DE69026468T2

DE69026468T2 - Anpassungsfähige Gate-Entladeschaltung für Leistungs-Fets

Info

Publication number: DE69026468T2
Application number: DE69026468T
Authority: DE
Inventors: Milton Wilcox
Original assignee: National Semiconductor Corp
Current assignee: National Semiconductor Corp
Priority date: 1989-11-08
Filing date: 1990-10-30
Publication date: 1996-11-28
Anticipated expiration: 2010-10-31
Also published as: KR0177146B1; DE69026468D1; KR910010869A; EP0427086A2; EP0427086A3; JPH03172017A; US5017816A; EP0427086B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf elektronische Schaltkreise und im einzelnen auf einen Gate-Entladeschaltkreis für einen Leistungs-FET, der aktiv bleibt, nachdem alle anderen Schaltungsteile ausgeschaltet worden sind, um vollständig das Gate des Leistungs-FET zu entladen und sich dann selbst ausschaltet, so daß nur ein einziger Pfad für einen niedrigen Strom zwischen Versorgung und Masse bestehen bleibt.
Die Gate-Impedanz eines großen Leistungs-MOSFET-Transistors ist hochgradig kapazitiv. Demgemäß werden die Ausdrücke "Laden" bzw. "Entladen" verwendet, um das Einschalten bzw. Ausschalten des Leistungstransistors zu beschreiben.
In allen hochseitigen Treiberanwendungen (und in niederseitigen Treibern, die von niedrigen Versorgungsspannungen aus arbeiten) muß das Leistungs-FET auf oberhalb des Versorgungspotentials angehoben werden, um den Leistungs-FET einzuschalten. Dies erfordert die Verwendung einer Ladeschaltung, welche das Gate des Leistungs-FET auf oberhalb der Versorgung bis zum gewünschten Potential "pumpt". Typischerweise ist diese Ladeschaltung so konstruiert, daß sie das gewünschte Potential an dem Leistungs-FET-Gate beibehält, nachdem der FET durchgeschaltet worden ist, während zur gleichen Zeit zusätzlicher Stromabfluß minimiert wird.
In ähnlicher Weise ist eine Entladeschaltung erforderlich, um das Gate des Leistungs-FET nach unten zu ziehen, um den FET auszuschalten. Optimalerweise sollte die Entladeschaltung Strom beibehalten, wenn der Leistungs-FET aus ist. Beispielsweise ist es in Kraftfahrzeuganwendungen erforderlich, daß bestimmte Schaltungen (z.B. Uhr, Speicherradio, usw.) eingeschaltet bleiben selbst dann, wenn die Zündung ausgeschaltet ist; es ist in diesen Anwendungsfällen sehr wünschenswert, Leistung diesen ausgewählten Schaltungen zuzuführen, während gleichzeitig der Stromabfluß von der Fahrzeugbatterie minimal gehalten wird.
Typischerweise werden MOS-Schaltungen verwendet, um die Lade- und Entladeschaltkreise für Leistungs-FETs zu implementieren wegen der eindeutigen Ein-Aus-Schaltung und der hohen Schaltgeschwindigkeitsfähigkeit von MOS-Transistoren.
Ein Hauptnachteil von MOS-Schaltern besteht jedoch darin, daß unter einigermaßen schwierigen Arbeitsbedingungen die niedrigen Durchbruchspannungen der MOS-Transistoren ungenügend sind, daß der Transistor hohen Spannungsübergängen standhalten könnte. Beispielsweise hat bei Kraftfahrzeugsystemen die Möglichkeit der unbeabsichtigen Polvertauschung der Batterie oder loser Batteriekabel einige Kraftfahrzeughersteller dazu veranlaßt,zu spezifizieren, daß integrierte Schaltkreise (IC's), die in diesen Anwendungen eingesetzt werden, bis zu 60V standhalten können sollen, was gut oberhalb der Durchbruchspannung von überlicherweise erhältlichen MOS-Transistoren liegt. Demgemäß sind zusätzliche Schutzschaltungen erforderlich, um die schaltenden MOS-Transistoren gegen Spannungsspitzen abzuschirmen.
Entladeschaltkreise können implementiert werden unter Verwendung von Bipolartransistoren, die konfiguriert sind, um hohen Spannungsspitzen standzuhalten. Erhebliche Vorspannströme sind jedoch typischerweise erforderlich, um die gewünschten Ein/Aus-Schaltgeschwindigkeiten aufrechtzuerhalten.
Das Dokument US-A-4,481,434 offenbart eine adaptive Gate-Entladeschaltung für das Entladen des Gates eines Leistungstransistors, ausgehend von dem Leitungspotential. Die Schaltung umfaßt Entladetreiberschaltkreise, die auf ein Steuersignal reagieren, um so das Leistungs-FET-Gate von dem Leistungspotential auf unter ein ausgewähltes Potential zu entladen. Die Schaltung umfaßt ferner adaptive Vorspannschaltkreise für das Bereitstellen eines Betriebssignals für den Entladetreiberschaltkreis während der Entladung des Gates des Leistungs-FET wobei das Betriebssignal ausreicht für das Betreiben des Entladetreiberschaltkreises. Die Schaltung umfaßt ferner Niederstromvorspannschaltkreise, verbunden mit den adaptiven Vorspannschaltungen und auf die Entladung des Gates des Leistungs-FET auf unter das gewählte Potential reagierend, um die Betriebsspannung des adaptiven Vorspannschaltkreises zu reduzieren, wodurch die adaptive Vorspannschaltung ausgeschaltet wird.
Die vorliegende Erfindung, wie sie in dem unabhängigen Patentanspruch definiert ist, stellt einen adaptiven Gate-Entladeschaltkreis für das Entladen des Gates eines Leistungs-FET-Transistors zur Verfügung, bei der das Gate des Leistungs-FET durch ein Steuersignals auf einem Anfangspotential gehalten wird, das ausreicht, um den Leistungs- FET eingeschaltet zu halten. Die adaptive Gate-Entladeschaltung umfaßt Entladetreiberschaltkreise, welche das Gate des Leistungs-FET auf unterhalb eines ausgewählten Potentials entladen, wenn das Steuersignal ausgeschaltet wird. Während der Gate-Entladung fahren adaptive Vorspannschaltkreise fort, Betriebsspannung sowohl für die Entladeschaltung als auch irgendwelche anderen Schaltkreise bereitzustellen, die sie vorspannen können. Wenn jedoch das Potential des Leistungs-FET-Gates unter das gewählte Potential fällt, reduziert eine Vorspannschaltung niedrigen Stromes die Betriebsspannung der adaptiven Vorspannschaltkreise, wodurch die adaptiven Vorspannschaltkreise und alle anderen Schaltkreise, welche von ihr vorgespannt werden, ausgeschaltet werden.
Die vorstehenden und zusätzlichen Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden verständlicher und gewürdigt bei Betrachtung der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung, die in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen zu lesen ist.
Die Zeichnung illustriert ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform einer adaptiven Entladeschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die Zeichnung ist ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform einer adaptiven Gate-Entladeschaltung 10 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die dargestellte Schaltung kann in Form eines integrierten Schaltkreises unter Benutzung der bekannten Herstellungsprozesse realisiert werden.
Wie in der Zeichnung gezeigt, ist eine adaptive Gate-Entladeschaltung 10 zwischen eine konventionelle Gate-Ladeschaltung 12 und einen konventionellen Leistungs-FET 14 geschaltet. Der Leistungs-FET 14 ist in der Zeichnung als in hochseitiger Treiberkonfiguration angeschlossen dargestellt, wobei die andere Seite der Last 16 mit Masse verbunden ist. Fachleute werden verstehen, daß die Konzepte der Erfindung gleichermaßen bei Gate-Entladeschaltungen anwendbar sind, die in niederseitiger Treiberkonfiguration eingesetzt werden.
Ein Steuersignal 13 liefert Ein/Aus-Basistreiberstrom an den NPN-Eingangstransistor Q23. Der Kollektor von Transistor Q23 ist mit der positiven Versorgung von V+ verbunden, während sein Emitter mit Masse über 20 Kilo-Ohm Widerstand R12, den 10X NPN-Transistor Q17 und dem 500 Ohm Widerstand R18 verbunden ist, welche einen Teil eines adaptiven Vorspannetzwerks bilden, das in größeren Einzelheiten später beschrieben ist.
Ein 2X NPN-Entladetreibertransistor Q24 empfängt seine Basisansteuerung von der positiven Versorgung über einen Niederstromvorspannstrang, der den 1 Meg-Ohm Widerstand R9 und drei diode-geschaltete NPN-Transtoren Q20, Q21 und Q22 erhält. Dieser Niederstromvorspannstrang zieht ständig einen kleinen Strom (etwa 10 Mikroampere).
Die adaptive Vorspannschaltung, die den 4X NPN-Transistor Q15, den Transistor Q16 und Q17, den 10 Kilo-Ohm Widerstand R11 und 500 Ohm Widerstand R18 umfaßt, ist zwischen den oben beschriebenen Niederstromvorspannstrang und den Entladetreibertransistor Q24 geschaltet.
Der mehrere Kollektoren aufweisende 2X PNP-Stromspiegeltransistor Q27 (mit 25 Kilo-Ohm Basisemitterwiderstand R17) und der mit mehreren Kollektoren versehene 6X PNP-Stromspiegeltransistor Q31 (mit 5 Kilo- Ohm Basisemitterwiderstand R16) sind zwischen den Ausgang des Entladetreibertansistors Q24 und das Gate des Leistungs-FET 14 geschaltet. Der primäre Kollektor des Stromspiegeltransistors Q31 ist mit der Source des Leistungs-FET 14 verbunden.
Nach Beschreibung des Aufbaus der adaptiven Gate-Entladeschaltung 10 wird nun ihr Betrieb erläutert. In der folgenden Erörterung wird angenommen, daß die Gate-Ladeschaltung 12 den Leistungs-FET 14 eingeschaltet hat und daß nun der Leistungs-FET 14 auszuschalten ist.
Während der Leistungs-FET 14 eingeschaltet ist, hält der Eingangstransistor Q23 den Entladetreibertransistor Q24 aus. Wenn der Leistungs-FET 14 auszuschalten ist, wird der Transistor Q23 ausgeschaltet durch Steuersignal 13, was dem Entladetreibertransistor Q24 das Einschalten ermöglicht.
Der Niederstromvorspannstrang, bestehend aus Widerstand R9 und Dioden Q20-Q22, spannen sowohl die Basis des Transistors Q24 als auch die adaptive Vorspannschaltung, bestehend aus Komponenten Q15 bis Q17 und Widerständen R11 und R18, vor.
Der Transistor Q24 hat zwei Stromquellen: Transistor Q17 und Widerstand R12. Das heißt, der im Transistor Q24 fließende Strom ist die Summe von ΔVBE/R, der im Transistor Q17 fließt (10X Emitter) und der Komponente 2VBE/R, die im Widerstand R12 (20 Kilo-Ohm) fließt. Der Strom, der im Widerstand R12 fließt, hat einen negativen Temperaturkoeffizienten, der ausgeglichen wird durch den positiven Temperaturkoeffizienten des Stromes, der durch Transistor Q17 fließt.
Die Stromspiegeltransistoren Q27 und Q31 multiplizieren den Kollektorstrom des Entladetreibertransistors Q24 mit einem Faktor von etwa 50, um die Entladezeit herabzusetzen.
Wenn die Gate-Spannung des Leistungs-FET 14 unter 4 VBE fällt, gelangt der Entladetreibertransistor Q24 in Sättigung und zieht den gesamten Vorspannstrom, der vom Widerstand R9 erhältlich ist, unter Ziehen der Basis des Transistors Q15 (4X Emitter) nach unten. Wenn das Gate des Leistungs-FET 14 vollständig entladen ist, wird die Basisvorspannung der Kaskode-Transistoren Q15 und Q24 bei 1 VBE plus eine kleine Spannung über dem Widerstand R12 betragen. Diese Spannung liegt unter der Betriebsspannung für die adaptive Vorspannschaltung, die deshalb vollständig ausgeschaltet wird, zusammen mit irgendwelchen anderen Schaltkreisen, die von ihr vorgespannt worden waren. Demgemäß wird das Gate des Leistungs-FET 14 nahe Masse über dem 5 Kilo-Ohm Widerstand R16 und 25 Kilo-Ohm Widerstand R17 und dem gesättigten Entladetreibertransistor Q24 gehalten.
Wenn der Leistungs-FET 14 wider einzuschalten ist, kehrt der Transistor Q23 wieder in den Durchschaltzustand zurück, in Reaktion auf die Erfassung des Steuersignals 13, unter Ausschalten des Entladetreibertransistors Q24 und Ermöglichung, daß die Spannung an den Basisanschlüssen der Kaskode-Transistoren Q15 und Q24 auf 3 VBE zurückkehrt, während das Gate des Leistungs-FET 14 sich lädt.

Claims

1. Eine adaptive Gate-Entladeschaltung, angeschlossen an das Gate eines Leistungs-FET (14) für das Entladen des Leistungs-FET-Gates von einer Leitungsspannung auf eine Entladespannung, welche adaptive Gate-Entladeschaltung umfaßt:

(a) Entladetreiberschaltkreise, die auf ein Steuersignal ansprechen zum Entladen des Leistungs-FET-Gates von der Leitungsspannung, welche Entladungstreiberschaltkreise einen Eingangstransistor (Q23) umfassen, gesteuert an seiner Basis durch das Steuersignal und mit seinem Emitter an dem Emitter eines Entladetreibertransistors (24) angeschlossen, dessen Emitter an Masse über ein erstes Widerstandselement (R12) angeschlossen ist, mit seinem Kollektor an das Leistungs-FET-Gate über einen Kollektorstrommultiplikator (Q27, Q31) angeschlossen und mit seiner Basis angeschlossen zum Empfang eines Betriebssignals;

(b) adaptive Vorspannschaltkreise für das Bereitstellen des genannten Betriebssignals für die Entladetreiberschaltkreise während der Entladung des Leistungs-FET-Gates, welche adaptiven Vorspannschaltkreise einen ersten NPN Transistor (Q15) umfassen, der mit seinem Kollektor an eine Ladeversorgung (12) angeschlossen ist, mit seiner Basis an die Ladeversorgung über ein zweites Widerstandselement (R9) angeschlossen ist und an die Basis des Entladetreibertransistors, wobei der Emitter des ersten NPN Transistors mit Basis und Kollektor eines zweiten NPN Transistors (Q16) über ein drittes Widerstandselement (R11) verbunden ist, wobei der Emitter des zweiten NPN Transistors mit Masse verbunden ist und einen dritten NPN Transistor (Q17), der mit seinem Kollektor mit dem Emitter des Entladetreibertransistors verbunden ist, mit seiner Basis an die Basis des zweiten NPN Transistors angeschlossen ist und mit seinem Emitter über ein viertes Widerstandselement (R18) an Masse liegt; und

(c) Niederstromvorspannschaltkreise, ansprechend auf das Entladen des Leistungs-FET-Gates auf eine unter der Entladespannung liegende Größe für das Ausschalten der adaptiven Vorspannschaltkreise, welche Niederspannungsvorspannschaltkreise Diodenmittel (Q20, Q21, Q22) umfassen, angeschlossen zwischen der Basis des Entladetreibertransistors und Masse.

2. Eine adaptive Gate-Entladeschaltung nach Anspruch 1, bei der der Kollektorstrommultiplikator umfaßt:

(a) Einen ersten Mehrfachkollektor-PNP-Transistor (Q31), der mit seinem Emitter an das Leistungs-FET-Gate angeschlossen ist und mit seiner Basis an ein fünftes Widerstandselement (R16), wobei sein primärer Kollektor mit der Source des Leistungs-FET verbunden ist und ein Sekundärkollektor mit seiner Basis verbunden ist; und

(b) einen zweiten Mehrfachkollektor-PNP-Transistor (Q27), der mit seinem Emitter an die Basis-Sekundärkollektorverbindung des ersten Mehrfachkollektor-PNP-Transistors angeschlossen ist und mit seiner eigenen Basis über ein sechstes Widerstandselement (R17) verbunden ist, mit einem Sekundärkollektor an seiner Basis liegt und mit seiner Basis-Sekundärkollektorverbindung an dem Kollektor des Entladetreibertransistors angeschlossen ist.

3. Eine adaptive Gate-Entladeschaltung nach Anspruch 1, bei der die Diodenmittel eine Mehrzahl von diodengeschalteten NPN Transistoren (Q20, Q21, Q22) umfassen.