DE19508685C2 - Stromsteuermodul - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein linear betriebenes Stromsteuer­ modul für einen Laststromkreis mit mehreren parallel ge­ schalteten Bauelementen, gemäß dem Oberbegriff des An­ spruchs 1.

Linear gesteuerte Halbleiter, wie bipolare Transistoren, MOSFETs, IGBTs und ähnliche, werden immer mehr auch in Hochleistungsanwendungen eingesetzt. Typische Beispiele sind Verstärker oder linear geregelte Netzteile. Häufig reicht die durch die Chipgröße und Gehäuse vorgegebene maximale Verlustleistung bzw. Strombelastbarkeit eines Einzelhalbleiters nicht für solche Anwendungen aus. Daher kann es notwendig sein, mehrere solche Leistungshalbleiter parallel zu schalten.

Bei einer solchen Parallelschaltung treten schwerwiegende technische Probleme auf. Wären alle Halbleiter identisch aufgebaut und wäre die Schaltungsanordnung absolut symme­ trisch, so ergäbe sich eine symmetrische Strom- bzw. Lei­ stungsverteilung auf alle Halbleiter. In der Praxis ergibt sich durch fertigungsbedingte Toleranzen eine nicht ver­ nachlässigbare Streuung wichtiger Parameter wie z. B. der Basis-Ermitterspannung, der Gate-Source-Schwellspannung, der Stromverstärkung und der Steilheit. Damit ergäben sich bei einfacher Parallelschaltung mehrerer Halbleiter unter­ schiedliche Einsatzpunkte der Stromführung, sowie bei höherer Aussteuerung starke Abweichungen in den einzelnen Transistorströmen. Es wurden hier Toleranzen aus Halblei­ tern des gleichen Fertigungsloses von bis zu 50% gemessen. Werden in einer solchen Parallelschaltung Transistoren un­ terschiedlicher Fertigungslose oder sogar unterschiedlicher Hersteller eingesetzt, so kann dies zu einer weitaus höher­ en Fehlverteilung führen.

Eine derart starke Fehlverteilung des Stromes kann zur vor­ zeitigen Zerstörung einzelner Halbleiter führen, während andere Halbleiter nur minimal belastet sind. Um dieser Zerstörung vorzubeugen, werden üblicherweise die folgenden Maßnahmen angewendet: Einsatz von Halbleitern des gleichen Herstellers und des gleichen Fertigungsloses, Selektierung der Halbleiter, Überdimensionierung der Halbleiterstufe, so daß bei maximaler Abweichung noch keine Überlastung auf­ tritt, Einsatz von aktiven und passiven Schaltungsmaßnah­ men, z. B. Gegenkopplung, zur Reduzierung der Steilheit. All diese Maßnahmen sind zeitaufwendig und teuer, z. B. bei der Selektierung, und bringen logistische Probleme, z. B. bei der Bereitstellung eines Fertigungsloses oder bei der Bin­ dung an den Hersteller, mit sich oder verschlechtern, z. B. bei der Gegenkopplung, die elektrischen Eigenschaften.

Insbesondere der Einsatz eines Emitterwiderstandes ist bei Bipolartransistoren ein gängiges Verfahren. Dieser Emitter­ widerstand stellt eine zusätzliche Gegenkopplung dar. Er verringert die Verstärkung jedes einzelnen Transistors und sorgt damit für eine Angleichung der Verstärkungen aller Transistoren. Bei dieser Lösung tritt an einem solchen Wi­ derstand ein zusätzlicher Spannungsabfall und damit eine zusätzliche Verlustleistung auf. Das mag bei Bipolartransi­ storen noch akzeptiert werden. Bei Leistungsstufen mit MOS­ FETs ist eine solche Gegenkopplung oft nicht mehr sinnvoll. So kann ein typischer MOSFET mit einer Drain-Source-Span­ nung von ca. 0,5 V betrieben werden. Die Gate-Source- Schwellspannungen mehrerer MOSFETs aus unterschiedlichen Losen können aber bereits um Werte von 1V variieren. Daher müßte ein möglicherweise angebrachter Sourcewiderstand ei­ nen Spannungsabfall in einer ähnlichen Größenordnung auch bei niedrigen Strömen verursachen, um diese unterschiedli­ che Schwellspannung auszugleichen. Damit ist die Verlust­ leistung im Gegenkopplungswiderstand bereits um den Faktor 2 höher als im Leistungshalbleiter selbst.

Um die guten Eigenschaften von MOSFETs und anderen modernen Leistungshalbleitern beizubehalten, müssen hier neue Wege zur Symmetrierung des Stromes bzw. der Last bei mehreren parallelgeschalteten Halbleitern gefunden werden.

Ein gattungsgemäßes Stromsteuermodul ist aus der DE 39 32 437 C1 druckschriftlich bekannt. Mit einem Parallelschalt­ modul wird eine gleichmäßige Lastaufteilung auf parallel geschaltete Stromversorgungsschaltungen erzielt. Dabei wird mit einem Komparator die Leistung einer jeden Stromversor­ gungsschaltung gemessen und mit einem Mittelwert verglichen und dementsprechend erhöht oder erniedrigt, so daß alle Stromversorgungsschaltungen die gleiche Leistung abgeben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein linear betriebenes Stromsteuermodul der eingangs genannten Art zu schaffen, welches besonders einfach aufgebaut und zugleich zuverlässig ist.

Die Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Stromsteuermo­ dul erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Alternative Ausgestaltungen eines er­ findungsgemäßen Stromsteuermoduls sind in den Ansprüchen 2 und 3 angegeben.

Als Leistungshalbleiter soll hier nicht nur ein einzelner Halbleiterchip verstanden werden. Vielmehr bezeichnet die­ ser Begriff auch Hybridschaltungen und diskret aufgebaute Halbleitermodule, in denen mehrere gleichartige Halbleiter­ chips mit gleichartigen elektrischen Daten unmittelbar par­ allel geschaltet sind.

Die Steuerung des Stromes erfolgt mit Hilfe mehrerer paral­ lel geschalteter Stromsteuereinheiten, in welche der Strom zu Eingangsanschlüssen hinein und zu Ausgangsanschlüssen wieder hinausfließt. Alle Stromsteuereinheiten erhalten einen gemeinsamen Stromsollwert, welcher über einen weiteren Anschluß zugeführt wird.

Jede Stromsteuereinheit besteht aus einem Leistungshalblei­ ter, einem Stromsensor, welcher in dem Leistungsstrompfad zwischen den Anschlüssen zur Stromzuführung und den An­ schlüssen zur Stromabführung an beliebiger Stelle ange­ bracht ist, sowie einem Differenzverstärker.

Der Differenzverstärker ermittelt die Differenz zwischen dem zugeführten Stromsollwert und dem vom Stromsensor er­ mittelten Stromistwert und führt diesen, um einen Faktor k verstärkt, als Steuersignal dem Leistungshalbleiter zu. Wählt man den Verstärkungsfaktor k groß genug, so stellt sich durch den Leistungshalbleiter ein Strom proportional zum Sollwert ein. Die Größe dieses Stromes wird nicht mehr durch die elektrischen Eigenschaften des Leistungshalblei­ ters, sondern durch den Stromsensor bestimmt. Damit wird gewährleistet, daß alle Stromsteuereinheiten den gleichen Strom führen und die gleiche Verlustleistung aufnehmen.

Die Technologie des Stromsensors kann den Anforderungen entsprechend ausgewählt werden. Im einfachsten Falle kann dieser ein Widerstand im Leistungsstrompfad sein. Besonders wirtschaftlich ist es dann, die Verbindungsleitung bzw. die Stromanschlußschiene, welche die einzelne Leistungssteuer­ einheit mit einer Gesamtstromsammelschiene verbindet, als Widerstand zu verwenden. Zur Erzielung höherer Genauigkeit­ en können Hall-Sensoren oder Zero-Flux-Sensoren vorgesehen sein.

Der Regelverstärker muß entsprechend den Anforderungen dimensioniert werden. So soll die Verstärkung ausreichend hoch sein. Eine zu hohe Verstärkung führt allerdings zu einer Schwingneigung. Zur Verbesserung des Regelverhaltens kann auch ein Integral- oder Differentialanteil hinzugefügt werden. Die Polarität des Regelverstärkers muß immer den Polaritäten des Stromsensors und des Leistungshalbleiters angepaßt sein, so daß sich der richtige Regelsinn ergibt.

Die Erfindung wird anhand der beigefügten schematischen Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Strom­ steuermoduls mit drei parallel geschalteten Strom­ steuereinheiten und

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer einzelnen erfindungsge­ mäßen Stromsteuereinheit.

Fig. 1 zeigt die Parallelschaltung mehrerer Stromsteuer­ einheiten 20, 21 und 22 in einem erfindungsgemäßen Strom­ steuermodul 1 zur Steuerung des Stromflusses in einem Last­ kreis.

Die Steuerung des Stromes über die gesamte Anordnung 1 er­ folgt mit Hilfe mehrerer parallel geschalteter Stromsteuer­ einheiten 20, 21 und 22. In diesen Stromsteuereinheiten 20, 21 und 22 fließt der Strom zu den Eingangsanschlüssen 10, 11 und 12 hinein und zu den Ausgangsanschlüssen 40, 41, 42 wieder hinaus. Alle Stromsteuereinheiten 20, 21, 22 erhal­ ten einen gemeinsamen Stromsollwert 3, welcher über die Anschlüsse 30, 31 und 32 zugeführt wird.

Jede Stromsteuereinheit, Fig. 2 zeigt ein detailliertes Blockschaltbild der Stromsteuereinheit 20 entsprechend dem Ausschnitt 20a an Fig. 1, besteht aus einem Leistungshalb­ leiter 5, einem Stromsensor 6, welcher im Leistungsstrom­ pfad 40 zwischen dem Anschluß 10 zur Stromzuführung und dem Anschluß 40 zur Stromabführung an beliebiger Stelle ange­ bracht ist, sowie aus einem Differenzverstärker 7.

Der Differenzverstärker 7 ermittelt die Differenz zwischen dem über den Anschluß 30 zugeführten Stromsollwert 3 und dem vom Stromsensor 6 ermittelten Stromistwert und führt diesen, um einen Faktor k verstärkt, als Steuersignal dem Leistungshalbleiter 5 zu. Wählt man den Verstärkungsfaktor k groß genug, so stellt sich durch den Leistungshalbleiter 5 ein Strom proportional zum Stromsollwert ein. Der Strom wird nicht mehr durch die elektrischen Eigenschaften des Leistungshalbleiters 5, sondern durch den Stromsensor 6 be­ stimmt. Damit wird gewährleistet, daß alle Stromsteuerein­ heiten 20, 21 und 22 den gleichen Strom führen und damit die gleiche Verlustleistung aufnehmen.

Die Technologie des Stromsensors 6 kann den Anforderungen entsprechend ausgewählt werden. So kann dieser im einfach­ sten Falle nur ein Widerstand im Leistungsstrompfad sein. Besonders wirtschaftlich ist es dann, die Verbindungslei­ tung bzw. die Stromanschlußschiene, welche die einzelne Leistungssteuereinheit mit einer Gesamtstromsammelschiene verbindet als Widerstand zu verwenden. Zur Erzielung höhe­ rer Genauigkeiten können auch Hall-Sensoren oder Zero-Flux- Sensoren verwendet werden.

Der Regel- bzw. Differenzverstärker 7 muß entsprechend den Anforderungen dimensioniert werden. So soll die Verstärkung ausreichend hoch sein. Eine zu hohe Verstärkung führt al­ lerdings zu einer Schwingneigung. Zur Verbesserung des Re­ gelverhaltens kann auch ein Integral- oder ein Differenti­ alanteil hinzugefügt werden. Die Polarität des Regel­ verstärkers 7 muß immer den Polaritäten des Stromsensors 6 und des Leistungshalbleiters 5 angepaßt werden, so daß sich der richtige Regelsinn ergibt.

Zur Veranschaulichung ist in Fig. 2 als Leistungshalbleiter 5 ein Bipolartransistor gezeigt. Selbstverständlich können auch FETs, IGBTs oder andere linear steuer­ bare Halbleiter vorgesehen sein.

Claims (3)

1. Linear betriebenes Stromsteuermodul (1) für einen Laststromkreis mit mehreren parallel geschalteten Bauelementen, wobei im Laststromkreis eines jeden Bauelements ein Stromsensor (6) vorgesehen ist, jedem Bauelement ein Differenzverstärker (7) zugeordnet ist, welchem ein Sollstrom-Signal und ein Iststrom-Si­ gnal zugeführt ist und im Differenzverstärker (7) die Differenz des Sollstrom-Signals und des Iststrom-Si­ gnals, um einen Faktor k verstärkt, als Steuersignal dem zugehörigen Bauelement zugeführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Stromsteuermodul (1) für einen Laststromkreis mit mehreren parallel geschalteten Leistungshalbleitern (20, 21, 22) ausgelegt ist, daß der Differenz­ verstärker (7) integrales oder differentielles Ver­ halten aufweist, und daß als Stromsensor (6) der Wi­ derstand der Verbindungsleitung bzw. der Strom­ schlußschiene, welche die einzelnen Stromsteuerein­ heiten (20, 21, 22) mit einer Gesamtstromsammelschie­ ne verbindet, vorgesehen ist.

2. Linear betriebenes Stromsteuermodul (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Stromsensor (6) anstelle des Widerstands der Verbindungsleitung ein Hall-Sensor vorgesehen ist.

3. Linear betriebenes Stromsteuermodul (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Stromsensor (6) anstelle des Widerstands der Verbindungsleitung ein Zero-Flux-Sensor vorgesehen ist.