DE10000020A1

DE10000020A1 - Integrierte Gate-Treiberschaltung

Info

Publication number: DE10000020A1
Application number: DE10000020A
Authority: DE
Inventors: Joseph Maggiolino
Original assignee: International Rectifier Corp USA
Current assignee: Infineon Technologies Americas Corp
Priority date: 1999-01-12
Filing date: 2000-01-03
Publication date: 2000-07-20
Also published as: ITMI20000015A0; JP2000253693A; ITMI20000015A1; US6262618B1; FR2788388A1

Abstract

Eine integrierte Gate-Treiberschaltung weist eine Zeitverzögerungsschaltung zur Erzeugung einer Totzeit für ein spannungsseitiges/erdseitiges Transistorpaar auf. Eine Vergleicherschaltung mit vier Transistoren wird mit einem Eingangs-Bezugsspannungstransistor mit einem Ausgangs-Bezugsstrom-Transistor verwendet, wobei ein einziger Kondensator die Gesamtverzögerung zwischen dem Einschalten eines der Ausgangs-Leistungshalbleiterbauteil und dem Abschalten des anderen Halbleiter-Leistungsbauteils bestimmt. Die Zeitverzögerung steht in enger zeitlicher Beziehung zu dem Kapazitätswert (innerhalb von 10%), der Leistungsverbrauch wird zu einem Minimum gemacht, und die Schaltung ist auf sechs Transistoren reduziert, wobei die Zeitverzögerung (oder "Totzeit") genau und leicht von dem Anwender programmierbar ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine integrierte Gate-Treiberschaltung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.

Derartige integrierte Gate-Treiberschaltungen werden zur Ansteuerung von Leistungshalbleiter-Bauteilen mit MOS-Gatesteuerung verwendet, wie sie beispielsweise in Motorsteuergeräten und anderen Anwendungen verwendet werden.

Integrierte Gate-Treiberschaltungen zur Steuerung von Leistungshalbleiter-Bauteilen mit MOS-Gatesteuerung, wie z. B. MOSFET- und IGBT-Bauteilen, gategesteuerten Thyristoren und dergleichen sind gut bekannt. Es ist weiterhin bekannt, daß bei Schaltungen, die spannungsseitige und erdseitige Halbleiterbauteile mit MOS- Gatesteuerung verwenden, wie z. B. bei Motorsteuergeräten, die beiden Halbleiterbauteile mit MOS-Gatesteuerung nicht gleichzeitig eingeschaltet sein dürfen, weil sich sonst ein direkter Kurzschluß oder ein "Durchschlag"-Zustand ergeben würde.

Es sind vielfältige Schaltungen zum Verhindern dieses Durchschlag-Zustandes bekannt. Diese Schaltungen sind jedoch kompliziert, sie können nicht in einfacher Weise von einem Kunden oder für eine bestimmte Anwendung eingestellt werden, und sie haben einen relativ großen Leistungsverbrauch und sind nicht genau.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine integrierte Gate-Treiberschaltung der eingangs genannten Art zu schaffen, die das gleichzeitige Einschalten der spannungsseitigen und erdseitigen Halbleiterbauteile mit MOS-Steuerung verhindert und die einen einfacheren Aufbau und einen geringeren Leistungsverbrauch aufweist und von einem Benutzer genau und leicht programmierbar ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Bei der erfindungsgemäßen Gate-Treiberschaltung wird eine Zeitverzögerungs schaltung verwendet, die eine Vergleicherschaltung mit vier Transistoren in Verbindung mit einem Eingangs-Bezugsspannungs-Transistor und einem Ausgangs-Bezugsstrom- Transistor verwendet, wobei ein einziger Kondensator die gesamte Zeitverzögerung zwischen dem Einschalten eines der Ausgangs-Leistungs-Halbleiterbauteile und dem Ausschalten des anderen Leistungs-Halbleiterbauteils bestimmt. Die Zeitverzögerung steht in enger Beziehung zu dem Kapazitätswert (innerhalb von 10%) und der Leistungsverbrauch wird zu einem Minimum gemacht. Die Schaltung verwendet lediglich sechs Transistoren, und die Zeitverzögerung (oder "Totzeit") kann genau und leicht von dem Anwender programmiert werden.

Die bei der erfindungsgemäßen Treiberschaltung verwendete Verzögerungsschaltung schließt einen mit dem Gate-Anschluß eines Steuertransistors verbundenen Eingangsanschluß zur Steuerung des Zustandes des Transistors, einen Zeitsteuer kondensator, der parallel längs des Steuertransistors angeschaltet ist, eine Bezugsstromquelle, die mit dem Zeitsteuerkondensator verbunden ist, um den Kondensator entsprechend dem Zustand des Steuertransistors zu laden, eine Bezugsspannungsquelle und einen Vergleicher ein, der mit dem Zeitsteuerkondensator und der Bezugsspannungsquelle verbunden ist, um die Spannung an dem Zeitsteuerkondensator mit der Spannung der Bezugsspannungsquelle zu vergleichen und entsprechend hierzu ein Ausgangssignal an einen Ausgangsanschluß abzugeben.

Die Schaltung der vorliegenden Erfindung ist vorzugsweise in Form einer integrierten Schaltung ausgebildet, wobei der Zeitsteuerkondensator mit in der integrierten Schaltung integriert ist. Die Bezugsspannungsquelle wird dadurch gebildet, daß ein Strom von der Bezugsstromquelle durch einen Widerstand geleitet wird, wobei der Widerstand vorzugsweise außerhalb der integrierten Schaltung angeordnet ist. Die Zeitverzögerung kann in vorteilhafter Weise durch Einstellen des Wertes des externen Widerstandes programmiert werden.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnungen ersichtlich.

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer integrierten MOSFET-Gate-Treiberschaltung und der beiden hierdurch gesteuerten Leistungs-Halbleiterbauteile mit MOS-Gatesteuerung,

Fig. 2A und 2B die Eingangs- und Ausgangsspannungen der integrierten Treiberschaltung nach Fig. 1 mit einer üblichen Totzeit-Anordnung in Fig. 2B zum Verhindern eines Durchschlages,

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Schaltung, die zur Erzeugung der Schwingungsformen nach den Fig. 2A und 2B verwendet werden kann,

Fig. 4 ein schematisches Schaltbild der Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung,

Fig. 5 die Ausgangs-Steuerspannungen, die von der Schaltung nach Fig. 4 erzeugt werden,

Fig. 6 ein ausführlicheres Schaltbild einer Ausführungsform einer Steuerschaltung mit sechs Transistoren gemäß der vorliegenden Erfindung.

Fig. 1 zeigt eine typische integrierte Gate-Treiberschaltung 20, die interne integrierte Schaltungen in einem einzigen Halbleiterplättchen zur Steuerung von Leistungs- Halbleiterbauteilen Q₁ und Q₂ mit MOS-Gatesteuerung enthält. Die MOSFET-Bauteile Q₁ und Q₂ werden abwechselnd in Abhängigkeit von Eingangssignalen an Eingangsanschlüssen H_IN bzw. L_IN ein- und ausgeschaltet. Das Halbleiterbauteil Q₁ mit MOS-Gatesteuerung ist ein "spannungsseitiges" Bauteil, das mit der Eingangsspannung (die als 600 Volt Gleichspannung dargestellt ist) für den Ausgangskreis verbunden ist, der zwischen einem Verbindungsknoten 21 und Erde angeschaltet ist. Das Halbleiterbauteil Q₂ ist ein erdseitiges Halbleiterbauteil, das zwischen dem Verbindungskrioten 21 und Erde eingeschaltet ist. Der mit dem Verbindungsknoten 21 verbundene (nicht gezeigte) Ausgangskreis kann typischerweise eine Motorlast sein, deren Drehzahl durch eine geeignete Impulsbreitenmodulationssteuerung geändert wird.

Fig. 2A zeigt die Schwingungsform typischer Eingangssignale H_IN und L_IN. Es ist zu erkennen, daß wenn sowohl Q₁ als auch Q₂ nach Fig. 1 gleichzeitig eingeschaltet werden, sich ein Kurzschluß von der hohen Betriebsspannung gegen Erde ergibt, wodurch die Halbleiterbauteile zerstört werden können. Daher stellt in der in Fig. 2B gezeigten Weise die interne Schaltung der integrierten Schaltung 20 Verzögerungen oder "Totzeiten" A und B zwischen dem Anfang bzw. dem Ende der Ausgangssignale H_OUT und L_OUT sicher.

Fig. 3 zeigt eine typische bekannte interne Zeitverzögerungsschaltung, die in der integrierten Schaltung 20 nach Fig. 1 enthalten sein kann, um die Totzeit- Verzögerungen A und B nach Fig. 2B zu schaffen. So ist in Fig. 3 der Eingangsanschluß H_IN mit einem Steuer-MOSFET 30 verbunden, der längs eines Zeitsteuerkondensators 31 angeschaltet ist. Eine Stromquelle 32 erzwingt einen Ladestrom I_REF in den Kondensator 31, wenn der MOSFET 30 abgeschaltet ist. Der Ausgang am Knoten 32 ist mit einer geeigneten Schaltung, wie z. B. einer Schmitt- Triggerschaltung 33 und einem Inverter 34, verbunden. Die Verzögerung beim Schalten der Triggerschaltung 33, das seinerseits durch den Ladungspegel des Kondensators 31 gesteuert ist, erzeugt die Verzögerungen A und B.

Die Schaltung nach Fig. 3 ist kompliziert und weist einen relativ hohen Leistungsverbrauch auf. Weiterhin ist die Schaltung relativ ungenau, teilweise deshalb, weil Störkapazitäten in der Schaltung die nominelle Verzögerung ändern, die von dem Kondensator 31 hervorgerufen wird.

Fig. 4 ist ein Schaltbild der Verzögerungsschaltung der Gate-Treiberschaltung nach der Erfindung. Bei einem Vergleich mit der Fig. 3 ist zu erkennen, daß eine Bezugsspannungsquelle 40 hinzugefügt ist und daß die Bezugsspannung zusammen mit dem Signal am Knoten 35 einem Vergleicher 41 zugeführt wird. Es wird später gezeigt, daß der Vergleicher 41 leicht mit vier Transistoren ausgeführt werden kann. Die Verwendung der Bezugsstromquelle 32, des Kondensators 31 und der Bezugsspannungsquelle 40 ermöglicht eine einfache Ausgestaltung der Schaltung sowie eine Beziehung mit hoher Genauigkeit (unter ungefähr 20%) zwischen der in Fig. 5 gezeigten Zeitverzögerung RC und dem Wert des internen Kondensators.

Weiterhin ist die Schaltung extern (über einen Bereich von 10 : 1) programmierbar, und sie ist gegenüber Totzeit-Verzögerungsänderungen aufgrund von Änderungen der Temperatur, der Versorgungsspannung und Verfahrensabweichungen relativ immun.

Fig. 6 zeigt eine bevorzugte Ausgestaltung der Schaltung nach Fig. 4 und läßt die relative Einfachheit der Schaltung erkennen. Der Eingang I_REF wird durch die MOSFET- Bauteile Q₅₀ und Q₅₁ gesteuert. Die Bezugsspannung V_REF wird durch den externen Widerstand 70 erzeugt. Der Vergleicher 41 ist durch vier Transistoren Q₅₂, Q₅₃, Q₅₄ und Q₅₅ gebildet.

Vorzugsweise sind die Transistoren Q₅₀ und Q₅₁ aneinander angepaßt; die Transistoren Q₅₂ und Q₅₃ sind aneinander angepaßt, und die Transistoren Q₅₄ und Q₅₅ sind aneinander angepaßt. Dies macht die Genauigkeit der Schaltung zu einem Maximum. Weiterhin macht die Schaltungskonfiguration bei "A" und "B" in Fig. 6 die parasitäre Kapazität zu einem Minimum. Es ist zu erkennen, daß die Zeitverzögerung RC in Fig. 5 durch den Wert des internen Kondensators C₁ und des Widerstandes 70 festgelegt ist (der außerhalb der integrierten Schaltung angeordnet sein kann). Somit gilt:

Somit ermöglicht es die neuartige Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung einem Anwender, die Totzeit außerhalb der integrierten Schaltung zu steuern, was es dem Benutzer ermöglicht, daß er irgendeine zu verwendende PWM-(impulsbreiten modulierte) Schaltung vereinfacht.

Obwohl die vorliegende Erfindung bezüglich spezieller Ausführungsformen beschrieben wurde, sind für den Fachmann vielfältige Abänderungen und Modifikationen und andere Anwendungen ohne weiteres ersichtlich.

Claims

1. Integrierte Gate-Treiberschaltung mit einer Zeitverzögerungsschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitverzögerungsschaltung folgendes umfaßt:
einen mit dem Gateanschluß eines Steuertransistors verbundenen Eingangsanschluß zur Steuerung des Zustandes des Transistors,
einen Zeitsteuerkondensator, der parallel längs des Steuertransistors angeschaltet ist,
eine Bezugsstromquelle, die mit dem Zeitsteuerkondensator zum Laden des Kondensators entsprechend dem Zustand des Steuertransistors verbunden ist,
eine Bezugsspannungsquelle, und
einem Vergleicher, der mit dem Zeitsteuerkondensator und der Bezugsspannungsquelle verbunden ist, um die Spannung an dem Zeitsteuerkondensator mit der Spannung der Bezugsspannungsquelle zu vergleichen und ein entsprechendes Signal an einem Ausgangsanschluß abzugeben.

2. Treiberschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitverzögerungsschaltung in einer integrierten Schaltung ausgebildet ist und der Zeitsteuerkondensator (C₁) sich innerhalb der integrierten Schaltung befindet.

3. Treiberschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsspannung eine Spannung ist, die durch Hindurchleiten eines Stromes von der Bezugsstromquelle durch einen Widerstand (70) längs dieses Widerstandes erzeugt wird.

4. Treiberschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (70) außerhalb der integrierten Schaltung angeordnet ist.

5. Treiberschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsstromquelle erste und zweite Transistoren (Q₅₀, Q₅₁) umfaßt.

6. Treiberschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Transistoren (Q₅₀, Q₅₁) aneinander angepaßt sind.

7. Treiberschaltung nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleicher dritte und vierte Transistoren (Q₅₂, Q₅₃) und fünfte und sechste Transistoren (Q₅₄, Q₅₅) umfaßt.

8. Treiberschaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die dritten und vierten Transistoren (Q₅₂ und Q₅₃) aneinander angepaßt sind, und daß die fünften und sechsten Transistoren (Q₅₄ und Q₅₅) aneinander angepaßt sind.

9. Treiberschaltung nach einem der Ansprüche 3-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitverzögerung durch das Signal am Ausgangsanschluß gebildet ist, das durch den Wert des Zeitsteuerkondensators (C₁) bestimmt ist und durch die Einstellung des Wertes des Widerstandes (70) programmierbar ist.