DE3816476C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Treiberschaltung zum Treiben einer Bipolar-MOS-Kaskodenschaltung nach dem Oberbegriff des Patentan­ spruches 1.

Fig. 1 zeigt eine herkömmliche Treiberschaltung für einen Kaskoden-BiMOS 1, wobei ein bipolarer Transistor 11 und ein Leistungs-MOSFET 12 über eine Kaskodenverbindung miteinander verbunden sind. Eine Diode 13 ist antiparallel zur Kaskodenverbindung vorgesehen und dient als Bypass, wenn ein Sperrstrom dem Kaskoden-BiMOS 1 zugeführt wird.

Zwischen die Basis des bipolaren Transistors 11 und den Source- Anschluß des MOSFET 12 ist eine Zenerdiode 2 eingesetzt, so daß die Anode der Zenerdiode 2 mit dem Source-Anschluß des MOSFET 12 verbunden ist. Ein Kondensator 3 ist mit der Zenerdiode 2 in Parallelschaltung verbunden. Ein Signal­ generator 4 erzeugt ein Steuersignal, das dem Gate-Anschluß des MOSFET 12 zugeführt wird. Die Energie zum Treiben des Signalgenerators 4 wird von einer Stromquelle 5 geliefert. Eine weitere Stromquelle 6 ist zwischen den Signalgenerator 4 und den Source-Anschluß des MOSFET 12 eingesetzt und liefert einen konstanten Spannungspegel für den Source-Anschluß des MOSFET 12 sowie die anderen angeschlossenen Bauelemente.

Der Kaskoden-BiMOS 1 ist in einen Strompfad CP eingesetzt, der als Stromleitung ausgebildet ist, und der Strompfad CP kann über eine Schaltwirkung in dem Kaskoden-BiMOS 1 geöffnet oder geschlossen werden. Der Strompfad CP ist mit einer nicht dargestellten Stromquelle außerhalb von Fig. 1 verbunden.

Ein Stromtransformator 7 mit Anschlüssen T 1-T 4 ist ebenfalls in den Strompfad CP eingesetzt, so daß die Anschlüsse T 4 und T 3 einer internen Stromleitung L mit dem Strompfad CP bzw. dem Kaskoden-BiMOS 1 verbunden sind. Von den beiden anderen Anschlüssen T 1 und T2 ist der "heiße" Anschluß T 1 mit dem Source-Anschluß des MOSFET 12 verbunden, während der "kalte" Anschluß T 2 mit der Basis des bipolaren Transistors 11 über eine Diode 8 und einen Widerstand 9 verbunden ist.

Wenn das Steuersignal im Signalgenerator 4 erzeugt und dem Gate-Anschluß des Leistungs-MOSFET 12 zugeführt wird, wird der MOSFET 12 durchgeschaltet. Der Kondensator 3 wird vorher durch einen früheren Ein/Aus-Zyklus der Treiberschaltung geladen. In Abhängigkeit von dem Durchschalten des MOSFET 12 fällt die Emitterspannung des bipolaren Transistors 11 ab, so daß der Kondensator 3 über den bipolaren Transistor 11 und den MOSFET 12 entladen wird.

Dementsprechend beginnt der Kollektorstrom des bipolaren Transistors 11 durch den Strompfad CP zu fließen, um einen Sekundärstrom in dem Stromtransformator 7 zu induzieren. Der Sekundärstrom wird der Basis des bipolaren Transistors 11 über die Diode 8 und den Widerstand 9 zugeführt und dient als Basisstrom, der erforderlich ist, um den Durchschalt­ zustand des bipolaren Transistors 11 aufrechtzuerhalten. Damit schließt der Kaskoden-BiMOS 1 den Strompfad CP und ermöglicht es, daß ein stationärer Strom längs des Strom­ pfades CP fließen kann.

Wenn dann der Signalgenerator 4 aufhört, das Steuersignal zu liefern, so wird der Leistungs-MOSFET 12 gesperrt und zwingt den bipolaren Transistor 11 in einen Emitter-Sperr­ zustand. Der Kollektorstrom des bipolaren Transistors 11 ändert seinen Weg und fließt durch die Basis des bipolaren Transistors 11 und die Zenerdiode 2, wobei er den MOSFET 12 umgeht. Der Bypaßstrom dient als inverser Basisstrom, um den bipolaren Transistor 11 zu sperren, und der bipolare Transistor 11 wird rasch gesperrt. Dementsprechend öffnet der Kaskoden-BiMOS 1 den Strompfad CP und verhindert, daß ein Strom längs des Strompfades CP fließt. Der Kondensator 3 wird durch den vorliegenden Ein/Aus-Betriebszyklus der Treiberschaltung für den nächsten Betriebszyklus wieder geladen.

Bei der vorstehenden Beschreibung wird der Kaskoden-BiMOS 1 so getrieben, daß er den Strom, der durch den Strompfad CP fließt, in Abhängigkeit von dem Steuersignal steuert. Anstelle des Stromtransformators 7 kann ein üblicher Transformator 10 gemäß Fig. 2 verwendet werden, wobei die Anschlüsse T 1-T 4 durch die jeweiligen Anschlüsse T 5-T 8 ersetzt werden.

Bei der herkömmlichen Treiberschaltung wird der Stromtrans­ formator 7 oder der Transformator 10 verwendet, um den Basisstrom für den bipolaren Transistor 11 zu liefern, so daß die Größe und die Energieverluste in einer Vorrichtung unter Verwendung einer derartigen Schaltung gemäß Fig. 1 groß sind, während die Schaltgeschwindigkeit bei Schaltbe­ trieb niedrig ist. Außerdem hängen die Eigenschaften der An­ ordnung, wie z. B. das Tastverhältnis von den Charakterstika der Transformatoren 7 bis 10 ab, und die Freiheitsgrade hin­ sichtlich der Ausgestaltung der Anordnung sind sehr begrenzt.

Aus der DE-PS 33 21 107 ist eine Treiberschaltung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 bekannt. Bei dieser An­ ordnung wird das Abschalten der Darlington-Stufe durch ei­ nen Kondensator beschleunigt, der einen Basiswiderstand der Darlington-Stufe überbrückt. Es wurde jedoch festgestellt, daß eine derartige Schaltung nicht schnell genug abschaltet.

Aus der Zeitschrift Markt und Technik, Nr. 48 (1982), Seiten 66 bis 68, ist eine ähnliche Schaltung bekannt, wobei hier nur ein einziger Bipolar-Transistor Verwendung findet, dessen Basis über eine Parallelschaltung aus einem Kondensator und einer Zenerdiode mit einem Source-Anschluß des MOS-Transistors verbunden ist. Auch diese Schaltung schaltet nicht schnell genug ab.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Treiberschal­ tung der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß ihre Abschaltgeschwindigkeit erhöht wird.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Patentan­ spruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachstehend, auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile, anhand der Beschreibung von Ausführungs­ beispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in

Fig. 1 ein Schaltbild einer herkömmlichen BiMOS-Treiber­ schaltung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung zur Erläuterung eines Transformators, der bei der herkömmlichen BiMOS-Treiberschaltung verwendet wird, und in

Fig. 3 ein Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen BiMOS-Treiberschaltung.

Im folgenden wird auf Fig. 3 Bezug genommen, die eine erfindungsgemäße BiMOS-Treiberschaltung gemäß einer bevor­ zugten Ausführungsform zeigt. Eine Bipolar-MOS-Kaskoden­ schaltung, kurz als Kaskoden-BiMOS 1 bezeichnet, weist einen bipolaren NPN-Transistor 11 und einen N-Kanal Leistungs-MOSFET 12 auf, die in einer Kaskodenschaltung miteinander verbunden sind. Zwischen den Emitter und die Basis des bipolaren Transistors 11 ist ein Widerstand 14 geschaltet. Antiparallel zu den in Reihenschaltung verbundenen Transistoren 11 und 12 ist eine Diode 13 als Sperrstrom-Bypaß vorgesehen. Der Kaskoden- BiMOS 1 ist in einen Strompfad CP eingesetzt und öffnet und schließt den Strompfad CP in Abhängigkeit von einem Steuer­ signal, das von einem Steuersignalgenerator 4 geliefert und an den Gate-Anschluß des Leistungs-MOSFET 12 angelegt wird. Der Strompfad CP kann ein elektrischer Draht sein.

Zum Treiben des bipolaren Transistors 11 ist ein weiterer bipolarer NPN-Transistor 21 vorgesehen und mit dem ersten bipolaren Transistor 11 über eine Darlingtonschaltung ver­ bunden. Der Emitter des zweiten bipolaren Transistors 21 ist mit der Basis des ersten bipolaren Transistors 11 verbunden, und die jeweiligen Kollektoren der beiden bipolaren Transistoren 11 und 21 sind miteinander verbunden. Eine PN-Übergangsdiode 22 ist zwischen die jeweiligen Basen der Transistoren 21 und 11 so geschaltet, daß gemäß Fig. 3 die Anode und die Kathode der Diode 22 mit den Basen der bipolaren Transistoren 11 bzw. 21 verbunden sind.

Ein Basisstrom des bipolaren Transistors 21 in seinem stationären Durchschaltzustand wird von der Stromquelle 5 über einen Widerstand 24 geliefert. Die Stromquelle 5 ist außerdem mit dem Signalgenerator 4 verbunden, um diesen mit Energie zu versorgen. Eine weitere Stromquelle 6 ist zwischen den Signalgenerator 4 und den Source-Anschluß des MOSFET 12 geschaltet. Ein Kondensator 23 ist zwischen die jeweiligen Anoden oder positiven Anschlüsse der Stromversorgungen 5 und 6 geschaltet.

Die Kathode einer Zenerdiode 2 ist mit der Basis des bipolaren Transistors 21 verbunden, während die Anode der Zenerdiode 2 mit dem Source-Anschluß des MOSFET 12 verbunden ist, der an den Strompfad CP auf der gegenüberliegenden Seite des bipolaren Transistors 11 angeschlossen ist. Zwischen die Basis des bipolaren Transistors 11 und die Anode des Source-Anschlusses des MOSFET 12 ist ein weiterer Kondensator 3 geschaltet.

Die Wirkungsweise der BiMOS-Schaltung wird nachstehend näher erläutert:
Unter der Voraussetzung, daß eine positive Spannung von einer nicht dargestellten Stromquelle an den oberen Bereich CP 1 des Strompfades CP in Fig. 3 angelegt wird, der mit dem Kollektor des bipolaren Transistors 11 verbunden ist, wird das Steuersignal in dem Signalgenerator 4 erzeugt, welches dem Gate-Anschluß des Leistungs-MOSFET 12 zugeführt wird. Das Steuersignal kann in Abhängigkeit von einem Eingangssignal erzeugt werden, das von außen an den Signalgenerator 4 der Schaltung gemäß Fig. 3 angelegt wird.

Dementsprechend wird der Leistungs-MOSFET 12 durchgeschaltet, und der Basis-Emitter-Übergang in dem bipolaren Transistor 11 wird in Durchlaßrichtung vorgespannt durch die Spannung am Kondensator 3, der bei einem früheren Betriebszyklus der Treiberschaltung vorher geladen worden ist. Somit wird die Ladung im Kondensator 3 über die Parallelschaltung, bestehend aus dem Widerstand 14 und dem Basis-Emitter-Übergang des bipolaren Transistors 11 entladen, was dem bipolaren Transistor 11 einen Überschwing-Basisstrom liefert, und der bipolare Transistor 11 wird durchgeschaltet.

Die Entladung im Kondensator 3 erzeugt einen Spannungsabfall am Emitter des bipolaren Transistors 21, und die vorher im Kondensator 23 gespeicherte Ladung wird durch die Spannung zwischen den Stromquellen 5 und 6 durch den Basis-Emitter- Übergang im bipolaren Transistor 21 entladen. Der Entladungs­ strom dient als Überschwing-Basisstrom des bipolaren Transistors 21, um den bipolaren Transistor 21 durchzuschalten. Ein von der Stromquelle 5 durch den Widerstand 24 gelieferter Strom dient als stationärer Basisstrom des bipolaren Transistors 21.

Ein Kollektorstrom für den bipolaren Transistor 21 wird von der stromaufwärtigen Seite CP 1 des Strompfades CP geliefert. Ein Emitterstrom des bipolaren Transistors 21 dient als Basis­ strom des bipolaren Transistors 11, um den bipolaren Transistor 11 in seinem stationären leitenden Zustand zu halten. Infolge­ dessen wird der Strompfad CP in dem Kaskoden-BiMOS 1 geschlossen, und ein stationärer Strom fließt längs des Strompfades CP durch den Kaskoden-BiMOS 1 in der Richtung von der stromauf­ wärtigen Seite CP 1 zur stromabwärtigen Seite CP 2. Die Konden­ satoren 23 und 3 werden wieder geladen durch den Strom, der von der Stromquelle 5 und dem Emitterstrom des bipolaren Transistors 21 geliefert wird.

Wenn die Zuführung des Steuersignals zum Gate-Anschluß des Leistungs-MOSFET 12 aufhört, d. h. wenn der Spannungspegel des Gate-Anschlusses absinkt, sperrt der Leistungs-MOSFET 12. Dementsprechend wird der bipolare Transistor 11 in einen Emitter-Sperrzustand gezwungen, und der Kollektorstrom des bipolaren Transistors 11 ändert seinen Weg und wird von der Basis des bipolaren Transistors 11 zu dem Knotenpunkt zwischen der Diode 22 und dem Emitter des bipolaren Transistors 21 geführt. Da die Diode 22 bezüglich des gelieferten Stromes in Durchlaßrichtung ist, fließt der Strom durch die Diode 22 und die Zenerdiode 2 und erreicht die stromabwärtige Seite CP 2 des Strompfades CP (unterer Bereich in Fig. 3). Mit anderen Worten, der Kollektorstrom des bipolaren Transistors 11 umgeht den Leistung-MOSFET 12 über die Diode 22 und die Zenerdiode 2 und gelangt zur stromabwärtigen Seite CP 2 des Strompfades CP.

Der oben beschriebene Strom dient als Sperrstrom für den bipolaren Transistor 11, um den bipolaren Transistor 11 zum Sperren zu zwingen. Dementsprechend wird auch der andere bipolare Transistor 21 in einen Zustand gezwungen, in dem sein Emitter teilweise gesperrt ist und seine Basis-Emitter-Strecke durch den Spannungsabfall über der Diode 22 in Sperrichtung vorgespannt ist, und sein Kollektorstrom ändert seinen Weg und fließt durch die Basis des bipolaren Transistors 21 und die Zenerdiode 2.

Somit umgeht der Kollektorstrom des bipolaren Transistors 21 den Kaskoden-BiMOS 1 über die Zenerdiode 2 und erreicht die stromabwärtige Seite CP 2 des Strompfades CP. Der Kollektor­ strom dient dabei als Sperrstrom für den bipolaren Transistor 21, um den bipolaren Transistor 21 zum Sperren zu zwingen. Infolgedessen sind sämtliche Transistoren 11, 12 und 21 in ihren jeweiligen Sperrzuständen, und der Strompfad CP in dem Kaskoden-BiMOS 1 ist geöffnet, so daß kein Strom durch den Strompfad CP fließt.

Die Zenerdiode 2 hält den Basisspannungspegel des bipolaren Transistors 21 an der Zenerdurchbruchsspannung fest, um zu verhindern, daß der Basisspannungspegel in der Periode abfällt, in der die Transistoren 11 und 21 in ihren jeweiligen leitenden Zuständen sind.

Wie sich aus der obigen Beschreibung ergibt, hat der in Darlington-Schaltung mit dem bipolaren Transistor 11 ver­ bundene bipolare Transistor 21 eine ähnliche Funktion wie der Transformator, der bei der herkömmlichen Treiberschaltung verwendet wird, wobei jedoch gemäß der Erfindung kein derartiger Transformator mehr erforderlich ist. Die Darlington-Schaltung ist im wesentlichen in den jeweiligen Sperrzuständen der bipolaren Transistoren abgeschaltet, da die Sperrströme durch die Diode 22 und die Zenerdiode 2 fließen, wobei sie die Darlington-Schaltung umgehen. Mit anderen Worten, die Darlington-Schaltung arbeitet im wesentlichen nur in der Einschalt- oder Durchschaltperiode der Transistoren, so daß der Sperrbetrieb gewährleistet ist.

Die Treiberschaltung gemäß der Erfindung benötigt keine Spule, so daß ihre Schaltgeschwindigkeit verbessert ist. Da die bipolaren Transistoren 11 und 21 über den jeweiligen Emitter- Sperrbetrieb sperren, wird die Schaltgeschwindigkeit weiter verbessert. Wenn die bipolaren Transistoren 11 und 21, die Diode 22, die Zenerdiode 2 und der Kaskoden-BiMOS 1 in einem gemeinsamen Gehäuse aufgenommen sind, so wird die Ver­ drahtungslänge zur Verbindung dieser Elemente weiter verringert, was die Schaltgeschwindigkeit ebenfalls verbessert. Außerdem gibt es eine größere Anzahl von Möglichkeiten bei der Ausge­ staltung einer Anordnung unter Verwendung einer erfindungs­ gemäßen BiMOS-Treiberschaltung, da kein Transformator erforder­ lich ist. Die oben beschriebene Treiberschaltung erfordert keinen Transformator, was sich in vorteilhafter Weise in geringeren Kosten und geringeren Leistungsverlusten bei der erfindungsgemäßen Treiberschaltung auswirkt.

Claims (3)

1. Treiberschaltung zum Treiben einer Bipolar-MOS-Kaskoden­ schaltung,
mit einem ersten bipolaren Transistor (11) und einem zweiten bipolaren Transistor (21), welche in einer Darlington- Schaltung miteinander verbunden sind,
mit einem MOS-Transistor (12), der mit einem ersten bipolaren Transistor (11) in einer Kaskodenschaltung verbunden ist, wobei die Bipolar-MOS-Kaskodenschaltung (1) in einen Strom­ pfad (CP) eingesetzt ist, um diesen abhängig von einem Steuersignal zu öffnen und zu schließen, welches an einen Gate-Anschluß des MOS-Transistors (12) zugeführt wird, wobei eine Stromversorgung (5, 24) mit der Basis des zwei­ ten bipolaren Transistors (21) verbunden ist, um der Basis des zweiten bipolaren Transistors (21) einen Basisstrom zuzuführen,
dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen der Basis des zweiten bipolaren Transistors (21) und der Basis des ersten bipolaren Transistors (11) eine Diode (22) zum Beschleunigen des Abschaltens der Darlington-Stufe in an sich bekannter Weise angeordnet ist,
daß eine Zenerdiode (2) mit ihrer Kathode mit der Basis des zweiten bipolaren Transistors (21) und ihrer Anode mit einem Source-Anschluß des MOS-Transistors (12) ver­ bunden ist, und
daß ein Kondensator (3) zwischen der Basis des ersten bipola­ ren Transistors (11) und dem Source-Anschluß des MOS- Transistors (12) angeordnet ist.

2. Treiberschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die ersten und zweiten bipolaren Transistoren (11, 21) NPN-Transistoren sind,
daß die jeweiligen Kollektoren der ersten und zweiten bi­ polaren Transistoren (11, 21) miteinander verbunden sind, und
daß der Emitter des zweiten bipolaren Transistors (21) mit der Basis des ersten bipolaren Transistors (11) ver­ bunden ist.

3. Treiberschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Stromversorgung (5, 24) eine Stromquelle (5) auf­ weist, die über einen Widerstand (24) an die Basis des zweiten bipolaren Transistors (21) angeschlossen ist, und
daß ein zweiter Kondensator (23) zwischen die Strom­ quelle (5) und den Source-Anschluß des MOS-Transistors (12) geschaltet ist.