DE3108385C2 - Verfahren zur Ansteuerung eines Leistungs-Feldeffekt-Schalttransistors und Schaltungsanordnungen zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Verfahren zur Ansteuerung eines Leistungs-Feldeffekt-Schalttransistors und Schaltungsanordnungen zur Durchführung des Verfahrens

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DE3108385C2 DE3108385A DE3108385A DE3108385C2 DE 3108385 C2 DE3108385 C2 DE 3108385C2 DE 3108385 A DE3108385 A DE 3108385A DE 3108385 A DE3108385 A DE 3108385A DE 3108385 C2 DE3108385 C2 DE 3108385C2
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Description

Die Erfindung Ivtrifft ein Verfahren zur Ansteuerung eines Leistungs-Feldeffekt-Schalttransistors und Schaltungsanordnungen zur Durchführung des Verfahrens.
Die Schaltzeiten von Feldeffekttransistoren werden durch die Auf- bzw. Entladezeit der Gate-Source-Kapazität des Transistors bestimmt. Insbesondere bei Leistungs-Feldeffekt-Transistoren nimmt diese Kapazität beachtliche Werte an. Um die Verluste beim Ein- und Ausschaltvorgang gering zu halten, werden möglichst kurze Schaltzeiten angestrebt. Dazu benötigt man Ansteuerschaltungen, die hohe Impulsströme liefern. Bei handelsüblichen Ansteuerschaltungen werden diese hohen Impulsströme von einer gesonderten Hilfsspannungsquelle erzeugt. Dies ist jedoch mit einem verhältnismäßig hohen Aufwand verbunden.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Ansteuerung eines Leistungs-Feldeffekt-Schalttransistors und Schaltungen zur Durchführung des Verfahrens so auszugestalten, daß hohe impulsströme für die Ansteuerung ohne gesonderte Hilfsspannungsquellen erzeugt werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zum Einschalten des Leistungs-Feldeffekt-Schalttransistors seine Gate-Source-Kapazität durch Zuschalten eines Kondensators über einen ersten Transistor aufgeladen wird und daß zum Ausschalten des Leistungs-Feldeffekt-Schalttrar.sistors die Gate-Source-Kapazität durch Einschalten eines zweiten Transistorsentladen wird.
Durch das Aufladen der Gate-Source-Kapazität über einen Kondensator und das Entladen unmittelbar über einen zweiten Transistor können hohe Impulsströme auch ohne gesonderte Hilfsspannungsquellen erzeugt werden. Dabei sind auch keine aufwendige induktive Bauelemente erforderlich.
Bei einer Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens, bei der eine erste Eingangsklemme über die Drain-Source-Strecke eines über einen Ansteuertransisior angesteuerten Leistungs-Feldeffekt-Schalttransistors vom N-Kanal-Typ mit einer ersten Ausgangsklemmc und eine zweite Eingangsklemme mit einer zweiten
Ausgangskiemme verbunden ist, lsi vurteiihofteiweiae die Drain-Source-Strecke des Leistungs-Feldeffekt-Schalttransistors von der Reihenschaltung einer Diofie deren Anode nut der dem Pluspol der Versorgungsspannungsquelle zugeordneten ersten Eiiifeangskiemme verbunden ist; und des Kondensators überbrückt; der Verbindungspunki von Diode und Kondensator uücr die ScNItstrecke eines Hilfstransistors über einen Widerstand mit dem Verbindungspunkt von Diode und Kondensator ur-i über die Schaltstrecke eines Ansteuertrar >r.istors mit der zweiten Eingangsklemme verbunden und /wischen dem Steueranschluß des Hilfstrarisistors und dem Verbindungspunkt der Steuerstrecke des Hilfstransistors mit dem Gate des Leistungs-Feldeffekt-Schaluransistors ein Widerstand angeordnet. Mit dieser Schaltungsanordnung kann das erfindungsgemäße Verfahren auf einfache Weise für Leistungs-Feldeffekt-Schalttransistoren vom N-Kanal-Typ realisiert werden.
Bei einer Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der eine erste Eingangsklernme über die Drain-Source-Strscke eines über einen Ansteuertransistor angesteuerten Lcistungs-Feldeffeki-Schalttransistors vom P-Kanal-Typ mit eine:· ersten Ausgangsklemme und eine zweite Eingangsklemme mit einer zweiten Ausgangsklemme verbunden verbunden ist, kann vorteilhafterweise zwischen Source und Gate des Leistungs-Feldeffekt-Schalttransistors die Reihenschaltung eines von einem Widerstand überbrückten Kondensators und der Schaltstrecke eines Hilfstransistors liegen, wobei der Kondensator mit dem Gate des Leistungs-Feldeffekt-Schalttransistors verbunden ist; der Verbindungspunkt von Kondensator u nd Hilfstransistor über eine Diode und Ansteuertransistor und über einen Widerstand mit der ersten Eingangs klemme verbunden sein. Damit kann das erfindungsgemäße Verfahren auf einfache Weise für Lcistungs-Fcldeffekt-Schalttransistoren vom P-Kanal-Typ realisiert werden.
Vorteilhafterweise sind Hilfstransistor und Ansteuertransistor Feld.ffekttransistoren. Damit wird die erfc r derliche Ansteuerleistung sehr gering gehalten.
Die Gate-Source-Strecke des Leistungs-Feldeffet t Schalttransistors ist zweckmäßigerweise ebenso wie eic Gate-Source-Strecke des Hilfstransistors von je einer Z-Diode überbrückt. Damit werden die Gate-Source Strecken der Transistoren gegen 'Überspannung'.v geschützt. Bei der Schaltungsanordnung für Leistung s Feldeffekt-Schalttransistoren vom P-Kanal-Typ wie dies auch erreicht, wenn die Diode eine Z-Diode ist.
Zur Schaltstrecke des hlifstransistors ist zweckmäßigerweise ein Widerstand in Reihe geschaltet. Damit wird dieser bei der AuT- bzw. Entladung dir Gate-Source-Kapazität des Leistungs-Feldeffel· t Schalttransistors vor Überströmen geschützt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Fig. I und 2 dargestellt.
Fig. 1 zeigt eine Ansteuerschaltung für einrn Leistungs-Feldeffekt-Schalttransistor Ti vom N-Kanal-Typ. In diesem Fall ist ein Feldeffekt-Transistor νοτ Anreicherungstyp eingesetzt. Der Leistungs-Feldeffek t-Schalttransistor Ti, im folgenden kurz als Lc isiungs-Fct bezeichnet, verbindet eine Eingangsklemmc Ei über eine Drossel L mit der Ausgangsklemme A 1, während die F.ingangsklcmme f:2 mit der Ausgangxklemmc A 2 verbunden ist. Die Ausgangsklemmen A 1. A2 sind von einem Gliitliingskonclensator (2 überbrückt, und /wischen el·.ή Verbindunssnunkt von Leistungs-Fei TI und der Dro-s7' L und der Ausgangsklemme A 2 liegt eine i-'reiiaufdiede D6, deren Anode der AubgangsKicn:; -e A 2 zugewandt ist. λ ·. den Eingangsklemmen Af i, £"2 steht eine Versurgu-igsipannung Ur. an, deren Pluspol an der Eingangsi-lemme Ei anliegt. Mit dieser Schaltung wirr! ein Schaltregler realisiert, wenn man den Leistungs-hei /Ί periodisch ansteuert. Die zwischen den Ausgangskiui.* men A 1, A 2 anstehende Ausgangsspannung kann
ίο durch Veränderung des Tastverhältnisses des Leistungs-Fets Ti beeinflußt werden. Während der Ausschaitreit des Leistungs-Fets Ti fließt der Strom der Drossel L über die Freilauf-Diode D 6.
Im folgenden soll nun die Ansteuerschaltung für den
rs Leistungs-Fet 7Ί beschrieben werden. Das Gate des Leistungs-Fets Ti ist über die Reihenschaltung einer Diode D 5, eines Widerstands R 2 und der Drain-Snurce-Strecke eines Ansteuer-Feldeffekt-Trunsis'ors Γ3 mit der Eingangsklemme £2 verbunden. Dabei ist die
-1» Kathode der Diode D5 dem Gate des Leistungs-Fets Ti zugewandt. Die Gate-Source-Strer' ;des Leistungs-ITotc XI ICt mit Aar Poro llalr^K^ltnnn r.'. - %f U/i Λ ~ _~. „ ~ J-IWlJ t > i-Ji um viwi ι ul uilvUCHUIIUIIg l.M.1.3 " lUL13lültU3 R7 und einer Z-Diode D3 überbrückt. Dabei ist die Anode der Z-Diode DZ dem Source-Anschluß des Leistungs-Fets 7"I zugewandt. Die Diode DS ist von einem Widerstand R 6 überbrückt.
Die Drain-Source-Strecke des Leistungs-Fets Ti ist von der Reihenschaltung einer Diode Di. eines Widerstands R 9 und eines Kondensators Cl über-
3Ί brückt. Dabei ist die Anode der Diode D1 dem Drain-Anschluß des Leistungs-Fets Ti zugewandt. Der Verbindungspunkt von Widerstand R 9 und Kondensator Ci ist über einen Widerstand /?5 und die Drain-Source-Strecke eines Hilfs-Feldeffekt-Transi-
i"> stors T2 mit dem Verbindungspunkt von Widerstand R 2 und Diode D 5 verbunden. Der Gate-Anschluß des Hilfs-Fcts T2 ist mit dem Drain-Anschluß des Ansteuer-Fets T3 und über einen Widerstand R 1 mit dem Verbindungspunkt von Widerstand /?9 und
·"' Kondensator Cl verbunden. Die Gate-Source-Strecke des Hilfs-Fets T2 ist von einer Z-Diode D4 überbrückt, deren Anode am Source-Anschluß des Hilfs-Fets Γ2 liegt.
Die Funktion der Ansteuerschaltung wird nachfol-
4"> gend im Ablauf einer Taktperiode erläutert. Ls wird zunächst davon ausgegangen, daß der Ansteuer-Fet Γ3 leitet. Damit sperrt der Leistungs-Fet Ti, da sein Gate über die Widerstände /?6 und R 2 sowie die Drain-Source-Strecke des Ansteuer-Fets T3 auf NuII-
">'r Potential liegt. Ebenso sperrt der Hilfs-Fet T2, da dessen Gate über die Drain-Source-Strecke des Ansteuertransistors 73 ebenfalls auf Null-Potential liegt. Während der Sperrzeit des Leistungs-Fets 7"1 steht an der Reihenschaltung von Diode DX. Wider-
"> stand R 9 und Kondensator Cl nahezu die volle Eingangsspannung an da die Freilaufdiode DS geflutet ist und somit deren Kathode nahezu auf Njll-Potential liegt. Der Kondensator Cl kann sich also aufladen, wobei der Widerstand R 9 eine Beschädigung der Diode D1 durch zu hohe Aufladcströme verhindert. Die Aufladung des. Ke>ndensators Cl erfolgt auf die vom Spannungsteiler R9. Ri vorgegebene Spannung IhR M(R 1 + R9).
I Im den Leistungs-Fet Ti einzuschalten, wird der
' Ansteuer-Fet 7'3 gesperrt. Damit wird über elcn rela'iv hodiHimige-'-, Widerstand /\ 1 die Spannung am Drain-Anschluß des Ansteuer-Fets Γ3 und damit auch die fiate-SnannunL' des llilfs-l'eMs 7'2 soweit aneeho-
'1CIi. d;il Wl LT I lilfs-l et 7'2 lei let. Dn mi ι wird die in I i g. I gestrichelt eingezeichnete ' iate-Source-Kapaz.itäi C11 des Leistungs-Fets I I durch den Kondensator C I über den Widerstand R 5 und den llilfs-let 12 sowie die Diode Di aufgeladen und tier Leistungs-Fet 71 leiter Der Widerstand W 5 ist verhältnismäßig niederohmig und soll lediglich den Ladestrom auf zulässige Werie begrenzen.
Damn wird der Linschaltvorgang des Leistungs-Fets Π sehr kurz und die Verlustleistung während des Kinschaltens bleibl klein. Die .Schallzeiten des Ansteuerlels T Ϊ und des Hilfs-Fets 2 sind im Verhältnis zur ■\nsteuerzeit des LeistungsFets 71 zu vernachlässigen, da die (iate-Smirce-Kapazitiit dieser I ets wegen tier kleinen Leistung gering ist.
fieim Übergang in den leitenden Zustand steigt das Source-Potential des Leistungs-Fets und damit das Potential des dem Gate des Leistungs-Fets TX /iici'u:imlicn Anschlusses des Kondensators Cl über die Eingangsspannung an. Damit wird der Leistungs-Fet ■ T I im leitenden Zustand gehalten.
Wenn nun der Leistungs-Fet 71 wieder gesperrt werden soll, so wird der Anstcucr-Fet 7*3 in den leitenden Zustund gesteuert. Damit entlädt sich die Gate-SourceKapazität des Leistungs-Fets /1 über den Widerstand R6. die Parallelschaltung von Widerstand R 2 und Z-Diode Ü4 sowie die Drain-Source-Strecke des Ansteuer-i ets 7~3. Der Widerstand R6 dient lediglich zur Strombegrenzung und weist daher kleine Werte auf. so daß ai;>_'n der Entladevorgang schnell ;■■ erfolg:. Damit wird auch die Ausschaltzeit des Leistungs-Fets Π kurz, und die Aussi halt Verluste bleiben gering.
Die Z Dioden D 3 und D4 begrenzen die Gate-Source-Spannuni: des Leistungs-Fets 7*1 bzw. des Hilfs-Fcts r· 7~2 auf zulässige Werte. Die Diode D 1 verhindert die Entladung des Kondensators Cl über den Widerstand R 9 während der l.eit/eit des Leistungs-Fets 7*1. Ober die /-!Diode D 3 bzw. den Widerstand Rl kann sich der Kondensator Cl auch aufladen, wenn der Laststrom :' Null ist.
Eine enisprechende Schaltung für einen l.eismngs-Fet TX vom P-Kanal-Tvp ist in F i g. 2 dargestellt. Auch hierbei handelt es sich um einen Schaltregler. Der Gate-Anschluß des Leislungs-Fets T\ ■'·'' ist über die Reihenschaltung eines Kondensators Cl. einer Z-Diode D2. eines Widerstandes /?8 und der Drain-.Source-.Strecke des Ansteuer-Fets 7*3 mit dem Bezügspotential der Schaltungsanordnung verbunden. Dem Kondensator Cl ist ein Widerstand Ri parallel "■" geschaltet.
Der Verbindungspunkt von Kondensator Cl und Z-Diode Dl ist über die Reihenschaltung der Drain-Source-Strecke eines Hilfs-Fets 7*2 und eines Widerstands Ki mit der F.mgangskleiiime IX verbunden, an der das positive \ ersorgungspolential ansieht. Der Gate Anschluß des I lilfs I eis Tl ist direkt mit dem \ erbindiingspunkt von /Diode 1)2 und Widerstand RH sowie über einen Widerstand R 4 mit der F.ingangsklemme /.'1 verbunden, /wischen Source-und Gaie AnschliilWles LeisMings I eis 7 1 hegt die Parallel schallung eines Widerstands Rl und einer /-Dioden D 3. tieren Kathode dem Source-Anschluß des Leistungs-Fels /I zugewandt ist.
Zur Erklärung der Funktionsweise wird zunächst davon ausgegangen, daß der Ansieuer-Fi'i /3 euigeschallet ist. D,mn fließt ein Ansteuersirom über die gestrichelt eingezeichnelc Gale-Source-Kap.izitiil des l.eisliings-l ets /l.den Kondenstor ( I. die /Diode Dl. den Widerstand RH und die Drain-Source-Strecke des Ansteuer-Fets 7~3. Damn vv ird die Gatc-Source-Kapazilät C, des l.eislungs-lets Π und ties Kondensators Cl aufgeladen, wobei tier Widerstand R 8 zur Strombegrenzung dient. Der Widerstand R 3 bestimmt tlabei den Maximalwert tier Ladespannung von Cl. Wahrend tier l.eitzeit ties I.eistungs-Fets 7*1 ist der Hilfs-Fet 7"2 gesperrt, da über die /-Diode Dl ein Strom fließt.
Der Leisuings-Fet TX kann gesperrt werden, indem tier Ansteuer-Fet Tl ausgeschaltet wird. Damit wird übe/ den Widerstand R 4 die Gatc-Soiirce-Spannung Mm.i1 angehoben, daß der Hilfs-Fet 7 2 leitet. Damit kann sich die Gate-Sourcc-K.'.pazität des Leistungs-Fets 7Ί und der Kondensator Cl über die Drain-Source-Sirecke ties Hilfs-Fets 7~2 und den Widerstand R 5 entladen. Durch den aufgeladenen Kondensator Cl wird er reicht, daß das Gate des Leistungs-Fets 7*1 um die Dioden-Schwellspannung der Z-Diode D3 über dem Potential der Source liegt. Der Widerstand R 5 client lediglich als Begr ...rvjngswiderstand für den Entladestrom und weist sehr kleine Werte auf. so daß der Entladevorgang schnell abläuft. Damit sperrt der Leisrungs-Fet Π nach kurzer Zeil, so daß die Ausschaltverluste gering bleiben.
Die Z-Dioden Dl und D3 begrenzen die Gate-Source-Spannungen des Hilfs-Fets 7*2 bzw. des Leistungs-Fets Tl auf zulässige Werte.
Zusammenfassend ist also festzustellen, daß mit den beschriebenen Schaltungen Leislungs-Fets sowohl vom N-Kanal- als auch vom P-Kanal-Typ niederohmig angesteuert werden können, so daß Auf-bzw. Entladung der Gate-Source-Kapazität des Leistungs-Fets schnell ablaufen. Damit w erden die Schaltzeilen und somit auch Ein- und Ausschaltverluste gering gehalten. Eine gesonderte Hilfsspannungsqueile ist dabei ni St notwendig. Die Schaltungen kommen mit kapazitiven Elementen aus. die wesentlich kostengünstiger als induktive Elemente sind.
Hierzu 1 Blaii Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Ansteuerung eines Leistungs-Feldeffekt-Schaittransistors, dadurch gekennzeichnet, daß zum Einschalten des Leistungs-Feldeffekt-Schalttransistors (Tl) seine Gate-Source-Kapazität durch Zuschalten eines Kondensators (Cl) über einen ersten Transistor (Tl, Γ3) aufgeladen wird und daß zum Ausschalten des Leistungs-Feldeffekt-Schalttransistors (TX) seine Gate-Source-Kapazität durch Einschalten eines zweiten Transistors (TZ, TT) entladen wird.
2. Schaltungsanordnung zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 1, wobei eine erste Eingangsklemme über die Drain-Source-Strecke eines über einen Ansteuertransistor angesteuerten Leistungs-Feldeffekt-Schaiftransistors vom N-Kanal-Typ mit einer ersten Ausgangsklemme und eine zweite Eingangsklemme mit einer zweiten Ausgangsklemme verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß Jie Drain-Source-Strecke des Leistungs-Peideiickl-Schalttransistors (TX) von der Reihenschaltung einer Diode (D X), deren Anode mit der dem Pluspol der Versorgungsspannungsquelle zugeordneten ersten Eingangsklemme (E X) verbunden ist, und des Kondensaters (CX) überbrückt ist; daß der Verbindungspunkt von Diode (D 1) und Kondensator (CX) über die Schaltstrecke eines Hilfstransistors (T2) mit dem Gate des Leistungs-Feldeffekt-Schalttransisiors (Ti) verbunden ist; daß der Steueranschluß des Hilfstransistors (Tl) über einen Widerstand (R\) mit dem Verbindungspunkt von Diode (Di) und Kondensator (C\) und über die Schaltstrecke eines Ansteutrtransistors (Ti) mit der zweiten Eingangsklemrr.e (El) verbunden ist und daß zwischen dem Steueran„jhluß des Hilfstransistors (T2) und dem Verbindungspunkt der Steuerstrecke des Hilfstransistors (Tl) mit dem Gate des Leistungs-Feldeffekt-Schalttransistors (Tl) e'n Widerstand (R T) angeordnet ist.
3. Schaltungsanordnung zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 1, wobei eine erste Eingangsklemme über die Drain-Source-Strecke eines über einen Ansteuertransistor angesteuerten Leistungs-Feldeffekt-Schalttransistors vom P-Kanal-Typ mit einer ersten Ausgangsklemme verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Source und Gate des Leistungs-Feldeffekt-Schalttransistors (T 1) die Reihenschaltung des von einem Widerstand (7? 3) überbrückten Kondensators (7Ί) und der Schaltstrecke eines Hilfstransistors (Tl) liegt, wobei der Kondensator (Ci) mit dem Gate des Leistungs-Feldeffekt-Schalttransistors (TX) verbunden ist; daß der Verbindungspunkt von Kondensator (Cl) und Hilfstransistor (Tl) über eine Diode (Dl) und die Schaltstrecke des Ansteuertransistors Γ3) mit der zweiten Eingangsklemme (El) verbunden ist und daß der Steueranschluß des Hilfstransistors (Tl) mit dem Verbindungspunkt von Diode (D 2) und Ansieuertransistor (T3) und über einen Widerstand (R4) mit der ersten Eingangsklemme (EX) verbunden ist.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 oder 3. dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfstransistor (T2)ein Feldeffekt-Transistor ist.
5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ansteuertransistor (TV) ein Feldeffekt-Transistor ist.
6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gate-Source-Strecke des Leistungs-Feldeffekt-Schalttransistors (TX) von einer Z-Diode (D3) überbrückt ist.
7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gate-Source-Strecke des Hilfstransistors (T2) von
in einer Z-Diode (D 4) überbrückt ist.
8. Schaltanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Diode (Dl) eine Z-Diode ist.
9. Schaltanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Schaltstrecke des Hilfstransistors (T2) ein Widerstand (R 5) in Reihe geschaltet ist.
10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Schalt-
:o strecke des Hilfstransistors (T2) und dem Gate des Leistungs-Feldeffekt-Schalttransistors (TX) die Parallelschaltung eines Widerstandes (R 6) und einer Diode (D 5) angeordnet ist.
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