DE3936544A1

DE3936544A1 - Schaltungsanordnung zum schutz eines leistungs-mosfet

Info

Publication number: DE3936544A1
Application number: DE19893936544
Authority: DE
Inventors: Peter Sommer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1988-12-21
Filing date: 1989-11-02
Publication date: 1990-06-28

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum Schutz eines Leistungs-MOSFET beim Kurzschluß einer mit dem Leistungs-MOSFET in Reihe liegenden Last, mit einem zwischen Gateanschluß und Sourceanschluß des Leistungs-MOSFET liegenden steuerbaren Schalter.

Beim Kurzschluß einer mit einem Leistungs-MOSFET in Reihe liegen den Last oder bei einer niederohmigen Überbrückung der Last fällt ein großer Teil der Versorgungsspannung am Leistungs-MOSFET ab. Hierbei steigt die im Leistungs-MOSFET umgesetzte Verlustleistung drastisch an und führt ohne Schutzmaßnahmen zur Zerstörung. Eine z.B. in der DE-OS 30 34 927 beschriebene Schutzmaßnahme besteht darin, die Drain-Sourcespannung des Leistungs-MOSFET zu erfassen und bei Übersteigen eines vorgegebenen Wertes einen zwischen Gateanschluß und Sourceanschluß liegenden Transistor einzuschal ten. Dieser entlädt die Gate-Sourcekapazität des Leistungs-MOS- FET, wodurch dieser gesperrt wird.

Wird die Gate-Sourcekapaziät zu schnell entladen, so sperrt der Leistungs-MOSFET abrupt. Wegen der immer vorhandenen Induktivi täten im Lastkreis wird dann eine hohe Überspannung erzeugt, die den Transistor zerstören kann. Der Leistungs-MOSFET könnte zwar dadurch langsamer abgeschaltet werden, daß dem die Gate-Source kapaziät entladenden Transistor ein Widerstand in Reihe geschal tet wird. Wird jedoch Gatestrom über einen kräftigen Treiber nachgeliefert, so fließt dann ein großer Teil des Treiberstroms in die Gate-Sourcekapazität des Leistungs-MOSFET. Diese bleibt damit auf einer Spannung aufgeladen, die über der Einsatzspan nung liegt. Der Leistungs-MOSFET kann dann überhaupt nicht mehr gesperrt werden.

Ziel der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung der angege benen Gattung derart auszubilden; daß der Leistungs-MOSFET im Fall eines teilweisen oder völligen Kurzschlusses der Last sanft, aber trotz eines hohen Treiberstroms sicher abgeschaltet werden kann.

Dieses Ziel wird erreicht durch die Merkmale:

a) der steuerbare Schalter wird eingeschaltet, wenn die Drain- Sourcespannung des Leistungs-MOSFET einen vorgegebenen Wert über steigt, der größer ist als die bei Nennstrom anliegende Drain- Sourcespannung,
b) zwischen Gateanschluß und Steuereingangsklemme liegt ein steuerbarer Widerstand,
c) der steuerbare Widerstand wird vom steuerbaren Schalter der art gesteuert, daß er bei gesperrtem steuerbarem Schalter einen niedrigen Widerstand und bei leitendem Schalter einen höheren Widerstand hat.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Die Erfindung wird anhand zweier Ausführungsbeispiele in Verbin dung mit Fig. 1 und 2 näher erläutert.

Der Leistungs-MOSFET ist in Fig. 1 mit 1 bezeichnet. Ihm ist drain seitig eine Last 2 in Reihe geschaltet. Die Reihenschaltung liegt über zwei Klemmen 3, 4 an einer Versorgungsspannung V _BB. Ein steuerbarer Schalter 5 liegt über einen Widerstand 6 und eine Diode 7 zwischen dem Gateanschluß G und dem Sourceanschluß S von 1. Zwischen dem Gateanschluß G von 1 und einer Eingangsklemme 23 liegt die Drain-Sourcestrecke eines Depletion-FET 8. Sein Drain anschluß D ist mit 23 und sein Sourceanschluß S ist mit dem Gate anschluß G von 1 verbunden. Der Gateanschluß G von 8 ist einer seits über einen Widerstand 9 mit der Eingangsklemme 23 und an dererseits mit dem Widerstand 6 verbunden. Der Drainanschluß des FET 1 ist über eine Diode 10 mit einem Eingang 11 eines Kompara tors 14 und über einen Widerstand 20 mit der Eingangsklemme 23 verbunden.

Am anderen Eingang 12 des Komparators liegt eine Referenzspannung, die aus einer Referenzspannungsquelle stammt. Diese kann beispiels weise einen Widerstand 21 und eine damit in Reihe geschaltete Stromquelle 22 aufweisen. Die Reihenschaltung aus 21 und 22 liegt zwischen der Eingangsklemme 23 und der Ausgangsklemme 4. Der Aus gang 15 des Komparators 14 ist mit dem Steuereingang des steuer baren Schalters 5 verbunden.

Um den FET 1 leitend zu steuern, wird ein nicht dargestellter Treiber an die Eingangsklemme 23 angeschlossen, der einen z. B. impulsweisen kräftigen Steuerstrom liefert. Dieser lädt die Gate- Sourcekapazität von 1 auf. Der Depletion-FET 8 wird über die Diode 7 im leitenden Zustand gehalten und hat einen niedrigen Durchlaßwiderstand. Dadurch kann der FET 1 schnell eingeschaltet werden. Solange die Last 2 nicht ganz oder teilweise kurzgeschlos sen ist, fließt ein Strom in Höhe des Nennstroms durch 1. Dieser erzeugt an 1 einen Spannungsabfall, der den steuerbaren Schalter noch gesperrt hält.

Wird die Last 2 ganz oder teilweise kurzgeschlossen, so steigt die Spannung am Eingang 11 des Komparators 14 über die Diode 10 zur Spannung V _BB an. Wird die am Widerstand 20 abfallende Span nung größer als die Referenzspannung, die am Widerstand 21 ab fällt, so gibt der Komparator 14 am Ausgang 15 ein Ausgangssig nal ab, das den steuerbaren Schalter 5 einschaltet.

Der leitend gesteuerte Schalter entlädt die Gate-Sourcekapazität von 1 über die Diode 7 und den Widerstand 6 mit einer vorgege benen Zeitkonstante. Damit sinkt das Potential am Gateanschluß G des Depletion-FET 8. Sein Widerstand wird damit höher. Das heißt, daß sich der über die Eingangsklemme 23 vom Treiber gelieferte Steuerstrom verringert. Damit wird die Gate-Sourcekapazität von 1 nunmehr nur noch mit einem verringerten Strom nachgeladen. Durch Abstimmen des als steuerbaren Ladewiderstand wirkenden De pletion-FET 8 und des durch den steuerbaren Schalter 5 und den Widerstand 6 gebildeten Entladewiderstandes läßt sich ein defi niertes, sanftes Abschalten des Leistungs-MOSFET 1 erreichen.

Die Schaltungsanordnung nach Fig. 2 ist um einen Temperatursensor 18, zwei Gatter 16 und 17 sowie um ein Verzögerungsglied 19 er weitert. Der Temperatursensor 18 steht mit dem Leistungs-MOSFET 1 in thermischem Kontakt. Er ist einerseits mit der Eingangsklem me 23 und anderseits mit einem Eingang eines ODER-Gatters 16 ver bunden. Ein zweiter Eingang des Gatters 16 ist mit dem Ausgang eines UND-Gatters 17 verbunden. Der Ausgang von 16 liegt am Ein gang des steuerbaren Schalters 5. Ein Eingang von 17 ist mit ei nem Ausgang eines Verzögerungsgliedes 19 verbunden. Das Verzö gerungsglied 19 ist mit der Eingangsklemme 23 verbunden. Der zweite Eingang des UND-Gatters 17 ist mit dem Ausgang 15 des Komparators 15 verbunden. Das Verzögerungsglied 19 erhält Signale von der Eingangsklemme 23.

Ein vollständiger oder teilweiser Kurzschluß führt wie oben be schrieben zum Abschalten des FET 1. Wird der FET 1 durch eine Impulsfolge angesteuert, so wird er während jedes Steuerimpulses abgeschaltet. Um einen Kurzschluß einwandfrei erfassen zu können, empfiehlt es sich, den steuerbaren Schalter 5 erst um eine Zeit t ₀ gegen den Beginn des Steuerimpulses verzögert freizugeben. Die Zeit t ₀ ist dabei kürzer als die Dauer der Steuerimpulse. Der Schalter 5 wird über die von 19 verzögerten Steuerimpulse mittels des UND-Gatters 17 freigegeben und dann vom Komparator 14 leitend gesteuert.

Dauert der Kurzschluß der Last 2 länger an, so kann trotz des periodischen Abschaltens des FET 1 über die in Verbindung mit Fig. 1 beschriebene Anordnung die Temperatur von 1 soweit anstei gen, daß er zerstört werden kann. Daher ist der Temperatursen sor 18 vorgesehen, der bei Erreichen der kritischen Temperatur ein Signal abgibt, das über das Gatter 16 den steuerbaren Schal ter 5 einschaltet. Dieser bleibt solange eingeschaltet, bis die kritische Temperatur unterschritten wird und der Temperatursen sor kein Signal mehr abgibt.

Die Erfindung wurde für eine Schaltungsanordnung beschrieben, in der die Last zwischen dem Drainanschluß des Leistungs-MOSFET und der Versorgungsspannungsquelle liegt. Sie ist jedoch auch für einen Sourcefolger zu verwenden bei der die Last zwischen Sourceanschluß und Masse angeordnet ist.

Die Schaltungsanordnung kann derart abgewandelt werden, daß der Leistungs-MOSFET 1 beim Kurzschluß der Last durch den steuerba ren Schalter nicht vollständig abgeschaltet wird, sondern daß der Strom nur durch Vermindern der Gate-Sourcespannung auf einen Bruchteil des Kurzschlußstroms eingestellt wird. Das vollständige Abschalten wird dann durch den Temperatursensor 18 bewirkt.

Der Widerstand 6 kann selbstverständlich in den steuerbaren Schalter integriert oder auch der Innenwiderstand des Schalters sein.

Die Höhe des Steuerstroms kann zur Statusanzeige des FET 1 aus gewertet werden. Dazu könnte eine dem Steuerstrom proportionale Spannung an einem der Eingangsklemme 23 vorgeschalteten Wider stand abgegriffen und mit einem üblichen Komparator mit einer Re ferenzspannung verglichen werden. Das Ausgangssignal des Kompa rators zeigt dann an, ob Normalbetrieb oder Kurzschluß, Überlast, Übertemperatur vorliegt.

Die Schaltungsanordnung zum Steuern des steuerbaren Schalters 5 wird über die Eingangsklemme 23 mit Strom versorgt. Es ist aber auch möglich, eine gesonderte Stromversorgung vorzusehen.

Claims

1. Schaltungsanordnung zum Schutz eines Leistungs-MOSFET (1) beim Kurzschluß einer mit dem Leistungs-MOSFET in Reihe liegen den Last (2) mit einem zwischen Gateanschluß und Sourceanschluß des Leistungs-MOSFET liegenden steuerbaren Schalter (5), gekennzeichnet durch die Merkmale:.

a) der steuerbare Schalter (5) wird eingeschaltet, wenn die Drain- Sourcespannung des Leistungs-MOSFET (1) einen vorgegebenen Wert übersteigt, der größer ist als die beim Nennstrom anliegende Drain-Sourcespannung,
b) zwischen Gateanschluß (G) Eingangsklemme (23) liegt ein steuer barer Widerstand (2),
c) der steuerbare Widerstand wird vom steuerbaren Schalter der art gesteuert, daß er bei gesperrtem steuerbarem Schalter einen niedrigen Widerstand und bei leitendem Schalter einen höheren Widerstand hat.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der steuer bare Widerstand ein Depletion-FET (8) ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Leistungs-MOSFET ein Temperatursensor (18) in thermischen Kon takt steht, daß der Temperatursensor bei Erreichen einer vorge gebenen Temperatur ein Signal abgibt und daß dieses Signal den steuerbaren Schalter (5) einschaltet.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Eingangsklemme (23) und dem Steuereingang des steuerbaren Schal ters ein Verzögerungsglied (19) liegt und daß das Ausgangssignal des Verzögerungsgliedes den steuerbaren Schalter (5) freigibt.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Drain anschluß des Depletion-FET mit der Steuereingangsklemme, sein Sourceanschluß mit dem Gateanschluß des Leistungs-MOSFET, sein Gateanschluß über einen Widerstand mit der Steuereingangsklemme und mit dem steuerbaren Schalter und über eine Diode mit dem Gateanschluß des Leistungs-MOSFET verbunden ist.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem steuer baren Schalter (5) ein Widerstand (6) in Reihe geschaltet ist.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Wider stand (6) der Innenwiderstand des Schalters (5) ist.

8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangs klemme (23) Mittel zur Erfassung des Steuerstroms vorgeschaltet sind.