DE102008049677A1

DE102008049677A1 - Spannungsversorgung in einer Schaltungsanordnung mit einem Halbleiterschaltelement

Info

Publication number: DE102008049677A1
Application number: DE102008049677A
Authority: DE
Inventors: Reinhold Dr. Bayerer; Peter Dr. Kanschat; Uwe Jansen
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2008-09-30
Filing date: 2008-09-30
Publication date: 2010-06-10
Anticipated expiration: 2028-10-01
Also published as: DE102008049677B4; US20120119721A1; US8344764B2; US8120391B2; US20100085105A1

Abstract

Beschrieben wird eine mit einem ersten Halbleiterschaltelement (1), das eine Laststrecke und einen Ansteueranschluss aufweist, und mit einer Spannungsversorgungsschaltung (2), die aufweist: eine Induktivität (21), die in Reihe zu der Laststrecke des ersten Halbleiterschaltelements (21) geschaltet ist; eine kapazitive Ladungsspeicheranordnung (20), die parallel zu der Induktivität (21) geschaltet ist und die eine erste und eine zweite Ausgangsklemme zum Bereitstellen einer Versorgungsspannung (V2) aufweist.

Description

HINTERGRUND
Als Schalter zum Schalten elektrischer Lasten können Halbleiterschaltelemente verwendet werden. Solche Halbleiterschaltelemente sind z. B. MOS-Transistoren, wie MOSFET oder IGBT. Zur leitenden oder sperrenden Ansteuerung der Halbleiterschaltelementen werden hierbei Ansteuerschaltungen verwendet, die an einen Ansteueranschluss des Halbleiterschaltelements angeschlossen sind und die zur Bereitstellung einer Ansteuersignals für das Halbleiterschaltelement eine Versorgungsspannung benötigen.
Ansteuerschaltungen für Halbleiterschaltelemente, die in der Lage sein müssen eine floatende Ansteuerspannung für das Halbleiterschaltelement zur Verfügung zu stellen benötigen dementsprechend eine floatende Versorgungsspannung. Solche Ansteuerschaltungen sind z. B. die Ansteuerschaltungen von n- oder p-leitenden MOSFET oder von IGBT, die als High-Side-Schalter eingesetzt verschaltet sind.
Die Bereitstellung einer floatenden Versorgungsspannung für Ansteuerschaltungen von Halbleiterschaltelementen kann beispielsweise durch sogenannte Bootstrap-Schaltungen erfolgen oder kann über Transformatoren erfolgen, die eine auf ein Bezugspotential bezogene Versorgungsspannung auf eine gewünschte Versorgungsspannung umsetzen.
ZUSAMMENFASSUNG
Beschrieben wird eine Schaltungsanordnung mit einem ersten Halbleiterschaltelement, das eine Laststrecke und einen Ansteueranschluss aufweist, und mit einer Spannungsversorgungsschaltung, die aufweist: eine Induktivität, die in Reihe zu der Laststrecke des ersten Halbleiterschaltelements geschal tet ist; eine kapazitive Ladungsspeicheranordnung, die parallel zu der Induktivität geschaltet ist und die eine erste und eine zweite Ausgangsklemme zum Bereitstellen einer Versorgungsspannung aufweist.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Beispiele werden nachfolgend unter Bezugnahme auf Figuren erläutert. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Erläuterung des Grundprinzips. In den Figuren sind somit lediglich die zum Verständnis dieses Grundprinzips notwendigen Schaltungskomponenten und Signale dargestellt. In den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.
1 veranschaulicht ein erstes Beispiel einer Schaltungsanordnung mit einem Halbleiterschaltelement und einer Spannungsversorgungsschaltung.
2 veranschaulicht eine gegenüber dem Beispiel in 1 abgewandelte Schaltungsanordnung.
3 veranschaulicht ein Beispiel einer Schaltungsanordnung mit einem Halbleiterschaltelement, einer Spannungsversorgungsschaltung und einer durch die Spannungsversorgungsschaltung versorgten Ansteuerschaltung für das Halbleiterschaltelement.
4 veranschaulicht ein Beispiel der Ansteuerschaltung.
5 veranschaulicht ein Beispiel einer Spannungsversorgungsschaltung, die eine positives und eine negative Versorgungsspannung erzeugt.
6 veranschaulicht ein weiteres Beispiel einer Schaltungsanordnung mit einem Halbleiterschaltelement und einer Spannungsversorgungsschaltung.
7 veranschaulicht ein Beispiel einer Spannungsversorgungsschaltung, bei der eine positive und eine negative Versorgungsspannung auf unterschiedliche Weise erzeugt werden.
8 veranschaulicht ein Beispiel einer Spannungsversorgungsschaltung, die Versorgungsspannungen unter Verwendung von Induktivitäten und Bootstrap-Schaltungen erzeugt.
9 veranschaulicht ein weiteres Beispiel einer Schaltungsanordnung mit einem Halbleiterschaltelement und einer Spannungsversorgungsschaltung.
10 veranschaulicht die Verwendung einer Schaltungsanordnung mit einem Halbleiterschaltelement und einer Spannungsversorgungsschaltung in einer Halbbrückenschaltung.
11 veranschaulicht eine Schaltungsanordnung mit zwei Spannungsversorgungsschaltungen, die miteinander gekoppelt sind.
12 veranschaulicht ein weiteres Beispiel einer Schaltungsanordnung mit einem Halbleiterschaltelement und einer Spannungsversorgungsschaltung.
13 veranschaulicht eine Variante der Schaltungsanordnung gemäß 12.
1 veranschaulicht eine Schaltungsanordnung mit einem Halbleiterschaltelement 1 und einer Spannungsversorgungsschaltung 2 anhand eines elektrischen Ersatzschaltbilds. Das Halbleiterschaltelement 1 weist einen Ansteueranschluss 11 und erste und zweite Laststreckenanschlüsse 12, 13, zwischen denen einen Laststrecke verläuft, auf. Das Halbleiterschalt element 1 ist in dem dargestellten Beispiel ein IGBT mit einem Basisanschluss 11, der einen Ansteueranschluss bildet, einem Kollektoranschluss 12, der einen ersten Laststreckenanschluss bildet, sowie einem Emitteranschluss 13, der einen zweiten Laststreckenanschluss bildet. Es sei darauf hingewiesen, dass die Verwendung eines IGBT als Halbleiterschaltelement 1 lediglich als Beispiel zu verstehen ist. Anstelle eines IGBT können selbstverständlich beliebige weitere Halbleiterschaltelemente, insbesondere MOSFET verwendet werden. Bei einem MOSFET ist der Ansteueranschluss durch einen Gateanschluss und sind erste und zweite Laststreckenanschlüsse durch Drain- und Sourceanschlüsse gebildet.
Das dargestellte Halbleiterschaltelement 1 dient als Schalter zum Schalten eines an eine Ausgangsklemme OUT fließenden elektrischen Stromes I1. An diese Ausgangsklemme OUT ist eine elektrische Last Z anschließbar, die in 1 zu Zwecken der Erläuterung ebenfalls dargestellt ist (gestrichelt eingezeichnet). Diese Last kann eine beliebige elektrische Last sein und kann insbesondere ein weiteres Halbleiterschaltelement umfassen, das mit dem in 1 dargestellten Halbleiterschaltelements 1 eine Halbbrückenschaltung bildet.
Während des Betriebs der Schaltungsanordnung ist die Laststrecke 12–13 des Halbleiterschaltelements 1 in Reihe zu der Last Z zwischen Klemmen für ein positives Versorgungspotenzial V+ und ein negatives Versorgungspotenzial V– geschaltet. Diese Versorgungspotentiale werden nachfolgend auch als Last-Versorgungspotenziale bezeichnet. Eine zwischen diesen Klemmen anliegende Spannung wird nachfolgend als Last-Versorgungsspannung bezeichnet. Die Last Z kann eine beliebige passive oder aktive elektrische Last sein.
Das Halbleiterschaltelement ist insbesondere ein Leistungs-IGBT oder ein Leistungs-MOSFET, der abhängig von der konkreten Realisierungsform eine Sperrspannungsfestigkeit von einigen zehn Volt bis zu einigen kV besitzen kann. Parallel zu der Laststrecke des Halbleiterschaltelements 1 kann ein Freilaufelement (nicht dargestellt), wie z. B. eine Diode, vorhanden sein. Bei einem MOSFET kann dieses Freilaufelement durch eine integrierte Bodydiode gebildet sein.
Die Schaltungsanordnung weist eine Spannungsversorgungsschaltung 2 zur Bereitstellung einer Versorgungsspannung V2 auf. Diese Versorgungsspannung V2 kann in noch zu erläuternder Weise beispielsweise zur Spannungsversorgung einer Ansteuerschaltung (in 1 nicht dargestellt) des Halbleiterschalters 1 verwendet werden, kann jedoch auch zur Spannungsversorgung beliebiger anderer Schaltungskomponenten der Schaltungsanordnung verwendet werden.
Die Spannungsversorgungsschaltung 2 weist eine Induktivität 21 auf, die in Reihe zu der Laststrecke 12–13 des Haibleiterschaltelements 1 und in dem dargestellten Beispiel zwischen dem zweiten Laststreckenanschluss 13 und der Ausgangsklemme OUT liegt. Diese Induktivität 21 ist beispielsweise eine parasitäre Induktivität, wie z. B. eine Leitungsinduktivität, eine Leiterbahninduktivität oder eine Bonddrahtinduktivität und ist durch Leitungen, Leiterbahnen oder Bonddrähte gebildet, die zwischen der Ausgangsklemme OUT und dem zweiten Laststreckenanschluss 13 – bei einem IGBT dem Emitteranschluss – vorhanden sind. Diese Induktivität kann jedoch auch bewusst schaltungstechnisch erzeugt sein.
Parallel zu dieser Induktivität 21 ist eine kapazitive Speicheranordnung 20 geschaltet, die in dem dargestellten Beispiel eine Reihenschaltung mit einem Gleichrichterelement 22, wie z. B. eine Diode, und einem kapazitiven Speicherelement 23, wie z. B. ein Kondensator, umfasst. Bei dieser Spannungsversorgungsschaltung 2 ist über dem kapazitiven Speicherelement 23 eine elektrische Spannung V23 gegen das elektrische Potenzial des zweiten Laststreckenanschlusses 13 abgreifbar. Diese Spannung V23 über dem kapazitiven Speicherelement 23 kann unmittelbar als Versorgungsspannung V2 am Ausgang der Spannungsversorgungsschaltung 2 verwendet werden.
Optional weist die Spannungsversorgungsschaltung 2 einen Spannungsregler 24 auf, dem die über dem kapazitiven Speicherelement 23 anliegende Spannung V23 zugeführt ist und der aus dieser über dem kapazitiven Speicherelement 23 anliegenden Spannung V23 eine geregelte Spannung V24 erzeugt, die als Ausgangsspannung V2 der Spannungsversorgungsschaltung 2 verwendet wird. Der Spannungsregler 24 kann ein beliebiger Spannungsregler, insbesondere ein Linearregler oder ein Schaltregler sein, der in der Lage ist, aus der über dem kapazitiven Speicherelement 23 anliegenden ungeregelten Spannung eine geregelte Spannung V24 zu erzeugen. Der Spannungsregler 24 kann auch als Ladungspumpe realisiert sein, oder kann eine solche Ladungspumpe umfassen, und kann somit dazu ausgebildet sein, aus der Spannung V23 über dem kapazitiven Speicherelement eine höhere Spannung V24 an seinem Ausgang zu erzeugen.
Bei Schaltvorgängen des Halbleiterschaltelements 1 wird in der Induktivität 21 elektrische Spannung induziert. Diese induzierte elektrische Spannung wird in der Spannungsversorgungsschaltung 2 zum Laden des kapazitiven Speicherelements 23 der Ladungsspeicheranordnung, und somit zur Erzeugung der Versorgungsspannung V2 genutzt.
Die in 1 dargestellte Spannungsversorgungsschaltung 2 nutzt die in der Induktivität 21 bei Abschalten des Halbleiterschaltelements 1 induzierte elektrische Spannung. Zu Zwecken der Erläuterung sei angenommen, dass das Halbleiterschaltelement 1 durch eine nicht näher dargestellte Ansteuerschaltung zunächst leitend angesteuert sei. Während dieses Betriebszustandes wird die Laststrecke 12, 13, und damit die Induktivität 21, von einem elektrischen Strom I1 durchflossen, der nachfolgend als Laststrom bezeichnet wird. Wird das Halbleiterschaltelement 1 sperrend angesteuert, so sinkt dieser Strom I1 ab. Die hiermit verbundene zeitliche Änderung dI1/dt des Laststromes I1 bewirkt eine in der Induktivität 21 induzierte Spannung V21, für die gilt: V21 = L·dI1/dt (1)
L bezeichnet dabei den Induktivitätswert der Induktivität 21. Die induzierte Spannung V21 ist dabei umso größer, je größer der Induktivitätswert oder je größer die zeitliche Änderung des Stromes ist.
In dem dargestellten Beispiel ist die zeitliche Änderung des Laststromes I1, und somit die in der Induktivität 21 induzierte Spannung V21, negativ. Das Gleichrichterelement 22 und das kapazitive Speicherelement 23 der Leitungsspeicheranordnung 20 sind dabei so verschaltet, dass das kapazitive Speicherelement 23 bei einer solchen negativen Spannung V21 aufgeladen wird, wobei in diesem Fall über dem kapazitiven Speicherelement 23 bezogen auf das elektrische Potenzial an dem zweiten Laststreckenanschluss 13 eine positive Spannung V23 anliegt. Das Gleichrichtelement 22 ist in dem dargestellten Beispiel hierzu in Flussrichtung zwischen den dem zweiten Laststreckenanschluss 13 abgewandten Anschluss der Induktivität 21 und den zweiten Laststreckenanschluss 13 geschaltet.
Die in 1 dargestellte Spannungsversorgungsschaltung 2, die zur Bereitstellung der Versorgungsspannung V2 parasitäre Induktivitäten nutzen kann, die unweigerlich vorhanden sind, kann zusammen mit dem Halbleiterschaltelement 1 in einem gemeinsamen Halbleiterchip integriert werden. Zur Bereitstellung der Versorgungsspannung V2 sind hierbei keine zusätzlichen Anschlüsse an einer solchen das Halbleiterschaltelement 1 und die Spannungsversorgungsschaltung 2 umfassende integrierte Schaltungen erforderlich.
Wie bereits erläutert kann die durch die Spannungsversorgungsschaltung 2 erzeugte Versorgungsspannung V2 als Versorgungsspannung für eine Ansteuerschaltung (in 1 nicht dargestellt) des Halbleiterschaltelements 1 verwendet werden. Um eine Versorgungsspannung V2 bereits dann zur Verfügung zu stellen, noch bevor das Halbleiterschaltelement 1 zum ersten Mal leitend angesteuert wurde, bzw. um eine erstmalige leitende Ansteuerung des Halbleiterschaltelements 1 überhaupt zu ermöglichen, ist optional eine Anlaufschaltung 25, 26 vorgesehen. Diese Anlaufschaltung 25, 26 ist zwischen eine Klemme für ein Versorgungspotenzial, in dem Beispiel die Klemme für das positive Last-Versorgungspotenzial V+ und das kapazitive Speicherelement 23 geschaltet und weist in dem dargestellten Beispiel einen Ohmschen Widerstand 25 und optional ein in Reihe zu dem Ohmschen Widerstand 25 geschaltetes weiteres Gleichrichterelement 26, beispielsweise eine Diode, auf. Die Anlaufschaltung 25, 26 stellt sicher, dass das kapazitive Speicherelement 23 bereits aufgeladen ist, noch bevor das Halbleiterschaltelement 1 zum ersten Mal leitend angesteuert wird. Der Ohmsche Widerstand 25 kann zur Begrenzung der Verlustleistung sehr hochohmig sein und zwar insbesondere so hochohmig, dass die über die Anlaufschaltung 25, 26 gelieferte elektrische Energie bei getaktetem Betrieb des Halbleiterschaltelements 1 nicht ausreicht, um die Energieversorgung der Ansteuerschaltung (nicht dargestellt) zu decken. Während dieses getakteten Betriebs ist die Energieversorgung dann jedoch über die in der Induktivität 21 induzierte elektrische Spannung gewährleistet.
Optional kann parallel zu dem kapazitiven Speicherelement der Ladungsspeicheranordnung ein Spannungsbegrenzungselement (nicht dargestellt) geschaltet sein, das verhindert, dass die Spannung V23 während der Anlaufphase oder während des Betriebs unkontrolliert ansteigt. Als Spannungsbegrenzungselement kann beispielsweise eine Zenerdiode zusätzlich zu dem Gleichrichterelement 22 verwendet werden. Alternativ kann eine solche Spannungsbegrenzung auch dadurch erreicht werden, dass das Gleichrichterelement 22 als Zenerdiode oder als Reichenschaltung mehrerer Zenerdioden realisiert ist. Die Span nung über dem Gleichrichterelement 23 wird beispielsweise auf etwa 10 V bis 20 V begrenzt.
Eine solche Spannungsbegrenzung kann bei allen nachfolgend noch erläuterten Spannungsversorgungsschaltungen verwendet werden, auch wenn im folgenden nicht explizit darauf hingewiesen wird. Gleiches gilt für die Anlaufschaltung.
Das optional vorhandene Gleichrichtelement 26 der Anlaufschaltung 25, 26 verhindert, dass das kapazitive Speicherelement 23 in Richtung der Klemme für das positive Last-Versorgungspotenzial V+ entladen wird, wenn das Halbleiterschaltelement 1 leitet. Denn, leitet das Halbleiterschaltelement 1 so liegt der zweite Laststreckenanschluss 13 annähernd auf dem positiven Versorgungspotenzial V+. Das elektrische Potenzial an dem dem zweiten Laststreckenanschluss 13 abgewandten Anschluss des kapazitiven Speicherelements 23 liegt in diesem Fall um den Wert der Spannung V23 oberhalb des elektrischen Potenzials an dem zweiten Laststreckenanschluss 13, so dass das kapazitive Speicherelement 23 über die Anlaufschaltung entladen würde, wenn das Gleichtrichterelement nicht vorhanden wäre. Auf das Gleichrichterelement 26 kann beispielsweise dann verzichtet werden, wenn der Widerstand 25 sehr hochohmig ist und wenn das Halbleiterschaltelement getaktet angesteuert wird, d. h. getaktet ein- und ausgeschaltet wird. In diesem Fall führt das Weglassen des Gleichrichterelements 26 zwar zu einer Erhöhung der Verlustleistung, das kapazitive Speicherelement wird während der Einschaltdauer des Halbleiterschaltelements jedoch nicht so weit entladen, dass die Erzeugung der Versorgungsspannung unterbrochen wird.
2 veranschaulicht eine Spannungsversorgungsschaltung 2 mit einer gegenüber der Spannungsversorgungsschaltung gemäß 1 abgewandelten Anlaufschaltung. Bei der in 2 dargestellten Schaltungsanordnung wird die Last-Versorgungsspannung durch einen Gleichrichter 3 erzeugt der Eingangsklemmen 35, 36 zum Anlegen einer Eingangsspannung Vn, z. B. einer Netzspannung, und Ausgangsklemmen 37, 38 zur Bereitstellung der Last-Versorgungsspannung aufweist. Eine der Ausgangsklemmen ist in dem dargestellten Beispiel an das negative Versorgungspotenzial V angeschlossen, an der anderen der Ausgangsklemmen steht das positive Last-Versorgungspotenzial V+ zur Verfügung. Zur Glättung der an den Ausgangsklemmen 37, 38 anliegenden Spannung ist optional ein Glättungskondensator 39 vorhanden. Der Gleichrichter 3 ist in dem dargestellten Beispiel als Brückengleichrichter mit vier Gleichrichterelementen, z. B. Dioden realisiert. Ist eine dreiphasige Eingangsspannung vorhanden, so kann dieser Gleichrichter 3 in hinlänglich bekannter Weise um einen weiteren Gleichrichterzweig mit zwei Gleichrichterelementen erweitert werden.
Eine Anlaufschaltung 27, 28 weist bei dieser Schaltungsanordnung ein weiteres Gleichrichterelement 28 und einen Kondensator 27 auf, die in Reihe zueinander zwischen einen der Eingänge des Gleichrichters 3 und das kapazitive Speicherelement 23 der Spannungsversorgungsschaltung 2 geschaltet sind. Der Kondensator 27 und das kapazitive Speicherelement 23 der Spannungsversorgungsschaltung 2 bilden bei dieser Schaltung einen kapazitiven Spannungsteiler, die zusammen mit dem weiteren Gleichrichterelement 28 nach Art eines Spitzenweggleichrichters funktionieren. Das kapazitive Speicherelement 23 wird hierbei auf eine Spannung aufgeladen, die über das Teilerverhältnis des kapazitiven Spannungsteilers im Verhältnis zu dem Maximalwert der am Eingang anliegenden Spannung steht.
3 zeigt ein Beispiel einer Schaltungsanordnung, die eine Ansteuerschaltung 4 zur Ansteuerung des Halbleiterschaltelements 1 aufweist. Diese Ansteuerschaltung 4 umfasst einen Ausgangsanschluss 44, der an den Ansteueranschluss 11 des Halbleiterschaltelements angeschlossen ist und an dem ein Ansteuersignal S1 zur Verfügung steht. Die Ansteuerschaltung 4 umfasst außerdem Spannungsversorgungsanschlüsse 41, 42 denen die durch die Spannungsversorgungsschaltung 2 bereitgestellte Versorgungsspannung V2 zugeführt ist. Diese Versorgungsspannung ist in erläuterter Weise entweder unmittelbar die über dem kapazitiven Speicherelement 23 anliegende Spannung V23 oder die am Ausgang des Spannungsreglers 24 anliegende Spannung V24.
Die Ansteuerschaltung 4 umfasst außerdem einen Ansteuereingang 43 zur Zuführung eines Schaltsignals Sin, nach dessen Maßgabe die Ansteuerschaltung 4 das Ansteuersignal S1 erzeugt. Das Schaltsignal Sin wird in nicht näher dargestellter Weise beispielsweise durch eine zentrale Ansteuerschaltung, wie z. B. einen Mikrocontroller, erzeugt. Diese zentrale Steuerschaltung ist beispielsweise galvanisch von der Ansteuerschaltung 4 getrennt. Die Übertragung des Schaltsignals Sin vom der zentralen Steuerschaltung erfolgt in diesem Fall über eine Potenzialbarriere, wie z. B. einen induktiven Übertrager oder einen Optokoppler, oder einen Pegelwandler (Level Shifter).
Das Schaltsignal Sin ist beispielsweise ein zweiwertiges Signal, das einen Einschaltpegel oder einen Ausschaltpegel annehmen kann. Die Ansteuerschaltung 4 ist dazu ausgebildet, dieses Schaltsignal Sin in ein zur Ansteuerung des Halbleiterschaltelements 1 geeignetes Ansteuersignal S1 umzusetzen. Dieses Ansteuersignal S1 ist in dem dargestellten Beispiel eine Spannung gegen den zweiten Laststreckenanschluss 13 des Halbleiterschaltelements 1. Der in 3 dargestellte IGBT leitet, wenn diese Spannung größer ist als eine für das Bauelement spezifische Schwellenspannung, und sperrt, wenn diese Spannung kleiner ist als diese Schwellenspannung. Der Maximalwert, den die am Ausgang der Ansteuerschaltung 4 anliegende Ansteuerspannung S1 annehmen kann, entspricht der Versorgungsspannung V2, die der Ansteuerschaltung 4 von der Spannungsversorgungsschaltung 2 zugeführt ist. Bei der in 3 dargestellten Schaltungsanordnung, bei der die Spannungsversorgungsschaltung 2 eine Versorgungsspannung V2 erzeugt, die auf den zweiten Laststreckenanschluss 13 des Halbleiterschaltelements 1 bezogen ist, ist der kleinste Wert, den die Ansteuerspannung S1 annehmen kann, Null. Die erläuterte Ansteuerschaltung 4 kann in entsprechender Weise wie zur Ansteuerung eines IGBT auch zur Ansteuerung eines n-Kanal-MOSFET verwendet werden.
Es sei außerdem darauf hingewiesen, dass die bisher und die nachfolgend noch erläuterten Spannungsversorgungsschaltungen selbstverständlich nicht darauf beschränkt sind, in Schaltungsanordnungen mit n-Kanal-Bauelementen eingesetzt zu werden, sondern das diese Spannungsversorgungsschaltungen in entsprechender Weise auch in Schaltungsanordnungen mit p-Kanal-Bauelementen eingesetzt werden können.
4 zeigt das elektrische Ersatzschaltbild eines Beispiels einer Ansteuerschaltung 4. Die dargestellte Ansteuerschaltung 4 weist eine Ausgangsstufe mit zwei komplementären Transistoren 45, 46 auf, deren Laststrecken in Reihe zueinander zwischen die Versorgungsklemmen 41, 42 der Ansteuerschaltung 4 geschaltet sind. Diese Transistoren 45, 46 sind in dem dargestellten Beispiel MOS-Transistoren, könnten in entsprechender Weise jedoch auch als Bipolartransistoren realisiert sein.
Ein den Laststrecken dieser Transistoren 45, 46 gemeinsamer Schaltungsknoten bildet den Ausgang 44 der Ansteuerschaltung 4. Die beiden Transistoren 45, 46 sind durch eine Steuerschaltung 47 abhängig von dem Schaltsignal Sin gemeinsam angesteuert, wobei abhängig vom Signalpegel eines am Ausgang der Steuerschaltung 47 anliegenden Signals S47 nur jeweils einer der beiden Transistoren 45, 46 zu einem Zeitpunkt leitet. Leitet der obere 45 der beiden Transistoren 45, 46, der in dem dargestellten Beispiel ein p-MOSFET ist, so entspricht die Ansteuerspannung S1 der Differenz zwischen dem elektrischen Potenzial an dem ersten Versorgungsanschluss 41 und dem elektrischen Potenzial an dem zweiten Laststreckenanschluss 13. Bei der in 3 dargestellten Schaltungsanordnung entspricht diese Differenz der Versorgungsspannung (V2 in 3). Leitet der untere 46 der beiden Transistoren 45, 46, der in dem dargestellten Beispiel ein n-MOSFET ist, so entspricht die Ansteuerspannung S1 der Differenz zwischen dem elektrischen Potenzial an dem zweiten Versorgungsanschluss 42 und dem elektrischen Potenzial an dem zweiten Laststreckenanschluss 13 – bei dem Beispiel gemäß 3 somit Null. Eine leitende Ansteuerung des oberen Transistors 45 erfolgt bei dieser Ansteuerschaltung 4 dann, wenn das Schaltsignal Sin einen Einschaltpegel annimmt, und eine leitende Ansteuerung des unteren Transistors 46 erfolgt dann, wenn das Schaltsignal Sin einen Ausschaltpegel annimmt. Eine Umsetzung des Schaltsignals Sin auf das zur Ansteuerung der Transistoren 45, 46 geeignete Signal S47 erfolgt durch die Steuerschaltung 47. Die Steuerschaltung 47 kann darüber hinaus noch weitere grundsätzlich bekannte Schutzfunktionen realisieren, wie z. B. einen Übertemperaturschutz. Ist ein solcher Übertemperaturschutz vorhanden, so schaltet die Ansteuerschaltung 4 das Halbleiterschaltelement 1 während des Betriebs dann ab, wenn eine Temperatur im Bereich des Halbleiterschaltelements 1 einen vorgegebenen Temperaturschwellenwert übersteigt.
Bei der in 3 dargestellten Spannungsversorgungsschaltung kann entsprechend der Ausführungen zu den 1 und 2 selbstverständlich ebenfalls eine Anlaufschaltung vorhanden sein. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist diese Anlaufschaltung in 3 jedoch nicht dargestellt.
5 zeigt ein weiteres Beispiel einer Spannungsversorgungsschaltung 2. Diese Spannungsversorgungsschaltung 2 unterscheidet sich von den bisher erläuterten Spannungsversorgungsschaltungen dadurch, dass sie außer einem auf den zweiten Laststreckenanschluss 13 bezogenen positiven Versorgungspotenzial auch ein auf diesen zweiten Laufstreckenanschluss 13 bezogenes negatives Versorgungspotenzial bereitstellt. Außer der bereits erläuterten ersten Reihenschaltung mit dem ersten Gleichrichterelement 22 und dem ersten kapazitiven Speicherelement 22 weist die Ladungsspeicheranordnung 20 dieser Spannungsversorgungsschaltung 2 eine zweite Reihenschaltung mit einem zweiten Gleichrichterelement 52, wie z. B. eine Diode, und einem zweiten kapazitiven Speicherelement 53, wie z. B. ein Kondensator, auf. Diese zweite Reihenschaltung ist ebenfalls parallel zu der Induktivität 21 geschaltet, wobei das zweite Gleichrichterelement 52 gegenüber dem ersten Gleichrichterelement 22 verpolt ist. Elektrische Ladung wird bei dieser Spannungsversorgungsschaltung 2 dann in dem zweiten kapazitiven Speicherelement 53 gespeichert, wenn die über der Induktivität 21 anliegende Spannung V21 eine positive Spannung ist. Positive Spannungen werden in dem dargestellten Beispiel dann in der Induktivität 21 induziert, wenn das Halbleiterschaltelement 1 eingeschaltet wird, wenn ein das Halbleiterschaltelement 1 durchfließender Laststrom I1 also ansteigt. Eine über dem zweiten kapazitiven Speicherelement 53 anliegende Spannung V53 ist in dem dargestellten Beispiel eine bezogen auf den zweiten Laststreckenanschluss 13 negative elektrische Spannung. Die Summe der durch die beiden kapazitiven Speicherelemente 23, 53 bereitgestellten Spannungen V23, V53 kann unmittelbar als Versorgungsspannung V2 für die Ansteuerschaltung 4 verwendet werden. In diesem Fall wird der erste Versorgungsanschluss 41 der Ansteuerschaltung 4 an das erste kapazitive Speicherelement 23 und der zweite Versorgungsanschluss 42 an das zweite kapazitive Speicherelement 53 angeschlossen.
Optional besteht die Möglichkeit, die an den kapazitiven Speicherelementen 23, 53 anliegenden elektrischen Spannungen V23, V53 durch Spannungsregler 24, 54 auf geregelte Spannungen V24, V54 umzusetzen. Ein erster Spannungsregler 54 erzeugt in diesem Fall eine geregelte Spannung V24 aus der Spannung V23 über dem ersten kapazitiven Speicherelement 23, und der zweite Spannungsregler 54 erzeugt eine zweite geregelte Spannung V54 aus der über dem zweiten kapazitiven Speicherelement 53 anliegenden Spannung V53. Die Summe dieser beiden geregelten Spannungen V24, V54 entspricht in diesem Fall der durch die Spannungsversorgungsschaltung 2 bereitgestellten Versorgungsspannung V2.
Der Ansteuerschaltung 4 außer einem bezogen auf das Potenzial des zweiten Laststreckenanschluss 13 positiven Versorgungspotenzial auch ein negatives Versorgungspotenzial zuzuführen, bietet den Vorteil, dass das Ansteuersignal außer positiven Werten zur leitenden Ansteuerung des Halbleiterschaltelements 1 auch negative Werte zur sperrenden Ansteuerung des Halbleiterschaltelements 1 annehmen kann. Bei negativen Ansteuerspannungen S1 kann ein rascheres Abschalten des Halbleiterschaltelements 1 erreicht werden, als bei einer Ansteuerspannung von Null, wie die bei der Schaltungsanordnung gemäß 3 erreicht werden kann.
Bei der Spannungsversorgungsschaltung 2 gemäß 5 kann entsprechend der Ausführungen zu den 1 und 2 eine Anlaufschaltung vorgesehen sein, die an das erste kapazitive Speicherelement 23 gekoppelt ist. Diese Anlaufschaltung ist in 5 aus Gründen der Übersichtlichkeit jedoch nicht dargestellt. In entsprechender Weise kann eine weitere Anlaufschaltung vorgesehen sein, die für eine erste Aufladung des zweiten kapazitiven Speicherelements 53 sorgt, noch bevor das Halbleiterschaltelement 1 zum ersten Mal leitend angesteuert wurde. Diese weitere Anlaufschaltung umfasst beispielsweise eine Reihenschaltung mit einem Widerstandselement 55 und einem Gleichrichtelement 56, die zwischen die Klemme für das positive Versorgungspotenzial V+ und das zweite kapazitive Speicherelement 53 geschaltet ist. Anstelle dieser Anlaufschaltung mit dem Widerstandselement 55 und dem Gleichrichtelement 56 kann entsprechend der Ausführungen zu 2 auch eine Anlaufschaltung vorgesehen sein, welche das zweite kapazitive Speicherelement 53 über ein Gleichrichtelement und einen Kondensator an eine Gleichrichterschaltung koppelt.
Für die bisherigen Erläuterungen wurde davon ausgegangen, dass das Halbleiterschaltelement 1 als High-Side-Schalter verschaltet ist, dass die Laststrecke also zwischen die Klemme für das positive Versorgungspotenzial und die Last Z geschaltet ist. Die erläuterte Spannungsversorgungsschaltung funktioniert in entsprechender Weise jedoch auch für ein Halbleiterschaltelement, das als Low-Side-Schalter eingesetzt ist, wie dies in 6 dargestellt ist. Die Laststrecke 12, 13 des Halbleiterschaltelements 1 ist in diesem Fall zwischen die Last Z und das negative Versorgungspotenzial V– geschaltet. Die beim Schalten des Halbleiterschaltelements in der Induktivität 21 induzierten Spannungen V21 entsprechen den Spannungen, wie sie in dieser Induktivität 21 induziert werden, wenn das Halbleiterschaltelement als High-Side-Schalter verschaltet ist. Die in 6 zur Erläuterung dargestellte Spannungsversorgungsschaltung 2 entspricht der zuvor anhand von 5 erläuterten Spannungsversorgungsschaltung 2. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass anstelle dieser Spannungsversorgungsschaltung 2 auch jede beliebige andere der bisher erläuterten Spannungsversorgungsschaltungen verwendet werden kann. Auf die Darstellung von Anlaufschaltungen ist bei der in 6 dargestellten Spannungsversorgungsschaltung 2 verzichtet. Selbstverständlich können solche Anlaufschaltungen vorgesehen werden.
Eine Erzeugung der Versorgungsspannung V2 unter Verwendung einer in Reihe zu der Laststrecke 12–13 des Halbleiterschaltelements 1 geschalteten Induktivität kann mit weiteren Maßnahmen zur Erzeugung der Versorgungsspannung V2 aus dem Laststromkreis kombiniert werden. 7 zeigt ein Beispiel einer Spannungsversorgungsschaltung 2, die zwei unterschiedliche Maßnahmen zur Erzeugung der Versorgungsspannung kombiniert. Die bezogen auf den Bezugspunkt – d. h. den zweiten Laststreckenanschluss 13 – negative Spannung V53 wird wie bereits erläutert unter Verwendung der Induktivität 21 erzeugt. Das zweite kapazitive Speicherelement 53 ist hierzu über das zweite Gleichrichterelement 52 an diese Induktivität angeschlossen.
Die Erzeugung der positiven Spannung V23 erfolgt bei dieser Schaltung unter Verwendung eines kapazitiven Teilers. Ein erster Anschluss des ersten kapazitiven Speicherelements 23 ist hierbei über eine Reihenschaltung mit einer Koppelkapazität 61 und einem Gleichrichterelement 62, z. B. eine Diode, an den ersten Laststreckenanschluss des Halbleiterschaltelements 1 angeschlossen und der zweite Anschluss des ersten kapazitiven Speicherelements 23 ist an den zweiten Laststreckenanschluss des Halbleiterschaltelements 1 angeschlossen. Über der Reihenschaltung mit dem ersten kapazitiven Speicherelement 23, der Koppelkapazität 61 und dem Gleichrichterelement 62 liegt eine Spannung an, die der Laststreckenspannung V1 des Halbleiterschaltelements entspricht.
Diese Spannung V1 steigt jeweils an, wenn das Halbleiterschaltelement sperrt. Das erste kapazitive Speicherelement 23 wird dann jeweils auf eine Spannung aufgeladen, die über das Teilerverhältnis eines durch das kapazitive Speicherelement 23 und die Koppelkapazität 61 gebildeten kapazitiven Spannungsteilers in Beziehung zu der Laststreckenspannung steht. Wird das Halbleiterschaltelement nachfolgend leitend angesteuert, wodurch die Laststreckenspannung V1 absinkt, so verhindert das Gleichrichterelement 62 ein Entladen des kapazitiven Ladungsspeicherelements.
In nicht näher dargestellter Weise kann ein Bootstrap-Prinzip auch für die Erzeugung der negativen Versorgungsspannung und die Induktivität 21 für die Erzeugung der positiven Versorgungsspannung genutzt werden.
8 zeigt ein Beispiel einer Schaltungsanordnung, bei der die positive Versorgungsspannung V23 und die negative Versorgungsspannung V53 sowohl unter Verwendung der Induktivität als auch unter Verwendung des kapazitiven Teiler-Prinzips er zeugt werden. Die Spannungsversorgungsschaltung 2 umfasst hierzu die bereits anhand der 5 und 6 erläuterten Schaltungskomponenten und zusätzlich die anhand von 7 erläuterte Teiler-Schaltung, die noch um weiteres Gleichrichterelement ergänzt ist, das zwischen den dem Bezugsknoten abgewandten Anschluss des zweiten kapazitiven Speicherelements 53 und die Koppelkapazität geschaltet ist und das ein Laden der zweiten kapazitiven Speicherelements 53 bei einer ansteigenden Laststreckenspannung des Halbleiterschaltelements 1 ermöglicht.
Der Bezugspunkt für die durch die Spannungsversorgungsschaltung 2 erzeugte Versorgungsspannung ist abhängig von der Position der Induktivität 21 innerhalb des Laststreckenstromkreises. Der Laststreckenstromkreis ist hierbei der Stromkreis, der die Laststrecke 12–13 des Halbleiterschaltelements 1 enthält. Bei den bisher erläuterten Schaltungsanordnungen liegt diese Induktivität 21 unmittelbar am zweiten Laststreckenanschluss 13 des Halbleiterschaltelements 1. Die Versorgungsspannung V2, bzw. die Teil-Versorgungsspannungen V23, V53 bzw. V24, V54, sind in diesem Fall auf diesen zweiten Laststreckenanschluss 13 des Halbleiterschaltelements 1 bezogen. Durch geeignete Wahl der Position der Induktivität 21 innerhalb des Laststreckenstromkreises lassen sich selbstverständlich auch Versorgungspotenziale erzeugen, die auf andere elektrische Potenziale als das elektrische Potenzial des zweiten Laststreckenanschlusses 13 bezogen sind.
9 zeigt ein Beispiel einer Schaltungsanordnung, bei der die Spannungsversorgungsschaltung 2 Versorgungspotenziale erzeugt, die auf das positive Last-Versorgungspotenzial V+ bezogen sind. Die Induktivität 21 liegt in diesem Fall zwischen der Klemme für das positive Last-Versorgungspotenzial und der Laststrecke 12–13 des Halbleiterschaltelements 1. Das Last-Versorgungspotenzial kann – wie bereits im Zusammenhang mit 2 erläutert wurde – beispielsweise unter Verwendung eines Gleichrichters und eines dem Gleichrichter nachgeschalte ten Kondensators 39 erzeugt werden. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist in 7 lediglich dieser Kondensator 39 dargestellt. Die Induktivität 21 ist beispielsweise eine Leitungsinduktivität einer Leiterbahn oder einer anderen elektrisch leitenden Verbindung zwischen der Klemme, an der das Last-Versorgungspotenzial V+ zur Verfügung steht und der Laststrecke 12–13 des Halbleiterschaltelements 1 und/oder eine Bonddrahtinduktivität. Die Spannungsversorgungsschaltung 2 ist in gleicher Weise wie bisher erläutert an die Induktivität 21 angeschlossen. Die in 9 dargestellte Spannungsversorgungsschaltung 2 entspricht der bereits anhand von 5 erläuterten Spannungsversorgungsschaltung und ist dazu ausgebildet, eine gegenüber dem positiven Last-Versorgungspotenzial V+ positive Teil-Versorgungsspannung V23 bzw. V24 und eine gegenüber diesem Last-Versorgungspotenzial V+ negatives Teil-Versorgungspotenzial V24 bzw. V54 zu erzeugen, deren Summe der Versorgungsspannung V2 entspricht. Selbstverständlich kann anstelle dieser Spannungsversorgungsschaltung 2 auch eine andere der bislang erläuterten Spannungsversorgungsschaltungen verwendet werden. So kann beispielsweise auf die Reihenschaltung mit dem zweiten Gleichrichterelement 52 und dem zweiten kapazitiven Speicherelement 53 und dem optionalen Spannungsregler 54 verzichtet werden, wenn lediglich ein gegenüber dem positiven Last-Versorgungspotenzial V+ positives Versorgungspotenzial V23 bzw. V54 erzeugt werden soll, das die Versorgungsspannung V2 bildet. In entsprechender Weise besteht bei der in 9 dargestellten Spannungsversorgungsschaltung 2 – wie auch bei den anhand der 5 und 6 bereits erläuterten Spannungsversorgungsschaltungen 2 – die Möglichkeit, auf die Reihenschaltung mit dem ersten Gleichrichtelement 22 und dem ersten kapazitiven Speicherelement 23 zu verzichten, wenn lediglich eine bezogen auf das Referenzpotenzial negatives Versorgungspotenzial erzeugt werden soll, das die Versorgungsspannung bildet. Dieses Referenzpotenzial ist bei den Beispielen gemäß der 5 und 6 das elektrische Potenzial der zweiten Laststrecke 13 und bei dem Beispiel gemäß 7 das Last-Versorgungspotenzial V+.
10 zeigt ein Beispiel einer Schaltungsanordnung, die zwei Halbleiterschaltelemente 1₁ , 1₂ aufweist, die jeweils einen Ansteueranschluss 11₁ , 11₂ sowie erste und zweite Laststreckenanschlüsse 12₁ , 12₂ , 13₁ , 13₂ aufweist. Diese beiden Halbleiterschaltelemente 1₁ , 1₂ , die in dem dargestellten Beispiel als IGBT realisiert sind, sind als Halbbrücke verschaltet, indem deren Laststrecken 12₁ –13₁ , 12₂ –13₂ in Reihe zueinander zwischen Klemmen für ein positives Last-Versorgungspotenzial V+ und ein negatives Last-Versorgungspotenzial V– geschaltet sind. Ein Ausgang OUT dieser Halbbrücke ist durch einen den Laststrecken der beiden Halbleiterschaltelemente 1₁ , 1₂ gemeinsamen Knoten gebildet. An diesen Ausgang OUT ist eine Last Z' (in 8 gestrichelt dargestellt) anschließbar.
Zur Ansteuerung der beiden Halbleiterschaltelemente sind Ansteuerschaltungen 4₁ , 4₂ vorhanden, denen durch Spannungsversorgungsschaltungen 2₁ , 2₂ jeweils Versorgungsspannungen V2₁, V2₂ zugeführt sind. Diese Spannungsversorgungsschaltungen 2₁ , 2₂ können jeweils eine beliebige der zuvor erläuterten Spannungsversorgungsschaltungen sein. Zur Bereitstellung der Versorgungsspannung V2₁ für die Ansteuerschaltung 4₁ des High-Side-Schaltelements 1₁ nutzt die Spannungsversorgung 2₁ zwei Induktivitäten: Eine erste Induktivität 21A, die zwischen dem zweiten Laststreckenanschluss 13₁ des ersten Halbleiterschaltelements 1₁ und dem Ausgang OUT der Halbbrücke liegt; und eine zweite Induktivität 21B, die zwischen dem Ausgang OUT der Halbbrücke und dem ersten Laststreckenanschluss 12₂ des zweiten Halbleiterschaltelements 1₂ liegt. Man macht sich hierbei zu Nutze, dass Spannungen V21A, V21B über diesen beiden Induktivitäten 21A, 21B jeweils die gleiche Polung besitzen, wenn die beiden Halbleiterschaltelemente 1₁ , 1₂ jeweils komplementär zueinander angesteuert werden, d. h. jeweils so angesteuert werden, dass nur eines der beiden Halbleiter schaltelemente zum selben Zeitpunkt leitend angesteuert wird. Dies wird nachfolgend kurz erläutert: Hierzu sei angenommen, dass zu einem gegebenen Zeitpunkt das erste Halbleiterschaltelement 1₁ leitend und das zweite Halbleiterschaltelement 1₂ sperrend angesteuert ist. In diesem Fall fließt ein Laststrom I₁ über das erste Halbleiterschaltelement I₁ und die Ausgangsklemme OUT an die Last, während ein zweiter Laststrom I₂ durch das zweite Halbleiterschaltelement 1₂ Null ist. Wird zu einem späteren Zeitpunkt das erste Halbleiterschaltelement 1₁ sperrend angesteuert und bleibt das zweite Halbleiterschaltelement 1₂ gesperrt, so wird lediglich in der ersten Induktivität 21A eine Spannung V21A ungleich Null induziert, die durch die Spannungsversorgungsschaltung 2₁ zur Bereitstellung der Versorgungsspannung V2₁ genutzt wird. Ist die Last Z eine induktive Last und wird bei Sperren des ersten Halbleiterschaltelements 1₁ das zweite Halbleiterschaltelement 1₂ leitend angesteuert, so dass das zweite Halbleiterschaltelement 1₂ den zuvor fließenden Laststrom übernimmt, so beginnt durch das zweite Halbleiterschaltelement 1₂ ein Laststrom entgegen der in 10 dargestellten Stromrichtung zu fließen. Hierdurch wird in der zweiten Induktivität 21B eine Spannung V21B induziert, die dieselbe Polarität besitzt, wie eine Spannung V21A, die bei Absinken des ersten Laststromes I1₁ in der ersten Induktivität 21A induziert wird.
Die in 10 dargestellte Halbbrücke ist beispielsweise Teil einer H-Brückenschaltung, die außer der dargestellten Halbbrücke noch eine weitere Halbbrücke umfasst, die in entsprechender Weise wie die in 10 dargestellte Halbbrücke realisiert sein kann. Die in 10 dargestellte Halbbrücke 10 kann außerdem Teil eines Wechselrichters zur Ansteuerung eines 3-Phasen-Motors sein. In diesem Fall sind außer der dargestellten Halbbrücke noch zwei weitere Halbbrücken vorhanden, die in entsprechender Weise realisiert sein können.
Die Spannungsversorgungsschaltung 2₂ , die die Ansteuerschaltung 4₂ des Low-Side-Halbleiterschalters versorgt, nutzt zur Bereitstellung der Versorgungsspannung V2₂ die zwischen dem zweiten Lastenstreckenanschluss 13₂ und der Klemme für negatives Versorgungspotenzial V– vorhandene Induktivität 21₂ .
11 zeigt Beispiele der in 10 dargestellten Spannungsversorgungsschaltungen 2₁ , 2₂ für die Erzeugung von zwei Versorgungsspannungen V2₁, V2₂ im Detail. Diese beiden Spannungsversorgungsschaltungen 2₁ , 2₂ sind jeweils entsprechend der anhand der 5 und 6 erläuterten Spannungsversorgungsschaltungen realisiert und erzeugen jeweils eine positive und eine negative Versorgungsspannung. Optional vorhandene Anlaufschaltungen sind in 11 nicht dargestellt. Bei der Schaltungsanordnung gemäß 11 ist ein Gleichrichterelement zwischen die ersten kapazitiven Ladungsspeicherelemente 23₁ , 23₂ der Spannungsversorgungsschaltungen 2₁ , 2₂ geschaltet. Dieses Gleichrichterelement 64 ermöglicht einen Ladungsausgleich – Bootstrap-Prinzip- zwischen den beiden Ladungsspeicherelementen 23₁ , 23₂ , wodurch sich insgesamt die Zuverlässigkeit der Schaltungsanordnung dahingehend, dass für beide Halbleiterschaltelemente 1₁ , 1₂ eine ausreichende Ansteuerspannung erzeugt werden kann, erhöht. Das Gleichrichterelement 64 ist in dem dargestellten Beispiel so gepolt, dass das erste Ladungsspeicherelement 23₁ der ersten Spannungsversorgungsschaltung 2₁ durch das erste Ladungsspeicherelement 23₂ der zweiten Spannungsversorgungsschaltung 2₂ geladen werden kann.
Der erläuterte Ladungsausgleich zwischen den beiden ersten kapazitiven Ladungsspeicheranordnungen 23₁ , 23₂ ist unabhängig von der konkreten Realisierung der Spannungsversorgungsschaltungen 2₁ , 2₂ . Anstelle der in 11 dargestellten Spannungsversorgungsschaltungen könnten auch beliebige andere der zuvor erläuterten Spannungsversorgungsschaltungen verwendet werden, wobei insbesondere auch die Möglichkeit besteht, die beiden Spannungsversorgungsschaltungen 2₁ , 2₂ , unterschiedlich zu realisieren.
In dem in 11 dargestellten Beispiel nutzt die zweite Spannungsversorgungsschaltung 2₂ zwei Induktivitäten: eine Induktivität am zweiten Laststreckenanschluss 13₂ des zweiten Halbleiterschaltelements 1₂ , die beispielsweise durch Bonddrähte gebildet ist; und eine Induktivität 21₄ einer Zuleitung bzw. Spannungsversorgungsleitung zu der Halbrückenschaltung 1₁ , 1₂ . Selbstverständlich könnte die zweite Spannungsversorgungsschaltung 2₂ auch so realisiert sein, dass sie nur eine dieser Induktivitäten nutzt.
In diesem Zusammenhang sei nochmals erwähnt, dass bei allen zuvor erläuterten Spannungsversorgungsschaltungen die Induktivitäten keine separaten Bauelemente sein müssen, sondern dass als Induktivitäten parasitäre Induktivitäten genutzt werden, wie z. B. Streuinduktivitäten, Leiterbahninduktivitäten, Bonddrahtinduktivitäten, oder Induktivitäten, die durch den geometrischen Aufbau der Schaltung, die das wenigstens eine Halbleiterschaltelement umfasst, gebildet sind. Bei Leiterbahninduktivitäten ist die Induktivität über die gesamte Länge der Leiterbahn ”verteilt”, so dass die für die Spannungserzeugung wirksame Induktivität durch die Wahl der Anschlusspunkte der Ladungsspeicheranordnung an der Leiterbahn einstellbar ist. Selbstverständlich besteht die Möglichkeit, diese ohnehin vorhandenen Induktivitäten gezielt zu vergrößern, indem beispielsweise die Geometrie der Leitungsführung geeignet gewählt wird.
12 zeigt ein Beispiel einer Spannungsversorgungsschaltung, die in der Lage ist, aus Induktivitäten, die sich an den ersten Laststreckenanschluss 12 anschließen, eine Versorgungsspannung V2 zu erzeugen, die auf das Potenzial an dem zweiten Laststreckenanschluss 13 bezogen ist. Die dargestellte Spannungsversorgungsschaltung 2 erzeugt zwei Spannungen: eine erste bezogen auf das Potenzial an dem zweiten Laststreckenanschluss 13 positive Spannung V23; und eine zweite, bezogen auf das Potenzial an dem zweiten Laststreckenanschluss 13 negative Spannung V53. Aus diese Spannungen können in er läuterter Weise geregelte Spannungen erzeugt werden. Selbstverständlich kann auch nur eine dieser Spannungen V23, V53 erzeugt werden, die Schaltungskomponenten, die zur Erzeugung der jeweils anderen Spannung benötigt werden, können dann weggelassen werden.
Anlaufschaltungen sind in 12 nicht dargestellt, können selbstverständlich jedoch vorgesehen werden.
Die dargestellte Spannungsversorgungsschaltung 2 umfasst die bereits erläuterten ersten und zweiten Speicherkapazitäten 23, 53. Anders als bei den bisher erläuterten Spannungsversorgungsschaltungen sind diese Speicherkapazitäten in dem dargestellten Beispiel über die ersten und zweiten Gleichrichterelemente jedoch nicht unmittelbar an die zur Spannungserzeugung genutzte Induktivität sondern an einen kapazitiven Zwischenspeicher 70 angeschlossen. Dieser kapazitive Zwischenspeicher umfasst zwei kapazitive Zwischenspeicherelemente 72, 74, wie z. B. Kondensatoren, die jeweils in Reihe zu einem Gleichrichterelement 71, 73, wie z. B. eine Diode geschaltet sind. Die beiden Gleichrichterelemente sind unterschiedlich gepolt und sind jeweils zwischen das Zwischenspeicherelement 72, 74 und den dem ersten Lastreckenanschluss 12 abgewandten Anschluss der Induktivität bzw. die Klemme für das obere Versorgungspotenzial V+ geschaltet.
Die Reihenschaltungen mit je einem Zwischenspeicherelemente 72, 74 und einem Gleichrichterelement 71, 73 sind parallel zueinander geschaltet und an die Induktivität angeschlossen. Diese Induktivität setzt sich in dem dargestellten Beispiel aus zwei Teil-Induktivitäten zusammen: einer ersten Teilinduktivität 21₁ im Anschluss an den ersten Laststreckenanschluss 12, die beispielsweise durch Bonddrähte gebildet ist; und ein zweite Teilinduktivität 21₃ , die beispielsweise eine Zuleitungsinduktivität ist. Selbstverständlich kann auch nur eine dieser Induktivitäten zur Spannungserzeugung genutzt werden.
Die Zwischenspeicherelemente 72, 74 werden während unterschiedlicher Schaltvorgänge des Halbleiterschaltelements geladen: Das erste Zwischenspeicherelement 72 wird beim Einschalten des Halbleiterschaltelements 1 geladen, wenn in der Induktivität 21₁ , 21₃ eine positive Spannung V21 induziert wird; und das zweite Zwischenspeicherelement 73 wird beim Ausschalten des Halbleiterschaltelements 1 geladen, wenn in der Induktivität 21₁ , 21₃ eine negative Spannung V21 induziert wird. Das erste Zwischenspeicherelement 72 ist über ein Schaltelement 75 – und das erste Gleichrichterelement 22 – an das erste kapazitive Ladungsspeicherelement 23 angeschlossen, und zwar an einem dem ersten Laststreckenanschluss 12 abgewandten Anschluss. Das Schaltelement 75 ist beispielsweise leitend angesteuert, wenn das Halbleiterschaltelement leitet und ermöglicht bei leitend angesteuertem Halbleiterschaltelement 1 ein Nachladen des ersten kapazitiven Speicherelements 23. Bei leitend angesteuertem Halbleiterschaltelement 1 wird auch das zweite kapazitive Speicherelement 53 nachgeladen (Bootstrap-Prinzip), und zwar unmittelbar über dessen Gleichrichterelement 52, das an das zweite Zwischenspeicherelement 74 angeschlossen ist, und zwar an einem dem ersten Laststreckenanschluss 12 abgewandten Anschluss.
13 zeigt ein Beispiel der zuvor erläuterten Spannungsversorgungsschaltung 2, bei der das Schaltelement 75 als selbstsperrender Transistor, in dem Beispiel als JFET, realisiert ist. Eine Ansteuerung dieses JFET erfolgt durch die Ansteuerschaltung 4 des Halbleiterschaltelements 1. Die Ansteuerung des JFET 75 kann synchron zu dem Halbleiterschaltelement erfolgen, kann jedoch auch so erfolgen, dass der JFET während Einschaltdauern des Halbleiterschaltelements nur zeitweise leitend angesteuert ist. Die Einschaltphase des JFET kann dabei zeitlich beliebig innerhalb einer Einschaltphase des Halbleiterschaltelements liegen.
Die zuvor erläuterten Schaltungsanordnungen können insbesondere in sogenannten intelligenten Leistungsmodulen (IPM, Integrated Power Modules) verwendet werden.
Abschließend sei darauf hingewiesen, dass Schaltungsmerkmale, die nur im Zusammenhang mit einem Beispiel erläutert wurden, auch dann mit Schaltungsmerkmalen aus anderen Beispielen kombiniert werden können, wenn dies zuvor nicht explizit erläutert wurde. So können insbesondere Merkmale, die in einem der nachfolgenden Ansprüche wiedergegeben sind, mit Merkmalen beliebiger anderer Ansprüche kombiniert werden.

Claims

Schaltungsanordnung mit einem ersten Halbleiterschaltelement (1), das eine Laststrecke und einen Ansteueranschluss aufweist, und mit einer Spannungsversorgungsschaltung (2), die aufweist: eine Induktivität (21), die in Reihe zu der Laststrecke des ersten Halbleiterschaltelements (21) geschaltet ist; eine kapazitive Ladungsspeicheranordnung (20), die parallel zu der Induktivität (21) geschaltet ist und die eine erste und eine zweite Ausgangsklemme zum Bereitstellen einer Versorgungsspannung (V2) aufweist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, bei der die Induktivität (21) wenigstens eine der folgenden Induktivitäten umfasst: eine Streuinduktivität, eine Leiterbahninduktivität, eine Bonddrahtinduktivität, eine Induktivität, die durch einen geometrischen Aufbau der Schaltungsanordnung bedingt ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, bei der die kapazitive Ladungsspeicheranordnung (20) aufweist: eine erste Reihenschaltung mit einem Gleichrichterelement (22) und einem kapazitiven Speicherelement (23), die parallel zu der Induktivität geschaltet ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, bei der das kapazitive Speicherelement (23) an die erste Ausgangsklemme angeschlossen ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, bei der Spannungsversorgungsschaltung (2) weiterhin aufweist: einen Spannungsregler (24), der zwischen das kapazitive Speicherelement (23) und die erste Ausgangsklemme geschaltet ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, bei der die kapazitive Ladungsspeicheranordnung (20) weiterhin aufweist: eine Anlaufschaltung (27, 28), die zwischen eine Klemme für ein Versorgungspotential und das kapazitive Speicherelement (23) geschaltet ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, die weiterhin aufweist: einen Gleichrichter (3) mit Eingangsklemmen zum Zuführen einer Eingangsspannung (Vn) und Ausgangsklemmen zum Bereitstellen einer Zwischenkreisspannung, wobei die Laststrecke des Halbleiterschaltelements an eine der Ausgangsklemmen des Gleichrichters (3) angeschlossen ist, und wobei das kapazitive Speicherelement (23) an einen der Eingänge des Gleichrichters (3) gekoppelt ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, bei der das kapazitive Speicherelement (23) kapazitiv an einen der Eingänge des Gleichrichters (3) gekoppelt ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, die weiterhin aufweist: eine Ansteuerschaltung (4) mit Spannungsversorgungsklemmen (41, 43), die an die Ausgangsklemmen der Spannungsversorgungsschaltung (2) angeschlossen sind, und mit einem Ansteuerausgang, der an den Ansteueranschluss des Halbleiterschaltelements (1) angeschlossen ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, die weiterhin ein zweites Halbleiterschaltelement mit einer Laststrecke und einem Ansteueranschluss aufweist, wobei die Induktivität zwischen den Laststrecken des ersten und zweiten Halbleiterschaltelements angeordnet ist.