AT501426B1 - Brückenzweig mit zwei schalttransistoren - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiterschalteinrichtung mit zumindest einer Halbbrücke, welche in jedem Brückenzweig einen eine inhärente Inversdiode besitzenden Schalttransistor enthält und jedem Schalttransistor eine externe Freilaufdiode gleichsinnig zu der inhärenten Inversdiode parallel geschaltet ist, wobei die Schalttransistoren von einer Ansteuerschaltung 5 angesteuert werden, um über je einen Zweig eine positive bzw. negative Gleichspannung an eine Last zu schalten.

Netzteile bzw. elektronisch steuerbare Leistungsstromquellen (Leistungsverstärker) etc. werden heute wegen des höheren Wirkungsgrades meist nicht mehr als Längsregler (Netzgeräte) bzw. io als konventionelle Linearverstärker (komplementäre Endstufen im A- bzw. AB-Betrieb) sondern zunehmend als geschaltete Systeme ausgeführt.

Das einer praktischen, beispielsweisen Realisierung gemäß Fig. 1 entnehmbare Grundprinzip einer elektronisch steuerbaren Leistungsstromquelle (Leistungsverstärker) basiert darauf, dass 15 ein zu verstärkendes Steuersignal u, in einer Ansteuerschaltung AST zunächst in ein pulsbreitenmoduliertes Rechtecksignal s umgeformt wird, z. B. mittels eines Komparators KOM und eines Dreieckgenerators DEG. Dieses Signal wird mit Hilfe eines nicht invertierenden und eines invertierenden Verstärkerelements VSE bzw. NVE zu zwei komplementären Signalen s, und s2 verarbeitet. Diese steuern einen leistungselektronischen Umschalter, an dessen Wurzelpunkt 20 ein pulsbreitenmoduliertes Leistungssignal us entsteht. Die Amplitude dieses Signals entspricht dabei näherungsweise der konstanten Versorgungs-Gleichspannung ±U. Als Arbeitsfrequenz (Taktfrequenz des elektronischen Umschalters) muss ein Wert gewählt werden, der signifikant größer ist als die Bandbreite des Eingangssignales ut. Anschließend wird die pulsbreitenmodulierte Spannung einem idealerweise verlustfreien Reaktanzfilter L-C zugeführt, welches die 25 unerwünschten taktfrequenten Frequenzkomponenten wieder unterdrückt, so dass am Ausgang des Verstärkers an einer Last LAS wiederum das gewünschte quasikontinuerliche Signal u0 zu liegen kommt.

Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Halbleiterschalteinrichtung wird üblicherweise (siehe z.B. 30 US 5,808,327 A oder US 2003/0137858 A1) aus zwei Leistungs-MOSFETs ST1, ST2 einer Halbbrücke gebildet, welche alternierend durch die komplementären Signale s-, und s2 angesteuert werden. Dieser Transistortyp weist als Majoritätsträgerbauteil eine im Prinzip sehr hohe Schaltgeschwindigkeit auf, doch kann dieser Vorteil nicht ausgenutzt werden, weil die den Brückenzweig bildenden MOSFETs auch jeweils eine, aus der vertikalen Halbleiterstruktur 35 begründete, Inversdiode ID1 bzw. ID2 beinhalten. Der Stromübergang (Kommutierung) erfolgt dabei stets zwischen einem Transistor und der gegenüberliegenden Inversdiode, hier Transistor ST1 und Inversdiode ID2 oder Transistor ST2 und Inversdiode ID1) bzw. umgekehrt. Die Inversdioden der MOSFETs können zwar als Freilaufdioden genutzt werden, doch führt dies zu hohen Schaltverlusten, weil die Dioden als an sich parasitäre Bauelemente schlechte dynami-40 sehe Eigenschaften, d. h., eine große Sperrverzugszeit bzw. Sperrverzugsladung aufweisen, welche nicht mit den Werten von optimierten externen Dioden zu vergleichen sind.

Bei einfachen, aus zwei MOSFETs bestehenden Halbbrücken kann somit die an sich hohe Schaltgeschwindigkeit der Transistoren nicht effizient genutzt werden. Es treten hohe Schaltver-45 luste auf bzw. es ist die erreichbare Schaltfrequenz auf relativ niedere Werte begrenzt, da bei jedem Schaltvorgang stets ein langsames Bauteil, nämlich die Inversdiode, involviert ist. Die erreichbare Schaltfrequenz ist von der, wie oben erwähnt relativ langsamen Inversdiode bestimmt. so Zur Umgehung dieses fundamentalen Nachteiles liegt es nahe, jedem MOSFET gemäß Fig. 2 eine zusätzliche, externe Freilaufdiode EFD mit guten Schalteigenschaften parallel zu schalten. Leider bringt diese Anordnung nicht den gewünschten Erfolg, weil die Inversdiode des MOSFETs üblicherweise eine geringere Fluss-Spannung wie die parallelgeschaltete schnelle Diode EFD aufweist. Diese übernimmt deshalb den zu führenden Gesamtstrom nur zu einem 55 sehr geringen Teil, der Großteil verbleibt weiterhin in der (langsamen) internen Inversdiode ID1. 3 AT 501 426 B1

Nach dem derzeitigen Stand der Technik wird deshalb, wie in Fig. 3 dargestellt, meist durch eine zusätzliche, in Serie zu dem Transistor ST1 geschaltete Sperrdiode SPD verhindert, das die Inversdiode ID1 des Transistors Strom in Vorwärtsrichtung annehmen kann und die Schalteigenschaften des Brückenzweiges verschlechtert. Die Schalteigenschaften werden nämlich 5 nun durch die externe gute Freilaufdiode FD1 bestimmt. Das "Abklemmen" der internen Inversdiode des Haupttransistors ID1 mit der Sperrdiode SPD führt so zu wesentlich geringeren Schaltverlusten bzw. ermöglicht die angestrebte hohe Schaltfrequenz. Allerdings bringt diese Lösung wieder den Nachteil, dass die Diode SPD zusätzlich im Hauptstrompfad des Transistors ST1 liegt. Daher wird die effektive Durchlassspannung des Transistors ST1 um die Leitspan-io nung der Diode SPD erhöht. Zwar kann die Diode SPD in vorteilhafter Weise als Schottky-Diode ausgebildet sein, da dieser Typ eine geringe Fluss-Spannung besitzt, dennoch ergeben sich deutlich höhere Leitverluste der Schalteranordnung.

Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Schalteinrichtung zu schaffen, bei welcher eine 15 Stromführung der Inversdiode von Schalttransistoren, insbesondere MOSFETs in Brückenzweigen unterbunden wird, bei welcher jedoch keine nennenswerten Zusatzverluste auftreten, die von einer in Serie zu dem Transistor geschalteten Sperrdiode herrühren.

Diese Aufgabe wird mit einer Halbleiterschalteinrichtung der eingangs genannten Art erfin-20 dungsgemäß dadurch gelöst, dass in jedem Brückenzweig in Serie mit dem Schalttransistor, gegenpolig zu diesem ein Hilfstransistor geschaltet ist, welcher von der Ansteuerschaltung durchgesteuert wird, wenn die Stromrichtung in dem Brückenzweig der Durchlassrichtung der Inversdiode des Hilfstransistors entspricht. 25 Die Erfindung bietet insbesondere in jenen Fällen, in welchen hohe Leistungen geschaltet oder gesteuert werden sollen den Vorteil, dass dies mit hohen Schaltfrequenzen und geringen Verlusten erfolgen kann.

Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Ansteuerschaltung dazu 30 eingerichtet ist, jeden Hilfstransistor dann durchzusteuern, wenn dessen Drain-Source-Spannung negativ ist. Auf diese Weise kann, ausgehend von einer einfachen Spannungsmessung, der Hilfstransistor leicht angesteuert werden.

Eine weitere zweckmäßige, weil besonders kostengünstige Ausführungsform zeichnet sich 35 dadurch aus, dass jeder Hilfstransistor eine bezüglich der Sperrspannung des Schalttransistors niedrige Sperrspannung besitzt.

Im Sinne einer anderen günstigen Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass dem Hilfstransistor eine Schottky-Diode parallel geschaltet ist, wobei deren Polung jener der 40 dem Hilfstransistor inhärenten Inversdiode entspricht.

Die Erfindung samt weiterer Vorteile ist im folgenden an Hand beispielsweiser Ausführungen näher erläutert, die in der Zeichnung veranschaulicht sind. In dieser zeigen 45 50

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau einer Halbleiterschalteinrichtung mit einer Halbbrücke, nach dem Stand der Technik,

Fig. 2 ein Lösungsansatz zur Vermeidung der Nachteile der Inversdiode der Schalttransistoren in einem Ausschnitt einer Schaltung nach Fig. 1, gleichfalls nach dem Stand der Technik,

Fig. 3 eine verbesserte Lösung nach dem Stand der Technik zur Vermeidung der Nachteile der Inversdiode der Schalttransistoren, wieder in einem Ausschnitt einer Schaltung nach Fig. 1 und

Fig. 4 eine Schaltung nach der Erfindung in einer der Fig. 1 entsprechenden Schaltungskonfiguration. 55

Claims (4)

1. 4 AT 501 426 B1 Ein mögliches Ausführungsbeispiel der Erfindung, wie nun in Zusammenhang mit Fig. 4 beschrieben, entspricht in der Grundstruktur der Schaltung nach Fig. 1, jedoch ist nun in jedem Brückenzweig in Serie mit dem Schalttransistor ST 1, ST2, gegenpolig zu diesem ein Hilfstransistor HT1, HT2 geschaltet. Dieser Hilfstransistor wird gleichfalls von der Ansteuerschaltung 5 angesteuert und zwar so, dass er immer durchgesteuert wird, wenn die Stromrichtung in dem Brückenzweig der Durchlassrichtung der Inversdiode HI1, HI2 des Hilfstransistors HT1, HT2 entspricht, wodurch eine aktive Unterdrückung des Inversstromes durch den zugehörigen Schalttransistor erfolgt. io Auf einfache Weise kann als Kriterium für das Ansteuern der Hilfstransistoren HT1, HT2 deren Drain-Source-Spannung in folgender Weise herangezogen werden: Immer wenn diese Spannung negativ ist, erfolgt über die Ansteuerschaltung AST ein Durchsteuern der Hilfstransistoren und zu diesem Zweck wird die genannte Spannung über aus Fig. 4 ersichtliche Leitungen s und d der Ansteuerschaltung AST als Schaltkriterium zugeführt. An dieser Stelle sei angemerkt, 15 dass die Source- Anschlüsse der jeweiligen Haupt- und Hilfstransistoren ST1, ST2 und HT1, HT2 nicht „direkt“ miteinander verbunden sein müssen, d. h., es könnte zwischen diesen Source-Anschlüssen beispielsweise auch ein niederohmiger Messwiderstand liegen. Dieser kann vorteilhafterweise z. B. dazu verwendet werden, um für die Ansteuerschaltung AST eine einfache Möglichkeit zur Messung des Laststromes zu schaffen, etwa um eine Überstrom-20 Abschaltung zu realisieren. Alternativ zu dieser Steuerungsmethode für die Hilfstransistoren HT1, HT2 ist es aber auch denkbar, diese Transistoren über ein Signal anzusteuern, welches beispielsweise aus den externen Leitbedingungen des Brückenzweiges abgeleitet wird. Beispielsweise können die 25 Hilfstransistoren immer dann angesteuert werden, wenn der Ausgangsstrom des Brückenzweiges positiv ist. Eine weitere vorteilhafte Ausführungsvariante ergibt sich dadurch, dass parallel zu jedem Hilfstransistor HT1, HT2 in gleicher Polung wie dessen Inversdiode ID1, ID2 eine externe Schottky-30 Diode SD1 angeordnet wird. Dadurch wird verhindert, dass die Inversdiode beim Ein- bzw. Abschalten der Gate-Ansteuerung des Hilfstransistors HT1, HT2 kurzfristig leitend wird, wodurch die dynamischen Eigenschaften der Gesamtschaltung verbessert werden. Eine solche, in Fig. 4 gestrichelt gezeichnete Variante empfiehlt sich beispielsweise falls das Steuersignal nicht besonders zeitstabil ist. 35 Die gezeigte Ausführung der Erfindung kann im Rahmen des beantragten Schutzes in vielerlei Hinsicht abgeändert werden. Beispielsweise ist die Erfindung auch in Zusammenhang mit einer Vollbrücke, in diesem Fall mit vier Schalttransistoren, verwendbar. 40 Patentansprüche: 1. Halbleiterschalteinrichtung, mit zumindest einer Halbbrücke, welche in jedem Brückenzweig einen eine inhärente Inversdiode (ID1, ID2) besitzenden Schalttransistor (ST1, ST2) 45 enthält und jedem Schalttransistor eine externe Freilaufdiode (FD1, FD2) gleichsinnig zu der inhärenten Inversdiode parallel geschaltet ist, wobei die Schalttransistoren von einer Ansteuerschaltung (AST) angesteuert werden, um über je einen Zweig eine positive bzw. negative Gleichspannung (+U, -U) an eine Last (LAS) zu schalten, dadurch gekennzeichnet, dass so in jedem Brückenzweig in Serie mit dem Schalttransistor (ST1, ST2), gegenpolig zu diesem ein Hilfstransistor (HT1, HT2) geschaltet ist, welcher von der Ansteuerschaltung (AST) durchgesteuert wird, wenn die Stromrichtung in dem Brückenzweig der Durchlassrichtung der Inversdiode (HI1, HI2) des Hilfstransistors (HT1, HT2) entspricht.
2. 2. Halbleiterschalteinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuer- 5 AT 501 426 B1 Schaltung (AST) dazu eingerichtet ist, jeden Hilfstransistor (HT1, HT2) dann durchzusteuern, wenn dessen Drain-Source-Spannung negativ ist.
3. 3. Halbleiterschalteinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder 5 / Hilfstransistor (HT1, HT2) eine bezüglich der Sperrspannung des Schalttransistors (ST1, ST2) niedrige Sperrspannung besitzt.
4. 4. Halbleiterschalteinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass dem Hilfstransistor (HT1, HT2) eine Schottky-Diode (SD1, SD2) parallel geschaltet ist, wobei io deren Polung jener der dem Hilfstransistor inhärenten Inversdiode (HI1, HI2) entspricht. Hiezu 2 Blatt Zeichnungen 15 20 25 30 35 40 45 50 55