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Dokumentenidentifikation DE19736894C2 23.05.2002
Titel Integrierte Treiberschaltung
Anmelder International Rectifier Corp., El Segundo, Calif., US
Erfinder Houk, Talbott M., Culver City, Calif., US
Vertreter G. Koch und Kollegen, 80339 München
DE-Anmeldedatum 25.08.1997
DE-Aktenzeichen 19736894
Offenlegungstag 30.04.1998
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 23.05.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 23.05.2002
IPC-Hauptklasse H02H 7/20
IPC-Nebenklasse H05B 41/282   

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf eine integrierte Treiberschaltung zur Ansteuerung erster und zweiter Halbleiterbauteile mit MOS- Gate-Steuerung, die in einer Halbbrückenschaltung miteinander verbunden sind.

Derartige Treiberschaltungen sind in den US-Patenten 5 612 597, 5 545 955, 5 559 394 und 5 550 436 beschrieben.

Beispielsweise zeigt das US-Patent 5 550 436 eine derartige integrierte Treiberschaltung, die eine Steuerschaltung zur Steuerung des Ein- und Ausschaltens der Leistungshalbleiterbauteile, Totzeit-Verzögerungsschaltungen, die einen gleichzeitigen leitenden Zustand der ersten und zweiten Leistungshalbleiterbauteile verhindern, und Treiberschaltungen zur Ansteuerung der Leistungshalbleiterbauteile aufweist.

Derartige Treiberschaltungen sind insbesondere für Lampen- Vorschaltgeräte geeignet, wobei praktisch ausgeführte Lampen- Vorschaltgeräte mit integrierten Treiberschaltungen Bauteile vom Typ IR2155 oder IR2151 der Firma International Rectifier verwenden.

Um eine derartige integrierte Treiberschaltung für Lampen- Vorschaltgeräte bei bestimmten Ausfallbetriebsarten im Lampenbetrieb abzuschalten, wird eine Einrichtung zum Abschalten der Gate-Treiberausgänge bei der Feststellung von Fehlerzuständen (wie zum Beispiel ein unterbrochener Heizfaden oder eine Lampe, die beim Starten nicht zündet) und zum nachfolgenden Abschalten der Ausgangsleistungs-Transistoren benötigt.

Aufgrund der Topologie der integrierten Treiberschaltungen vom Typ IR2155 und IR2151 sind diese Schaltungen im Normalbetrieb selbstschwingend, wie dies in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist.

Fig. 1 zeigt die Bauteile einer typischen Lampen-Treiberschaltung. Ein Brückengleichrichter 10 leitet eine Versorgungsspannung (VBUS) aus der Wechselspannungsleitung ab. Die Versorgungsspannung ist angenähert eine Gleichspannung und wird von Kondensatoren 56 und 58 gestützt.

Die Lampen-Treiberschaltung nach Fig. 1 schließt eine integrierte MOS-Gate-Treiberschaltung 30 mit einer zugehörigen Beschaltung zur Steuerung des Betriebs eines oberspannungsseitigen MOSFET-Bauteils 40 und eines unterspannungsseitigen MOSFET-Bauteils 42 ein. Die integrierte MOS-Gate-Treiberschaltung 30 liefert Ansteuersignale an die MOSFETs 40 und 42, die mit VBUS verbunden sind. Obwohl Leistungs-MOSFET-Bauteile gezeigt sind, kann irgendein Leistungsbauteil mit einer MOS- Gate-Steuerung, wie zum Beispiel ein IGBT oder ein Thyristor mit MOS-Gate-Steuerung, anstelle der Leistungs-MOSFETs 40 und 42 eingesetzt werden.

Der Ausgang an der Mittelanzapfung der in Halbbrückenschaltung verbundenen MOSFET-Bauteile 40 und 42 steuert eine Schaltung an, die eine Serien-LC-Lastschaltung einschließt, die aus einer Induktivität 46 und einem Kondensator 52 besteht.

Die an dem Anschluß VBUS gelieferte Spannung kann von bis herunter zu 140 Volt Gleichspannung bis über 600 Volt Gleichspannung reichen, und zwar in Abhängigkeit von der zugeführten Wechselspannungs-Eingangsspannung.

Die Schwingfrequenz des Ausgangskreises wird durch die Resonanzfrequenz der Induktivität 46 und des Kondensators 52 gesteuert. Der gewünschte Induktivitätswert der Induktivität 46 hängt von dem Wert der Spannung VBUS ab und ist so ausgewählt, daß die Schwingfrequenz der Schaltung innerhalb eines gewünschten Bereiches liegt.

Das Halbleiterplättchen der integrierten Schaltung 30 kann in einem DIP- oder einem Oberflächenbefestigungsgehäuse mit 8 Anschlußstiften angeordnet sein und weist die folgenden Anschlußstifte auf:

VCC - ein Anschlußstift, der eine Betriebsspannung für die integrierte Schaltung aus der Gleichspannungsversorgung VBUS empfängt.

CT - ein einzelner Eingangssteueranschlußstift, der mit dem Knoten zwischen dem Zeitsteuerkondensator 14 und dem Zeitsteuerwiderstand 16 verbunden ist. Das Signal am Anschluß CT steuert beide Ausgänge HO und LO.

RT - ein Anschlußstift, der mit dem anderen Anschluß des Zeitsteuerwiderstandes 16 verbunden ist.

VB - ein Anschlußstift, der mit Verbindungsknoten zwischen einer Diode 22 und einem Kondensator 24 verbunden ist, die als "bootstrap"-Schaltung wirken, um Leistung für den Betrieb des oberspannungsseitigen Schalters zu liefern.

HO - ein Ausgangsanschluß an das Gate (oder an einen Widerstand 26 an das Gate) des oberspannungsseitigen MOSFET- Bauteils 40.

VS - ein Anschlußstift an die Mittelanzapfung der in Totem-Pol- oder Halbbrückenschaltung verbundenen MOSFET-Bauteile 40 und 42.

LO - ein Ausgangs-Anschlußstift an das Gate (oder an einen Widerstand 28 an das Gate) des unterspannungsseitigen MOSFET-Bauteils 42.

COM - ein Anschlußstift, der mit dem negativen oder Erdanschluß verbunden ist.

Ein Widerstand 18 und ein Kondensator 12 versorgen die integrierte Schaltung 30 mit ihren Gleichspannungs- und Wechselspannungs-Leistungsversorgungen. Der Widerstand 16 und der Kondensator 14 steuern die Schwingfrequenz gemäß der folgenden Gleichung:





Eine Diode 22 und ein Kondensator 24 bilden die "Bootstrap"- Leistungsversorgung für die schwimmende CMOS-Treiberschaltung in der integrierten Schaltung. Die Widerstände 26 und 28 dämpfen LC-Überschwinger an den Gate-Anschlüssen der Leistungs- MOSFET-Bauteile 40 und 42 und dienen weiterhin zur Pufferung der integrierten Schaltung 30 gegenüber der Leistungsstufe.

Die Lastschaltung, die die Induktivität 46 und den Resonanzkondensator 52 einschließt, schließt weiterhin Kondensatoren 56 und 58, einen einen positiven Temperaturkoeffizient aufweisenden PTC-Widerstand 54 und eine Lampe 50 ein. Ein Kondensator 44 steuert normalerweise den Wert von dV/dt, der an dem VS-Knoten auftritt, um abgestrahlte elektromagnetische Störungen zu einem Minimum zu machen.

Ein Nachteil dieser grundlegenden Schaltung besteht darin, daß, wenn die Lampe entweder defekt ist (wie z. B. am Ende ihrer Betriebslebensdauer) oder aus der Schaltung entfernt wird, katastrophale Ausfälle anderer Bauteile in der Schaltung die Folge sein können. Daher müssen Benutzer der integrierten Gate-Treiberschaltung 30 typischerweise zusätzliche externe Schaltungen vorsehen, um die Fehlerzustände festzustellen und nachfolgend die integrierte Schaltung abzuschalten. Vorzugsweise werden beide Ausgänge der integrierten Gate-Treiberschaltung in einem Abschaltzustand abgeschaltet.

Weil die integrierte Gate-Treiberschaltung selbstschwingend ist, ist einer der Gate-Treiber-Ausgänge LO und HO-VS immer eingeschaltet, mit Ausnahme der kurzen "Totzeit", die in Fig. 2 gezeigt ist. Unter normalen Betriebsbedingungen ist entweder der MOSFET 40 oder der MOSFET 42 eingeschaltet. Als Ergebnis ist ein Abschalten der integrierten Gate-Treiberschaltung durch einfaches externes Kurzschließen des Zeitsteuerkondensators 14 gegen Erde, wie dies beispielsweise in Fig. 3 gezeigt ist, nicht ausreichend, um die Schaltung zu schützen.

Fig. 3 zeigt die Schaltung nach Fig. 1 nach Modifikation durch Einfügen eines Transistors 60, der den Eingangs-Steuerkondensator 14 nach Erde kurzschließt, wenn die Lampe entfernt wird. Ein Spannungsteiler, der durch Widerstände 62, 64, 66 und einen Kondensator 68 gebildet ist, bildet die Meßschaltung. Unter normalen Betriebsbedingungen ist die Spannung am Knoten VA angenähert gleich der halben Gleichspannungs-Versorgungsspannung, d. h. VBUS/2, wenn die Kondensatoren 56 und 58 einen identischen Wert aufweisen.

Der einzige Unterschied zwischen der Spannung am Knoten VA und der Spannung an dem Knoten, der an dem Mittelpunkt zwischen den Kondensatoren 56 und 58 liegt, ergibt sich aus dem Spannungsabfall längs des Heizfadens der Lampe 50.

Unter normalen Betriebsbedingungen ist der Spannungsabfall längs des Heizfadens relativ klein, nämlich lediglich wenige Volt, und die Spannung am Knoten VC reicht nicht aus, um den Nebenschluß-Transistor 60 einzuschalten. Wenn jedoch die Lampe entfernt wird, so steigt die Spannung am Knoten VA an, und zwar ebenso wie die Spannung am Knoten VC, so daß der Transistor 60 einschaltet. Die Werte der Widerstände 62, 64, 66 sind derart gewählt, daß die Schaltung während normaler Betriebsbedingungen den Transistor 60 niemals einschaltet, den Transistor 60 jedoch immer dann einschaltet, wenn die Lampe entfernt wird oder ausfällt. Der Kondensator 68 bildet weiterhin einen Teil eines Tiefpaßfilters in der Abschalt-Ansprechschaltung, wodurch eine Störunempfindlichkeit vergrößert wird.

Die in Fig. 3 gezeigte Schaltung schaltet jedoch nicht beide Leistungs-MOSFET-Bauteile 40 und 42 ab, wenn die Lampe aus dem Lastkreis entfernt wird. Bei diesem Zustand ohne Lampenlast würde der CT-Anschlußstift der integrierten Schaltung 30 durch den Transistor 60 gegen Erde kurzgeschlossen, wodurch der interne Oszillator der integrierten Schaltung und das Schalten der Ausgänge dieser Schaltung gestoppt wird, wie dies erwünscht ist. Obwohl jedoch der Ausgang der Halbbrücke abgeschaltet wurde, bleibt der Transistor 42 eingeschaltet.

Eine weitere Lösung zum Abschalten beider MOSFET-Bauteile 40 und 42 in einem Fehlerzustand besteht darin, den VCC Anschlußstift der integrierten Schaltung gegen Erde kurzzuschließen, wie dies in Fig. 4 gezeigt ist. Hier ist die Meßschaltung im wesentlichen die gleiche wie in Fig. 3, doch schließt ein gesteuerter Siliziumgleichrichter SCR 70 den VCC-Anschlußstift über einen Widerstand 72 gegen Erde kurz, um den Ausgang abzuschalten.

Ein Nachteil der Schaltung nach Fig. 4 besteht darin, daß wenn der Fehlerzustand beendet ist, beispielsweise wenn die Lampe wieder in ihre Fassung eingesetzt wird, die gesamte Leistungseinschaltfolge wiederholt werden muß, weil die Versorgungsspannung VCC, die der integrierten Schaltung zugeführt wird, unter ihren Unterspannungs-Schwellenwert entladen wurde. Tatsächlich beruht die Schaltung darauf, daß die Unterspannungs-Sperrschaltung der integrierten Schaltung 30 beide Leistungstransistoren 40 und 42 abschaltet.

Ein weiterer Nachteil der Schaltung nach Fig. 4 besteht darin, daß der SCR 70 ein aufwendigeres Bauteil ist, als der NPN- Transistor 60 nach Fig. 3.

Weiterhin muß ein Widerstand 72 in den VCC -Kondensator-Entladepfad eingefügt werden, um die Spannungsänderung dV/dt am VCC-Anschlußstift zu verringern. Dieser Wert von dV/dt muß begrenzt werden, weil die Versorgungsspannung an die Gate-Treiberausgangsstufen abgeschaltet werden kann, bevor die Ausgangsstufen die Gate-Elektroden der Leistungs-MOSFET-Bauteile vollständig entladen haben. Wenn beispielsweise der obere Leistungs-MOSFET 40 eingeschaltet ist, und die Versorgungsspannung sehr schnell auf 0 V gebracht wird, so kann der Transistor 40 nicht abgeschaltet werden und verbleibt effektiv mit einer Ladung (oder Spannung) an seiner Gate-Elektrode, wobei lediglich der von Natur aus vorliegende Gate-Source- Leckstrom den MOSFET entladen kann. Die Restladung kann einen katastrophalen Ausfall hervorrufen, wenn die integrierte Schaltung 30 wieder gestartet wird, während der obere MOSFET 40 noch eingeschaltet ist. Wenn die integrierte Schaltung 30 neu startet, nämlich wenn ihre VCC-Spannung den Anstiegsschwellenwert für die Unterspannungs-Sperrschaltung übersteigt, so schaltet zunächst der untere MOSFET 42 ein. Wenn der Transistor 40 noch eingeschaltet ist, während der Transistor 42 einschaltet, ergibt sich ein Kurzschluß längs der Gleichspannungs-Versorgung und der Wechselspannungs-Leitung, der zumindest eine Sicherung durchbrennen läßt und wahrscheinlich sogar einen Ausfall eines oder beider Leistungs-MOSFET-Bauteile hervorrufen würde.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine integrierte Treiberschaltung der eingangs genannten Art zu schaffen, die ein einwandfreies Abschalten der Treiberschaltung bei Auftreten von Fehlerzuständen derart sicherstellt, daß alle Gate-Treiberausgänge abgeschaltet werden.

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

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

Die erfindungsgemäße integrierte Treiberschaltung ergibt einen Schutz für die Bauteile der Treiberschaltung bei Fehlerzuständen und insbesondere bei einem Ausfall des Verbrauchers in dem Lastkreis, beispielsweise einer Leuchtstofflampe, wenn die Treiberschaltung in einem Vorschaltgerät verwendet wird. Hierbei werden gleichzeitig beide Ausgänge der Treiberschaltung abgeschaltet, wenn ein derartiger Fehler, beispielsweise der Ausfall einer Lampe oder die Entfernung einer Lampe aus der Lampenfassung auftritt.

Es wurde zwar bereits in der DE 196 22 803 A1 vorgeschlagen, bei Auftreten von Fehlern alle Leistungshalbleiter abzuschalten. Dies erfolgt jedoch durch Abschalten der Betriebsleistung der Steuerschaltung, was in vielen Fällen eine zu große Verzögerung ergibt, um einen sicheren Schutz der Leistungshalbleiterbauteile zu gewährleisten.

Wenn bei der erfindungsgemäßen Treiberschaltung die Last, beispielsweise die Lampe, in dem Lastkreis ersetzt wird, startet die integrierte Treiberschaltung automatisch neu, ohne daß es erforderlich ist, die Betriebsleistung ein- und auszuschalten.

Gemäß einem Grundgedanken der Erfindung steuert eine in einem Siliziumsubstrat ausgebildete integrierte Schaltung erste und zweite Leistungshalbleiterbauteile mit MOS-Gate-Steuerung an. Die Leistungshalbleiterbauteile sind in einer Halbbrückenschaltung miteinander verbunden, die erste und zweite Gleichspannungsanschlüsse und einen gemeinsamen Anschluß aufweist, der an einem Verbindungsknoten zwischen den ersten und zweiten Leistungshalbleiterbauteilen mit MOS-Gate-Steuerung angeordnet ist. Der gemeinsame Anschluß liefert ein Ausgangssignal an einen Lastkreis. Eine Zeitsteuerschaltung weist einen Steuer- Eingangsanschluß auf, der mit einem einen niedrigen Pegel aufweisenden Signal verbunden ist. Eine erste Signalspeicherschaltung ist mit der Zeitgeberschaltung verbunden und steuert die Frequenz, mit der die ersten und zweiten Leistungshalbleiterbauteile mit MOS-Gate-Steuerung ein- und ausgeschaltet werden, und sie liefert ein Ausgangssignal, das in Abhängigkeit von dem Signal ein- und ausgeschaltet wird, das dem Steuer- Eingangsanschluß zugeführt wird. Oberspannungs- und unterspannungsseitige Totzeit-Verzögerungsschaltungen sind jeweils mit der ersten Signalspeicherschaltung gekoppelt und verzögern die Übertragung des Signalspeicher-Ausgangssignals für ein Zeitintervall, das auf das Schalten des Ausganges der Signalspeicherschaltung folgt, um einen gleichzeitigen leitenden Zustand der ersten und zweiten Leistungshalbleiterbauteile mit MOS-Gate-Steuerung zu verhindern. Oberspannungsseitige und unterspannungsseitige Treiberschaltungen sind mit der oberspannungsseitigen bzw. unterspannungsseitigen Totzeitschaltung verbunden, und sie weisen oberspannungs- bzw. unterspannungsseitige Ausgangsanschlüsse auf, die oberspannungs- und unterspannungsseitige Ausgänge zum Abschalten der jeweiligen ersten und zweiten Leistungshalbleiterbauteile mit MOS-Gatesteuerung in Abhängigkeit von dem Signal liefern, das dem Steuer-Eingangsanschluß zugeführt wird. Eine Schutzschaltung ist mit dem einen niedrigen Pegel aufweisenden Signal gekoppelt und verhindert die Lieferung der oberspannungs- und unterspannungsseitigen Ausgangssignale, wenn das einen niedrigen Pegel aufweisende Signal unterhalb eines Schwellenwertes liegt.

Gemäß diesem Grundgedanken der Erfindung kann die Schutzschaltung eine Schwellenwertspannungs-Meßschaltung, die mit dem einen niedrigen Pegel aufweisenden Signal gekoppelt ist, sowie eine zweite Signalspeicherschaltung einschließen, die mit der Meßschaltung gekoppelt ist und deren Ausgänge den oberspannungs- und unterspannungsseitigen Totzeit-Verzögerungsschaltungen zugeführt werden. Die Schwellenwertspannung kann kleiner als der niedrigste Wert der unteren Signalspannung sein, bei der Ausgangssignale zum Ein- und Ausschalten der ersten und zweiten Leistungshalbleiterbauteile mit MOS-Gatesteuerung geliefert werden. Wenn das einen niedrigen Pegel aufweisende Signal unter die Schwellenwertspannung absinkt, so können die oberspannungsseitigen und unterspannungsseitigen Totzeitverzögerungsschaltungen daran gehindert werden, das Signalspeicher- Ausgangssignal zu übertragen.

Gemäß einem weiteren Grundgedanken der Erfindung steuert eine die Treiberschaltung einschließende Schaltung einen Lastkreis aus einer Gleichspannungsversorgung an und schließt erste und zweite Leistungshalbleiterbauteile mit MOS-Gatesteuerung sowie eine selbstschwingende Treiberschaltung ein.

Gemäß einem weiteren Grundgedanken der vorliegenden Erfindung steuert eine die Treiberschaltung einschließende Schaltung eine Gasentladungs-Beleuchtungseinrichtung an und schließt erste und zweite Leistungshalbleiterbauteile mit MOS-Gatesteuerung und eine selbstschwingende Treiberschaltung ein.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung der Erfindung ersichtlich, die sich auf die nachfolgend genannten Zeichnungen bezieht.

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild, das eine typische bekannte Lampenvorschaltgeräteschaltung zeigt,

Fig. 2 die Schwingungsformen der in Fig. 1 gezeigten Schaltung,

Fig. 3 eine bekannte Lampenvorschaltgeräteschaltung, die einen Nebenschlußtransistor einschließt, der die Schaltung im Fall des Ausfalls der Lampe abschaltet,

Fig. 4 eine bekannte Lampenvorschaltgeräteschaltung, bei der ein gesteuerter Siliziumgleichrichter den VCC-Anschlußstift im Fall eines Ausfalls einer Lampe kurzschließt,

Fig. 5 ein Blockschaltbild einer integrierten Lampen- Treiberschaltung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 6 die Schwingungsformen der integrierten Lampen- Treiberschaltung nach Fig. 5.

Die erfindungsgemäße Treiberschaltung ermöglicht die Verwendung der einfachen Schaltung, wie sie beispielsweise in Fig. 3 gezeigt ist, durch Modifikation der internen Schaltung der integrierten Schaltung. Die in Fig. 3 gezeigte Schaltung stellt jedoch lediglich ein Beispiel einer Abschalt-Schaltung dar. Andere ähnliche Schaltungen sind ebenfalls möglich.

Fig. 5 ist ein Blockschaltbild der Schaltung des integrierten Halbleiterplättchens 30 der Erfindung, die zur Verwendung in der Schaltung nach Fig. 3 geeignet ist. Die acht Anschlußstifte der integrierten Schaltung bzw. des Halbleiterplättchens 30 sind in Fig. 5 wiederholt. Alle nachfolgend anhand der Fig. 5 zu beschreibenden Schaltungsblöcke sind typischerweise in ein gemeinsames Silizium-Halbleiterplättchen integriert.

Der in Fig. 5 gezeigte äußerste linke Schaltungsblock ist die Klemmschaltung 110, die typischerweise eine Mehrzahl von Zenerdioden aufweist. Die Klemmschaltung ist zwischen dem Anschlußstift VCC und dem Anschlußstift VSS angeschlossen, der mit dem Siliziumsubstrat verbunden ist, das als Halbleiterplättchen- Erde wirkt. Sowohl eine digitale Versorgungsleitung als auch eine Analog-Versorgungsleitung erstrecken sich von dem Anschlußstift VCC. Eine Analog-Erdleitung und eine digitale Erdleitung sind ebenfalls mit dem Anschlußstift VSS verbunden.

Die nächste Gruppe von Schaltungsblöcken bildet eine Zeitsteuerschaltung. Die Blöcke schließen eine Teilerschaltung 112, die mit der Analog-Versorgungsleitung und der Analog-Erdleitung verbunden ist, einen N-Vergleicher 114, einen P-Vergleicher 116 und einen RS-Signalspeicher 120 ein. Zwei Anzapfungen von dem Teiler 112 sind mit den positiven Eingängen der Vergleicher 114 und 116 verbunden und liefern diesen Spannungen VR1 bzw. VR2. Der Eingangsanschlußstift CT ist mit dem negativen Eingang der Vergleicher 116 und 114 verbunden. Die Ausgänge der Vergleicher 114 und 116 sind in der gezeigten Weise mit dem RS- Signalspeicher 120 verbunden.

Der RS-Signalspeicher 120 ist weiterhin mit einer Unterspannungs-Sperrschaltung 122 verbunden, die in die Schaltung des Halbleiterplättchens integriert ist. Wenn daher VCC auf einen zu niedrigen Wert verringert wird, so wird der RS-Signalspeicher 120 gesperrt.

Eine Vorspannungsschaltung 132 liefert Vorspannungs-Ausgangssignale an die Sperrschaltung 122 und an die Totzeitverzögerungsschaltungen 126 und 130 in den oberspannungsseitigen und unterspannungsseitigen Schaltungszügen. Die Totzeitverzögerungsschaltungen 126 und 130 liefern eine Totzeit oder Verzögerung von ungefähr 1 Mikrosekunde zwischen dem Einschalten des oberspannungs- oder unterspannungsseitigen Schalters nach dem Abschalten des jeweils anderen Schalters. Diese Totzeit stellt sicher, daß keine 'Durchschlag'-Schaltungen gebildet werden, bei der beide Leistungs-MOSFET-Bauteile 40 und 42 nach Fig. 3 gleichzeitig eingeschaltet sind.

Das Ausgangssignal der Totzeit-Verzögerungsschaltung 130 wird der unterspannungsseitigen Verzögerungsschaltung 140 und damit dem unterspannungsseitigen Treiber 142 zugeführt, der mit dem Anschlußstift LO verbunden ist.

Der Ausgang der Totzeit-Verzögerungsschaltung 126 wird einem Pegelschieber-Impulsgenerator 128 im oberspannungsseitigen Ausgangszweig zugeführt. Der oberspannungsseitige Zweig schließt weiterhin eine dV/dt-Filterschaltung 134 ein, die Störungen aus dem Impuls ausfiltert, der von dem Impulsgenerator 128 weitergeleitet wird. Die Versorgung des dV/dt-Filters 134 ist mit dem Anschlußstift VB verbunden.

Das Ausgangssignal der dV/dt-Filterschaltung 134 wird einer Signalspeicherschaltung 136 zugeführt, deren Ausgang mit einer Pufferschaltung 138 verbunden ist, die Verstärkerstufen enthält und den Ausgangsanschlußstift HO ansteuert. Es sei bemerkt, daß der Anschlußstift VS mit den Schaltungen 134, 136, 138 verbunden ist.

Die erfindungsgemäße Treiberschaltung behält alle diese Funktionen innerhalb der integrierten Schaltung bei, wie sie in den beschriebenen integrierten Schaltungen IR2155 und IR2151 vorliegen und in den vorstehend genannten Patenten beschrieben sind, und zusätzlich wird ein neuartiges Abschaltmerkmal unter Verwendung des CT-Anschlußstiftes eingeführt. Gemäß der Erfindung wurden zwei zusätzliche Schaltungsblöcke hinzugefügt:

(1) ein dritter CT-Meßvergleicher 118 und (2) eine Abschalt- Signalspeicherschaltung 124. Der Eingangsanschluß CT ist mit dem negativen Eingang des dritten Vergleichers 118 verbunden, der feststellt, ob die Spannung an dem CT-Anschlußstift kleiner als ein vorgegebener Schwellenwert ist, der als VR3 bezeichnet ist, der von dem Teiler 112 geliefert wird. Der dritte Vergleicher 118 liefert dann sein Ausgangssignal an die Abschalt-Signalspeicherschaltung 124 und an die unterspannungsseitige Totzeit-Verzögerungsschaltung 130. Das Ausgangssignal des Abschalt-Signalspeichers wird dem Eingang der oberspannungsseitigen Totzeit-Verzögerungsschaltung 126 zugeführt.

Die Schwellenwertspannung VR3, bei der der dritte Vergleicher 118 seinen Zustand ändert, ist so gewählt, daß sie kleiner als die untere Schwellenwertspannung VR2 ist, die für die Eigenschwingung verwendet wird. Ein Beispiel der Betriebsweise ist in Fig. 6 gezeigt. Hier sind die Werte von VR1 und VR2 so gewählt, daß sie zwei Dritteln von VCC bzw. einem Drittel von VCC entsprechen, und der Wert von VR3 ist hauptsächlich aus Zweckmäßigkeitsgründen so gewählt, daß er einem Sechstel von VCC entspricht. Andere spezielle Verhältnisse könnten gewählt werden, solange wie VR3 < VR2 < VR1 ist.

Fig. 6 zeigt, wie die Spannung am CT-Anschlußstift die Betriebsweise der Ausgänge regelt. Beim Einschalten des Systems sind alle Eingangs- und Ausgangs-Knotenspannungen und Ströme der integrierten Schaltung zu Anfang gleich Null. Der Gleichrichter 10 (s. Fig. 3) erzeugt sehr schnell eine Gleichspannungs-Versorgungsspannung (beispielsweise +320 Volt) und bewirkt eine Aufladung des Kondensators 12 über den Widerstand 18. Der Kondensator 12 liefert eine Spannung an den VCC-Anschluß der integrierten Schaltung 30, die ihrerseits Leistung an alle internen Schaltungen der integrierten Schaltung 30 liefert.

Wenn eine ausreichende Spannung an dem Kondensator 12 erzeugt wurde, bewirkt die Unterspannungs-Sperrschaltung 122 des unterspannungsseitigen Schaltungszweiges (s. Fig. 5) eine Voreinstellung vieler der anderen Schaltungen auf einen gewünschten Zustand. Im einzelnen wird (1) der Gate-Treiber-Ausgang LO auf einem niedrigen Pegel gehalten, um einen unerwünschten leitenden Zustand des Leistungs-MOSFETs 42 zu verhindern, (2) der RT- Anschlußstift wird auf einen hohen Pegel (auf das VCC -Potential) gebracht, (3) der CT-Anschlußstift wird dazu gebracht, seine Aufladung zu beginnen, und (4) die Vorspannungsschaltung 132 wird auf eine 'Mikroleistungs'-Betriebsart gesetzt, in der die meisten der Schaltungsblöcke der integrierten Schaltung nicht vorgespannt sind. Diese 'Mikroleistungs'-Startbetriebsart ist wünschenswert, weil sie den Strombedarf über den Startwiderstand 18 verringert, was es dem Benutzer ermöglicht, einen einen höheren Widerstandswert und eine geringere Leistung aufweisenden Widerstand zu verwenden (d. h. der Leistungsverbrauch wird verringert). In weitgehend ähnlicher Weise wie die Unterspannungs- Sperrschaltung 122 stellt der Schaltungsblock HS Signalspeicher 132 sicher, daß für ein VB-zu-VS-Potential, das kleiner als ein voreingestellter bestimmter Spannungspegel ist (beispielsweise 8,6 Volt) der Ausgang HO auf dem VS-Pegel gehalten wird, wodurch ein unerwünschter leitfähiger Zustand des oberen Leistungs-MOSFET-Bauteils 40 verhindert wird.

Wenn die Spannung am CT-Anschlußstift VR3 übersteigt, so ergibt sich folgendes: (1) die unterspannungsseitige Gatetreiber- Ausgangsspannung LO nimmt nach einer Totzeit-Verzögerung td einen hohen Pegel an, wodurch der unterspannungsseitige Leistungs-MOSFET 42 eingeschaltet wird, (2) der Vorspannungsblock 132 erhält einen Befehl, Leistung an die Oszillator- Vergleicher NCOMP 114, PCOMP 116 und COMP 118 sowie die Totzeitschaltungen 126 und 130 zu liefern, (3) der RT -Anschlußstift wird durch den Oszillator-Signalspeicher 124 auf einem hohen Pegel gehalten, und (4) der CT-Anschlußstift wird weiter über den Widerstand 16 aufgeladen.

Im Normalbetrieb tritt, nachdem die Spannung an dem CT- Anschlußstift den Wert von VR3 überschritten hat, eine Eigenschwingung auf, und das Ausgangssignal der Halbbrückenschaltung VS führt eine Umschaltschwingung mit einem trapezförmigen Ausgangssignal aus.

Wenn der CT-Anschlußstift eine Spannung von zwei Dritteln der VCC-Spannung erreicht, so liefert der NCOMP-Vergleicher 114 ein negatives Rücksetzsignal an den RS-Signalspeicher 120. Dieses negative Rücksetzsignal bewirkt, daß die Ausgänge (RT und dessen Komplement RT/N) des RS-Signalspeichers 120 ihre Logikzustände umkehren, und der RT-Anschlußstift nimmt einen niedrigen Pegel an (RT/N nimmt einen hohen Pegel an). Es sei bemerkt, daß die Phasenbeziehung zwischen RT und LO willkürlich ist; gewisse Benutzer dieser integrierten Schaltung fordern, daß RT außer Phase mit LO ist, obwohl LO während des Inbetriebsetzens als erstes einen hohen Pegel annehmen muß. Als Ergebnis wird, wenn RT einen niedrigen Pegel annimmt, der LO-Ausgang auf einen niedrigen Pegel gebracht, wodurch der unterspannungsseitige Leistungs-MOSFET 42 abgeschaltet wird. Der Signalpfad von RT zu LO ist absichtlich so schnell wie möglich gemacht (minimale Verzögerung) und er ist so ausgelegt, daß er genau an die Abschalt-Ausbreitungsverzögerung von RT/N zu HO angepaßt ist. Dies stellt sicher, daß eine Ausbreitungsverzögerungs-Fehlanpassung zwischen den oberspannungsseitigen rund den unterspannungsseitigen Treibern nicht systematisch das Tastverhältnis an dem Ausgang VS der Halbbrücke gegenüber ihrem gewünschten 50%-Wert abweichen läßt.

Wenn der Anschlußstift RT seinen Logikpegel von einem hohen auf einen niedrigen Pegel schaltet, so nimmt RT/N (der zweite Ausgang des RS-Signalspeichers 120) einen hohen Pegel an. Dieses letztere Signal steuert die oberspannungsseitige Totzeit- Schaltung 126 an, die den Impulsgenerator 128 ansteuert, der eine Pegelverschiebung der oberspannungsseitigen Ein-/Aus- Signale auf den oberspannungsseitigen Schaltungszweig bewirkt. Die Totzeit-Schaltungen sind so ausgelegt, daß sie eine kleine Verzögerung (beispielsweise 1 µsec) für das 'Einschalt'-Signal erzeugen, damit (1) eine Durchgangsleitungs-Totzeit für die Leistungs-MOSFETs 40 und 42 geschaffen wird, und (2) Nullspannungs-Schalttechniken für Treiberfrequenzen oberhalb der L-C-Resonanzfrequenz begünstigt werden (bei denen die Lastimpedanz induktiv ist). Andererseits sind diese Totzeit-Schaltungen so ausgelegt, daß sie eine so geringe Verzögerung wie möglich für die 'Abschalt'-Signale an die Gate-Treiber 138 und 142 hinzufügen. Nach der Zeitablaufperiode der oberspannungsseitigen Totzeit-Schaltung 126 (beispielsweise 1 µsec) wird dem Impulsgenerator 128 das Logiksignal geliefert, um ein 'Einschalt'- Signal an den oberspannungsseitigen Gate-Treiber 138 zu erzeugen. Die dV/dt-Schaltung 134 stellt kurze Impulse (beispielsweise von 50-200 msec) fest, die von dem Impulsgenerator erzeugt werden, und setzt diese Impulse in 'Setz'- und 'Rücksetz'-Signale für die HS-Signalspeicherschaltung 136 um. Der Übergang von RT/N auf einen hohen Pegel entspricht einem 'Setz'-Signal am Eingang des HS-Signalspeichers, wodurch andererseits die HS-Treiberschaltung 138 den Befehl erhält, den Ausgang HO auf einen hohen Pegel anzusteuern.

Ein weiteres Ergebnis des Schaltens des RT-Anschlußstiftes von einem hohen auf ein niedriges Potential besteht darin, daß der Widerstand 16 damit beginnt, den Kondensator 14 von dem Schwellenwert von zwei Dritteln der Spannung VCC (was durch den Teilerblock 112 eingestellt ist) auf den Schwellenwert von einem Drittel von VCC zu entladen (der ebenfalls durch den Teilerblock 112 eingestellt ist). Bei Erreichen des Schwellenwertes von einem Drittel von VCC nimmt der PCOMP-Vergleicher 116 an seinem Ausgang einen hohen Pegel an, wodurch ein 'Setz'- Signal an den RS-Signalspeicher 120 geliefert wird. Dieses 'Setz'-Signal bringt RT auf einen hohen Pegel, RT/N auf einen niedrigen Pegel und führt dazu, daß das Ausgangssignal des Anschlusses VS der Halbbrücke einen niedrigen Pegel annimmt. Die gegenphasige Beziehung zwischen RT und CT führt zu einer Eigenschwingung bei einem Tastverhältnis von 50%, unabhängig von dem Potential VCC und der Temperatur. Diese Tastverhältnis-Steuerung führt zusammen mit sorgfältig aneinander angepaßten Abschalt-Ausbreitungsverzögerungen von RT zu LO und von RT/N zu HO zu einem Tastverhältnis von 50% an dem Ausgang VS der Halbbrücke.

Wenn im Normalbetrieb ein Fehler auftritt, der die Entladung des Kondensators 14 auslöst, werden beide Gate-Treiberausgänge abgeschaltet, und das Ausgangssignal der Halbbrücke beendet die Schwingung. Die Spannung des RT-Anschlußstiftes bleibt hoch, um einen automatischen Neustart zu ermöglichen, sobald der Fehlerzustand beendet ist.

Wenn der Fehlerzustand die Entfernung der Lampe ist und die Schaltung nach Fig. 3 verwendet wird, so wird der Anschlußstift CT entladen und beide Gate-Treiberausgänge schalten ab. Wenn die Lampe wieder eingesetzt wird, so schaltet der in Fig. 3 gezeigte Transistor 60 ab, und der Kondensator 14 lädt sich wieder auf.

Die automatische Neustartfunktion wird durch den Abschalt- Signalspeicher 124 in Fig. 5 erreicht, und der Benutzer der Lampe muß den Leistungsschalter für die Lampe nicht aus- und einschalten, um das System neu zu starten.


Anspruch[de]
  1. 1. Integrierte Treiberschaltung (30), die in einem Siliziumsubstrat ausgebildet ist und zur Ansteuerung erster und zweiter Leistungshalbleiterbauteile mit MOS-Gate- Steuerung (40, 42) dient, die in einer Halbbrückenschaltung miteinander verbunden sind, die erste und zweite Gleichspannungsanschlüsse und einen gemeinsamen Anschluß aufweist, der an, einem Knoten zwischen den ersten und zweiten Leistungshalbleiterbauteilen mit MOS-Gate-Steuerung liegt und ein Ausgangssignal an einen Lastkreis liefert, wobei die integrierte Treiberschaltung folgende Teile umfaßt:

    eine Steuerschaltung mit einem ersten Steueranschluß (CT), der mit einem einen niedrigen Pegel aufweisenden Signal beaufschlagbar ist, wobei die Steuerschaltung aus einer Teilerschaltung (112), Vergleichern (114, 116) und aus einer ersten Signalspeicherschaltung (120) besteht, die mit den Vergleichern (114, 116) gekoppelt ist, um ein Ausgangssignal zu liefern, das in Abhängigkeit von dem Pegel des an dem Steueranschluß angelegten Signal die ersten und zweiten Leistungshalbleiterbauteile mit MOS-Gate-Steuerung (40, 42) ein- und ausschaltet,

    Totzeit-Verzögerungsschaltungen (126, 130), die mit der ersten Signalspeicherschaltung (120) gekoppelt sind, um die Übertragung des Signalspeicher- Ausgangssignals für ein Zeitverzögerungsintervall nach dem Schalten des Ausgangssignals der ersten Signalspeicherschaltung zu verzögern, um einen gleichzeitigen leitenden Zustand der ersten und zweiten Leistungshalbleiterbauteile mit MOS-Gate-Steuerung (40, 42) zu verhindern,

    eine oberspannungsseitige Treiberschaltung (138) und eine unterspannungsseitige Treiberschaltung (142), die mit den Totzeit- Verzögerungsschaltungen (126, 130) gekoppelt sind und oberspannungsseitige (40) bzw. unterspannungsseitige Ausgangsanschlüsse (20) aufweisen, die oberspannungsseitige und unterspannungsseitige Ausgangssignale zum Ein- und Ausschalten der ersten und zweiten Leistungshalbleiterbauteile (40,42) mit MOS-Gate- Steuerung in Abhängigkeit von den Signalen liefern, die dem ersten Steueranschluß (CT) zugeführt werden, und

    eine Abschaltschaltung (118, 124), die mit dem einen niedrigen Pegel aufweisenden Signal gekoppelt ist, um die Zuführung der oberspannungsseitigen und unterspannungsseitigen Ausgangssignale zu verhindern, wenn das einen niedrigen Pegel aufweisende Signal kleiner als eine Schwellenwertspannung ist.
  2. 2. Integrierte Treiberschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Totzeit-Verzögerungsschaltungen (126, 130) eine oberspannungsseitige Totzeit-Verzögerungsschaltung (126) und eine unterspannungsseitige Totzeit-Verzögerungsschaltung (130) umfassen, die jeweils mit der ersten Signalspeicherschaltung (120) gekoppelt sind, und daß die oberspannungsseitige Treiberschaltung (138) und die unterspannungsseitige Treiberschaltung (142) mit der oberspannungsseitigen Totzeit-Verzögerungsschaltung (126) bzw. der unterspannungsseitigen Totzeit-Verzögerungsschaltung (130) gekoppelt sind.
  3. 3. Integrierte Treiberschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschaltschaltung eine Schwellenwert-Meßschaltung (118), die mit dem einen niedrigen Pegel aufweisenden Signal gekoppelt ist, und eine zweite Signalspeicherschaltung (124) umfaßt, die mit der Meßschaltung (118) gekoppelt ist, um ein Ausgangssignal an die Totzeit-Verzögerungsschaltungen (126, 130) zu liefern.
  4. 4. Integrierte Treiberschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwellenwertspannung kleiner als der niedrigste Wert des einen niedrigen Pegel aufweisenden Signals ist, bei dem die oberspannungsseitigen und die unterspannungsseitigen Ausgänge im Normalbetrieb an die ersten und zweiten Leistungshalbleiterbauteile (40, 42) mit MOS-Gate- Steuerung geliefert werden.
  5. 5. Integrierte Treiberschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschaltschaltung (118, 124) die Totzeit-Verzögerungsschaltungen (126, 130) daran hindert, das Signalspeicher-Ausgangssignal zu übertragen, wenn das einen niedrigen Pegel aufweisende Signal kleiner als die Schwellenwertspannung ist.
  6. 6. Selbstschwingende Treiberschaltung, umfassend eine integrierte Treiberschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (112, 114, 116, 120) einen zweiten Steueranschluß (RT) aufweist, und daß die ersten und zweiten Steueranschlüsse (CT, RT) mit einem externen Zeitsteuerkondensator (14) und einem externen Zeitsteuerwiderstand (16) zur Einstellung der Schwingfrequenz verbunden sind.
  7. 7. Schaltung zur Ansteuerung eines Lastkreises aus einer Gleichspannungsversorgung, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung folgende Teile umfaßt:

    eine selbstschwingende Treiberschaltung nach Anspruch 6,

    erste und zweite Leistungshalbleiterbauteile mit MOS-Gate-Steuerung (40, 42), die in einer Halbbrückenkonfiguration geschaltet sind, die erste und zweite Gleichspannungsanschlüsse, die längs der Gleichspannungsversorgung angeschaltet sind, und einen gemeinsamen Anschluß am Verbindungspunkt zwischen den ersten und zweiten Leistungshalbleiterbauteilen mit MOS-Gate-Steuerung (40, 42) aufweist, um ein Ausgangssignal an den Lastkreis (46, 50, 52) zu liefern.
  8. 8. Schaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Lastkreis eine Gasentladungslampe (50) enthält.






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