Spannungsabfall, der groß genug gegenüber der Diodenspannung ist. In diesem Fall bestimmen die Induktivitäten die Aufteilung der Kommutierungssteilheit.At the beginning of the commutation process until the time when the first pn junction becomes free, the junction voltage and the voltage drop in the flooded base determine the diode voltages u M and u S , which are consequently in the range of volts. Even 1 cm of cable (in the experimental setup L = 10 nH) leads to an inductive voltage drop at commutation speeds of 1000 A / µs, which is large enough compared to the diode voltage. In this case, the inductances determine the division of the commutation slope.
Wählt man dieses Verhältnis deutlich größer als eins, dann kann erreicht werden, daß das Rückstrommaximum der soft-recovery Diode zeitlich nach dem Rückstrommaximum der inversen MOS-Diode erreicht wird. Dieses wird beispielhaft in einem, wie dem in Fig. 6 dargestellten, Versuchsaufbau erreicht werden. In einem solchen Aufbau ist LM allein durch die parasitäre Induktivität auf der Kathodenfläche des MOSFET gegeben und für LS gilt:If this ratio is chosen to be significantly greater than one, it can be achieved that the return current maximum of the soft recovery diode is reached in time after the return current maximum of the inverse MOS diode. This will be achieved, for example, in a test setup such as that shown in FIG. 6. In such a construction, L M is given solely by the parasitic inductance on the cathode surface of the MOSFET and the following applies to L S :
LS = (1/LBond + 1/LBond)-1 + LBsoft + LI L S = (1 / L Bond + 1 / L Bond ) -1 + L Bsoft + L I
In Fig. 7 ist das Ergebnis an Hand des Gesamtstromverlaufes und des Verlaufes des Stromes, der durch die softe Diode fließt, graphisch in Form der Mitschrift der Messungen am Oszillographen dargestellt. Kurvenverlauf (1) zeigt den Stromanteil der soft-recovery Diode, während Kurvenverlauf (2) den Gesamtstromverlauf widerspiegelt.In FIG. 7, the result is shown graphically in the form of the recordings of the measurements on the oscillograph using the total current profile and the profile of the current flowing through the soft diode. Curve ( 1 ) shows the current portion of the soft recovery diode, while curve ( 2 ) reflects the total current.
Fig. 8 schließlich stellt den Kommutiervorgang einer erfinderischen Schaltungsanordnung dar, wie diese in Fig. 6 skizziert wurde. Die hochfrequenten Schwingungen am Ende des Kommutierungsvorganges treten nicht mehr auf. Die Sperrverzögerungsladung der soft recovery Diode beträgt hierbei nur etwa 10% der Sperrverzögerungsladung der inversen MOSFET-Diode. FIG. 8 finally shows the commutation process of an inventive circuit arrangement as outlined in FIG. 6. The high-frequency vibrations no longer occur at the end of the commutation process. The blocking delay charge of the soft recovery diode is only about 10% of the blocking delay charge of the inverse MOSFET diode.
Der Gedanke der Steuerung des Kommutierungsvorganges von parallel geschalteten Bauelementen durch das Verhältnis vorgeschalteter Induktivitäten kann auch auf andere Halbleiterbauelemente übertragen werden. Er läßt sich leicht in die in DE 41 35 259 ausgeführte Parallelschaltung von Dioden übernehmen. Ebenfalls ist es denkbar, daß anstelle des MOSFET ein anderes Bauelement mit parasitärer Diode eingesetzt wird, beispielsweise ein rückwärts leitender Thyristor oder ein anodenvershorteter IGBT. Ein anodenvershorteter IGBT könnte aber auch den Platz der Diode mit soft-recovery-Verhalten einnehmen. Schließlich ermöglicht die Kenntnis des Einflusses kleiner vorgeschalteter Induktivitäten die Optimierung von Leistungsmodulen, bei denen mehrere Bauelemente parallel geschaltet werden.The idea of controlling the commutation process by connecting in parallel Components due to the ratio of upstream inductors can also be applied to others Semiconductor components are transferred. It can be easily in DE 41 35 259 Execute parallel connection of diodes. It is also conceivable that instead of the MOSFET another component with a parasitic diode is used, for example a reverse conducting thyristor or an anode-short IGBT. An anode hoarded IGBT could also take the place of the diode with soft recovery behavior. Finally, knowledge of the influence of small upstream inductors enables Optimization of power modules in which several components are connected in parallel will.
Claims (4)
Priority Applications (2)
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|---|---|---|---|
| DE1995105326 DE19505326A1 (en) | 1995-02-17 | 1995-02-17 | Power semiconductor switch circuit |
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Applications Claiming Priority (1)
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Publications (1)
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Family Applications (1)
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