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Die Erfindung betrifft eine integrierbare Treiberschaltung
zum Ansteuern eines Leistungshalbleiters, wie zum Beispiel
eines MOSFET-Leistungsbauelements.
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Bei der Ansteuerung von Leistungshalbleitern ist es
erwünscht, dass die Schaltgeschwindigkeit des Laststromes oder
Ausgangsstromes begrenzt wird. Dazu ist es zumindest
firmenseitig bekannt, den Spannungsabfall zwischen Emitter und
Hilfsemitter des Leistungshalbleiters auf den Steueranschluss
(Gate) zurückzukoppeln. Werden integrierte Treiberschaltungen
(Ansteuer-IC) verwendet, so kann nur zwischen dem Treiber-IC,
dem Gatewiderstand und dem Gateanschluss zurückgekoppelt
werden. Dies führt jedoch dazu, dass die Rückkopplung gegen die
volle Treiberleistung arbeitet.
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Falls die rückgekoppelte Leistung nicht ausreicht, um das
Ansteuersignal wirksam zu überlagern, könnte ein Emitterfolger
zwischen Treiberschaltung und Gatewiderstand geschaltet
werden. Bei einer solchen Anordnung kann das rückgekoppelte
Signal (Strom/Spannung) zwischen Treiberschaltung und dem
Emitterfolger (Verstärkerschaltung) eingespeist werden. An der
dortigen Stelle ist die benötigte Leistung zur wirksamen
Beeinflussung des Ansteuersignals wesentlich geringer. Ist
jedoch eine solche Beschaltung mit einem Emitterfolger nicht
möglich, so ist eine Beeinflussung der
Stromänderungsgeschwindigkeit (di/dt oder auch als Stromsteilheit bezeichnet)
nicht möglich.
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Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine integrierbare
Treiberschaltung zum Ansteuern eines Leistungshalbleiters zu
schaffen, mit der eine Kontrolle der
Stromänderungsgeschwindigkeit ermöglicht wird.
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Diese Aufgabe wird durch eine integrierbare Treiberschaltung
mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst. Dabei weist
die Treiberschaltung zumindest eine interne
Verstärkerschaltung auf, deren Ausgang mit dem externen Leistungshalbleiter
verbunden wird. Des Weiteren weist sie einen
Rückkopplungseingang auf, der mit dem Eingang der Verstärkerschaltung
verbunden ist, um eine Lastspannung am Ausgang des
Leistungshalbleiters auf den Eingang der Verstärkerschaltung
zurückzukoppeln.
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Dies hat den Vorteil, dass eine einfache
Strom-/Spannungsbegrenzungsschaltung zur Kontrolle der
Stromänderungsgeschwindigkeit entweder außerhalb oder innerhalb der integrierten
Treiberschaltung zwischen dem Ausgang des
Leistungshalbleiters und dem Eingang der Verstärkerschaltung angeordnet sein
kann.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus
den Unteransprüchen.
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So können zwei antiparallel in Reihe geschaltete Zenerdioden
entweder außerhalb oder innerhalb der integrierten
Treiberschaltung zwischen dem Ausgang des Leistungshalbleiters und
dem Eingang der Verstärkerschaltung zur Kontrolle der
Stromänderungsgeschwindigkeit angeordnet sein. Statt der beiden
Zenerdioden können auch eine Zenerdiode mit in Reihe
geschaltetem Transistor, vorzugsweise einem MOS-FET, verwendet
werden.
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Die integrierte Treiberschaltung kann als Highside-Treiber
und/oder als Lowside-Treiber ausgebildet sein, um jeweils
einen Highside-Leistungshalbleiter und/oder einen Lowside-
Leistungshalbleiter anzusteuern. Hierzu weist die
Treiberschaltung zwei voneinander getrennte Steuerzweige auf, und
zwar einen Highside-Treiber-Zweig und einen Lowside-Treiber-
Zweig. Jeder Zweig weist vor seinem Ausgang jeweils eine
Verstärkerschaltung auf. Ebenso ist für jeden Zweig je ein
Rückkopplungseingang vorgesehen, damit in jedem Zweig eine
Kontrolle der Stromänderungsgeschwindigkeit stattfinden kann.
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Falls die integrierte Treiberschaltung sowohl einen Highside-
Treiber-Zweig als auch einen Lowside-Treiber-Zweig aufweist,
so ist es vorteilhaft, wenn in dem einen Zweig eine
Potenzialtrennstufe vor dem Eingang der Verstärkerschaltung
angeordnet ist, um eine Potenzialtrennung von dem anderen Zweig
vorzunehmen, und in dem anderen Zweig eine
Signalverzögerungsstufe vor dem Eingang der Verstärkerschaltung angeordnet ist,
damit die beiden Verstärkerschaltungen gleiche Laufzeiten
aufweisen.
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Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im
Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es
zeigen:
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Fig. 1 ein Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels
einer erfindungsgemäßen Treiberschaltung mit nicht
integrierter Stromänderungskontrolle mittels
Zenerdioden,
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Fig. 2 ein Blockschaltbild eines zweiten
Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Treiberschaltung mit
integrierter Stromänderungskontrolle mittels
Zenerdioden und
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Fig. 3 ein Blockschaltbild eines dritten
Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Treiberschaltung mit
integrierter Stromänderungskontrolle mittels
Transistor.
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In den Fig. 1 bis 3 tragen funktionell gleichwertige Teile
dieselben Bezugszeichen.
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Ein integrierte Treiberschaltung (auch als Treiber-IC 1 oder
Ansteuer-IC bezeichnet) weist bei allen drei in den Fig. 1
bis 3 dargestellten Ausführungsbeispielen jeweils einen
Highside-Treiber-Zweig (HS) oder HS-Pfad und jeweils einen
Lowside-Treiber-Zweig (LS) oder LS-Pfad auf. Über den HS-Pfad wird
ein Highside-Leistungstransistor 2 und über den LS-Pfad wird
ein Lowside-Leistungstransistor 3 gesteuert. Der HS-Pfad
weist zumindest einen Eingang HS auf, der mit einem Schmitt-
Trigger 4 verbunden ist. Der Ausgang des Schmitt-Triggers 4
ist mit einer Potenzialtrennstufe 6 (ISO = Isolation oder
auch als level shift stage bezeichnet) verbunden, deren
Ausgang vor einer Verstärkerschaltung 7 angeordnet ist. Der
Ausgang der Verstärkerschaltung 7 ist mit einem Steueranschluss
(hier Basis oder Gate) des Leistungstransistors 2 verbunden.
Durch den Ausgangsstrom der Verstärkerschaltung 7 wird der
Leistungstransistor 2 geschaltet oder abhängig von
Ausgangsstrom/-spannung entsprechend gesteuert.
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Der LS-Pfad weist einen Eingang LS auf, der ebenfalls mit
einem Schmitt-Trigger 5 verbunden ist. In dem LS-Pfad ist statt
der Potenzialtrennstufe 6 ein Verzögerungsglied 9 (DLY =
Delay) angeordnet, das dafür sorgt, dass die Signallaufzeiten
zu den beiden Leistungstransistoren 2, 3 gleich ist. Am
Ausgang des LS-Pfads ist ebenfalls eine Verstärkerschaltung 8
angeordnet, die den Leistungstransistor 3 unmittelbar
ansteuert.
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Die beiden Leistungstransistoren 2, 3 sind in Reihe
zueinander angeordnet und weisen einen Mittelabgriff dazwischen auf,
der als Ausganganschluss für eine elektrischen Last dient.
Die jeweils mit dem Emitter der Leistungstransistoren 2, 3
verbundenen Induktivitäten Lσ stellen die
Leitungsinduktivität der Zuleitungen dar, die insbesondere bei Schaltvorgängen
zu unerwünschten, hohen induzierten Spannungen führen können.
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Damit die Schaltgeschwindigkeit des Ausgangsstromes
kontrolliert (hier begrenzt) werden kann (dies wird auch als di/dt-
Kontrolle oder Stromänderungskontrolle bezeichnet), weist
jeder Zweig HS und LS einen Rückkoppelpfad 10, 11 vom
jeweiligen Emitter (oder Source) des Leistungstransistors 2, 3 auf
den Eingang der jeweiligen Verstärkerschaltung 7, 8 auf.
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Hierzu weist der Treiber-IC 1 jeweils einen Rückkoppeleingang
12, 22 auf.
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Zur Signalbegrenzung (Strom-/Spannungsbegrenzung) sind zwei
antiparallel und in Reihe geschaltete Zenerdioden 13, 14
vorgesehen, die jeweils in den Rückkoppelpfaden 10, 11 liegen.
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Gemäß Fig. 1 können die Zenerdioden 13, 14 außerhalb des
Treiber-ICs 1 angeordnet sein. Die gleiche Wirkung wird
erzielt, wenn die Zenerdioden 13, 14 in den Treiber-IC 1
integriert in den Rückkoppelpfaden 10, 11 angeordnet sind, wie es
in Fig. 2 dargestellt ist. In den Rückkoppelpfaden 10, 11
können außerhalb des Treiber-ICs 1 gegebenenfalls noch
weitere, nicht dargestellte Bauelemente angeordnet sein. Daher ist
jeder Rückkoppelpfad 10, 11 außerhalb des Treiber-ICs 1
gestrichelt dargestellt.
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Statt der beiden Zenerdioden 13, 14 kann auch eine Zenerdiode
15 in Reihe mit einem MOS-FET 16 wie in Fig. 3 dargestellt
in den Treiber-IC 1 und in den jeweiligen Rückkoppelpfad 10,
11 integriert sein. Als Eingangsbeschaltung für den MOS-FET
16 ist bei dem Ausführungsbeispiel jeweils ein Gate-
Widerstand 17 und ein Drain-Gatewiderstand 18 außerhalb des
Treiber-ICs 1 vorgesehen.
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Bei der Erfindung können nicht nur MOS-Bauelemente verwendet
werden, sondern auch alle funktionell gleichwertigen
Bauelemente wie MOS-FET, IGBTs, Bipolartransistoren usw. Für alle
Bauelemente ist jedoch gleich, dass die di/dt-Kontrolle (d. h.
Stromänderungskontrolle, um Schaltgeschwindigkeit des
Ausgangsstromes zu kontrollieren) vollständig oder Teile der
di/dt-Kontrolle in den Treiber-IC 1 integriert sind. Hierzu
ist jeweils ein Rückkopplungseingang 12, 22 vorgesehen und es
wird der Eingang der Ausgangsverstärkerschaltung 7, 8 des
Treiber-ICs 1 dazu mitbenutzt.
Bezugszeichen
1 Treiber-IC
2, 3 Leistungstransistor
4, 5 Schmitt-Trigger
6 Potenzialtrennstufe
7, 8 Verstärkerschaltung
9 Verzögerungsstufe
10, 11 Rückkoppelzweig
12, 22 Rückkoppeleingang
13, 14, 15 Zenerdiode
16 MOS-FET
17 Gatewiderstand
18 Drain-Gate-Widerstand
HS Highside
Lσ Leitungsinduktivität
LS Lowside