DE102015221636A1 - A method of operating a metal oxide semiconductor field effect transistor - Google Patents
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Abstract
Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Betreiben eines Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistors, MOSFET (54), wobei der MOSFET (54) in einem Schaltbetrieb betrieben wird, und wobei ein durch einen S-Anschluss, source, und einen D-Anschluss, drain, charakterisierter Abschnitt des MOSFETs (54) von einem im Wesentlichen nicht leitenden in einen im Wesentlichen leitenden Zustand (21; 23) oder umgekehrt geschaltet wird, und wobei ein Wert (12a; 12b; 12c) für einen in einen G-Anschluss, gate, des MOSFETs (54) eingespeisten Treiberstrom (12) in Abhängigkeit von einer Spannung zwischen dem D-Anschluss und dem S-Anschluss, D-S-Spannung (14), vorgegeben wird, und wobei der Treiberstrom (12) in Abhängigkeit von einem Zeitverlauf der D-S-Spannung (14) zwischen verschiedenen Werten (12a; 12b; 12c) umgeschaltet wird. Dabei wird mindestens einer der Werte (12a; 12b; 12c) mittels einer Regelung (43) vorgegeben.Proposed is a method of operating a metal oxide semiconductor field effect transistor, MOSFET (54), wherein the MOSFET (54) is operated in a switching mode, and wherein a through an S-terminal, source, and a D-port, drain , a characterized portion of the MOSFET (54) is switched from a substantially non-conductive to a substantially conductive state (21; 23) or vice versa, and wherein a value (12a; 12b; 12c) for a G port, gate , the drive current (12) supplied to the MOSFET (54) is preset in accordance with a voltage between the D terminal and the S terminal, DS voltage (14), and wherein the drive current (12) is dependent on a time course of DS voltage (14) is switched between different values (12a, 12b, 12c). In this case, at least one of the values (12a, 12b, 12c) is predetermined by means of a control (43).
Description
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie eine Schaltungsanordnung und ein Computerprogramm nach den nebengeordneten Patentansprüchen. The invention relates to a method according to the preamble of
Eine Patentveröffentlichung aus diesem Gebiet ist die
Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (englisch: "metal-oxide-semiconductor field-effect-transistor", MOSFET oder MOS-FET) gehören zu den Feldeffekttransistoren mit isoliertem Steueranschluss, (englisch: "gate"), auch als IGFET bezeichnet. Obwohl heute Polysilizium als Gate-Material vorherrscht, wurde die Bezeichnung MOSFET beibehalten. Historisch steht damit "MOSFET" als Synonym für "IGFET". Weiterhin kann der Begriff MOSFET eine Vielzahl konkreter Halbleiterstrukturen umfassen, beispielsweise eine so genannte "VMOS"-Struktur bzw. "VMOS-Transistor" (englisch: "v-groove MOS-field-effect-transistor"). Außer in linearen Anwendungen werden MOSFETs insbesondere für Schaltanwendungen verwendet, beispielsweise für Gleichspannungswandler und in Halbbrücken oder Vollbrücken zur Ansteuerung von Elektromotoren.Metal oxide semiconductor field effect transistors (MOSFET or MOSFET) belong to the field effect transistors with insulated gate, also referred to as IGFET. Although polysilicon dominates as the gate material today, the term MOSFET has been retained. Historically, "MOSFET" is synonymous with "IGFET". Furthermore, the term MOSFET may comprise a multiplicity of concrete semiconductor structures, for example a so-called "VMOS" structure or "VMOS transistor" (English: "v-groove MOS field effect transistor"). Except in linear applications, MOSFETs are used in particular for switching applications, for example for DC-DC converters and in half-bridges or full bridges for the control of electric motors.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1, sowie durch eine Schaltungsanordnung und ein Computerprogramm nach den nebengeordneten Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Für die Erfindung wichtige Merkmale finden sich ferner in der nachfolgenden Beschreibung und in den Zeichnungen, wobei die Merkmale sowohl in Alleinstellung als auch in unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wichtig sein können, ohne dass hierauf nochmals explizit hingewiesen wird.The problem underlying the invention is solved by a method according to
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistors, MOSFET, wobei der MOSFET in einem Schaltbetrieb betrieben wird, und wobei ein durch einen S-Anschluss, source, und einen D-Anschluss, drain, charakterisierter Abschnitt des MOSFETs von einem im Wesentlichen nicht leitenden in einen im Wesentlichen leitenden Zustand oder umgekehrt geschaltet wird, und wobei ein Wert für einen in einen G-Anschluss, gate, des MOSFETs eingespeisten Treiberstrom in Abhängigkeit von einer Spannung zwischen dem D-Anschluss und dem S-Anschluss, D-S-Spannung (englisch: "drain-source-voltage", "VDS"), vorgegeben wird, und wobei der Treiberstrom in Abhängigkeit von einem Zeitverlauf der D-S-Spannung zwischen verschiedenen Werten umgeschaltet wird. Dabei wird mindestens einer der Werte mittels einer Regelung vorgegeben. Mittels des Verfahrens kann der MOSFET in einer besonders definierten Weise eingeschaltet oder ausgeschaltet werden. Vorliegend bedeutet der Begriff "einschalten", den MOSFET in den im Wesentlichen leitenden Zustand zu steuern. Entsprechend bedeutet der Begriff "ausschalten", den MOSFET in den im Wesentlichen nicht leitenden Zustand zu steuern.The invention relates to a method of operating a metal-oxide-semiconductor field-effect transistor, MOSFET, wherein the MOSFET is operated in a switching mode, and wherein a portion of the MOSFET characterized by an S-terminal, source, and a D-terminal is switched from a substantially non-conductive to a substantially conductive state, or vice versa, and wherein a value for a driving current supplied to a G terminal, gate, of the MOSFET in response to a voltage between the D terminal and the S terminal , DS-voltage ("drain-source-voltage", "VDS"), is given, and wherein the drive current is switched in dependence on a time course of the DS voltage between different values. At least one of the values is predetermined by means of a regulation. By means of the method, the MOSFET can be switched on or off in a particularly defined manner. As used herein, the term "turn on" means to drive the MOSFET to the substantially conductive state. Accordingly, the term "turn off" means to drive the MOSFET into the substantially non-conductive state.
Beispielsweise kann der MOSFET als "VMOS-Transistor" (englisch: "v-groove MOS-field-effect-transistor") oder als "Trench FET" oder als "Trench-LDMOS" (englisch: "lateral double-diffused MOSFET") oder mittels anderer Halbleitertechnologien ausgeführt sein. Insbesondere neuere MOSFETs können vergleichsweise schnell schalten.For example, the MOSFET as "VMOS transistor" (English: "v-groove MOS-field-effect-transistor") or as a "Trench FET" or as a "Trench LDMOS" (English: "lateral double-diffused MOSFET") or by other semiconductor technologies. In particular, newer MOSFETs can switch comparatively fast.
Die Erfindung weist den Vorteil auf, dass ein Schaltverhalten eines MOSFETs verbessert werden kann. Insbesondere betrifft dies Leistungs-MOSFETs. Dabei kann ein Kompromiss zwischen einer unerwünschten Abstrahlung elektromagnetischer Wellen (elektromagnetische Verträglichkeit, "EMV") und von beim Schaltvorgang sich ergebender Schaltverluste verbessert werden. Beispielsweise können die unerwünschten Abstrahlungen in einem weiten Frequenzbereich zwischen in etwa 100 Kilohertz und in etwa 400 Megahertz besonders stark ausgeprägt sein.The invention has the advantage that a switching behavior of a MOSFET can be improved. In particular, this relates to power MOSFETs. In this case, a compromise between an unwanted emission of electromagnetic waves (electromagnetic compatibility, "EMC") and resulting from the switching operation switching losses can be improved. For example, the unwanted emissions in a wide frequency range between about 100 kilohertz and about 400 megahertz can be particularly pronounced.
Bei einer in Bezug auf den Stand der Technik im Wesentlichen gleichen Steilheit der D-S-Spannung können mittels des vorgestellten Verfahrens gegebenenfalls sogar die Schaltverluste verkleinert werden. Die Steilheit wird nachfolgend auch als "Flankensteilheit" bezeichnet. Insbesondere kann die Steilheit in einem vergleichsweise großen Maß und im Wesentlichen unabhängig von Bauelemente-Toleranzen vorgegeben werden. Außerdem erfordert das vorliegende Verfahren vergleichsweise wenig zusätzliche Bauelemente und kann vergleichsweise stabil durchgeführt werden. Insbesondere können vorgegebene Grenzwerte für die Abstrahlung unerwünschter elektromagnetischer Wellen vergleichsweise gut eingehalten werden.In the case of a steepness of the D-S voltage which is substantially the same in relation to the prior art, the switching losses can possibly be reduced by means of the method presented. The steepness is also referred to below as "edge steepness". In particular, the steepness can be set to a comparatively large extent and essentially independent of component tolerances. In addition, the present method requires comparatively little additional components and can be performed comparatively stable. In particular, predetermined limit values for the emission of unwanted electromagnetic waves can be maintained comparatively well.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, dass jeweils der in den G-Anschluss des MOSFETs eingespeiste Treiberstrom vorgegeben wird. Es ist dabei nicht erforderlich, eine zwischen dem G-Anschluss und dem S-Anschluss anliegende bzw. anzulegende Spannung, G-S-Spannung (englisch: "gate-source-voltage"), zu ermitteln und/oder gezielt zu verändern. Stattdessen wird die D-S-Spannung ermittelt und als Indikator für die Umschaltung des Treiberstroms verwendet. Dadurch kann das erfindungsgemäße Verfahren einfacher und genauer durchgeführt werden.A further advantage of the method according to the invention is that in each case the drive current fed into the G terminal of the MOSFET is predetermined. It is not necessary in this case to determine and / or specifically modify a voltage applied or to be applied between the G terminal and the S terminal, G-S voltage (English: "gate-source-voltage"). Instead, the D-S voltage is determined and used as an indicator of driver current switching. As a result, the method according to the invention can be carried out more simply and more accurately.
Weiterhin ermöglicht die Regelung eine vergleichsweise geringe Toleranz von den Schaltbetrieb des MOSFETs charakterisierenden Größen. Dabei kann die Regelung besonders stabil dimensioniert werden. Eine die Regelung charakterisierende Bandbreite kann vergleichsweise klein sein. Außerdem erfordern für die Regelung verwendete digitale Logikbauelemente keine extrem schnellen Schaltzeiten. Furthermore, the control allows a comparatively small tolerance of the switching operation of the MOSFET characterizing quantities. The control can be dimensioned particularly stable. A bandwidth characterizing the regulation can be comparatively small. In addition, digital logic devices used for control do not require extremely fast switching times.
Weiterhin ist es möglich, die Regelung und/oder logische Funktionen zur Vorgabe der Werte und/oder Treiberstufen zur Erzeugung des Treiberstroms in einer gemeinsamen integrierten Schaltung anzuordnen, beispielsweise in einem so genannten ASIC (englisch: "application-specific integrated circuit").Furthermore, it is possible to arrange the control and / or logic functions for specifying the values and / or driver stages for generating the drive current in a common integrated circuit, for example in an ASIC ("application-specific integrated circuit").
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens werden ebenfalls verschiedene Werte des Treiberstroms nacheinander für einen jeweiligen Schaltvorgang in den G-Anschluss des MOSFETs eingespeist. Dabei wird jedoch nur einer dieser Werte, welcher während eines durch den so genannten "Miller-Effekt" (siehe weiter unten) charakterisierten Zeitabschnitts in den MOSFET eingespeist wird, mittels der Regelung vorgegeben. Für übrige Zeitabschnitte des Schaltvorgangs werden die Werte des Treiberstroms zwar individuell vorgegeben, wobei die Werte jedoch fest und damit unabhängig von einem tatsächlichen Schaltverhalten des MOSFETs eingestellt sind. Vorzugsweise sind diese Werte vergleichsweise groß bemessen, so dass eine "Totzeit" des Schaltvorgangs gering bleibt und Schaltverluste minimiert werden.In a preferred embodiment of the method, different values of the drive current are also fed in succession to the G terminal of the MOSFET for a respective switching operation. However, only one of these values, which is fed into the MOSFET during a period characterized by the so-called "Miller effect" (see below), is predetermined by means of the regulation. For other periods of the switching process, the values of the drive current are indeed given individually, but the values are fixed and thus set independently of an actual switching behavior of the MOSFETs. Preferably, these values are comparatively large, so that a "dead time" of the switching process remains low and switching losses are minimized.
In einer weiteren Ausgestaltung wird eine aus dem Zeitverlauf ermittelte Flankensteilheit der D-S-Spannung mit einem Sollwert verglichen. Die Flankensteilheit charakterisiert eine Anstiegsgeschwindigkeit bzw. eine Abfallgeschwindigkeit der D-S-Spannung während eines jeweiligen Schaltvorgangs. Durch den Vergleich mit dem Sollwert kann die Flankensteilheit besonders einfach ausgewertet werden, insbesondere für die oben beschriebene Regelung.In a further refinement, an edge slope of the D-S voltage determined from the time profile is compared with a desired value. The slew rate characterizes a slew rate or drop rate of the D-S voltage during a respective shift. By comparing with the setpoint, the edge steepness can be evaluated particularly easily, in particular for the control described above.
In einer weiteren Ausgestaltung erfolgt die Regelung in Abhängigkeit von einer Zeitdifferenz, wobei die Zeitdifferenz durch ein Verlassen des im Wesentlichen nicht leitenden Zustands und Erreichen des im Wesentlichen leitenden Zustands, beziehungsweise durch ein Verlassen des im Wesentlichen leitenden Zustands und Erreichen des im Wesentlichen nicht leitenden Zustands charakterisiert ist. Das besagte Verlassen bzw. Erreichen eines jeweiligen Zustands kann beispielsweise durch eine Messung der D-S-Spannung oder eine Messung eines über den D-Anschluss oder den S-Anschluss fließenden Stroms ermittelt werden. Dadurch wird ein besonders einfaches Kriterium für die Regelung vorgeschlagen, welches ohne eine explizite Ermittlung der Flankensteilheit möglich ist.In a further refinement, the control takes place as a function of a time difference, wherein the time difference is due to leaving the substantially non-conductive state and reaching the substantially conductive state, or by leaving the substantially conductive state and reaching the substantially non-conductive state is characterized. The said leaving or reaching of a respective state can be determined, for example, by a measurement of the D-S voltage or a measurement of a current flowing via the D connection or the S connection. As a result, a particularly simple criterion for the control is proposed, which is possible without an explicit determination of the edge steepness.
In einer weiteren Ausgestaltung wird der Treiberstrom in Abhängigkeit von einem aktuellen Zeitverlauf der D-S-Spannung zwischen verschiedenen Werten umgeschaltet. Der Begriff "aktueller Zeitverlauf" bedeutet vorliegend, dass der Zeitverlauf der D-S-Spannung bei jedem Schaltvorgang des MOSFETs ermittelt wird und bei demselben Schaltvorgang als Kriterium zum Umschalten des Treiberstroms verwendet wird. Dadurch kann der Treiberstrom zeitlich besonders genau umgeschaltet werden.In a further refinement, the drive current is switched between different values as a function of a current time characteristic of the D-S voltage. The term "current time course" here means that the time profile of the D-S voltage is determined during each switching operation of the MOSFET and is used in the same switching process as a criterion for switching the drive current. As a result, the driver current can be switched over very precisely in terms of time.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens ist eine erste Regelung für ein Schalten des MOSFETs von dem im Wesentlichen nicht leitenden Zustand in den im Wesentlichen leitenden Zustand vorgesehen, und es ist eine zweite Regelung für ein Schalten des MOSFETs von dem im Wesentlichen leitenden Zustand in den im Wesentlichen nicht leitenden Zustand vorgesehen. Dadurch kann ein eventuell unterschiedliches Schaltverhalten des MOSFETs für das Einschalten und das Ausschalten durch jeweils unterschiedliche Werte des Treiberstroms berücksichtigt werden, wodurch der Schaltvorgang verbessert wird. In einer vereinfachten Alternative wird lediglich eine einzige Regelung verwendet, beispielsweise nur für das Einschalten des MOSFETs, wobei dieselben Treiberströme jeweils für das Einschalten und das Ausschalten des MOSFETs vorgegeben werden.In a further embodiment of the method, a first control is provided for switching the MOSFET from the substantially non-conducting state to the essentially conducting state, and it is a second control for switching the MOSFET from the essentially conducting state to the one in the Essentially non-conductive state. As a result, a possibly different switching behavior of the MOSFET for switching on and off can be taken into account by respectively different values of the driver current, whereby the switching process is improved. In a simplified alternative, only a single control is used, for example only for turning on the MOSFET, with the same drive currents being given for turning on and turning off the MOSFET, respectively.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird ein erster Wert für den Treiberstrom für einen ersten Zustand des MOSFETS vorgegeben, wenn der MOSFET in den im Wesentlichen leitenden Zustand geschaltet werden soll, aber im Wesentlichen noch nicht leitet, und es wird ein zweiter Wert für den Treiberstrom für einen zweiten Zustand des MOSFETs vorgegeben, wenn der MOSFET in einem Übergangszustand zwischen dem im Wesentlichen nicht leitenden und dem im Wesentlichen leitenden Zustand ist, und es wird ein dritter Wert für den Treiberstrom für einen dritten Zustand des MOSFETs vorgegeben, wenn der MOSFET im Wesentlichen leitet. Durch diese Verfahrensschritte wird ein vorteilhaftes Einschalten des MOSFETs bewirkt.In one embodiment of the method, a first value for the drive current for a first state of the MOSFET is predetermined if the MOSFET is to be switched into the substantially conductive state, but substantially not yet conduct, and a second value for the driver current for predefine a second state of the MOSFET when the MOSFET is in a transient state between the substantially non-conducting and the substantially conducting state, and a third value for the driving current for a third state of the MOSFET is predetermined when the MOSFET is substantially conducting , By these method steps, an advantageous switching of the MOSFET is effected.
In dem ersten Zustand ist der MOSFET im Wesentlichen in einem noch nicht leitenden Zustand. Dabei ist eine Spannung zwischen dem G-Anschluss und dem S-Anschluss, G-S-Spannung (auch "VGS" genannt) kleiner als eine so genannte "Plateau-Spannung", entsprechend einem so genannten "Miller-Plateau". Der in den G-Anschluss einzuspeisende Treiberstrom lädt dabei im Wesentlichen eine Gate-Source-Kapazität des MOSFETs auf. Der erste Zustand charakterisiert zugleich eine so genannte "Totzeit" des Schaltvorgangs. Dabei steigt die G-S-Spannung zwar an, jedoch ist die D-S-Spannung (auch "VDS" genannt) im Wesentlichen konstant und entspricht beispielsweise einer Betriebsspannung des MOSFETs.In the first state, the MOSFET is substantially in a non-conductive state. In this case, a voltage between the G terminal and the S terminal, GS voltage (also called "VGS") is smaller than a so-called "plateau voltage", corresponding to a so-called "Miller Plateau". The drive current to be fed into the G terminal essentially charges a gate-source capacitance of the MOSFET. The first state also characterizes a so-called "dead time" of the switching process. Although the DC voltage increases, but the DS voltage (also called "VDS") is essentially constant and corresponds for example to an operating voltage of the MOSFET.
In dem zweiten Zustand weist die G-S-Spannung im Wesentlichen die besagte Plateau-Spannung auf. Diese ist vorliegend durch die Wirkung einer Gate-Drain-Kapazität bzw. durch den so genannten "Miller-Effekt" charakterisiert. Dabei verändert sich die D-S-Spannung bereits in der gewünschten Schalt-Richtung, jedoch wird ein wesentlicher Teil des in den G-Anschluss eingespeisten Treiberstroms vorübergehend zum Umladen der Gate-Drain-Kapazität benötigt. Der Wert dieses Treiberstroms wird mittels der besagten Regelung vorgegeben.In the second state, the G-S voltage substantially has the said plateau voltage. In the present case, this is characterized by the effect of a gate-drain capacitance or by the so-called "Miller effect". In this case, the D-S voltage already changes in the desired switching direction, however, a substantial portion of the current supplied to the G terminal driver current is temporarily required for reloading the gate-drain capacitance. The value of this drive current is specified by means of said control.
In dem dritten Zustand hat die D-S-Spannung im Wesentlichen ihren Endwert erreicht und entsprechend ist der MOSFET im Wesentlichen im leitenden Zustand. Weil die Gate-Drain-Kapazität dabei im Wesentlichen umgeladen ist, kann nachfolgend die G-S-Spannung über die Plateau-Spannung hinaus ansteigen. Dabei wird ein zwischen dem D-Anschluss und dem S-Anschluss definierter Durchlasswiderstand ("RDSon") vergleichsweise klein, wobei die elektrischen Verluste in dem MOSFET entsprechend kleiner werden.In the third state, the D-S voltage has substantially reached its final value, and accordingly, the MOSFET is substantially in the conducting state. Because the gate-drain capacitance is substantially recharged, subsequently the G-S voltage may increase beyond the plateau voltage. In this case, an on-resistance ("RDSon") defined between the D terminal and the S terminal becomes comparatively small, the electrical losses in the MOSFET correspondingly decreasing.
Weiterhin kann für das Einschalten des MOSFETs vorgesehen sein, dass eine Umschaltung von dem ersten auf den zweiten Wert für den Treiberstrom dann erfolgt, wenn die D-S-Spannung um einen ersten Schwellwert kleiner ist als die D-S-Spannung in dem ersten Zustand, und dass eine Umschaltung von dem zweiten auf den dritten Wert für den Treiberstrom dann erfolgt, wenn die D-S-Spannung kleiner ist als eine Summe aus der D-S-Spannung in dem dritten Zustand plus einem zweiten Schwellwert. Dadurch können die Umschaltungen vorteilhaft in Abhängigkeit von dem Zeitverlauf der D-S-Spannung erfolgen, welche beim Schaltvorgang vergleichsweise große Änderungen aufweist und somit vergleichsweise einfach und genau ermittelbar ist. Insbesondere ist es dabei nicht erforderlich, die G-S-Spannung zu ermitteln.Furthermore, for turning on the MOSFET, it may be provided that a switching from the first to the second value for the drive current takes place when the DS voltage is smaller by a first threshold than the DS voltage in the first state, and that a Switching from the second to the third value for the drive current then occurs when the DS voltage is less than a sum of the DS voltage in the third state plus a second threshold. As a result, the switching can advantageously take place as a function of the time course of the D-S voltage, which has comparatively large changes during the switching operation and is thus comparatively simple and precisely determinable. In particular, it is not necessary to determine the G-S voltage.
Beispielsweise wird der erste Schwellwert derart bemessen, dass beim Einschalten des MOSFETs die D-S-Spannung so weit in Bezug auf einen in dem ersten Zustand vorliegenden Wert verändert ist, dass die Veränderung größer ist als mögliche Toleranzen und/oder Störsignale, und daher aus der Veränderung der D-S-Spannung genügend sicher auf den beginnenden Einschaltvorgang geschlossen werden kann. In vergleichbarer Weise kann der zweite Schwellwert bemessen werden.By way of example, the first threshold value is dimensioned such that when the MOSFET is switched on, the DS voltage is changed so far with respect to a value in the first state that the change is greater than possible tolerances and / or interference signals, and therefore from the change the DS voltage can be closed sufficiently safely to the beginning switch-on. In a comparable way, the second threshold can be measured.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird ein erster Wert für den Treiberstrom für einen ersten Zustand des MOSFETS vorgegeben, wenn der MOSFET in den im Wesentlichen nicht-leitenden Zustand geschaltet werden soll, aber im Wesentlichen noch leitet, und es wird ein zweiter Wert für den Treiberstrom für einen zweiten Zustand des MOSFETs vorgegeben, wenn der MOSFET in einem Übergangszustand zwischen dem im Wesentlichen leitenden und dem im Wesentlichen nicht-leitenden Zustand ist, und es wird ein dritter Wert für den Treiberstrom für einen dritten Zustand des MOSFETs vorgegeben, wenn der MOSFET im Wesentlichen nicht leitet. Durch diese Verfahrensschritte wird ein vorteilhaftes Ausschalten des MOSFETs bewirkt.In one embodiment of the method, a first value for the drive current for a first state of the MOSFET is predetermined when the MOSFET is to be switched to the essentially nonconducting state, but essentially still conducts, and a second value for the drive current is generated for a second state of the MOSFET, when the MOSFET is in a transient state between the substantially conductive and the substantially non-conductive state, and a third value for the drive current for a third state of the MOSFET is given, when the MOSFET in Essentially does not conduct. By means of these method steps, an advantageous switching off of the MOSFET is effected.
Die beim Ausschalten des MOSFETs durchlaufenen ersten, zweiten und dritten Zustände sind zumindest in etwa mit den weiter oben beschriebenen ersten, zweiten und dritten Zuständen für das Einschalten vergleichbar, wobei jedoch die Reihenfolge umgekehrt ist bzw. die Bezeichnungen "erster Zustand" und "dritter Zustand" vertauscht sind.The first, second and third states passed when the MOSFET is switched off are at least approximately comparable to the first, second and third states described above for switching on, but the order is reversed or the designations "first state" and "third state "are reversed.
Weiterhin kann für das Ausschalten des MOSFETs vorgesehen sein, dass eine Umschaltung von dem ersten auf den zweiten Wert für den Treiberstrom dann erfolgt, wenn die D-S-Spannung um einen ersten Schwellwert größer ist, als die D-S-Spannung in dem ersten Zustand, und dass eine Umschaltung von dem zweiten auf den dritten Wert für den Treiberstrom dann erfolgt, wenn die D-S-Spannung größer ist als eine Differenz aus der D-S-Spannung in dem dritten Zustand und einem zweiten Schwellwert. Es ergeben sich dabei vergleichbare Vorteile, wie es weiter oben für das Einschalten des MOSFETs beschrieben ist.Furthermore, it can be provided for switching off the MOSFET that switching from the first to the second value for the drive current takes place when the DS voltage is greater by a first threshold than the DS voltage in the first state, and that a switching from the second to the third value for the drive current then takes place when the DS voltage is greater than a difference between the DS voltage in the third state and a second threshold value. This results in comparable advantages, as described above for turning on the MOSFET.
Eine Bemessung des ersten und zweiten Schwellwerts kann für das Ausschalten des MOSFETs in vergleichbarer Weise erfolgen, wie es weiter oben für das Einschalten des MOSFETs beschrieben wurde.A sizing of the first and second thresholds can be done in a similar manner to turn off the MOSFET as described above for turning on the MOSFET.
Vorzugsweise wird der Treiberstrom für den MOSFET mittels einer als steuerbare oder zumindest als einstellbare Stromquelle ausgeführten Treiberstufe erzeugt. Die Treiberstufe ist dazu ausgebildet, jeweils einen Ladestrom in den G-Anschluss einzuspeisen (Einschalten des MOSFETs) bzw. einen Entladestrom aus dem G-Anschluss zu entnehmen (Ausschalten des MOSFETs). Die jeweiligen Vorzeichen des Treiberstroms können außer von der Richtung des Schaltvorgangs auch von einer Dotierung bzw. Polarität des MOSFETs abhängen. Die besagte Stromquelle kann mehrere einzelne Stromquellen umfassen. Die Umschaltung zwischen den drei oben beschriebenen Zuständen kann mittels einer Logik ("Ablaufsteuerung") erfolgen. Ein konkrete Realisierung dieser Ablaufsteuerung kann mittels diskreter Bauelemente und/oder mittels eines Computerprogramms erfolgen.The drive current for the MOSFET is preferably generated by means of a driver stage designed as a controllable or at least an adjustable current source. The driver stage is designed in each case to feed a charging current into the G terminal (switching on of the MOSFET) or to remove a discharging current from the G terminal (switching off the MOSFET). The respective signs of the drive current may also depend on a doping or polarity of the MOSFET, apart from the direction of the switching operation. Said power source may comprise a plurality of individual power sources. The switching between the three states described above can be done by means of a logic ("sequence control"). A concrete realization of this sequential control can take place by means of discrete components and / or by means of a computer program.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass ein erster Vergleichswert für die D-S-Spannung vorgegeben und ein zugehöriger erster Zeitpunkt ermittelt werden, und dass ein zweiter Vergleichswert für die D-S-Spannung vorgegeben und ein zugehöriger zweiter Zeitpunkt ermittelt werden, und dass aus dem ersten und zweiten Vergleichswert für die D-S-Spannung und dem zugehörigen ersten und zweiten Zeitpunkt die Flankensteilheit der D-S-Spannung ermittelt wird. Damit kann auf einfache und zugleich präzise Weise ein den Schaltvorgang charakterisierendes Kriterium ermittelt werden. Furthermore, it can be provided that a first comparison value for the DS voltage is predetermined and an associated first time is determined, and that a second comparison value for the DS voltage is specified and an associated second time is determined, and that from the first and second comparison value for the DS voltage and the associated first and second time, the edge steepness of the DS voltage is determined. This can be determined in a simple and precise manner a characterizing the switching process criterion.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens entspricht der erste Vergleichswert einem mittels des weiter oben beschriebenen ersten Schwellwerts erzeugten Potenzial, und der zweite Vergleichswert entspricht einem mittels des weiter oben beschriebenen zweiten Schwellwerts erzeugten Potenzial. In one embodiment of the method, the first comparison value corresponds to a potential generated by means of the first threshold value described above, and the second comparison value corresponds to a potential generated by means of the second threshold value described above.
Vorzugsweise ist dabei die Flankensteilheit der D-S-Spannung eine Regelgröße für die Regelung, und der zweite Wert für den Treiberstrom ist eine Stellgröße für die Regelung. Dadurch kann eine besonders stabile Regelung ermöglicht werden. Alternativ dazu ist die Flankensteilheit der D-S-Spannung die Regelgröße für die Regelung, und ein Differenzwert zwischen dem zweiten Wert für den Treiberstrom und einem Vorsteuerwert ist die Stellgröße für die Regelung. Diese Alternative wird als "Vorsteuerung" oder auch als "Störgrößenaufschaltung" bezeichnet und kann die Regelung weiter vereinfachen und verbessern.Preferably, the edge steepness of the D-S voltage is a controlled variable for the control, and the second value for the drive current is a control variable for the control. As a result, a particularly stable control can be made possible. Alternatively, the slope of the D-S voltage is the control variable, and a difference between the second value for the drive current and a pilot value is the control variable. This alternative is referred to as "feedforward control" or as "feedforward control" and can further simplify and improve the control.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird der oben beschriebene erste und/oder zweite Schwellwert, gegen welche(n) jeweils die D-S-Spannung verglichen wird, um den eingespeisten Treiberstrom zwischen verschiedenen Werten umzuschalten, in Abhängigkeit von der ermittelten Flankensteilheit der D-S-Spannung mittels einer Regelung vorgegeben. Diese Ausgestaltung des Verfahrens kann alternativ oder ergänzend zu der beschriebenen Regelung des zweiten Werts für den Treiberstrom erfolgen.In one embodiment of the method, the above-described first and / or second threshold value against which the DS voltage is respectively compared in order to switch the injected driver current between different values, depending on the ascertained edge steepness of the DS voltage by means of a Regulation specified. This embodiment of the method can be carried out alternatively or in addition to the described control of the second value for the drive current.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass der Wert für den Treiberstrom eine digitale Größe ist und/oder mittels digitaler Verfahren ermittelt wird. Dies kann für den ersten und/oder den zweiten und/oder den dritten Wert für den Treiberstrom erfolgen. Damit kann die Genauigkeit des Verfahrens weiter verbessert werden.Furthermore, it can be provided that the value for the driver current is a digital quantity and / or is determined by means of digital methods. This can be done for the first and / or the second and / or the third value for the driver current. Thus, the accuracy of the method can be further improved.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens ist eine Zeitkonstante der Regelung größer als ein mittlerer zeitlicher Abstand zwischen zwei Schaltvorgängen des MOSFETs. Dadurch ergibt sich eine besonders robuste und stabile Regelung, wobei eine Dynamik der Regelung vergleichsweise klein ist, wodurch der Betrieb verbessert wird. Insbesondere ist der mittels der Regelung vorgegebene zweite Wert für den Treiberstrom während eines einzelnen jeweiligen Schaltvorgangs des MOSFETs im Wesentlichen konstant. Sofern es im Betrieb des MOSFETs erforderlich ist, kann die Regelung jedoch den zweiten Wert für den Treiberstrom von Schaltvorgang zu Schaltvorgang (entsprechend langsam) nachführen. Somit ergibt sich eine vergleichsweise einfache Implementierung, wobei die Regelung nur eine vergleichsweise kleine Bandbreite aufweist. Außerdem erfordert das Verfahren keine extrem schnellen analogen oder digitalen Komponenten.In one embodiment of the method, a time constant of the control is greater than a mean time interval between two switching operations of the MOSFET. This results in a particularly robust and stable control, wherein a dynamics of the control is comparatively small, whereby the operation is improved. In particular, the second value for the drive current given by the control is essentially constant during a single respective switching operation of the MOSFET. However, if required during operation of the MOSFET, the control may track the second value for the drive current from switching to switching (correspondingly slow). This results in a comparatively simple implementation, the control having only a comparatively small bandwidth. In addition, the method does not require extremely fast analog or digital components.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Schaltungsanordnung zum Betreiben mindestens eines elektromagnetischen Aktors, insbesondere für ein Kraftstoffeinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine. Dabei weist die Schaltungsanordnung mindestens einen MOSFET zum Schalten eines Verbrauchers, insbesondere einer Magnetspule des elektromagnetischen Aktors, an eine Betriebsspannung auf. Außerdem weist die Schaltungsanordnung Mittel auf, um das erfindungsgemäße Verfahren in wenigstens einer der oben beschriebenen Ausgestaltungen durchzuführen. Das erfindungsgemäße Prinzip kann auch ganz allgemein zur Verbesserung eines Schaltbetriebs eines MOSFET eingesetzt werden und ist nicht notwendig auf das Schalten von elektromagnetischen Aktoren bzw. induktiven Lasten beschränkt.Furthermore, the invention relates to a circuit arrangement for operating at least one electromagnetic actuator, in particular for a fuel injection system for an internal combustion engine. In this case, the circuit arrangement has at least one MOSFET for switching a load, in particular a magnetic coil of the electromagnetic actuator, to an operating voltage. In addition, the circuit arrangement has means for carrying out the method according to the invention in at least one of the embodiments described above. The principle according to the invention can also be used quite generally to improve a switching operation of a MOSFET and is not necessarily limited to the switching of electromagnetic actuators or inductive loads.
In einer Ausgestaltung wird die Schaltungsanordnung dazu verwendet, um einen oder mehrere sonstige elektrische Verbraucher mittels eines Schaltvorgangs anzusteuern. Die sonstigen elektrischen Verbraucher können an sich beliebige Aktoren, Magnetspulen, Transformatoren, ohmsche oder reaktive Lasten und dergleichen sein. Besonders vorteilhaft ist dies bei Anwendungen in Kraftfahrzeugen. Es ergeben sich vergleichbare Vorteile wie oben beschrieben.In one embodiment, the circuit arrangement is used to control one or more other electrical consumers by means of a switching operation. The other electrical consumers can be any actuators, solenoids, transformers, resistive or reactive loads and the like. This is particularly advantageous for applications in motor vehicles. There are comparable advantages as described above.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Computerprogramm, welches dazu ausgebildet ist, um das Verfahren in wenigstens einer der oben beschriebenen Ausgestaltungen durchzuführen. Es ergeben sich vergleichbare Vorteile wie oben beschrieben.Furthermore, the invention relates to a computer program which is designed to carry out the method in at least one of the embodiments described above. There are comparable advantages as described above.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Bipolartransistors mit isolierter Gate-Elektrode, IGBT, (englisch: "insulated gate bipolar transistor"), wobei der IGBT in einem Schaltbetrieb betrieben wird, und wobei ein durch einen E-Anschluss, Emitter, und einen C-Anschluss, Collector, charakterisierter Abschnitt des IGBTs von einem im Wesentlichen nicht leitenden in einen im Wesentlichen leitenden Zustand oder umgekehrt geschaltet wird, und wobei ein Wert für einen in einen G-Anschluss, gate, des IGBTs eingespeisten Treiberstrom in Abhängigkeit von einer Spannung zwischen dem C-Anschluss und dem E-Anschluss, C-E-Spannung (englisch: "collector-emitter-voltage"), vorgegeben wird, und wobei der Treiberstrom in Abhängigkeit von einem Zeitverlauf der C-E-Spannung zwischen verschiedenen Werten umgeschaltet wird. Dabei wird mindestens einer der Werte mittels einer Regelung vorgegeben. Mittels des Verfahrens kann der IGBT in einer besonders definierten Weise eingeschaltet oder ausgeschaltet werden.Furthermore, the invention relates to a method for operating an insulated gate bipolar transistor, IGBT, (Insulated gate bipolar transistor), wherein the IGBT is operated in a switching operation, and wherein a through an E-terminal, emitter, and a C terminal, collector, characterized portion of the IGBT is switched from a substantially non-conductive to a substantially conductive state, or vice versa, and wherein a value for a driving current supplied to a G terminal, gate, of the IGBT in response to a Voltage between the C terminal and the E terminal, CE Voltage (English: "collector-emitter-voltage") is given, and wherein the drive current is switched in dependence on a time course of the CE voltage between different values. At least one of the values is predetermined by means of a regulation. By means of the method, the IGBT can be switched on or off in a particularly defined manner.
Insbesondere sind auch die weiter oben beschriebenen Ausgestaltungen des Verfahrens zum Betreiben des MOSFETs sinngemäß auf den IGBT anwendbar.In particular, the above-described embodiments of the method for operating the MOSFET are mutatis mutandis applicable to the IGBT.
Nachfolgend werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen: Hereinafter, exemplary embodiments of the invention will be explained with reference to the drawings. In the drawing show:
Die
Weiterhin sind in dem Zeitdiagramm der
Beispielsweise ist die D-S-Spannung
In einem in der
Der Einschaltvorgang gemäß
Die
Vorliegend wird der Treiberstrom
Vorliegend bedeutet der Begriff "Einschalten", den MOSFET
Zum Einschalten des MOSFETs
Die
Dargestellt ist in
Die
Verfahrensgemäß ist vorgesehen, dass eine Umschaltung von dem ersten Wert
Außerdem ist in
In einer zu den
Die
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der erste Schwellwert
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die in
Weiterhin ist ein invertierender Anschluss des zweiten Komparators
Ausgänge
Die
Weiterhin ist in der
Dabei ist die Flankensteilheit
In einer alternativen Ausführungsform ist die Flankensteilheit
Die Vorsteuerung dient dazu, einen Einfluss von möglichen Störgrößen der Regelung
In einer nicht dargestellten Ausführungsform erfolgt die Regelung
In einer Ausführungsform der Regelung
Die Regelung
In einem folgenden Block
Dieser Algorithmus ist in der
Wegen der Hysterese des Komparators
Die
Man erkennt, dass zeitlich nachfolgend mittels der Regelung
Ein konkrete Realisierung der Regelung
Die mittels der
Die
In einer Ausführungsform des Verfahrens ist eine erste Regelung
Das Verfahren kann in den beschriebenen Ausführungsformen vorteilhaft für eine Schaltungsanordnung (nicht dargestellt) zum Betreiben mindestens eines elektromagnetischen Aktors, insbesondere für ein Kraftstoffeinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine verwendet werden. Dabei weist die Schaltungsanordnung mindestens einen MOSFET
Die weiter oben beschriebenen Ausführungsformen für das Verfahren zum Betreiben des MOSFETs
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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