DE19603117A1

DE19603117A1 - Verpolungs-Schutzschaltung

Info

Publication number: DE19603117A1
Application number: DE19603117A
Authority: DE
Inventors: Laslo Kiraly
Original assignee: International Rectifier Corp USA
Current assignee: Infineon Technologies Americas Corp
Priority date: 1995-02-17
Filing date: 1996-01-29
Publication date: 1996-08-29
Also published as: KR960032836A; US5757600A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verpolungs-Schutzschaltung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art, wobei diese Schutzschaltung dazu dient, gegen eine Verpolung empfind liche Lastschaltungen gegen Schäden zu schützen, wenn beispiels weise eine Batterie oder eine andere Gleichspannungsquelle mit falscher Polarität angeschlossen wird.

Es ist bekannt, daß eine Diode, die mit den Lastanschlüssen einer gegen Verpolung empfindlichen Last in Serie geschaltet ist, wobei die Anode der Diode mit dem positiven Lastanschluß verbunden ist, das Fließen eines Laststromes verhindern kann, wenn eine Batterie oder eine andere Gleichstromquelle mit der Last mit falscher Polarität verbunden wird. In gleicher Weise kann eine Verpolungsschutzdiode mit ihrer Anode mit dem nega tiven Lastanschluß verbunden werden. In jedem Fall beträgt jedoch der Durchlaßspannungsabfall einer derartigen Diode unge fähr 0,6 Volt, was wesentlich zu einer Verringerung der Spannung einer mit niedriger Gleichspannung betriebenen Schaltung bei trägt, beispielsweise einer Schaltung, die aus einer 6-Volt- Batterie oder dergleichen gespeist wird.

Um diesen Spannungsabfall zu vermeiden, wurden derartige Dioden parallel zu den Anschlüssen für die Gleichspannungsquelle und zu den Lastanschlüssen und in Serie mit einer Sicherung geschaltet, die in Serienschaltung mit der Last angeordnet ist. Die Diode ist so gepolt, daß sie in Durchlaßrichtung leitet, wenn die Batterie falsch angeschlossen wird, wodurch die Sicherung aus gelöst und die Last geschützt wird. Dies hat den naheliegenden Nachteil, daß zum Rücksetzen der Schaltung die Sicherung er setzt werden muß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verpolungs schutzschaltung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der der durch die Schutzschaltung hervorgerufene Spannungs abfall wesentlich verringert ist, so daß der Einsatz dieser Schutzschaltung auch bei niedrigen Gleichspannungen möglich ist, wobei weiterhin ein Zurücksetzen der Schaltung nach einem fehlerhaften Anschluß der Gleichspannungsquelle an die Last- und Schutzschaltung nicht erforderlich 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 Schutzschaltung ist ein Transistor, vorzugsweise ein MOSFET, beispielsweise ein N-Kanal-Leistungs- MOSFET mit vertikaler Stromleitung, wie z. B. ein unter der Bezeichnung "HEXFET" von der Firma International Rectifier Corporation vertriebener MOSFET, an der Stelle angeordnet, an der bisher die Verpolungsschutz-Diode angeschaltet wurde. Hier bei ist die Drainelektrode des MOSFET mit dem negativen An schluß der Gleichspannungsquelle verbunden, während die Gate elektrode mit dem positiven Anschluß der Gleichspannungsquelle verbunden ist. Wenn die Polarität der Batterie oder einer anderen Gleichstromquelle richtig ist, so schaltet die Spannung zwischen den Source- und Gateelektroden den MOSFET ein. Daher entspricht der einzige Durchlaßspannungsabfall demjenigen, der aufgrund des niedrigen Einschaltwiderstandes des MOSFET ent steht. Wenn jedoch die Polarität falsch ist, so ist der MOSFET abgeschaltet und er sperrt den Stromfluß. Wenn der MOSFET von der Art ist, die eine in dem MOSFET enthaltene Hauptkörper-Diode aufweist, so ist dieser MOSFET so eingeschaltet, daß diese Hauptkörper-Diode so gepolt ist, daß sie den Laststrom sperrt, wenn die Polarität falsch ist.

Gemäß einer anderen Ausführungsform kann auch ein bipolarer Transistor in der vorstehend beschriebenen Weise verwendet werden.

Da der Durchlaßspannungsabfall eines vollständig durchgeschal teten MOSFET′s wesentlich geringer ist, als der einer Halb leiterdiode, kann die erfindungsgemäße Schutzschaltung selbst bei sehr niedrigen Betriebsspannungen verwendet werden.

Sollte die Betriebsspannung nicht ausreichend sein, um die für ein vollständiges Durchschalten des MOSFET′s benötigte Gate- Source-Spannung zu liefern, so ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Verwendung einer Gleich spannungsvergrößerungs- oder -vervielfacherschaltung vorge sehen, die an die Betriebsspannung angeschaltet ist und eine wesentlich höhere Ausgangsspannung liefert, als diese Betriebs spannung.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen noch näher erläutert.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine bekannte Verpolungs-Schutzschaltung unter Verwendung einer Diode zur Verhinderung eines Stromflusses, wenn eine Batterie mit falscher Polung an eine Gleichspannungs last angeschaltet ist,

Fig. 2 eine bekannte Verpolungs-Schutzschaltung ähnlich der nach Fig. 1, wobei jedoch die Schutzdiode an einer anderen Stelle angeordnet ist,

Fig. 3 eine weitere bekannte Schutzschaltung unter Ver wendung einer Diode und einer Sicherung,

Fig. 4 ein Schaltbild einer Ausführungsform einer Ver polungs-Schutzschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung,

Fig. 5 ein Schaltbild einer weiteren Ausführungsform ähnlich der nach Fig. 4 unter Verwendung eines mit geschalteten Kondensatoren arbeitenden Spannungswandlers, der ein Einschalten des MOSFET sicherstellt, wenn die Batterie richtig gepolt ist,

Fig. 6 ein Schaltbild einer Ausführungsform der Verpolungs-Schutzschaltung unter Verwendung eines bipolaren Transistors anstelle eines MOSFET.

In Fig. 1 ist eine Gleichspannungslast 10 gezeigt, die eine be liebige Art von Last ist, die gegen eine Verpolung der Gleich spannungs-Betriebsspannung empfindlich ist. Eine Gleichspan nungsquelle 11, die eine Batterie oder irgendeine andere Gleichspannungsquelle sein kann, ist mit der Last 10 über einen Ein-Aus-Schalter 12 und eine Diode 13 verbunden. Die Last 10 weist einen positiven Anschluß 14 und einen negativen Anschluß 15 auf. Die Batterie 11, die irgendeine gewünschte Spannung V_B aufweist, die sehr niedrig sein könnte, beispielsweise 1,5 Volt, ist mechanisch in einer (nicht gezeigten) Halterung befestigt, die positive und negative Gleichspannungs-Versor gungsanschlüsse 16 bzw. 17 aufweist.

Es ist häufig möglich, versehentlich die Gleichspannungsquelle oder Batterie 11 mit den Anschlüssen 16 und 17 mit falscher Polarität zu verbinden. In diesem Fall kann die Last 10 be schädigt werden, wenn sie gegenüber einer Verpolung empfindlich ist. Die Diode 13 ist jedoch so gepolt, daß sie einen Stromfluß durch die Last 10 sperrt, wenn der positive Anschluß der Gleich spannungsquelle mit dem Anschluß 17 und nicht mit dem Anschluß 16 verbunden wird. Der Nachteil der Schaltung nach Fig. 1 be steht darin, daß der Durchlaßspannungsabfall an der Diode 13 ungefähr 0,6 Volt beträgt, was einen Betrieb der Last 10 beein trächtigen oder verhindern kann, wenn die Gleichspannung V_B niedrig ist und beispielsweise 1,5 Volt beträgt.

Es ist weiterhin möglich, eine Verpolungs-Schutzdiode 20 in der Schaltung nach Fig. 2 zu verwenden, in der den Teilen nach Fig. 1 entsprechende Teile die gleichen Bezugsziffern aufweisen. Auch diese Schaltung weist den Nachteil eines Durchlaßspannungs abfalls von 0,6 Volt im Normalbetrieb auf.

Fig. 3 zeigt eine weitere bekannte Schutzschaltung, bei der das Problem des Dioden-Spannungsabfalls der Schaltungen nach den Fig. 1 und 2 beseitigt ist, die jedoch zusätzlich Bauteile benötigt. So ist in Fig. 3 die Diode 25 parallel zur Last 10 und in Serie mit einer Sicherung 26 angeschaltet. Die Sicherung 26 löst aus, wenn die Batterie 10 mit falscher Polarität ange schlossen wird. Um die Schaltung zurückzusetzen, muß jedoch die Sicherung 26 ersetzt werden.

Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der ein N-Kanal-Leistungs-MOSFET 30 mit vertikaler Strom leitung an der Stelle der Verpolungs-Schutzdiode 20 nach Fig. 2 eingeschaltet ist. Der MOSFET 30 weist eine Drain-Elektrode 31, die mit dem negativen Anschluß 17 verbunden ist, einen Source- Anschluß 32, der mit dem negativen Lastanschluß 15 verbunden ist, und einen Gate-Anschluß 33 auf, der mit dem positiven Lastanschluß 14 verbunden ist. Der MOSFET 30 weist weiterhin aufgrund seiner Konstruktion eine in ihm enthaltene Diode 34 auf, die in der in Fig. 4 gezeigten Weise gepolt und damit ähnlich wie die Verpolungs-Schutzdiode 20 nach Fig. 2 geschaltet ist.

Wenn im Betrieb die Polarität der Gleichspannungsquelle richtig ist und der Schalter 12 geschlossen wird, so tritt eine Gate- Source-Spannung V_GS, die gleich der Spannung V_B abzüglich des Spannungsabfalls V_BODY ist, der längs der Diode 34 abfällt. Der MOSFET 30 ist so gewählt, daß er bei dieser Gate spannung einschaltet, so daß der Einschaltwiderstand des MOSFET′s der einzige zusätzlich Schaltungswiderstand ist. Durch Auswahl eines ausreichend großen MOSFET′s kann irgendein ge wünschter niedriger zusätzlicher Widerstand in die Schaltung eingeführt werden. Wenn die Batterie 11 jedoch mit falscher Polarität angeschaltet wird, so wird der MOSFET nicht einge schaltet und die Diode 34 sperrt den Laststrom. Ein typischer MOSFET, der für diese Schaltung verwendet werden kann, ist der "HEXFET"-MOSFET vom Typ IRF 830.

In der vorstehend beschriebenen Schaltung nach Fig. 4 ist es zweckmäßig, einen (nicht gezeigten) Gate-Widerstand in den Gate-Kreis des MOSFET 30 einzuschalten. Weiterhin kann der MOSFET 30 in der gezeigten Weise ein N-Kanal-Bauteil sein, oder er kann ein P-Kanal-Bauteil sein. Weiterhin könnte auch ein MOSFET ohne eine Hauptkörper-Diode anstelle des MOSFET 30 mit vertikaler Stromleitung verwendet werden.

Wenn die Spannung V_B der Gleichspannungsquelle sehr niedrig ist, beispielsweise kleiner als 5 Volt ist, so kann es möglich sein, daß der MOSFET 30 nach Fig. 4 nicht in zuverlässiger Weise einschaltet, wenn der Schalter 12 geschlossen wird. In einem derartigen Fall kann der Gate-Anschluß 33 mit den An schlüssen 16-14 über eine Spannungsverstärkereinrichtung oder Spannungsvervielfachereinrichtung verbunden werden. So kann gemäß Fig. 5 ein mit geschalteten Kondensatoren arbeitender Spannungswandlerchip 40 verwendet werden, um den Gate-Anschluß 33 mit den Anschlüssen 16-14 zu verbinden. Das Chipbauteil 40 kann ein Bauteil vom Typ MAX 619 sein, das eine Eingangsspannung von 2,0 bis 3,6 Volt am Anschluß 16 auf 5 Volt am Gateanschluß 33 umwandelt, so daß der MOSFET 30 in zuverlässiger Weise in den leitfähigen Zustand angesteuert wird, wenn die Batterie 11 richtig angeschlossen ist. Wie dies in Fig 5 gezeigt ist, sind drei Kondensatoren 50, 51 und 52 mit den Anschlüssen des Chip bauteils 40 in der gezeigten Weise verbunden.

In der vorstehenden Beschreibung könnte der MOSFET 30 irgendein gewünschtes Bauteil mit MOS-Gatesteuerung sein, so daß dieses Bauteil auch beispielsweise ein IGBT mit gleicher Polung sein könnte.

Fig. 6 zeigt die Art und Weise, wie die Erfindung unter Ver wendung eines bipolaren PNP-Transistors 130 ausgeführt werden kann. Hierbei ist eine Batterie 131 mit einer Spannung V_B vorgesehen, um eine Gleichspannungslast 132 über den Emitter- Kollektor-Kreis des Transistors 130 zu speisen. Ein Widerstand 133 verbindet die Basis des Transistors 130 mit dem negativen Anschluß der Batterie 131.

Im Normalbetrieb ist die Basis-Emitter-Diode des Transistors 130 über den Widerstand 133 in Durchlaßrichtung vorgespannt. Der Transistor 130 schaltet ein, und eine Ausgangsspannung von V_B-V_ce(sat) wird an die Last angelegt.

Wenn die Batterie 131 jedoch mit umgekehrter Polarität einge setzt wird, so ist das Emitterpotential des Transistors 130 gleich (-)V_B, und der Transistor 130 ist abgeschaltet, so daß die Last 132 von der Batterie 131 getrennt ist.

Eine Diode 140 ist der Schaltung nach Fig. 6 hinzugefügt, wenn die Spannung der Batterie 131 höher als die Basis-Emitter-Durch bruchspannung des Transistors 130 ist (typischerweise 7 Volt). Ohne die Diode 140 kann bei einer Verpolung der Batterie 131 ein Durchbruch der Basis-Emitter-Grenzschicht auftreten. Die Diode 140 verhindert diesen Durchbruch.

Es ist für den Fachmann ohne weiteres zu erkennen, daß die Schaltung nach Fig. 6 auch mit einem bipolaren NPN-Transistor aufgebaut werden könnte.

Claims

1. Verpolungs-Schutzschaltung für ein gegen eine Verpolung empfindliches Gerät, das aus einer Gleichspannungsquelle, beispielsweise eine Batterie betreibbar ist, die trennbar mit dem Gerät verbunden ist, wobei die Schutzschaltung erste und zweite Anschlußeinrichtungen zur Verbindung mit ersten und zweiten Anschlüssen der Gleichspannungsquelle und erste und zweite Lastanschlüsse aufweist, die mit den ersten und zweiten Anschlüssen der Gleichstromquelle verbunden sind, wobei ein Halbleiter-Verpolungsschutzelement vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiter-Verpolungsschutz element durch ein steuerbares Halbleiterelement (30; 130) gebildet ist, das erste und zweite Leistungsanschlüsse (31, 32) und einen Steueranschluß (33) aufweist, daß der erste Lastan schluß (14) mit der ersten Anschlußeinrichtung (16) für den Anschluß des einen Pols der Gleichspannungsquelle (11) verbunden ist, daß der erste Leistungsanschluß (32) des Halbleiterbauteils mit dem zweiten Lastanschluß (15) verbunden ist, daß der zweite Leistungsanschluß (31) des Halbleiterbauteils mit der zweiten Anschlußeinrichtung (17) verbunden ist, die mit dem anderen Pol der Gleichspannungsquelle (11) verbindbar ist, daß die Steuer elektrode (33) des Halbleiterbauteils mit dem Verbindungspunkt zwischen der ersten Anschlußeinrichtung (16) zur Verbindung mit dem ersten Pol der Gleichspannungsquelle (11) und dem ersten Lastanschluß (14) verbunden ist, und daß das Halbleiterbauteil derart ausgebildet ist, daß bei richtiger Anschaltung der Gleichspannungsquelle (11) an die ersten und zweiten Anschluß einrichtungen (16 bzw. 17) das Halbleiterbauteil durchgeschaltet ist und eine Verbindung zwischen seinen Leistungsanschlüssen (31, 32) ergibt, während, wenn die Gleichspannungsquelle (11) mit falscher Polarität angeschaltet ist, das Halbleiterbauteil gesperrt ist und einen Laststrom durch die Last (10) verhindert.

2. Verpolungs-Schutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Schaltereinrichtungen (12) in Serie mit den ersten und zweiten Gleichspannungsquellen-Anschlußein richtungen (16, 17) und den ersten und zweiten Lastanschlüssen (14, 15) eingeschaltet sind.

3. Verpolungs-Schutzschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterbauteil ein MOSFET (30) mit einer den ersten Leistungsanschluß bildenden Source- Elektrode (32), einer den zweiten Leistungsanschluß bildenden Drainelektrode (31) und einen den Steueranschluß bildenden Gateelektrode (33) ist.

4. Verpolungs-Schutzschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschaltung eine Spannungs verstärkerschaltung (40) einschließt, die zwischen dem Verbin dungspunkt zwischen der ersten Anschlußeinrichtung (16) und dem ersten Lastanschluß und der Gateelektrode (33) eingeschaltet ist, um eine ausreichend hohe Spannung zwischen der Gateelek trode (33) und der Sourceelektrode (32) zu liefern, damit der MOSFET eingeschaltet wird, wenn die Gleichspannungsquelle (11) mit den Anschlußeinrichtungen (16, 17) mit der richtigen Polarität verbunden ist.

5. Verpolungs-Schutzschaltung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der MOSFET (30) eine in ihm ausge bildete Hauptkörper-Diode (34) aufweist, daß der Drain-Anschluß (31) mit dem negativen Anschluß der Gleichspannungsquelle verbunden ist, daß der Source-Anschluß (32) mit dem negativen Lastanschluß (15) verbunden ist, daß der Gate-Anschluß mit der positiven Anschlußeinrichtung (16) für die Gleichspannungsquelle (11) verbunden ist, und daß die Diode (34) mit ihrer Anode mit dem Drain-Anschluß (31) verbunden ist, während ihre Kathode mit dem Source-Anschluß (32) verbunden ist.

6. Verpolungs-Schutzschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichspannungsquelle eine Batterie (11) ist, und daß die Batterie eine Anode und eine Kathode aufweist, die mit der positiven bzw. negativen An schlußeinrichtung verbunden sind.

7. Verpolungs-Schutzschaltung nach einem der Ansprüche 3-6, dadurch gekennzeichnet, daß der MOSFET ein Leistungs-MOSFET mit vertikaler Stromleitung ist, und daß die Diode die in dem MOSFET ausgebildete Hauptkörper-Diode des Leistungs-MOSFET ist.

8. Verpolungs-Schutzschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterbauteil ein bipolarer Transistor (130) ist.