DE3839156C2 - Schaltungsanordnung zum Ansteuern einer Reihenschaltung eines bipolaren Transistors und eines MOS-Feldeffekttransistors - Google Patents
Schaltungsanordnung zum Ansteuern einer Reihenschaltung eines bipolaren Transistors und eines MOS-FeldeffekttransistorsInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung gemäß dem Oberbe
griff des Anspruchs 1. Eine derartige Schaltungsanordnung ist durch das
MOS Power Applications Handbook von R. Severus, J. Armÿos, Siliconix
Incorporated 1984 (JSBN 0-930 519-00-0) Seiten 6-130 bis 6-133, insbe
sondere Seite 6-131 wie auch durch die DE 37 00 071 A1 insbesondere Fig. 3
und durch die US-PS 45 47 686, insbesondere Fig. 1 bekannt.
Üblicherweise (siehe zum Beispiel Seite 6-137 des zuvor genannten MOS Power
Applications Handbook) werden die beiden MOS-Feldeffekttransistoren (MOS-
FETs) zwischen ihrem Gate-Anschluß und dem Source-Anschluß mit einem
ohmschen (Gate-)Widerstand und parallel zu diesem mit zwei gegeneinander
geschalteten Zenerdioden beschaltet. Diese Z-Dioden begrenzen beim Ein-
und Ausschalten der MOS-FETs die am Gate auftretende Spannung, und
schützen es somit vor Überspannungen.
Bei der eingangs angegebenen Schaltungsanordnung, bei der aus Gründen
des Schaltungsaufwands für beide MOS-FETs die Gate-Steuerspannung
aus einer Steuerquelle, nämlich der Ansteuerschaltung, geliefert wird,
tritt das Problem auf, daß der Treiber-MOS-FET beim Einschalten der
Anordnung mit einer zu geringen Spannung angesteuert wird. Diese gegen
über der Spannung zur vollständigen Ansteuerung verringerte Gate-Steuer
spannung (also z. B. statt 12 V nur 7 V) hat ihre Ursache in einer dyna
mischen Gegenspannung, die im vom Laststrom durchflossenen Abschnitt der
Gatesteuerstrecke zwischen dem Basisanschluß des bipolaren Transistors und
dem Source-Anschluß des mit ihm in Reihe liegenden MOS-FETs auftritt.
Durch die ungenügende Ansteuerung des Treiber-MOS-FETs schaltet der bipo
lare Transistor langsamer ein als bei konventioneller Ansteuerung mit anfäng
licher Basisstrom-Überhöhung oder bei konventionellen Darlington-Transistoren.
Dadurch treten bei der Schaltungsanordnung höhere Einschaltverluste auf, und
die mögliche Schaltfrequenz wird beschränkt.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung
der eingangs genannten Art anzugeben, bei der auch für den Treiber-MOS-FET
die von ihm benötigte volle Steuerspannung zur Verfügung gestellt wird.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 gekenn
zeichneten Merkmale gelöst.
Vorteilhafterweise wird durch den eingefügten Kondensator trotz der an der
(ersten) Zenerdiode anliegenden Gegenspannung für den Einschaltvorgang die
zum Erreichen der vollen Gate-Steuerspannung benötigte Spannungsdifferenz
bereitgestellt.
Zwar ist es bereits bekannt (etz, Band 108 (1987) Seiten 544 bis 547,
insbesondere Seite 545), einen sogenannten "speed-up"-Kondensator im
Steuerkreis, z. B. von GTO-Thyristoren vorzusehen, jedoch dient dieser
Kondensator einer Gate-Stromüberhöhung beim Einschalten, und er besitzt
auch gegenüber dem bei der Schaltungsanordnung nach der Erfindung vor
gesehenen Kondensator die entgegengesetzte Polarität.
Außerdem ist durch die JP 60-74 718 A. In: Patents Abstracts of Japan, Sect.
E. Vol. 9 (1985), Nr. 212 (E-339) ein MOS-Transistor bekannt, dessen Gate-
Source-Strecke mit gegeneinander geschalteten Z-Dioden parallel zu einem
Widerstand beschaltet ist, und dessen Basisanschluß mit einem Kondensator
verbunden ist. Diese Schaltungsanordnung dient der Optimierung des Gleich
spannungsabfalls an der Schaltstrecke.
Durch das verbesserte Einschaltverhalten der Schaltungsanordnung nach der Er
findung sind höhere Schaltfrequenzen erzielbar, während der zusätzliche Schal
tungsaufwand gegenüber den Schaltungsanordnungen nach dem Stand der Technik
gering ist.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Schaltungsanordnung nach der Er
findung ist im Unteranspruch gekennzeichnet.
Die Erfindung soll im folgenden anhand eines in der Zeichnungsfigur
als Prinzipschaltbild dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert
werden.
Gemäß der Zeichnungsfigur bilden ein bipolarer Transistor T2 und ein
MOS-FET T3 eine Reihenschaltung, die im eingeschalteten Zustand von
einem Strom iS durchflossen ist, wobei ein Teilstrom iT 1 über einen
Treiber-MOS-FET T1 fließt, während der restliche Teilstrom iT 2 in
den Kollektoranschluß C des bipolaren Transistors T2 fließt.
Der Basisanschluß B des bipolaren Transistors T2 ist mit dem Emitter-
Anschluß E über einen ohmschen Widerstand R2 verbunden, wodurch ver
mieden wird, daß während des Abschaltens die Basis-Emitter-Strecke des
Transistors T2 mit unzulässig hoher Sperrspannung beansprucht wird.
Beim Treiber-MOS-FET T1 ist der Drain-Anschluß mit D1, der Source-An
schluß mit S1 und der Gate-Anschluß mit G1 bezeichnet. In gleicher Wei
se ist beim mit dem bipolaren Transistor T2 in Reihe liegenden MOS-FET
T3 der Drain-Anschluß mit D3, der Source-Anschluß mit S3 und der Gate-
Anschluß mit G3 bezeichnet.
Zwischen den Basis-Anschluß B des bipolaren Transistors T2 und den
Source-Anschluß S3 des mit dem Transistor T2 in Reihe liegenden MOS-
FETs T3 ist eine erste Z-Diode D5 geschaltet.
Die Gate-Anschlüsse G1 bzw. G3 der beiden MOS-FETs T1 bzw. T3 sind je
weils mit den Source-Anschlüssen S1 bzw. S3 durch einen ohmschen Wi
derstand R1 bzw. R3 verbunden. Parallel zu diesen ohmschen Widerstän
den R1 bzw. R3 liegen jeweils zwei gegeneinandergeschaltete zweite,
dritte Z-Dioden D1, D2 bzw. D3, D4.
Die beiden MOS-FETs T1 bzw. T3 werden von einer gemeinsamen Ansteuer
schaltung V angesteuert.
Diese besteht aus zwei Gleichspannungsquellen E1 und E2, die zwei
Steuerspannungen UH 1 bzw. UH 2 bereitstellen. Der negative Pol der
Gleichspannungsquelle E1 und der positive Pol der Gleichspannungs
quelle E2 sind zu einem Anschluß S′ der Steuerschaltung V verbun
den. Der andere Anschluß der Ansteuerschaltung V ist mit G′ bezeich
net. Mit ihm wird zum Einschalten der Transistoren T1 bis T3 der po
sitive Pol der Gleichspannungsquelle E1 durch Schließen eines Schal
ters H1 verbunden. Für die Abschalt- und Sperrphase der Transisto
ren T1 bis T3 wird der negative Pol der Gleichspannungsquelle E2 über
einen Schalter H2 an den Anschluß G′ gelegt. Die Gate-Ansteuerspan
nung zwischen den Anschlüssen G′ und S′ ist mit U′GS bezeichnet. In
der Zeichnungsfigur ist die Polarität dieser Spannung U′GS für die
Sperr- und Abschaltphase der Transistoren T1 bis T3 eingezeichnet.
Der Anschluß S′ der Ansteuerschaltung V ist an den Source-Anschluß S3
des MOS-FETs T3 gelegt. Der Anschluß G′ ist über einen ersten ohmschen
Widerstand R5 an den Gate-Anschluß G3 des MOS-FETs T3 und über einen
zweiten ohmschen Widerstand R4 sowie einen durch einen hochohmigen Wi
derstand R7 überbrückten Kondensator C1 an den Gate-Anschluß G1 des
Treiber-MOS-FETs T1 angeschlossen.
Dem zweiten ohmschen Widerstand R4 ist eine in Richtung auf das Gate
des Treiber-MOS-FETs T1 gepolte Überbrückungsdiode D6 in Serie mit
einem weiteren ohmschen Widerstand R6 parallelgeschaltet.
Beim Einschalten der beiden MOS-FETs T1, T3 aus der gemeinsamen Steuer
quelle mit der Spannung U′GS entsprechend der von der Gleichspannungs
quelle E1 gelieferten positiven Ansteuerspannung UH1 steht die Span
nung U′GS anfänglich nur zu einem Teil für die Ansteuerung des Treiber
MOS-FETs T1 zur Verfügung. Infolge des Stromanstiegs im Hauptkreis der
Transistoren T2 und T3 entsteht wegen unvermeidlicher Leitungsinduk
tivitäten, vor allem zwischen dem Emitter-Anschluß E des Transistors T2
und dem Drain-Anschluß D3 des MOS-FETs T3, und wegen der Schaltträgheit
der Steuerstrecke zwischen dem Basis-Anschluß B des Transistors T2
und dem Source-Anschluß S3 des MOS-FETs T3 eine gegen die Steuerspannung
gerichtete Gegenspannung. Aus diesem Grunde ist der durch den hoch
ohmigen Widerstand R7 überbrückte Kondensator C1 gemäß der Erfin
dung vorgesehen:
Während der Sperrphase der Schaltungsanordnung liegt die in ihrer Po
larität gezeigte negative Steuerspannung am Ausgang G′-S′ der Ansteu
erschaltung V an (Schalter H2 geschlossen, Spannung UH 2 der Gleich
spannungsquelle E2 wirksam). Die dritte Z-Diode D2 im Steuerkreis des
Treiber-MOS-FETs T1 ist nun so bemessen, daß nur ein Teil der nega
tiven Steuerspannung (Ausräumspannung) zwischen dem Gate-Anschluß G1
und dem Source-Anschluß S1 am Treiber-MOS-FET T1 anliegt. Den Rest
nimmt der Kondensator C1 auf, der in der gezeigten Polarität aufgela
den wird.
Beim Einschalten der Schaltungsanordnung (Schließen des Schalters H1,
Spannung UH 1 der Gleichspannungsquelle E1 wirksam) setzt sich diese
Kondensatorspannung noch auf die Steuerspannung U′GS drauf, so daß bei
richtiger Spannungsbemessung der dritten Z-Diode D2 die beim Einschalt
vorgang wirksame Gegenspannung kompensiert wird. Damit steht dem Trei
ber-MOS-FET T1 eine ausreichend hohe Gate-Steuerspannung zur Verfü
gung, die ein schnelles Umschalten des MOS-FETs T1 in den Leitend-Zu
stand ermöglicht und die Schaltungsanordnung insgesamt ebenfalls
schneller und verlustärmer einschaltet.
Die Z-Diode D1 verhindert, daß die positive Gate-Spannung für den
Treiber-MOS-FET T1 im stationären Durchlaßzustand der Schaltungsan
ordnung einen kritischen Wert übersteigt.
Im Zuge der Erfindung kann durch das Überbrücken des zweiten ohmschen
Widerstands R4 durch die Reihenschaltung des weiteren ohmschen Wider
stands R6 mit der Überbrückungsdiode D6 die Impedanz im Einschalt
steuerkreis für den Treiber MOS-FET T1 verringert werden. Wegen des
geringeren Spannungsabfalls verbessert sich somit die Einschaltge
schwindigkeit zusätzlich. Die Ein- und Abschaltzeiten des Treiber
MOS-FETs T3 können mit dieser Schaltungskombination voneinander unab
hängig auf die gewünschten Werte eingestellt werden.
Claims (2)
1. Schaltungsanordnung zum Ansteuern einer Reihenschaltung aus einem
bipolaren Transistor, dessen Kollektor-Basis-Strecke mit einem
Treiber-MOS-Feldeffekttransistor beschaltet ist, und einem MOS-Feld
effekttransistor, dessen Source-Anschluß über eine erste Z-Diode mit dem
Basisanschluß des bipolaren Transistors verbunden ist, mit einem
gemeinsamen von einer Ansteuerschaltung gelieferten Steuersignal
für die Gate-Anschlüsse der beiden MOS-Feldeffekttransistoren,
dadurch gekennzeichnet,
daß bei einer Beschaltung der Gate-Source-Strecke (GF1/S1) des
Treiber-MOS-Feldeffekttransistors (T1) mit gegeneinandergeschal
teten zweiten und dritten Z-Dioden (D1, D2) parallel zu einem
ohmschen Widerstand (R1) ein durch einen hochohmigen Wider
stand (R7) überbrückter Kondensator (C1) in der Zuleitung von
der Ansteuerschaltung (V) zum Gate-Anschluß (G1) des Treiber-
MOS-Feldeffekttransistors (T1) angeordnet ist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß einem zwischen dem Kondensator (C1) und der Ansteuerschal
tung (V) angeordneten ohmschen Widerstand (R4) eine in Richtung
auf den Kondensator (C1) gepolte Überbrückungsdiode (D6) in
Reihe mit einem weiteren ohmschen Widerstand (R6) parallelge
schaltet ist.
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