Schaltnetzgerät

Die Erfindung bezieht sich auf ein Schaltnetzgerät gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

In zunehmendem Maße werden einfache und preiswerte Schalt- netzgeräte für batteriebetriebene Geräte gefordert. Hierzu sollen Halbleiterschalter zur Verfügung gestellt werden, welche hohe Spannungen aushalten, einen Kurzschlußschutz ge¬ währen und kostengünstig herzustellen sind.

Aus dem Datenblatt der Firma Power Integrations, Inc., "A Low Cost, Low Part Count TOPSwitch™ Supply", August 1994 ist eine Schaltungsanordnung für ein Schaltnetzgerät gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt. Das darin einbezogene Halbleiterbauelement enthält in monolithisch integrierter Form alle notwendigen Normal- und Schutzfunktionen. Zur Her- Stellung eines derartigen Bauelements ist jedoch eine spe¬ zielle Technologie notwendig, die nicht immer verfügbar ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Schalt- netzgerät anzugeben, welches mit im wesentlichen normalen Bauelementen mit möglichst geringem Bauelementeaufwand her¬ stellbar ist.

Diese Aufgabe wird durch den kennzeichnenden Teil des An¬ spruchs 1 gelöst. Weiterbildungen sind Kennzeichen der Un- teransprüche.

Vorteil des erfindungsgemäßen Schaltnetzgerätes ist es, daß kein spezielles Halbleitersteuerelement benötigt wird. Erfin¬ dungsgemäß wird dies dadurch bewerkstelligt, daß die Last- strecke eines Hochvolt-MOSFET mit der Laststrecke eines zu¬ sätzlichen Leistungs-MOSFET in Reihe geschaltet wird. Eine Steuerschaltung, die aus der Gatespannung des Hochspannungs-

MOSFET gespeist wird, dient nun zur Ansteuerung des zweiten Leistungs-MOSFET.

Vorteilhafterweise kann die Steuerschaltung in den zweiten Leistungs-MOSFET integriert werden, wodurch sich ein einfa¬ ches und kostengünstiges Steuer- und Schutz-IC ergibt.

Vorteilhafterweise erzeugt die Steuerschaltung ein pulswei- ten-moduliertes Steuersignal. Des weiteren kann die Steuer- schaltung vorteilhafterweise den Kurzschlußstrom des Lei¬ stungs-MOSFET begrenzen, sowie eine Temperaturüberwachung und Abschaltung enthalten. Schließlich ist auch noch ein Limitie¬ ren des di/dt bei Kurzschluß möglich.

Anstelle einer vollständigen Integration der Steuerschaltung mit dem zweiten Leistungshalbleiter kann auch eine in einem Gehäuse untergebrachte Zwei-Chip-Lösung gewählt werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Figur näher er- läutert.

In der Figur ist mit 3 eine Anschlußklemme bezeichnet, an welche eine Versorgungsspannung V _b b anlegbar ist. Diese An¬ schlußklemme 3 ist über eine Wicklung 8, welche Teil eines Übertragers ist, mit dem Drainanschluß Di eines Hochspan¬ nungs-MOSFET 1 verbunden. Der Sourceanschluß Si des Hochspan¬ nungs-MOSFET 1 ist mit dem Drainanschluß D ₂ eines niederohmi- gen MOSFET 2, welcher für kleine Spannungen geeignet ist, verbunden. Der Sourceanschluß S ₂ des MOSFET 2 ist mit einem Bezugspotential, z.B. Masse verschaltet. Der Übertrager weist eine zweite Wicklung 7 auf, deren einer Anschluß über eine Diode 5 in Flußrichtung mit dem ersten Anschluß eines Kondensators 6 verschaltet ist, dessen zweiter Anschluß mit dem anderen Anschluß der Wicklung 7 und mit Masse verschaltet ist. Am Knotenpunkt aus Reihenschaltung der Diode 5 und des Kondensators 6 ist ein Abgriff vorgesehen, der mit dem Gateanschluß Gi des Hochspannungs-MOSFET 1 verbunden ist. Ein

Stromversorgungsbauelement 4 ist vorgesehen, welches zwischen der Versorgungsspannungsklemme 3 und Masse geschaltet ist und ein Ausgangssignal erzeugt, welches dem Gateanschluß G _: des Hochspannungs-MOSFET 1 zugeführt wird. Dieses Start- Versorgungsbauelement 4 ermöglicht das Anlaufen der Schal¬ tungsanordnung.

Des weiteren ist eine Steuerschaltung 14 vorgesehen, die ei¬ nerseits mit Masse und andererseits mit dem Gateanschluß Gi des Hochspannungs-MOSFET 1 verbunden ist. Diese Steuerschal¬ tung 14 erzeugt ein Ausgangssignal, welches dem Gateanschluß des MOSFET 2 zugeführt wird. Des weiteren weist sie einen Eingang auf, der mit dem Drainanschluß D ₂ des MOSFET 2 ver¬ bunden ist.

Der Übertrager weist eine weitere Wicklung 9 auf, die einer¬ seits über eine Diode 10 in Flußrichtung mit einer Anschlu߬ klemme 12 und dem ersten Anschluß eines Kondensators 11 ver¬ bunden ist, und dessen zweiter Anschluß mit dem zweiten An- schluß des Kondensators 11 und einer Anschlußklemme 13 ver¬ schaltet ist. An den Klemmen 12 und 13 ist in bekannter Weise die AusgangsSpannung des Schaltnetzgerätes abgreifbar.

Anstelle eines Hochleistungs-MOSFET 1 kann z.B. auch ein IGBT verwendet werden. Dieses Bauelement kann z.B. für Spannungen bis 600 Volt ausgelegt. Der zweite niederohmige MOSFET 2 hin¬ gegen muß lediglich für Spannungen von ca. 20 Volt dimensio¬ niert sein.

Der Hochspannungs-MOSFET 1, oder ein entsprechender IGBT, werden über den Gateanschluß Gi mit einer konstanten Gate¬ spannung versorgt. Hierzu dienen die zusätzliche Wicklung 7 und die sich daran anschließende Diode 5 und der Kondensator 6, an welchem sich die Gatespannung im Betrieb einstellt. Zum Anlaufen, und damit zum Erzeugen der Gatespannung dient ein Startversorgungsbauelement 4. Die eigentlich notwendigen Auf¬ gaben zur Steuerung des Schaltnetzteils werden von der Steu-

erschaltung 14 in Verbindung mit dem niederohmigen MOSFET 2 übernommen. Dieser MOSFET 2 kann sehr klein sein, weil er nur für kleine Spannungen ausgerüstet ist und er den Strom durch den Transistor 1 in Kaskode-Konfiguration schaltet. Wegen seiner demgemäß kleinen Eingangskapazität muß für seine An- steuerung keine aufwendige Schaltung konzipiert werden. Dem¬ gemäß muß der Treiberteil in der Steuerschaltung 14 keine ho¬ hen Ströme liefern.

Die Steuerschaltung 14 erzeugt ein pulsweites moduliertes

Rechtecksignal mit einer Frequenz von > 50 KHz. Die Regelung der Pulsbreite des Gatespannungssignals des Transistors 2 er¬ folgt auf die Weise, daß das Steuersignal an der Klemme G ₂ konstant bleibt. Dieses Signal dient gleichzeitig auch für die Stromversorgung des Steuerteils 14. Desweiteren kann die Steuerschaltung 14 den Kurzschlußstrom des Transistors 2 zum Beispiel durch Erfassung der Drainsourcespannung limitieren. Dadurch wird automatisch auch der Kurzschlußstrom des Tran¬ sistors 1 limitiert. Schließlich kann eine Temperaturüberwa- chungsschaltung in bekannter Weise vorgesehen sein, die ein völliges Abschalten des Stromes bei Überschreitung einer vor¬ gegebenen Ciptemperatur des Transistors 2 durchführt. Eine weitere Funktion kann das Limitieren von di-dt beim Kurz¬ schluß im eingeschalteten Zustand des Transistors 2 sein. Durch eine entsprechend mitintegrierte Logik kann ein Weiter¬ laufen der Schaltung nach Beseitigung aller Störungen durch die Steuerschaltung 14 gestattet werden.

Die Steuerschaltung 14 kann wie durch die gestrichelte Linie angedeutet, zusammen mit dem Transistor 2 in monolithischer Form erstellt werden, so daß sie extern die drei Anschlüsse G ₂ , D ₂ und S ₂ aufweist. Es kann aber auch eine Zwei-Chip-Form in einem Gehäuse integriert sein, wobei die SteuerSchaltung 14 und der Transistor 2 jeweils einen Chip bilden. Für die Schutzwirkung sollte die Wärmekapazität des Transistors 1 und der Schaltung 15 etwa in folgendem Verhältnis stehen:

Für die Wärmekapazitätswerte sollen die Gesamtwerte von Chip und Gehäuse maßgebend sein. Da im Allgemeinen der Hochvolt- MOSFET-Chip wesentlich größer ist, als der Chip des zweiten Steuertransistors 2 und der Anteil der Steuerschaltung 14 kleinflächig ist, wird diese Forderung in der Praxis automa¬ tisch erfüllt sein.