DE19506977A1 - Gate-Treiberschaltung - Google Patents
Gate-TreiberschaltungInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Gate-Treiber
schaltung für Gate-gesteuerte MOS-Bauteile und insbesondere auf
eine monolithische Gate-Treiberschaltung für Gate-gesteuerte
MOS-Schaltungsbauteile, insbesondere für solche, wie sie bei
Lampenvorschaltgeräteschaltungen verwendet werden.
Elektronische Vorschaltgeräte für Gasentladungs- oder Leucht
stofflampen finden weite Verbreitung, und zwar aufgrund der
Verfügbarkeit von MOSFET-Leistungsschalterbauteilen, die die
bisher verwendeten bipolaren Leistungstransistorbauteile erset
zen. Die meisten elektronischen Vorschaltgeräte verwenden zwei
MOSFET-Leistungsschalter in einer Totem-Pole-(Halbbrücken-)
Anordnung, wobei die Gasentladungslampen-Schaltungen aus L-C-Serienresonanzschaltungen
bestehen, in denen die Lampe oder
Lampen längs einer der Reaktanzen der L-C-Schaltung angeschaltet
sind. Die MOSFET-Leistungsschalter werden dann so angesteuert,
daß sie abwechselnd leiten, wobei die Steuerung durch Eingangs
signale von Sekundärwicklungen eines Stromtransformators er
folgt, dessen Primärwicklung den Strom der Lampenschaltungen
leitet. Der Primärwicklungsstrom wechselt mit der Resonanz
frequenz des Resonanzkreises.
Derartige bekannte Schaltungen weisen vielfältige Nachteile auf.
Beispiel hierfür sind folgende:
- 1. Die Schaltungen sind nicht selbststartend und er fordern ein Bauteil vom DIAC-(Triggerdioden-)Typ, um die Schaltung zu Anfang in Betrieb zu setzen.
- 2. Die Schaltungen weisen schlechte Schaltzeiten auf.
- 3. Die Schaltungen sind arbeitsaufwendig, insbesondere weil sie einen Ringkern-Stromtransformator erfordern.
- 4. Die Schaltungen sind nicht ohne weiteres für eine 5 Helligkeitssteuerung geeignet.
- 5. Die Schaltungen eignen sich nicht sehr gut für eine Herstellung in der Massenproduktion.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Treiberschaltung
der eingangs genannten Art zu schaffen, die die vorstehend ge
nannten Nachteile nicht aufweist.
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen
Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung
ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß wird eine neuartige monolithische MOS-Gate-
Treiberschaltung geschaffen, die die Ansteuerung von erdseitigen
und spannungsseitigen Leistungs-MOSFET′s oder Leistungs-IGBT′s
(oder irgendeines anderen Gate-gesteuerten MOS-Bauteil) durch
einen Logikpegel aufweisende, auf Erde bezogene Eingänge ermög
licht. Derartige Schaltungen sind gemäß einer bevorzugten Aus
führungsform besonders für die Ansteuerung von Gasentladungs
lampen-Vorschaltgeräten geeignet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann die MOS-Gate-
Treiberschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung zur Ansteue
rung von Lampen-Vorschaltgeräten oder allgemeiner zur Ansteue
rung von irgendeiner Gate-gesteuerten MOS-Schaltung verwendet
werden, wobei sich die folgenden Merkmale ergeben:
- 1. Die Treiberschaltung liefert Gate-Treiber- oder An steuerspannungssignale für zwei Gate-gesteuerte Leistungs-MOS- Halbleiterbauteile, wie zum Beispiel Leistungs-MOSFET′s oder Leistungs-IGBT′s, von denen eines als der "erdseitige Schalter" und der andere als der "spannungsseitige Schalter" bezeichnet wird. Die beiden Leistungsschalter sind üblicherweise in einer Totem-Pole- oder Halbbrücken-Schaltung miteinander verbunden.
- 2. Die Schaltung ergibt Pegelschieberschaltungen mit einer OFFSET-Spannungsmöglichkeit von bis zu 600 Volt, um auf Erde (Substrat) bezogene Signale über einen isolierten Abschnitt des Siliziumplättchens umzusetzen, um die Ansteuerfunktion des spannungsseitigen Schalters zu erleichtern.
- 3. Die Treiberschaltung weist folgende Teile auf: eine auf Erde (Substrat) bezogene Schaltung, die aus Vergleichern, einem Spannungsregler zur Steuerung der Größe der Ausgangssig nale, wenn der Treiber aus ungeregelten Gleichspannungsver sorgungen gespeist wird, Unterspannungs-Sperrschaltungen zur Verhinderung eines Grenzbereichsbetriebs der MOS-Leistungs schalter, sowohl des erdseitigen als auch des spannungsseitigen Schalters, eine Totbereichs-Verzögerungsschaltung, die das gleichzeitige Hindurchfließen von Strömen durch beide MOS-Leistungsschalter verhindert, und eine Logikfunktion, die es ermöglicht, daß die spannungsseitigen und erdseitigen Treiberausgänge einander auf einer 50%-Zeitbasis abwechseln.
- 4. Es ist ein zusätzlicher Logikausgang vorgesehen, so daß der Treiber eine Eigenschwingung bei einer Frequenz ausfüh ren kann, die durch externe Widerstände und Kondensatoren RT bzw. CT bestimmt ist, wobei die Schwingungsfrequenz F₀ durch die folgende Beziehung bestimmt ist:
- 5. Das monolithische Halbleiterplättchen kann in einem üblichen, 8 Stifte aufweisenden DIP- oder SMD-Gehäuse angeordnet werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand
der Zeichnungen noch näher erläutert.
In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 ein bekanntes elektronisches Vorschaltgerät unter
Verwendung einer Stromtransformator-Ansteuerung,
Fig. 2 ein verallgemeinertes elektronisches Vorschalt
gerät für Gasentladungslampen, das eine Ausführungsform der
erfindungsgemäßen monolithischen Schaltung verwendet,
Fig. 3 ein Schaltbild für ein Vorschaltgerät für zwei
40W-Leuchtstofflampen ("double 40"), das die Ausführungsform des
monolithischen MOS-Gate-Treibers gemäß der Erfindung verwendet,
Fig. 4 ein Schaltbild eines Vorschaltgerätes für
Hochdruck-Natriumlampen, wobei die Ausführungsform der MOS-Gate-
Treiberschaltung gemäß der Erfindung verwendet wird,
Fig. 5 ein Blockschaltbild der in den Fig. 2, 3 und 4
gezeigten Ausführungsform der monolithischen Gate-Treiberschal
tung gemäß der Erfindung.
Zunächst wird auf Fig. 1 Bezug genommen. In dieser Figur ist
ein bekanntes Vorschaltgerät gezeigt, das eine Stromtransfor
mator-Ansteuerung verwendet. Die Schaltung verwendet Leistungs-
MOSFET′s 20 und 21, die in einer "Totem-Pole"-, d. h. einer
Halbbrücken-Schaltung miteinander verbunden sind und aus einer
Gleichspannungsquelle an den Anschlüssen 22 und 23 gespeist
werden. Der Ausgangskreis schließt eine Gasentladungslampe 24
irgendeiner gewünschten Art ein, die mit einer Serien L-C-Schaltung
verbunden ist, die aus einer Induktivität 25 und
Kondensatoren 26, 27 besteht. Ein Stromtransformator 28 weist
eine Primärwicklung 29 in Serie mit der Lampe 24 und Sekundär
wicklungen 30, 31 auf, die mit den Gateelektroden der MOSFET′s
20 bzw. 21 verbunden sind. Ein DIAC oder eine Triggerdiode 32
ist zwischen dem Verbindungspunkt eines Widerstandes 33 und
eines Kondensators 34 und der Gate-Elektrode des MOSFET 21
angeschaltet, um einen Startimpuls zu liefern, um die Schwingung
der Schaltung zu starten. Nach dem Starten arbeitet die Schal
tung mit der Resonanzfrequenz der Induktivität 25 und des
Kondensators 26.
Im einzelnen wird, nachdem der MOSFET 21 eingeschaltet hat, eine
Schwingung aufrechterhalten, und eine hohe Frequenz (30-80 KHz)
erregt die L-C-Schaltung. Die sinusförmige Spannung längs des
Kondensators 27 wird durch die Güte Q der Schaltung im Resonanz
zustand vergrößert und entwickelt eine ausreichende Größe, um
die Lampe 24 zu zünden.
Die Schaltung nach Fig. 1 stellt ein Überbleibsel von bekannten
Vorschaltgerätekonstruktionen unter Verwendung bipolarer Tran
sistoren dar und ist aufgrund der schlechten Schwingungsform
nicht besonders gut für Leistungs-MOSFET′s geeignet. Das neu
artige monolithische Halbleiterplättchen gemäß der Erfindung
ermöglicht die Ansteuerung einer Vorschaltgeräteschaltung, die
selbststartend ist, eine verbesserte Schaltzeit aufweist, für
eine Helligkeitssteuerung geeignet ist und arbeitsaufwendige
Induktivitätsbauteile vermeidet, wie zum Beispiel den Strom
transformator 28 nach Fig. 1.
Fig. 2 zeigt die neuartige monolithische MOS-Gate-Treiber
schaltung 40 gemäß der Ausführungsform der Erfindung in der
Vorschaltgeräteschaltung einer Gasentladungslampe. Im einzelnen
weist die Schaltung nach Fig. 2 eine Gasentladungslampe 24 auf,
die mit den Serien-L-C-Schaltungen 25, 26, 27 gemäß Fig. 1
verbunden ist. Zwei Leistungs-MOSFET′s 20 und 21 sind ebenfalls
mit Gleichspannungsquellen-Anschlüssen 22 und 23 verbunden, wie
dies in Fig. 1 der Fall war. Die Leistungs-MOSFET′s 20 und 21
können durch irgendein Leistungsbauteil gebildet sein, das ein
MOS-Gate aufweist, beispielsweise durch einen IGBT oder durch
einen Gate-gesteuerten MOS-Thyristor. Das Halbleiterplättchen
40 nach Fig. 2 liefert Ansteuersignale an die MOSFET′s 20 und
21, wodurch die Nachteile der bekannten Schaltung nach Fig. 1
vermieden werden.
Im Einzelnen kann das Halbleiterplättchen 40 in einem 8 Stifte
aufweisenden DIP- oder Oberflächenmontage-Gehäuse angeordnet
sein und eine integrierte Halbleiterschaltung bilden, die die
folgenden Anschlußstifte aufweist:
HO - einen Ausgangsanschlußstift an das Gate des spannungsseitigen MOSFET′s 20.
VS - einen Anschlußstift an die Mittelanzapfung der mit in einer Totem-Pole- oder Halbbrücken-Schaltung miteinander verbundenen MOSFET′s 20 und 21.
LO - einen Ausgangsanschluß an das Gate des erdsei tigen MOSFET 21.
G - einen mit dem negativen Anschluß 23 der Gleich spannungsquelle verbundenen Anschlußstift.
CT - einen einzigen Eingangssteuer-Anschlußstift, der mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Zeitsteuerkondensator CT und dem Zeitsteuerwiderstand RT verbunden ist. Der andere Anschluß des Kondensators CT ist mit der Induktivität 25 verbunden. Steuersignale an den einzigen Anschlußstift CT steuern beide Eingänge HO und LO.
RT - einen Anschlußstift, der mit dem anderen Anschluß des Zeitsteuerwiderstandes RT verbunden ist.
VCC - einen Anschlußstift, der die Halbleiterplätt chen-Betriebsspannung von dem Knoten zwischen dem Widerstand 41 und dem Kondensator 42 empfängt.
VB - einen Anschlußstift, der mit dem Verbindungspunkt einer Diode 43 mit einem Kondensator 44 verbunden ist, die als "bootstrap"-Schaltung wirken, um Leistung für den Betrieb des spannungsseitigen Schalters zu liefern.
HO - einen Ausgangsanschlußstift an das Gate des spannungsseitigen MOSFET′s 20.
VS - einen Anschlußstift an die Mittelanzapfung der mit in einer Totem-Pole- oder Halbbrücken-Schaltung miteinander verbundenen MOSFET′s 20 und 21.
LO - einen Ausgangsanschluß an das Gate des erdsei tigen MOSFET 21.
G - einen mit dem negativen Anschluß 23 der Gleich spannungsquelle verbundenen Anschlußstift.
CT - einen einzigen Eingangssteuer-Anschlußstift, der mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Zeitsteuerkondensator CT und dem Zeitsteuerwiderstand RT verbunden ist. Der andere Anschluß des Kondensators CT ist mit der Induktivität 25 verbunden. Steuersignale an den einzigen Anschlußstift CT steuern beide Eingänge HO und LO.
RT - einen Anschlußstift, der mit dem anderen Anschluß des Zeitsteuerwiderstandes RT verbunden ist.
VCC - einen Anschlußstift, der die Halbleiterplätt chen-Betriebsspannung von dem Knoten zwischen dem Widerstand 41 und dem Kondensator 42 empfängt.
VB - einen Anschlußstift, der mit dem Verbindungspunkt einer Diode 43 mit einem Kondensator 44 verbunden ist, die als "bootstrap"-Schaltung wirken, um Leistung für den Betrieb des spannungsseitigen Schalters zu liefern.
In Fig. 2 sind weiterhin zwei mit entgegengesetzter Polung
parallel geschaltete Dioden 50 und 51 in Serie mit dem Lampen
kreis vorgesehen. Diese Dioden 50 und 51 bilden einen Nulldurch
gangsdetektor für die Lampe 24.
Im Betrieb und vor dem Zünden der Lampe 24 besteht der Resonanz
kreis aus der Induktivität 24 und den beiden Kondensatoren 26
und 27. Die Kapazität des Kondensators 27 ist niedriger als die
des Kondensators 26, so daß er bei einer höheren Wechselspannung
als der Kondensator 26 arbeitet. Diese Spannung an dem Konden
sator 27 zündet die Lampe 24. Nach dem Zünden der Lampe 25 wird
der Kondensator 27 im wesentlichen durch den Lampen-Spannungs
abfall kurzgeschlossen, und die Frequenz des resonanten Lampen
kreises hängt nunmehr von der Induktivität 25 und dem Konden
sator 26 ab.
Hierdurch wird eine Verschiebung zu einer niedrigeren Resonanz
frequenz im Normalbetrieb hervorgerufen, die mit den Nulldurch
gängen des Wechselstromes an den Dioden 50 und 51 synchronisiert
ist, wobei die resultierende Spannung zur Steuerung des Oszilla
tors auf dem Halbleiterplättchen 40 verwendet wird. Wie dies
gezeigt wird, wird die Schwingungsfrequenz der Schaltung durch
die Hinzufügung des Widerstandes RT und des Kondensators CT
synchronisiert.
Das Halbleiterplättchen 40 ist für eine OFFSET-Spannung oder
eine Spannungsdifferenz von bis zu oder mehr als 600 Volt
Gleichspannung geeignet und weist Eingangseigenschaften auf,
die von ihrer Funktion her ähnlich denen sind, wie sie die gut
bekannte integrierte Zeitgeberschaltung vom Typ CMOS 555 auf
weist.
Das Halbleiterplättchen 40 weist weiterhin eingebaute Schal
tungen auf, um eine Totzeit mit einem Nennwert von einer Mikro
sekunde zwischen den einander abwechselnden spannungsseitigen
und erdseitigen Ausgangssignalen zur Ansteuerung der Schalter
20 und 21 zu liefern.
Wie dies weiter unten gezeigt wird, wird das Halbleiterplättchen
40 am Anschluß 22 mit einer gleichgerichteten Wechselspannung
gespeist und ist daher für einen minimalen Ruhestrom ausgelegt,
und das Halbleiterplättchen weist einen 15-Volt-Intervall-Nebenschlußregler
auf. Daher kann ein einziger einen Spannungs
abfall hervorrufender Widerstand 41 von einem halben Watt
verwendet werden.
Zusätzlich zu dem Ruhestrom ergeben sich zwei andere Komponenten
des Gleichstrom-Speisestroms, die eine Funktion der tatsächlich
verwendeten Anwendungsschaltung sind:
- 1) Strom aufgrund der Ladung der Eingangskapazitäten der Leistungsschalter.
- 2) Strom aufgrund des Ladens und Entladens einer Grenzschicht-Isolationskapazität des Gate-Treiber- Halbleiterplättchens.
Beide Komponenten des Stromes sind ladungsbezogen und folgen
daher den Regeln:
Q = CV
Es ist ohne weiteres zu erkennen, daß zum Laden und Entladen
der Leistungsschalter-Eingangskapazitäten die erforderliche
Ladung ein Produkt der Gate-Treiber-Spannung und der tatsäch
lichen Eingangskapazitäten ist, und die erforderliche Eingangs
leistung ist direkt proportional zum Produkt der Ladung und
der Frequenz sowie der quadrierten Spannung:
Wenn eine praktisch verwendbare Vorschaltgeräteschaltung aufge
baut wird, sollte im Hinblick auf die vorstehenden Beziehungen
folgendes beachtet werden:
- 1) Wähle die niedrigste Betriebsfrequenz aus, die die Verwendung einer möglichst kleinen Größe der Induk tivität ermöglicht.
- 2) Wähle die kleinste Halbleiterplättchengröße für die Leistungsschalter aus, die niedrige Durchgangsver luste ermöglicht (hierdurch werden die Ladungsanfor derungen verringert).
- 3) Verwende die niedrigstmögliche Gleichspannung.
Zusammenfassend ist festzustellen, daß die Schaltung nach Fig. 2
bei ihrer Ansteuerung durch das Halbleiterplättchen 40 einen
selbstschwingenden Rechteckgenerator mit einer Totzeitsteuerung
und einer Pegelverschiebung für die Gate-gesteuerten MOS-Bau
teile in der Schaltung ergibt. Im Gegensatz zu dem bekannten
Stromtransformator-Treiber liefert das neuartige System saubere,
nahezu ideale Schwingungsformen, um Schalterverluste zu einem
Minimum zu machen. In vielen Fällen können MOSFET′s geringerer
Größe ausgewählt werden oder alternativ können Kühlkörper ver
kleinert oder fortgelassen werden.
Fig. 3 zeigt eine beispielhafte Vorschaltgeräteschaltung, die
die Halbleiterschaltung des Halbleiterplättchens 40 nach Fig. 2
für ein Vorschaltgerät für ein 40-Watt-Leuchtstofflampenpaar
verwenden könnte. In Fig. 3 sind Bauteile, die denen nach Fig. 2
ähnlich sind, mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Die
Lampenschaltung nach Fig. 3 verwendet zwei 40-Watt-Leuchtstoff
lampen 60 und 61 in einem gemeinsamen Reflektor, wobei die
Leuchtstofflampen jeweilige Serieninduktivitäten 62 und 63 und
einen Serienkondensator 64 aufweisen. Jede der Lampen 60, 61
weist parallele Kondensatoren 66 bzw. 67 und parallele, einen
positiven Temperaturkoeffizienten aufweisende Thermistoren 68
35 bzw. 69 auf. Eine Entstörschaltung mit einem Kondensator 70 und
einem Widerstand 70a ist zwischen dem Verbindungspunkt zwischen
den MOSFET′s 20 und 21 und der neutralen Leitung eingeschaltet.
Der Wechselspannungs-Eingangskreis schließt eine Wechselspan
nungsquelle mit zwei Wechselspannungsanschlüssen L₁ und L₂
und einem neutralen Anschluß N ein. Eine übliche Filterschal
tung, die 30 µH-Induktivitäten 71a und 71b einschließt, ist mit
einem Einfasen-Vollweggleichrichter 74 verbunden, der einen mit
dem Widerstand 41 verbundenen positiven Ausgangsanschluß und
einen mit dem Kondensator 42 verbundenen negativen Anschluß
aufweist und 320 Volt Gleichspannung bei einer Eingangsspannung
von 220 Volt Wechselspannung liefert. Die Eingangsfilterschal
tung schließt weiterhin Kondensatoren 75, 76 und 77 sowie
Gleichspannungskondensatoren 78 und 79 ein.
Es sei bemerkt, daß die Halbleiterschaltung des Halbleiterplätt
chens 40 nach Fig. 3 über den einen Spannungsabfall hervorrufen
den Widerstand 41 direkt an der Gleichspannungs-Sammelschiene
betrieben wird und bei ungefähr 45 kHz schwingt, so daß die
folgende Beziehung erfüllt ist:
Die Leistung für die Gate-Ansteuerung des spannungsseitigen
Schalters wird über einen Bootstrap-Kondensator 44 (0,1 µF)
geliefert, der jedesmal dann auf ungefähr 14 Volt geladen wird,
wenn der Anschlußstift VS während des leitfähigen Zustandes
des erdseitigen Leistungsschalters auf einen niedrigen Pegel
gezogen wird. Die Bootstrap-Diode 43 (11DF4) sperrt die
Gleichspannungs-Sammelschienen-Spannung, wenn der spannungs
seitige Schalter leitet. Die Diode 43 ist eine Diode mit kurzer
Erholzeit (<100ns), um sicherzustellen, daß der Bootstrap-
Kondensator 44 nicht teilweise entladen wird, während sich die
Diode 43 erholt und die Hochspannungs-Sammelschiene sperrt.
Das Hochfrequenz-Ausgangssignal von der Halbbrücke 20-21 ist
eine Rechteckschwingung mit sehr kurzen Anstiegszeiten (ange
nähert 50ns). Um die Abstrahlung übermäßiger Störungen von den
schnellen Wellenfronten zu vermeiden, wird eine 0,5 Watt-Stör
unterdrückungsschaltung 70-70a (10 Ohm bzw. 0,001 µF) verwen
det, um die Schaltzeiten auf ungefähr 0,5 µs zu verlangsamen.
Es sei bemerkt, daß eine eingebaute Totzeit von ungefähr 0,1 µs
vorgesehen ist, um einen durchgehenden Stromfluß durch die
Halbbrücke zu verhindern.
Die Leuchtstofflampen 60 und 61 werden parallel betrieben,
jede mit ihrer eigenen L-C-Resonanzschaltung. Eine Anzahl von
Lampenschaltungen kann aus dem einzigen Paar vom MOSFET′s 20
und 21 betrieben werden, wenn diese so bemessen sind, daß sie
für diesen Leistungspegel geeignet sind.
Die Reaktanzwerte für die Lampenschaltung werden aus L-C-Reak
tanztabellen oder aus der Gleichung für eine Serienresonanz
ausgewählt:
Die Güte Q der Lampenschaltungen ist ziemlich niedrig, und zwar
aufgrund der Notwendigkeit eines Betriebs an einer festen
Frequenz, die sich selbstverständlich aufgrund von Toleranzen
der Werte von RT und CT ändern kann. Leuchtstofflampen
erfordern normalerweise nicht sehr hohe Zündspannungen, so
daß eine Güte Q von zwei oder drei ausreichend ist. "Flache"
Q-Kurven ergeben sich sehr leicht aus größeren Induktivitäts-
und kleineren Kondensator-Verhältnissen, worin:
ist,
wobei R größer wird, wenn mehr Windungen verwendet werden.
wobei R größer wird, wenn mehr Windungen verwendet werden.
Ein weicher Startvorgang mit einer Vorheizung der Lampenheiz
fäden wird durch die PTC-Thermistoren 68 und 69 längs jeder
Lampe erreicht. Auf diese Weise steigt die Spannung längs der
Lampe graduell an, während der PTC-Thermistor sich selbst er
hitzt, bis schließlich die Zündspannung mit heißen Heizfäden
erreicht wird und die Lampe zündet.
Die folgende Tabelle gibt die Werte der Bauteile an, die für
eine bevorzugte Ausführungsform der Fig. 5 verwendet werden:
MOSFETS′s 20, 21 | |
Typ IRF 720 (International Rectifier) | |
PTC 68, 69 | TDK 911P97ES014U10 |
Brücke 74 | 4 × IN 4007 |
Diode 43 | 11DF4 |
Widerstand 41 | 91 Kiloohm, 1/2 Watt |
Widerstand 70a | 10 Ohm, 1/2 Watt |
Widerstand RT | 15 Kiloohm |
Kondensator 42 | 47 µf, 20 V |
Kondensator 64 | 1 µf, 400 V |
Kondensator 66, 67 | 0,01 µf, 600 V |
Kondensator 70 | 0,001 µf, 600 V |
Kondensator 75, 76, 77 | 0,22 µf, 250 V Wechselspannung |
Kondensator 78, 79 | 100 µf, 200 V |
Kondensator CT | 0,001 µf |
Induktivitäten 62, 63 | 1,35 mH |
Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung für die
Ansteuerung eines Vorschaltgerätes für Hochdruck-Natriumlampen.
Die Schaltung nach Fig. 4 weist die Synchronisationsschaltung
nach Fig. 2 sowie weiterhin eine automatische Abschalt-Schaltung
auf. In Fig. 4 sind Bauteile, die denen nach den Fig. 2 und 3
ähnlich sind, mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet. In Fig. 4
ist die Lampe eine Hochdruck-Natriumlampe 90 mit einem Parallel
kondensator 91 und einer Induktivität 92. Die Induktivität 92
weist eine Anzapfung auf, die einen Teil der Abschalt-Schaltung
bildet, die weiterhin einen Widerstand 93, Dioden 94 und 95 und
einen Kondensator 96 einschließt.
In Fig. 4 besteht die Synchronisierschaltung aus den Nulldurch
gangs-Detektordioden 50 und 51, die die Eigenschwingungs-
Frequenz auf die Eigenresonanz der LC-Schaltung 91, 92
synchronisieren. Die Güte Q des Serienresonanzkreises wird auf
ungefähr 20 gelegt und ergibt eine ausreichende Spannung zur
Zündung der Lampe. Die Synchronisationsmöglichkeit der Halb
leiterschaltung 40 ermöglicht es dem Serienkreis nach Fig. 4,
mit einer hohen Güte Q zu schwingen, um die 3 kV-Startspannung
für die Lampe 90 zu liefern, ohne daß eine getrennte Zündein
richtung verwendet wird.
Bei einem Wiederzündfall in heißem Zustand, bei dem die Güte Q
nicht ausreicht, die erforderliche Wiederzündspannung zu
liefern, liefert die Abschalt-Schaltung mit den Dioden 95 und 96
eine Gleichspannungs-Vorspannung, die verhindert, daß die Span
nung am Anschlußstift CT den bei einem Abfall auf 1/3 VCC
liegenden Schaltpunkt erreicht. Daher liefert die Schaltung
kurze Schwingungsimpulspakete, bis der Wiederzündvorgang er
reicht wird (ungefähr 90 Sekunden) und aufrechterhalten wird,
wobei zu einer Zerstörung führende hohe MOSFET-Ströme vermieden
werden.
Fig. 5 ist ein Blockschaltbild der Halbleiterschaltung des Halb
leiterplättchens 40 nach den Fig. 2, 3 und 4. Die 8 Anschluß
stifte der Halbleiterschaltung 40 sind in Fig. 5 wiederholt.
Alle anhand der Fig. 5 zu beschreibenden Schaltungsblöcke sind
auf einem einzigen gemeinsamen Silizium-Halbleiterplättchen
integriert. Der erste Schaltungsblock ist die Klemmschaltung
100, die aus einer Mehrzahl von Zenerdioden besteht. Diese sind
zwischen dem Anschlußstift VCC und dem Anschlußstift VSS
eingeschaltet, der mit dem Siliziumsubstrat verbunden ist, das
als Halbleiterplättchen-Erde wirkt. Eine Digital-Speiseleitung
und eine analog-Speiseleitung erstrecken sich beide von dem
Anschlußstift VCC. Eine Analog-Erdleitung und eine Digital-
Erdleitung sind ebenfalls mit dem Anschlußstift VSS verbunden.
Die nächste Gruppe von Schaltungsblöcken bildet eine Zeitgeber
schaltung. Diese Blöcke schließen eine Teilerschaltung 101, die
mit der Analog-Versorgungsleitung und Analog-Erde verbunden ist,
einen N-Vergleicher 102, einen P-Vergleicher 103 und einen RS-Signalspeicher
104 ein. Zwei Anzapfungen von dem Teiler 101 sind
mit den positiven Eingängen der Vergleicher 102 und 103 verbun
den. Der Eingangs-Anschlußstift CT ist mit dem negativen
Eingang des Vergleichers 103 verbunden. Die Ausgänge der Ver
gleicher 102 und 103 sind mit dem RS-Signalspeicher 104 in der
gezeigten Weise verbunden.
Der RS-Signalspeicher 104 ist weiterhin mit der Unterspannungs-
Blockierschaltung 15 verbunden, die einen Teil der integrierten
Halbleiterschaltung bildet. Wenn daher VCC zu weit verringert
wird, so wird der RS-Signalspeicher 104 gesperrt.
Eine Vorspannungsschaltung 106 liefert Vorspannungsausgänge an
den RS-Signalspeicher 104, die Blockierschaltung 105 und an die
Totzeit-Verzögerungsschaltungen 107 und 108 in den spannungs
seitigen und erdseitigen Schaltungszügen. Die Zeitverzögerungs
schaltungen 107 und 108 liefern eine Totzeit oder Verzögerung
vom ungefähr 1µs zwischen dem Einschalten des spannungseitigen
oder erdseitigen Schalters nach dem Abschalten des jeweils
anderen Schalters. Diese Totzeit stellt sicher, daß eine einen
Stromfluß durch beide Leistungsschalter ermöglichende Schaltung,
bei der beide Leistungs-MOSFET′s 20 und 21 gleichzeitig einge
schaltet sind, nicht gebildet wird.
Der Ausgang der Totzeit-Schaltung 108 wird der erdseitigen
Verzögerungsschaltung 109 und dem erdseitigen Treiber 110 zuge
führt, der mit dem Anschlußstift LO verbunden ist.
Der Ausgang der Totzeitschaltung 107 wird einem Pegelschieber-
Impulsgenerator 111 in der spannungsseitigen Ausgangszweig
zugeführt. Der spannungsseitige Schaltungszweig schließt weiter
hin eine spannungsseitige Vorspannungsversorgungsschaltung 112
ein, die eine dv/dt-Filterschaltung 113 ansteuert, die Störungen
aus dem Impuls ausfiltert, der von der Schaltung 113 weiterge
leitet wird, sowie eine analoge Unterspannungs-Blockierschaltung
114. Der Eingang an die spannungsseitige Vorspannungsschaltung
112 ist mit dem Anschlußstift VB verbunden.
Der Ausgang der Blockierschaltung 114 und des dv/dt-Filters 113
wird einer Signalspeicherschaltung 115 zugeführt, und deren
Ausgang ist mit einem Puffer 116 verbunden, der Verstärkerstufen
enthält und den Anschlußstift HO ansteuert. Es sei bemerkt,
daß der Anschlußstift VSS mit den Schaltungen 113, 114, 115
und 116 verbunden ist.
Claims (12)
1. In einem Siliziumsubstrat ausgebildete integrierte Treiber
schaltung zum Ansteuern erster und zweiter Gate-gesteuerter
MOS-Leistungsbauteile, die in einer Halbbrücken-Schaltung mit
einander verbunden sind, die erste und zweite Gleichspannungs
anschlüsse und einen gemeinsamen Anschluß zwischen den ersten
und zweiten Gate-gesteuerten MOS-Leistungsbauteilen aufweist,
dadurch gekennzeichnet, daß die integrierte Schaltung eine Zeit
geberschaltungseinrichtung (101, 102, 103) mit einem Eingangs
steueranschluß (CT), der mit einem einen niedrigen Logikpegel
aufweisenden und auf das Potential des Substrates bezogenen
Signal verbindbar ist, eine Signalspeichereinrichtung (104), die
mit der Zeitgeberschaltungseinrichtung (101, 102, 103) verbunden
sind, um die Frequenz zu steuern, mit der die ersten und zweiten
MOS-Bauteile (20, 21) ein- und ausgeschaltet werden, wobei die
Signalspeichereinrichtung (104) ein Ausgangssignal aufweist, das
in Abhängigkeit von einem vorgegebenen Signal geschaltet wird,
das dem Eingangssteueranschluß (CT) zugeführt wird, eine
spannungsseitige Totzeit-Verzögerungsschaltung (107) und eine
erdseitige Totzeit-Verzögerungsschaltung (108), die jeweils mit
der Signalspeichereinrichtung (104) verbunden sind, um die Über
tragung eines Signalspeicher-Ausgangssignals für eine vorgegebe
ne Zeitverzögerung nach dem Schalten des Ausganges der Signal
speichereinrichtung (104) zu verzögern, eine spannungsseitige
Pegelschiebereinrichtung (111) und eine spannungsseitige
Treiberschaltungseinrichtung (116) sowie eine erdseitige
Treiberschaltungseinrichtung (110), wobei die spannungsseitige
Treiberschaltungseinrichtung (116) und die erdseitige Treiber
schaltungseinrichtung (110) mit der spannungsseitigen Totzeit
schaltung (107) bzw. mit der erdseitigen Totzeitschaltung (108)
verbunden sind und spannungsseitige bzw. erdseitige Ausgangsan
schlußstifte (HO, LO) aufweist, die Ausgangssignale zum
Einschalten und Abschalten der ersten und zweiten Gate-gesteuer
ten MOS-Leistungsbauteile (20, 21) in Abhängigkeit von Steuer
signalen an dem Eingangssteueranschluß CT erzeugen, wobei die
Totzeit-Verzögerungsschaltungen (107, 108) die gleichzeitige
Leitfähigkeit der ersten und zweiten Gate-gesteuerten MOS-
Leistungsbauteile (20, 21) verhindern.
2. Integrierte Schaltung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Gate-gesteuerten MOS-Leistungs
bauteile MOS-Bauteile sind, die aus einer Gruppe ausgewählt
sind, die aus Leistungs-MOSFET′s, Leistungs-IGBT′s und Gate
gesteuerten MOS-Leistungsthyristoren besteht.
3. Integrierte Schaltung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die vorgegebene Zeitverzögerung
ungefähr eine Mikrosekunde beträgt.
4. Schaltung nach einem der Ansprüche 1-3,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Betriebsspannungsquelle
vorgesehen ist, die mit den ersten und zweiten Gleichspannungs
anschlüssen (22, 23) verbunden ist, um Betriebsleistung für jede
der Schaltungseinrichtungen in der integrierten Schaltung (40)
zu liefern, und daß die integrierte Schaltung (40) einen sich
von dieser erstreckenden VCC-Anschlußstift zur Verbindung mit
zumindestens einem der ersten oder zweiten Gleichspannungsan
schlüsse (22, 23) aufweist.
5. Schaltung nach Anspruch 4,
gekennzeichnet durch Widerstandselemente (41) zum Verbinden des
VCC-Anschlußstiftes mit dem ersten Gleichspannungsanschluß.
6. Integrierte Schaltung nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die vorgegebene Zeitverzögerung
ungefähr eine Mikrosekunde beträgt.
7. Integrierte Schaltung nach einem der Ansprüche 4-6,
gekennzeichnet durch eine Unterspannungs-Auslöseschaltungsein
richtung (105), die mit der Spannung an dem VCC-Anschlußstift
gekoppelt ist und diese überwacht und einen Ausgangsanschluß
aufweist, der mit der Signalspeicherschaltungseinrichtung (104)
und mit den spannungsseitigen und erdseitigen Totzeit-Verzöge
rungsschaltungen (107, 108) verbunden ist, um die Signal
speicherschaltungseinrichtung (104) und die Totzeit-Verzöge
rungsschaltungen (107, 108) zu sperren, wenn die Spannung an
dem VCC-Anschlußstift unter einen vorgegebenen Wert absinkt.
8. Integrierte Schaltung nach einem der Ansprüche 1-7,
dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitgeberschaltung einen zweiten
Eingangssteueranschluß RT zur Steuerung der Frequenz ein
schließt, mit der die Gate-gesteuerten MOS-Bauteile ein- und
ausgeschaltet werden, daß die Anschlüsse CT und RT mit einem
äußeren Zeitsteuerkondensator mit einem Wert CT bzw. einem
Zeitsteuerwiderstand mit einem Wert RT verbunden sind, um
die Schwingungsfrequenz FO der Zeitgeberschaltung so einzu
stellen, daß sie gleich:
ist.
9. Elektronische Vorschaltgeräteschaltung mit zumindestens
einer Gasentladungslampe (24), mit zumindestens einem L-C-Kreis
(25, 26) in Serie mit der Gasentladungslampe (24), mit ersten
und zweiten in Serie geschalteten Gate-gesteuerten MOS-Leistungsschalterbauteilen
(20, 21) mit jeweiligen Gate-
Anschlüssen, die in einer Halbbrückenschaltungsanordnung mitein
ander verbunden sind, mit zwei Gleichspannungsleistungsanschlüs
sen (22, 23), die in Serie mit den ersten und zweiten in Serie
geschalteten Leistungsschalterbauteilen (20, 21) verbunden sind,
wobei die mindestens eine Lampe (24) und der L-C-Serienkreis
(25, 26) längs des zweiten Leistungsschalterbauteils (21) ange
schaltet sind,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Gate-Treiberschaltung (40) vor
gesehen ist, die einen Eingangsanschluß zum Empfang von Logik
pegel-Einganssignalen zum abwechselnden Ein- und Ausschalten
der ersten und zweiten Gate-gesteuerten MOS-Leistungsschalter
bauteile (20, 21) mit einer vorgegebenen Schwingungsfrequenz
aufweist, wobei die Gate-Treiberschaltung (40) Ausgangsan
schlüsse (HO, LO) aufweist, die mit den jeweiligen Gates der
Leistungsschalterbauteile (20, 21) verbunden sind.
10. Vorschaltgeräteschaltung nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, daß die Gate-Treiberschaltung (40) einen
Anschluß (VCC) aufweist, der die Betriebsleistung für ihre
internen Schaltungen liefert, und daß ein externer Widerstand
(41) zum Verbinden des Anschlusses (VCC) mit einem der beiden
Gleichspannungsleistungsanschlüsse (22, 23) vorgesehen ist.
11. Vorschaltgeräteschaltung nach einem der Ansprüche 9
oder 10,
dadurch gekennzeichnet, daß die Gate-Treiberschaltung (40) eine
Schwingungs-Zeitgeberschaltung mit ersten und zweiten Eingangs
anschlüssen (RT bzw. CT) und einen diskreten Widerstand und
einen diskreten Kondensator aufweist, die mit den Anschlüssen
RT bzw. CT verbunden sind, um die vorgegebene Schwingungs
frequenz auf eine vorgegebene Frequenz und auf die Schwing
frequenz der L-C-Schaltung einzustellen.
12. Vorschaltgeräteschaltung nach einem der Ansprüche 9-11,
dadurch gekennzeichnet, daß die Gate-Treiberschaltung (40) eine
monolithische integrierte Gate-Treiberschaltung ist, daß die
integrierte Schaltung eine Zeitgeberschaltungseinrichtung (101,
102, 103) mit einem Eingangssteueranschluß (CT), der mit einem
einen niedrigen Logikpegel aufweisenden Signal verbindbar ist,
das auf das Potential des Substrates bezogen ist, eine Signal
speicherschaltungseinrichtung (104), die mit der Zeitgeber
schaltungseinrichtung (101, 102, 103) verbunden ist, um die
Frequenz zu steuern, mit der die ersten und zweiten Leistungs
schalterbauteile (20, 21) ein- und ausgeschaltet werden und die
einen Ausgang aufweist, der in Abhängigkeit von einem vorgegebe
nen Signal geschaltet wird, das an den Eingangssteueranschluß
angelegt ist, eine spannungsseitige Totzeitverzögerungsschaltung
(107) und eine erdseitige Totzeitverzögerungsschaltung (108),
die jeweils mit der Signalspeichereinrichtung (104) verbunden
sind, um die Übertragung des Signalspeicher-Ausgangssignals für
eine vorgegebene Zeitverzögerung zu verzögern, die auf das
Schalten des Ausganges der Signalspeicherschaltungseinrichtung
(104) folgt, eine spannungsseitige Pegelschiebereinrichtung
(111) und eine spannungsseitige Treiberschaltungseinrichtung
(116) sowie eine erdseitige Treiberschaltungseinrichtung (110)
aufweist, wobei die spannungsseitige Treiberschaltungseinrich
tung (116) und die erdseitige Treiberschaltungseinrichtung (110)
mit der spannungsseitigen Totzeitverzögerungsschaltung (107)
bzw. mit der erdseitigen Totzeitverzögerungsschaltungseinrich
tung (108) verbunden sind und spannungsseitige bzw. erdseitige
Ausgangsanschlüsse aufweisen, die Ausgangssignale zum Einschal
ten und Ausschalten der ersten und zweiten Gategesteuerten MOS-
Leistungsbauteile (20, 21) in Abhängigkeit von Steuersignalen
an dem Eingangssteueranschluß (CT) erzeugen, und daß die
Totzeitverzögerungsschaltungen (107, 108) die gleichzeitige
Leitfähigkeit der ersten und zweiten Gate-gesteuerten MOS-Leistungsbauteile
(20, 21) verhindern.
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