DE19617358A1 - Verfahren und Schaltung zur Ansteuerung von Leistungstransistoren in einer Halbbrücken-Konfiguration - Google Patents

Verfahren und Schaltung zur Ansteuerung von Leistungstransistoren in einer Halbbrücken-Konfiguration

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DE19617358A1
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Schaltung zur Ansteuerung von Leistungstransistoren in einer Halbbrücken- Konfiguration, ausgehend von Steuersignalen, die auf irgendein Potential zwischen der Leitungsspannung und der Rückleitungs­ spannung bezogen sind.
Die Leistungstransistoren können beispielsweise Leistungs- MOSFET′s sein, die in einer Halbbrücken-Konfiguration angeord­ net sind. Das Verfahren und die Schaltung sind jedoch genauso auf andere Arten von Transistoren anwendbar. Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf ein integriertes Treiber-Halbleiter­ schaltungsplättchen, das die Schaltung einschließt.
Es besteht eine Notwendigkeit einer Schnittstellenschaltung zwischen Leistungstransistoren in einer Halbbrücken-Konfigura­ tion und den Steuersignalen für die Leistungstransistoren. Es besteht insbesondere ein Bedarf an einer derartigen Schnitt­ stellenschaltung, die die Leistungstransistoren mit Steuer­ signalen koppeln kann, die auf irgendein Potential zwischen der Leistungsversorgungs-Leitung für die Leistungstransistoren und der Rückleitung bezogen sind. Es besteht weiterhin ein Bedarf an einer derartigen Schaltung, die zusammen mit anderen Treiberfunktionen in einem einzigen Treiber-Halbleiterplättchen integriert werden kann.
Bei bekannten Schaltungen dieser Art sind die Steuersignale in den meisten Fällen auf die Rückleitung, auf die Leitungsspannung oder auf einen Mittelpunkt zwischen der Leitungsspannung VL und der Rückleitungsspannung -VL bezogen. Fig. 1 der vorlie­ genden Anmeldung zeigt ein Beispiel, bei dem die Steuersignale auf den Mittelpunkt zwischen der Leitung VL und der Rücklei­ tung -VL bezogen sind. In diesem Fall liegt der Mittelpunkt zwischen der Leitung und der Rückleitung auf Erde oder auf VSS. Bei der Schaltung nach Fig. 1 müssen alle Steuersignale auf Erde oder auf VSS bezogen werden.
Es wäre vorteilhaft, wenn eine Schaltung geschaffen werden könnte, bei der die Steuersignale auf irgendein Potential zwischen +VL und -VL bezogen werden könnten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Schaltung zum Ansteuern von Leistungstransistoren in einer Halbbrücken-Konfiguration durch Steuersignale zu schaffen, die auf irgendein Potential zwischen der Leitungs­ spannung und der Rückleitungs-Spannung bezogen sind. Vorzugs­ weise sollte die Schaltung in Form eines integrierten Treiber­ schaltungs-Halbleiterplättchens auszubilden sein, das die Treiberschaltung enthält.
Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen 1 bzw. 3 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, Leistungs­ transistoren in einer Halbbrücken-Konfiguration durch ein Steuersignal zu steuern, das auf irgendein Potential zwischen der Leitungsspannung für die Leistungstransistoren und der Rückleitungsspannung bezogen ist. Hierbei wird ein auf irgend­ ein Potential zwischen der Leitungsspannung und der Rücklei­ tungsspannung bezogenes Steuersignal einer Eingangsschaltung zugeführt, der zwei Spannungspegel zugeführt werden, die bezüglich eines gemeinsamen Spannungspegels schwimmend sind. Das Ausgangssignal der Eingangsschaltung wird einer ersten Pegelschieberschaltung zugeführt, die den Pegel des Ausgangs­ signals der Eingangsschaltung derart verschiebt, daß es auf auf den gemeinsamen Spannungspegel bezogen ist. Das auf den gemeinsamen Spannungspegel bezogene Ausgangssignal wird einer unterspannungsseitigen Treiberschaltung für den Leistungs­ transistor in der Halbbrücken-Konfiguration zugeführt, der als unterspannungsseitiger oder rückleitungsseitiger Leistungs­ transistor wirkt. Das auf den gemeinsamen Spannungspegel be­ zogene Ausgangssignal wird weiterhin einer zweiten Pegel­ schieberschaltung zugeführt, die den Pegel des Ausgangssignals von der ersten Pegelschieberschaltung verschiebt, um ein auf einen zweiten Spannungspegel, der höher als der gemeinsame Pegel ist, bezogenes Signal zu erzeugen. Das auf den zweiten höheren Spannungspegel bezogene Signal wird einer ober­ spannungsseitigen Treiberschaltung zur Ansteuerung des Leistungstransistors zugeführt, der den oberspannungs- oder spannungsseitigen Leistungstransistor in der Halbbrücken- Konfiguration bildet.
Gemäß einem weiteren Grundgedanken der Erfindung wird eine Schaltung zur Ansteuerung von Leistungstransistoren in einer Halbbrücken-Konfiguration durch ein Steuersignal geschaffen, das auf irgendein Potential zwischen der Leitungsspannung für die Leistungstransistoren und der Rückleitungsspannung bezogen ist. Die Schaltung umfaßt eine Eingangsschaltung, die ein auf irgend­ ein Potential zwischen der Leitungsspannung und der Rücklei­ tungsspannung bezogenes Steuersignal empfängt, und die aus zwei Spannungspegeln gespeist wird, die bezüglich eines gemeinsamen Spannungspegels schwimmend sind. Eine erste Pegelschieberschal­ tung empfängt ein Ausgangssignal der Eingangsschaltung und verschiebt den Pegel des Ausgangssignals der Eingangsschaltung derart, daß es auf den gemeinsamen Spannungspegel bezogen ist. Eine unterspannungsseitige Treiberschaltung für den Leistungs­ transistor in der Halbbrücken-Konfiguration, der als der unter­ spannungsseitige Leistungstransistor wirkt, empfängt das auf den gemeinsamen Spannungspegel bezogene Ausgangssignal. Eine zweite Pegelschieberschaltung verschiebt den Pegel des Ausgangssignals von der ersten Pegelschieberschaltung, um ein Signal zu er­ zeugen, das auf einen zweiten höheren Spannungspegel bezogen ist, als der gemeinsame Pegel. Eine Treiberschaltung empfängt das auf den zweiten höheren Spannungspegel bezogene Signal, um einen Leistungstransistor anzusteuern, der den spannungsseitigen Leistungstransistor in der Halbbrücken-Konfiguration bildet.
Gemäß einem weiteren Grundgedanken der Erfindung wird ein Verfahren zur Integration einer Schaltung zur Ansteuerung von Leistungstransistoren in einer Halbbrücken-Konfiguration durch ein auf irgendein Potential zwischen der Leitungsspannung für die Leistungstransistoren und der Rückleitungsspannung bezogenes Steuersignal auf einem einzigen integrierten Halb­ leiter-Schaltungsplättchen geschaffen, wobei ein Steuersignal, das auf irgendein Potential zwischen der Leitungsspannung und der Rückleitungsspannung bezogen ist, einer Eingangsschal­ tung zugeführt und der Eingangsschaltung zwei Spannungspegel zugeführt werden, die bezüglich eines gemeinsamen Spannungs­ pegels schwimmend sind. Ein Ausgangssignal der Eingangsschal­ tung wird einer ersten Pegelschieberschaltung zugeführt, die den Pegel des Ausgangssignals der Eingangsschaltung derart verschiebt, daß es auf den gemeinsamen Spannungspegel bezogen ist. Das auf den gemeinsamen Spannungspegel bezogene Ausgangs­ signal wird einer unterspannungsseitigen Treiberschaltung für den Leistungstransistor in der Halbbrücken-Konfiguration zugeführt, der als der unterspannungsseitige Leistungstransis­ tor wirkt. Das auf den gemeinsamen Spannungspegel bezogene Ausgangssignal wird weiterhin einer zweiten Pegelschieber­ schaltung zugeführt, die den Pegel des Ausgangssignals von der ersten Pegelschieberschaltung verschiebt, um ein Signal zu erzeugen, das auf einen zweiten höheren Spannungspegel bezogen ist, der höher als der gemeinsame Pegel ist. Das auf den zweiten höheren Spannungspegel bezogene Signal wird einer spannungsseitigen Treiberschaltung zur Ansteuerung des Lei­ stungstransistors zugeführt, der den spannungsseitigen Transis­ tor in der Halbbrücken-Konfiguration bildet.
Gemäß einem weiteren Grundgedanken der Erfindung wird weiter­ hin eine auf einem einzigen integrierten Schaltungs-Halb­ leiterplättchen integrierte Schaltung zur Ansteuerung von Transistoren in einer Halbbrücken-Konfiguration durch ein Steuersignal geschaffen, das auf irgendein Potential zwischen der Leitungsspannung für die Leistungstransistoren und der Rückleitungsspannung bezogen ist, wobei eine Eingangsschaltung vorgesehen ist, die ein auf irgendein Potential zwischen der Leitungsspannung und der Rückleitungsspannung bezogenes Steuersignal empfängt und der zwei Spannungspegel zugeführt werden, die bezüglich eines gemeinsamen Spannungspegels schwimmend sind. Eine erste Pegelschieberschaltung empfängt ein Ausgangssignal der Eingangsschaltung und verschiebt den Pegel des Ausgangssignals der Eingangsschaltung derart, daß es auf den gemeinsamen Spannungspegel bezogen ist. Eine unterspannungsseitige Treiberschaltung für den Leistungs­ transistor in der Halbbrücken-Konfiguration, der als der unterspannungsseitige Leistungstransistor wirkt, empfängt das auf den gemeinsamen Spannungspegel bezogene Ausgangs­ signal. Eine zweite Pegelschieberschaltung verschiebt den Pegel des Ausgangssignals der ersten Pegelschieberschaltung, um ein Signal zu erzeugen, das auf einen zweiten höheren Spannungspegel bezogen ist, der höher als der gemeinsame Pegel ist. Eine Treiberschaltung empfängt das auf den zweiten höheren Spannungspegel bezogene Signal, um den Leistungs­ transistor anzusteuern, der den spannungsseitigen Transistor in der Halbbrücken-Konfiguration bildet.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen noch näher erläutert.
In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 ein Beispiel der Verbindung einer Schnittstellen­ schaltung zwischen den Steuersignalen und zwei Leistungs­ transistoren, die in einer Halbbrücken-Konfiguration angeordnet sind,
Fig. 2 eine Ausführungsform der Schaltung gemäß der Erfindung, die die Schnittstellen-Schaltung zwischen den Steuersignalen und den Leistungstransistoren bildet, und es den Leistungstransistoren ermöglicht, durch Steuersignale angesteuert zu werden, die auf irgendein Potential zwischen der Leitungsspannung und der Rückleitungsspannung bezogen sind,
Fig. 3 eine bekannte Treiberschaltung, bei der die Steuersignale auf Erde bezogen sind und die gemäß der Erfindung modifiziert werden kann, und
Fig. 4 eine Ausführungsform, die eine Möglichkeit dar­ stellt, wie die Schaltung nach Fig. 2 in Form einer integrier­ ten Schaltung ausgebildet werden kann.
In Fig. 1 ist ein verallgemeinertes Schaltbild einer Schnitt­ stellenschaltung zwischen Steuersignalen zur Ansteuerung von Leistungstransistoren und Leistungstransistoren gezeigt, die in einer Halbbrücken-Konfiguration angeordnet sind. Bei der dargestellten Ausführungsform arbeiten die Leistungstransis­ toren in einer dem Fachmann gut bekannten Art in komplemen­ tärer Weise, wobei die Last mit dem mit OUT bezeichneten An­ schluß verbunden ist. Die Halbbrücken-Schaltung schließt einen oberspannungsseitigen oder spannungsseitigen Leistungstransis­ tor 10 und einen unterspannungsseitigen, der Rückleitung zugeordneten Transistor 20 ein. Wenn in der dargestellten Schaltung der spannungsseitige Leistungstransistor in den Einschaltzustand angesteuert wird, so ist der unterspannungs­ seitige Leistungstransistor abgeschaltet. Umgekehrt ist, wenn der unterspannungsseitige Leistungstransistor eingeschaltet ist, der spannungsseitige Transistor abgeschaltet Halbbrücken­ schaltungen können weiterhin so konfiguriert werden, daß sie so arbeiten, daß sich die Last in Serie mit beiden Transis­ toren befindet, wobei in diesem Fall die beiden Transistoren gleichzeitig in den Einschaltzustand angesteuert werden können.
Die Steuersignale, beispielsweise die Signale HIN und LIN, werden an Eingänge 30 einer Steuerlogik-Schnittstellen- Schaltung 40 geliefert. Übliche Steuerlogik-Schaltungen sind dem Fachmann gut bekannt. Eine derartige Steuerlogik-Schal­ tung kann beispielsweise vom Typ IR 2110 der Firma Inter­ national Rectifier Corporation sein. Es können ein oder meh­ rere Steuereingänge 30 vorgesehen sein, und zwar in Abhängig­ keit davon, wie die Schaltung gesteuert wird, wie dies dem Fachmann bekannt ist. In Fig. 1 sind zwei Steuereingänge dar­ gestellt.
Die Steuerlogik-Schnittstellenschaltung 40 liefert eine spannungsseitige Gate-Ansteuerung 42 und eine unterspannungs­ seitige Gate-Ansteuerung 44, wie dies dem Fachmann bekannt ist. Spannungsquellen VB, VCC und VDD sind mit der Steuerlogik verbunden, wie dies dem Fachmann bekannt ist. Zusätzlich sind Spannungsquellen VL und -VL mit den Hauptanschlüssen der jeweiligen Leistungstransistoren 10 und 20 verbunden. Die Leistungstransistoren weisen einen gemein­ samen, mit VS gekoppelten Verbindungspunkt auf, mit dem die Last verbunden ist. Bei der dargestellten Ausführungsform ist Erdpotential mit dem Spannungspegel VSS verbunden.
Bei der bekannten Schaltung gemäß Fig. 1 wurden das Steuersignal oder die Steuersignale 30 auf einen Bezugspegel bezogen, typischerweise auf den Erdpegel. Viele Inverter-Steuersignale müssen jedoch nicht auf Erde bezogen werden. Es ist erwünscht, eine Schnittstellen-Schaltung zwischen den Steuersignalen und den Leistungstransistoren zu schaffen, die es ermöglicht, daß die Steuersignale auf irgendein Potential zwischen der Leitung und der Rückleitung bezogen sind, d. h. zwischen +VL und -VL.
Fig. 3 zeigt Einzelheiten des üblichen Bauteils nach Fig. 1, insbesondere einer Treiberschaltung vom Typ IR 2110, bei der die Steuer-Eingangssignale auf VSS (Erde) bezogen sind.
Fig. 3 ist ein Funktionsblock-Schaltbild der Schaltung, die in der integrierten Schaltung 40 nach Fig. 1 enthalten ist. Logikeingang-Anschlußstifte 10, 11 und 12 sind über Schmitt- Triggerschaltungen 50A, 50B und 50C mit dem RS-Signalspeichern (bistabile Schaltungen) 50D und 50E und weiterhin mit den Logikschaltungen 50F und 50G verbunden, wie dies gezeigt ist. Die Ausgänge der Logikschaltungen 50F und 50G sind mit Pegel­ schieberschaltungen 70 bzw. 68 gekoppelt. Wie dies zur erkennen ist, steuern die Ausgänge der Pegelschieberschaltungen 70 und 68 das spannungsseitige Steuer-Ausgangssignal bzw. das unterspan­ nungsseitige Steuer-Ausgangssignal an den Anschlußstiften 7 (HOUT) bzw. 1 (LOUT).
Das Ausgangssignal von der Pegelschieberschaltung 68 in dem unterspannungsseitigen oder niederspannungsseitigen Kanal wird über eine Verzögerungsschaltung 72A einem Eingang einer Verknüpfungsschaltung 72B zugeführt. Das Ausgangssignal der Verknüpfungsschaltung 72B ist mit den Gate-Elektroden von Ausgangs-Driver-MOSFET-Transistoren 74A und 74B verbunden. Wie dies weiter unten beschrieben wird, erzeugen diese Transis­ toren eine Gate-Spannung am Anschlußstift 1, wenn dies durch die Logik-Eingangssignale an die Anschlußstifte 11 und 12 angefordert wird.
Fig. 3 enthält weiterhin eine Unterspannungs-Detektorschaltung 73, die das Ausgangssignal der Verknüpfungsschaltung 72B ab­ schaltet, wenn eine Unterspannung am Anschlußstift 3 fest­ gestellt wird, um ein Einschalten des Leistungs-MOSFET oder Leistungs-IGBT zu verhindern, der am Anschlußstift 1 betrieben wird.
Die Pegelschieberschaltung 70 für den spannungsseitigen Kanal der Schaltung ist mit einem Eingang eines Impulsgenerators 76A verbunden. Die unterspannungs-Detektorschaltung 73 ist weiterhin mit dem Impulsgenerator 76A verbunden und schaltet den spannungsseitigen Ausgangskanal ab, wenn ein Unter­ spannungszustand am Anschlußstift 3 festgestellt wird.
Der Impulsgenerator 76A weist zwei Ausgänge auf, nämlich einen Setz-(S-)-Ausgang, der mit dem Gate eines MOSFET 76B verbunden ist, und einen Rücksetz-(R)-Ausgang, der mit Gate eines MOSFET 76C verbunden ist. Die Setz-Impulse werden dem MOSFET 76B zugeführt, während die Rücksetz-Impulse dem MOSFET 76C zuge­ führt werden.
Die Source-Elektroden der MOSFETS 76B und 76C sind mit einer gemeinsamen Verbindungssammelschiene verbunden, während ihre Drain-Elektroden mit Widerständen 76D bzw. 76F verbunden sind.
Im Normalbetrieb erzeugt die Zuführung von Impulsen von dem Impulsgenerator 76A an die MOSFETs 76B und 76C Ausgangs­ spannungsimpulse Vset und Vrst an den Verbindungspunkten zwi­ schen den MOSFETs 76B und 76C und ihren jeweiligen Widerständen 76D und 76E.
Die Impulse Vset und Vrst werden dann einem Impulsfilter 76F zugeführt. Die Ausgangskanäle des Filters 76F sind mit den R- und S-Eingängen eines Signalspeichers oder einer bistabilen Schaltung 76G verbunden. Eine zweite Unterspannungs-Detektor­ schaltung 76H liefert ein weiteres Eingangssignal an den Signalspeicher 76G, um sicherzustellen, daß dem Anschlußstift 7 kein Signal zugeführt wird, wenn eine zu niedrige Spannung am Anschlußstift 6 festgestellt wird.
Das Ausgangssignal des RS-Signalspeichers 76G wird zum Ein- und Ausschalten von MOSFETs 78A und 78B verwendet. Entsprechend wird, wenn ein hoher Signalpegel an den Eingang R des RS-Signal­ speichers angelegt wird, das Ausgangssignal am Anschlußstift 7 abgeschaltet. Wenn ein einen hohen Pegel aufweisendes Signal an den S-Eingang des Signalspeichers 94 angelegt wird, so schaltet der Ausgang am Anschlußstift 7 ein.
Bei der Schaltung nach Fig. 3 sind die Eingangssteuersignale HIN und LIN auf Erde (VSS) bezogen. Es ist wünschenswert, eine Treiberschaltung ähnlich der nach Fig. 3 zu schaffen, bei der die Steuersignale auf irgendeinen Pegel zwischen +VL und -VL bezogen werden können. Die Schaltung nach Fig. 2, die die Steuerlogik-Schnittstellenschaltung 40 nach Fig. 1 ersetzt, ergibt eine derartige Fähigkeit. Die in Fig. 2 gezeigte Schnittstellen-Schaltung schließt einen Ein­ gangsabschnitt 50 ein, der die Eingangssteuersignale empfängt und mit Spannungsquellen VDD und VSS verbunden ist. Wie dies gezeigt ist, ist die Leitung VSS nicht mit Erde ver­ bunden, wie dies in Fig. 1 der Fall war. VDD und VSS sind so gewählt, daß sie es der Eingangsschaltung 52 er­ möglichen, auf ein Steuersignal anzusprechen, das irgendeinen Bezugswert zwischen +VL und -VL aufweist. Die Eingangs­ signale werden von der Eingangs-Logikschaltung 52 empfangen, die als solche von üblicher Konstruktion ist, und deren Aus­ gangssignal einem Impulsgenerator 54 zugeführt wird, der ebenfalls eine übliche Konstruktion aufweist. Wie es dem Fachmann gut bekannt ist, liefert der Impulsgenerator 54 "EIN" und "AUS" Ausgangssignale an den zwei jeweiligen Aus­ gangsleitungen. Ein "EIN"-Impuls wird an der Vorderflanke des Eingangs-Steuersignals geliefert, während ein "AUS"- Impuls an der Hinterflanke des Eingangs-Steuersignals ge­ liefert wird. Beispiele der Logik-Schaltung 52 und des Im­ puls-Generators 54 sind in dem von einer strichpunktierten Linie umgebenen Bereich 50 in Fig. 3 gezeigt.
Die Ausgangssignale des Impulsgenerators werden einer ersten Pegelschieberschaltung 56 zugeführt, die zwei P-Kanal-Feld­ effekt-Transistoren 55 und 57 umfaßt, die jeweils mit einem jeweiligen Lastwiderstand 58 oder 60 gegen niedrigeres Potential verbunden sind. Eine von Haus aus vorhandene oder parasitäre Diode 62 ist längs der Widerstands-Transistor- Serienschaltungen aus dem Transistor 55 und dem Widerstand 58 bzw. dem Transistor 57 und dem Widerstand 60 angeschaltet. Die Transistoren 55 und 57 bewirken eine Pegelverschiebung der Steuersignale auf Signale herunter, die auf COM oder -VL bezogen sind. Somit ergeben diese Signale die Ansteuerung für das unterspannungsseitige Leistungsbauteil 20. Diese Pegelschie­ berschaltung sollte im Gegensatz zu den Pegelschieberschaltungen 70 und 68 der bekannten Treiberschaltung nach Fig. 3 gesehen werden, die den Pegel der Steuersignale von Bezugspegeln VDD und VSS auf Pegel verschiebt, die auf VCC und COM bezogen sind.
Die Ausgänge jedes der Transistoren 55 und 57 sind mit jeweili­ gen Pufferschaltungen 64 und 66 gekoppelt. Die Ausgangssignale der Pufferschaltungen 64 und 66 werden jeweiligen N-Kanal-Feld­ effekt-Transistoren 68 und 70 sowie einer Ausgangs-Logik­ schaltung 72 zugeführt, die eine übliche Konstruktion aufweist und in Fig. 3 mit 72 bezeichnet ist. Das Ausgangssignal der Logik-Schaltung 72 wird einer Treiberschaltung 74, ebenfalls von üblicher Konstruktion (siehe Fig. 3), zugeführt, die das unterspannungsseitige Ausgangs-Ansteuersignal für den unterspannungsseitigen Leistungstransistor liefert.
Die Transistoren 68 und 70 ergeben eine zweite Pegelschieber­ schaltung, durch die die Ausgangssignale der Pufferschaltungen 64 und 66 auf die höhere Bezugsspannung verschoben werden, die die Treiberschaltungen 76, 78 für den spannungsseitigen Leistungstransistor 10 benötigen, die auf VB und VS be­ zogen sind. Die Transistoren 68 und 70 verschieben den Bezugs­ pegel der Steuersignale an ihren Gate-Anschlüssen von dem COM-Bezugspegel auf den VB-Bezugspegel, der für die Ansteue­ rung des spannungsseitigen Leistungsbauteils 10 erforderlich ist. Das Ausgangssignal der Logikschaltung 76 wird einer Treiberschaltung 78 von üblicher Konstruktion (siehe Fig. 3) zugeführt, die das spannungsseitige Ausgangssignal an den Leistungstransistor 10 liefert.
Wie dies dargestellt ist, ist jeder der Transistoren 68 und 70 mit einem jeweiligen Last-Widerstand 69 bzw. 71 gegen die Ober­ spannung verbunden, um die Pegelverschiebung zu erreichen.
Längs der zweiten Pegelschieberschaltung ist eine weitere von Haus aus vorhandene Diode 63 angeschaltet. Die beiden N-Kanal-Feldeffekt-Transistoren, die beiden P-Kanal-Feldeffekt- Transistoren und beiden Dioden müssen in der Lage sein, zu­ mindestens ein Potential auszuhalten, das doppelt so groß wie VL ist. Die beiden Dioden stellen die Tatsache dar, daß die Schaltungsblöcke 50 und 75 unabhängig voneinander ein schwimmendes Potential aufweisen können, das um mehr als den doppelten Wert von VL oberhalb von -VL liegt.
Der Teil der Schaltung rechts von der mit X-X bezeichneten Linie ist üblicherweise in dem Bauteil vom Typ IR 2110 vor­ handen. Entsprechend ist die gesamte in Fig. 2 gezeigte Schal­ tung unter Einschluß der ersten Pegelschieberschaltung 56 vorzugsweise in einem einzigen integrierten Schaltungs-Halb­ leiterplättchen integriert, d. h. in einem einzigen Silizium- Halbleiterplättchen. Die Schaltung nach Fig. 2 stellt bei­ spielsweise eine Verbesserung des Bauteils vom IR 2110 dar und kann in dem einzigen Silizium-Halbleiterplättchen dieses Bauteils integriert werden.
Fig. 4 zeigt, wie ein Teil der Schaltung nach Fig. 2 in einer integrierten Schaltung ausgebildet werden kann. Wenn die Schaltung nach Fig. 2 in einem gemeinsamen Halbleiterplättchen ausgebildet wird, so werden die Hoch- und Niederspannungs­ schaltungen lateral voneinander isoliert. Fig. 4 zeigt einen Teil eines derartigen Halbleiterplättchens im Querschnitt, insbesondere die zwischen VB und VS eingeschaltete Schal­ tung 75 nach Fig. 2. Gemäß Fig. 4 besteht ein Silizium-Halb­ leiterplättchen 120 aus einem P(⁻)-Substrat 121, auf dem eine Epitaxial-Schicht 122 aus N(⁻)-Silizium aufgewachsen ist. Der N(⁻)-Bereich 122 wird durch P⁺ Senkenbereiche 130, 131 und 132 in Hochspannungs- und Niederspannungsbe­ reiche unterteilt. Entsprechend bilden die Senkenbereiche 130 und 131 einen Hochspannungs-Bauteilbereich 140 in der Epitaxialschicht 122 aus, der von dem Niederspannungsbereich 141 getrennt ist. Die Bereiche 140 und 141 können irgendeine gewünschte Topologie aufweisen. Weiterhin kann irgendeine gewünschte Isolationstechnik zwischen den Bereichen 140 und 141 verwendet werden.
Typischerweise umfaßt die Treiberschaltung 78 nach Fig. 2 P-Kanal- und N-Kanal-MOSFETs. Dies ist ausführlich in der US-Patentanmeldung 08/274 012 vom 12. Juli 1994 beschrieben, deren Offenbarung durch diese Bezugnahme hier mit aufgenommen wird. In dieser Anmeldung ist weiterhin in der dem Fachmann bekannten Art die Niederspannungs-Steuerschaltung für die Hochspannungsschaltung beschrieben, die aus P-Kanal- und N-Kanal-MOSFETs bestehen kann.
Die Hochspannungsschaltung dieser MOSFETs ist in Fig. 4 als in dem Hochspannungsbereich 140 ausgebildet dargestellt. Die P⁺-Kontaktbereiche 162 und 163, die in die Schicht 122 eindiffundiert sind, stellen eine der Source- und Drain- Bereiche des P-Kanal-MOSFETs des Treibers 78 nach Fig. 2 dar. Der P-Bereich 164 ist in die Schicht 122 eindiffundiert, um den Senkenbereich vom P-Leitungstyp zu bilden. Die N⁺- Kontaktbereiche 160 und 161, die in den Bereich 164 vom P- Leitungstyp eindiffundiert sind, stellen jeweils einen der Source- und Drain-Bereiche der N-Kanal-MOSFETs des Treibers 78 nach Fig. 2 dar.
Die MOSFETs der Niederspannungs-Steuerschaltung sind schema­ tisch als in dem Bereich 141 nach Fig. 4 ausgebildet darge­ stellt. Ein N⁺-Kontaktbereich 125 ist in den Bereich 141 eindiffundiert und nimmt eine Elektrode auf, die auf der niedrigen Versorgungsspannung VCC liegt. Der Niederspannungs- Steuerbereich 124 würde weiterhin nicht gezeigte Diffusionen enthalten, die identisch zu den Diffusionen 160 bis 164 in dem Hochspannungsbereich 140 sind. Alle N⁺- und P⁺-Diffusionen in dem Niederspannungs-Steuerbereich 124 würden jedoch Elektro­ den aufnehmen, die zwischen VCC (15V) und 0V liegen und die die Source- und Drain-Elektroden der MOSFETs der Niederspan­ nungs-Steuerschaltung darstellen.
N+-Kontaktbereiche 126 und 127 sind in die Schicht 122 ein­ diffundiert und nehmen metallische Elektroden aufs die auf Potentialen zwischen VB (615V) und VS (600V) liegen können. Die P⁺-Senkenbereiche 130, 131, und 132 nehmen Elektroden auf, die sich auf Null- oder Erdpotential (COM) befinden. P(⁻)-Resurf-Bereiche 150 und 151 können den Hochspannungs­ bereich 40 umgeben, um eine Isolation gegenüber dem Nieder­ spannungsbereich 141 zu erzielen.
Wie dies üblich ist, sind alle Bauteile innerhalb der Silizium- Oberflächen durch ein Dielektrikum überdeckt, beispielsweise eine aus Niedrigtemperatur-Siliziumdioxid (Silox) bestehende Schicht 180, die eine Dicke von ungefähr 1,5 Mikrometern auf­ weisen kann. Kontakte an alle Oberflächenelektroden durchdringen die dielektrische oder Isolierschicht 180 und sind an geeignete externe Anschlußstifte geführt, die nicht gezeigt sind.
Das in Fig. 4 gezeigte Bauteil ist weiterhin in üblicher Weise in einem Kunststoffgehäuse 181 angeordnet, das über der oberen Oberfläche des fertigen Halbleiterplättchens liegt und dieses berührt, wie dies schematisch in Fig. 4 gezeigt ist. Das Kunststoffmaterial, das für das Gehäuse verwendet wird, kann irgendein geeignetes Isoliermaterial sein, wie es beispiels­ weise unter den Marken Nitto MP-150SG, Nitto MP-180, und Hysol MG15-F vertrieben wird.
Obwohl nur die mit VB und VS gekoppelte Schaltung im Quer­ schnitt in Fig. 4 gezeigt ist, ist es verständlich, daß eine ähnliche getrennte Konstruktion für die Schaltung verwendet würde, die zwischen VDD und VSS eingeschaltet ist. Grund­ sätzlich würde die gleiche Struktur für die VDD- VSS- Schaltung verwendet, wobei der mit VB in Fig. 4 markierte Punkt mit VDD und der in Fig. 4 mit VS markierte Punkt mit VSS verbunden würde.
Entsprechend wird eine Schaltung zur Ansteuerung von Leistungs- Transistoren in einer Halbbrücken-Konfiguration durch Steuer­ signale geschaffen, die auf irgendein Potential zwischen der Leitungsspannung VL und ihrer Rückleitungsspannung -VL bezogen sind. Vorzugsweise wird die Schaltung in einem einzigen Halbleiterplättchen als integrierte Schaltung integriert.

Claims (10)

1. Verfahren zur Ansteuerung von Leistungstransistoren in einer Halbbrücken-Konfiguration durch ein Steuersignal, das auf irgendein Potential zwischen der Leitungsspannung für die Leistungstransistoren und der Rückleitungsspannung bezogen ist, mit den folgenden Schritten:
  • - Lieferung eines Steuersignals, das auf irgendein Potential zwischen der Leitungsspannung und der Rückleitungsspannung be­ zogen ist, an eine Eingangsschaltung,
  • - Lieferung von zwei Spannungspegeln, die bezüglich eines ge­ meinsamen Spannungspegels schwimmend sind, an die Eingangs­ schaltung,
  • - Lieferung eines Ausgangssignals der Eingangsschaltung an eine erste Pegelschieberschaltung, die den Pegel des Ausgangssignals der Eingangsschaltung so verschiebt, daß er auf den gemeinsamen Spannungspegel bezogen ist,
  • - Lieferung des auf den gemeinsamen Spannungspegel bezogenen Ausgangssignals an eine unterspannungsseitige Treiberschaltung für den Leistungstransistor in der Halbbrücken-Konfiguration, der als unterspannungsseitiger Leistungstransistor wirkt,
  • - Lieferung des auf den gemeinsamen Spannungspegel bezogenen Ausgangssignals weiterhin an eine zweite Pegelschieberschaltung, die den Pegel des Ausgangssignals von der ersten Pegelschieber­ schaltung verschiebt, um ein Signal zu erzeugen, das auf einen zweiten höheren Spannungspegel bezogen ist, der höher als der gemeinsame Pegel ist, und
  • - Lieferung des auf den zweiten höheren Spannungspegel bezogenen Signals an eine spannungsseitige Treiberschaltung zur Ansteue­ rung des Leistungstransistors, der den spannungshaltigen Leistungstransistor in der Halbbrücken-Konfiguration bildet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Spannungspegel, die bezüglich eines gemeinsamen Spannungspegels schwimmend sind, in Abhängigkeit von dem Pegel der Leitungsspannung und der Rückleitungsspannung ausgewählt sind.
3. Schaltung zur Ansteuerung von Leistungstransistoren in einer Halbbrücken-Konfiguration durch ein Steuersignal, das auf irgendein Potential zwischen der Leitungsspannung für die Leistungstransistoren und der Rückleitungsspannung bezogen ist, gekennzeichnet durch:
  • - eine Eingangsschaltung (50), die ein auf irgendein Potential zwischen der Leitungsspannung und der Rückleitungs­ spannung bezogenes Steuersignal empfängt und mit zwei Spannungspegeln (VDD, VSS) gespeist wird, die bezüglich eines gemeinsamen Spannungspegels (COM) schwimmend sind,
  • - eine erste Pegelschieberschaltung (56), die ein Aus­ gangssignal der Eingangsschaltung (50) empfängt und den Pegel des Ausgangssignals der Eingangsschaltung derart verschiebt, das es auf den gemeinsamen Spannungspegel (COM) bezogen ist,
  • - eine unterspannungsseitige Treiberschaltung für den Leistungstransistor (20) in der Halbbrücken-Konfiguration, der als unterspannungsseitiger Leistungstransistor wirkt, wobei die unterspannungsseitige Treiberspannung das auf den gemeinsamen Spannungspegel bezogene Ausgangssignal empfängt,
  • - eine zweite Pegelschieberschaltung (68, 69, 70, 71), die den Pegel des Ausgangssignals von der ersten Pegelschieber­ schaltung (56) so verschiebt, daß ein Signal erzeugt wird, das auf einen zweiten höheren Spannungspegel (VB) bezogen ist, der höher als der gemeinsame Pegel (COM) ist, und
  • - eine Treiberschaltung (75), die das auf den zweiten höheren Spannungspegel bezogene Signal empfängt, um den Leistungstransistor (10) anzusteuern, der den spannungsseitigen Leistungstransistor in der Halbbrücken-Konfiguration bildet.
4. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin eine in Sperrichtung vorgespannte Diode längs der ersten Pegelschieberschaltung und eine in Sperrichtung vorgespannte Diode längs der zweiten Pegelschieberschaltung (68-71) vorgesehen ist, und daß jede der Dioden (62, 63) in der Lage ist, einem Potential zu widerstehen, das zumindestens gleich dem Doppelten der Leitungsspannung ist.
5. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Spannungspegel, die bezüglich eines gemeinsamen Spannungspegels schwimmend sind, in Abhängigkeit von dem Pegel der Leitungsspannung und der Rückleitungsspannung ausgewählt sind.
6. Verfahren zur Integration einer Schaltung zur An­ steuerung von Leistungstransistoren in einer Halbbrücken- Konfiguration durch ein Steuersignal, das auf irgendein Potential zwischen der Leitungsspannung für die Leistungs­ transistoren und die Rückleitungsspannung bezogen ist, in ein einziges integriertes Schaltungs-Halbleiterplättchen, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
  • - Lieferung eines Steuersignals, das auf irgendein Poten­ tial zwischen der Leitungsspannung und der Rückleitungsspannung bezogen ist, an eine Eingangsschaltung,
  • - Lieferung von zwei Spannungspegeln, die bezüglich eines gemeinsamen Spannungspegels schwimmend sind, an die Eingangs­ schaltung,
  • - Lieferung eines Ausgangssignals der Eingangsschaltung an eine erste Pegelschieberschaltung, die den Pegel des Aus­ gangssignals der Eingangsschaltung derart verschiebt, das es auf den gemeinsamen Spannungspegel bezogen ist,
  • - Lieferung des auf den gemeinsamen Spannungspegel bezogenen Ausgangssignals an eine unterspannungsseitige Treiberschaltung für den Leistungstransistor in der Halbbrücken-Konfiguration, der als unterspannungsseitiger Leistungstransistor wirkt,
  • - Lieferung des auf den gemeinsamen Spannungsträger bezoge­ nen Ausgangssignals weiterhin an eine zweite Pegelschieber­ schaltung, die den Pegel des Ausgangssignals von der ersten Pegelschieberschaltung derart verschiebt, daß ein Signal erzeugt wird, das auf einen zweiten höheren Spannungspegel bezogen ist, der höher als der gemeinsame Pegel ist, und
  • - Lieferung des auf den zweiten höheren Spannungspegel be­ zogenen Signals an eine spannungsseitige Treiberschaltung zur Ansteuerung des Leistungstransistors, der den spannungsseitigen Leistungstransistor in der Halbbrücken-Konfiguration bildet.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden bezüglich eines gemein­ samen Spannungspegels schwimmenden Spannungspegel in Abhängig­ keit von dem Pegel der Leitungsspannung und der Rückleitungs­ spannung ausgewählt sind.
8. Eine auf einem einzigen integrierten Schaltungs- Halbleiterplättchen integrierte Schaltung zur Ansteuerung von Leistungstransistoren in einer Halbbrücken-Konfiguration durch ein Steuersignal, das auf irgendein Potential zwischen der Leitungsspannung für die Leistungstransistoren und der Rückleitungsspannung bezogen ist, gekennzeichnet durch
  • - eine Eingangsschaltung (50), die ein auf irgendein Poten­ tial zwischen der Leitungsspannung und der Rückleitungsspannung bezogenes Steuersignal empfängt und mit zwei Spannungspegeln gespeist wird, die bezüglich eines gemeinsamen Spannungspegels schwimmend sind,
  • - eine erste Pegelschieberschaltung (56), die ein Ausgangs­ signal der Eingangsschaltung (50) empfängt und den Pegel des Ausgangssignals der Eingangsschaltung (50) derart verschiebt, daß es auf den gemeinsamen Spannungspegel bezogen ist,
  • - eine unterspannungsseitige Treiberschaltung für den Leistungstransistor in der Halbbrücken-Konfiguration, der als unterspannungsseitiger Leistungstransistor (20) wirkt, wobei die unterspannungsseitige Treiberschaltung das auf den gemein­ samen Spannungspegel bezogene Ausgangssignal empfängt,
  • - eine zweite Pegelschieberschaltung (68-71), die den Pegel des Ausgangssignals von der ersten Pegelschieberschaltung (56) verschiebt, um ein Signal zu erzeugen, das auf einen zweiten höheren Spannungspegel bezogen ist, der höher als der gemeinsame Pegel ist, und
  • - eine Treiberschaltung (75), die das auf den zweiten höheren Spannungspegel bezogene Signal empfängt, um den Leistungstransistor anzusteuern, der den spannungsseitigen Leistungstransistor (10) in der Halbbrücken-Konfiguration bildet.
9. Schaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine in Sperrichtung vorgespannte Diode (62) längs der ersten Pegelschieberschaltung (56) und eine in Sperrichtung vorgespannte Diode (63) längs der zweiten Pegelschieberschaltung angeschaltet ist, und daß jede der Dioden (62, 63) in der Lage ist, einem Potential zu widerstehen, das zumindestens dem Doppelten der Leitungsspannung entspricht.
10. Schaltung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden bezüglich eines ge­ meinsamen Spannungspegels schwimmenden Spannungspegel in Ab­ hängigkeit von dem Pegel der Leitungsspannung und der Rück­ leitungsspannung ausgewählt sind.
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