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Dokumentenidentifikation DE19506977A1 07.09.1995
Titel Gate-Treiberschaltung
Anmelder International Rectifier Corp., El Segundo, Calif., US
Erfinder Wood, Peter N., Rolling Hills Est, Calif., US
Vertreter G. Koch und Kollegen, 80339 München
DE-Anmeldedatum 28.02.1995
DE-Aktenzeichen 19506977
Offenlegungstag 07.09.1995
Veröffentlichungstag im Patentblatt 07.09.1995
IPC-Hauptklasse H03K 17/687
IPC-Nebenklasse H03K 17/567   H03K 17/72   H03K 17/16   H05B 41/29   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Gate-Treiberschaltung für Gate-gesteuerte MOS-Bauteile und insbesondere auf eine monolithische Gate-Treiberschaltung für Gate-gesteuerte MOS-Schaltungsbauteile, insbesondere für solche, wie sie bei Lampenvorschaltgeräteschaltungen verwendet werden.

Elektronische Vorschaltgeräte für Gasentladungs- oder Leuchtstofflampen finden weite Verbreitung, und zwar aufgrund der Verfügbarkeit von MOSFET-Leistungsschalterbauteilen, die die bisher verwendeten bipolaren Leistungstransistorbauteile ersetzen. Die meisten elektronischen Vorschaltgeräte verwenden zwei MOSFET-Leistungsschalter in einer Totem-Pole-(Halbbrücken-) Anordnung, wobei die Gasentladungslampen-Schaltungen aus L-C-Serienresonanzschaltungen bestehen, in denen die Lampe oder Lampen längs einer der Reaktanzen der L-C-Schaltung angeschaltet sind. Die MOSFET-Leistungsschalter werden dann so angesteuert, daß sie abwechselnd leiten, wobei die Steuerung durch Eingangssignale von Sekundärwicklungen eines Stromtransformators erfolgt, dessen Primärwicklung den Strom der Lampenschaltungen leitet. Der Primärwicklungsstrom wechselt mit der Resonanzfrequenz des Resonanzkreises.

Derartige bekannte Schaltungen weisen vielfältige Nachteile auf. Beispiel hierfür sind folgende:

  • 1. Die Schaltungen sind nicht selbststartend und erfordern ein Bauteil vom DIAC-(Triggerdioden-)Typ, um die Schaltung zu Anfang in Betrieb zu setzen.
  • 2. Die Schaltungen weisen schlechte Schaltzeiten auf.
  • 3. Die Schaltungen sind arbeitsaufwendig, insbesondere weil sie einen Ringkern-Stromtransformator erfordern.
  • 4. Die Schaltungen sind nicht ohne weiteres für eine 5 Helligkeitssteuerung geeignet.
  • 5. Die Schaltungen eignen sich nicht sehr gut für eine Herstellung in der Massenproduktion.


Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Treiberschaltung der eingangs genannten Art zu schaffen, die die vorstehend genannten Nachteile nicht aufweist.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Erfindungsgemäß wird eine neuartige monolithische MOS-Gate- Treiberschaltung geschaffen, die die Ansteuerung von erdseitigen und spannungsseitigen Leistungs-MOSFET&min;s oder Leistungs-IGBT&min;s (oder irgendeines anderen Gate-gesteuerten MOS-Bauteil) durch einen Logikpegel aufweisende, auf Erde bezogene Eingänge ermöglicht. Derartige Schaltungen sind gemäß einer bevorzugten Ausführungsform besonders für die Ansteuerung von Gasentladungslampen-Vorschaltgeräten geeignet.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann die MOS-Gate- Treiberschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung zur Ansteuerung von Lampen-Vorschaltgeräten oder allgemeiner zur Ansteuerung von irgendeiner Gate-gesteuerten MOS-Schaltung verwendet werden, wobei sich die folgenden Merkmale ergeben:

  • 1. Die Treiberschaltung liefert Gate-Treiber- oder Ansteuerspannungssignale für zwei Gate-gesteuerte Leistungs-MOS- Halbleiterbauteile, wie zum Beispiel Leistungs-MOSFET&min;s oder Leistungs-IGBT&min;s, von denen eines als der "erdseitige Schalter" und der andere als der "spannungsseitige Schalter" bezeichnet wird. Die beiden Leistungsschalter sind üblicherweise in einer Totem-Pole- oder Halbbrücken-Schaltung miteinander verbunden.
  • 2. Die Schaltung ergibt Pegelschieberschaltungen mit einer OFFSET-Spannungsmöglichkeit von bis zu 600 Volt, um auf Erde (Substrat) bezogene Signale über einen isolierten Abschnitt des Siliziumplättchens umzusetzen, um die Ansteuerfunktion des spannungsseitigen Schalters zu erleichtern.
  • 3. Die Treiberschaltung weist folgende Teile auf: eine auf Erde (Substrat) bezogene Schaltung, die aus Vergleichern, einem Spannungsregler zur Steuerung der Größe der Ausgangssignale, wenn der Treiber aus ungeregelten Gleichspannungsversorgungen gespeist wird, Unterspannungs-Sperrschaltungen zur Verhinderung eines Grenzbereichsbetriebs der MOS-Leistungsschalter, sowohl des erdseitigen als auch des spannungsseitigen Schalters, eine Totbereichs-Verzögerungsschaltung, die das gleichzeitige Hindurchfließen von Strömen durch beide MOS-Leistungsschalter verhindert, und eine Logikfunktion, die es ermöglicht, daß die spannungsseitigen und erdseitigen Treiberausgänge einander auf einer 50%-Zeitbasis abwechseln.
  • 4. Es ist ein zusätzlicher Logikausgang vorgesehen, so daß der Treiber eine Eigenschwingung bei einer Frequenz ausführen kann, die durch externe Widerstände und Kondensatoren RT bzw. CT bestimmt ist, wobei die Schwingungsfrequenz F&sub0; durch die folgende Beziehung bestimmt ist:



  • 5. Das monolithische Halbleiterplättchen kann in einem üblichen, 8 Stifte aufweisenden DIP- oder SMD-Gehäuse angeordnet werden.


Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen noch näher erläutert.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein bekanntes elektronisches Vorschaltgerät unter Verwendung einer Stromtransformator-Ansteuerung,

Fig. 2 ein verallgemeinertes elektronisches Vorschaltgerät für Gasentladungslampen, das eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen monolithischen Schaltung verwendet,

Fig. 3 ein Schaltbild für ein Vorschaltgerät für zwei 40W-Leuchtstofflampen ("double 40"), das die Ausführungsform des monolithischen MOS-Gate-Treibers gemäß der Erfindung verwendet,

Fig. 4 ein Schaltbild eines Vorschaltgerätes für Hochdruck-Natriumlampen, wobei die Ausführungsform der MOS-Gate- Treiberschaltung gemäß der Erfindung verwendet wird,

Fig. 5 ein Blockschaltbild der in den Fig. 2, 3 und 4 gezeigten Ausführungsform der monolithischen Gate-Treiberschaltung gemäß der Erfindung.

Zunächst wird auf Fig. 1 Bezug genommen. In dieser Figur ist ein bekanntes Vorschaltgerät gezeigt, das eine Stromtransformator-Ansteuerung verwendet. Die Schaltung verwendet Leistungs- MOSFET&min;s 20 und 21, die in einer "Totem-Pole"-, d. h. einer Halbbrücken-Schaltung miteinander verbunden sind und aus einer Gleichspannungsquelle an den Anschlüssen 22 und 23 gespeist werden. Der Ausgangskreis schließt eine Gasentladungslampe 24 irgendeiner gewünschten Art ein, die mit einer Serien L-C-Schaltung verbunden ist, die aus einer Induktivität 25 und Kondensatoren 26, 27 besteht. Ein Stromtransformator 28 weist eine Primärwicklung 29 in Serie mit der Lampe 24 und Sekundärwicklungen 30, 31 auf, die mit den Gateelektroden der MOSFET&min;s 20 bzw. 21 verbunden sind. Ein DIAC oder eine Triggerdiode 32 ist zwischen dem Verbindungspunkt eines Widerstandes 33 und eines Kondensators 34 und der Gate-Elektrode des MOSFET 21 angeschaltet, um einen Startimpuls zu liefern, um die Schwingung der Schaltung zu starten. Nach dem Starten arbeitet die Schaltung mit der Resonanzfrequenz der Induktivität 25 und des Kondensators 26.

Im einzelnen wird, nachdem der MOSFET 21 eingeschaltet hat, eine Schwingung aufrechterhalten, und eine hohe Frequenz (30-80 KHz) erregt die L-C-Schaltung. Die sinusförmige Spannung längs des Kondensators 27 wird durch die Güte Q der Schaltung im Resonanzzustand vergrößert und entwickelt eine ausreichende Größe, um die Lampe 24 zu zünden.

Die Schaltung nach Fig. 1 stellt ein Überbleibsel von bekannten Vorschaltgerätekonstruktionen unter Verwendung bipolarer Transistoren dar und ist aufgrund der schlechten Schwingungsform nicht besonders gut für Leistungs-MOSFET&min;s geeignet. Das neuartige monolithische Halbleiterplättchen gemäß der Erfindung ermöglicht die Ansteuerung einer Vorschaltgeräteschaltung, die selbststartend ist, eine verbesserte Schaltzeit aufweist, für eine Helligkeitssteuerung geeignet ist und arbeitsaufwendige Induktivitätsbauteile vermeidet, wie zum Beispiel den Stromtransformator 28 nach Fig. 1.

Fig. 2 zeigt die neuartige monolithische MOS-Gate-Treiberschaltung 40 gemäß der Ausführungsform der Erfindung in der Vorschaltgeräteschaltung einer Gasentladungslampe. Im einzelnen weist die Schaltung nach Fig. 2 eine Gasentladungslampe 24 auf, die mit den Serien-L-C-Schaltungen 25, 26, 27 gemäß Fig. 1 verbunden ist. Zwei Leistungs-MOSFET&min;s 20 und 21 sind ebenfalls mit Gleichspannungsquellen-Anschlüssen 22 und 23 verbunden, wie dies in Fig. 1 der Fall war. Die Leistungs-MOSFET&min;s 20 und 21 können durch irgendein Leistungsbauteil gebildet sein, das ein MOS-Gate aufweist, beispielsweise durch einen IGBT oder durch einen Gate-gesteuerten MOS-Thyristor. Das Halbleiterplättchen 40 nach Fig. 2 liefert Ansteuersignale an die MOSFET&min;s 20 und 21, wodurch die Nachteile der bekannten Schaltung nach Fig. 1 vermieden werden.

Im Einzelnen kann das Halbleiterplättchen 40 in einem 8 Stifte aufweisenden DIP- oder Oberflächenmontage-Gehäuse angeordnet sein und eine integrierte Halbleiterschaltung bilden, die die folgenden Anschlußstifte aufweist:

HO - einen Ausgangsanschlußstift an das Gate des spannungsseitigen MOSFET&min;s 20.

VS - einen Anschlußstift an die Mittelanzapfung der mit in einer Totem-Pole- oder Halbbrücken-Schaltung miteinander verbundenen MOSFET&min;s 20 und 21.

LO - einen Ausgangsanschluß an das Gate des erdseitigen MOSFET 21.

G - einen mit dem negativen Anschluß 23 der Gleichspannungsquelle verbundenen Anschlußstift.

CT - einen einzigen Eingangssteuer-Anschlußstift, der mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Zeitsteuerkondensator CT und dem Zeitsteuerwiderstand RT verbunden ist. Der andere Anschluß des Kondensators CT ist mit der Induktivität 25 verbunden. Steuersignale an den einzigen Anschlußstift CT steuern beide Eingänge HO und LO.

RT - einen Anschlußstift, der mit dem anderen Anschluß des Zeitsteuerwiderstandes RT verbunden ist.

VCC - einen Anschlußstift, der die Halbleiterplättchen-Betriebsspannung von dem Knoten zwischen dem Widerstand 41 und dem Kondensator 42 empfängt.

VB - einen Anschlußstift, der mit dem Verbindungspunkt einer Diode 43 mit einem Kondensator 44 verbunden ist, die als "bootstrap"-Schaltung wirken, um Leistung für den Betrieb des spannungsseitigen Schalters zu liefern.

In Fig. 2 sind weiterhin zwei mit entgegengesetzter Polung parallel geschaltete Dioden 50 und 51 in Serie mit dem Lampenkreis vorgesehen. Diese Dioden 50 und 51 bilden einen Nulldurchgangsdetektor für die Lampe 24.

Im Betrieb und vor dem Zünden der Lampe 24 besteht der Resonanzkreis aus der Induktivität 24 und den beiden Kondensatoren 26 und 27. Die Kapazität des Kondensators 27 ist niedriger als die des Kondensators 26, so daß er bei einer höheren Wechselspannung als der Kondensator 26 arbeitet. Diese Spannung an dem Kondensator 27 zündet die Lampe 24. Nach dem Zünden der Lampe 25 wird der Kondensator 27 im wesentlichen durch den Lampen-Spannungsabfall kurzgeschlossen, und die Frequenz des resonanten Lampenkreises hängt nunmehr von der Induktivität 25 und dem Kondensator 26 ab.

Hierdurch wird eine Verschiebung zu einer niedrigeren Resonanzfrequenz im Normalbetrieb hervorgerufen, die mit den Nulldurchgängen des Wechselstromes an den Dioden 50 und 51 synchronisiert ist, wobei die resultierende Spannung zur Steuerung des Oszillators auf dem Halbleiterplättchen 40 verwendet wird. Wie dies gezeigt wird, wird die Schwingungsfrequenz der Schaltung durch die Hinzufügung des Widerstandes RT und des Kondensators CT synchronisiert.

Das Halbleiterplättchen 40 ist für eine OFFSET-Spannung oder eine Spannungsdifferenz von bis zu oder mehr als 600 Volt Gleichspannung geeignet und weist Eingangseigenschaften auf, die von ihrer Funktion her ähnlich denen sind, wie sie die gut bekannte integrierte Zeitgeberschaltung vom Typ CMOS 555 aufweist.

Das Halbleiterplättchen 40 weist weiterhin eingebaute Schaltungen auf, um eine Totzeit mit einem Nennwert von einer Mikrosekunde zwischen den einander abwechselnden spannungsseitigen und erdseitigen Ausgangssignalen zur Ansteuerung der Schalter 20 und 21 zu liefern.

Wie dies weiter unten gezeigt wird, wird das Halbleiterplättchen 40 am Anschluß 22 mit einer gleichgerichteten Wechselspannung gespeist und ist daher für einen minimalen Ruhestrom ausgelegt, und das Halbleiterplättchen weist einen 15-Volt-Intervall-Nebenschlußregler auf. Daher kann ein einziger einen Spannungsabfall hervorrufender Widerstand 41 von einem halben Watt verwendet werden.

Zusätzlich zu dem Ruhestrom ergeben sich zwei andere Komponenten des Gleichstrom-Speisestroms, die eine Funktion der tatsächlich verwendeten Anwendungsschaltung sind:

  • 1) Strom aufgrund der Ladung der Eingangskapazitäten der Leistungsschalter.
  • 2) Strom aufgrund des Ladens und Entladens einer Grenzschicht-Isolationskapazität des Gate-Treiber- Halbleiterplättchens.


Beide Komponenten des Stromes sind ladungsbezogen und folgen daher den Regeln:

Q = CV

Es ist ohne weiteres zu erkennen, daß zum Laden und Entladen der Leistungsschalter-Eingangskapazitäten die erforderliche Ladung ein Produkt der Gate-Treiber-Spannung und der tatsächlichen Eingangskapazitäten ist, und die erforderliche Eingangsleistung ist direkt proportional zum Produkt der Ladung und der Frequenz sowie der quadrierten Spannung:



Wenn eine praktisch verwendbare Vorschaltgeräteschaltung aufgebaut wird, sollte im Hinblick auf die vorstehenden Beziehungen folgendes beachtet werden:

  • 1) Wähle die niedrigste Betriebsfrequenz aus, die die Verwendung einer möglichst kleinen Größe der Induktivität ermöglicht.
  • 2) Wähle die kleinste Halbleiterplättchengröße für die Leistungsschalter aus, die niedrige Durchgangsverluste ermöglicht (hierdurch werden die Ladungsanforderungen verringert).
  • 3) Verwende die niedrigstmögliche Gleichspannung.


Zusammenfassend ist festzustellen, daß die Schaltung nach Fig. 2 bei ihrer Ansteuerung durch das Halbleiterplättchen 40 einen selbstschwingenden Rechteckgenerator mit einer Totzeitsteuerung und einer Pegelverschiebung für die Gate-gesteuerten MOS-Bauteile in der Schaltung ergibt. Im Gegensatz zu dem bekannten Stromtransformator-Treiber liefert das neuartige System saubere, nahezu ideale Schwingungsformen, um Schalterverluste zu einem Minimum zu machen. In vielen Fällen können MOSFET&min;s geringerer Größe ausgewählt werden oder alternativ können Kühlkörper verkleinert oder fortgelassen werden.

Fig. 3 zeigt eine beispielhafte Vorschaltgeräteschaltung, die die Halbleiterschaltung des Halbleiterplättchens 40 nach Fig. 2 für ein Vorschaltgerät für ein 40-Watt-Leuchtstofflampenpaar verwenden könnte. In Fig. 3 sind Bauteile, die denen nach Fig. 2 ähnlich sind, mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Die Lampenschaltung nach Fig. 3 verwendet zwei 40-Watt-Leuchtstofflampen 60 und 61 in einem gemeinsamen Reflektor, wobei die Leuchtstofflampen jeweilige Serieninduktivitäten 62 und 63 und einen Serienkondensator 64 aufweisen. Jede der Lampen 60, 61 weist parallele Kondensatoren 66 bzw. 67 und parallele, einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweisende Thermistoren 68 35 bzw. 69 auf. Eine Entstörschaltung mit einem Kondensator 70 und einem Widerstand 70a ist zwischen dem Verbindungspunkt zwischen den MOSFET&min;s 20 und 21 und der neutralen Leitung eingeschaltet.

Der Wechselspannungs-Eingangskreis schließt eine Wechselspannungsquelle mit zwei Wechselspannungsanschlüssen L&sub1; und L&sub2; und einem neutralen Anschluß N ein. Eine übliche Filterschaltung, die 30 µH-Induktivitäten 71a und 71b einschließt, ist mit einem Einfasen-Vollweggleichrichter 74 verbunden, der einen mit dem Widerstand 41 verbundenen positiven Ausgangsanschluß und einen mit dem Kondensator 42 verbundenen negativen Anschluß aufweist und 320 Volt Gleichspannung bei einer Eingangsspannung von 220 Volt Wechselspannung liefert. Die Eingangsfilterschaltung schließt weiterhin Kondensatoren 75, 76 und 77 sowie Gleichspannungskondensatoren 78 und 79 ein.

Es sei bemerkt, daß die Halbleiterschaltung des Halbleiterplättchens 40 nach Fig. 3 über den einen Spannungsabfall hervorrufenden Widerstand 41 direkt an der Gleichspannungs-Sammelschiene betrieben wird und bei ungefähr 45 kHz schwingt, so daß die folgende Beziehung erfüllt ist:



Die Leistung für die Gate-Ansteuerung des spannungsseitigen Schalters wird über einen Bootstrap-Kondensator 44 (0,1 µF) geliefert, der jedesmal dann auf ungefähr 14 Volt geladen wird, wenn der Anschlußstift VS während des leitfähigen Zustandes des erdseitigen Leistungsschalters auf einen niedrigen Pegel gezogen wird. Die Bootstrap-Diode 43 (11DF4) sperrt die Gleichspannungs-Sammelschienen-Spannung, wenn der spannungsseitige Schalter leitet. Die Diode 43 ist eine Diode mit kurzer Erholzeit (<100ns), um sicherzustellen, daß der Bootstrap- Kondensator 44 nicht teilweise entladen wird, während sich die Diode 43 erholt und die Hochspannungs-Sammelschiene sperrt.

Das Hochfrequenz-Ausgangssignal von der Halbbrücke 20-21 ist eine Rechteckschwingung mit sehr kurzen Anstiegszeiten (angenähert 50ns). Um die Abstrahlung übermäßiger Störungen von den schnellen Wellenfronten zu vermeiden, wird eine 0,5 Watt-Störunterdrückungsschaltung 70-70a (10 Ohm bzw. 0,001 µF) verwendet, um die Schaltzeiten auf ungefähr 0,5 µs zu verlangsamen.

Es sei bemerkt, daß eine eingebaute Totzeit von ungefähr 0,1 µs vorgesehen ist, um einen durchgehenden Stromfluß durch die Halbbrücke zu verhindern.

Die Leuchtstofflampen 60 und 61 werden parallel betrieben, jede mit ihrer eigenen L-C-Resonanzschaltung. Eine Anzahl von Lampenschaltungen kann aus dem einzigen Paar vom MOSFET&min;s 20 und 21 betrieben werden, wenn diese so bemessen sind, daß sie für diesen Leistungspegel geeignet sind.

Die Reaktanzwerte für die Lampenschaltung werden aus L-C-Reaktanztabellen oder aus der Gleichung für eine Serienresonanz ausgewählt:



Die Güte Q der Lampenschaltungen ist ziemlich niedrig, und zwar aufgrund der Notwendigkeit eines Betriebs an einer festen Frequenz, die sich selbstverständlich aufgrund von Toleranzen der Werte von RT und CT ändern kann. Leuchtstofflampen erfordern normalerweise nicht sehr hohe Zündspannungen, so daß eine Güte Q von zwei oder drei ausreichend ist. "Flache" Q-Kurven ergeben sich sehr leicht aus größeren Induktivitäts- und kleineren Kondensator-Verhältnissen, worin:



ist,

wobei R größer wird, wenn mehr Windungen verwendet werden.

Ein weicher Startvorgang mit einer Vorheizung der Lampenheizfäden wird durch die PTC-Thermistoren 68 und 69 längs jeder Lampe erreicht. Auf diese Weise steigt die Spannung längs der Lampe graduell an, während der PTC-Thermistor sich selbst erhitzt, bis schließlich die Zündspannung mit heißen Heizfäden erreicht wird und die Lampe zündet.

Die folgende Tabelle gibt die Werte der Bauteile an, die für eine bevorzugte Ausführungsform der Fig. 5 verwendet werden:

MOSFETS&min;s 20, 21 Typ IRF 720 (International Rectifier) PTC 68, 69 TDK 911P97ES014U10 Brücke 74 4 × IN 4007 Diode 43 11DF4 Widerstand 41 91 Kiloohm, 1/2 Watt Widerstand 70a 10 Ohm, 1/2 Watt Widerstand RT 15 Kiloohm Kondensator 42 47 µf, 20 V Kondensator 64 1 µf, 400 V Kondensator 66, 67 0,01 µf, 600 V Kondensator 70 0,001 µf, 600 V Kondensator 75, 76, 77 0,22 µf, 250 V Wechselspannung Kondensator 78, 79 100 µf, 200 V Kondensator CT 0,001 µf Induktivitäten 62, 63 1,35 mH


Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung für die Ansteuerung eines Vorschaltgerätes für Hochdruck-Natriumlampen. Die Schaltung nach Fig. 4 weist die Synchronisationsschaltung nach Fig. 2 sowie weiterhin eine automatische Abschalt-Schaltung auf. In Fig. 4 sind Bauteile, die denen nach den Fig. 2 und 3 ähnlich sind, mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet. In Fig. 4 ist die Lampe eine Hochdruck-Natriumlampe 90 mit einem Parallelkondensator 91 und einer Induktivität 92. Die Induktivität 92 weist eine Anzapfung auf, die einen Teil der Abschalt-Schaltung bildet, die weiterhin einen Widerstand 93, Dioden 94 und 95 und einen Kondensator 96 einschließt.

In Fig. 4 besteht die Synchronisierschaltung aus den Nulldurchgangs-Detektordioden 50 und 51, die die Eigenschwingungs- Frequenz auf die Eigenresonanz der LC-Schaltung 91, 92 synchronisieren. Die Güte Q des Serienresonanzkreises wird auf ungefähr 20 gelegt und ergibt eine ausreichende Spannung zur Zündung der Lampe. Die Synchronisationsmöglichkeit der Halbleiterschaltung 40 ermöglicht es dem Serienkreis nach Fig. 4, mit einer hohen Güte Q zu schwingen, um die 3 kV-Startspannung für die Lampe 90 zu liefern, ohne daß eine getrennte Zündeinrichtung verwendet wird.

Bei einem Wiederzündfall in heißem Zustand, bei dem die Güte Q nicht ausreicht, die erforderliche Wiederzündspannung zu liefern, liefert die Abschalt-Schaltung mit den Dioden 95 und 96 eine Gleichspannungs-Vorspannung, die verhindert, daß die Spannung am Anschlußstift CT den bei einem Abfall auf 1/3 VCC liegenden Schaltpunkt erreicht. Daher liefert die Schaltung kurze Schwingungsimpulspakete, bis der Wiederzündvorgang erreicht wird (ungefähr 90 Sekunden) und aufrechterhalten wird, wobei zu einer Zerstörung führende hohe MOSFET-Ströme vermieden werden.

Fig. 5 ist ein Blockschaltbild der Halbleiterschaltung des Halbleiterplättchens 40 nach den Fig. 2, 3 und 4. Die 8 Anschlußstifte der Halbleiterschaltung 40 sind in Fig. 5 wiederholt. Alle anhand der Fig. 5 zu beschreibenden Schaltungsblöcke sind auf einem einzigen gemeinsamen Silizium-Halbleiterplättchen integriert. Der erste Schaltungsblock ist die Klemmschaltung 100, die aus einer Mehrzahl von Zenerdioden besteht. Diese sind zwischen dem Anschlußstift VCC und dem Anschlußstift VSS eingeschaltet, der mit dem Siliziumsubstrat verbunden ist, das als Halbleiterplättchen-Erde wirkt. Eine Digital-Speiseleitung und eine analog-Speiseleitung erstrecken sich beide von dem Anschlußstift VCC. Eine Analog-Erdleitung und eine Digital- Erdleitung sind ebenfalls mit dem Anschlußstift VSS verbunden.

Die nächste Gruppe von Schaltungsblöcken bildet eine Zeitgeberschaltung. Diese Blöcke schließen eine Teilerschaltung 101, die mit der Analog-Versorgungsleitung und Analog-Erde verbunden ist, einen N-Vergleicher 102, einen P-Vergleicher 103 und einen RS-Signalspeicher 104 ein. Zwei Anzapfungen von dem Teiler 101 sind mit den positiven Eingängen der Vergleicher 102 und 103 verbunden. Der Eingangs-Anschlußstift CT ist mit dem negativen Eingang des Vergleichers 103 verbunden. Die Ausgänge der Vergleicher 102 und 103 sind mit dem RS-Signalspeicher 104 in der gezeigten Weise verbunden.

Der RS-Signalspeicher 104 ist weiterhin mit der Unterspannungs- Blockierschaltung 15 verbunden, die einen Teil der integrierten Halbleiterschaltung bildet. Wenn daher VCC zu weit verringert wird, so wird der RS-Signalspeicher 104 gesperrt.

Eine Vorspannungsschaltung 106 liefert Vorspannungsausgänge an den RS-Signalspeicher 104, die Blockierschaltung 105 und an die Totzeit-Verzögerungsschaltungen 107 und 108 in den spannungsseitigen und erdseitigen Schaltungszügen. Die Zeitverzögerungsschaltungen 107 und 108 liefern eine Totzeit oder Verzögerung vom ungefähr 1µs zwischen dem Einschalten des spannungseitigen oder erdseitigen Schalters nach dem Abschalten des jeweils anderen Schalters. Diese Totzeit stellt sicher, daß eine einen Stromfluß durch beide Leistungsschalter ermöglichende Schaltung, bei der beide Leistungs-MOSFET&min;s 20 und 21 gleichzeitig eingeschaltet sind, nicht gebildet wird.

Der Ausgang der Totzeit-Schaltung 108 wird der erdseitigen Verzögerungsschaltung 109 und dem erdseitigen Treiber 110 zugeführt, der mit dem Anschlußstift LO verbunden ist.

Der Ausgang der Totzeitschaltung 107 wird einem Pegelschieber- Impulsgenerator 111 in der spannungsseitigen Ausgangszweig zugeführt. Der spannungsseitige Schaltungszweig schließt weiterhin eine spannungsseitige Vorspannungsversorgungsschaltung 112 ein, die eine dv/dt-Filterschaltung 113 ansteuert, die Störungen aus dem Impuls ausfiltert, der von der Schaltung 113weitergeleitet wird, sowie eine analoge Unterspannungs-Blockierschaltung 114. Der Eingang an die spannungsseitige Vorspannungsschaltung 112 ist mit dem Anschlußstift VB verbunden.

Der Ausgang der Blockierschaltung 114 und des dv/dt-Filters 113 wird einer Signalspeicherschaltung 115 zugeführt, und deren Ausgang ist mit einem Puffer 116 verbunden, der Verstärkerstufen enthält und den Anschlußstift HO ansteuert. Es sei bemerkt, daß der Anschlußstift VSS mit den Schaltungen 113, 114, 115 und 116 verbunden ist.


Anspruch[de]
  1. 1. In einem Siliziumsubstrat ausgebildete integrierte Treiberschaltung zum Ansteuern erster und zweiter Gate-gesteuerter MOS-Leistungsbauteile, die in einer Halbbrücken-Schaltung miteinander verbunden sind, die erste und zweite Gleichspannungsanschlüsse und einen gemeinsamen Anschluß zwischen den ersten und zweiten Gate-gesteuerten MOS-Leistungsbauteilen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die integrierte Schaltung eine Zeitgeberschaltungseinrichtung (101, 102, 103) mit einem Eingangssteueranschluß (CT), der mit einem einen niedrigen Logikpegel aufweisenden und auf das Potential des Substrates bezogenen Signal verbindbar ist, eine Signalspeichereinrichtung (104), die mit der Zeitgeberschaltungseinrichtung (101, 102, 103) verbunden sind, um die Frequenz zu steuern, mit der die ersten und zweiten MOS-Bauteile (20, 21) ein- und ausgeschaltet werden, wobei die Signalspeichereinrichtung (104) ein Ausgangssignal aufweist, das in Abhängigkeit von einem vorgegebenen Signal geschaltet wird, das dem Eingangssteueranschluß (CT) zugeführt wird, eine spannungsseitige Totzeit-Verzögerungsschaltung (107) und eine erdseitige Totzeit-Verzögerungsschaltung (108), die jeweils mit der Signalspeichereinrichtung (104) verbunden sind, um die Übertragung eines Signalspeicher-Ausgangssignals für eine vorgegebene Zeitverzögerung nach dem Schalten des Ausganges der Signalspeichereinrichtung (104) zu verzögern, eine spannungsseitige Pegelschiebereinrichtung (111) und eine spannungsseitige Treiberschaltungseinrichtung (116) sowie eine erdseitige Treiberschaltungseinrichtung (110), wobei die spannungsseitige Treiberschaltungseinrichtung (116) und die erdseitige Treiberschaltungseinrichtung (110) mit der spannungsseitigen Totzeitschaltung (107) bzw. mit der erdseitigen Totzeitschaltung (108) verbunden sind und spannungsseitige bzw. erdseitige Ausgangsanschlußstifte (HO, LO) aufweist, die Ausgangssignale zum Einschalten und Abschalten der ersten und zweiten Gate-gesteuerten MOS-Leistungsbauteile (20, 21) in Abhängigkeit von Steuersignalen an dem Eingangssteueranschluß CT erzeugen, wobei die Totzeit-Verzögerungsschaltungen (107, 108) die gleichzeitige Leitfähigkeit der ersten und zweiten Gate-gesteuerten MOS- Leistungsbauteile (20, 21) verhindern.
  2. 2. Integrierte Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gate-gesteuerten MOS-Leistungsbauteile MOS-Bauteile sind, die aus einer Gruppe ausgewählt sind, die aus Leistungs-MOSFET&min;s, Leistungs-IGBT&min;s und Gategesteuerten MOS-Leistungsthyristoren besteht.
  3. 3. Integrierte Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgegebene Zeitverzögerung ungefähr eine Mikrosekunde beträgt.
  4. 4. Schaltung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Betriebsspannungsquelle vorgesehen ist, die mit den ersten und zweiten Gleichspannungsanschlüssen (22, 23) verbunden ist, um Betriebsleistung für jede der Schaltungseinrichtungen in der integrierten Schaltung (40) zu liefern, und daß die integrierte Schaltung (40) einen sich von dieser erstreckenden VCC-Anschlußstift zur Verbindung mit zumindestens einem der ersten oder zweiten Gleichspannungsanschlüsse (22, 23) aufweist.
  5. 5. Schaltung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch Widerstandselemente (41) zum Verbinden des VCC-Anschlußstiftes mit dem ersten Gleichspannungsanschluß.
  6. 6. Integrierte Schaltung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgegebene Zeitverzögerung ungefähr eine Mikrosekunde beträgt.
  7. 7. Integrierte Schaltung nach einem der Ansprüche 4-6, gekennzeichnet durch eine Unterspannungs-Auslöseschaltungseinrichtung (105), die mit der Spannung an dem VCC-Anschlußstift gekoppelt ist und diese überwacht und einen Ausgangsanschluß aufweist, der mit der Signalspeicherschaltungseinrichtung (104) und mit den spannungsseitigen und erdseitigen Totzeit-Verzögerungsschaltungen (107, 108) verbunden ist, um die Signalspeicherschaltungseinrichtung (104) und die Totzeit-Verzögerungsschaltungen (107, 108) zu sperren, wenn die Spannung an dem VCC-Anschlußstift unter einen vorgegebenen Wert absinkt.
  8. 8. Integrierte Schaltung nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitgeberschaltung einen zweiten Eingangssteueranschluß RT zur Steuerung der Frequenz einschließt, mit der die Gate-gesteuerten MOS-Bauteile ein- und ausgeschaltet werden, daß die Anschlüsse CT und RT mit einem äußeren Zeitsteuerkondensator mit einem Wert CT bzw. einem Zeitsteuerwiderstand mit einem Wert RT verbunden sind, um die Schwingungsfrequenz FO der Zeitgeberschaltung so einzustellen, daß sie gleich:



    ist.
  9. 9. Elektronische Vorschaltgeräteschaltung mit zumindestens einer Gasentladungslampe (24), mit zumindestens einem L-C-Kreis (25, 26) in Serie mit der Gasentladungslampe (24), mit ersten und zweiten in Serie geschalteten Gate-gesteuerten MOS-Leistungsschalterbauteilen (20, 21) mit jeweiligen Gate- Anschlüssen, die in einer Halbbrückenschaltungsanordnung miteinander verbunden sind, mit zwei Gleichspannungsleistungsanschlüssen (22, 23), die in Serie mit den ersten und zweiten in Serie geschalteten Leistungsschalterbauteilen (20, 21) verbunden sind, wobei die mindestens eine Lampe (24) und der L-C-Serienkreis (25, 26) längs des zweiten Leistungsschalterbauteils (21) angeschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gate-Treiberschaltung (40) vorgesehen ist, die einen Eingangsanschluß zum Empfang von Logikpegel-Einganssignalen zum abwechselnden Ein- und Ausschalten der ersten und zweiten Gate-gesteuerten MOS-Leistungsschalterbauteile (20, 21) mit einer vorgegebenen Schwingungsfrequenz aufweist, wobei die Gate-Treiberschaltung (40) Ausgangsanschlüsse (HO, LO) aufweist, die mit den jeweiligen Gates der Leistungsschalterbauteile (20, 21) verbunden sind.
  10. 10. Vorschaltgeräteschaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Gate-Treiberschaltung (40) einen Anschluß (VCC) aufweist, der die Betriebsleistung für ihre internen Schaltungen liefert, und daß ein externer Widerstand (41) zum Verbinden des Anschlusses (VCC) mit einem der beiden Gleichspannungsleistungsanschlüsse (22, 23) vorgesehen ist.
  11. 11. Vorschaltgeräteschaltung nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Gate-Treiberschaltung (40) eine Schwingungs-Zeitgeberschaltung mit ersten und zweiten Eingangsanschlüssen (RT bzw. CT) und einen diskreten Widerstand und einen diskreten Kondensator aufweist, die mit den Anschlüssen RT bzw. CT verbunden sind, um die vorgegebene Schwingungsfrequenz auf eine vorgegebene Frequenz und auf die Schwingfrequenz der L-C-Schaltung einzustellen.
  12. 12. Vorschaltgeräteschaltung nach einem der Ansprüche 9-11, dadurch gekennzeichnet, daß die Gate-Treiberschaltung (40) eine monolithische integrierte Gate-Treiberschaltung ist, daß die integrierte Schaltung eine Zeitgeberschaltungseinrichtung (101, 102, 103) mit einem Eingangssteueranschluß (CT), der mit einem einen niedrigen Logikpegel aufweisenden Signal verbindbar ist, das auf das Potential des Substrates bezogen ist, eine Signalspeicherschaltungseinrichtung (104), die mit der Zeitgeberschaltungseinrichtung (101, 102, 103) verbunden ist, um die Frequenz zu steuern, mit der die ersten und zweiten Leistungsschalterbauteile (20, 21) ein- und ausgeschaltet werden und die einen Ausgang aufweist, der in Abhängigkeit von einem vorgegebenen Signal geschaltet wird, das an den Eingangssteueranschluß angelegt ist, eine spannungsseitige Totzeitverzögerungsschaltung (107) und eine erdseitige Totzeitverzögerungsschaltung (108), die jeweils mit der Signalspeichereinrichtung (104) verbunden sind, um die Übertragung des Signalspeicher-Ausgangssignals für eine vorgegebene Zeitverzögerung zu verzögern, die auf das Schalten des Ausganges der Signalspeicherschaltungseinrichtung (104) folgt, eine spannungsseitige Pegelschiebereinrichtung (111) und eine spannungsseitige Treiberschaltungseinrichtung (116) sowie eine erdseitige Treiberschaltungseinrichtung (110) aufweist, wobei die spannungsseitige Treiberschaltungseinrichtung (116) und die erdseitige Treiberschaltungseinrichtung (110) mit der spannungsseitigen Totzeitverzögerungsschaltung (107) bzw. mit der erdseitigen Totzeitverzögerungsschaltungseinrichtung (108) verbunden sind und spannungsseitige bzw. erdseitige Ausgangsanschlüsse aufweisen, die Ausgangssignale zum Einschalten und Ausschalten der ersten und zweiten Gategesteuerten MOS- Leistungsbauteile (20, 21) in Abhängigkeit von Steuersignalen an dem Eingangssteueranschluß (CT) erzeugen, und daß die Totzeitverzögerungsschaltungen (107, 108) die gleichzeitige Leitfähigkeit der ersten und zweiten Gate-gesteuerten MOS-Leistungsbauteile (20, 21) verhindern.






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