DE19913465A1 - Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines Leistungstransistors - Google Patents
Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines LeistungstransistorsInfo
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Abstract
Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines Leistungsschalters, insbesondere eines MOSFETs oder IGBT, mit einer Gegentaktstufe zur Beaufschlagung des Gate-Anschlusses des Leistungsschalters, wobei die Gegentaktstufe ein erstes Schaltelement T1 und einen zwischen diesem und dem Gate-Anschluß des Leistungsschalters angeordneten Einschaltwiderstand R1 sowie ein zu dem ersten Schaltelement komplementäres Schaltelement T2 und einen zwischen diesem und dem Gate-Anschluß des Leistungsschalters angeordneten Ausschalt- bzw. Entladungswiderstand R2 aufweist, mit einer parallel zu dem Ausschaltwiderstand geschalteten Serienschaltung, welche einen Kondensator C1 und einen weiteren Widerstand R3 aufweist.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung
zur Ansteuerung eines Leistungstransistors nach dem
Oberbegriff des Patentanspruch 1.
Für die Ansteuerung von Leistungstransistoren bzw.
Schaltern, insbesondere MOSFETs und IGBTs wird
üblicherweise eine Gegentaktstufe verwendet (unter MOSFET
wird hierbei ein Metalloxid-Halbleiter-
Feldefekttransistor, und unter IGBT ein bipolarer
Transistor mit einem isolierten Gate-Anschluß (engl.
insulated gate bipolar transistor) verstanden). Eine
Gegentaktstufe besteht typischerweise aus komplementären
Schaltelementen sowie diesen jeweils zugeordneten
Widerständen. Bei Verwendung von Transistoren als
Schaltelementen bieten sich ebenfalls MOSFETs an. Einem
hierbei als Einschaltstransitor dienenden Transistor ist
typischerweise wenigstens ein Einschaltwiderstand
zugeordnet, über den die Schaltgeschwindigkeit beim
Einschalten des anzusteuernden Leistungsschalters bestimmt
wird. Entsprechend kann über einen Ausschaltwiderstand,
welcher dem komplementär zu dem ersten Transistor
ausgebildeten Ausschalttransistor zugeordnet ist, die
Abschaltgeschwindigkeit des Leistungsschalters eingestellt
bzw. bestimmt werden.
Zur Verringerung der Schaltverluste in dem
Leistungstransistor wird die Schaltgeschwindigkeit soweit
wie möglich erhöht. Bei dieser Vorgehensweise entsteht
jedoch beim Abschalten aufgrund von parasitären
Induktivitäten eine nennenswerte Überspannung am
Leistungsschalter. Bei einer gegebenen maximalen
Sperrspannung wird hierdurch die zulässige
Abschaltgeschwindigkeit des Leistungstransistors begrenzt.
Es sind aus dem Stand der Technik verschiedene Verfahren
zur Optimierung des Abschaltvorganges bekannt, welche
jedoch auf einer relativ aufwendigen Erfassung und
Auswertung der Spannung am Leistungsschalter beruhen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine unaufwendige
Verbesserung der Ansteuerung eines insbesondere als MOSFET
oder IGBT ausgebildeten Leistungsschalters.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Schaltungsanordnung
zur Ansteuerung eines Leistungsschalters mit den Merkmalen
des Patentanspruchs 1.
Mittels der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist in
einfacher Weise eine optimierte Ansteuerung eines
Leistungsschalters möglich. Durch geeignete Beeinflussung
des Verlaufs der Gatespannung des Leistungstransistors wird
erreicht, daß gegenüber herkömmlichen Leistungsschaltern
bei vergleichbaren Schaltverlusten auftretende
Überspannungen reduziert werden. Entsprechend ist es mit
der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung möglich,
gegenüber dem Stand der Technik bei vergleichbaren
Überspannungen die auftretenden Schaltverluste zu
reduzieren.
Als weiterer vorteilhafter Effekt bei der Verwendung der
erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sei angegeben, daß
die beim Abschalten eines Leistungstransistors
typischerweise auftretenden hochfrequenten
Ausschwingvorgänge stark gedämpft werden. Hierdurch wird
die für die elektromagnetische Verträglichkeit relevante
Abstrahlung von Störungen verringert.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zeichnet sich
ferner dadurch aus, das sie gegenüber den aus dem Stand der
Technik bekannten Lösungen nur zwei zusätzliche passive
Bauelemente benötigt. Sie ist hierdurch sehr preisgünstig
verfügbar.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Zweckmäßigerweise sind das erste und das zweite
Schaltelement als Schalttransistoren, insbesondere als
MOSFETs ausgebildet. Derartige Schalttransistoren sind in
preiswerter Weise verfügbar und erweisen sich in der Praxis
als besonders robust und zuverlässig.
Es ist bevorzugt, daß der dem Ausschaltwiderstand parallel
geschaltete weitere Widerstand wesentlich kleiner als der
Ausschaltwiderstand gewählt ist. Mit dieser Maßnahme ist
nach dem Ausschalten des Leistungstransistors ein besonders
schneller Abfall der Gatespannung des Leistungstransistors
bzw. ein Umladen des mit dem weiteren Widerstand in Serie
geschalteten Kondensators möglich.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung eignet sich
insbesondere zur Ansteuerung von Leistungsschaltern in
Pulswechselrichtern, insbesondere für Starter-Generatoren
im Kraftfahrzeugbereich. Durch Verwendung der
erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung bei derartigen
Pulswechselrichtern können diese besonders robust und
zuverlässig ausgebildet werden.
Bei Pulswechselrichtern hängt der spezifische Drain-Source-
Widerstand (RDS,on) quadratisch von der zulässigen
Sperrspannung ab. Durch die Verwendung der
erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird es möglich, bei
nahezu gleichbleibenden Schaltverlusten
Leistungstransistoren mit geringerer Sperrspannung zu
verwenden. Damit reduziert sich bei gleichbleibenden
Wirkungsgrad die einzusetzende Siliziummenge, wodurch die
Kosten sowie der Platzbedarf für derartige Wechselrichter
deutlich vermindert werden können.
Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung wird nun anhand der beigefügten
Zeichnung im Einzelnen beschrieben. In dieser zeigt
Fig. 1 eine Ansteuerschaltung für einen MOSFET gemäß dem
Stand der Technik,
Fig. 2 eine bevorzugte Ausgestaltung der
erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zur
Ansteuerung eines MOSFETs, und
Fig. 3 ein Diagramm zur Darstellung der bei Verwendung
der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sowie
bei einer Schaltungsanordnung gemäß dem Stand der
Technik auftretenden Drain-Source-Spannung bzw.
Ventilspannung des angesteuerten MOSFET.
Zunächst wird eine Schaltungsanordnung gemäß dem Stand der
Technik anhand der Fig. 1 im einzelnen beschrieben. Zur
Ansteuerung eines als MOSFET ausgebildeten
Leistungstransistors T3 wird hier eine Gegentaktstufe
verwendet. Die Gegentaktstufe weist die komplementären
Transistoren T1 und T2 sowie die Widerstände R1 und R2 auf.
Hierbei ist der Transistor T1 (Einschalttransistor) als p-
Kanal-MOSFET, und der Transistor T2 (Entlade bzw.
Ausschalttransistor) als n-Kanal-MOSFET ausgebildet. Über
den Wert des dem Transistor T1 nachgeschalteten
Einschaltwiderstands R1 kann die Schaltgeschwindigkeit beim
Einschalten des MOSFET T3 bestimmt werden. Über den Wert
des Ausschaltwiderstands R2 wird die
Abschaltgeschwindigkeit des MOSFET T3 bestimmt.
Die die Transistoren T1 und T2 aufweisende Gegentaktstufe
liegt hier an einer Versorgungsspannung VDD an, wobei die
jeweiligen Gateanschlüsse der Transistoren T1, T2 mittels
eines rechteckförmigen Ansteuersignals A beaufschlagbar
sind. Den jeweiligen Gateanschlüssen der Transistoren T1,
T2 sind geeignete Widerstände RT vorgeschaltet. Bei
Vorliegen eines 0-Pegel-Signals schaltet der als p-Kanal-
MOSFET ausgebildete Transistor T1 durch und ist leitend,
wodurch der Gateanschluß G des MOSFETs T3 über die
Versorgungsspannung VDD mit Strom beaufschlagt wird, so daß
MOSFET T3 leitend wird, d. h. eingeschaltet ist. Bei
Umschalten des Ansteuersignals A auf den 1-Pegel schaltet
der Transistor T1 aus und der als n-Kanal-MOSFET
ausgebildete Transistor T2 wird leitend, so daß die an dem
Gate-Anschluß G des MOSFET T3 anliegende Spannung über den
Widerstand R2 und den Transistor T2 abgebaut wird.
Transistor T3 geht hierbei in den sperrenden bzw. Aus-
Zustand über.
In Fig. 3, unten ist schematisch ein bei einer derartigen
Schaltungsanordnung auftretender Spannungsverlauf am MOSFET
T3 (Drain-Source-Spannung bzw. Ventilspannung) gegen die
Zeit (in willkürlichen Einheiten) aufgetragen (Kurve I).
Man erkennt einen ausgeprägten Ausschwingvorgang mit
starken Überspannungen.
Zur gezielten Beeinflussung des Gatespannungsverlaufs des
MOSFET T3 weist die in Fig. 2 dargestellte
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung parallel zu dem
Ausschaltwiderstand R2 eine Serienschaltung mit einem
Kondensator C1 und einem weiteren Widerstand R3 auf. Durch
diese parallel zu dem Ausschaltwiderstand R2 geschaltete
Serienschaltung C1, R3 kommt es im Falle eines Ausschaltens
des MOSFET T3 (analog zur Schaltung gemäß dem Stand der
Technik bei Vorliegen eines Ansteuersignals A auf 1-Pegel)
zunächst zu einer schnellen Entladung des Gates G des
MOSFET T3, bis der Kondensator C1 aufgeladen ist. Hierbei
ist der zu dem Kondensator C1 seriell geschaltete
Widerstand R3 zweckmäßigerweise kleiner als der
Ausschaltwiderstand R2 ausgebildet. Nach Aufladung des
Kondensators C1 ist nur der Ausschaltwiderstand R2 wirksam.
Die Gatespannung am Gate G des MOSFET T3 fällt also
zunächst sehr schnell ab, wodurch ein rascher Anstieg der
am MOSFET T3 anliegenden Ventilspannung bewerkstelligt
wird. Wenn die Gatespannung einen charakteristischen Wert
erreicht hat, beginnt der Ventilstrom (d. h. der Strom durch
den MOSFET T3) merklich zu sinken. Da der Kondensator C1
inzwischen aufgeladen ist, sinkt die Gatespannung jedoch
nun langsamer. Dadurch wird die
Stromänderungsgeschwindigkeit des Ventilstroms bzw.
Laststroms und damit eine am MOSFET T3 aufgrund parasitärer
Induktivitäten auftretende Überspannung reduziert.
Anschaulich gesprochen bewirkt die erfindungsgemäße
Schaltungsanordnung ein rasches Absinken der Gatespannung
durch einen Spannungsbereich, bei welchem der Ventilstrom
des MOSFETs keine wesentliche Änderung erfährt. Bei
Erreichen von Gatespannungen, bei welchen kleine
Gatespannungsänderungen zu merklichen Änderungen des
Ventilstroms am MOSFET führen, sinkt hingegen die
Gatespannung wesentlich langsamer ab. Insgesamt ist mit der
erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung eine wesentlich
schnellere Abschaltung eines MOSFETs bei gleicher
auftretender Überspannung erzielbar.
In der bereits erwähnten Fig. 3 ist ferner (Kurve II) ein
mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung erzielbarer
Ventilspannungsverlauf gegen die Zeit (schematisch, in
willkürlichen Einheiten) dargestellt. Ein Vergleich der
Kurve II mit der Kurve I der herkömmlichen
Schaltungsanordnung macht deutlich, daß mit der
erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wesentlich niedrigere
Überspannungen auftreten. Ferner ist der bei herkömmlichen
Schaltungsanordnungen auftretende Ausschwingvorgang bei der
erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung stark gedämpft.
Claims (4)
1. Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines
Leistungsschalters, insbesondere eines MOSFET oder IGBT,
mit einer Gegentaktstufe zur Beaufschlagung des Gate-
Anschlusses des Leistungsschalters, wobei die Gegentaktstufe
ein erstes Schaltelement (T1) und einen zwischen diesem und
dem Gate-Anschluß des Leistungsschalters angeordneten
Einschaltwiderstand (R1), sowie ein zu dem ersten
Schaltelement (T1) komplementäres Schaltelement (T2) und
ein zwischen diesem und dem Gate-Anschluß des
Leistungsschalters angeordneten Ausschalt- bzw.
Entladungswiderstand R2 aufweist, gekennzeichnet durch eine
parallel zu dem Ausschaltwiderstand (R2) geschaltete
Serienschaltung, welche einen Kondensator (C1) und einen
weiteren Widerstand (R3) aufweist.
2. Schaltungsanspruch nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Schaltelemente (T1, T2)jeweils als
Schalttransistoren, insbesondere als MOSFETs, ausgebildet
sind.
3. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand R3 kleiner als
der Ausschalt- bzw. Entladewiderstand R2 ist.
4. Verwendung einer Schaltungsanordnung nach einem der
vorstehenden Ansprüche zur Ansteuerung von
Leistungsschaltern im Pulswechselrichtern, insbesondere für
Starter-Generatoren im Kraftfahrzeugbereich.
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Legal Events
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R019 | Grant decision by federal patent court | ||
R020 | Patent grant now final |
Effective date: 20131012 |
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