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Dokumentenidentifikation DE10038220A1 28.02.2002
Titel Überstromgeschützter Halbleiterleistungsschalter mit Ladungspumpe
Anmelder Infineon Technologies AG, 81669 München, DE
Erfinder Oyrer, Robert, Villach, AT
Vertreter Müller - Hoffmann & Partner Patentanwälte, 81667 München
DE-Anmeldedatum 04.08.2000
DE-Aktenzeichen 10038220
Offenlegungstag 28.02.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 28.02.2002
IPC-Hauptklasse H03K 17/082
IPC-Nebenklasse H03K 17/687   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft einen Leistungshalbleiterschalter mit einer zwischen einem Gateanschluss (G) eines Feldeffektleistungstransistors (1) und dessen an einer Last (L) liegendem Ausgangsanschluss (OUT) eingeschalteten Strombegrenzungsschaltung (10) und einer mit diesem Gateanschluss (G) verbundenen Ladungslampe (6, 7) mit der dem Gate (G) des Leistungstransistors (1) ein Ladestrom injiziert wird, wobei in Serie zu einem Regeltransistor (13) der Strombegrenzungsschaltung (10) ein FET-Transistor (14) vom Verarmungstyp zur Kompensation der Streuung der Stärke des von der Ladungspumpe (6, 7) gelieferten Ladestroms geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Strombegrenzungsschaltung (10) einen zu einem einen FET-Regeltransistor (13) aufweisenden Hauptzweig (11) parallel geschalteten Entladezweig (12) mit einem Feldeffekttransistor (15) vom Anreicherungstyp aufweist, der so eingerichtet ist, dass die Strombegrenzungswirkung des Entladezweigs (12) im Fehlerfall deutlich über der des Hauptzweigs (11) liegt und im fehlerfreien Betrieb die Stärke der Strombegrenzung ausschließlich durch den Hauptzweig (11) eingestellt wird.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Leistungshalbleiterschalter mit einer zwischen einem Gateanschluß eines Feldeffektleistungstransistors und dessen an einer Last liegendem Ausgangsanschluß eingeschalteten Strombegrenzungsschaltung und einer mit diesem Gateanschluß verbundenen Ladungspumpe, mit der dem Gate des Leistungstransistors ein Ladestrom injiziert wird, wobei in Serie zu einem Regeltransistor der Strombegrenzungsschaltung ein FET-Transistor vom Verarmungstyp zur Kompensation der Streuung der Stärke des von der Ladungspumpe gelieferten Gleichstroms geschaltet ist.

Zur Verbesserung der fertigungsbedingten Streuung von Feldeffektleistungstransistoren enthaltenden Leistungshalbleiterschaltern, die durch Streuung der Stärke des in der Ladungspumpe enthaltenen, eine Konstanzstromquelle realisierenden, Feldeffekttransistors vom Verarmungstyp bedingt ist, wird in einer derzeit gefertigten Strombegrenzungsschaltung ein Feldeffekttransistor vom Verarmungstyp zur Kompensation in Serie zum eigentlichen Regeltransistor der Strombegrenzungsschaltung eingesetzt. Dadurch wird aber im Falle des Kurzschlusses bei eingeschaltetem Leistungshalbleiterschalter eine rasche Entladung der Gate-Source-Kapazität des Leistungstransistors und damit eine Rückregelung des Ausgangsstromes verhindert. Dies kann zu einer unerwünschten Belastung bzw. Zerstörung des Leistungshalbleiterschalters bzw. von dessen Leistungstransistors führen.

Angesichts des oben beschriebenen Nachteils ist es Aufgabe der Erfindung diesen Nachteil zu beseitigen und einen Leistungshalbleiterschalter mit einer verbesserten Strombegrenzungsschaltung so zu ermöglichen, dass auch beim Einsatz von PROFETs als Leistungstransistoren, die eine erhöhte Anforderung an die Genauigkeit der Strombegrenzung stellen, eine schnelle Strombegrenzung, d. h. eine in kurzer Zeit stattfindende Rückregelung des Stroms im Kurzschlußfall erreicht ist.

Diese Aufgabe wird anspruchsgemäß gelöst.

Gemäß einem wesentlichen Aspekt der Erfindung weist die Strombegrenzungsschaltung des Leistungshalbleiterschalters parallel zum Hauptzweig, de den eigentlichen Regeltransistor enthält, einen zusätzlichen Entladezweig auf, der bevorzugt einen N-Kanal-Feldeffekttransistor vom Anreicherungstyp aufweist. Die "Strombegrenzungswirkung" dieses Entladezweigs liegt deutlich über der des Hauptzweigs, so dass im Fehlerfall (Kurzschluß) eine rasche Rückregelung des Ausgangsstroms des Leistungstransistors erfolgen kann, wobei im fehlerfreien oder stationären Betrieb die Stärke der Strombegrenzung nur durch den Hauptzweig eingestellt wird. Dies kann im Hauptzweig und im Entladezweig durch jeweilige Regeltransistoren unterschiedlicher Dimensionierung bzw. Einsatzspannung und/oder durch jeweils unterschiedliche Abgriffe der Gerätanschlüsse der jeweiligen Regeltransistoren im Hauptzweig und im Entladezweig an einem im parallel zum Leistungstransistor geschalteten Sense-Zweig liegenden Shuntwiderstand erreicht werden.

Der erfindungsgemäße Leistungshalbleiterschalter weist bevorzugt einen PROFET als Leistungstransistor auf, wobei die anderen Feldeffekttransistoren N-Kanal-Feldeffekttransistoren sind.

Mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen, parallel zum Hauptzweig der Strombegrenzungsschaltung liegenden, zusätzlichen Entladezweig läßt sich eine Rückregelung des Stroms durch den Leistungstransistor im Kurzschlußfall anstatt in 100 µs in 10 µs erreichen, wodurch die oben geschilderte Zerstörungsgefahr des PROFETs Leistungshalbleiterschalter im Kurzschlußfall vermieden ist.

Die nachfolgende Beschreibung beschreibt unter Bezug auf die einzige Figur ein derzeit bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleiterschalters.

Die Figur zeigt schematisch ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels eines Leistungshalbleiterschalters mit Ladungspumpe und Strombegrenzungsschaltung. Ein Leistungsfeldeffekttransistor 1 liegt mit seiner Drain-Source-Strecke zwischen einem Betriebsspannungsanschluß 5 (Betriebsspannung Vbb) und einer an einem Ausgangsanschluß OUT 4 angeschlossenen Last L. Eine Ladungspumpe 6 injiziert über einen Gate-Lade-Feldeffekttransistor 7 vom Verarmungstyp dem Gate G des Leistungsfeldeffekttransistors 1 einen Ladestrom. Dabei kann, wie erwähnt, die Stärke des Gate-Lade-Feldeffekttransistors 7 fertigungsbedingt streuen und damit die Wirkung der Strombegrenzung des Leistungshalbleiterschalters beeinträchtigen.

Parallel zur Drain-Source-Strecke, d. h. zwischen dem Betriebsspannungsanschluß 5 und dem Ausgangsanschluß OUT 4 ist in üblicher Weise ein Sense-Zweig 9 geschaltet, der einen Sense-FET 2 und in Reihe dazu einen unterteilten Shuntwiderstand 3a, 3b aufweist. Der Gate-Anschluß des Sense-FET 2 ist mit dem Gate G des Leistungs-FET 1 verbunden.

Die Strombegrenzungsschaltung 10 besteht, wie bekannt, aus einem zwischen dem Gate G und dem Ausgangsanschluß OUT 4 liegenden Hauptzweig 11. Der Hauptzweig 11 der Strombegrenzungsschaltung 10 weist in Reihe zu einem Regel-FET 13 einen Kompensations-FET 14 vom Verarmungstyp auf, der zur Kompensation der durch die Streuung der Stärke des Gate-Lade-FETs 7 hervorgerufenen Streuung der Strombegrenzung dient. Der Gateanschluß des Regel-FETs 13 ist mit dem oberen Ende des unterteilen Shuntwiderstands 3a, 3b verbunden.

Da jedoch im Falle eines Kurzschlußes bei eingeschaltetem Leistungshalbleiterschalter, wie erwähnt, eine rasche Entladung der Gate-Source-Kapazität des Leistungstransistors und damit eine Rückregelung des Ausgangsstroms durch den Kompensations-FET 14 verhindert wird, was zur unerwünschten Belastung bzw. Zerstörung des Leistungs-FETs 1 und damit zum Ausfall der gesamten Schaltung führen kann, ist erfindungsgemäß parallel zum Hauptzweig 11 der Strombegrenzungsschaltung 10 ein Entladezweig 12 geschaltet, der im Ausführungsbeispiel aus einem N-Kanal-Anreicherungsfeldeffekttransistor 15 besteht, dessen Drain-Source-Strecke zwischen dem Gate G und dem Ausgangsanschluß OUT 4 liegt und dessen Gate-Anschluß am mittleren Abgriff des unterteilten Shuntwiderstands 3a und 3b angeschlossen ist.

Damit die Strombegrenzungswirkung dieses Entladezweigs 12 deutlich über der des Hauptzweigs 11 liegt, so dass im Fehlerfall eine rasche Rückregelung des Ausgangsstroms des Leistungshalbleiterschalters erfolgen kann und im stationären Betrieb die Stärke der Strombegrenzung nur durch den Hauptzweig 11 der Strombegrenzungsschaltung 10 bestimmt ist, können die beiden Regel-FETs 13, 15 unterschiedlich dimensioniert sein bzw. eine unterschiedliche Einsatzspannung haben, und/oder deren Gate-Anschlüsse können, wie in der Figur dargestellt, an unterschiedlichen Abgriffen am Shuntwiderstand 3a, 3b angeschlossen sein.

Durch den so dimensionierten bzw. angeschlossenen Regel-FET 15 des Entladezweigs 12 wird im Falle eine Kurzschlusses eine rasche Entladung der Gate-Source-Kapazität des Leistungstransistors 1 und damit eine rasche Rückregelung des Ausgangsstroms erreicht, so dass eine Zerstörung des Leistungshalbleiterschalters vermieden ist. Im stationären Betrieb dagegen ist die Strombegrenzungswirkung der Strombegrenzungsschaltung 10 nur durch den Hauptzweig 11 desselben bestimmt.

Im Ausführungsbeispiel ist der Leistungsfeldeffekttransistor 1 ein PROFET und die weiteren Feldeffekttransistoren 2, 7, 13, 14, 15 sind N-Kanal-Feldeffekttransistoren.

Selbstverständlich kann das in der Figur dargestellte Prinzip des erfindungsgemäßen Leistungshalbleiterschalters auch bei andersartigen Feldeffekt-Leistungstransistoren 1 angewendet werden. Mit dem in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel eines Leistungshalbleiterschalters konnte im Kurzschlußfall der durch den Leistungstransistor 1 und die Last L fließende Strom in wesentlich kürzer Zeit als bisher zurück geregelt werden. Eine Messung bei einer realisierten Schaltung ergab eine Rückregelung im Kurzschlußfall in 10 µs anstatt wie bisher in 100 µs. Bezugszeichenliste 1 Leistungstransistor

2 Sense-Transistor

3a, 3b Shuntwiderstand

4 Ausgangsanschluß OUT

5 Betriebsspannungsanschluß

6 Ladungspumpe

7 Gate-Lade-Verarmungs-FET

9 Sense-Zweig

10 Strombegrenzungsschaltung

11 Hauptzweig der Strombegrenzungsschaltung

12 Entladezweig der Strombegrenzungsschaltung

13, 15 Regel-FETs

14 Kompensations-FET

G Gateanschluß

L Last

Vbb Betriebsspannung


Anspruch[de]
  1. 1. Leistungshalbleiterschalter mit einer zwischen einem Gateanschluß (G) eines Feldeffektleistungstransistors (1) und dessen an einer Last (L) liegendem Ausgangsanschluß (OUT) eingeschalteten Strombegrenzungsschaltung (10) und einer mit diesem Gateanschluß (G) verbundenen Ladungspumpe (6, 7) mit der dem Gate (G) des Leistungstransistors (1) ein Ladestrom injiziert wird, wobei in Serie zu einem Regeitransistor (13) der Strombegrenzungsschaltung (10) ein FET-Transistor (14) vom Verarmungstyp zur Kompensation der Streuung der Stärke des von der Ladungspumpe (6, 7) gelieferten Ladestroms geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Strombegrenzungsschaltung (10) einen zu einem einen FET-Regeltransistor (13) aufweisenden Hauptzweig (11) parallel geschalteten Entladezweig (12) mit einem Feldeffekttransistor (15) vom Anreicherungstyp aufweist, der so eingerichtet ist, dass die Strombegrenzungswirkung des Entladezweigs (12) im Fehlerfall deutlich über der des Hauptzweigs (11) liegt und im fehlerfreien Betrieb die Stärke der Strombegrenzung ausschließlich durch den Hauptzweig (11) eingestellt wird.
  2. 2. Leistungshalbleiterschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strombegrenzungswirkung des Hauptzweigs (11) und des Entladezweigs (12) jeweils durch unterschiedliche Dimensionierung bzw. Einsatzspannungen ihrer Feldeffektregeltransistoren (13, 15) eingestellt ist.
  3. 3. Leistungshalbleiterschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strombegrenzungswirkung des Hauptzweigs (11) und des Entladezweigs (12) der Strombegrenzungsschaltung (10) jeweils durch unterschiedliche Abgriffe ihrer Gateanschlüsse an einem im parallel zum Leistungstransistor (1) geschalteten Sensezweig (9) liegenden unterteilten Shunt-Widerstand (3a, 3b) eingestellt ist.
  4. 4. Leistungshalbleiterschalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Feldeffektleistungstransistor (1) ein N-Kanal-PROFET und die weiteren Feldeffekttransistoren (2, 7, 13, 14, 15) N- Kanal-Feldeffekt-Transistoren sind.






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