DE19520735A1 - Schaltungsanordnung zum Erfassen des Laststroms eines Leistungs-Halbleiterbauelementes mit sourceseitiger Last - Google Patents

Schaltungsanordnung zum Erfassen des Laststroms eines Leistungs-Halbleiterbauelementes mit sourceseitiger Last

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum Erfassen des Laststroms eines durch Feldeffekt steuerbaren Leistungs-Halbleiterbauelements, mit den Merkmalen:
  • - einem weiteren durch Feldeffekt steuerbaren Halbleiterbau­ element
  • - die Drainanschlüsse und Gateanschlüsse beider Halbleiter­ bauelemente sind jeweils miteinander verbunden,
  • - durch das weitere Halbleiterbauelement fließt ein Bruchteil des Laststroms,
  • - einem dem weiteren Halbleiterbauelement in Reihe geschalte­ ten Widerstand, an dem eine dem Laststrom proportionale Spannung abgreifbar ist.
Eine solche Schaltungsanordnung ist z. B. in dem Artikel "Surviving Short Circuits" von R. Frank und A. Pshaenich, Machine Design, March 8, 1990, Seiten 89 bis 96 beschrieben worden. In diesem Artikel ist das Prinzip dargestellt, daß der Laststrom eines Leistungs-MOSFET dadurch erfaßt werden kann, daß dem Leistungs-MOSFET ein ähnlicher, von der Fläche her kleinerer MOSFET parallel geschaltet und diesem kleineren MOSFET, dem sogenannten "Sense"-FET, sourceseitig ein Meßwi­ derstand in Reihe geschaltet wird. Ist der Leistungs-FET drainseitig mit einer Last verbunden, so fließt durch den weiteren FET ein Strom, der dem Laststrom etwa proportional ist. Der Proportionalitätsfaktor hängt dabei vom Verhältnis der stromführenden Flächen des Sense-FET zu der des Leistungs-FET ab. Fließt durch die Last und damit durch den Leistungs-FET ein Laststrom, so fließt damit ein dem Last­ strom etwa proportionaler Teil durch den Sense-FET und den Meßwiderstand. Am Meßwiderstand kann dann eine dem Laststrom etwa proportionale Spannung abgegriffen werden.
Voraussetzung ist dabei, daß der Meßwiderstand auf die Last abgestimmt ist. Bei einer anderen Last muß daher entweder der Meßwiderstand geändert werden oder die die Spannung erfas­ sende Auswertelogik.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung der erwähnten Gattung so weiterzubilden, daß sie unabhängig von der Größe der Last brauchbar ist. Außerdem soll sie für den meist vorkommenden Fall des "High-Side"-Schalters verwendbar sein.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Widerstand einer­ seits mit einem auf festem Potential liegenden Anschluß verbunden ist und andererseits über einen steuerbaren Wider­ stand mit dem Sourceanschluß des weiteren Halbleiterbauele­ mentes, und daß der Strom des weiteren Halbleiterbauelementes durch den steuerbaren Widerstand derart eingestellt wird, daß die Drain- Sourcespannungen beider Halbleiterbauelemente einander gleich sind.
Wird die Schaltungsanordnung nicht mit Leistungs-MOSFET sondern mit IGBT betrieben, so ist der Begriff "Source" durch "Emitter" zu ersetzen.
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteran­ sprüche.
Die Erfindung wird anhand dreier Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Fig. 1 bis 3 näher erläutert. Es zei­ gen:
Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau der Schaltungsanordnung,
Fig. 2 eine erweiterte Schaltungsanordnung und
Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel, das gegenüber dem nach Fig. 1 durch verschiedene Komponenten ergänzt ist.
Die Schaltung nach Fig. 1 enthält einen Leistungs-MOSFET 1, dem sourceseitig eine Last 4 in Reihe geschaltet ist. Er stellt damit einen High-Side-Schalter dar. Die Schaltung enthält außerdem einen weiteren MOSFET 2. Dieser bildet den erwähnten Sense-FET und ist im allgemeinen durch einige Zellen des Leistungs-MOSFET 1 gebildet. Er kann z. B. 10 Zellen umfassen, während der Leistungs-MOSFET 1 10000 Zellen hat. Die Drainanschlüsse D beider MOSFET sind miteinander verbunden, ebenso ihre Gateanschlüsse. Ihre Sourceanschlüsse sind getrennt. Mit dem Sourceanschluß des MOSFET 2 ist ein steuerbarer Widerstand 6 angeschlossen. Der steuerbare Wider­ stand ist andererseits über einen Anschluß 10 mit einem Meßwiderstand 5 verbunden. Der andere Anschluß des Meßwider­ standes 5 liegt an einem festen Potential, vorzugsweise an Masse. Diese Masse kann, muß jedoch jedoch nicht derjenigen identisch sein, an der die Last 4 liegt.
Der steuerbare Widerstand 6 ist zweckmäßigerweise als MOSFET ausgebildet. Dann ist sein Sourceanschluß mit dem Meßwider­ stand 5 verbunden und sein Drainanschluß mit dem Sourcean­ schluß des MOSFET 2. Er ist vom umgekehrten Kanaltyp wie der MOSFET 2. Der Gateanschluß des MOSFET 6 ist mit dem Ausgang eines Differenzverstärkers 3 verbunden. Dieser hat zwei Eingänge, von denen der negative Eingang mit dem Sourcean­ schluß des MOSFET 2 und der positive Eingang mit dem Source­ anschluß des Leistungs-MOSFET 1 verbunden ist.
Die gesamte Anordnung liegt an einer Betriebsspannung +Vbb, die zwischen einem Anschluß 11 und Masse angelegt wird. Der Anschluß 11 ist mit den Drainanschlüssen der MOSFET 1 und 2 verbunden. Die Gateanschlüsse beider MOSFET sind über einen Widerstand 8 mit einem Eingang 9 verbunden, an den, z. B. über eine Pumpschaltung eine Steuerspannung angelegt werden kann.
Wird eine Steuerspannung am Eingang 9 angelegt, so wird der Leistungs-MOSFET 1 und der weitere MOSFET 2 leitend gesteu­ ert. Es fließt ein Laststrom durch die Last 4. Durch den MOSFET 2, den steuerbaren Widerstand 6 und den Meßwiderstand 5 fließt ebenfalls ein Strom. An den Sourceanschlüssen der MOSFET 1 und 2 stellt sich jeweils eine Spannung ein, die am negativen bzw. positiven Eingang des Differenzverstärkers 3 anliegt. Abhängig von der Differenz dieser Spannungen tritt am Ausgang von 3 eine Spannung auf, die den MOSFET 6 steuert.
Es sei zunächst angenommen, daß die Source-Drainspannung am MOSFET 2 größer ist als die am MOSFET 1. Dann tritt am Ein­ gang des Differenzverstärkers 3 eine Spannung auf, die den MOSFET 6 in einen Bereich höheren Widerstandes steuert. Der Strom durch den MOSFET 2 wird dadurch verringert, wodurch seine Drain-Sourcespannung steigt. Der Strom durch den MOSFET 2 wird nun so lange geregelt, bis die Differenz der Eingangs­ spannungen Null ist, d. h. bis die Drain-Sourcespannungen der MOSFET 1 und 2 gleich sind. Das bedeutet, daß im eingeregel­ ten, stationären Zustand durch den Meßwiderstand 5 ein Strom fließt, der dem Laststrom unabhängig von der Größe der Last 4 immer fest proportional ist. Ändert sich also im Lauf des Betriebes die Last 4 z. B. durch einen teilweisen Kurzschluß oder durch den Ausfall einiger parallelgeschalteter Lasten, so erhöht bzw. verringert sich die Drain-Sourcespannung am Leistungs-MOSFET 1 und damit wird der veränderbare Widerstand 6 in Richtung geringeren bzw. höheren Widerstandes gesteuert, bis die Spannungsdifferenz am Eingang des Verstärkers 3 Null ist.
Voraussetzung für die feste Proportionalität ist, daß die ID/UDS-Kennlinien der MOSFET 1 und 2 einander ähnlich sind. D.h., daß für jeden Spannungswert UDS durch den weiteren FET 2 ein Strom fließt, der einem festen Bruchteil des Laststroms beträgt. Dieser Strom erzeugt am Widerstand 5 eine auf Masse bezogene, dem Laststrom proportionale Spannung, die am An­ schluß 10 abgegriffen werden kann. Die Ähnlichkeit läßt sich ohne weiteres erzielen, daß, wie eingangs erwähnt, der MOSFET 2 durch einige Zellen des Leistungs-MOSFET 1 gebildet ist. Das Verhältnis kann z. B. 10 : 10000 sein.
Sind die Kennlinien einander nicht ähnlich, tritt ein vom Laststrom abhängiger Regelfehler auf.
Die Schaltungsanordnung nach Fig. 2 unterscheidet sich von der nach Fig. 1 durch einen zusätzlichen Differenzverstärker 14, dessen erster Eingang mit dem Sourceanschluß des Leistungs-MOSFET 1 verbunden ist. Am anderen Eingang des Differenzverstärkers 14 liegt eine feste Spannung an. Der Ausgang von 14 ist mit den Gateanschlüssen der MOSFET 1 und 2 verbunden. Der zusätzliche Differenzverstärker 14 hat den Zweck, die Drain-Sourcespannung des MOSFET 1 auf einen Wert einzustellen, der höher ist als die Offset-Spannung des Differenzverstärkers 3. Beträgt die Offset-Spannung z. B. 5 mV, so kann die am zweiten Eingang des Verstärkers 14 liegen­ de Spannung z. B. Vbb-0,1 V sein. Damit wird die Drain-Source­ spannung des MOSFET auf 0,1 V eingestellt. Bei der erwähnten Größe der Offset-Spannung beträgt der Regelfehler dann nur 5/100 mV = 5%. Die Erhöhung der Drain-Sourcespannung am MOSFET 1 um z. B. 0,1 V erhöht den Durchlaßwiderstand des Leistungs-MOSFET nur unerheblich. Damit ist die Erhöhung der Verluste im Leistungs-MOSFET 1 vernachlässigbar gering.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist gegenüber dem nach Fig. 1 um einige Bauteile ergänzt. So ist der negative Eingang des Verstärkers 3 über eine Diode 15 mit dem Anschluß 11 und über eine Stromquelle 18 mit Masse verbunden. Der andere Ausgang ist über eine Diode 16 mit dem Anschluß 11 und über eine Stromquelle 20 mit Masse verbunden. Der negative Eingang ist außerdem über eine Diode 17 mit dem Sourcean­ schluß des MOSFET 2 verbunden, der positive Eingang über eine Diode 19 mit dem Sourceanschluß des Leistungs-MOSFET 1. Die Dioden und Stromquellen dienen dazu, dem Verstärker 3 den richtigen Arbeitspunkt einzustellen. Alle Dioden können als MOS-Dioden ausgeführt sein, die Stromquellen können als Stromspiegelschaltung oder als Depletion-MOSFET realisiert werden.
Zwischen dem Ausgang des Verstärkers 3 und dem Gateanschluß des MOSFET 6 kann ein Widerstand 21 angeschlossen sein, dessen mit dem Gateanschluß von 6 verbundener Anschluß mit einem Kondensator 22 verbunden ist. Der andere Anschluß des Kondensators liegt auf Masse. Diese RC-Kombination wirkt der Schwingneigung des Verstärkers 3 entgegen. Der Verstärker 3 ist zweckmäßigerweise ein Operationsverstärker.
Die erfindungsgemäße Schaltung läßt sich im wesentlichen temperaturunabhängig betreiben, wenn der Meßwiderstand 5 selbst temperaturunabhängig oder wenig temperaturabhängig ist. Dies kann z. B. dadurch erreicht werden, daß der Meßwi­ derstand 5 aus Polysilizium besteht oder als temperaturkom­ pensierter Widerstand ausgeführt ist.
Die Erfindung wurde anhand eines High-Side-Schalters erläu­ tert. Sie ist jedoch auch für einen Low-Side-Schalter anwend­ bar. Hier befindet sich die Last 4 auf der Drainseite der beiden MOSFET, während der steuerbare Schalter 6 und der Meßwiderstand 5 auf der Sourceseite des MOSFET 2 angeschlos­ sen bleibt.

Claims (7)

1. Schaltungsanordnung zum Erfassen des Laststromes eines durch Feldeffekt steuerbaren Leistungs-Halbleiterbauelements, mit den Merkmalen:
  • - einem weiteren durch Feldeffekt steuerbaren Halbleiterbau­ element,
  • - die Drainanschlüsse und Gateanschlüsse beider Halbleiter­ bauelemente sind jeweils miteinander verbunden,
  • - durch das weitere Halbleiterbauelement fließt ein Bruchteil des Laststroms,
  • - einem dem weiteren Halbleiterbauelement in Reihe geschalte­ ten Widerstand, an dem eine dem Laststrom proportionale Spannung abgreifbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (5) einerseits mit einem auf festem Potential liegenden Anschluß verbunden ist und andererseits über einen steuerbaren Widerstand (6) mit dem Sourceanschluß des weite­ ren Halbleiterbauelements (2), und daß der Strom des weiteren Halbleiterbauelementes durch den steuerbaren Widerstand derart eingestellt wird, daß die Drain-Sourcespannungen beider Halbleiterbauelemente einander gleich sind.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der steuerbare Widerstand (6) ein MOSFET ist, dessen Steuerein­ gang mit dem Ausgang eines Differenzverstärkers verbunden ist, dessen erster Eingang mit dem Sourceanschluß des Leistungs-Halbleiterbauelements (1) und dessen zweiter Ein­ gang mit dem Sourceanschluß des weiteren Halbleiterbauele­ ments (2) verbunden ist.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Differenzverstärker (3) ein Operationsverstärker ist.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das feste Potential Massepotential ist.
5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterbauelemente (1, 2) einander ähnliche ID/UDS-Kenn­ linien haben.
6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Leistungs-Halbleiterbauelement (1) und das weitere Halblei­ terbauelement (2) aus einer Vielzahl von auf einem einzigen Chip integrierten Zellen besteht.
7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Drainanschluß des Leistungs-Halbleiterbauelements (1) mit dem ersten Eingang eines weiteren Differenzverstärkers (14) verbunden ist und daß an seinem zweiten Eingang eine Spannung anlegbar ist, die größer ist als die Offset-Spannung des ersten Differenzverstärkers (3).
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