PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE10152930B4 21.06.2007
Titel Stromrichter und Signalpegelumsetzer
Anmelder Mitsubishi Denki K.K., Tokyo, JP
Erfinder Majumdar, Gourab, Tokio/Tokyo, JP;
Hatae, Shinji, Tokio/Tokyo, JP;
Yoshimura, Kousuke, Tokio/Tokyo, JP
Vertreter Meissner, Bolte & Partner GbR, 80538 München
DE-Anmeldedatum 26.10.2001
DE-Aktenzeichen 10152930
Offenlegungstag 02.10.2002
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 21.06.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 21.06.2007
IPC-Hauptklasse H02M 7/44(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H02M 1/08(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stromrichter zur bestimmungsgemässen Verwendung für einen Wechselrichter, und einen Signalpegelumsetzer zur bestimmungsgemässen Verwendung für den Stromrichter, und insbesondere betrifft sie eine Verbesserung zur Erhöhung einer Durchschlagspannung der Vorrichtung, ohne dass dafür ein komplizierter Herstellungsprozess notwendig wird, und gleichzeitig ein beständiger Betrieb aufrechterhalten wird.

Die den Oberbegriffbildende Druckschrift US 5,351,182 A offenbart einen Stromrichter mit Leistungsschaltgliedern. Darüber hinaus sind bei der bekannten Schaltungsanordnung erste und zweite Treiberschaltungen zum Ansteuern der ersten und zweiten Schaltglieder vorgesehen. Für eine Hochspannungsanwendung weist die aus dem Stand der Technik bekannte Stromrichterschaltung eine Vielzahl von Signalpegelumsetzern auf, die in einer Kaskade mit mehreren Stufen angeordnet und ausgelegt sind, eine Pegelverschiebung an Steuersignalen anzuwenden und die pegelverschobenen Steuersignale an die erste Treiberschaltung zu überführen.

In einem Signalpegelumsetzerschaltkreis, der als Schnittstelle zwischen einem Leistungsschaltungsglied und einem MPU (Mikrocomputer) zum Treiben und Steuern des Leistungsschaltglieds arbeiten soll, wurde herkömmlicherweise zur elektrischen Isolierung ein Optokoppler verwendet. In den letzten Jahren wurde jedoch aufgrund von Vorteilen wie geringe Abmessungen, niedriger Preis und lange Lebensdauer ein HVIC (High Voltage Integrated Circuit) verwendet.

16 ist ein Blockschaltbild, das einen, den HVIC verwendenden herkömmlichen Wechselrichter zeigt. Ein Wechselrichter 150 umfasst drei Stromrichter 151 bis 153, die denselben Aufbau haben. Die drei Stromrichter 151 bis 153 haben jeweils drei Phasenausgänge U, V, und W gemeinsam. Jeder der drei Stromrichter 151 bis 153 ist zwischen einer Hochspannungsleitung PP und einer Niederspannungsleitung (Masseleiter) NN vorgesehen und wird von einer externen Stromquelle 165 mit Gleichstrom versorgt. Darüberhinaus wird von einem externen Mikrocomputer 160 an jeden der Stromrichter 151 bis 153 ein Steuersignal abgegeben.

Der Stromrichter 151 umfasst die Leistungsschaltglieder 172 und 173, Freilaufdioden 174 und 175, einen Kondensator 170, und einen HVIC (High Voltage Integrated Circuit) 154. In einem Beispiel von 16 sind die Leistungsschaltglieder 172 und 173 IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors – Isolierschicht-Bipolartransistoren). Über eine Drahtverbindung OUT (U) ist eine Last an einen Anschlussabschnitt der Leistungsschaltglieder 172 und 173 angeschlossen, die untereinander in Reihe geschaltet sind.

Der HVIC 154 umfasst einen Puffer 166, Treiberkreise 169 und 171, ein Schaltglied 167 und einen Widerstand 168. Im Beispiel von 16 ist das Schaltglied 167 ein Hochspannungs-MOSFET des N-Kanal-Typs. Eine Quellenspannung wird von einer externen Gleichstromquelle 161 an den Puffer 166 und den Treiberkreis 171 abgegeben. Eine vom Kondensator 170 gehaltene Spannung wird als Quellenspannung an einer Treiberkreis 169 abgegeben, der zusammen mit der Drahtverbindung OUT (U) ein Quellenpotential ändert. Wird das Leistungsschaltglied 173 EIN- oder AUS-geschaltet, belastet die Gleichstromquelle 161 wiederholt den Kondensator 170 über einen Widerstand 163 und eine Diode 164.

Ein Pegel eines zu übertragenden Signals wird zwischen dem Puffer 166 und dem Treiberkreis 169 abgeändert. Eine Reihenschaltung des Schaltglieds 167 und des Widerstands 168, die zwischen dem Puffer 166 und dem Treiberkreis 169 vorgesehen ist, dient als Pegelverschiebungskreis, um einen Pegel eines Signals zwischen dem Puffer 166 und dem Treiberkreis 169 umzusetzen. Demgemäss wird für das Schaltglied 167 eine Durchschlagspannung benötigt, die grösser oder gleich derer des Leistungsschaltglieds 172 ist.

Der HVIC hat beispielsweise Probleme damit, wenn die Durchschlagspannung höher wird, ein Herstellungsprozess komplizierter ist, eine Herstellungsvorrichtung neu eingeführt werden soll, eine Fehlfunktion des HVIC selbst nicht leicht verhindert werden kann, u. dgl. Beim HVIC ist eine Technik der Isolation eines Niederspannungsabschnitts von einem Hochspannungsabschnitt eine Schlüsseltechnologie. Eine Übergangsisolationstechnik und eine dielektrische Isolationstechnik wurden als die Isolationstechnik bekannt. Bei der Übergangsisolationstechnik, wird unter Verwendung eines Verfahrens, das standardmässig bei einem normalen IC oder LSI eingesetzt wird, eine Isolationsinsel auf einer p+-Sperrschicht ausgebildet, und innerhalb dieser wird ein Glied oder ein Schaltkreis als Gliedergruppe ausgebildet. Bei der dielektrischen Isolationstechnik ist jede einzelne der Siliziumkristallinseln, die jedes Glied oder jeden Schaltkreis bilden, von einem Dielektrikum (z.B. polykristallinem Silizium) umgeben. Folglich sind die Inseln elektrisch voneinander isoliert.

Die Übergangsisolationstechnik besitzt den Vorteil, dass sie mit einer herkömmlichen Herstellungsvorrichtung für ICs durchgeführt werden kann. In manchen Fällen fliesst jedoch während eines Schaltvorgangs ein Rauschstrom durch dv/dt (ein Wert der Veränderung bei einer Spannung) zu einem schwebenden Kondensator in einem Isolationsbereich, so dass der Betrieb des Schaltkreises beeinträchtigt ist. Ein Problem besteht darin, dass sich dieses Phänomen noch ausgeprägter darstellt, wenn eine Durchschlagspannung erhöht ist. Die dielektrische Isolationstechnik umfasst ein Spezialverfahren wie das Kontaktieren auf einem Siliziumsubstrat. Deshalb besteht ein Problem darin, dass der Herstellungsvorgang komplizierter wird und der Preis für den einzelnen Chip steigt. Zusätzlich wird der Herstellungsprozess mit höherer Durchschlagspannung komplizierter und somit teuerer.

Bislang ist ein HVIC mit einer Durchschlagspannung von 600 V auf dem Markt. Wenn jedoch die Durchschlagspannung erhöht werden soll, treten eben die oben erwähnten Probleme auf. Deshalb wurde eine Erhöhung der Durchschlagspannung des HVIC in der Praxis nicht umgesetzt.

Um die oben erwähnten Probleme beim Stand der Technik zu lösen, besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung eines Stromrichters und eines Signalpegelumsetzers, die eine Durchschlagspannung erhöhen können, ohne einen komplizierten Herstellungsprozess notwendig zu machen, während gleichzeitig ein beständiger Betrieb aufrechterhalten wird.

Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung richtet sich auf einen Stromrichter, umfassend ein erstes Schaltglied mit ersten und zweiten Hauptelektroden, ein zweites Schaltglied mit dritten und vierten Hauptelektroden, wobei die vierte Hauptelektrode an die erste Hauptelektrode angeschlossen ist, einen ersten Treiberkreis, um das erste Schaltglied basierend auf einem von aussen kommenden ersten Steuersignal anzusteuern, einen zweiten Treiberkreis, um das zweite Schaltglied basierend auf einem von aussen kommenden zweiten Steuersignal anzusteuern, und n Pegelverschiebungskreise, die in n Stufen in Kaskade geschaltet sind, wobei n eine ganze Zahl von 2 oder mehr ist, und die n Pegelverschiebungskreise dazu ausgelegt sind, das erste Steuersignal in den n Stufen pegelzuverschieben und das pegelverschobene Signal an den ersten Treiberkreis zu übertragen.

Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung ist auf den Stromrichter nach dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung gerichtet, ferner umfassend einen Messkreis, um einen Betriebszustand des ersten Schaltglieds zu erfassen und ein den Betriebszustand wiedergebendes Erfassungssignal abzugeben, und n weitere Pegelverschiebungskreise, die in n Stufen in Kaskade geschaltet und dazu ausgelegt sind, das Erfassungssignal in den n Stufen pegelzuverschieben und das pegelverschobene Signal nach aussen zu übertragen.

Ein dritter Aspekt der vorliegenden Erfindung ist auf den Stromrichter nach dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung gerichtet, ferner umfassend eine einstufige Impulsschaltung, die an einen Eingang jedes der n weiteren Pegelverschiebungskreise angeschlossen ist, und einen Latch, der an einen Ausgang jedes der n weiteren Pegelverschiebungskreise angeschlossen ist.

Ein vierter Aspekt der vorliegenden Erfindung ist auf den Stromrichter nach einem der ersten bis dritten Aspekte der vorliegenden Erfindung gerichtet, ferner umfassend eine einstufige Impulsschaltung, die an den Eingang jedes der n Pegelverschiebungskreise angeschlossen ist, und einen Latch, der an einen Ausgang der n Pegelverschiebungskreise angeschlossen ist.

Ein fünfter Aspekt der vorliegenden Erfindung ist auf den Stromrichter nach einem der ersten bis vierten Aspekte der vorliegenden Erfindung gerichtet, bei dem jeder der n Pegelverschiebungskreise einen Widerstand und ein Schaltglied umfasst, die untereinander in Reihe geschaltet sind.

Ein sechster Aspekt der vorliegenden Erfindung richtet sich auf den Stromrichter nach dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung, bei dem jeder der n weiteren Pegelverschiebungskreise einen Widerstand und ein Schaltglied umfasst, die untereinander in Reihe geschaltet sind.

Ein siebter Aspekt der vorliegenden Erfindung ist auf den Stromrichter nach einem der ersten bis sechsten Aspekte der vorliegenden Erfindung gerichtet, ferner umfassend einen Spannungsteilerkreis, dessen eines Ende an die dritte Hauptelektrode und dessen anderes Ende an die erste Hauptelektrode angeschlossen ist, und der und dazu ausgelegt ist, ein elektrisches Potential des einen Endes und ein elektrisches Potential des anderen Endes zu teilen und dabei erste bis (n – 1)-te Zwischenpotentiale abzugeben, erste bis n-te Dioden, die untereinander in derselben Richtung in Reihe geschaltet sind, und erste bis n-te Kondensatoren, bei dem ein Ende der ersten bis n-ten Kondensatoren jeweils an eine Elektrode der ersten bis n-ten Dioden angeschlossen ist, und das andere Ende der ersten bis n-ten Kondensatoren an einen Ausgang der ersten bis (n – 1)-ten Zwischenpotentiale bzw. die erste Hauptelektrode angeschlossen ist.

Ein achter Aspekt der vorliegenden Erfindung richtet sich auf den Stromrichter nach dem siebten Aspekt der vorliegenden Erfindung, bei dem der Spannungsteilerkreis erste bis n-te Widerstände umfasst, die untereinander in Reihe geschaltet sind, und die ersten bis (n – 1)-ten Zwischenpotentiale von (n – 1) Anschlussabschnitten jeweils vom ersten bis n-ten Widerstand abgegeben werden.

Ein neunter Aspekt der vorlegenden Erfindung richtet sich auf den Stromrichter nach dem achten Aspekt der vorliegenden Erfindung, ferner umfassend (n – 1) Dioden, die jeweils mit den zweiten bis n-ten Widerständen parallelgeschaltet sind.

Ein zehnter Aspekt der vorliegenden Erfindung richtet sich auf den Stromrichter nach einem der siebten bis neunten Aspekte der vorliegenden Erfindung, ferner umfassend n Dioden, die untereinander in Reihe geschaltet sind, wobei zwei Stromanschlüsse des ersten Treiberkreises an das eine Ende des n-ten Kondensators bzw. dessen anderes Ende angeschlossen sind, und einer von zwei Stromanschlüssen des zweiten Treiberkreises an die dritte Hauptelektrode und andere der Stromanschlüsse an ein Ende einer Reihenschaltung der n Dioden angeschlossen ist.

Ein elfter Aspekt der vorliegenden Erfindung richtet sich auf den Stromrichter nach einem der siebten bis zehnten Aspekte der vorliegenden Erfindung, ferner umfassend n Widerstände, die jeweils mit den ersten bis n-ten Dioden parallelgeschaltet sind.

Ein zwölfter Aspekt der vorliegenden Erfindung richtet sich auf den Stromrichter nach einem der siebten bis elften Aspekte der vorliegenden Erfindung, ferner umfassend einen weiteren Widerstand, der mit der ersten Diode in Reihe geschaltet ist.

Ein dreizehnter Aspekt der vorliegenden Erfindung richtet sich auf den Stromrichter nach einem der ersten bis zwölften Aspekte der vorliegenden Erfindung, ferner umfassend erste und zweite Freilaufdioden, die mit den ersten bzw. zweiten Schaltgliedern antiparallel geschaltet sind.

Ein vierzehnter Aspekt der vorliegenden Erfindung richtet sich auf einen Signalpegelumsetzer, umfassend einen Spannungsteilerkreis, dessen eines Ende zur Übertragung eines ersten Potentials an eine erste Potentialleitung angeschlossen ist, und dessen anderes Ende zur Übertragung eines zweiten Potentials an eine zweite Potentialleitung angeschlossen ist, und der dazu ausgelegt ist, das erste Potential und das zweite Potential zu teilen und dabei erste bis (n – 1)-te Zwischenpotentiale abzugeben, erste bis n-te Dioden, die untereinander in derselben Richtung in Reihe geschaltet sind, erste bis n-te Kondensatoren, deren eines Ende jeweils an eine Elektrode der ersten bis n-ten Dioden angeschlossen ist, und deren anderes Ende jeweils an einen Ausgang der ersten bis (n – 1)-ten Zwischenpotentiale und die zweite Potentialleitung angeschlossen ist, und n Pegelverschiebungskreise, die in n Stufen in Kaskade geschaltet sind, wobei n eine ganze Zahl von 2 oder mehr ist, und die n Pegelverschiebungskreise dazu ausgelegt sind, ein auf dem ersten Potential basierendes Signal und ein auf dem zweiten Potential basierendes Signal in n Stufen pegelzuverschieben und selbiges dabei in das andere Signal umzusetzen.

Ein fünfzehnter Aspekt der vorliegenden Erfindung richtet sich auf den Signalpegelumsetzer nach dem vierzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung, ferner umfassend eine einstufige Impulsschaltung, die an einen Eingang jeder der n Pegelverschiebungskreise angeschlossen ist, und einen Latch, der an einen Ausgang jedes der n Pegelverschiebungskreise angeschlossen ist.

Ein sechzehnter Aspekt der vorliegenden Erfindung richtet sich auf den Signalpegelumsetzer nach einem der vierzehnten bis fünfzehnten Aspekte der vorliegenden Erfindung, bei dem jeder der n Pegelverschiebungskreise einen Widerstand und ein Schaltglied umfasst, die untereinander in Reihe geschaltet sind.

Ein siebzehnter Aspekt der vorliegenden Erfindung richtet sich auf den Signalpegelumsetzer nach einem der vierzehnten bis sechzehnten Aspekte der vorliegenden Erfindung, bei dem der Spannungsteilerkreis erste bis n-te Widerstände umfasst, die untereinander in Reihe geschaltet sind, und die ersten bis (n – 1)-ten Zwischenpotentiale von (n – 1) Anschlussabschnitten jeweils von den ersten bis n-ten Widerständen abgegeben werden.

Ein achtzehnter Aspekt der vorliegenden Erfindung richtet sich auf den Signalpegelumsetzer nach dem siebzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung, ferner umfassend (n – 1) Dioden, die jeweils mit den zweiten bis n-ten Widerständen in Reihe geschaltet sind.

Ein neunzehnter Aspekt der vorliegenden Erfindung richtet sich auf den Signalpegelumsetzer nach einem der vierzehnten bis achtzehnten Aspekte der vorliegenden Erfindung, ferner umfassend n Widerstände, die jeweils mit den ersten bis n-ten Dioden parallelgeschaltet sind.

Ein zwanzigster Aspekt der vorliegenden Erfindung richtet sich auf den Signalpegelumsetzer nach einem der vierzehnten bis neunzehnten Aspekte der vorliegenden Erfindung, ferner umfassend einen weiteren Widerstand, der mit der ersten Diode in Reihe geschaltet ist.

Nach dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird das Steuersignal in mehreren Stufen pegelverschoben. Deshalb ist es möglich, die Durchschlagspannung der Vorrichtung anzuheben, ohne die Durchschlagspannung zu erhöhen, die für jeden der Pegelverschiebungskreise notwendig ist. Da keine hohe Durchschlagspannung für jeden der Pegelvexschiebungskreise benötigt wird, kann die Durchschlagspannung der Vorrichtung verstärkt werden, ohne dass dies einen komplizierteren Herstellungsprozess erforderlich machen würde, und gleichzeitig wird ein beständiger Betrieb aufrechterhalten.

Nach dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird das Erfassungssignal in mehreren Stufen pegelverschoben. Deshalb ist es möglich, die Durchschlagspannung der Vorrichtung zu erhöhen und einen Betriebszustand des Schaltglieds (z.B. einen Strom oder eine Temperatur) an eine externe Vorrichtung zu übertragen, ohne dabei die für jeden der Pegel notwendige Durchschlagspannung anzuheben.

Nach dem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird das Erfassungssignal in eine einstufige Impulsform umgesetzt und dann pegelverschoben, und wird durch den Latch wieder mit der ursprünglichen Wellenform hergestellt. Deshalb ist es möglich, die Pegelverschiebung des Erfassungssignals zu bewerkstelligen und gleichzeitig den Leistungsverlust im Pegelverschiebungskreis zu reduzieren.

Nach dem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird das Steuersignal in eine einstufige Impulsform umgesetzt und dann pegelverschoben, und wird durch den Latch wieder mit der ursprünglichen Wellenform hergestellt. Deshalb ist es möglich, die Pegelverschiebung des Steuersignals zu bewerkstelligen und gleichzeitig den Leistungsverlust im Pegelverschiebungskreis zu reduzieren.

Nach dem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht jeder Pegelverschiebungskreis einfach darin, dass der Widerstand und das Schaltglied verwendet werden, die untereinander in Reihe geschaltet sind.

Nach dem sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht jeder Pegelverschiebungskreis einfach darin, dass der Widerstand und das Schaltglied verwendet werden, die untereinander in Reihe geschaltet sind.

Nach dem siebten Aspekt der vorliegenden Erfindung werden die Quellenpotentiale des ersten Treiberkreises und der n Pegelverschiebungskreise durch einen einfachen Aufbau erzeugt, der den Spannungsteilerkreis, die ersten bis n-ten Dioden und die ersten bis n-ten Kondensatoren verwendet.

Nach dem achten Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht der Spannungsteilerkreis einfach darin, dass er die ersten bis n-ten Widerstände verwendet, die untereinander in Reihe geschaltet sind.

Nach dem neunten Aspekt der vorliegenden Erfindung, sind die (n – 1) Dioden mit den zweiten bis n-ten Widerständen parallelgeschaltet. Deshalb kann ein Hochgeschwindigkeitsschaltbetrieb beständiger durchgeführt werden.

Nach dem zehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung, sind die n, untereinander in Reihe geschalteten Dioden an einem der Leistungsanschlüsse des zweiten Treiberkreises angeschlossen. Deshalb ist es möglich, eine Differenz zwischen der Quellenspannung des ersten Treiberkreises und der Quellenspannung des zweiten Treiberkreises zu beseitigen, die aus Vorwärtsspannungen der ersten bis n-ten Dioden entsteht.

Nach dem elften Aspekt der vorliegenden Erfindung, sind die n Widerstände mit den ersten bis n-ten Dioden parallelgeschaltet. Deshalb kann ein Hochgeschwindigkeitsschaltbetrieb beständiger durchgeführt werden.

Nach dem zwölften Aspekt der vorliegenden Erfindung ist der Widerstand mit der ersten Diode in Reihe geschaltet. Deshalb ist es möglich, einen Stromstoss zu reduzieren, der zu den ersten bis n-ten Dioden und den ersten bis n-ten Kondensatoren fliesst.

Nach dem dreizehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Freilaufdiode an jedes der ersten und zweiten Schaltglieder angeschlossen. Deshalb ist es möglich, die Vorrichtung für einen Wechselrichter oder dergleichen zu verwenden, ohne die Freilaufdiode an eine externe Vorrichtung anzuschliessen.

Nach dem vierzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird das Signal in mehreren Stufen zwischen dem auf dem ersten Potential basierenden Signal und dem auf dem zweiten Potential basierenden Signal pegelverschoben. Deshalb ist es möglich, einen Pegelverschiebungsbereich zu vergrössern, ohne eine Durchschlagspannung anzuheben, die für jeden der Pegelverschiebungskreise notwendig ist. Zusätzlich werden die Quellenpotentiale der n Pegelverschiebungskreise durch einen einfachen Aufbau erzeugt, der den Spannungsteilerkreis, die ersten bis n-ten Dioden und die ersten bis n-ten Kondensatoren verwendet.

Nach dem fünfzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird das Signal in eine einstufige Impulsform umgesetzt und dann pegelverschoben, und wird dann vom Latch wieder mit der ursprünglichen Wellenform hergestellt. Deshalb ist es möglich, eine Pegelverschiebung des Signals zu erreichen, während gleichzeitig ein Leistungsverlust im Pegelverschiebungskreis reduziert wird.

Nach dem sechzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht jeder Pegelverschiebungskreis einfach darin, dass er den Widerstand und das Schaltglied verwendet, die untereinander in Reihe geschaltet sind.

Nach dem siebzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht der Spannungsteilerkreis einfach darin, dass er die ersten bis n-ten Widestände verwendet, die untereinander in Reihe geschaltet sind.

Nach dem achtzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung, sind die (n – 1) Dioden mit den zweiten bis n-ten Widerständen parallelgeschaltet. Deshalb kann auch in einer solchen Verwendungsauslegung, bei der eine Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Potential mit hoher Geschwindikeit verändert wird, der beständige Betrieb der Vorrichtung bewerkstelligt werden.

Nach dem neunzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung sind die n Widerstände mit den ersten bis n-ten Dioden parallelgeschaltet. Deshalb kann auch in einer solchen Verwendungsauslegung, bei der eine Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Potential mit hoher Geschwindikeit verändert wird, der beständige Betrieb der Vorrichtung bewerkstelligt werden.

Nach dem zwanzigsten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist der Widerstand mit der ersten Diode in Reihe geschaltet. Deshalb ist es möglich, einen Stromstoss zu reduzieren, der zu den ersten bis n-ten Dioden und den ersten bis n-ten Kondensatoren fliesst.

Diese und andere Aufgaben, Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden genauen Beschreibung der vorliegenden Erfindung in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen deutlicher.

1 ist ein Schaltbild, das einen Signalpegelumsetzerschaltkreis zeigt, der für einen Stromrichter nach jeder Ausführungsform verwendet werden soll,

2 ist ein Schaltbild, das einen Stromrichter nach einer ersten Ausführungsform zeigt,

3 ist ein Schaltbild, das Bedingungen zeigt, die bei einem Prüftest des Stromrichters nach der ersten Ausführungsform eingesetzt werden,

4 ist ein Zeitdiagramm, der ein Ergebnis des Prüftests zeigt,

5 ist ein Schaltbild, das einen Stromrichter nach einer zweiten Ausführungsform zeigt,

6 ist ein Schaltbild, das einen Stromrichter nach einer dritten Ausführungsform zeigt,

7 ist ein Schaltbild, das einen Stromrichter nach einer vierten Ausführungsform zeigt,

8 ist ein Zeitdiagramm, der einen Betrieb des Stromrichters von 7 zeigt,

9 ist ein Schaltbild, das einen Stromrichter nach einem anderen Beispiel der vierten Ausführungsform zeigt,

10 ist ein Schaltbild, das einen Stromrichter nach einer fünften Ausführungsform zeigt,

11 ist ein Schaltbild, das einen Stromrichter nach einem ersten Beispiel einer sechsten Ausführungsform zeigt,

12 ist ein Schaltbild, das einen Stromrichter nach einem zweiten Beispiel der sechsten Ausführungsform zeigt,

13 ist ein Schaltbild, das einen Stromrichter nach einem dritten Beispiel der sechsten Ausführungsform zeigt,

14 ist ein Schaltbild, das einen Stromrichter nach einem vierten Beispiel der sechsten Ausführungsform zeigt,

15 ist ein Schaltbild, das einen Stromrichter nach einem fünften Beispiel der sechsten Ausführungsform zeigt, und

16 ist ein Schaltbild, das einen Wechselrichter aus dem herkömmlichen Stand der Technik zeigt.

Zunächst erfolgt die Beschreibung der Auslegung eines Signalpegelumsetzers, der in den Stromrichtern 101 bis 110 nach den folgenden Ausführungsformen verwendet werden soll. Ein in einem Schaltbild von 1 gezeigter Signalpegelumsetzer 100 umfasst n Pegelverschiebungskreise I1 bis In, n Signalübertragungskreise S1 bis Sn, n Kondensatoren C1 bis Cn, n Dioden DD1 bis DDn, n Widerstände RR1 bis RRn und einen Spannungsteilerkreis DV. Die ganze Zahl n ist grösser oder gleich 2.

Eines der Enden des Spannungsteilerkreises DV ist an eine elektrische Potentialleitung L0 angeschlossen, um ein erstes Potential zu übertragen, und das andere Ende ist an eine elektrische Potentialleitung Ln angeschlossen, um ein zweites Potential zu übertragen. Die ersten und zweiten Potentiale werden geteilt, um erste bis (n – 1)-te Zwischenpotentiale zu erzeugen und diese jeweils an die elektrischen Potentialleitungen L1 bis L(n – 1) abzugeben. Ein Schaltglied ist z.B. so an die elektrischen Potentialleitungen L0 und Ln angeschlossen, dass deren Unterschied in einem elektrischen Potential wiederholt zwischen beinahe 0 Volt und einer vorbestimmten Spannung (die beispielsweise 600 V sein soll) wechselt. Folglich wechselt ein Abstand zwischen den ersten bis (n – 1)-ten Zwischenpotentialen in einem Bereich von beinahe 0 Volt bis 600 V/n.

Wie in 1 gezeigt ist, umfasst der Spannnungsteilerkreis DV vorzugsweise n Widerstände R1 bis Rn, die untereinander in Reihe geschaltet sind, und (n – 1) Anschlussabschnitte zwischen diesen sind jeweils an die elektrischen Potentialleitungen L1 bis L (n – 1) angeschlossen. Wie in 1 gezeigt ist, sind noch bevorzugter (n – 1) Dioden D1 bis D(n – 1) an die untereinander parallelgeschalteten Widerstände R2 bis Rn angeschlossen. Die Dioden D1 bis D(n – 1) sind in derselben Richtung aneinander angeschlossen.

Die Dioden DD1 bis DDn sind untereinander in derselben Richtung in Reihe geschaltet. Vorzugsweise sind die Widerstände RR1 bis RRn jeweils mit den Dioden DD1 bis DDn parallelgeschaltet. Eine Gleichstromquelle 10 ist an die elektrische Potentialleitung L0 und eine Anode der Diode DD1 angeschlossen. Eine von der Gleichstromquelle 10 abgegebene Gleichstromspannung (die beispielsweise 15 V betragen soll), wird auf einen viel kleineren Wert eingestellt als eine Spannung (600V), die zwischen den elektrischen Potentialleitungen L0 and Ln angelegt wird.

Die Enden der Kondensatoren C1 bis Cn sind jeweils an die Kathoden der Dioden DD1 bis DDn angeschlossen, und die anderen Enden sind jeweils an die elektrischen Potentialleitungen L1 bis Ln angeschlossen. Wenn das elektrische Potential der elektrischen Potentialleitung Ln basierend auf dem elektrischen Potential der elektrischen Potentialleitung L0 wiederholt wechselt, werden die Kondensatoren C1 bis bis Cn wiederholt von einem Strom beaufschlagt, der durch die Dioden D1 bis Dn von der Gleichstromquelle 10 abgegeben wird. Als Ergebnis davon halten die Kondensatoren C1 bis Cn fast konstante Spannungen.

Die Pegelverschiebungskreise I1 bis In sind in n Stufen in Kaskade geschaltet, so dass ein auf dem ersten Potential basierendes Signal, und ein auf dem zweiten Potential basierendes Signal in den n Stufen pegelverschoben und so in das andere Signal umgesetzt wird. Ein herkömmlicher, hinlänglich bekannter Pegelverschiebungskreis (beispielsweise eine Serienschaltung des Schaltglieds 167 und des Widerstands 168 von 16) kann für jeden der Pegelverschiebungskreise I1 bis In verwendet werden.

Die Signalübertragungskreise S1 bis Sn sind Schaltkreise (z.B. Puffer) zur Übertragung eines Signals, und arbeiten nach Erhalt der abgegebenen Spannungen, die jeweils von den Kondensatoren C1 bis Cn als Quellenspannungen gehalten werden. Dementsprechend sind die Quellenspannungen der Signalübertragungskreise S1 bis Sn fast gleich einer Gleichstromspannung (15V), die von der Gleichstromquelle 10 abgegeben wird, und sind untereinander fast gleichwertig. Die Quellenpotentiale entsprechen jedoch jeweils den elektrischen Potentialen der elektrischen Potentialleitungen L0 bis Ln und unterscheiden sich schrittweise von einander.

Wie oben beschrieben wurde, pegelverschieben beim Signalpegelumsetzerkreis 100 die Pegelverschiebungskreise I1 bis In das Signal schrittweise in mehreren Stufen. Deshalb ist es möglich, dass ein Pegelverschiebungsbereich vergrössert werden kann, ohne die Durchlagspannung zu erhöhen, die für jeden der Pegelverschiebungskreise I1 bis In benötigt wird. Ist die Anzahl der Stufen n höher, kann der Pegelverschiebungsbereich vergrössert werden. Darüberhinaus werden der Spannungsteilerkreis DV, die Dioden DD1 bis DDn und die Kondensatoren C1 bis Cn verwendet. Deshalb können die Quellenspannungen der Pegelverschiebungskreise I1 bis In mit einem einfachen Schaltungsaufbau erreicht werden. Ferner kann der Spannungsteilerkreis DV durch Verwendung der Widerstände R1 bis Rn einfacher ausgelegt werden. Darüberhinaus sind die Dioden D1 bis D(n – 1) mit den Widerständen R2 bis Rn parallelgeschaltet. Auch in solch einer Verwendungsauslegung, bei der ein Unterschied zwischen dem ersten und dem zweiten Potential in einer hohen Geschwindigkeit wechselt, ist es deshalb möglich, den beständigen Betrieb der Vorrichtung zu bewerkstelligen. Ferner sind die Widerstände RR1 bis RRn jeweils mit den Dioden DD1 bis DDn parallelgeschaltet. Deshalb kann die Beständigkeit des Hochgeschwindigkeitsbetriebs noch verstärkt werden.

Es ist auch möglich, die schrittweise Pegelverschiebung eines Signals nur mit den Pegelverschiebungskreisen I1 bis In zu erreichen, ohne die Übertragungskreise S1 bis Sn vorzusehen.

Erste Ausführungsform (Aufbau und Betrieb der Vorrichtung)

2 ist ein Schaltbild, das den Aufbau eines Stromrichters nach einer ersten Ausführungsform zeigt. Ein Stromrichter 101 umfasst Leistungsschaltglieder 1a und 1b, Freilaufdioden 2a und 2b, Treiberkreise 3a und 3b und den Signalpegelumsetzerkreis 100 (1). In einem Beispiel von 2 sind die Leistungsschaltglieder 1a und 1b IGBTs des n-Kanal-Typs. Eine Reihenschaltung, bei der die Leistungsschaltglieder 1a und 1b untereinander in Reihe geschaltet sind, ist zwischen einer Hochpotentialleitung PP und einer Niederpotentialleitung (beispielsweise einer Erdungsleitung) NN vorgesehen. Während des Betriebs des Leistungsumsetzers 101 ist eine nicht gezeigte externe Energiequelle an die Hochpotentialleitung PP und die Niederpotentialleitung NN angeschlossen, so dass eine hohe Gleichstromquellenspannung angelegt wird. Eine Last wird über eine Drahtverbindung OUT an einem Anschlussabschnitt der Leistungsschaltglieder 1a und 1b angeschlossen. Mit anderen Worten gehören die Leistungsschaltglieder 1a und 1b jeweils zu unteren bzw. oberen Zweigen.

Noch genauer ausgedrückt wird eine der Hauptelektroden (ein Emitter im Beispiel des IGBT des n-Kanal-Typs) des Leistungsschaltglieds 1a an die Drahtverbindung OUT angeschlossen, und die andere Hauptelektrode (ein Kollektor im Beispiel des IGBT des n-Kanal-Typs) wird an die Hochpotentialleitung PP angeschlossen. Darüberhinaus wird eine der Hauptelektroden (der Emitter im Beispiel des IGBT des n-Kanal-Typs) des Leistungsschaltglieds 1b an die Niederpotentialleitung NN angeschlossen, und die andere Hauptelektrode (der Kollektor im Beispiel des IGBT des n-Kanal-Typs) wird an die Drahtverbindung OUT angeschlossen.

Die Freilaufdioden 2a und 2b sind jeweils antiparallel an die Leistungsschaltglieder 1a und 1b angeschlossen. In dieser Spezifikation impliziert "antiparalleler Anshcluss" eine Parallelverbindung, bei der eine Anode und eine Kathode einer Diode einzeln an ein Paar Hauptelektroden eines Schaltglieds in solch einer Richtung angeschlossen sind, dass ein Vorwärtsstrom wie ein Ring darin fliessen kann. Wie in 2 dargestellt ist, impliziert der antiparallele Anschluss des IGBT des n-Kanal-Typs und der Diode dementsprechend einen solchen Anschluss, bei dem ein Emitter an eine Anode und ein Kollektor an eine Kathode angeschlossen ist. Die Freilaufdioden 2a und 2b erfüllen die Aufgabe, einen Rück Vorwärtsstrom umzuleiten.

Die Leistungsschaltglieder 1a und 1b werden über eine (nicht gezeigte) externe Stromquelle mit einer hohen Gleichstromquellenspannung versorgt. Diese externe Stromquelle ist während des Betriebs des Stromrichters 201 an die Hochpotentialeitung PP und die Niederpotentialleitung NN angeschlossen. Ausgänge der Treiberkreise 3a und 3b sind an Steuerelektroden (Gates im Beispiel des IGBT) der Leistungsschaltglieder 1a und 1b angeschlossen, so dass die Treiberkreise 3a und 3b jeweils die Leistungsschaltglieder 1a und 1b ansteuern. Werden die Leistungsschaltglieder 1a und ab AN- oder AUS-geschaltet, wechselt ein elektrisches Potential der Drahtverbindung OUT wiederholt zwischen einem elektrischen Potential der Niederpotentialleitung NN und demjenigen der Hochpotentialleitung PP.

Beim Stromrichter 101, beträgt die Anzahl der Stufen des Signalpegelumsetzerkreises 100 2. Der Stromrichter 101 umfasst eine Reihenschaltung aus einem Schaltglied 13 und einem Widerstand 14 als Pegelverschiebungskreis I1 (1), und eine Reihenschaltung aus einem Schaltglied 16 und einem Widerstand 17 als Pegelverschiebungskreis I2. Im Beispiel von 2 sind die Schaltglieder 13 und 16 Hochspannungs-MOSFETS des n-Kanal-Typs. Der Stromrichter 101 umfasst ferner einen Puffer 12 als Signalübertragungskreis S1 und einen Puffer 15 als Signalübertragungskreis S2. Darüberhinaus entsprechen die Niederpotentialleitung NN und die Drahtverbindung OUT jeweils den elektrischen Potentialleitungen L0 und Ln des Signalpegelumsetzerkreises 100 (1).

Eine externe Gleichstromquelle 10 und ein externer Mikrocomputer 11 sind ferner an den Stromrichter 101 angeschlossen, wenn dieser in Betrieb ist. Der Puffer 12 und der Treiberkreis 3b werden von der Gleichstromquelle 10 über die Niederspannungsleitung NN und eine Gleistromleitung EE mit einer Quellenspannung versorgt. Der Puffer 15 wird über eine Spannung, die von einem Kondensator C1 gehalten wird, mit einer Quellenspannung versorgt, und der Treiberkreis 3a wird über eine Spannung, die von einem Kondensator C2 gehalten wird, mit einer Quellenspannung versorgt. Wie in 2 gezeigt ist, ist vorzugsweise ein Widerstand 6 zwischen einer Diode DD1 und der Gleichstromleitung EE vorgesehen. Folglich kann ein die Kondensatoren C1 und C2 belastender Stromstoss eingeschränkt werden.

Der Mikrocomputer 11 gibt ein Steuersignal A ab, um das Leistungsschaltglied 1a anzusteuern, und eine Steuersignal B, um das Leistungsschaltglied 1b anzusteuern. Das Kontrollsignal A passiert den Puffer 12 und wird dann durch zweistufige Pegelverschiebungskreise pegelverschoben und dann in den Treiberkreis 3a eingegeben. Das Steuersignal B wird in den Treiberkreis 3b eingegeben.

Da der Stromrichter 101 den oben erwähnten Aufbau hat, werden die Duchschlagspannungen für die Schaltglieder 13 und 16 nicht erhöht, aber eine Spannung, die zwischen der Hochpotentialleitung PP und der Niederpotentialleitung NN angelegt wird, d.h. eine Durchschlagspannung des Stromrichters 101, kann erhöht werden. Alternativ ist es möglich, Schaltglieder 13 und 16 mit niedrigen Durchschlagspannungen zu verwenden, um eine äquivalente Durchschlagspannung der Vorrichtung zu erzielen.

(Gültige Daten)

Als nächstes wird ein Prüftest beschrieben, der für den Stromrichter 101 durchgeführt wurde, und die auf diese Weise erhaltenen gültigen Daten. 3 ist ein Schaltbild, das den Stromrichter 101 zeigt und die Bedingungen darstellt, die für den Prüftest eingesetzt wurden. Eine externe Stromquelle 42 zur Abgabe einer Spannung von 600 V ist an die Hochpotentialleitung PP und die Niederpotentialleitung NN angeschlossen. Ferner ist ein Glättungskondensator 41 an die externe Stromquelle 42 angeschlossen. Ein Induktor 40 mit 1,2 mH ist als Last an die Drahtverbindung OUT und die Niederpotentialleitung NN angeschlossen. Eine Gleichstromspannung, die von der Gleichstromquelle 10 abgegeben wird, ist auf 15 V eingestellt. Jedes der Steuersignale A und B besitzt zwei Werte, 0 V (niedriger Pegel) und 15 V (hoher Pegel). Eine Leistungskonstante jedes Glieds ist in 3 gezeigt.

4 ist ein Zeitdiagramm einer Spannung oder eines Stroms jedes der in 3 gezeigten Abschnitte (a) bis (g), das mit dem Prüftest erzielt wurde. Wenn, wie in 4 gezeigt ist, nach einer Zeit 0, bei der die Steuersignal A und B ausgelöst werden, ungefähr 1 msec vergeht, sind die beiden Kondensatoren fast voll aufgeladen. Dann werden, auch nachdem ein Schaltvorgang eingeleitet wurde, Ladespannungen der Kondensatoren C1 und C2 nicht verändert. Als Ergebnis wird eine Quellenspannung von ca. 15 V beständig an den Puffer 15 und den Treiberkreis 3a sowie den Treiberkreis 3b abgegeben. Folglich kann ein normaler Schaltvorgang erfolgen. Darüberhinaus ist eine an den Widerstand R1 anzulegende Spannung die Hälfte von 600 V, also 300 V. Dementsprechend wird keine Spannung, die höher als 315 V ist, an das Schaltglied 13 und ferner auch nicht an das Schaltglied 16 angelegt. Somit zeigt das Ergebnis des Prüftests, dass der Stromrichter 101 unter einer hohen Spannung normal betrieben werden kann, ohne dass eine hohe Durchschlagspannung für den Pegelverschiebungskreis nötig wird.

Zweite Ausführungsform

5 ist ein Schaltbild, das einen Aufbau eines Stromrichters nach einer zweiten Ausführungsform zeigt. Ein Stromrichter 102 unterscheidet sich darin kennzeichnenderweise vom Stromrichter 101, dass die Anzahl der Stufen n des Signalpegelumsetzerkreises 100 (1) auf 3 eingestellt ist. Der Stromrichter 102 umfasst eine Reihenschaltung aus einem Schaltglied 36 und einem Widerstand 37 als Pegelverschiebungskreis I3 (1) und einen Puffer 35 als Signalübertragungskreis S3. Selbst wenn ein Pegelverschiebungskreis mit derselben Durchschlagspannung verwendet wird, kann eine Quellenspannung, die ca. 1,5 mal höher als diejenige des Stromrichters 101 ist, an die Hochpotentialleitung PP und die Niederpotentialleitung NN im Stromrichter 102 angelegt werden.

Dritte Ausführungsform

6 ist ein Schaltbild, das den Aufbau eines Stromrichters nach einer dritten Ausführungsform zeigt. Ein Stromrichter 103 unterscheidet sich darin kennzeichnenderweise vom Stromrichter 101, dass er einen Messkreis 21 zur Erfassung eines Betriebszustands des Leistungsschaltglieds 1a und zur Abgabe eines den Betriebszustand darstellenden Erfassungssignals und einen weiteren Pegelverschiebungskreis umfasst, um das Erfassungssignal in zwei Stufen pegelzuverschieben und eben dieses Signal an den Mikrocomputer 11 zu übertragen. Der Messkreis 21 erfasst beispielsweise eine Magnitude eines Stroms, der zum Leistungsschaltglied 1a fliesst, eine Temperatur des Leistungsschaltglieds 1a u.dgl. Der Mikrocomputer 11 kann durch das Erfassungssignal den Betriebszustand des Leistungsschaltglieds 1a überwachen.

Der Messkreis 21 wird auf dieselbe Weise wie ein Treiberkreis 3a durch eine vom Kondensator gehaltene Spannung mit Quellenspannung versorgt. Dementsprechend gibt der Meßkreis 21 das Erfassungssignal als ein auf einem elektrischen Potential einer Drahtverbindung OUT basierendes Signal ab. Der Pegelverschiebungskreis zur Ubertragung des Erfassungssignals führt eine Pegelverschiebung in einer zum Pegelverschiebungskreis umgekehrten Richtung aus, um ein Steuersignal A abzugeben. Mit anderen Worten umfasst der Stromrichter 103 eine Reihenschaltung aus einem Schaltglied 27 und einem Widerstand 28 zusätzlich zu einer Reihenschaltung aus dem Schaltglied 13 und dem Widerstand 14 als dem Pegelverschiebungskreis I1 (1), und eine Reihenschaltung aus einem Schaltglied 23 und einem Widerstand 24 zusätzlich zu einer Reihenschaltung aus dem Schaltglied 16 und dem Widerstand 17 als dem Pegelverschiebungskreis I2. In einem Beispiel von 6 sind die Schaltglieder 23 und 27 Hochspannungs-MOSFETs des p-Kanal-Typs.

Der Stromrichter 103 umfasst ferner zusätzlich zum Puffer 12 als dem Signalübertragungskreis S1 einen Wechselrichter 29, und zusätzlich zum Puffer 15 als dem Signalübertragungskreis S2 einen Wechselrichter 25 und einen Puffer 26. Das vom Messkreis 21 abgegebene Erfassungssignal wird durch einen Puffer 22 sowohl in das Schaltglied 23 als auch den Treiberkreis 3a eingegeben. Überschreitet der Wert des Erfassungsssignals einen vorbestimmten Bereich, dann steuert der Treiberkreis 3a die AUS-Schaltung des Leistungsschaltglieds 1a an.

Eine zwischen einer Hochpotentialleitung PP und einer Niederpotentialleitung NN anzulegende Spannung kann mit einer Durchschlagspannung erhöht werden, die für die im Stromrichter 103 zu verwendenden Schaltglieder 23 und 27 so niedrig aufrechterhalten wird wie für die Schaltglieder 13 und 16. Alternativ ist es möglich, ein Glied mit einer niedrigen Durchschlagspannung wie die Schaltglieder 12, 16, 23 und 27 zu verwenden, um die äquivalente Durchschlagspannung der Vorrichtung zu erzielen.

Vierte Ausführungsform

7 ist ein Schaltbild, das einen Aufbau eines Stromrichter nach einer vierten Ausführungsform zeigt. Ein Stromrichter 104 unterscheidet sich darin kennzeichnenderweise von einem Stromrichter 101, dass eine einstufige Impulsschaltung in jeder Stufe an eine Eingangsseite eines Pegelverschiebungskreises und ein Latch an eine Ausgangsseite angeschlossen ist. Genauer ausgedrückt umfasst der Stromrichter 104 zusätzlich zu den Komponenten des Stromrichters 101 eine logische Eingangsschaltung 50, eine einstufige Impulsschaltung 51, einen Puffer 52, ein Schaltglied 53, einen Widerstand 54, einen Latch 55, eine einstufige Impulsschaltung 56, einen Puffer 57, ein Schaltglied 58, einen Widerstand 59 und einen Latch 60. In einem Beispiel von 7 sind die Schaltglieder 53 und 58 genau wie die Schaltglieder 13 und 16 Hochspannungs-MOSFETs des n-Kanal-Typs.

8 ist ein Zeitdiagramm, das eine Spannungswellenform in jedem der Abschnitte (p) bis (u) von 7 zeigt. Ein von einem Mikrocomputer 11 abgegebenes Steuersignal A wird in die einstufige Impulsschaltung 51 (Signal p) eingegeben, nachdem es durch die logische Eingangsschaltung 50 einer Wellenformung unterzogen wurde. Die einstufige Impulsschaltung 51 gibt einen einstufigen Impuls (Signal q) ab, der synchron zu einem Abfall des Steuersignals A ist, und einen einstufigen Impuls (Signal r), der zu einem Anstieg synchron ist. Der einstufige Impuls (Signal q) wird von einer Reihenschaltung aus dem Schaltglied 13 und einem Widerstand 14pegelverschoben und invertiert, und dann in den Latch 55 (als Signal s) eingegeben. Auf ähnliche Weise wird der andere einstufige Impuls (Signal r) von einer Reihenschaltung aus Schaltglied 53 und Widerstand 54 pegelverschoben und invertiert, und dann in den Latch 55 (als Signal t) eingegeben. Der Latch 55 hält abwechselnd (als Signal u) Werte der Eingangssignale (s und t). Genauer ausgedrückt erfüllt der Latch 55 die Aufgaben eines hinlänglich bekannten herkömmlichen SR-Latches.

Das Ausgangssignal (u) des Latches 55 enstpricht einem Signal, das durch Pegelverschiebung des Steuersignals A in einer Stufe erhalten wird. Das Ausgangssignal (u) des Latches 55 wird auf änliche Weise in einer anderen Stufe durch die einstufige Impulsschaltung 56, einen Puffer 15 und dem Puffer 57, die Schaltglieder 16 und 58 und den Latch 60 pegelverschoben. Auf dieselbe Weise wird wie beim Stromrichter 101 das Steuersignal A durch die zweistufigen Pegelvexschiebungskreise pegelverschoben und dann in einen Treiberkreis 3a eingegeben.

Ein einstufiger Impuls wird jedoch in die Schaltglieder 13, 53, 16 und 58, die zu einem Pegelverschiebungskreis in jeder Stufe gehören, eingegeben. Deshalb wird eine Dauer verkürzt, während der ein EIN-Zustand aufrechterhalten wird. Folglich kann der Vorteil erzielt werden, dass Energie, die von den Widerständen 14, 54, 17 und 59 verbraucht wird, d.h. Energie, die vom Pegelverschiebungskreis in jeder Stufe verbraucht wird, reduziert werden kann. Da ein Leistungsverlust reduziert ist, kann der Pegelverschiebungskreis in jeder Stufe auch einen einfachen Aufbau haben und darüberhinaus die Zuverlässigkeit des Pegelverschiebungskreises erhöht werden.

Obwohl die einstufige Impulsschaltung und der Latch in 7 auf einem Übertragungsweg für das Steuersignal A vorgesehen sind, können sie auch auf dem Übertragungsweg für das in 6 dargestellte Erfassungssignal vorgesehen sein. 9 zeigt ein Beispiel des Aufbaus. Ein Stromrichter 104a unterscheidet sich kennzeichnenderweise darin vom Stromrichter 103, dass eine einstufige Impulsschaltung in jeder Stufe an eine Eingangsseite eines Pegelverschiebungskreises und ein Latch an eine Ausgangsseite angeschlossen ist. Genauer ausgedrückt umfasst der Stromrichter 104a eine Signalverarbeitungsschaltung 80, eine einstufige Impulsschaltung 81, einen Latch 84, eine einstufige Impulsschaltung 85 und eine ausgangsseitige Verarbeitungsschaltung 88 anstelle der Puffer 22 und 26 und der Wechselrichter 25 und 29 bei den Komponenten des Stromrichters 103. Der Stromrichter 104a umfasst ferner ein Schaltglied 82, einen Widerstand 83, ein Schaltglied 86 und einen Widerstand 87.

Im Beispiel von 9 sind die Schaltglieder 82 und 86 genau wie die Schaltglieder 23 und 27 Hochspannungs-MOSFETs des p-Kanal-Typs. Die Signalverarbeitungsschaltung 80 überträgt ein Ausgangssignal eines Messkreises 21 an den Treiberkreis 3a und die einstufige Impulsschaltung 81 und umfasst z.B. einen Puffer. Die einstufigen Impulsschaltungen 81 und 85 geben genauso wie die einstufigen Impulsschaltungen 51 und 56 des Stromrichters 104 einen einstufigen Impuls ab, der zu einem Abfall eines Eingangssignals synchron ist, und einen einstufigen Impuls, der synchron zu einem Anstieg ist. Der Latch 84 erfüllt genauso wie die Latche 55 und 60 die Aufgabe eines SR-Latches. Die ausgangsseitige Verarbeitungsschaltung 88 umfasst einen Latch, um Ausgangssignale der Schaltglieder 27 und 86 zu schalten, und eine Pufferschaltung, um einen Ausgang des Latches an einen Mikrocomputer 11 zu übertragen.

Auch beim Stromrichter 104a ist es möglich, den Vorteil zu erzielen, dass Energie, die in jeder Stufe vom Pegelverschiebungskreis verbraucht wird, auf dieselbe Weise wie beim Stromrichter 104 reduziert werden kann. Da ein Leistungsverlust verringert ist, kann der Pegelverschiebungskreis in jeder Stufe auch einfach aufgebaut sein und ferner die Zuverlässigkeit des Pegelverschiebungskreises auch erhöht werden.

Darüberhinaus können die einstufige Impulsschaltung und der Latch auch sowohl auf dem Übertragungsweg für das Steuersignal A als auch dem Übertragungsweg für das Erfassungssignal vorgesehen sein. Folglich kann die verbrauchte Energie noch effizienter reduziert werden. Ein Stromrichter, bei dem die einstufige Impulsschaltung und der Latch sowohl auf dem Übertragungsweg für das Steuersignal A als auch dem Übertragungsweg für das Erfassungssignal vorgesehen sind, besteht z.B. aus einer Kombination aus Stromrichter 104 (7) und Stromrichter 104a (9).

Fünfte Ausführungsform

10 ist ein Schaltbild eines Aufbaus eines Stromrichters nach einer fünften Ausführungsform. Ein Stromrichter 105 unterscheidet sich darin kennzeichnenderweise vom Stromrichter 101, dass zwei Dioden 70 zwischen einer Gleichstromleitung EE und einem Stromanschluss eines Treiberkreises 3b vorgesehen sind. Noch genauer ausgedrückt ist einer der Stromanschlüsse des Treiberkreises 3b an eine Niedrigpotentialleitung NN und der andere Stromanschluss über die Dioden 70 an die Gleichstromleitung EE angeschlossen. Zwei Stromanschlüsse eines Treiberkreises 3a sind jeweils an die Enden eines Kondensators C2 angeschlossen. Deshalb ist eine Quellenspannung des Treiberkreises 3a niedriger als eine Gleichstromspannung (z.B. 15 V), die von einer Gleichstromquelle 10 aufgrund von Vorwärtsspannungen der Dioden DD1 und DD2 geliefert wird. Beim Stromrichter 105 ist eine Quellenspannung des Treiberkreises 3b ebenfalls niedriger als die Gleichstomspannung, die von der Gleichstromquelle 10 aufgrund einer Vorwärtsspannung der Dioden 70 geliefert wird. Deshalb ist ein Unterschied zwischen den Quellenspannungen, mit denen die beiden Treiberkreise 3a und 3b versorgt werden, reduziert oder gleich Null. Bei einem allgemeinen Stromrichter mit Pegelverschiebungskreisen in n Stufen, ist die Anzahl der Dioden 70 auf n gesetzt.

Sechste Ausführungsform

Bei den Stromrichtern 101 bis 105 nach den ersten bis fünften Ausführungsformen ist es wünschenswert, dass ein spezifischer Vorrichtungsabschnitt auf einem einzelnen Chip oder als IC (integrierte Schaltung) ausgebildet wird. In einer sechsten Ausführungsform werden bevorzugte Beispiele eines einzelnen Chips und eines IC bezüglich des Stromrichters 101 nach der ersten Ausführungsform gezeigt. Bei den Stromrichtern 102 bis 105 kann eine ähnliche Integration in einen einzelnen Chip und in eine integrierte Schaltung erfolgen.

Bei einem in 11 gezeigten Stromrichter 106 sind Schaltungsglieder, die keine Schaltglieder 1a und 1b, Freilaufdioden 2a und 2b, Kondensatoren C1 und C2, Widerstände R1 und R2, Diode D1 und Widerstände 6, RR1 und RR2, aufweisen, in einem einzelnen Chip 76 in 11 hergestellt. Folglich kann die Grösse der Vorrichtung reduziert werden.

Bei einem in 12 gezeigten Stromrichter 107 sind ein Puffer 12, ein Schaltglied 13 und ein Widerstand 14 in einem einzelnen Chip 78, und ein Puffer 15, ein Schaltglied 16 und ein Widerstand 17 sind in einem anderen einzelnen Chip 77 hergestellt. Folglich kann die Vorrichtung standardisiert und flexibler ausgelegt werden.

Bei einem in 13 gezeigten Stromrichter 108 sind der Puffer 15, das Schaltglied 16, der Widerstand 17 und ein Treiberkreis 3a in einem einzelnen Chip 90 hergestellt. Folglich kann die Vorrichtung standardisiert und flexibler ausgelegt werden.

Bei einem in 14 gezeigten Stromrichter 109 sind der Puffer 12, das Schaltglied 13, der Widerstand 14 und der Puffer 15 in einem einzelnen Chip 79 hergestellt. Folglich kann die Vorrichtung standardisiert und flexibler ausgelegt werden.

Bei einem in 15 gezeigten Stromrichter 110 sind Schaltungsabschnitte, die keine Kondensatoren C1 und C2, Widerstände R1 und R2, Diode D1 und Widerstände 6, RR1 und RR2, aufweisen, in 15 in eine IC 91 abgeändert. Folglich kann die Grösse der Vorrichtung reduziert werden.

Variante

Der Stromrichter nach jeder der vorstehend beschriebenen Asusführungsformen kann in die Praxis umgesetzt werden, indem seine Merkmale miteinander kombiniert werden. Beim Stromrichter nach der vorliegenden Erfindung ist es darüberhinaus auch möglich, weitgehend andere Signalpegelumsetzerschaltungen als die in 1 gezeigte Signalpegelumsetzerschaltung zu verwenden, um ein Signal schrittweise in mehreren Stufen pegelzuverschieben.

Obwohl die Erfindung im Einzelnen aufgezeigt und beschrieben wurde, ist die vorstehende Beschreibung in allen Aspekten darstellend und nicht einschränkend. Selbstverständlich können zahlreiche Abänderungen und Variationen angedacht werden, ohne dass dabei der Rahmen der Erfindung verlassen würde.


Anspruch[de]
Stromrichter (101 bis 110), umfassend:

– ein erstes Schaltglied (1a) mit ersten und zweiten Hauptelektroden;

– ein zweites Schaltglied (1b) mit dritten und vierten Hauptelektroden, wobei die vierte Hauptelektrode an die erste Hauptelektrode angeschlossen ist;

– einen ersten Treiberkreis (3a), um das erste Schaltglied (a) basierend auf einem von außen kommenden ersten Steuersignal (A) anzusteuern;

– einen zweiten Treiberkreis (3b), um das zweite Schaltglied (1b) basierend auf einem von außen kommenden zweiten Steuersignal (B) anzusteuern;

– n Pegelverschiebungskreise (I1 bis In, 12 bis 17, 35 bis 37, 51, 55, 56, 60), die in n Stufen in Kaskade geschaltet sind, wobei n eine ganze Zahl von 2 oder mehr ist, und wobei die n Pegelverschiebungskreise dazu ausgelegt sind, das erste Steuersignal (A) in den n Stufen pegelzuverschieben und das pegelverschobene Signal an den ersten Treiberkreis (3a) zu übertragen;

– eine Spannungsteilerschaltung (DV), die eine mit der dritten Hauptelektrode verbundene Seite und eine andere mit der ersten Hauptelektrode verbundene Seite aufweist und derart konfiguriert ist, dass ein elektrisches Potential der einen Seite und ein elektrisches Potential der anderen Seite geteilt wird, wobei ein erstes bis (n-1)-te Zwischensignal ausgegeben wird;

– erste bis n-te Dioden (DD1 bis DDn) die in Reihe geschalten sind, und

– erste bis n-te Kondensator (C1 bis Cn);

dadurch gekennzeichnet, dass

die Spannungsteilerschaltung (DV) n Widerstände (R1 bis Rn) aufweist, welche in Reihe zwischen der einen Seite und der anderen Seite angeschlossen sind, wobei ein Ende des ersten bis n-ten Kondensators (C1 bis Cn) jeweils mit einer Elektrode der ersten bis n-ten Diode (DD1 bis DDn) verbunden ist, und wobei ein anderes Ende des ersten bis n-ten Kondensators (C1 bis Cn) jeweils mit einem Ausgang des ersten bis (n – 1)-ten Zwischenpotentials und der ersten Hauptelektrode verbunden ist.
Stromrichter (103) nach Anspruch 1, wobei

der Stromrichter (103) außerdem umfasst:

– einen Messkreis (21), um einen Betriebszustand des ersten Schaltglieds (1a) zu erfassen und ein den Betriebszustand wiedergebendes Erfassungssignal abzugeben, und

– n weitere Pegelverschiebungskreise (I1 bis In, 22 bis 29, 51, 55, 56, 60), die in n Stufen in Kaskade geschaltet und dazu ausgelegt sind, das Erfassungssignal in den n Stufen pegelzuverschieben und das pegelverschobene Signal nach außen zu übertragen.
Stromrichter (104a) nach Anspruch 2, wobei

der Stromrichter (104a) außerdem umfasst:

– eine einstufige Impulsschaltung (81, 85), die an einen Eingang jedes der n weiteren Pegelverschiebungskreise (I1 bis In, 22 bis 29, 51, 55, 56, 60) angeschlossen ist, und

– eine Latch-Schaltung (84, 88), die an einem Ausgang jedes der n weiteren Pegelverschiebungskreise (I1 bis In, 22 bis 29, 51, 55, 56, 60) angeschlossen ist.
Stromrichter (104, 104a) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei

der Stromrichter (104, 104a) außerdem umfasst:

– eine einstufige Impulsschaltung (51, 56), die an den Eingang jedes der n Pegelverschiebungskreise (I1 bis In, 12 bis 17, 35 bis 37, 51, 55, 56, 60) angeschlossen ist, und

– eine Latch-Schaltung, (55, 60), die an einem Ausgang der n Pegelverschiebungskreise (I1 bis In, 12 bis 17, 35 bis 37, 51, 55, 56, 60) angeschlossen ist.
Stromrichter (101 bis 110) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei jeder der n Pegelverschiebungskreise (I1 bis In, 12 bis 17, 35 bis 37, 51, 55, 56, 60) einen Widerstand (14, 17, 37) und ein Schaltglied (13, 16, 36) umfasst, die untereinander in Reihe geschaltet sind. Stromrichter (103) nach Anspruch 2, wobei jeder der n weiteren Pegelverschiebungskreise (I1 bis In, 22 bis 29, 51, 55, 56, 60) einen Widerstand (24, 28) und ein Schaltglied (23, 27) umfasst, die untereinander in Reihe geschaltet sind. Stromrichter (101 bis 110) nach Anspruch 1, wobei

der Spannungsteilerkreis (DV) erste bis n-te Widerstände (R1 bis Rn) umfasst, die untereinander in Reihe geschaltet sind, und wobei

die ersten bis (n – 1)-ten Zwischenpotentiale von (n – 1) Anschlussabschnitten jeweils vom ersten bis n-ten Widerstand (R1 bis Rn) abgegeben werden.
Stromrichter (101 bis 110) nach Anspruch 7, wobei der Stromrichter (101 bis 110) außerdem n – 1 Dioden (D1 bis Dn – 1) aufweist, die jeweils mit den zweiten bis n-ten Widerständen (R2 bis Rn) parallelgeschaltet sind. Stromrichter (105) nach einem der Ansprüche 1, 7 und 8, wobei

der Stromrichter (105) außerdem umfasst:

– n Dioden (70), die untereinander in Reihe geschaltet sind,

– zwei Stromanschlüsse des ersten Treiberkreises (1a), die jeweils an das eine Ende des n-ten Kondensators (Cn) und an dessen anderen Ende angeschlossen sind, und

– wobei einer von zwei Stromanschlüssen des zweiten Treiberkreises (1b) an die dritte Hauptelektrode und der andere der beiden Stromanschlüsse an ein Ende einer Reihenschaltung der n Dioden (70) angeschlossen ist.
Stromrichter (101 bis 110) nach einem der Anspruch 1 bis 9, wobei der Stromrichter (101 bis 110) außerdem n Widerstände (RR1 bis RRn) aufweist, die jeweils mit den ersten bis n-ten Dioden parallelgeschaltet sind. Stromrichter (101 bis 110) nach einem der Anspruch 1 bis 10, wobei der Stromrichter (101 bis 110) außerdem einen weiteren Widerstand (6) aufweist, der mit der ersten Diode (DD1) in Reihe geschaltet ist. Stromrichter (101 bis 110) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der Stromrichter (101 bis 110) außerdem erste und zweite Freilaufdioden (2a, 2b) aufweist, die mit den ersten bzw. zweiten Schaltgliedern (1a, 1b) antiparallel geschaltet sind.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com