DE68926147T2 - Mit einer begrenzten Anzahl von Bauteilen aufgebaute Schaltungsvorrichtung zum gleichzeitigen Leitendschalten einer Vielzahl von Leistungstransistoren - Google Patents

Description

• Diese Erfindung bezieht sich auf ein Schaltungsgerät, das aus einer reduzierten Anzahl von Komponenten aufgebaut ist, zum gleichzeitigen Durchsteuern einer Mehrzahl von Leistungstransistoren, von denen jeder in einer Hoch-Seiten- Treiber-Konfiguration zwischen die Pole einer Spannungsversorgung durch eine Last geschaltet ist.
• Wie es bekannt ist, werden heutzutage weitverbreitet Leistungstransistoren zum Treiben von elektrischen Lasten verwendet. Für diesen Zweck sind sie bei manchen Schaltungen zwischen eine Leistungsversorgungsquelle und die elektrische Last geschaltet, wobei das Gate, im Fall von MOS-Transistoren (MOS = Metal Oxide Semiconductor = Metall-Oxid-Halbleiter), oder die Basis, im Fall von bipolarer Transistoren, mit einer Steuerungsschaltung verbunden ist.
• Insbesondere werden Leistungstransistoren des DMOS-Typs (DMOS-Typ = Double Diffused MOS Type = zweifach diffundierter MOS-Typ) in der sogenannten Hoch-Seiten-Treiber-Konfiguration verwendet, um induktive elektrische Lasten zu treiben. Derartige DMOS-Transistoren werden ebenfalls in Brückenschaltungen verwendet, um beispielsweise eine Phase eines Schrittmotors zu steuern.
• In Anwendungen wie dieser soll ein DMOS-Leistungstransistor ebenfalls den Versorgungsspannungswert Vs mit fast keinem Spannungsabfall zwischen der Drain- und der Source-Elektrode zu der Last übertragen. Diese Betriebsbedingung, unter der der Transistor einen maximalen Strom liefern wird, ist dieselbe, als ob ein Spannungsabfall Vgs von etwa 10 Volt zwischen der Gate- und der Source-Elektrode vorhanden ist.
• Zwischen dem Gate und der Source des DMOS-Transistors befindet sich eine inhärente Kapazität Cgs, wobei die oben erwähnte Betriebsbedingung in der Praxis erreicht wird, indem diese Kapazität auf 10 Volt aufgeladen wird, wodurch die Gate-Elektrode auf eine Spannung gebracht wird, die die des Versorgungspols Vs um 10 Volt überschreitet.
• Um dies zu erreichen liefert der Stand der Technik eine erste, sogenannte Ladungspumpenlösung, welche darin besteht, die inhärente Kapazität Cgs durch kapazitive Teilung zu laden.
• In Grundbegriffen ausgedrückt wird eine zusätzliche Kapazität C zwischen das Transistorgate und einen Oszillator geschaltet, der angeordnet ist, um eine Spannung zu liefern, die zwischen Null und dem Wert der Versorgungsspannung Vs variiert. Während eines halben Zyklus des Oszillators wird die Kapazität C auf einen vorbestimmten Spannungswert Vc aufgeladen und während des folgenden halben Zyklus des Oszillators wird dies die inhärente Kapazität Cgs aufladen.
• Diese Anordnung gemäß dem Stand der Technik weist, obwohl sie ihren Zweck erfüllt, den Nachteil auf, daß sie inhärent langsam ist, da sie mehrere halbe Zyklen des Oszillators benötigt, um die inhärente Kapazität auf zuladen.
• Eine zweite bekannte technische Lösung besteht stattdessen darin, die integrierte Schaltung, die den DMOS-Transistor enthält, mit einer externen Komponente, speziell einer Urlade-Kapazität (Bootstrap-Kapazität) für jeden DMOS-Transistor, zu verbinden. Dies würde dazu führen, eine externe Kapazität für jeden Leistungstransistor, der in der Schaltung integriert ist, zu verwenden, was natürlich eine kostenintensive Angelegenheit ist.
• Eine dritte bekannte technische Lösung sieht eine zusätzliche Versorgungsleitung auf einem Spannungspegel, welcher um 10 Volt höher als die Versorgungsspannung Vs ist, sowie eine externe Pufferkapazität vor, welche von der zusätzlichen Kapazität C, die dem Oszillator zugeordnet ist, auf eine ähnliche Art und Weise aufgeladen wird, wie es in Verbindung mit dem ersten erwähnten Ladungspumpen-Lösungsansatz beschrieben wurde.
• Diese, die dritte bekannte Lösung, ist, obwohl sie darin nützlich ist, daß sie eine Verbindung von mehreren Hoch-Seiten-Treiber-DMOS-Transistoren an einer Seite der Pufferkapazität ermöglicht, darin begrenzt, daß die Größe der externen Kapazität nicht über ein begrenztes Maximum erhöht werden kann, wenn die zusätzliche Kapazität C konstant geladen gehalten werden soll. Dies verursacht praktische Begrenzungen bezüglich der Anzahl von Transistoren, die durch die externe Kapazität zu jedem beliebigen Zeitpunkt leitend gemacht werden konnen, oder auf äquivalente Art und Weise bezüglich der Durchsteuerrate.
• Ein Artikel, der in Siemens Components XIX (1984) Nr. 4, auf den Seiten 169 und 170 mit dem Titel "Operation of SIPMOS Transistors with Grounded Loads" veröffentlicht worden ist, offenbart einen Gatespannungsgenerator, welcher zwischen den Ausgang eines Oszillators und das Gate eines Leistungs- MOSFET-Transistors geschaltet ist und einen ersten Kondensator und eine erste Diode, die seriell zwischen den Oszillatorausgang und das Transistorgate geschaltet ist, und eine zweite Diode aufweist, die zwischen die Spannungsversorgung und den Verbindungspunkt des ersten Kondensators und der ersten Diode geschaltet ist.
• Ein Artikel, der in Siemens Forschungs- und Entwicklungs- Ber., Bd. 17 (1988), Nr. 1, Seiten 35-42 mit dem Titel "Smart SIPMOS Technology" veröffentlicht worden ist, offenbart eine Reihe von Hochleistungs-FET-Bauelementen, einschließlich DMOS-Transistoren, die angepaßt sind, um als Hochleistungs-Schaltungsgeräte verwendet zu werden.
• Das technische Problem, das dieser Erfindung zugrunde liegt, besteht darin, ein Schaltungsgerät zu schaffen, welches derartige strukturelle und Verhaltens-Charakteristika aufweist, um es zu erlauben, unter der Bedingung maximaler Lieferung zur Last und unter Verwendung einer einzigartig reduzierten Anzahl von Komponenten, um die zitierten Nachteile zu überwinden, die beim Stand der Technik auftreten, eine Mehrzahl von Leistungstransistoren gleichzeitig in den "Ein"-Zustand zu treiben.
• Dieses Problem wird durch ein Schaltungsgerät gelöst, das in Anspruch 1 definiert und charakterisiert ist.
• Die Merkmale und Vorteile einer Schaltung gemäß der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung eines beispielhaften Ausführungsbeispiels derselben offensichtlich, wobei die Erfindung mittels der beigefügten Zeichnungen veranschaulicht, jedoch nicht begrenzt wird.
• Die Zeichnungsfigur zeigt die Schaltung dieser Erfindung in Schaltplanform.
• Bezugnehmend auf die Zeichnungsfigur ist allgemein und schematisch bei 1 ein Schaltungsgerät gezeigt, das aus einer reduzierten Anzahl von Komponenten besteht, um eine Mehrzahl von Leistungstransistoren 2 gleichzeitig durchzusteuern. Speziell würden bei dem betrachteten Ausführungsbeispiel derartige Transistoren 2 vom DMOS-Typ sein, wobei die jeweilige Drain-D- und Source-S-Elektrode mit einem positiven Spannungsversorgungspol Vs und einer zu treibenden elektrischen Last 3 verbunden sind.
• Die Transistoren 2 sind in einer integrierten Schaltung 10 enthalten, welche ferner eine Durchsteuerschaltung 4 und einen Oszillator 6 aufweist, der wirksam ist, um einen Spannungswert, der zwischen Null und einem vorbestimmten Wert Vr variiert, zu liefern.
• Die Gate-Elektrode G des Transistors 2 ist mit dem Ausgang der Durchsteuerschaltung 4 verbunden, deren Eingang mit einem Urlade-Anschlußstift (oder Bootstrap-Anschlußstift) 5 der integrierten Schaltung 10, die die Transistoren 2 enthält, verbunden ist.
• Zwischen dem Gate G und der Source S jedes Transistors 2 befindet sich eine inhärente Kapazität Cgs, die durch das Gerät 1 und die Durchsteuerschaltung 4 auf einen vorbestimmten Spannungswert aufgeladen werden soll.
• Das Gerät 1 ist im wesentlichen eine Ladungspumpenschaltung, die angepaßt ist, um zwischen einen Anschlußstift 7, der mit dem Ausgang des Oszillators 6 verbunden ist, und den Urlade-Anschlußstift 5 geschaltet zu werden.
• Dieses Gerät 1 umfaßt einen Kondensator C1 mit einem Ende, das mit dem Anschlußstift 7 verbunden ist, wobei das andere Ende über eine Diode D1, die durch den Kondensator C1 vorwärts vorgespannt ist, mit dem Anschlußstift 5 verbunden ist.
• Eine zweite Kapazität C2 ist zwischen den Urlade-Anschlußstift 5 und den Versorgungspol Vs geschaltet, wobei eine zweite Diode D2 ein Ende aufweist, das zwischen den Kondensator C1 und die Diode D1 geschaltet ist, und wobei das andere Ende mit dem Pol Vs verbunden ist. Diese Diode D2 ist bezüglich des Pols vorwärts vorgespannt.
• Der Kondensator C1 ist auf eine Spannung voraufgeladen, die der Differenz zwischen der Versorgungsspannung Vs und dem Spannungsabfall über der Diode D2 entspricht.
• Als Ergebnis wird an dem Urlade-Anschlußstift 5 eine Spannung erscheinen, die gleich VS + Vr - 2*Vdiode ist.
• Es wird daher ausreichend sein, die integrierte Schaltung 10 mit einem Niederspannungsoszillator, z.B. zwischen 0 und 12 Volt, zu versehen, um an dem Gate G der DMOS-Leistungstransistoren einen Spannungswert sicherzustellen, der die Versorgungsspannung um 10 Volt überschreitet. Tatsächlich weist der Spannungsabfall über die Dioden D1 und D2 einen kombinierten Wert von zwei Volt auf, wodurch ein korrekter Betrieb des Geräts sichergestellt ist, wobei es ausreichend sein wird, daß der Oszillator 6 eine Spannung von etwa 12 Volt liefert.
• Das Schaltungsgerät gemäß der Erfindung ermöglicht die Verwendung einer reduzierten Anzahl von Komponenten und die dementsprechende Einsparung an Siliziumfläche im Vergleich zu herkömmlichen Schaltungen.
• Ein weiterer Vorteil ist die reduzierte Anzahl der Anschlußstifte, die an der Verbindung zwischen diesem Gerät und der integrierten Schaltung, die die Leistungstransistoren enthält, beteiligt sind.
• Das Schaltungsgerät dieser Erfindung ist daher sowohl bezüglich der verwendeten Komponenten als auch bezüglich der auf der integrierten Schaltung besetzten Fläche besonders wirtschaftlich.

Claims (4)

1. Ein Schaltungsgerät (1), das aus einer reduzierten Anzahl von Komponenten aufgebaut ist, zum gleichzeitigen Durchsteuern einer Mehrzahl von Leistungstransistoren (2), von denen jeder in einer Hoch-Seiten-Treiber-Konfiguration zwischen einen ersten Pol (Vs) einer Spannungsversorgung und einen zweiten Pol der Spannungsversorgung über eine jeweilige elektrische Last (3) geschaltet ist, wobei das Schaltungsgerät (1) zwischen den Ausgang (7) eines Oszillators (6) und einen Urlade-Eingang (5), der mit den Steuerelektroden der Leistungstransistoren (2) gekoppelt ist, geschaltet ist, und einen ersten Kondensator (C1) mit einem Ende, das mit dem Ausgang (7) verbunden ist, und mit einem anderen Ende, das mit dem Urlade-Eingang (5) über eine erste Diode (D1) verbunden ist, und eine zweite Diode (D2) aufweist, die zwischen den Verbindungspunkt des ersten Kondensators (C1) mit der ersten Diode (D1) und dem ersten Spannungsversorgungspol (Vs) geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß dasselbe einen zweiten Kondensator (C2), der zwischen den Urlade-Eingang (5) und den ersten Spannungsversorgungspol (Vs) geschaltet ist, und eine Durchsteuerschaltung (4) aufweist, welche einen Eingang, der mit dem Urlade-Eingang (5) verbunden ist, und einen Ausgang aufweist, der mit den Steuerelektroden verbunden ist, wobei sowohl der Oszillator (6) als auch die Durchsteuerschaltung (4) in einer integrierten Schaltung (10) enthalten sind.

2. Ein Gerät gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungstransistoren (2) vom DMOS-Typ sind.

3. Ein Gerät gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Diode (D2) bezüglich des Spannungsversorgungspols (VS) vorwärts vorgespannt ist.

4. Ein Gerät gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Diode (D1) durch den ersten Kondensator (C1) vorwärts vorgespannt ist.