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DE3936544A1 - Protection circuit for power MOSFET - has switch across gate-source and responsive to drain and input voltages - Google Patents

Protection circuit for power MOSFET - has switch across gate-source and responsive to drain and input voltages

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DE3936544A1
DE3936544A1 DE19893936544 DE3936544A DE3936544A1 DE 3936544 A1 DE3936544 A1 DE 3936544A1 DE 19893936544 DE19893936544 DE 19893936544 DE 3936544 A DE3936544 A DE 3936544A DE 3936544 A1 DE3936544 A1 DE 3936544A1
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Germany
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switch
power mosfet
controllable
circuit arrangement
controllable switch
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DE19893936544
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Peter Sommer
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Siemens Corp
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Siemens AG
Siemens Corp
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Abstract

A switch (5) is between the gate and source of the power MOSFET (1) and is switched on if the drain-to-source voltage exceeds a preset value which is greater than the voltage for nominal current flow. Between the gate terminal (G) and the input terminal (23) is a controllable resitance (2) which is so controlled by the controllable switch as to assume a low resistance when the switch is off and a high resistance when the switch is on. Pref. the controllable resistance (2) is a depletion FET (8). A temperature sensor (18) may contact the power MOSFET, and when this reaches a set temperature the sensor gives out a signal which also causes the switch (5) to switch on. A delay (19) may be between the input terminal and the controllable switch (5). ADVANTAGE - Protection against load short circuit while allowing high operating currents.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum Schutz eines Leistungs-MOSFET beim Kurzschluß einer mit dem Leistungs-MOSFET in Reihe liegenden Last, mit einem zwischen Gateanschluß und Sourceanschluß des Leistungs-MOSFET liegenden steuerbaren Schalter.The invention relates to a circuit arrangement for Protection of a power MOSFET in the event of a short circuit with the Power MOSFET in series load, with a between The gate connection and source connection of the power MOSFET lie controllable switch.

Beim Kurzschluß einer mit einem Leistungs-MOSFET in Reihe liegen­ den Last oder bei einer niederohmigen Überbrückung der Last fällt ein großer Teil der Versorgungsspannung am Leistungs-MOSFET ab. Hierbei steigt die im Leistungs-MOSFET umgesetzte Verlustleistung drastisch an und führt ohne Schutzmaßnahmen zur Zerstörung. Eine z.B. in der DE-OS 30 34 927 beschriebene Schutzmaßnahme besteht darin, die Drain-Sourcespannung des Leistungs-MOSFET zu erfassen und bei Übersteigen eines vorgegebenen Wertes einen zwischen Gateanschluß und Sourceanschluß liegenden Transistor einzuschal­ ten. Dieser entlädt die Gate-Sourcekapazität des Leistungs-MOS- FET, wodurch dieser gesperrt wird.In the event of a short, one in line with a power MOSFET the load or if the load is bridged with a low impedance a large part of the supply voltage at the power MOSFET. This increases the power loss implemented in the power MOSFET drastically and leads to destruction without protective measures. A e.g. protective measure described in DE-OS 30 34 927 in sensing the drain-source voltage of the power MOSFET and if a predetermined value is exceeded, a between Switch on gate connection and source connection lying transistor This discharges the gate-source capacitance of the power MOS FET, which locks it.

Wird die Gate-Sourcekapaziät zu schnell entladen, so sperrt der Leistungs-MOSFET abrupt. Wegen der immer vorhandenen Induktivi­ täten im Lastkreis wird dann eine hohe Überspannung erzeugt, die den Transistor zerstören kann. Der Leistungs-MOSFET könnte zwar dadurch langsamer abgeschaltet werden, daß dem die Gate-Source­ kapaziät entladenden Transistor ein Widerstand in Reihe geschal­ tet wird. Wird jedoch Gatestrom über einen kräftigen Treiber nachgeliefert, so fließt dann ein großer Teil des Treiberstroms in die Gate-Sourcekapazität des Leistungs-MOSFET. Diese bleibt damit auf einer Spannung aufgeladen, die über der Einsatzspan­ nung liegt. Der Leistungs-MOSFET kann dann überhaupt nicht mehr gesperrt werden.If the gate-source capacitance is discharged too quickly, it blocks Power MOSFET abruptly. Because of the always existing inductors A high overvoltage is then generated in the load circuit can destroy the transistor. The power MOSFET could can be switched off more slowly in that the gate-source capacitance discharging transistor a resistor in series is tested. However, gate current is driven by a powerful driver then a large part of the driver current flows into the gate-source capacitance of the power MOSFET. This remains thus charged to a voltage that is above the operational chip voltage lies. The power MOSFET can then no longer do anything be blocked.

Ziel der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung der angege­ benen Gattung derart auszubilden; daß der Leistungs-MOSFET im Fall eines teilweisen oder völligen Kurzschlusses der Last sanft, aber trotz eines hohen Treiberstroms sicher abgeschaltet werden kann.The aim of the invention is to provide a circuit arrangement  to train such genus; that the power MOSFET in In the event of a partial or complete short circuit of the load, but safely shut down despite a high driver current can.

Dieses Ziel wird erreicht durch die Merkmale:This goal is achieved through the features:

  • a) der steuerbare Schalter wird eingeschaltet, wenn die Drain- Sourcespannung des Leistungs-MOSFET einen vorgegebenen Wert über­ steigt, der größer ist als die bei Nennstrom anliegende Drain- Sourcespannung,a) the controllable switch is turned on when the drain Source voltage of the power MOSFET over a predetermined value increases, which is greater than the drain present at nominal current Source voltage,
  • b) zwischen Gateanschluß und Steuereingangsklemme liegt ein steuerbarer Widerstand,b) is between the gate connection and the control input terminal controllable resistance,
  • c) der steuerbare Widerstand wird vom steuerbaren Schalter der­ art gesteuert, daß er bei gesperrtem steuerbarem Schalter einen niedrigen Widerstand und bei leitendem Schalter einen höheren Widerstand hat.c) the controllable resistance is controlled by the controllable switch Art controlled that he a when the controllable switch is locked low resistance and higher if the switch is conductive Has resistance.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Die Erfindung wird anhand zweier Ausführungsbeispiele in Verbin­ dung mit Fig. 1 und 2 näher erläutert.Developments of the invention are the subject of the dependent claims. The invention is explained in more detail using two exemplary embodiments in conjunction with FIGS. 1 and 2.

Der Leistungs-MOSFET ist in Fig. 1 mit 1 bezeichnet. Ihm ist drain­ seitig eine Last 2 in Reihe geschaltet. Die Reihenschaltung liegt über zwei Klemmen 3, 4 an einer Versorgungsspannung V BB. Ein steuerbarer Schalter 5 liegt über einen Widerstand 6 und eine Diode 7 zwischen dem Gateanschluß G und dem Sourceanschluß S von 1. Zwischen dem Gateanschluß G von 1 und einer Eingangsklemme 23 liegt die Drain-Sourcestrecke eines Depletion-FET 8. Sein Drain­ anschluß D ist mit 23 und sein Sourceanschluß S ist mit dem Gate­ anschluß G von 1 verbunden. Der Gateanschluß G von 8 ist einer­ seits über einen Widerstand 9 mit der Eingangsklemme 23 und an­ dererseits mit dem Widerstand 6 verbunden. Der Drainanschluß des FET 1 ist über eine Diode 10 mit einem Eingang 11 eines Kompara­ tors 14 und über einen Widerstand 20 mit der Eingangsklemme 23 verbunden.The power MOSFET is denoted by 1 in FIG. 1. A load 2 is connected in series on the drain side. The series connection is connected to a supply voltage V BB via two terminals 3 , 4 . A controllable switch 5 is connected via a resistor 6 and a diode 7 between the gate terminal G and the source terminal S of 1. Between the gate terminal G of FIG. 1 and an input terminal 23 is the drain source path of a depletion FET 8 . Its drain terminal D is connected to 23 and its source terminal S is connected to the gate terminal G of FIG. The gate terminal G of FIG. 8 is connected on the one hand via a resistor 9 to the input terminal 23 and on the other hand to the resistor 6 . The drain of the FET 1 is connected via a diode 10 to an input 11 of a comparator 14 and via a resistor 20 to the input terminal 23 .

Am anderen Eingang 12 des Komparators liegt eine Referenzspannung, die aus einer Referenzspannungsquelle stammt. Diese kann beispiels­ weise einen Widerstand 21 und eine damit in Reihe geschaltete Stromquelle 22 aufweisen. Die Reihenschaltung aus 21 und 22 liegt zwischen der Eingangsklemme 23 und der Ausgangsklemme 4. Der Aus­ gang 15 des Komparators 14 ist mit dem Steuereingang des steuer­ baren Schalters 5 verbunden.At the other input 12 of the comparator there is a reference voltage that comes from a reference voltage source. This can, for example, have a resistor 21 and a current source 22 connected in series therewith. The series circuit from FIGS. 21 and 22 lies between the input terminal 23 and the output terminal 4 . From the output 15 of the comparator 14 is connected to the control input of the controllable switch 5 .

Um den FET 1 leitend zu steuern, wird ein nicht dargestellter Treiber an die Eingangsklemme 23 angeschlossen, der einen z. B. impulsweisen kräftigen Steuerstrom liefert. Dieser lädt die Gate- Sourcekapazität von 1 auf. Der Depletion-FET 8 wird über die Diode 7 im leitenden Zustand gehalten und hat einen niedrigen Durchlaßwiderstand. Dadurch kann der FET 1 schnell eingeschaltet werden. Solange die Last 2 nicht ganz oder teilweise kurzgeschlos­ sen ist, fließt ein Strom in Höhe des Nennstroms durch 1. Dieser erzeugt an 1 einen Spannungsabfall, der den steuerbaren Schalter noch gesperrt hält.In order to control the FET 1 , a driver, not shown, is connected to the input terminal 23 , which has a z. B. provides pulsed powerful control current. This charges the gate-source capacitance of 1. The depletion FET 8 is kept in the conductive state via the diode 7 and has a low forward resistance. This enables the FET 1 to be switched on quickly. As long as the load 2 is not fully or partially short-circuited, a current in the amount of the nominal current flows through 1. This generates a voltage drop at 1, which still keeps the controllable switch locked.

Wird die Last 2 ganz oder teilweise kurzgeschlossen, so steigt die Spannung am Eingang 11 des Komparators 14 über die Diode 10 zur Spannung V BB an. Wird die am Widerstand 20 abfallende Span­ nung größer als die Referenzspannung, die am Widerstand 21 ab­ fällt, so gibt der Komparator 14 am Ausgang 15 ein Ausgangssig­ nal ab, das den steuerbaren Schalter 5 einschaltet.If the load 2 is completely or partially short-circuited, the voltage at the input 11 of the comparator 14 rises to the voltage V BB via the diode 10 . If the voltage drop across the resistor 20 is greater than the reference voltage which drops across the resistor 21 , the comparator 14 outputs an output signal from the output 15 , which switches on the controllable switch 5 .

Der leitend gesteuerte Schalter entlädt die Gate-Sourcekapazität von 1 über die Diode 7 und den Widerstand 6 mit einer vorgege­ benen Zeitkonstante. Damit sinkt das Potential am Gateanschluß G des Depletion-FET 8. Sein Widerstand wird damit höher. Das heißt, daß sich der über die Eingangsklemme 23 vom Treiber gelieferte Steuerstrom verringert. Damit wird die Gate-Sourcekapazität von 1 nunmehr nur noch mit einem verringerten Strom nachgeladen. Durch Abstimmen des als steuerbaren Ladewiderstand wirkenden De­ pletion-FET 8 und des durch den steuerbaren Schalter 5 und den Widerstand 6 gebildeten Entladewiderstandes läßt sich ein defi­ niertes, sanftes Abschalten des Leistungs-MOSFET 1 erreichen. The conductive switch discharges the gate-source capacitance of 1 via the diode 7 and the resistor 6 with a pre-specified time constant. The potential at the gate terminal G of the depletion FET 8 thus drops. This increases his resistance. This means that the control current supplied by the driver via the input terminal 23 is reduced. The gate-source capacitance of 1 is now only reloaded with a reduced current. By tuning the de pletion FET 8 acting as a controllable charging resistor and the discharge resistor formed by the controllable switch 5 and the resistor 6 , a defi ned, gentle switching off of the power MOSFET 1 can be achieved.

Die Schaltungsanordnung nach Fig. 2 ist um einen Temperatursensor 18, zwei Gatter 16 und 17 sowie um ein Verzögerungsglied 19 er­ weitert. Der Temperatursensor 18 steht mit dem Leistungs-MOSFET 1 in thermischem Kontakt. Er ist einerseits mit der Eingangsklem­ me 23 und anderseits mit einem Eingang eines ODER-Gatters 16 ver­ bunden. Ein zweiter Eingang des Gatters 16 ist mit dem Ausgang eines UND-Gatters 17 verbunden. Der Ausgang von 16 liegt am Ein­ gang des steuerbaren Schalters 5. Ein Eingang von 17 ist mit ei­ nem Ausgang eines Verzögerungsgliedes 19 verbunden. Das Verzö­ gerungsglied 19 ist mit der Eingangsklemme 23 verbunden. Der zweite Eingang des UND-Gatters 17 ist mit dem Ausgang 15 des Komparators 15 verbunden. Das Verzögerungsglied 19 erhält Signale von der Eingangsklemme 23.The circuit arrangement according to FIG. 2 is expanded by a temperature sensor 18, two gates 16 and 17 and by a delay element 19 . The temperature sensor 18 is in thermal contact with the power MOSFET 1 . It is connected on the one hand to the input terminal 23 and, on the other hand, to an input of an OR gate 16 . A second input of gate 16 is connected to the output of an AND gate 17 . The output of 16 is at the input of the controllable switch 5 . An input of 17 is connected to an output of a delay element 19 . The delay element 19 is connected to the input terminal 23 . The second input of the AND gate 17 is connected to the output 15 of the comparator 15 . The delay element 19 receives signals from the input terminal 23 .

Ein vollständiger oder teilweiser Kurzschluß führt wie oben be­ schrieben zum Abschalten des FET 1. Wird der FET 1 durch eine Impulsfolge angesteuert, so wird er während jedes Steuerimpulses abgeschaltet. Um einen Kurzschluß einwandfrei erfassen zu können, empfiehlt es sich, den steuerbaren Schalter 5 erst um eine Zeit t 0 gegen den Beginn des Steuerimpulses verzögert freizugeben. Die Zeit t 0 ist dabei kürzer als die Dauer der Steuerimpulse. Der Schalter 5 wird über die von 19 verzögerten Steuerimpulse mittels des UND-Gatters 17 freigegeben und dann vom Komparator 14 leitend gesteuert.A complete or partial short circuit leads to switching off the FET 1 as described above. If the FET 1 is controlled by a pulse train, it is switched off during each control pulse. In order to be able to correctly detect a short circuit, it is advisable to release the controllable switch 5 only after a time t 0 with a delay from the start of the control pulse. The time t 0 is shorter than the duration of the control pulses. The switch 5 is released via the control pulses delayed by 19 by means of the AND gate 17 and then controlled by the comparator 14 .

Dauert der Kurzschluß der Last 2 länger an, so kann trotz des periodischen Abschaltens des FET 1 über die in Verbindung mit Fig. 1 beschriebene Anordnung die Temperatur von 1 soweit anstei­ gen, daß er zerstört werden kann. Daher ist der Temperatursen­ sor 18 vorgesehen, der bei Erreichen der kritischen Temperatur ein Signal abgibt, das über das Gatter 16 den steuerbaren Schal­ ter 5 einschaltet. Dieser bleibt solange eingeschaltet, bis die kritische Temperatur unterschritten wird und der Temperatursen­ sor kein Signal mehr abgibt.If the short circuit of the load 2 lasts longer, then despite the periodic switching off of the FET 1 via the arrangement described in connection with FIG. 1, the temperature of 1 can rise so far that it can be destroyed. Therefore, the Temperatursen sensor 18 is provided which, when the critical temperature is reached, emits a signal which switches on the controllable switch 5 via the gate 16 . This remains switched on until the temperature falls below the critical temperature and the temperature sensor no longer emits a signal.

Die Erfindung wurde für eine Schaltungsanordnung beschrieben, in der die Last zwischen dem Drainanschluß des Leistungs-MOSFET und der Versorgungsspannungsquelle liegt. Sie ist jedoch auch für einen Sourcefolger zu verwenden bei der die Last zwischen Sourceanschluß und Masse angeordnet ist.The invention has been described for a circuit arrangement in which is the load between the drain of the power MOSFET and  the supply voltage source. However, it is also for to use a source follower where the load between Source connection and ground is arranged.

Die Schaltungsanordnung kann derart abgewandelt werden, daß der Leistungs-MOSFET 1 beim Kurzschluß der Last durch den steuerba­ ren Schalter nicht vollständig abgeschaltet wird, sondern daß der Strom nur durch Vermindern der Gate-Sourcespannung auf einen Bruchteil des Kurzschlußstroms eingestellt wird. Das vollständige Abschalten wird dann durch den Temperatursensor 18 bewirkt.The circuit arrangement can be modified such that the power MOSFET 1 is not completely switched off when the load is short-circuited by the controllable switch, but that the current is adjusted to a fraction of the short-circuit current only by reducing the gate-source voltage. The complete shutdown is then effected by the temperature sensor 18.

Der Widerstand 6 kann selbstverständlich in den steuerbaren Schalter integriert oder auch der Innenwiderstand des Schalters sein.The resistor 6 can of course be integrated in the controllable switch or the internal resistance of the switch.

Die Höhe des Steuerstroms kann zur Statusanzeige des FET 1 aus­ gewertet werden. Dazu könnte eine dem Steuerstrom proportionale Spannung an einem der Eingangsklemme 23 vorgeschalteten Wider­ stand abgegriffen und mit einem üblichen Komparator mit einer Re­ ferenzspannung verglichen werden. Das Ausgangssignal des Kompa­ rators zeigt dann an, ob Normalbetrieb oder Kurzschluß, Überlast, Übertemperatur vorliegt.The level of the control current can be evaluated to indicate the status of FET 1 . For this purpose, a voltage proportional to the control current could be tapped at an upstream of the input terminal 23 and compared with a conventional comparator with a reference voltage. The output signal of the comparator then indicates whether normal operation or short circuit, overload, overtemperature is present.

Die Schaltungsanordnung zum Steuern des steuerbaren Schalters 5 wird über die Eingangsklemme 23 mit Strom versorgt. Es ist aber auch möglich, eine gesonderte Stromversorgung vorzusehen.The circuit arrangement for controlling the controllable switch 5 is supplied with current via the input terminal 23 . But it is also possible to provide a separate power supply.

Claims (8)

1. Schaltungsanordnung zum Schutz eines Leistungs-MOSFET (1) beim Kurzschluß einer mit dem Leistungs-MOSFET in Reihe liegen­ den Last (2) mit einem zwischen Gateanschluß und Sourceanschluß des Leistungs-MOSFET liegenden steuerbaren Schalter (5), gekennzeichnet durch die Merkmale:.
  • a) der steuerbare Schalter (5) wird eingeschaltet, wenn die Drain- Sourcespannung des Leistungs-MOSFET (1) einen vorgegebenen Wert übersteigt, der größer ist als die beim Nennstrom anliegende Drain-Sourcespannung,
  • b) zwischen Gateanschluß (G) Eingangsklemme (23) liegt ein steuer­ barer Widerstand (2),
  • c) der steuerbare Widerstand wird vom steuerbaren Schalter der­ art gesteuert, daß er bei gesperrtem steuerbarem Schalter einen niedrigen Widerstand und bei leitendem Schalter einen höheren Widerstand hat.
1. Circuit arrangement for protecting a power MOSFET ( 1 ) in the event of a short-circuit of a load connected in series with the power MOSFET, the load ( 2 ) having a controllable switch ( 5 ) located between the gate connection and the source connection of the power MOSFET, characterized by the features: .
  • a) the controllable switch ( 5 ) is switched on when the drain-source voltage of the power MOSFET ( 1 ) exceeds a predetermined value which is greater than the drain-source voltage present at the nominal current,
  • b) between the gate connection ( G ) input terminal ( 23 ) there is a controllable resistor ( 2 ),
  • c) the controllable resistor is controlled by the controllable switch of the type that it has a low resistance when the controllable switch is locked and a higher resistance when the switch is conductive.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der steuer­ bare Widerstand ein Depletion-FET (8) ist.2. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that the controllable resistor is a depletion FET ( 8 ). 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Leistungs-MOSFET ein Temperatursensor (18) in thermischen Kon­ takt steht, daß der Temperatursensor bei Erreichen einer vorge­ gebenen Temperatur ein Signal abgibt und daß dieses Signal den steuerbaren Schalter (5) einschaltet.3. Circuit arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that with the power MOSFET, a temperature sensor (18) is in thermal con tact, that the temperature sensor emits a signal when reaching a predetermined temperature and that this signal the controllable switch ( 5th ) switches on. 4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Eingangsklemme (23) und dem Steuereingang des steuerbaren Schal­ ters ein Verzögerungsglied (19) liegt und daß das Ausgangssignal des Verzögerungsgliedes den steuerbaren Schalter (5) freigibt.4. Circuit arrangement according to claim 1, 2 or 3, characterized in that between the input terminal ( 23 ) and the control input of the controllable scarf age is a delay element ( 19 ) and that the output signal of the delay element releases the controllable switch ( 5 ). 5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Drain­ anschluß des Depletion-FET mit der Steuereingangsklemme, sein Sourceanschluß mit dem Gateanschluß des Leistungs-MOSFET, sein Gateanschluß über einen Widerstand mit der Steuereingangsklemme und mit dem steuerbaren Schalter und über eine Diode mit dem Gateanschluß des Leistungs-MOSFET verbunden ist.5. Circuit arrangement according to claim 2, characterized in that the drain  connection of the depletion FET with the control input terminal Source connection with the gate connection of the power MOSFET Gate connection via a resistor to the control input terminal and with the controllable switch and via a diode with the Gate connection of the power MOSFET is connected. 6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem steuer­ baren Schalter (5) ein Widerstand (6) in Reihe geschaltet ist.6. Circuit arrangement according to one of claims 1 to 5, characterized in that the controllable switch ( 5 ), a resistor ( 6 ) is connected in series. 7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Wider­ stand (6) der Innenwiderstand des Schalters (5) ist.7. Circuit arrangement according to claim 6, characterized in that the opposing stand ( 6 ) is the internal resistance of the switch ( 5 ). 8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangs­ klemme (23) Mittel zur Erfassung des Steuerstroms vorgeschaltet sind.8. Circuit arrangement according to one of claims 1 to 7, characterized in that the input terminal ( 23 ) are connected upstream means for detecting the control current.
DE19893936544 1988-12-21 1989-11-02 Protection circuit for power MOSFET - has switch across gate-source and responsive to drain and input voltages Ceased DE3936544A1 (en)

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