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  • 法律状态
  • 优先权
    • 专利摘要:
    EineSchaltung zum Verhindern eines Durchschlags in einem spannungsseitigenSchaltertransistor, der in Serie mit einem erdseitigen Schaltertransistorlängs einerVersorgungsspannung angeschaltet ist, wobei die Schaltung eine Bezugsspannungsschaltungmit einem Ausgang aufweist, der eine Bezugsspannung liefert, dienegativ bezüglichder dem spannungsseitigen Schaltertransitor zugeführten Versorgungsspannungist, wobei die Bezugsspannung der Steuerelektrode des spannungsseitigenSchaltertransistors zugeführtwird, wenn der spannungsseitige Schaltertransistor abgeschaltetist und die Source des spannungsseitigen Schaltertransistors dieBezugsspannung übersteigtund der erdseitige Schaltertransistor eingeschaltet ist.
    公开号:DE102004022800A1
    申请号:DE200410022800
    申请日:2004-05-10
    公开日:2004-12-09
    发明作者:Chik Yam Lee；Vincent Thiery
    申请人:Infineon Technologies Americas Corp；
    IPC主号:H01L27-04
    专利说明:
    [0001] DieErfindung bezieht sich auf eine Gate-Treiberschaltung für Leistungs-MOSFET's der im Oberbegriffdes Anspruchs 1 genannten Art.
    [0002] DieseAnmeldung beansprucht die Vorrechte und die Priorität der provisorischenUS-Patentanmeldung mit dem Titel „MOSFET GATE DRIVER WITH A NEGATIVEGATE VOLTAGE" (IR-1849(2-2284)) vom 12. Mai 2003 mit dem Aktenzeichen 60469923, derengesamte Offenbarung durch diese Bezugnahme hier mit aufgenommenwird.
    [0003] Insbesonderebezieht sich die vorliegende Erfindung auf das Verhindern von Durchschlagströmen in Schaltungenmit MOSFET-Schaltern, beispielsweise in Halbbrücken- und H-Brücken-Schalter-Schaltungenzum Schalten einer Last, beispielsweise eines Elektromotors. Beieiner typischen MOSFET-Schalter-Schaltung,beispielsweise einer Halbbrückenschaltung,sind zwei MOSFET'sin Serie angeordnet, von denen einer der spannungsseitige Schalterund der andere der erdseitige Schalter ist. Der spannungsseitigeSchalter ist mit einer ersten höherenSpannungsquelle verbunden, und der erdseitige Schalter kann miteiner zweiten niedrigeren Spannungsquelle oder Erde verbunden sein.Die zwei Schalter werden abwechselnd betätigt, so dass die beiden Schalterniemals zur gleichen Zeit eingeschaltet sind. In vielen Fällen isteine Totzeit zwischen den Einschaltzeiten der zwei Schalter eingefügt, um sicherzustellen,dass nicht beide gleichzeitig eingeschaltet sind. Ein Problem ergibtsich dadurch, dass aufgrund von Streukapazitäten der spannungsseitige Treiberunbeabsichtigt zu der gleichen Zeit eingeschaltet werden kann, zuder der erdseitige Schalter eingeschaltet wird, so dass ein Kurzschluss hervorgerufenwird. Wenn der spannungsseitige Schalter abgeschaltet wird, werden üblicherweisedie Gate- und Source-Anschlüssedes Schalters übereinen Pfad mit niedrigem Widerstand verbunden, so dass Gate undSource des Schalters nahezu die gleiche Spannung haben. Wenn die Spannungsdifferenz zwischenGate und Source kleiner als die Schwellenwertspannung VT des FETist, so bleibt der FET abgeschaltet. In manchen Anwendungen, beispielsweiseH-Brücken-Motortreibern,für dieein Beispiel in 1 gezeigtist, kann, wenn die Source-Elektrode des spannungsseitigen FET M1durch den Schaltvorgang des erdseitigen Schalters M2 sehr schnellvon der Leistungsversorgungsspannung auf Erdpotential umgeschaltetwird, eine elektrische Ladung in das Gate des spannungsseitigenSchalters M1 überdie StreukapazitätenCDG1 und CGS1, die Drain-Gate- und Gate-Source-Kapazitäten, injiziertwerden, insbesondere aufgrund von Strömen von induktiven Lasten wiez.B. Motoren. Hierdurch wird die Gate-Source-Spannung des spannungsseitigen SchaltersM1 vergrößert, undwenn diese Spannung höherals die Schwellenwertspannung VT des spannungsseitigen SchaltersM1 ist, so schaltet der spannungsseitige Schalter M1 ein, wodurcheine Durchschlag-Kurzschlussschaltung zwischen der Leistungsversorgungund Erde hervorgerufen und die Schaltung beschädigt wird, wobei insbesonderedie FET's irreversibelbeschädigtwerden.
    [0004] Inder Vergangenheit bestand eine Lösung diesesProblems darin, einen Pfad mit sehr niedrigem Widerstand zwischenGate und Source währenddes Abschaltens anzuordnen, wie dies Eingangs erwähnt wurde.Diese Lösungruft jedoch unnötigeStromflüssehervor und vergeudet somit Leistung, und weiterhin kann der Schaltvorgangbehindert werden.
    [0005] DerErfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gate-Treiberschaltungder eingangs genannten Art sowie ein Verfahren zu schaffen, diebzw. das die vorstehend genannten Probleme vermeidet.
    [0006] DieseAufgabe wird durch die im Anspruch 1 bzw 10 angegebenen Merkmalegelöst.
    [0007] VorteilhafteAusgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich ausden jeweiligen Unteransprüchen.
    [0008] Gemäß der Erfindungwurde eine neue Lösungfür dasDurchschlagproblem entwickelt. Wenn der spannungsseitige Schalterabgeschaltet ist, wird, anstatt Gate und Source über einen Pfad mit niedrigerImpedanz miteinander zu verbinden, wie bei der bekannten Lösung, dieGate-Elektrode des spannungsseitigen Schalters mit einer Spannungverbunden, die niedriger als die der Source-Elektrode des spannungsseitigenSchalters ist, und zwar immer dann, wenn die Source- und Drain-Spannungennahezu gleich sind. Zu anderen Zeiten ist es der Gatespannung möglich, derSource-Spannung zu folgen. Diese negative Gatespannung macht dieSchaltung weiterhin robuster gegenüber sich schnell ändernden Steuerspannungsänderungen,weil die injizierte Ladung aufgrund der Streukapazitäten dieGatespannung von der negativen Vorspannung plus der FET-Schwellenwertspannungvergrößert, umden FET einzuschalten. Entsprechend hat die Erfindung den zusätzlichenVorteil, dass zusätzlichzur Vermeidung des Durchschlagproblems gleichzeitig die Zuverlässigkeitdes Schaltvorganges der Transistorschalter vergrößert wird.
    [0009] WeitereMerkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus derfolgenden Beschreibung der Erfindung ersichtlich, die sich auf die beigefügten Zeichnungenbezieht.
    [0010] DieErfindung wird nunmehr mit weiteren Einzelheiten in der folgendenausführlichenBeschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, indenen:
    [0011] 1 eine typische H-Brückenschaltungzur Erläuterungdes bekannten Durchschlagproblems zeigt; und
    [0012] 2 die Schaltung gemäß der vorliegendenErfindung bei Anwendung auf einen MOSFET-Schalter zur Schaffungeiner Lösungdes Durchschlagproblems zeigt.
    [0013] Gemäß 2 ist der spannungsseitige Schaltermit der Bezugsziffer M1 bezeichnet. Der erdseitige Schalter M2 istnur schematisch gezeigt. Die Motorlast ist bei M gezeigt.
    [0014] Gemäß der Erfindungist eine negative Vorspannungsschaltung vorgesehen, die eine negative Bezugsspannungsschaltung 10 zurLieferung einer negativen Vorspannung einschließt, die mit dem Gate-Anschlussdes spannungsseitigen Transistors M1 über einen Transistor M30 undeine Diode D4 gekoppelt ist.
    [0015] Dienegative Spannung wird in der Bezugsspannungsschaltung 10 durcheine Stromquelle I1 und eine Zener-Diode D10 erzeugt. Die BezugsspannungVref ist somit durch die Durchbruchsspannung VD10 der Zener-DiodeD10 bestimmt und gleich Vdd -VD10. Die Spannung Vref ist somit niedrigerals die Leistungsversorgungsspannung Vdd, mit der der Drainanschlussdes MOSFET M1 verbunden ist. Sie ist somit negativ im Vergleichzur Drainspannung Vdd. Die Spannung Vref wird dem Knoten Vn über einenp-Kanal-Transistor M5 zugeführt.Der Transistor M5 ist in Serie mit einem p-Kanal-Transistor M6 und einerzweiten Stromquelle I2 geschaltet. Entsprechend ist Vn gleich Vrefplus der Schwellenwertspannung Vt des Transistors M5. D11 und M6sind mit dem Transistor M5 verbunden, und der Gate-Anschluss desTransistors M6 ist mit dem Gate-Anschluss des Transistors M5 derartverbunden, dass M5 gegen großeSperrströmegeschütztist, wenn Vn niedriger als Masse ist. Dies kann eintreten, wenndie Source-Elektrode von M1 unter das Erdpotential fällt.
    [0016] DerKnoten Vn ist mit dem Source-Anschluss des Transistors M1 über einenWiderstand M4 und eine Diode D7 gekoppelt. Wenn die Source-Spannungdes Transistors M1 höherals die des Knotens Vn gleich Vref plus Vt (M5) ist, so wird derKnoten Vn auf Vref plus Vt gebunden, weil die Diode 7 inSperrrichtung vorgespannt wird. Diese negative Vorspannung wirddem Gate-Anschluss von M1 überden Transistor M30 und die Diode D4 zugeführt. Wenn die Source-Spannungvon M1 niedriger als Vn gleich Vref plus Vt ist, so folgt Vn derSource-Spannung, weil die Diode D7 in Durchlassrichtung vorgespannt ist.
    [0017] DerKnoten Vn ist mit dem Gate-Anschluss von M1 über den Transistor M30 unddie Diode D4 gekoppelt. Entsprechend wird, wenn die Diode D7 in Sperrrichtungvorgespannt ist, wie dies der Fall ist, wenn die Source-Spannungansteigt, die Gatespannung ungefährauf den Pegel von Vn gleich Vref plus Vt (M5) verringert, wodurchder Gate-Anschluss von M1 negativ vorgespannt wird und dieser abgeschaltetgehalten wird. Wenn der Source-Anschluss des Transistors M1 unterhalbvon Vn liegt, so folgt der Knoten Vn der Source-Spannung, wodurchsichergestellt ist, dass der Gate-Anschluss des Transistors M1 ebenfallsniedrig ist, was sicherstellt, dass M1 abgeschaltet ist, während derTransistor M2 eingeschaltet ist. Sollte die Source-Spannung vonM1 plötzlichaufgrund der Schaltwirkung von M2 ansteigen, so wird ein Durchschlagvon M1 verhindert, weil die Gate-Spannung von M1 durch die Schaltung 10 negativvorgespannt wird.
    [0018] DieSignale EIN und AUS schalten den Treiber für den MOSFET M1 ein und aus.Dies sind komplementäreSignale, so dass wenn EIN einen hohen Pegel aufweist, AUS einenniedrigen Pegel aufweist, und umgekehrt. Wenn der Eingang EIN aktivist, so wird der Transistor Q1 eingeschaltet, und die TransistorenM40 und M30 werden abgeschaltet. Gleichzeitig schaltet das EingangssignalEIN eine Ladungspumpe 40 ein. Die Ladungspumpe 40 erzeugteine Spannung VCP, die höherals die Drainspannung des MOSFET M1 ist. Weiterhin wird ein TaktsignalTAKT an die Schaltung 20 geliefert, die ebenfalls eineLadungspumpe umfasst. Das Taktsignal erzeugt eine Spannung aufgrundder Ladungspumpenschaltung, die aus dem Kondensator C1 und den DiodenD1 und D2 gebildet ist, wodurch der Transistor M10 eingeschaltetwird.
    [0019] Wennder Transistor M10 eingeschaltet wird, wird die Spannung VCP vonder Ladungspumpe 40 an den Gate-Anschluss des MOSFET M10angelegt, wodurch dieser eingeschaltet wird. Um den Transistor M10abzuschalten, wird das Eingangssignal AUS aktiviert. Wenn AUS aktiviertist, wird der Transistor M30 eingeschaltet, und zwar ebenso wieder Transistor M20. Die Ladungspumpe 40 wird ebenfallsabgeschaltet. Die Gate-Spannung an dem Transistor M10 wird über dieDiode D3 und den Transistor M20 entladen, wodurch der TransistorM10 abgeschaltet wird und die Gatespannung an den SchalttransistorM1 beseitigt wird, wodurch abschaltet. Weil der Transistor M30 eingeschaltetist, wird die negative Vorspannung, die von der Schaltung 10 anden Knoten Vn geliefert wird, dem Gate-Anschluss des MOSFET M1 zugeführt, wodurchdieser am Einschalten aufgrund von Durchschlageffekten gehindertwird.
    [0020] Obwohldie vorliegende Erfindung bezüglich speziellerAusführungsformenbeschrieben wurde, sind vielfältigeandere Abänderungenund Modifikationen und andere Anwendungen für den Fachmann ersichtlich.Daher sollte die vorliegende Erfindung nicht durch die speziellevorstehende Offenbarung beschränktsein, sondern lediglich durch die beigefügten Ansprüche.
    权利要求:
    Claims (12)
    [1] Gate-Treiberschaltung zum Verhindern eines Durchschlagensin einem spannungsseitigen Schaltertransistor, der in Serie miteinem erdseitigen Schaltertransistor längs einer Versorgungsspannung angeschaltetist, wobei die Schaltung Folgendes umfasst: eine Bezugsspannungsschaltung,die einen Ausgang aufweist, der eine Bezugsspannung liefert, dienegativ bezüglichder Versorgungsspannung ist, die dem spannungsseitigen Schaltertransistorzugeführtwird, wobei die Bezugsspannung der Steuerelektrode des spannungsseitigenSchaltertransistors zugeführt wird,wenn der spannungsseitige Schaltertransistor abgeschaltet ist, derSource-Anschluss des spannungsseitigen Schaltertransistors die Bezugsspannungsquelle übersteigtund der erdseitige Schaltertransistor eingeschaltet ist.
    [2] Schaltung nach Anspruch 1, bei der die Bezugsspannungsschaltungeine erste Stromquelle und ein Spannungsbezugs-Bauteil zur Erzeugungeiner ersten Bezugsspannung umfasst.
    [3] Schaltung nach Anspruch 2, bei der die Bezugsspannungsschaltungweiterhin einen Schalttransistor und eine zweite Stromquelle inSerie mit dem Schalttransistor umfasst, wobei eine Steuerelektrode desSchalttransistors mit der ersten Bezugsspannung gekoppelt ist, undwobei der Ausgang von dem Schalttransistor die Bezugsspannung darstellt,die der Steuerelektrode des spannungsseitigen Schaltertransistorszugeführtwird.
    [4] Schaltung nach Anspruch 1, bei der das Ausgangssignalder Bezugsspannungsschaltung mit der Steuerelektrode des spannungsseitigenSchaltertransistors übereinen Schalterkreis gekoppelt ist.
    [5] Schaltung nach Anspruch 4, bei der der Schalterkreisweiterhin eine in Serie mit einem weiteren Transistor gekoppelteDiode umfasst.
    [6] Schaltung nach Anspruch 1, bei der der Ausgang derBezugsspannungsschaltung mit einem Knoten zwischen den spannungsseitigenund erdseitigen Schaltertransistoren über eine Diode gekoppelt ist,so dass, wenn der Knoten zwischen den spannungsseitigen und erdseitigenSchaltertransistoren niedriger als der Ausgang der Bezugsspannungsschaltungist, der Ausgang der Bezugsspannungsschaltung angenähert gleichdem Spannungspegel an dem Knoten zwischen den spannungsseitigen underdseitigen Schaltertransistoren ist.
    [7] Schaltung nach Anspruch 1, bei der die spannungsseitigenund erdseitigen Schaltertransistoren Leistungs-MOSFET's umfassen.
    [8] Schaltung nach Anspruch 1, die weiterhin einen inSerie geschalteten Transistor umfasst, der ein Steuersignal an dieSteuerelektrode des spannungsseitigen Schaltertransistors koppelt,wobei der in Serie geschaltete Transistor eine Steuerelektrode aufweist,die einen Taktimpuls empfängt,wenn der spannungsseitige Schaltertransistor eingeschaltet werdensoll, wobei weiterhin eine Ladungspumpenschaltung vorgesehen ist,die mit der Steuerelektrode des in Serie geschalteten Transistorsgekoppelt ist, um den in Serie geschalteten Transistor einzuschalten,um das Steuersignal an die Steuerelektrode des spannungsseitigenSchaltertransistors zu koppeln.
    [9] Schaltung nach Anspruch 6, bei der, wenn der Knotenzwischen spannungsseitigen und erdseitigen Schaltertransistorenoberhalb der Bezugsspannung liegt, die Diode verhindert, dass dasAusgangssignal der Bezugsspannungsschaltung der Spannung an demKnoten folgt.
    [10] Verfahren zum Verhindern eines Durchschlags in einemspannungsseitigen Schaltertransistor, der in Serie mit einem erdseitigenSchaltertransistor längseiner Versorgungsspannung angekoppelt ist, wobei das Verfahren Folgendesumfasst: Bereitstellen einer Bezugsspannung, die gegenüber derVersorgungsspannung negativ ist, und Zuführen der Bezugsspannung andie Steuerelektrode des spannungsseitigen Schaltertransistors, wennder spannungsseitige Schaltertransistor abgeschaltet ist, der Source-Anschlussdes spannungsseitigen Schaltertransistors die Bezugsspannung übersteigtund der erdseitige Schaltertransistor eingeschaltet ist.
    [11] Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Bezugsspannungmit einem Knoten zwischen den spannungsseitigen und erdseitigenSchaltertransistoren derart gekoppelt ist, dass wenn der Knotenzwischen den spannungsseitigen und erdseitigen Schaltertransistorenniedriger als die Bezugsspannung ist, die Bezugsspannung angenähert gleichdem Spannungspegel an dem Knoten zwischen den Schaltertransistorenist.
    [12] Verfahren nach Anspruch 11, bei dem weiterhin verhindertwird, dass bei oberhalb der Bezugsspannung liegendem Knoten zwischenden spannungsseitigen und erdseitigen Schaltertransistoren die Bezugsspannungder Spannung an dem Knoten folgt.
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    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2004-12-09| OP8| Request for examination as to paragraph 44 patent law|
    2007-06-28| 8364| No opposition during term of opposition|
    2010-06-10| 8328| Change in the person/name/address of the agent|Representative=s name: DR. WEITZEL & PARTNER, 89522 HEIDENHEIM |
    2018-10-01| R081| Change of applicant/patentee|Owner name: INFINEON TECHNOLOGIES AMERICAS CORP., EL SEGUN, US Free format text: FORMER OWNER: INTERNATIONAL RECTIFIER CORP., EL SEGUNDO, CALIF., US |
    2018-10-01| R082| Change of representative|Representative=s name: DR. WEITZEL & PARTNER PATENT- UND RECHTSANWAEL, DE |
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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