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Dokumentenidentifikation DE10033440C2 18.07.2002
Titel Ansteuerschaltung für einen Leistungs-MOSFET
Anmelder Infineon Technologies AG, 81669 München, DE
Erfinder Xu, Chihao, Dr., 81249 München, DE
Vertreter Westphal, Mussgnug & Partner, 80336 München
DE-Anmeldedatum 10.07.2000
DE-Aktenzeichen 10033440
Offenlegungstag 24.01.2002
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 18.07.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 18.07.2002
IPC-Hauptklasse H03K 17/687
IPC-Nebenklasse H02M 1/08   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ansteuerschaltung für einen Leistungs-MOSFET. Herkömmliche Ansteuerschaltungen für Leistungs-MOSFET verbrauchen immer einen gewissen Ruhestrom, der auch bei ausgeschaltetem MOSFET durch eine mit dem MOSFET geregelte Last fließt. Die Fig. 1 zeigt zur Veranschaulichung des Problems ein Beispiel einer herkömmlichen Ansteuerschaltung, beispielsweise einer integrierten Schaltung des Typs BSP 350 der Siemens AG. Der anzusteuernde Leistungs-MOSFET S1 und eine durch ihn geregelte Last 1 sind zwischen zwei Anschlussklemmen einer Batterie 2 in Reihe geschaltet. Eine Ladungspumpe CP liefert eine zum Einschalten des Leistungs-MOSFET S1 ausreichende Spannung an dessen Gate. Ein zwischen Gate und Source des Leistungs-MOSFET S1 geschalteter Verarmungstransistor M1 ist über einen Steuereingang IN ein- und ausschaltbar. Durch Einschalten des Verarmungstransistors M1 werden Gate und Source des Leistungs-MOSFET S1 kurzgeschlossen, und der Leistungs-MOSFET sperrt. Während er sperrt, fließt jedoch ein Strom vom Steuersignal-Eingang IN über einen Begrenzungswiderstand R1 durch die Last 1 gegen Masse. Dieser Ruhestrom kann durch geeignete Dimensionierung des Begrenzungswiderstandes R1 minimiert, aber niemals zu 0 gemacht werden.

Die Ruheströme sind in der Regel unerwünscht, da sie die Batterie entladen. Sie sind aber auch störend, weil sie Messungen an durch den Leistungs-MOSFET versorgten Lasten beeinflussen. Hier ist z. B. die Messung des Stroms zwischen einer Glühkerze und dem Motorblock eines Dieselmotors zu erwähnen. Hier ist das Nutzsignal so klein, dass wenige Mikroampere Ruhestrom die Messung empfindlich beeinträchtigen.

Auch aus Gründen der Qualitätssicherung ist eine Ansteuerung mit verschiedenem Ruhestrom wünschenswert. Bei der Herstellung von Leistungs-MOSFET werden in der Regel auf aktiven Zellen der Halbleiterchips der MOSFET Drähte gebondet, die den Chip mit den Pins eines Gehäuses oder mit externen Leiterbahnen verbinden. Das Bonden auf aktiven Zellen birgt die Gefahr der Beschädigung der MOSFET-Struktur durch das sogenannte Cratering. Die Größe eines Leckstroms zwischen Drain und Source des MOSFET ist ein Indiz für die Stärke des Cratering. Es ist daher wünschenswert, diesen Leckstrom auf einfache Weise messen zu können, um bereits bei der Herstellung der MOSFET oder spätestens bei deren Einbau in elektronische Geräte, an deren Ausfallsicherheit hohe Anforderungen gestellt werden, diejenigen MOSFET auszusortieren, die einen zu großen Leckstrom und damit eine geringe Lebenserwartung aufweisen. Um diesen kleinen Leckstrom messen zu können, ist eine ruhestromlose Ansteuerung der MOSFET, insbesondere kein Ruhestrom zwischen Drain und Source der MOSFET, erforderlich.

Aufgabe der Erfindung ist, eine Ansteuerschaltung für einen Leistungs-MOSFET anzugeben, die keinen Ruhestrom produziert und dabei einfach aufgebaut und vielseitig einsetzbar ist.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Ansteuerschaltung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Indem der Schaltausgang der Steuerschaltung mit dem Empfang eines Ausschaltsignals für den Leistungs-MOSFET auf das Schaltpotential übergeht, kann das Schaltpotential über den ersten Feldeffekttransistor den Steuereingang des Verarmungstransistors erreichen und diesen aufschalten; indem nach dem Empfang des Ausschaltsignals der erste Feldeffekttransistor in einen Sperrzustand übergeht, kann, solange der Ausschaltzustand der Ansteuerschaltung andauert, kein stationärer Ruhestrom über die Diode D1 in den mit der Source des Leistungs-MOSFET und der Last zu verbindenden Ausgang der Ansteuerschaltung fließen.

Vorzugsweise besitzt die Ansteuerschaltung einen stromgesteuerten Eingang, d. h., daß im eingeschalteten Zustand des Leistungs-MOSFETs ein Versorgungsstrom der Ansteuerschaltung über den Eingang fließt, und daß eine Unterbrechung des Stromflusses durch den Steuereingang den Leistungs-MOSFET ausschaltet. Eine solche Ansteuerschaltung ist nicht nur ausgangsseitig ruhestromfrei, auch ein Ruhestrom über den Eingang im ausgeschalteten Zustand der Ansteuerschaltung ist ausgeschlossen.

Zum Schutz des Leistungs-MOSFET vor ungeeigneten Betriebsbedingungen weist die Ansteuerschaltung die Steuerschaltung auf, die zur Überwachung der Betriebsbedingungen des Leistungs-MOSFET vorgesehen ist und ein Betriebsbereitschaftssignal in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen erzeugt. In einem solchen Fall kann der erste Feldeffekttransistor über das Betriebsbereitschaftssignal gesteuert werden, und zwar insbesondere so, daß er seinen durchlässigen Zustand bei einem Ein-Pegel des Betriebsbereitschaftssignals und den Sperrzustand bei einem Aus-Pegel des Betriebsbereitschaftssignals annimmt.

Bei einer solchen Ausgestaltung ist es ferner zweckmäßig, wenn ein zweiter Feldeffekttransistor zwischen dem Schaltpotential und dem Steuereingang des Verarmungstransistors angeordnet ist, und dass der zweite Feldeffekttransistor einen durchlässigen Zustand bei dem Aus- Pegel des Betriebsbereitschaftssignals und den Sperrzustand bei dem Ein-Pegel des Betriebsbereitschaftssignals annimmt. Der zweite Feldeffekttransistor dient auf diese Weise dazu, bei einem Übergang des Betriebsbereitschaftssignals auf den Aus-Pegel das Gate des Verarmungstransistors sehr schnell auf das Schaltpotential zu bringen und diesen dadurch zu veranlassen, den Leistungs-MOSFET auszuschalten.

Das jeweils entgegengesetzte Schaltverhalten der zwei Feldeffekttransistoren lässt sich auf einfache Weise dadurch erreichen, dass das Betriebsbereitschaftssignal von der Steuerschaltung an dem Steuereingang des einen der zwei Feldeffekttransistoren direkt und an dem Steuereingang des anderen Feldeffekttransistors über einen Inverter anliegt.

Besonders bevorzugt ist, dass der Pegel des Betriebsbereitschaftssignals bei normalen Betriebsbedingungen hoch ist und an dem ersten Feldeffekttransistor über den Inverter anliegt. Wenn nämlich die Ansteuerschaltung durch Strom geschaltet wird, so bleibt auch beim Ausschalten der Ansteuerschaltung das Betriebsbereitschaftssignal auf dem hohen Pegel, da die Steuerschaltung durch das Ausschalten von der Masse getrennt worden ist und deshalb alle ihre Ausgänge gegen das Versorgungspotential tendieren; gleichzeitig wird auch der Inverter von der Masse getrennt, so dass auch sein Ausgang trotz des Anliegens eines hohen Pegels an seinem Eingang gegen die Versorgungsspannung tendiert.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Figuren.

Es zeigen:

Fig. 1, bereits beschrieben, eine Ansteuerschaltung für einen Leistungs-MOSFET nach dem Stand der Technik;

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung.

Die in Fig. 2 schematisch dargestellte Ansteuerschaltung für einen Leistungs-MOSFET S1 besitzt einen Steuereingang IN zum Empfangen eines Ein- bzw. Ausschaltsignals für den Leistungs- MOSFET S1 und zwei Ausgänge CTL, OUT zum Verbinden mit Gate bzw. Source des Leistungs-MOSFET S1. Das Einschaltsignal der Ansteuerschaltung besteht jeweils darin, dass der Eingang IN gegen Masse gezogen wird, das Ausschaltsignal ist die Beendigung der Masseverbindung.

Ein Verarmungstransistor M1 ist zwischen die zwei Ausgänge CTL und OUT geschaltet. Das Gate des Verarmungstransistors M1 ist über eine Diode D1 mit dem Ausgang OUT verbunden. Eine Ladungspumpe CP bildet eine erste Spannungsquelle, die eine Betriebsspannung von der Batterie 2 empfängt und eine zum Einschalten des Leistungs-MOSFET S1 ausreichende Spannung an den Ausgang CTL liefert. Der Versorgungsstrom der Ladungspumpe CP fließt im Einschaltzustand der Ansteuerschaltung über den Eingang IN gegen Masse ab.

Eine Steuerschaltung 6 umfasst einen Ausgang für ein Betriebsbereitschaftssignal ENABLE, welches die Betriebsbereitschaft der Ladungspumpe CP und einen ersten und einen zweiten PMOS-Transistor P2, P1 steuert, wobei das Gate des ersten PMOS-Transistors P2 über einen Inverter 5 an die Steuerschaltung 6 angeschlossen ist und einen (in der Figur nicht dargestellten) Sensor zur Erfassung der Betriebstemperatur des Leistungs-MOSFET S1 und/oder Mittel zum Messen des durch den Leistungs-MOSFET fließenden Stroms. Diese Mittel können in einfachster Ausgestaltung aus einer (der Übersichtlichkeit halber nicht gezeichneten) Messleitung bestehen, die die Spannung am Ausgang OUT der Steuerschaltung 6 zuführt. In Kenntnis des Typs des Leistungs-MOSFET S1 kann die Steuerschaltung 6 aus der Versorgungsspannung VBAT und der am Ausgang gemessenen Spannung auf den Stromfluss durch den Leistungs-MOSFET S1 schließen und mit Hilfe des ENABLE- Signals diesen ausschalten, wenn der Stromfluss einen kritischen Grenzwert überschreitet.

Bei dieser Steuerschaltung ist zwischen drei Betriebszuständen zu unterscheiden:

  • a) der Eingang IN wird gegen Masse gezogen, und die Betriebsbedingungen des Leistungs-MOSFET S1 sind normal,
  • b) der Eingang IN wird gegen Masse gezogen, und die Betriebsbedingungen des Leistungs-MOSFET S1 sind nicht normal, und
  • c) der Eingang IN ist stromlos.

Im Falle a liefert die Steuerschaltung 6 einen hohen Pegel des Betriebsbereitschaftssignals ENABLE an einen Steuereingang der Ladungspumpe CP, an das Gate des zweiten PMOS-Transistors P1 und an den Inverter 5. Das Gate des ersten PMOS-Transistors P2 liegt folglich auf niedrigem Pegel, der dadurch leitet. An einem Schaltausgang 7 liefert die Steuerschaltung 6 eine niedrige Spannung VBAT - VLOG an die Source des leitenden PMOS-Transistors P2. Dieser gibt daher das niedrige Potential VBAT - VLOG an das Gate des Verarmungstransistors M1 weiter. Das Potential VBAT - VLOG ist so festgelegt, dass es kleiner ist als die Durchlassspannung der Diode D1 und knapp nicht ausreicht, um den Verarmungstransistor M1 durchlässig zu schalten. Infolgedessen liegt die Ausgangsspannung der Ladungspumpe CP unverringert am Ausgang CTL an, und der daran angeschlossene Leistungs-MOSFET S1 ist eingeschaltet. In diesem Betriebszustand ist die Ladungspumpe CP aufgrund des empfangenen Pegels des Enable-Signals aktiv und liefert die zum Einschalten des Leistungs-MOSFET S1 ausreichende Spannung an den Ausgang CTL. Der PMOS-Transistor P1 ist ausgeschaltet.

Wenn die Steuerschaltung 6 nicht normale Betriebsbedingungen des Leistungs-MOSFETs S1 erfaßt (Fall b), wechselt das ENABLE-Signal auf niedrigen Pegel. Dadurch wird die Ladungspumpe CP ausgeschaltet, der zweite PMOS-Transistor P1 wird eingeschaltet und der erste PMOS-Transistor P2 wird ausgeschaltet. Die Gate-Spannung des Verarmungstransistors M1 wird so in kurzer Zeit auf die Versorgungsspannung VBAT angehoben, der Verarmungstransistor M1 öffnet und schaltet den Leistungs-MOSFET S1 aus. In diesem Betriebszustand ist ein Ruhestromfluss durch die Diode D1 möglich, dies ist allerdings nicht weiter störend, da es sich hier um einen Ausnahmezustand handelt.

Der Übergang der Ansteuerschaltung in den Ausschaltzustand c bei Unterbrechung des Stromflusses durch den Eingang IN erfolgt auf folgende Weise. Die Unterbrechung des Stromflusses führt zunächst dazu, dass die Spannung am Schaltausgang 7 auf VBAT wechselt. Der Inverter 5 reagiert erst mit einer geringen Schaltverzögerung auf die Unterbrechung seines Versorgungsstrom, so dass sein niedriger Ausgangspegel am Gate des ersten PMOS-Transistors P2 noch für kurze Zeit bestehen bleibt. Folglich erreicht die vom Schaltausgang 7 ausgegebene Spannung VBAT über den ersten PMOS-Transistor P2 das Gate des Verarmungstransistors M1, schaltet diesen ein und dadurch den Leistungs-MOSFET aus. Während der Verarmungstransistor M1 öffnet und so den Leistungs-MOSFET S1 durch Kurzschließen seines Gates und der Source ausschaltet, geht mit einer geringen Verzögerung der Ausgang des Inverters 5 auf 1 und schaltet so den PMOS- Transistor P2 aus. Das Gate des Verarmungstransistors M1 ist somit nur noch über die Diode D1 mit dem Ausgang OUT leitfähig verbunden; es nimmt daher ein Potential an, das um die Durchlassspannung der Diode D1 über dem Potential des Ausgangs OUT liegt. Ein kontinuierlicher Stromfluss über die Diode D1 in den Ausgang OUT und in die Last 1 ist ausgeschlossen.

Mit der Unterbrechung der Masseverbindung am Eingang IN wird auch die Stromversorgung der Ladungspumpe CP unterbrochen. Die Spannung am Ausgang CTL kann deshalb, auch wenn bei Fortdauer des Ausschaltzustandes der Verarmungstransistor M1 wieder schließt, nicht mehr über die Versorgungsspannung VBAT ansteigen. Diese Spannung ist nicht ausreichend, um den Leistungs-MOSFET S1 einzuschalten. So kann im stationären Ausschaltzustand der Ansteuerschaltung weder ein Ruhestrom über den Ausgang OUT und die Last 1 noch über den Eingang IN gegen Masse fließen.

Das niedrige Potential VBAT - VLOG könnte auch das Massepotential sein, allerdings ist ein nicht verschwindender Wert des Potentials bevorzugt, da er kürzere Reaktionszeiten der Ansteuerschaltung ermöglicht.


Anspruch[de]
  1. 1. Ansteuerschaltung für einen Leistungs-MOSFET (S1), mit einem Steuereingang (IN), zum Empfangen eines Ein- bzw. Ausschaltsignals für den Leistungs-MOSFET (S1) und zwei Ausgängen (CTL, OUT) zum Verbinden mit Gate bzw. Source des Leistungs-MOSFET (S1), einem Verarmungstransistor (M1), der die zwei Ausgänge (CTL, OUT) verbindet, einer zwischen dem Steuereingang des Verarmungstransistors (M1) und einem der Ausgänge (OUT) angeordneten Diode (D1), einer ersten Spannungsquelle (CP) zum Liefern einer zum Einschalten des Leistungs-MOSFET (S1) ausreichenden Spannung an den mit dem Gate des Leistungs- MOSFET (S1) zu verbindenden Ausgang (CTL) sowie mit Mitteln zum Umschalten des Steuereingangs des Verarmungstransistors (M1) zwischen einem niedrigen Sperrpotential (VBAT - VLOG) und einem Schaltpotential (VBAT), bei dem er die zwei Ausgänge (CTL, OUT) kurzschließt, wobei die Mittel zum Umschalten des Steuereingangs des Verarmungstransistors (M1) eine Steuerschaltung (6) mit einem zwischen dem niedrigen Sperrpotential (VBAT - VLOG) und dem Schaltpotential (VBAT) umschaltbaren Schaltausgang (7) und einen zwischen dem Schaltausgang (7) der Steuerschaltung (6) und dem Steuereingang des Verarmungstransistors (M1) angeordneten ersten FET (P2) umfassen, der jeweils nach Empfang des Einschaltsignals für den Leistungs-MOSFET (S1) am Steuereingang der Ansteuerschaltung in einen durchlässigen und nach Empfang eines Ausschaltsignals in einen Sperrzustand wechselt.
  2. 2. Ansteuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im eingeschalteten Zustand des Leistungs- MOSFET (S1) ein Versorgungsstrom der Ansteuerschaltung über den Eingang (IN) fließt, und eine Unterbrechung des Stromflusses durch den Steuereingang (IN) den Leistungs- MOSFET (M1) ausschaltet.
  3. 3. Ansteuerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung (6) die Betriebsbedingungen des Leistungs-MOSFET (SI) überwacht und ein Betriebsbereitschaftssignal (ENABLE) in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen erzeugt, wobei der erste FET (P2) seinen durchlässigen Zustand bei einem Ein-Pegel des Betriebsbereitschaftssignals und den Sperrzustand bei einem Aus-Pegel des Betriebsbereitschaftssignals annimmt.
  4. 4. Ansteuerschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter FET (P1) zwischen dem Schaltpotential (VBAT) und dem Steuereingang des Verarmungstransistors (M1) angeordnet ist, und dass der zweite FET (P1) einen durchlässigen Zustand bei dem Aus-Pegel des Betriebsbereitschaftssignals (ENABLE) und den Sperrzustand bei dem Ein-Pegel des Betriebsbereitschaftssignals annimmt.
  5. 5. Ansteuerschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Betriebsbereitschaftssignal (ENABLE) an dem Steuereingang eines der zwei FETs (P1) direkt und an dem Steuereingang des anderen FETs (P2) über einen Inverter (5) anliegt.
  6. 6. Ansteuerschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Pegel des Betriebsbereitschaftssignals bei normalen Betriebsbedingungen hoch ist und an dem ersten FET (P2) über den Inverter (5) anliegt.
  7. 7. Ansteuerschaltung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Spannungsquelle (CP) durch das Betriebsbereitschaftssignal (ENABLE) ein- und ausschaltbar ist.
  8. 8. Ansteuerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die FETs (P1, P2) hochspannungsfest sind.






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