DE4114363C2 - Schaltungsanordnung zur Leistungsteuerung eines MOSFET mit sourceseitiger Last - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Leistungssteuerung eines MOSFET mit sourceseitiger Last mit Mitteln zur Impulsbreitensteuerung der Gatespannung des MOSFET, die eine Bootstrap-Schaltung enthalten gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine derartige Schaltungsanordnung ist beispielsweise aus Elrad (1989) Heft 11, S. 48 bekannt. Um die Leistung einer Last, z. B. einer Glühbirne zu regeln, eignet sich in vielen Fällen die Me­ thode der Impulsbreitenmodulation. Als Leistungsschalter im Nie­ derspannungsbereich werden meistens MOS-Feldeffekt-Transistoren wegen ihrem niedrigen Durchlaßwiderstandes bevorzugt. Werden derartige Schaltungen in der Kfz-Technik angewendet, so tritt die Schwierigkeit auf, daß die Last einseitig an Masse ange­ schlossen werden muß. Der Schalter liegt dann auf Plus-Poten­ tial. Da aus Kostengründen nur n-Kanal-MOSFET-Feldeffekt-Tran­ sistoren eingesetzt werden, muß zur Ansteuerung am Gate eine Spannung angelegt werden, die um die Einsatzspannung des MOSFET größer als die Betriebsspannung ist.

Um dieses Problem zu lösen, haben sich zwei Verfahren bewährt. Das erste Verfahren ist die Ladungspumpe. Bei diesem Verfahren wird ein Kondensator über eine Diode auf die Betriebsspannung aufgeladen und z. B. durch ein Rechtecksignal hoher Frequenz wird dann die Spannung am Kondensator um den Amplitudenwert des Rechtecksignals erhöht. Die so entstandene Spannung am Konden­ sator kann dich nun in die Gate-Kapazität des MOSFET entladen und diesen leitend steuern. Schwierigkeiten ergeben sich jedoch dann, wenn eine periodische Abschaltung erforderlich ist, weil dabei das Gate immer voll entladen und nachher wieder schnell aufgeladen werden muß. Des weiteren kann die verhältnismäßig hohe Pumpfrequenz Anlaß für Funkstörprobleme sein.

Das zweite Verfahren ist das Bootstrap-Verfahren, bei dem ein sogenannter Bootstrap-Kondensator Verwendung findet. Ist die Last abgeschaltet, so wird der Bootstrap-Kondensator über eine Diode auf die Betriebsspannung aufgeladen. Beim Einschalten des MOSFET-Feldeffekt-Transistors verschiebt die nun an der Last an­ liegende Betriebsspannung die am Bootstrap-Kondensator anliegen­ de Spannung um eben diesen Wert. Für eine periodische Abschal­ tung der Last, wie es ja bei der Impulsbreitenmodulation der Fall ist, bietet die Bootstrap-Anordnung daher eine gute Lösung. Selbst wenn die Last nur kurz abgeschaltet wird, kann sich der Bootstrap-Kondensator wieder aufladen. Die Schaltfrequenz muß jedoch so hoch gewählt werden, daß an der Last durch das Takten der Betriebsspannung keine störenden Effekte auftreten, sondern nur der Effektivwert des Stromes variierbar ist. Bei Glühlampen sind z. B. etwa 100 Hz nötig, damit kein Flackern bemerkbar ist.

Wenn nun eine Durchsteuerung des MOSFET mit 100% gefordert ist, das heißt, der MOSFET immer leitend geschaltet sein soll, so ist dies mit dem Bootstrap-Verfahren nicht möglich. Hier müßte vom Bootstrap-Verfahren auf das Verfahren der Ladungspumpe um­ geschaltet werden. Dies bedeutet einen entsprechend hohen Schaltungsaufwand.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung zur Lei­ stungssteuerung eines MOSFET mit sourceseitiger Last anzugeben, die es ermöglicht, einen MOSFET mittels Bootstrap-Schaltung bis nahezu 100% Einschaltdauer anzusteuern.

Die Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1. Weiterbildungen sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.

Die erfindungsgemäße Schaltung ermöglichst es, nach dem Errei­ chen der höchstmöglichen Einschaltdauer, die sich bei der vor­ erst eingestellten Impulsfrequenz ergibt, die Impulsfrequenz kontinuierlich immer mehr zu erniedrigen, so daß die sehr kurz­ zeitige Lastabschaltung nun sehr selten vorkommt und ein fast dauernder, also beinahe 100%iger Einschaltzustand erreicht wird. Für die Ansteuerung einer Glühlampe wird hier die Tatsa­ che ausgenutzt, daß bei so schmalen Impulsen das Abschalten der Glühlampe optisch für das menschliche Auge nicht mehr wahrnehm­ bar ist, d. h. auch eine tiefere Wiederholfrequenz als 100 Hz nun möglich ist. Weiterhin bietet die Verwendung eines MOSFET als Leistungsschalter den Vorteil, daß die Gate-Kapazität auch bei längeren Auffrischungspausen genügend hoch geladen bleibt.

Die Erfindung wird anhand zweier Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemaße Schaltungsanordnung zur Lei­ stungssteuerung eines MOSFET mit sourceseitiger Last.

Fig. 2 zeigt den zeitlichen Verlauf der Gatespannung des MOSFET für drei Leistungswerte.

In Fig. 1 ist der Drainanschluß des MOSFET 1 über eine Eingangs­ klemme 2 mit der Betriebsspannung UB verbunden. Der Source-An­ schluß des MOSFET 1 ist über eine Last 3 mit einem festen Be­ zugspotential, z. B. Masse, verbunden. Weiterhin ist eine Schal­ tungsanordnung 4 vorgesehen, die ein erstes Ausgangssignal er­ zeugt, welches dem Gate-Anschluß des MOSFET 1 zugeführt wird. Schließlich ist ein steuerbarer Oszillator 5 vorgesehen, dessen Ausgangsfrequenz der Schaltungsanordnung 4 zugeführt wird und der durch ein zweites von der Schaltungsanordnung 4 erzeugtes Ausgangssignal gesteuert wird. Die Schaltungsanordnung 4 ent­ hält sowohl eine Bootstrap-Anordnung als auch eine Schaltungs­ anordnung zur Impulsbreitenmodulation. Der Schaltungsanordnung 4 wird außerdem ein Signal 6 zugeführt, das das Tastverhältnis des ersten Ausgangssignals steuert.

Weiterhin enthält sie Mittel, die ein Signal zum Steuern des Oszillators erzeugen.

Soll die Last abgeschaltet werden, so liegt das erste Ausgangs­ signal der Schaltungsanordnung 4 unterhalb der Einsatzspannung des MOSFET 1. Soll nun die Leistung der Last kontinuierlich er­ höht werden, so erzeugt der steuerbare Oszillator 5 eine Impuls­ folge fester Frequenz, welche durch das zweite Ausgangssignal der Schaltungsanordnung 4 bestimmt wird. Die Impulsbreite der Impulse wird nun durch die Schaltungsanordnung 4 entsprechend dem durch das Signal 6 eingestellten Leistungswert gesteuert und über die Bootstrap-Anordnung dem Gate-Anschluß des MOSFET 1 zugeführt. Die Breite der Ein-Impulse wird je nach gewünschter Leistung bis zu einem für die Bootstrap-Anordnung maximalen Wert durch die Schaltungsanordnung 4 eingestellt. Für eine mitt­ lere Leistung ist der zeitliche Verlauf der Gatespannung in Fig. 2 mit A und bei gleicher Impulsfrequenz der maximale für die Bootstrap-Anordnung mögliche Gatespannungsverlauf mit B bezeich­ net. Soll weiterhin der Leistungsverbrauch der Last 3 erhöht werden, so erzeugt die Schaltungsanordnung 4 nun ein Steuersi­ gnal, das die Frequenz des steuerbaren Oszillators 5 erniedrigt. Auf diese Weise kann eine nahezu 100% Impulsbreitenmodulation erzeugt werden. Der für diesen Fall entsprechende Gatespannungs­ verlauf ist in Fig. 2 mit C bezeichnet. Je nach Anwendungsfall könnte die Impulsfrequenz des Oszillators aber auch mit Zunahme der Impulsbreite erniedrigt werden. Dies hängt vor allem von der Art des Verbrauchers und der Anwendung ab. Hat die Last 3 eine nichtlineare Leistungskennlinie, so kann z. B. durch ent­ sprechende Steuerung der Impulsfrequenz des Oszillators 5 eine Linearisierung der Leistungskennlinie erfolgen.

Claims (4)

1. Schaltungsanordnung zur Leistungssteuerung eines MOSFET (1) mit sourceseitiger Last (3) mit

• a) Mitteln (4) zur Impulsbreitensteuerung der Gatespannung des MOSFET (1), die eine Bootstrap-Schaltung enthalten,

dadurch gekennzeichnet, daß

• b) ein in seiner Frequenz einstellbarer Oszillator (5) zur Er­ zeugung einer Impuls folge vorgesehen ist, der ein Ausgangs­ signal erzeugt,
• c) das Ausgangssignal des steuerbaren Oszillators (5) dem Mittel (4) zur Impulsbreitensteuerung zugeführt wird,
• d) Mittel vorgesehen sind, die die Impulsfrequenz des steuerba­ ren Oszillators (5) in Abhängigkeit von der Impulsbreite steuern.

2. Schaltungsanordnung zur Leistungssteuerung eines MOSFET (1) mit sourceseitiger Last (3) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsfrequenz mit Zunahme der Impulsbreite erniedrigt wird.

3. Schaltungsanordnung zur Leistungssteuerung eines MOSFET mit sourceseitiger Last (3) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsfrequenz mit Zunahme der Impulsbreite bis zu einer vorgegebenen Impulsbreite konstant bleibt und nach Erreichen der vorgegebenen Impulsbreite bei konstanter Impulsbreite verringert wird.