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Realisierung von Low EMI Schaltern

IP.com Disclosure Number: IPCOM000019709D
Original Publication Date: 2003-Oct-25
Included in the Prior Art Database: 2003-Oct-25
Document File: 4 page(s) / 124K

Publishing Venue

Siemens

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Abstract

Moderne Stromversorgungen fuer unterschiedliche Anwendungen (z.B. Ladegeraete, Steckernetzteile oder PCs) werden realisiert durch getaktete Schaltnetzteile. Heutige Leistungshalbleiter ermoeglichen dabei Schaltfrequenzen im Bereich von 60kHz und mehr. Dies fuehrt einerseits zu einer deutlichen Verkleinerung des Bauvolumens des Systems, aber andererseits zu einer Erhoehung der Hochfrequenz-Stoerungen. Diese Stoerungen muessen unter grossem Aufwand gefiltert werden, um die geforderten Elektro-Magnetischen Vertraeglichkeits-Normen (EMV-Normen) zu erfuellen. Bisher werden zu diesem Zweck teure und platzintensive Filterbausteine eingesetzt. Der Filteraufwand kann reduziert werden, wenn es gelingt ein Schaltspektrum mit weniger hochfrequenten Anteilen zu erzeugen. Dazu muss die Schaltflanke des Transistors weniger steil werden. Man erreicht dies, indem man einen Kapazitaetsverlauf anstrebt, der ein Minimum bei einer mittleren Drain-Source-Spannung hat. In der Abbildung 1 ist ein moeglicher prinzipieller Kapazitaetsverlauf dargestellt, der das EMV-Verhalten verbessert. Gegenstand vorliegender Sperrveroeffentlichung ist die Frage, wie man einen nicht linearen Verlauf der Kapazitaet und somit ein verbessertes EMV-Verhalten realisieren kann. Die Abbildungen 2-5 zeigen moegliche Ausfuehrungsbeispiele von Low EMI MOSFETs (Metal Oxid Semiconductor Field Effect Transistor with Low Electro Magnetic Interference).

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S

© SIEMENS AG 2003 file: ifx_2003J52656.doc page: 1

Realisierung von Low EMI Schaltern

Idee: Dr. Uwe Wahl, DE-Muenchen; Dr. Ilia Zverev, DE-Muenchen; Armin Willmeroth, DE- Muenchen;

Moderne Stromversorgungen fuer unterschiedliche Anwendungen (z.B. Ladegeraete, Steckernetzteile oder PCs) werden realisiert durch getaktete Schaltnetzteile. Heutige Leistungshalbleiter ermoeglichen dabei Schaltfrequenzen im Bereich von 60kHz und mehr. Dies fuehrt einerseits zu einer deutlichen Verkleinerung des Bauvolumens des Systems, aber andererseits zu einer Erhoehung der Hochfrequenz-Stoerungen. Diese Stoerungen muessen unter grossem Aufwand gefiltert werden, um die geforderten Elektro-Magnetischen Vertraeglichkeits-Normen (EMV-Normen) zu erfuellen. Bisher werden zu diesem Zweck teure und platzintensive Filterbausteine eingesetzt. Der Filteraufwand kann reduziert werden, wenn es gelingt ein Schaltspektrum mit weniger hochfrequenten Anteilen zu erzeugen. Dazu muss die Schaltflanke des Transistors weniger steil werden. Man erreicht dies, indem man einen Kapazitaetsverlauf anstrebt, der ein Minimum bei einer mittleren Drain-Source-Spannung hat. In der Abbildung 1 ist ein moeglicher prinzipieller Kapazitaetsverlauf dargestellt, der das EMV- Verhalten verbessert.

Gegenstand vorliegender Sperrveroeffentlichung ist die Frage, wie man einen nicht linearen Verlauf der Kapazitaet und somit ein verbessertes EMV-Verhalten realisieren kann. Die Abbildungen 2-5 zeigen moegliche Ausfuehrungsbeispiele von Low EMI MOSFETs (Metal Oxid Semiconductor Field Effect Transistor with Low Electro Magnetic Interference).

In der Abbildung 2 ist ein Ausfuehrungsbeispiel dargestellt, bei dem der gewuenschte Kapazitaetsverlauf des schaltenden MOSFETs durch die spannungsabhaengige Parallelschaltung von Kapazitaeten C1 bis C4 zur Ausgangskapazitaet des MOSFETs erreicht wird. Alternativ kann man die Kapazitaeten aber auch in Reihe schalten. Der Zeitpunkt der Zuschaltung sollte von der Drain-Source- Spannung des Haupt-MOSFETs eingestellt werden, und zwar in der Art, dass die Gesamtkapazitaet zu hoeheren Spannungen wieder ansteigt. Die Widerstaende im Spannungsteiler fuer die Hilfs- MOSFETs M1 bis M4 sind so zu waehlen, dass ab ca. der Haelfte der Durchbruchspannung des Haupt-MOSFETs am Gate des ersten Hilfstransistors die Schwellenspannung erreicht wird, d.h. dieser Hilfs-MOSFET wird eingeschaltet. Die Hilfskapazitaeten werden stufenweise dazugeschaltet, damit die Gesamtkapazitaet wieder zunimmt. Die Eingangskapazitaet der Hilfs-MOSFETs (z.B. M1) wird ueber den resistiven Spannungsteiler aufgeladen. Die Zeitkonstante wird durch die Eingangskapazitaet der Hilfs-MOSFETs Ciss und den Widerstaenden R des Spannungsteilers bestimmt. Nachteilig ist dabei, dass die Zeitkonstante unter Umstaenden dynamischen Anforderungen nicht gerecht wird.

In der Abbildung 3a ist ein Ausfuehrungsbeispiel dargestellt, bei dem die dynamischen Anforderungen durch Integration von Treiberstufen (D1 bis D4) fu...