-
Die
Erfindung betrifft eine Ansteuerschaltung mit einem Transformator
für ein
Halbleiterschaltelement.
-
Halbleiterbauelemente,
wie z. B. Leistungs-MOSFET oder Leistungs-IGBT, werden zunehmend
als Schaltelemente zum Schalten elektrischer Lasten eingesetzt.
Leistungs-MOSFET oder Leistungs-IGBT sind spannungsgesteuerte Bauelemente,
die abhängig
von einer an einem Ansteueranschluss (Gate-Anschluss) anliegenden
Ansteuerspannung leiten oder sperren. Diese Ansteuerspannung kann
durch eine Ansteuerschaltung abhängig von
einem Schaltsignal, das z. B. ein Logiksignal ist, erzeugt werden.
-
Es
gibt Schaltungsanwendungen, bei denen das Schaltsignal und die Ansteuerspannung
Signale bzw. Spannungen sind, die auf unterschiedliche elektrische
Bezugspotenziale bezogen sind. Dies ist beispielsweise dann der
Fall, wenn das Halbleiterschaltelement als sogenannter High-Side-Schalter
eingesetzt ist. Das Bezugspotenzial für die Ansteuerspannung, das
dem elektrischen Potenzial an einem der Laststreckenanschlüsse des
Halbleiterschaltelements entspricht, kann sich bei einer solchen
Anwendung abhängig
vom Schaltzustand des Halbleiterschaltelements ändern. Zur Erzeugung einer
Ansteuerspannung mit einem solchen wechselnden Bezugspotenzial können Bootstrap-Schaltungen,
Pegelumsetzter (Level-Shifter) oder auch galvanische Entkopplungselemente,
wie z. B. Optokoppler oder Transformatoren verwendet werden.
-
Die
Erzeugung der Ansteuerspannung erfordert außer einer Information über das
Schaltsignal außerdem
eine Versorgungsspannung, aus der die Ansteuerspannung abhängig von
dem Schaltsignal erzeugt wird.
-
Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Ansteuerschaltung für ein Halbleiterschaltelement
zur Verfügung
zu stellen, die eine Ansteuerspannung für das Halbleiterschaltelement
aus einer Versorgungsspannung erzeugt und die keine separaten Anschlüsse zur
Zuführung
der Versorgungsspannung benötigt.
-
Diese
Aufgabe wird durch eine Ansteuerschaltung nach Anspruch 1 gelöst. Ausgestaltungen und
Weiterbildungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
-
Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung betrifft eine Ansteuerschaltung für ein Halbleiterschaltelement
die aufweist: wenigstens eine erste Spannungsversorgungsschaltung
mit einem ersten Oszillator, einem ersten Transformator, der dem
ersten Oszillator nachgeschaltet ist, und einer ersten Akkumulationsschaltung
zur Bereitstellung einer ersten Versorgungsspannung, die dem ersten
Transformator nachgeschaltet ist; eine Treiberschaltung mit Eingangsklemmen
zur Zuführung
der ersten Versorgungsspannung und mit Ausgangsklemmen zur Bereitstellung
einer Ansteuerspannung für
das Halbleiterschaltelement, die dazu ausgebildet ist, die Ansteuerspannung
für das
Halbleiterschaltelement wenigstens aus der ersten Versorgungsspannung
zu erzeugen.
-
Verschiedene
Beispiele werden nachfolgend unter Bezugnahme auf Figuren erläutert. Die
Figuren sind dabei nicht notwendigerweise maßstabsgerecht, der Schwerpunkt
liegt vielmehr auf der Erläuterung des
Grundprinzips. In den Figuren sind dabei lediglich die zum Verständnis dieses
Grundprinzips notwendigen Teile bzw. Bauelementzonen dargestellt.
In den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche
Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.
-
1 veranschaulicht
ein erstes Beispiel einer Ansteuerschaltung, die eine erste Spannungsversorgungsschaltung
mit einem Oszillator, einem Transformator und einer Akkumulationsschaltung und
eine an die erste Spannungsversorgungsschaltung angeschlossene Treiberschaltung
aufweist.
-
2 veranschaulicht
ein Beispiel einer Akkumulationsschaltung.
-
3 veranschaulicht
ein erstes Beispiel einer Treiberschaltung.
-
4 veranschaulicht
ein zweites Beispiel einer Treiberschaltung.
-
5 veranschaulicht
ein Beispiel einer Treiberschaltung, die ein zwischen Ausgangsklemmen
der Treiberschaltung geschaltetes Halbleiterschaltelement und eine
Ansteuerschaltung für
das Halbleiterschaltelement aufweist.
-
6 veranschaulicht
ein erstes Beispiel der Ansteuerschaltung für das Halbleiterschaltelement.
-
7 veranschaulicht
ein zweites Beispiel der Ansteuerschaltung für das Halbleiterschaltelement.
-
8 veranschaulicht
ein Beispiel einer Ansteuerschaltung, die eine erste und eine zweite Spannungsversorgungsschaltung
zur Bereitstellung erster und zweiter Versorgungsspannungen und
eine Treiberschaltung, der die zwei Versorgungsspannungen zugeführt sind,
aufweist.
-
9 zeigt
einen Teil einer gegenüber
der Ansteuerschaltung gemäß 8 abgewandelten
Ansteuerschaltung.
-
10 zeigt
ein erstes Beispiel einer Treiberschaltung, der zwei Versorgungsspannungen
zugeführt
sind.
-
11 zeigt
ein zweites Beispiel einer Treiberschaltung, der zwei Versorgungsspannungen
zugeführt
sind.
-
12 zeigt
schematisch eine Treiberschaltung, die eine Ansteuerspannung wahlweise
aus einer ersten oder einer zweiten Versorgungsspannung erzeugt.
-
13 zeigt
ein Realisierungsbeispiel der Treiberschaltung gemäß 12.
-
14 zeigt
ein Beispiel einer Akkumulationsschaltung, die zwei Versorgungsspannungen
bereitstellt.
-
15 zeigt
ein weiteres Beispiel einer Ansteuerschaltung mit zwei Spannungsversorgungsschaltungen.
-
16 zeigt
ein Beispiel einer Treiberschaltung für die Ansteuerschaltung gemäß 15.
-
17 veranschaulicht
eine Ansteuerschaltung, die mehrere kaskadierte Spannungsversorgungsschaltungen
mit je einem Oszillator, einem Transformator und einer Akkumulationsschaltung aufweist.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER FIGUREN
-
1 zeigt
ein Beispiel einer Ansteuerschaltung zur Erzeugung einer Ansteuerspannung
für ein Halbleiterschaltelement.
Zu Zwecken der Erläuterung
ist ein solches Halbleiterschaltelement 1 in 1 ebenfalls
dargestellt. Dieses Halbleiterschaltelement 1 weist einen
Ansteueranschluss und eine Laststrecke auf und ist in dem dargestellten
Beispiel ein selbstsperrender n-Kanal-MOSFET, der einen Gateanschluss
G als Ansteueranschluss und eine Drain-Source-Strecke als Laststrecke
aufweist. Es sei darauf hingewiesen, dass die Verwendung eines n-Kanal-MOSFET
als Halbleiterschaltelement lediglich als Beispiel zu verstehen
ist und dass selbstverständlich
beliebige andere Halbleiterschaltelemente, d. h. z. B. gleitende
MOSFET, IGBT oder Bipolartransistoren als Halbleiterschaltelemente
verwendet werden können.
Während
des Betriebs der Ansteuerschaltung und des Halbleiterschaltelements 1 ist
das Halbleiterschaltelement 1 mit seiner Laststrecke beispielsweise
in Reihe zu einer elektrischen Last Z (gestrichelt dargestellt)
zwischen Versorgungsspannungsklemmen geschaltet. Die Last Z kann
eine beliebige elektrische Last sein und kann insbesondere auch
ein weiteres Halbleiterschaltelement umfassen, mit dem das in 1 dargestellte
Halbleiterschaltelement 1 gemeinsam eine Halbbrücke bildet.
-
Eine
durch die Ansteuerschaltung erzeugte Ansteuerspannung V5 dient zur
leitenden oder sperrenden Ansteuerung des Halbleiterschaltelements 1. Der
in 1 dargestellte MOSFET leitet abhängig von
einer zwischen seinem Gateanschluss G und seinem Sourceanschluss
S anliegenden Spannung. Ausgänge 53, 54 der
Ansteuerschaltung, an denen die Ansteuerspannung zur Verfügung steht,
sind in dem dargestellten Beispiel daher zwischen den Gateanschluss
G und den Sourceanschluss S dieses MOSFET geschaltet. Allgemein
gilt, dass die Ausgangsanschlüsse 53, 54 der
Ansteuerschaltung an die Anschlüsse
des Halbleiterschaltelements anzuschließen sind, die zum Anlegen einer
Ansteuerspannung für
das Halbleiterschaltelement dienen.
-
Die
in 1 dargestellte Ansteuerschaltung umfasst eine
erste Spannungsversorgungsschaltung mit einem ersten Oszillator 2,
einem dem ersten Oszillator 2 nachgeschalteten ersten Transformator 3 und
einer dem ersten Transformator 3 nachgeschalteten ersten
Akkumulationsschaltung 4, die eine erste Versorgungsspannung
V4 bereitstellt. Die Ansteuerschaltung umfasst außerdem eine
Treiberschaltung 5, der die erste Versorgungsspannung 4 an
Eingangsklemmen 51, 52 zugeführt ist und die die Ansteuerspannung
V5 an Ausgangsklemmen 53, 54 der Treiberschaltung 5,
die gleichzeitig Ausgangsklemmen der Ansteuerschaltung bilden, zur
Verfügung
zu stellen. Die Treiberschaltung 5 ist dazu ausgebildet, diese
Ansteuerspannung V5 wenigstens aus der ersten Versorgungsspannung
V4 zu erzeugen. In noch zu erläuternder
Weise besteht auch die Möglichkeit, diese
Ansteuerspannung auch aus mehreren Versorgungsspannungen zu erzeugen.
-
Der
Oszillator 2 ist dazu ausgebildet, ein oszillierendes Ausgangssignal
V2 abhängig
von einem Schaltsignal Sin zu erzeugen. Das Schaltsignal Sin ist
beispielsweise ein zweiwertiges Signal, das einen Einschaltpegel
und einen Ausschaltpegel annehmen kann. Die Ansteuerspannung V5
wird bei der in Figur dargestellten Ansteuerschaltung in noch zu
erläuternder
Weise abhängig
von diesem Schaltsignal Sin derart erzeugt, dass die Ansteuerspannung
V5 dann, wenn das Schaltsignal Sin einen Einschaltpegel annimmt,
einen zur leitenden Ansteuerung des Halbleiterschaltelements 1 geeigneten
Spannungspegel aufweist, und dann, wenn das Schaltsignal Sin einen Ausschaltpegel
annimmt, einen zur sperrenden Ansteuerung des Halbleiterschaltelements 1 geeigneten
Spannungspegel annimmt. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen,
dass eine Schaltverzögerung
zwischen einem Pegelwechsel des Schaltsignals Sin und einem entsprechenden
Pegelwechsel der Ansteuerspannung V5 vorhanden sein kann. Darüber hinaus
ist die Ansteuerspannung V5 – anders
als beispielsweise das Schaltsignal Sin – nicht notwendigerweise ein
zweiwertiges Signal.
-
Der
Oszillator 2 ist in dem dargestellten Beispiel durch das
Schaltsignal Sin angesteuert, und dazu ausgebildet, bei einem Einschaltpegel
des Schaltsignals Sin eine oszillierende Spannung V2 an seinem Ausgang
zu erzeugen, und bei einem Ausschaltpegel des Schaltsignals Sin
eine Spannung von Null oder eine Gleichspannung an seinem Ausgang
zu erzeugen. Der Oszillator 2 kann ein beliebiger selbstschwingender
Oszillator sein. Eine Versorgungsspannung zur Erzeugung der oszillieren den Ausgangsspannung
V2 ist diesem Oszillator 2 über Spannungsversorgungsklemmen 21, 22 zugeführt.
-
Die
am Ausgang des Oszillators 2 zur Verfügung stehende oszillierende
Spannung V2 ist dem Transformator 3 zugeführt. Dieser
Transformator 3 weist eine Primärwicklung 31 und eine
induktiv mit der Primärwicklung 31 gekoppelte
Sekundärwicklung 32 auf.
Die Primärwicklung 31 ist
dabei an einen Ausgang des Oszillators 2 angeschlossen,
so dass die Ausgangsspannung V2 des Oszillators 2 über der Primärwicklung 31 anliegt.
Die Primärwicklung 31 kann
aber auch schon Teil des Oszillators sein. Eine Ausgangsspannung
V3 des Transformators 3 liegt über der Sekundärwicklung 32 an
und ist der Akkumulationsschaltung 4 als Eingangsspannung
an Eingangsklemmen 41, 42 zugeführt. Der
Transformator 3 dient dazu, aus der oszillierenden Ausgangsspannung
V3 des Oszillators 2 auf eine zweite oszillierende Spannung
V3 zu erzeugen, die am Ausgang des Transformators 3 zur
Verfügung
steht. Die Signalformen der beiden oszillierenden Spannungen V2,
V3 können
sich dabei abhängig
von den Eigenschaften des Transformators 3 unterscheiden.
In diesem Zusammenhang sei noch darauf hingewiesen, dass die am
Ausgang des Oszillators 2 zur Verfügung stehende Spannung V2 beispielsweise
eine Rechteckspannung, eine dreiecksförmige Spannung oder auch eine
sinusförmige
Spannung sein kann.
-
Der
Transformator 3 ist beispielsweise ein transformatorkernloser
Transformator (Coreless Transformer). Ein solcher Transformator
kann platzsparend in oder auf integrierten Schaltungen realisiert
werden. So besteht beispielsweise die Möglichkeit, einige oder alle
Schaltungskomponenten der erläuterten
Ansteuerschaltung in einem Halbleiterchip zusammen mit dem Transformator 3 zu
integrieren.
-
Der
Transformator 3 hat bei der dargestellten Ansteuerschaltung
die Aufgabe, Energie von seiner Primärseite auf seine Sekundärseite zu übertragen. Primärseitig
steht diese Energie in Form der Ausgangsspannung V2 des Oszillators 2 zur
Verfügung, und
sekundärseitig
steht diese Energie in Form der Ausgangsspannung V3 des Transformators 3 zur Verfügung. Eine
Energieübertragung
findet dabei nur dann statt, wenn am Ausgang des Oszillators eine oszillierende
Spannung anliegt, also dann nicht, wenn diese Spannung eine Gleichspannung
oder Null ist. Zur Steuerung der Energieübertragung dient das Schaltsignal
Sin, wobei bei einem Einschaltpegel des Schaltsignal Sin Energie übertragen
wird und bei einem Ausschaltpegel des Schaltsignals keine Energie übertragen
wird. Zu diesem Zweck kann – wie dargestellt – der Oszillator 2 nach
Maßgabe
des Schaltsignals Sin ein- und ausgeschaltet werden. Alternativ
besteht die Möglichkeit,
den Oszillator 2 dauerhaft zu betreiben und eine elektrisch
leitende Verbindung zwischen dem Oszillator 2 und der Primärwicklung 31, 32 des
Oszillators 2 nach Maßgabe
des Schaltsignals Sin zu öffnen
und zu schließen,
wie dies in 1 gestrichelt dargestellt ist.
-
Die
Akkumulationsschaltung 4, der die Ausgangsspannung V3 des
Transformators 3 an Eingangsklemmen 41, 42 zugeführt ist,
dient dazu, aus der oszillierenden Transformatorausgangsspannung V3
die erste Versorgungsspannung V4 zu erzeugen, die an den Ausgangsklemmen 43, 44 der
Akkumulationsschaltung 4 zur Verfügung steht. Diese Ausgangsspannung
V4 ist während
solcher Zeitdauern, während
der Energie von der Primärseite
auf die Sekundärseite
des Transformators 3 übertragen
wird, wenigstens annähernd
eine Gleichspannung. Bei aktiviertem Oszillator 2 wird
der Akkumulationsschaltung 4 durch den Transformator 3 periodisch
elektrische Ladung zugeführt.
Die Akkumulationsschaltung 4 akkumuliert diese ihr zugeführte elektrische
Ladung zur Bereitstellung der ersten Versorgungsspannung V4.
-
Die
Akkumulationsschaltung 4 kann eine herkömmliche Schaltungsanordnung
sein, die dazu geeignet ist, eine Wechselspannung in eine Gleichspannung
umzusetzen, und die insbesondere geeignet ist, eine Gleichspannung
zu erzeugen, deren Amplitu de höher
ist als die Amplitude der ihr zugeführten Wechselspannung. Die
Akkumulationsschaltung 4 ist beispielsweise eine Ladungspumpenschaltung
oder ein Spannungsvervielfacher. Solche Schaltungsanordnungen sind
grundsätzlich
bekannt, so dass auf weiteres Ausführen hierzu grundsätzlich verzichtet werden
kann. Zum besseren Verständnis
ist in 2 jedoch ein Beispiel eines solchen Spannungsvervielfachers
dargestellt.
-
Der
in 2 dargestellte Spannungsvervielfacher umfasst
mehrere kaskadierte Spannungsverdopplungsschaltungen 451 , 452 , 45n , die in dem dargestellten Beispiel
jeweils als sogenannte Villard-Schaltungen realisiert sind. Jede
dieser Spannungsverdopplungsschaltungen umfasst bezugnehmend auf
die erste Spannungsverdopplungsschaltung 451 zwei
kapazitive Speicherelemente 461 , 462 wie z. B. Kondensatoren, die durch
ein erstes Gleichrichterelement 471 ,
wie z. B. eine Diode, miteinander verbunden sind. Ein dem ersten
Gleichrichterelement 471 abgewandter
Abschluss der zweiten Kapazität 491 ist dabei über ein zweites Gleichrichterelement 481 mit dem der ersten Kapazität 461 und dem ersten Gleichrichterelement 471 gemeinsamen Knoten verbunden. In der
Kaskade der einzelnen Spannungsverdopplungsschaltungen sind jeweils
die ersten Kapazitäten
(461 in der ersten Spannungsverdopplungsschaltung 451 ) und die zweiten Kapazitäten (491 in der ersten Spannungsverdopplungsschaltung 451 ) jeweils in Reihe geschaltet. Über der
Reihenschaltung der zweiten Kapazitäten 491 ist
bei diesem Spannungsvervielfacher 4 eine Spannung abgreifbar,
die in etwa dem 2n-fachen der Amplitude der zugeführten Eingangsspannung
V3 entspricht, wobei n die Anzahl der kaskadierten Spannungsverdopplungsschaltungen
ist. In dem dargestellten Beispiel sind die Ausgangsklemmen 43, 44 an
diese Reihenschaltung der zweiten Kapazität 491 angeschlossen. In
entsprechender Weise könnte
als erste Versorgungsspannung V4 am Ausgang der Spannungsvervielfacherschaltung 4 auch
die Spannung über
der Reihenschaltung mit den ersten Kapazitäten 461 ausgegeben
werden. Diese Spannung entspricht dem (2n – 1)-fachen der Amp litude der
Eingangsspannung V3. Der Spannungsvervielfacher 4 umfasst mindestens
eine dieser zwischen die Eingangsklemmen 41, 42 und
die Ausgangsklemmen 43, 44 geschalteten Spannungsverdopplungsschaltungen.
-
Bei
der in 1 dargestellten Schaltungsanordnung wird nach
Maßgabe
des Schaltsignals Sin Energie von der Primärseite auf die Sekundärseite der
ersten Spannungsversorgungsschaltung übertragen. Diese Energieübertragung
von der Primärseite auf
die Sekundärseite
dient zum Einen zur Spannungsversorgung der sekundärseitigen
Komponenten der Spannungsversorgungsschaltung und der Treiberschaltung 5 und
dient zum Anderen zur Informationsübertragung, also zur Übertragung
der Information, welchen Schaltzustand das Halbleiterschaltelement 1 annehmen
soll. Die Treiberschaltung 5 ist dazu ausgebildet, das
Halbleiterschaltelement 1 leitend anzusteuern, wenn Energie übertragen
wird, was gleichbedeutend damit ist, dass das Schaltsignal Sin einen
Einschaltpegel annimmt, und das Halbleiterschaltelement 1 sperrend
anzusteuern, wenn keine Energie übertragen
wird, was gleichbedeutend damit ist, dass das Schaltsignal Sin einen
Ausschaltpegel annimmt.
-
3 zeigt
ein einfach zu realisierendes Beispiel einer Treiberschaltung 5.
Diese Treiberschaltung umfasst lediglich einen ohmschen Widerstand 55,
der zwischen die Eingangsklemmen 51, 52 und die
Ausgangsklemmen 53, 54 geschaltet ist, wobei eine
erste 51 der Eingangsklemmen und eine erste 53 der
Ausgangsklemmen unmittelbar elektrisch leitend miteinander verbunden
sind und eine zweite 52 der Eingangsklemmen und eine zweite 54 der
Ausgangsklemmen unmittelbar elektrisch leitend miteinander verbunden
sind. Die erste Versorgungsspannung V4 dient bei dieser Treiberschaltung 5 unmittelbar
als Ansteuerspannung V5. Das Halbleiterschaltelement 1 ist
dabei dann leitend angesteuert, wenn diese erste Versorgungsspannung
V4 oberhalb einer Einsatzspannung des Halbleiterschaltelement 1 liegt. Man
macht sich hierbei zu Nutze, dass die erste Versorgungsspannung
V4 auf einem oberen Spannungspegel gehalten wird, solange Energie
von der Primärseite
auf die Sekundärseite übertragen
wird. Dieser Spannungspegel ist in erläuterter Weise abhängig von
der am Ausgang des Transformators 3 anliegenden Transformatorausgangsspannung
V3 und von der verwendeten Akkumulationsschaltung 4. Sobald
keine Energie mehr übertragen
wird, wenn das Schaltsignal Sin also einen Ausschaltpegel annimmt,
sinkt die erste Versorgungsspannung V4 ab, indem die Akkumulationsschaltung 4 über den
Widerstand 55 der Treiberschaltung entladen wird. Eine Verzögerungsdauer
zwischen einem Pegelwechsel des Schaltsignals Sin und einem Absinken
der ersten Versorgungsspannung V4 ist dabei abhängig von einem durch Kapazitäten der
Akkumulationsschaltung 4 und dem Widerstand 55 gebildeten
RC-Glied.
-
4 zeigt
ein weiteres Beispiel einer Treiberschaltung 5. Bei dieser
Treiberschaltung 5 ist eine Laststrecke eines Transistors,
in dem Beispiel eines p-Transistors 57 zwischen die Ausgangsklemmen 53, 54 der
Treiberschaltung 5 geschaltet. Die Treiberschaltung 5 umfasst
außerdem
ein Gleichrichterelement 56, wie z. B. eine Diode, das
in Flussrichtung zwischen die erste Eingangsklemme 51 und
die erste Ausgangsklemme 53 geschaltet ist, sowie den bereits
zuvor anhand von 3 erläuterten Widerstand 55,
der zwischen die erste und zweite Eingangsklemme 51, 52 geschaltet
ist, und der dazu dient, die erste Versorgungsspannung V4 zu verringern,
wenn bei einem Ausschaltpegel des Schaltsignals Sin keine elektrische
Energie mehr übertragen
wird. Der Transistor 57 ist angesteuert durch das Gleichrichterelement 56,
das zwischen dessen Emitter und Basisanschluss geschaltet ist. Sinkt
bei dieser Schaltungsanordnung die erste Versorgungsspannung V4
soweit gegenüber
der Ausgangsspannung V5 ab, dass die Spannungsdifferenz der Einsatzspannung
des Transistors 57 entspricht, so wird der Transistor 57 leitend angesteuert
um in entsprechender Weise auch die Ausgangsspannung V5 abzusenken.
-
In
diesem Zusammenhang ist anzumerken, dass MOSFET oder IGBT eine Gate-Source-Kapazität Cgs aufweisen
(in 4 gestri chelt dargestellt) aufweisen, die entladen
werden muss, um das Halbleiterschaltelement 1 sperrend
anzusteuern. Über den
Transistor 57 kann diese Gate-Source-Kapazität bei absinkender
erster Versorgungsspannung V4 schneller entladen werden, als bei
der Schaltungsanordnung gemäß 3,
bei der diese Entladung über den
Widerstand 55 erfolgen muss.
-
5 zeigt
ein weiteres Beispiel einer Treiberschaltung 5 zur Bereitstellung
der Ansteuerspannung V5 aus der ersten Versorgungsspannung V4. Diese
Ansteuerschaltung 5 gemäß 5 weist
ein erstes Halbleiterschaltelement 61 auf, dessen Laststrecke
zwischen die Ausgangsklemmen 52, 54 der Treiberschaltung 5 geschaltet
ist. Dieses Halbleiterschaltelement 61 ist in dem dargestellten
Beispiel als npn-Bipolartransistor realisiert, kann selbstverständlich jedoch
ein beliebiges Halbleiterschaltelement, insbesondere auch ein MOS-Transistor
sein. Dieses erste Halbleiterschaltelement 61 ist durch
eine Logikschaltung 62 angesteuert. Diese Logikschaltung 62 weist
einen Eingang 63 zur Zuführung eines Eingangssignals
S62, einen Ausgang 64 zur Bereitstellung eines Ansteuersignals
S64 für
das erste Halbleiterschaltelement 61 sowie Spannungsversorgungseingänge 65, 66 zur
Zuführung
einer Versorgungsspannung auf.
-
Die
Spannungsversorgung der Logikschaltung 62 kann unmittelbar
durch die erste Versorgungsspannung V4 erfolgen, d. h. die Spannungsversorgungsanschlüsse 65, 66 können unmittelbar zwischen
die Eingangsanschlüsse 51, 52 bzw.
die Ausgangsanschlüsse 53, 54 der
Treiberschaltung 5 geschaltet sein. Optional besteht die
Möglichkeit, eine
Pufferkapazität
bzw. Stützkapazität 67 (gestrichelt
dargestellt) vorzusehen, die in Reihe zu einen Gleichrichterelement 68 (ebenfalls
gestrichelt dargestellt), wie z. B. eine Diode, zwischen die Eingangsklemmen 51, 52 geschaltet
ist. Das Gleichrichterelement 68 und die Pufferkapazität 67 funktionieren
bei dieser Schaltung nach Art eines Spitzenwertgleichrichters, wobei
das Gleichrichterelement 68 eine Entladung der Pufferkapazität 67 über die
Eingangsklemme 51, 52 verhindert, wenn die erste
Versorgungsspannung V4 absinkt. Die Spannungsversorgung der Logikschaltung 62 erfolgt
in diesem Fall über
die Pufferkapazität 67,
die Spannungsversorgungsanschlüsse 65, 66 sind
also an diese Pufferkapazität 67 angeschlossen.
-
Das
erste Halbleiterschaltelement 61 ist zwischen die Eingangsklemmen 51, 52 bzw.
parallel zu der Pufferkapazität 67 geschaltet.
Der Schaltzustand dieses ersten Halbleiterschaltelements 1 bestimmt unmittelbar
den Wert der Ansteuerspannung V5. Sperrt dieses erste Halbleiterschaltelement 61,
so entspricht die Ansteuerspannung V5 der Spannung über der
Pufferkapazität 67 bzw.
der ersten Versorgungsspannung V4 (wenn keine Pufferkapazität 67 vorhanden
ist). Leitet dieses erste Halbleiterschaltelement 61, so
ist die Ansteuerspannung V5 annähernd
Null bzw. kleiner als eine zur leitenden Ansteuerung des Halbleitererschaltelements
erforderliche Spannung, und das durch die Ansteuerschaltung angesteuerte
Halbleiterschaltelement (1 in 1) sperrt.
Sowohl bei vorhandener als auch bei nicht vorhandener Pufferkapazität wird die
Ansteuerspannung aus der ersten Versorgungsspannung erzeugt.
-
Das
der Logikschaltung 62 zugeführte Eingangssignal 562 enthält eine
Information darüber,
ob Energie von der Primärseite
auf die Sekundärseite des
Transformators übertragen
wird, und enthält
damit eine Information über
den Signalpegel des Schaltsignals Sin. Als Eingangssignal S62 der
Logikschaltung 62 dient beispielsweise die erste Versorgungsspannung
V4.
-
6 zeigt
ein Beispiel einer Logikschaltung 62, die zur Erzeugung
des Ausgangssignals S64 die erste Versorgungsspannung V4 auswertet.
Das Ausgangssignal S64 kann einen Einschaltpegel, bei dem das erste
Halbleiterschaltelement 61 leitet, und einen Ausschaltpegel,
bei dem das erste Halbleiterschaltelement 61 sperrt, annehmen.
Die in 6 dargestellte Logikschaltung 62 ist
dazu ausgebildet, einen Einschaltpegel des Ausgangssignals S64 zu
erzeugen, wenn die erste Versorgungsspannung V4 einen vorgegebenen
ersten Referenzwert Vref1 übersteigt, und
einen Ausschaltpegel des Ausgangssignals S64 zu erzeugen, wenn die
erste Versorgungsspannung V4 einen zweiten Spannungspegel Vref2
unterschreitet. Der zweite Spannungspegel Vref2 ist dabei insbesondere
kleiner als der erste Spannungspegel Vref1. Zur Erzeugung des Ausgangssignals
S64 weist die Logikschaltung 62 beispielsweise ein Flip-Flop 621,
das durch einen ersten Komparator 622 gesetzt und einen
zweiten Komparator 624 zurückgesetzt werden kann. Der
erste Komparator 622 vergleicht die erste Versorgungsspannung
V4 mit dem durch eine erste Referenzspannungsquelle 623 bereitgestellten
ersten Spannungsschwellenwert Vref1 und setzt das Flip-Flop, wenn
die erste Versorgungsspannung V4 diesen ersten Schwellenwert Vref1 übersteigt.
Der zweite Komparator 624 vergleicht die erste Versorgungsspannung
V4 mit dem zweiten Schwellenwert Vref2, der durch eine zweite Referenzspannungsquelle 625 bereitgestellt
wird. Der zweite Komparator 624 setzt das Flip-Flop 621 zurück, wenn
die erste Versorgungsspannung V4 unter diesem zweiten Schwellenwert
Vref2 absinkt. Eine Versorgungsspannung V4, die oberhalb des ersten
Schwellenwertes Vref1 liegt, dient bei der dargestellten Logikschaltung 62 als
Hinweis auf eine momentan stattfindende Energieübertragung, also auf einen
Einschaltpegel des Schaltsignals Sin. In diesem Fall soll die Ansteuerspannung
V5 bezugnehmend auf 5 der ersten Versorgungsspannung
V4 bzw. der Spannung über
der Pufferkapazität 67 entsprechen.
Das erste Halbleiterschaltelement 61 soll also sperren.
Das Ausgangssignal S64 ist bei der in 6 dargestellten
Logikschaltung 62 das Signal am invertierenden Ausgang
Q' des Flip-Flops 621,
das bei gesetztem Flip-Flop einen Low-Pegel bzw. Ausschaltpegel
annimmt und dadurch das erste Halbleiterschaltelement 61 sperrt.
Dieses Ausgangssignal des Flip-Flops 621 kann optional
durch eine Treiberschaltung 626 verstärkt werden.
-
Ein
Absinken der ersten Versorgungsspannung V4 unter den zweiten Referenzwert
Vref2 dient bei der in 6 darge stellten Logikschaltung 62 als Hinweis
darauf, dass momentan keine Energieübertragung stattfindet, dass
das Schaltsignal Sin also einen Low-Pegel annimmt. In diesem Fall
wird das Flip-Flop 621 zurückgesetzt, wodurch das Ausgangssignal
S64 einen High-Pegel bzw. einen Einschaltpegel annimmt und dadurch
das erste Halbleiterschaltelement 61 leitend ansteuert,
um die Ansteuerspannung V5 zu Null zu setzen.
-
Die Überwachung
der ersten Versorgungsspannung V4 zur Ermittlung des Signalzustandes des
Schaltsignals Sin kann vergleichsweise lange Verzögerungszeiten
mit sich bringen, da ein Absinken der ersten Versorgungsspannung
V4 ein Entladen der in der Akkumulationsschaltung 4 vorhandenen
Kapazitäten
erfordert. Bezugnehmend auf 7 ist bei
einem weiteren Beispiel vorgesehen, eine Information über den
Signalzustand des Schaltsignals Sin aus der Ausgangsspannung V3
des Transformators abzuleiten. Diese Transformatorausgangsspannung
V3 ist eine oszillierende Spannung, wenn das Schaltsignal Sin einen
Einschaltpegel annimmt, und ist sonst Null.
-
Die
Logikschaltung 62 gemäß 7 ist
dazu ausgebildet, zu detektieren, ob die Transformatorausgangsspannung
V3 eine oszillierende Spannung oder eine Gleichspannung bzw. Null
ist. Ist die Transformatorausgangsspannung V3 eine oszillierende Spannung,
so nimmt das Ausgangssignal S64 einen Ausschaltpegel bzw. Low-Pegel
an, um das erste Halbleiterschaltelement 61 sperrend anzusteuern.
Ist die Transformatorausgangsspannung Null, so nimmt das Ausgangssignal
S64 einen Einschaltpegel bzw. High-Pegel an, um das erste Halbleiterschaltelement 61 leitend
anzusteuern. Zu Detektion des Signalverlaufs der Transformatorausgangsspannung
V3 umfasst die dargestellte Logikschaltung 62 eine Reihenschaltung
mit einer Kapazität 627 und
einem Gleichrichterelement 629, über der die Transformatorausgangsspannung
V3 anliegt, sowie einen parallel zu der Kapazität 627 geschalteten
Widerstand 628. Solange die Transformatorausgangsspannung
V3 eine oszillierende Spannung ist, wird die Kapazität 627 über das
Gleichrichterelement regelmä ßig auf
den Spitzenwert der Transformatorausgangsspannung V3 aufgeladen
und durch den Widerstand 628 wieder teilweise entladen.
Das Gleichrichterelement 629 stellt sicher, dass die Kapazität 627 nur über den
Widerstand 628 entladen werden kann. Sinkt die Transformatorausgangsspannung
V3 auf Null ab, so wird auch die Kapazität 627 auf Null entladen.
In diesem Zusammenhang sei angemerkt, dass die Kapazität 627 dieser
Logikschaltung 62 hinsichtlich des Kapazitätswertes
deutlich kleiner gewählt
werden kann, als die Kapazitäten
der Akkumulationsschaltung 4, so dass bei einem Absinken
der Transformatorausgangsspannung V3 auf Null diese Kapazität 627 deutlich
schneller entladen werden kann. Darüber hinaus kann auch der Widerstand 628 vergleichsweise klein
sein. Bei der Dimensionierung dieser beiden Schaltungskomponenten 627, 628 ist
lediglich sicher zu stellen, dass die Kapazität 627 nicht bereits
während
einer Periode der oszillierenden Transformatorausgangsspannung V3
bis auf den noch zu erläuternden
Schwellenwert Vref2 entladen wird.
-
An
die Kapazität 627 ist
eine Auswerteschaltung angeschlossen, die der anhand von 6 erläuterten
Auswerteschaltung zur Auswertung der ersten Versorgungsspannung
V4 entspricht. Bei der Logikschaltung 62 gemäß 7 dient
diese Auswerteschaltung dazu, die über der Kapazität 627 anliegende
Spannung auszuwerten und ein Einschaltsignal des Ausgangssignals
S64 zu erzeugen, wenn diese Spannung unter den zweiten Referenzwert
Vref2 absinkt. Ein Ausschaltpegel dieses Ausgangssignals S64 wird
erzeugt, sobald die Spannung über
Kapazität 627 über den
ersten Referenzwert Vref1 ansteigt. Der erste und der zweite Referenzwert
können
bei dieser Auswerteschaltung gleich sein und können sich hinsichtlich ihres
Wertes von den Referenzwerten Vref1, Vref2 der Schaltung gemäß 6 unterscheiden.
In diesem Zusammenhang sei erwähnt, dass
das Flip-Flop 621 bei den Schaltungen gemäß der 6 und 7 beispielsweise
ein positiv-flankengetriggertes Flip-Flop pegelgetriggertes Flip-Flop ist.
-
8 zeigt
ein weiteres Beispiel einer Ansteuerschaltung zur Erzeugung der
Ansteuerspannung V5 für
das Halbleiterschaltelement 1. Diese Ansteuerschaltung
umfasst eine erste Spannungsversorgungsschaltung zur Bereitstellung
einer ersten Versorgungsspannung V41 und
eine zweite Spannungsversorgungsschaltung zur Bereitstellung einer zweiten
Versorgungsspannung V42. Die beiden Spannungsversorgungsschaltungen
sind entsprechend der zuvor anhand von 1 erläuterten
Spannungsversorgungsschaltung realisiert und umfassen jeweils einen
Oszillator, einen dem Oszillator nachgeschalteten Transformator
sowie eine dem Transformator nachgeschaltete Akkumulationsschaltung. In 8 sind
die einzelnen Komponenten der Spannungsversorgungsschaltungen mit
gleichen Bezugszeichen wie in 1 bezeichnet,
wobei der tiefgestellte Index ”1” die Komponenten
der ersten Spannungsversorgungsschaltung und der tiefgestellte Index ”2” die Komponenten
der zweiten Spannungsversorgungsschaltung bezeichnet. Hinsichtlich
der Eigenschaften und der Realisierung der einzelnen Komponenten
dieser Spannungsversorgungsschaltungen gelten die zuvor im Zusammenhang
mit 1 bereits gemachten Ausführungen.
-
Der
erste Oszillator 21 der ersten
Spannungsversorgungsschaltung und der zweite Oszillator 22 der zweiten Spannungsversorgungsschaltung sind
jeweils durch das Schaltsignals Sin, jedoch komplementär zueinander
angesteuert. Zu einem Zeitpunkt liefert also nur jeweils einer dieser
Oszillatoren 21 , 22 ein
oszillierendes Ausgangssignal, d. h. während eines Zeitpunkts wird
Energie nur in einer der beiden Spannungsversorgungsschaltungen
von der Primärseite
zur Sekundärseite
des jeweiligen Transformators 31 , 32 übertragen.
Das Schaltsignals Sin ist zu diesem Zweck einer der beiden Spannungsversorgungsschaltungen – in dem
Beispiel der ersten Spannungsversorgungsschaltung – direkt,
und der anderen der beiden Spannungsversorgungsschaltungen – in dem
Beispiel der zweiten Spannungsversorgungsschaltung – invertiert über einen
Inverter 7 zugeführt.
-
Die
erste und zweite Versorgungsspannung V41,
V42 sind der Treiberschaltung 5 zugeführt, die abhängig von
diesen Versorgungsspannungen V41, V42 die Ansteuerspannung V5 für das Halbleiterschaltelement 1 erzeugt.
Diese Versorgungsspannungen V41, V42 sind in dem dargestellten Beispiel auf
ein gemeinsames Bezugspotenzial, d. h. in dem dargestellten Beispiel
auf das elektrische Potenzial der zweiten Eingangsklemme 52 der
Treiberschaltung 5 bezogen, an die die zweiten Ausgangsklemmen 441 , 442 der
Akkumulationsschaltungen 41 , 42 gemeinsam angeschlossen sind. Die
ersten Ausgangsklemmen 431 , 432 der Akkumulationsschaltungen 41 , 42 sind
an zwei separate Eingänge
der Treiberschaltung 5 angeschlossen, die in 8 mit 511 , 512 bezeichnet
sind. Und die nachfolgend als erste und zweite Versorgungsspannungseingänge 511 512 bezeichnet
werden.
-
Bei
der in 8 dargestellten Ansteuerschaltung liegt eine oszillierende
Spannung zu einem Zeitpunkt gesteuert durch das Schaltsignal Sin
nur an einem der beiden Transformatoren 31, 32 an. Hierzu wird bei der dargestellten
Ansteuerschaltung jeweils einer der beiden Oszillatoren 21 , 22 abgeschaltet. 9 zeigt
ausschnittsweise eine gegenüber
der Ansteuerschaltung gemäß 8 abgewandelte
Schaltungsanordnung mit gleicher Funktionalität. Die in 9 dargestellte
Schaltungsanordnung unterscheidet sich von der in 8 dargestellten
dadurch, dass nur ein Oszillator 2 vorhanden ist, der dauerhaft
angesteuert ist, und dass die Oszillatorausgangsspannung V2 nach
Maßgabe
des Schaltsignals Sin über einen
Umschalter 10, wie z. B. einen Multiplexer, dem ersten
Transformator 21 der ersten Spannungsversorgungsschaltung
oder dem zweiten Transformator 32 der
zweiten Spannungsversorgungsschaltung zugeführt ist. Entsprechend der in 8 dargestellten Ansteuerschaltung
liegt bei einem Einschaltpegel des Schaltsignals Sin eine oszillierende
Spannung am ersten Transformator 31 und
bei einem Ausschaltpegel des Schaltsignals Sin am zweiten Transformator 32 an.
-
10 zeigt
ein Beispiel einer Treiberschaltung 5 der Ansteuerschaltung
gemäß 8.
Diese Treiberschaltung 5 umfasst ein Halbleiterschaltelement 71 mit
einer Laststrecke, die zwischen die Ausgangsklemmen 53, 54 bzw.
den ersten Versorgungsspannungseingang 511 und
die zweite Eingangsklemme 52 der Treiberschaltung 5 geschaltet
ist. Dieses Halbleiterschaltelement 71 ist beispielsweise
ein MOS-Transistor (wie dargestellt) kann jedoch auch ein beliebiger
anderer Transistor, wie z. B. ein Bipolartransistor, sein. Dieses
erste Halbleiterschaltelement 71 ist angesteuert durch
die zweite Versorgungsspannung V42. Ein
Ansteueranschluss, in dem dargestellten Beispiel ein Gateanschluss,
des ersten Halbleiterschaltelements 71 ist hierzu an den
zweiten Versorgungsspannungseingang 512 der
Treiberschaltung 5 angeschlossen. Optional ist ein Widerstand 22 zwischen
den zweiten Versorgungsspannungseingang 512 und
die zweite Eingangsklemme 52 geschaltet.
-
Die
zweite Versorgungsspannung V42 erfüllt bei
der in 10 dargestellten Treiberschaltung 5 die Funktion
eines Ausschaltsignals. Übersteigt
dieses zweite Versorgungsspannung V42 den
Wert einer Einsatzspannung des ersten Halbleiterschaltelements 71,
so wird das erste Halbleiterschaltelement 71 leitend angesteuert,
wodurch die Ansteuerspannung V5 auf Null oder zumindest auf einen
Wert unterhalb der Einsatzspannung des die Last Z schaltenden Halbleiterschaltelements 1 absinkt.
Eine leitende Ansteuerung des die Last schaltenden Halbleiterschaltelements 1 erfolgt
bei der dargestellten Schaltungsanordnung dann, wenn die erste Ansteuerspannung
V41 größer ist
als die Einsatzspannung des Halbleiterschaltelements 1 und
die zweite Versorgungsspannung V42 kleiner
ist als die Einsatzspannung des ersten Halbleiterschaltelements 71.
-
11 zeigt
ein weiteres Beispiel einer Treiberschaltung für die Ansteuerschaltung gemäß 8.
Diese Treiberschaltung unterscheidet sich von der in 10 dargestellten
da durch, dass das zur Ansteuerung des ersten Halbleierschaltelements 71 eine
Logikschaltung 73 vorhanden ist. Diese Logikschaltung 73 weist
in dem dargestellten Beispiel zwei Eingänge 741 . 742 zur Zuführung der ersten und zweiten
Versorgungsspannungen V41, V42,
einen Ausgang 75 zur Bereitstellung eines Ansteuersignals für das erste
Halbleitreschaltelement 71, sowie Spannungsversorgungsanschlüsse 76, 77 auf.
Eine Spannungsversorgung dieser Logikschaltung 73 kann
durch eine beliebige der beiden Versorgungsspannungen V41, V42 erfolgen.
Optional ist eine Pufferkapazität 78 vorhanden,
die über
ein erstes Gleichrichterelement 791 an
die erste Versorgungsspannung V41 angeschlossen
ist und/oder die durch ein zweites Gleichrichterelement 792 an die zweite Versorgungsspannung
V42 angeschlossen ist. In diesem Fall erfolgt
die Spannungsversorgung der Logikschaltung 73 über die
Pufferkapazität 78.
Bei sperrendem ersten Halbleiterschaltelement 71 entspricht die
Ansteuerspannung V5 der Spannung über der Pufferkapazität 78.
Diese Spannung entspricht jeweils dem Spitzenwert einer der beiden
Versorgungsspannungen V41, V42.
-
Die
in 11 dargestellte Logikschaltung 73 ist
dazu ausgebildet, die erste und zweite Versorgungsspannung V41, V42 auszuwerten
und erzeugt beispielsweise ein Ausschaltsignal für das erste Halbleiterschaltelement 71,
wenn die erste Versorgungsspannung V41 über einen
vorgegebenen ersten Referenzwert ansteigt. Die Ansteuerspannung V5
entspricht in diesem Fall der ersten Versorgungsspannung V41 oder der Spannung über der Pufferkapazität 78.
Die Logikschaltung 73 ist außerdem dazu ausgebildet, einen
Einschaltpegel des ersten Halbleiterschaltelements 71 zu
erzeugen, wenn die zweite Versorgungsspannung V42 über eine
zweiten Referenzwert ansteigt, der hinsichtlich seines Betrags dem
ersten Referenzwert entsprechen kann. Das erste Halbleiterschaltelement 71 ist
in diesem Fall leitend angesteuert, so dass die Ansteuerspannung
V5 wenigstens annähernd
Null ist.
-
Die
Auswertung der Versorgungsspannungen V41,
V42 und die Erzeugung des Ansteuersignals S75
kann analog der Logikschaltung 62 gemäß 6 mittels
Referenzspannungsquellen, Komparatoren und einem Flip-Flop erfolgen.
-
Entsprechend
der anhand von 7 erläuterten Logikschaltung 62 kann
die Logikschaltung 73 gemäß 11 auch
dazu ausgebildet sein, das Ansteuersignal S75 abhängig von
den Transformatorausgangsspannungen (V31,
V32 in 8) zu erzeugen.
Diese Logikschaltung ist dann beispielsweise so ausgebildet, dass
sie einen Ausschaltpegel des Ausgangssignals S75 erzeugt, wenn eine
oszillierende Spannung V31 am Ausgang des
ersten Transformators 31 detektiert
wird, und dass sie einen Einschaltpegel des Ausgangssignal S75 erzeugt,
wenn eine oszillierende Spannung V32 am
Ausgang des zweiten Transformators 32 detektiert
wird. Eine Detektion einer oszillierenden Spannung kann entsprechend der
Ausführungen
zu 7 über
eine Detektionsschaltung erfolgen, die eine Kapazität, einen
Widerstand und ein Gleichrichterelement (627, 628, 629 in 7)
umfasst.
-
Bei
den zuvor erläuterten
Ansteuerschaltungen ist die Ansteuerspannung V5 bezogen auf die zweite
Ausgangsklemme 54 entweder eine positive Spannung oder
Null. Um ein rasches Schalten des Halbleiterschaltelements 1 zu
gewährleisten,
kann es jedoch wünschenswert
sein, als Ansteuerspannung V5 bezogen auf die zweite Ausgangsklemme 54 entweder
eine positive Spannung oder eine negative Spannung zur Verfügung zu
stellen.
-
12 zeigt
schematisch die grundsätzliche Funktionsweise
einer Treiberschaltung 5, der eine bezogen auf das Potential
der zweiten Ausgangklemme 54 positive erste Versorgungsspannung
V4+ und eine bezogen auf das Potential dieser zweiten Ausgangsklemme 54 negative
Versorgungsspannung V4– zugeführt sind.
Die Treiberschaltung 5 ist dazu ausgebildet, wahlweise
eine dieser Versorgungsspannungen V4+, V4– bzw. eine von diesen Versorgungsspannungen
V4+, V4– abhängig Spannung
an die erste Ausgangsklemme 53 anzulegen, um dadurch wahlweise
eine positive oder eine negative Ansteuerspannung V5 zu erzeugen.
-
13 zeigt
ein Realisierungsbeispiel einer Treiberschaltung 5, die
zur Erzeugung einer positiven oder negativen Ansteuerspannung V5
geeignet ist. Diese Treiberschaltung 5 entspricht der anhand
von 5 erläuterten
Treiberschaltung mit dem Unterschied, dass die zweite Eingangsklemme 52 nicht
an die zweite Ausgangsklemme 54 angeschlossen ist und dass
ein erstes Halbleiterschaltelement 611 zwischen
die erste Eingangsklemme 51 und die erste Ausgangsklemme 53 und
ein zweites Halbleiterschaltelement 612 zwischen
die zweite Eingangsklemme 52 und die Ausgangsklemme 53 geschaltet ist.
Diese ersten und zweiten Halbleiterschaltelemente 611 , 612 sind
komplementär
zueinander angesteuert. Diese beiden Halbleiterschaltelemente 611 , 612 sind
zu diesem Zweck komplementäre
Transistoren, in dem dargestellten Beispiel pnp- und npn-Bipolartransistoren,
die durch ein gemeinsames Ansteuersignal angesteuert sind. Leitet
in dem dargestellten Beispiel das erste Halbleiterschaltelement 611 so liegt die positive Versorgungsspannung
als Ansteuerspannung V5 an, und leitet das zweite Halbleiterschaltelement 612 so liegt die negative Versorgungsspannung
V4– als
Ansteuerspannung V5 an. Die Erzeugung eines Ansteuersignals S64
für die
beiden Halbleiterschaltelement 611 , 612 erfolgt durch eine Logikschaltung 62,
die der anhand der 6 und 7 bereits
erläuterten
Logikschaltung 62 entsprechen kann und die das Ansteuersignal
S64 beispielsweise abhängig
von der zwischen den Eingangsklemmen 51, 52 anliegenden
Versorgungsspannung V4 oder abhängig
von der Transformatorausgangsspannung V3 erzeugt.
-
Bezugnehmend
auf 14 können
eine positive und eine negative Versorgungsspannung V4+, V4– durch
eine einzige Akkumulationsschaltung 4 erzeugt werden. Diese
Akkumulationsschaltung 4 gemäß 14 unterscheidet
sich von der anhand von 2 erläuterten Akkumulationsschaltung 4 dadurch,
dass sie eine Referenzpotenzialklemme 49 aufweist, die
durch einen Mittenabgriff der Reihenschaltung der zweiten Kapazitäten gebildet
ist. Zwischen der ersten Ausgangsklemme 43 und dieser Referenzpotenzialklemme 49 liegt
in diesem Fall eine positive Versorgungsspannung V4+, und zwischen
der zweiten Ausgangsklemme 44 und der Referenzpotenzialklemme 49 liegt
in diesem Fall eine negative Versorgungsspannung V4– an. Die
Summe dieser beiden Spannungen entspricht der Ausgangsspannung V4.
Die Referenzpotenzialklemme 49 ist an den zweiten Ausgangsanschluss 54 der
Treiberschaltung 5 bzw. den zweiten Laststreckenanschluss bzw.
Sourceanschluss des Halbleiterschaltelements 1 angeschlossen.
Diese Referenzpotenzialklemme 49 ist in 13 dargestellt.
Das Verhältnis
der Beträge
zwischen der positiven Versorgungsspannung V4+ und der negativen
Versorgungsspannung V4– kann über die
Position des Mittenabgriffs in der Reihenschaltung der zweiten Kapazitäten eingestellt werden.
Je näher
dieser Mittenabgriff an der zweiten Ausgangsklemme 44 liegt,
umso kleiner ist der Betrag der negativen Spannung V4+ bezogen auf
den Betrag der positiven Spannung V4+. Bei drei Kapazitäten kann
der Betrag der negativen Spannung V4– – wie im dargestellten Beispiel – so eingestellt
werden, dass er 50% des Betrags der positiven Spannung V4+ entspricht.
-
15 zeigt
ein weiteres Beispiel einer Ansteuerschaltung, in der bezogen auf
die zweite Ausgangsklemme 54 der Treiberschaltung 5 ein
positives Versorgungspotenzial V4+ und ein negatives Versorgungspotenzial
V4– erzeugt
werden. Diese Ansteuerschaltung umfasst zwei Spannungsversorgungsschaltungen,
die jeweils entsprechend der anhand von 1 erläuterten
Spannungsversorgungsschaltung aufgebaut sind, die also jeweils einen
Oszillator 21 , 22 ,
einen dem Oszillator nachgeschalteten Transformator 31 , 32 und
eine dem Transformator nachgeschaltete Akkumulationsschaltung 41 , 42 aufweisen. Gleiche
Komponenten sind in 15 mit gleichen Bezugszeichen
wie in 1 bezeichnet, wobei zur Unterscheidung der beiden
Spannungsversorgungsschaltungen die Komponenten der ersten Spannungsversorgungsschaltung
mit dem tiefgestellten Index ”1” und die
Komponenten der zweiten Spannungsversorgungsschaltung mit dem tiefgestellten Index ”2” bezeichnet
sind. Die zweite Ausgangsklemme 441 der
ersten Akkumulationsschaltung 41 und
die erste Ausgangsklemme 432 der
zweiten Akkumulationsschaltung 42 sind
an einen gemeinsamen Schaltungsknoten 45 angeschlossen,
der einen Referenzpotenzialknoten bildet, auf den die Ausgangsspannungen
der ersten und zweiten Spannungsversorgungsschaltung bezogen sind.
Die Ausgangsspannung V4+ der ersten Spannungsversorgungsschaltung
ist hierbei bezogen auf diesen Referenzpotenzialknoten 45 eine
positive Spannung, während
die Ausgangsspannung V4– der
zweiten Spannungsversorgungsschaltung bezogen auf diesen Referenzpotenzialknoten 45 eine
negative Spannung ist. Dieser Referenzpotenzialknoten 45 ist
an die zweite Ausgangsklemme 54 der Treiberschaltung 5 angeschlossen,
bzw. bildet diese zweite Ausgangsklemme 54.
-
Die
Treiberschaltung 5 der Ansteuerschaltung gemäß 15 kann
entsprechend der Treiberschaltung 5 gemäß 13 realisiert
sein. Die Oszillatoren 21 , 22 können
in diesem Fall gemeinsam durch das Schaltsignal Sin angesteuert
sein, wobei die Logikschaltung (62 in 13)
beispielsweise die erste Ausgangsspannung V4+ oder die erste Transformatorausgangsspannung
V31 auswertet, um den Schaltzustand des
Schaltsignals Sin zu ermitteln. Alternativ kann die Logikschaltung 62 selbstverständlich auch
die zweite Ausgangsspannung V4– oder
die zweite Transformatorausgangsspannung V32 auswerten.
Bei gleicher Ansteuerung der beiden Oszillatoren 21 , 22 verhalten sich sowohl die Ausgangsspannung
V4+, v4– als
auch die Transformatorausgangsspannung V31 V32 abhängig
von dem Schaltsignal Sin in gleicher Weise.
-
Alternativ
besteht die Möglichkeit,
bei der Ansteuerschaltung gemäß 15 die
beiden Oszillatoren 21 , 22 komplementär zueinander anzusteuern. Dies
kann dadurch erfolgen, dass das Schaltsignal Sin einem der beiden
Oszillatoren 22 über einen
Inverter 7 zugeführt
ist, wie dies in 15 gestrichelt dargestellt ist
Alternativ besteht entsprechend der Ausführungen zu 9 auch
die Möglichkeit,
nur einen Oszillator vorzusehen und das Oszillatorausgangssignal
nach Maßgabe
des Schaltsignals Sin einem der beiden Transformatoren 31 , 32 zuzuführen. Bei
einer solchen Realisierung der beiden Spannungsversorgungsschaltungen
kann die Treiberschaltung 5 so realisiert werden, dass
sie zur Erzeugung der Ausgangsspannung V5 die erste und die zweite
Ausgangsspannung V4+, V4– auswertet.
Ein Beispiel einer solchen Treiberschaltung 5 ist in 16 dargestellt.
Diese Treiberschaltung weist entsprechend der in 13 dargestellten
Treiberschaltung zwei zueinander komplementäre Halbleiterschaltelemente 811 , 812 ,
von denen ein erster 811 zwischen
die erste Eingangsklemme 51 und die erste Ausgangsklemme 53 geschaltet
ist, und von denen ein zweiter zwischen die zweite Eingangsklemme 52 und
die erste Ausgangsklemme 53 geschaltet ist. Diese beiden
Halbleiterschaltelemente sind durch ein gemeinsames Ansteuersignal
S82 angesteuert. Die Erzeugung dieses Ansteuersignals S82 erfolgt
abhängig
von der positiven und negativen Versorgungsspannung V4+, V4–. Die Treiberschaltung 5 weist
zur Auswertung der positiven Versorgungsspannung V4+ eine erste
Auswerteeinheit 831 und zur Auswertung
der negativen Versorgungsspannung V4– eine zweite Auswerteeinheit 832 auf. Diese Auswerteeinheiten 831 , 832 steuern in dem dargestellten Beispiel ein
Flip-Flop 82 an, an dessen Ausgang das Ansteuersignal S82
zur Verfügung
steht.
-
Die
erste Auswerteeinheit 831 ist dazu
ausgebildet, das Flip-Flop 82 zu
setzen, wenn die positive Versorgungsspannung V4+ an den vorgegebenen ersten
Referenzwert ansteigt. In diesem Fall leitet das erste Halbleiterschaltelement 811 , wodurch das positive Versorgungspotenzial
V4+ als Ansteuerspannung V5 ausgegeben wird. Die zweite Auswerteeinheit 832 ist dazu ausgebildet, die negative
Versorgungsspannung V4– auszuwerten
und das Flip-Flop 82 zurückzusetzen, wenn der Betrag
dieser Versorgungsspannung V4– einen
zweiten Referenzwert, der mit dem ersten Referenzwert betragsmäßig übereinstimmen
kann, ü bersteigt.
In diesem Fall leitet das zweite Halbleiterschaltelement 812 , wodurch die negative Versorgungsspannung
als Ansteuerspannung V5 ausgegeben wird. Nicht dargestellt ist in 16 eine
Spannungsversorgungsschaltung für die
Ansteuereinheiten 831 , 832 und das Flip-Flop 82. Eine
solche Ansteuerschaltung kann selbstverständlich vorhanden sein und beispielsweise
entsprechend der Ausführungen
zu 11 durch eine Pufferkapazität und zwei Gleichrichterelemente
realisiert sein.
-
Anstatt
die positive und die negative Versorgungsspannung V4+, V4– auszuwerten,
können
die Ansteuereinheiten 831 , 832 auch so realisiert sein, dass die
die Transformatorausgangsspannung V31, V32 auswerten, wobei beispielsweise die positive Versorgungsspannung
an den Ausgang ausgegeben wird, wenn eine oszillierende Spannung
als erste Transformatorausgangsspannung V31 detektiert wird,
und die negative Versorgungsspannung an den Ausgang ausgegeben wird,
wenn eine oszillierende Spannung als zweite Transformatorausgangsspannung
V32 ausgegeben wird.
-
Bei
den zuvor erläuterten
Ansteuerschaltungen wird eine Versorgungsspannung lediglich durch eine
Spannungsversorgungsschaltung erzeugt, die einen Oszillator, einen
Transformator und eine Akkumulationsschaltung aufweist. Bezugnehmend
auf 17 besteht auch die Möglichkeit, eine Spannungsversorgungsschaltung 4 durch
Kaskadierung mehrerer Spannungsversorgungsschaltungen zu erzeugen. 17 zeigt
beispielhaft drei solcher Spannungsversorgungsschaltungen, die alle
entsprechend der Spannungsversorgungsschaltung gemäß 1 realisiert
sind und die derart kaskadiert sind, dass jeweils der zweite Ausgangsanschluss
der Akkumulationsschaltung einer Spannungsversorgungsschaltung an
den ersten Eingangsanschluss der Akkumulationsschaltung einer nächsten Spannungsversorgungsschaltung
angeschlossen ist. Die Versorgungsspannung V4 ist in diesem Fall
zwischen dem ersten Ausgangsanschluss der Akkumulationsschaltung 41 der ersten Spannungsversorgungs schaltung
der Kaskade und dem zweiten Ausgangsanschluss der Akkumulationsschaltung 4n der letzten Spannungsversorgungsschaltung
der Kaskade abgreifbar. In einer solchen Schaltungsanordnung lassen
sich insbesondere mehrere Versorgungsspannungen mit unterschiedlichen
Amplituden erzeugen, indem Spannungen an Zwischenabgriffen der Kaskade
von Spannungsversorgungsschaltungen abgegriffen werden.
-
Abschließend sei
darauf hingewiesen, dass Merkmale die zuvor im Zusammenhang mit
nur einem Beispiel erläutert
wurden, auch dann mit Merkmalen anderer Beispiele kombiniert werden
können, wenn
dies nicht explizit erwähnt
wurde. So können insbesondere
Merkmale der nachfolgend angegebenen Ansprüche beliebig miteinander kombiniert
werden.