DE68922762T2 - Schaltungsvorrichtung mit geringer Absorption zum Steuern eines Leistungstransistors. - Google Patents

Description

• Diese Erfindung bezieht sich ein Schaltungsbauelement mit niedriger Absorption zum Steuern eines Leistungstransistors, insbesondere eines DMOS-Transistors mit herkömmlicher Gate-, Drain-, und Source-Elektrode, der zum Treiben von elektrischen Lasten durch Umschalten von einem augeschalteten Zustand in einen eingeschalteten Zustand angepaßt ist, in dem ein vorbestimmter Spannungswert an der Gate-Elektrode erscheint.
• Wie es bekannt ist, werden DMOS-n-Kanal-Leistungstransistoren derzeitig in großem Umfang als Hochseitentreiber in Brückenschaltungen verwendet, um induktive Lasten zu treiben.
• Solche Brückenschaltungen müssen zusätzlich zu einer Versorgungsspannung Vcc, mit einer höheren Spannung Vcp elektrisch versorgt werden als die Versorgungsspannung, die an der Gate-Elektrode solcher Leistungstransistoren anliegt, die als Hochseiten-Treiber verwendet werden. Dieser zusätzliche Spannungswert ist besonders bei solchen Betriebsbedingungen notwendig, bei denen ein Leistungstransistor einen maximalen Strom bei einem minimalen Spannungsabfall zwischen dessen Drain- und Source-Elektrode liefert.
• Ferner wird dieser Spannungswert dem Transistor in der Brückenschaltung durch eine für diese Zwecke vorgesehene Einschalt-Schaltung zugeführt.
• Die Spannung Vcp kann durch eine Zuführeinrichtung zugeführt werden; dort jedoch, wo eine solche Zuführeinrichtung nicht verfügbar ist, würde der Spannungswert an einem Ende eines sogenannten Bootstrap-Kondensator Cp erzeugt, der angeordnet ist, um als ein Ladungsspeicher wirksam zu sein. Mit diesem einen Ende des Kondensators Cp ist jede Einschalt-Schaltung für jeden Leistungstransistor, der als ein Hochseiten-Treiber in der Brückenschaltung verwendet wird, verbunden. Der Kondensator Cp wird periodisch erneut durch eine Neuaufladeschaltung aufgeladen, um den Spannungswert Vcp unverändert beizubehalten.
• Ein Schaltungsbauelement gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1 ist aus dem Dokument "Siemens Components XIX (1984), Nr. 4, Seiten 169-170, H. RABL: Operation of SIPMOS Transistors with Grounded Loads" bekannt.
• Es ist in Fachkreisen eine derzeitige Praxis, für jeden Leistungstransistor eine jeweilige Einschalt-Schaltung zu verwenden, deren Eingang mit dem Kondensator verbunden ist und direkt durch diesen gespeist wird, mit dem eine Mehrzahl von Leistungstransistoren unterschiedlicher möglicher Brückenschaltungen verbunden sein kann.
• Dieser bekannte Ansatz weist Nachteile auf, die daher rühren, daß beim Umschalten des Leistungstransistors vom ausgeschalteten Zustand in den eingeschalteten Zustand das Erreichen eines korrekten Versorgungsspannungswertes an den Gate-Elektroden solcher Transistoren vollständig von dem Kondensator abhängt, der eine hohe Ladungsabsorption zeigen wird. Als ein Ergebnis ist die Verwendung von Kondensatoren mit großer Größe und einer Neuaufladungsschaltung mit entsprechender großer Größe zwingend.
• Das technische Problem, das dieser Erfindung zugrundeliegt, besteht darin, ein Schaltungsgerät zum Steuern von Leistungstransistoren, damit diese leitfähig werden, zu schaffen, das derartige Struktur- und Verhaltenscharakteristika aufweist, um die Absorption von Ladungen durch eine kapazitive Versorgungsquelle während der Umschaltphase von dem ausgeschalteten Zustand in den eingeschalteten Zustand zu vermeiden, wodurch die Nachteile, die beim Stand der Technik vorhanden sind, vermeiden werden.
• Dieses Problem wird durch ein Schaltungsgerät gelöst, das durch den unabhängigen Anspruch 1 bestimmt ist.
• Die Merkmale und Vorteile des Geräts gemäß der Erfindung werden durch Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, das lediglich als Darstellung dient, in Verbindung mit der beiliegenden Zeichnung vollständig verstanden.
• Die einzige Figur zeigt in schematischer Form ein Schaltungsgerät gemäß dieser Erfindung.
• In der Zeichnung bezeichnet das Bezugszeichen 1 allgemein und schematisch ein Schaltungsgerät mit niedriger Absorption zum Steuern eines Leistungstransistors 2 in einen eingeschalteten Zustand. Der Transistor 2 ist in diesem nichtbeschränkenden Ausführungsbeispiel ein DMOS-n-Kanal-Leistungstransistortyp, der zusammen mit anderen Transistoren 3 desselben Typs verschaltet ist, und als ein Hochseiten-Treiber in einer Brückenschaltung 4 zum Treiben von induktiven elektrischen Lasten 5 wirksam ist.
• Der Transistor 2 ist herkömmlich mit einer Gate-Elektrode G, einer Drain-Elektrode D und einer Source-Elektrode S versehen. Die Drain-Elektrode D ist mit einem Pol einer Spannungsversorgung Vcp verbunden, und eine Diode D8 ist zwischen die Source-Elektrode S und die Gate-Elektrode G geschaltet.
• Das Gerät 1 umfaßt eine erste Einschalt-Schaltung 6 mit einem Transistorpaar, das mit M1 bzw. M2 bezeichnet ist, vom p-Kanal MOS-Typ, wobei die jeweiligen Gate-Elektroden G1 und G2 miteinander verbunden sind, und die jeweiligen Source- Elektroden S1 und S2 als Eingänge mit dem Spannungsversorgungspol Vcc verbunden sind.
• Die Gate-Elektrode G1 und die Drain-Elektrode D1 des Transistors M1 sind miteinander kurzgeschlossen, wobei der Ausgang der Einschalt-Schaltung 6 durch die Drain-Elektrode D2 des Transistors M2 gebildet ist, die mit dem Gate G des Leistungstransistors 2 über eine Diode D5 verbunden ist.
• Gemäß dieser Erfindung ist eine zweite Einschalt-Schaltung 7 vorgesehen, die ebenfalls ein Transistorpaar M3, M4 vom p- Kanal MOS-Typ mit jeweiligen Gate-Elektroden G3 und G4, die miteinander verbunden sind, einschließt.
• Die jeweiligen Source-Elektroden S3 und S4 dieser Transistoren M3 und M4 sind mit einem zweiten Pol einer Spannungsversorgung Vcp verbunden, die an einem Ende eines sogenannten Bootstrap-Kondensators Cp anliegt.
• Die Gate-Elektrode G3 und die Drain-Elektrode D3 des Transistors M3 sind miteinander kurzgeschlossen, während die Drain-Elektrode D4, die den Ausgang der zweiten Einschalt- Schaltung 7 bildet, direkt mit der Gate-Elektrode G des Leistungstransistors 2 verbunden ist. Diese Gate-Elektrode G ist ebenfalls mit einer Ausschalt-Schaltung 8 verbunden.
• Der Aufbau des Schaltungsgeräts 1 wird durch einen Komparator 9 vervollständigt, der einen Transistor DM1 vom n-Kanal MOS-Typ umfaßt, der als einen ersten Eingang die Gate-Elektrode DM1 aufweist, die über eine Stromquelle A mit Masse und über eine Zenerdiode DZ, über die ein Spannungsabfall Vz erscheint, mit dem Versorgungspol Vcc verbunden ist. Ein Widerstand P1 verbindet die Gate-Elektrode GM1 und die Source-Elektrode SN1 des Transistors DM1 ,während die Drain-Elektrode P1, die als Ausgang für den Komparator 9 wirksam ist, mit dem Drainanschluß D1 des Transistors M1 in der Einschalt-Schaltung 6 verbunden ist.
• Der Komparator 9 umfaßt einen zweiten Transistor DM2 vom n- Kanal DMOS-Typ, dessen Drainanschluß P2 als ein zweiter Ausgang mit dem Drainanschluß D3 des Transistors M3 in der zweiten Einschalt-Schaltung 7 verbunden ist. Die Gate-Elektrode GM2 des Transistors DM2 ist als ein zweiter Eingang mit dem Gate G des Leistungstransistors 2 über zwei seriell verschaltete Dioden D6 und D7 verbunden; zusätzlich sind die Gate-Elektrode GM2 und die Source-Elektrode SM2 miteinander über einen Widerstand R2 verbunden.
• Die Source-Elektroden SM1 und SM2 der Transistoren in dem Komparator 9 sind miteinander und mit Masse über einen Schalter 10 und eine Stromquelle A1, die mit diesem in Serie verschaltet ist, verbunden.
• Der Betrieb des Geräts 1 gemäß der Erfindung wird nachfolgend anhand eines anfänglichen Zustandes beschrieben, in dem der Leistungstransistor 2 in einem ausgeschalteten Zustand ist, wobei die Gate-Elektrode auf Null Volt liegt, und der Schalter 10 eingeschaltet ist.
• Unter dieser Bedingung erscheint dann an der Gate-Elektrode GM1 des Transistors DM1 eine Spannung Vr, die aus der Differenz der Versorgungsspannung Vcc minus dem Spannungsabfall Vz über die Zenerdiode DZ resultiert.
• Dieser Transistor DM1 ist deshalb leitfähig und wird die erste Einschalt-Schaltung 6 einschalten, die ihrerseits den Transistor 2 in einen eingeschalteten Zustand treibt.
• Der Schaltung 6 wird der Gate-Elektrode des Transistors 2 einen Spannungswert zuführen, der durch die Differenz der Versorgungsspannung Vcp minus der kombinierten Spannungsabfälle zwischen der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode des Transistors M2 und über die Diode DM5 gegeben ist.
• Um die Spannung an der Gate-Elektrode G weiter zu erhöhen, schaltet die zweite Einschalt-Schaltung 7 zu diesem Punkt, die durch den Komparator 9 auf der Grundlage eines Vergleichs der Spannungswerte zwischen den Eingängen GM1 und GM2 aktiviert ist. Genauer gesagt wird die Schaltung 7 bei der Spannung an der Gate-Elektrode G und daher am Eingang GM2 wirksam, die einen Wert überschreitet, der durch die Summe der Spannung Vr plus der Spannungsabfälle über die Dioden D6 und D7 gegeben ist. Der letztere Spannungswert kann durch geeignetes Auswählen der Zenerdiode DZ eingestellt werden, wobei die Aufgabe darin besteht, die entgegengesetzten Bedürfnisse auszugleichen, um die Ladungsabsorption durch den Kondensator CP zu vermeiden, und um zur selben Zeit Verlangsamungen der Umschaltphase aufgrund einer Sättigung des Transistors M2 zu vermeiden.
• In dem Moment, in dem die Schaltung 7 aktiviert wird, wird der gesamte Strom von der Stromquelle A1 durch den Transistor DM2 fließen, und die erste Schaltung 6 aus der Leitung nehmen, die ebenfalls durch das Vorsehen der Diode D5 abgeschnitten ist.
• Am Ende jeder Umschaltphase werden die Widerstände R1 und R2 den Komparator 9 auf einen ausgeglichenen Zustand zurücksetzen.
• Durch Verwendung identischer Transistoren DM1 und DM2, M1 und M3, M2 und M4 für die jeweiligen Schaltungen 6, 7, 9 wird es möglich, eine kontinuierliche Aufwärtskurve für die Spannung an der Gate-Elektrode G zu erhalten, und folglich einen ähnlichen Signalverlauf für die Ausgangsspannung, die der induktiven Last 5 zugeführt wird.
• Das Gerät dieser Erfindung bietet einen Hauptvorteil dahingehend, daß es die Absorption von Ladungen durch den Kondensator Cp minimieren kann, wodurch es möglich wird, die Größe dieses Kondensators zu reduzieren. Dieser Vorteil bezieht sich auch auf die Möglichkeit, die Größe der Neuaufladungsschaltung zu reduzieren, die vorgesehen ist, um den Referenzspannungswert über den Kondensator beizubehalten, oder, abhängig von Anforderungen, auf die Möglichkeit eine Anzahl von Brückenschaltungen bei höheren Umschaltraten zu treiben.

Claims (5)

1. Ein Schaltungsgerät zum Einschalten eines Leistungs- OS-Transistors (2), der in einer Hochseiten-Treiberkonfiguration zwischen einem ersten (VCC) und einem zweiten Pol einer Hauptspannungsversorgung über eine elektrische Last verschaltet ist, wobei das Gerät eine Einrichtung zum Verbinden des Gate des Leistungs-MOS- Transistors mit einer kapazitiven Spannungsversorgung umfaßt, die eine Spannung (VCP) bereitstellt, die größer ist als die Spannung der Hauptspannungsversorgung, dadurch gekennzeichnet, daß es folgende Merkmale umfaßt:

eine erste Einschaltschaltung (6) zum auswahlmäßigen Verbinden des Gate des Leistungs-MOS-Transistors (2) mit dem ersten Pol (VCC) der Hauptspannungsversorgung,

eine zweite Einschaltschaltung (7) zum auswahlmäßigen Aktivieren der Einrichtung zum Verbinden des Gate des Leistungs-MOS-Transistors (2) mit der kapazitiven Spannungsversorgung (VCP), und

einen Komparator (9) mit einem ersten Eingang (GM1), der mit einer Quelle einer vorbestimmten Referenzspannung (VR) verbunden ist, einem zweiten Eingang (GM2), der mit dem Gate (G) des Leistungs-MOS-Transistors (2) verbunden ist, und einem ersten (P1) und einem zweiten (P2) komplementären Ausgang, der mit der ersten (6) bzw. mit der zweiten (7) Einschaltschaltung verbunden ist und angepaßt ist, um auswahlmäßig die erste (E) oder die zweite (7) Einschaltschaltung zu betätigen, wenn die Spannung an seinem zweiten Eingang (GM2) niedriger bzw. höher ist als die Referenzspannung (VR).

2. Ein Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Einschaltschaltung (6) ein Paar von MOS- Transistoren (M1, M2) aufweist, deren jeweilige Gate- Elektroden (G1, G2) miteinander verbunden sind, und deren jeweilige Source-Elektroden mit dem ersten Pol (VCC) der Hauptspannungsversorgung verbunden sind, wobei die Gate- (G1) und die Drain- (D1) Elektrode des einen Transistors (M1) miteinander und mit dem ersten Ausgang (P1) des Komparators (9) verbunden sind, wobei die Drain-Elektrode (D2) des anderen Transistors (M2) mit dem Gate (G) des Leistungs-MOS-Transistors (2) als Ausgang der Schaltung (6) verbunden ist.

3. Ein Gerät gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Einschaltschaltung (7) ein Paar von MOS- Transistoren (M3, M4) umfaßt, deren jeweilige Gate-Elektroden (G3, G4) miteinander verbunden sind, und deren jeweilige Source-Elektroden (S3, S4) mit der kapazitiven Spannungsversorgung (VCP) verbunden sind, wobei die Gate- (G3) und die Drain- (D3) Elektrode des einen Transistors (M3) miteinander und mit dem zweiten Ausgang (P2) des Komparators (9) verbunden sind, und wobei die Drain-Elektrode (D4) des anderen Transistors (M4) mit dem Gate (G) des Leistungs-MOS-Transistors (2) als der Ausgang der Schaltung (7) verbunden ist.

4. Ein Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Komparator (9) ein Paar von MOS-Transistoren (DM1, DM2) umfaßt, deren jeweilige Source-Elektroden (SM1, SM2) miteinander verbunden sind, wobei die Gate- Elektrode (GM1) des einen Transistors (DM1) als der erste Eingang mit der Referenzspannung (Vr) verbunden ist, und die Gate-Elektrode (GM2) des anderen Transistors (DM2) mit dem Gate (G) des Leistungs-MOS-Transistors (2) verbunden ist.

5. Ein Gerät gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Source-Elektroden (SM1, SM2) des MOS-Transistorpaares über einen Schalter (10) und eine Stromquelle (A1), die seriell verschaltet sind, mit dem zweiten Pol der Hauptspannungsversorgung verbunden sind.